JP2015207570A

JP2015207570A - 集光型太陽光発電装置

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Publication number: JP2015207570A
Application number: JP2014085137A
Authority: JP
Inventors: 浩介植田; Kosuke Ueda
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-11-19

Abstract

【課題】集光型太陽光発電装置において光の過度な集中による光電変換素子の長期信頼性の低下や発電効率の低下を改善し、さらに、異なる吸収波長を有する複数の光電変換層を積層した多接合型の光電変換素子を用いた集光型太陽光発電装置において、色収差による発電効率の低下を改善する。【解決手段】集光レンズと、該集光レンズにより集光された光を受光する光電変換素子を備える集光式太陽光発電装置であって、前記集光レンズは、第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部からなり、前記第１レンズ部は、前記光電変換素子の光電変換波長範囲における最短波長近傍の第１の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも短く、さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、集光レンズで集光した光を光電変換素子に照射する集光型太陽光発電装置に関する。

太陽エネルギーを電力に変換する太陽光発電装置が実用化されているが、低コスト化を実現し、変換効率（発電効率）をさらに改善して大電力を得るために、非特許文献１には、安価な集光レンズで集光した太陽光を、小面積の太陽電池セルに照射して発電する集光型太陽光発電装置が示されている。

集光型太陽光発電装置は、太陽光を集光レンズで集光することから、太陽電池セルとしては、集光レンズの受光面積より小さいサイズの太陽電池セルで良い。すなわち太陽電池セルのサイズを縮小できるので、太陽光発電装置において最も高価な構成物である太陽電池セルの割合を減らすことによりコストを低減することが可能となる。このような利点から集光型太陽光発電装置は、広大な面積を利用して発電可能な地域での電力供給用などに利用されつつある。

非特許文献１では、発電効率向上の方法として、太陽電池セルにＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合太陽電池セルを用いることが示されている。図４１は、非特許文献１に記載のＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合太陽電池セルの断面構造及びエネルギー変換する波長域を示したものである。ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合太陽電池セルは、ＩｎＧａＰトップセル、ＩｎＧａＡｓミドルセル及びＧｅボトムセルの３つの光電変換層（以降「サブセル」とも称する）を積層した構造であり、３つのサブセルはトンネル接合を介して直列に接続されている。そして、ＩｎＧａＰトップセルは３００〜６６０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓミドルセルは６６０〜８９０ｎｍ、Ｇｅボトムセルは８９０〜２０００ｎｍの波長領域の光を吸収することでエネルギー変換する。よって、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合太陽電池セルは太陽光に含まれる色々な波長の光を３つのサブセルのそれぞれで吸収して発電する為、発電効率を向上させることが可能である。

「集光型化合物太陽電池」、シャープ技報第９３号、２００５年１２月、４９頁〜５３頁

ここで、非特許文献１を例に従来の集光レンズの光学設計について説明する。図４２は従来の集光式太陽光発電装置の一例を示す説明図であり、光学設計波長の光の集光経路に着目した図を示す。

従来の集光型太陽光発電装置９１１は、集光レンズ９２１及び光電変換素子９０３からなる。

光電変換素子９０３は集光レンズ９２１と対向している。集光レンズ９２１の光軸９０２上に光電変換素子９０３の中心が配置されるよう保持される。

集光レンズ９２１は、光電変換素子９０３の中央上部に搭載され、集光レンズ９２１で太陽光である入射光Ｌｉを屈折させて出射光Ｌｏを光電変換素子９０３に照射させる。この際の光学設計としては、設計波長を例えば５００ｎｍに設定した場合、光軸９０２にほぼ平行に集光レンズ９２１に入射した５００ｎｍの光が、いずれの領域においても屈折されて、光電変換素子９０３の中心に集光するように設計される。

しかしながら、図４２に示した光学設計の場合、集光レンズ９２１のいずれの位置に照射した光も光電変換素子９０３の中心に集光されるため、受光光量が中央に集中したものとなる。その結果、変換される電流や温度の分布が素子中心で特に高い不均一なものとなる。このように光が過度に集中した場合、光電変換素子９０３の長期信頼性の低下や、集光型太陽電池の電気的特性のうち、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の低下を招くという課題があった。

さらに、図４３には、図４２の光学系において光学設計波長よりも長波長、短波長の光の集光経路に着目した図を示す。図４３から明らかなように、色収差によって光学設計波長よりも短い波長の光は屈折角が大きく焦点距離が短く、長い波長の光は屈折角が小さく焦点距離が長くなるため、太陽電池セルに照射される光の強度分布が波長によって異なる。非特許文献１のように、異なる吸収波長を有する複数の光電変換層を積層した多接合型の光電変換素子を用いた集光型太陽電池にこのような従来光学系を用いた場合、光の強度分布が波長により大きく異なるため、太陽電池セルの各サブセルにおける発生電流の分布にも大きな差が生じる。その一方で、太陽電池の各サブセルは電気的に直列に接続されているため、太陽電池セル全体での発生電流は最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流に依存することになる。よって、各サブセルにおいて光の強度分布に差があると曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の低下を招くという問題があった。

本発明は、集光型太陽光発電装置において光の過度な集中による光電変換素子の長期信頼性の低下や発電効率の低下を改善し、さらに、異なる吸収波長を有する複数の光電変換層を積層した多接合型の光電変換素子を用いた集光型太陽光発電装置において、色収差による発電効率の低下を改善することを目的とする。

本発明に係る集光型太陽光発電装置は、集光レンズと、該集光レンズにより集光された光を受光する光電変換素子を備える集光式太陽光発電装置であって、前記集光レンズは、第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部からなり、前記第１レンズ部は、前記光電変換素子の光電変換波長範囲における最短波長近傍の第１の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも短く、さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することを特徴としている。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記集光レンズは、第３の半径値から第４の半径値までの領域が第２レンズ部からなり、前記第３の半径値は前記第２の半径値と実質的に等しく、前記第２レンズ部は、前記光電変換素子の光電変換波長範囲における、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも長く、さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記集光レンズは、第５の半径値から第６の半径値までの領域が第３レンズ部からなり、前記集光レンズは、前記光電変換素子と相似形状であり、前記第２の半径値および前記第５の半径値は、前記集光レンズの内接円の半径値と実質的に等しく、第３レンズ部は、前記第１の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値ｒに応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも短く、さらに、前記集光レンズの内接円の半径値をＲ、前記光電変換素子の受光面の内接円の半径値をＰとした時に、前記半径値ｒに入射した光が、前記光電変換素子の受光面において（ｒ／Ｒ）×Ｐの円周上に照射することが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記集光レンズは、第７の半径値から第８の半径値までの領域が第４レンズ部からなり、前記第７の半径値は前記第６の半径値と実質的に等しく、前記第４レンズ部は、前記光電変換素子の光電変換波長範囲における、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値ｒに応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも長く、さらに、前記半径値ｒに入射した光が、前記光電変換素子の受光面において（ｒ／Ｒ）×Ｐの円周上に照射することが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記集光レンズは、第７の半径値から第８の半径値までの領域が第４レンズ部からなり、前記集光レンズは、前記光電変換素子と相似形状であり、前記第４の半径値および前記第７の半径値は、前記集光レンズの内接円の半径値と実質的に等しく、前記第４レンズ部は、前記光電変換素子の光電変換波長範囲における、前記第１の波長よりも長い第３の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値ｒに応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも長く、さらに、前記集光レンズの内接円の半径値をＲ、前記光電変換素子の受光面の内接円の半径値をＰとした時に、前記半径値ｒに入射した光が、前記光電変換素子の受光面において（ｒ／Ｒ）×Ｐの円周上に照射することが好ましい。

本発明に係る集光型太陽光発電装置は、集光レンズと、該集光レンズにより集光された光を受光する光電変換素子を備える集光式太陽光発電装置であって、前記集光レンズは、第３の半径値から第４の半径値までの領域が第２レンズ部からなり、前記第２レンズ部は、前記光電変換素子の光電変換波長範囲における、第２の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも長く、さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することを特徴としている。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記集光レンズは、第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部からなり、前記第１の半径値は前記第４の半径値と実質的に等しく、前記第１レンズ部は、前記光電変換素子の光電変換波長範囲における最短波長近傍であり、前記第２の波長よりも短い第１の波長の光に対して、前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも短く、さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記光電変換素子は、前記第１の波長の光を受光して発電する第１の光電変換層を含むことが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記第１の光電変換層はＩｎＧａＰを含み、前記第１の波長の光の波長は３８０ｎｍ〜４１０ｎｍであることが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記光電変換素子は、前記第１の波長の光を受光して発電する第１の光電変換層と、前記第２の波長の光を受光して発電する第２の光電変換層と、を含む複数の光電変換層を積層した構造を有することが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記第１の光電変換層はＩｎＧａＰを含み、前記第２の光電変換層はＩｎＧａＡｓを含み、前記第１の波長の光の波長は３８０ｎｍ〜４１０ｎｍであり、前記第２の波長の光の波長は８００ｎｍ〜９５０ｎｍであることが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、前記集光レンズは、複数のリング状のプリズムおよび／または複数のリングの一部分の形状を有するプリズムと、を略同心円状に配置したものであることが好ましい。

また、本発明の集光型太陽光発電装置において、集光レンズの対称中心に、平坦部もしくは穴からなる透過部を備えることが好ましい。

本発明によれば、集光型太陽光発電装置において光の過度な集中による光電変換素子の長期信頼性の低下や発電効率の低下を改善し、さらに、異なる吸収波長を有する複数の光電変換層を積層した多接合型の光電変換素子を用いた集光型太陽光発電装置において、色収差による発電効率の低下を改善することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、太陽光の入射面側から見た平面図である。図１のＡ−Ａ’線断面図であり、本発明の実施形態１に係る第１レンズ部から出射した第１の波長の光の集光経路を示す図である。本発明の実施形態１に係る第１レンズ部による第１の波長の光の照射箇所を模式的に示す、太陽光の入射面側から見た平面図であり、（ａ）は第１レンズ部へ光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した光が光電変換素子に照射する領域を示す。実施形態１における実施例１の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態１における比較例１の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態１における実施例１と比較例１のシミュレーション結果を示す図表である。実施形態１における実施例２の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態１における比較例２の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態１における実施例２と比較例２のシミュレーション結果を示す図表である。本発明の実施形態２に係る集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、太陽光の入射面側から見た平面図である。図１０のＢ−Ｂ’線断面図であり、本発明の実施形態２に係る透過部から出射した第２の波長の光の経路を示す図である。図１０のＢ−Ｂ’線断面図であり、本発明の実施形態２に係る第２レンズ部から出射した第２の波長の光の集光経路を示す図である。本発明の実施形態２に係る透過部および第２レンズ部による第２の波長の光の照射箇所を模式的に示す、太陽光の入射面側から見た平面図であり、（ａ）は第２レンズ部へ光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した光が光電変換素子に照射する領域を示す。実施形態２における実施例３の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態２における実施例３と比較例１のシミュレーション結果を示す図表である。本発明の実施形態３に係る集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、太陽光の入射面側から見た平面図である。図１６のＣ−Ｃ’線断面図であり、本発明の実施形態３に係る第１レンズ部から出射した第１の波長の光の集光経路を示す図である。図１６のＣ−Ｃ’線断面図であり、本発明の実施形態３に係る第２レンズ部から出射した第２の波長の光の集光経路を示す図である。本発明の実施形態３に係る第１レンズ部および第２レンズ部による光の照射箇所を模式的に示す、太陽光の入射面側から見た平面図であり、（ａ）は第１レンズ部および第２レンズ部へ光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した光が光電変換素子に照射する領域を示す。実施形態３における実施例４の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態３における比較例３の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態３における実施例４と比較例３のシミュレーション結果を示す図表である。本発明の実施形態４に係る集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、太陽光の入射面側から見た平面図である。図２３のＤ−Ｄ’線断面図であり、本発明の実施形態４に係る透過部から出射した第１の波長の光の集光経路を示す図である。図２３のＤ−Ｄ’線断面図であり、本発明の実施形態４に係る第１レンズ部から出射した第１の波長の光の集光経路を示す図である。本発明の実施形態４に係る透過部および第１レンズ部による光の照射箇所を模式的に示す、太陽光の入射面側から見た平面図であり、（ａ）は透過部および第１レンズ部へ光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した光が光電変換素子に照射する領域を示す。本発明の実施形態５に係る集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、太陽光の入射面側から見た平面図である。図２７のＥ−Ｅ’線断面図であり、本発明の実施形態５に係る第１レンズ部から出射した第１の波長の光の集光経路を示す図である。図２７のＥ−Ｅ’線断面図であり、本発明の実施形態５に係る第３レンズ部から出射した第１の波長の光の集光経路を示す図である。本発明の実施形態５に係る第３レンズ部による第１の波長の光の照射箇所を模式的に示す、太陽光の入射面側から見た平面図であり、（ａ）は第３レンズ部へ光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した光が光電変換素子に照射する領域を示す。実施形態５における実施例６の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態５における比較例４の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態５における実施例６と比較例４のシミュレーション結果を示す図表である。本発明の実施形態６に係る集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、太陽光の入射面側から見た平面図である。図３４のＦ−Ｆ’線断面図であり、本発明の実施形態６に係る第３レンズ部から出射した第１の波長の光の集光経路を示す図である。図３４のＦ−Ｆ’線断面図であり、本発明の実施形態６に係る第４レンズ部から出射した第２の波長の光の集光経路を示す図である。本発明の実施形態６に係る第４レンズ部による第２の波長の光の照射箇所を模式的に示す、太陽光の入射面側から見た平面図であり、（ａ）は第４レンズ部へ光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した光が光電変換素子に照射する領域を示す。実施形態６における実施例７の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態６における比較例５の集光型太陽電池において、光電変換素子に集光された光による電流密度分布を３次元的に示す説明図である。実施形態６における実施例７と比較例５のシミュレーション結果を示す図表である。従来技術を示すものであって、複数の光電変換層を積層した多接合型の光電変換素子と、その吸収波長帯の一例を示す図である。従来技術を示すものであって、集光レンズから出射した設計波長の光の集光経路を示す図である。従来技術を示すものであって、集光レンズから出射した設計波長よりも長波長、短波長の光の集光経路を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、図面を参照し説明すれば以下の通りである。

図１及び図２は、本発明の集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、図１に太陽光の入射面側から見た平面図、図２に図１のＡ−Ａ’線断面図を示す。

まず、図１に基づいて実施形態１の概要を説明する。

集光型太陽光発電装置１１は、集光レンズ２１及び光電変換素子３からなり、大きさは数十ｍｍから数百ｍｍである。

光電変換素子３は、レシーバ基板（図示しない）に搭載されている。保持プレート（図示しない）は、レシーバ基板を保持し、集光レンズ２１と対向している。モジュールフレーム（図示しない）は、集光レンズ２１の光軸２上に光電変換素子３が配置されるように、集光レンズ２１と保持プレートとを保持している。これにより、光電変換素子３の受光面の中心における法線が集光の光軸２に一致している。

集光レンズ２１は、光電変換素子３の中央上部に搭載され、集光レンズ２１で太陽光を屈折させて光電変換素子３に照射させる。

本実施形態１では、集光レンズ２１は、薄肉化による軽量化及び材料コストの低減、集光倍率の向上、ならびに成型の加工性を考慮して、複数のリング状のプリズムを略同心円状に配置したフレネルレンズとしている。この集光レンズ２１を直径２Ｒ_２１の円形に形成するとともにモジュールフレームに保持させている。

集光レンズ２１の材料としては、例えば、シリコーンが用いられる。ただし、集光レンズ２１の材料には様々な透光性材料を用いることが可能であり、具体的には、たとえば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂や、ポリカーボネート、ガラスなどを用いることができるし、複数の材料を組み合わせて用いることもできる。例えば平板なガラス板にシリコーンからなるプリズムを形成すれば、ガラス板により機械的強度や平面性、耐久性、耐候性を確保した上で、加工の容易なシリコーンを用いることで安価で自由度の高いレンズを実現することができる。

本発明の集光レンズの光学設計は、集光レンズ中心に対して対称であり、共通の半径値において共通の光学設計がなされる。さらに、同様の指針に基づき光学設計がなされる領域をまとめてレンズ部と呼び、半径値の範囲で区分することができる。つまり集光レンズの光学設計指針がひとつの場合はその全域がひとつのレンズ部であるし、複数の光学設計指針を有する場合は半径値に応じた複数のレンズ部からなる。

本実施形態１では、集光レンズ２１の全域が本発明特有の光学設計に基づく第１レンズ部３１によって構成されている。第１の半径値から第２の半径値までの領域が集光レンズ２１により構成されており、図１に示す実施形態１では第１の半径値が０（対称中心）、第２の半径値がＲ_２１（集光レンズ２１の半径）である例を示す。

光電変換素子３としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅ等からなる無機光電変換素子や、色素増感型光電変換素子等の有機光電変換素子が用いられる。また、光電変換素子の構造は、単一接合型セルや、モノリシック多接合型セルや、感度領域の異なる種々光電変換素子を繋げたメカニカルスタックセル等が用いられる。なお、集光型太陽光発電装置としては、高効率性が特に求められることから、多接合型の光電変換素子や、メカニカルスタックセルの使用が好ましい。

光電変換素子３の外形サイズは、集光型太陽電池のひとつの目的である、光電変換素子に使用する材料の削減の観点から、できるだけ小さくする必要があり、数ｍｍから２０ｍｍ程度のものが使用される。形状は、円形、正方形、長方形、六角形など特に問わないが、製造効率の観点から、正方形、長方形などの角型がよく用いられる。本実施形態１では、光電変換素子３は、図１に示すように正方形とし、外形サイズすなわち一辺の長さが２Ｐ_３のものを用いている。その受光面も２Ｐ_３角である。次に、集光レンズ２１について、図面を参照して更に詳しく説明する。

図２は本発明の実施形態１において、集光レンズ２１の第１レンズ部３１に入射した第１の波長の光が第１レンズ部３１を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。この図に基づいて本実施形態１の光学設計を説明する。光学設計の基準となる第１の波長は、光電変換素子３の吸収波長、つまり光電変換可能な波長の範囲に基づいて設定される。吸収波長範囲のうち最短波長近傍であることが好ましい。その理由については後述する。

第１レンズ部３１の各リング状プリズムに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ１は、第１レンズ部３１により屈折し、第１レンズ部３１の出射光Ｌｏ１として出射する。そして、第１レンズ部３１の出射光Ｌｏ１は、光軸２上の集光レンズ２１と光電変換素子３との間に焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。

図３は、実施形態１の第１レンズ部３１による第１の波長の光の照射箇所を模式的に示す図である。（ａ）は第１レンズ部３１へ第１の波長の光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した第１の波長の光が光電変換素子３に照射する領域を示す。いずれも太陽光の入射面側から見た平面図である。実際には集光レンズ２１の全領域に全太陽光、つまり太陽光に含まれるすべての波長の光が入射するが、ここでは、光学設計の説明のために、設計波長である第１の波長の光に着目し、第１レンズ部３１の一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示している。

すでに図２で説明した、Ａ−Ａ’線断面における第１の波長の光の照射状況は、図３に示す直線状の入射領域３１ａと点状の照射領域３１ａ’に相当する。つまり、第１レンズ部３１の入射領域３１ａに入射した入射光Ｌｉ１が、出射光Ｌｏ１として第１レンズ部３１から出射し、いずれも光電変換素子３の照射領域３１ａ’に照射することに相当する。集光レンズ２１の光学機能は中心に対して回転対称なので、扇形状の入射領域３１ｂへの入射光Ｌｉ１は出射光Ｌｏ１となって円弧状の照射領域３１ｂ’に照射する。これらを第１レンズ部３１全面に適用すると、第１レンズ部３１への入射光Ｌｉ１が第１レンズ部３１にて屈折され、出射光Ｌｏ１がいずれも光軸２上の集光レンズ２１と光電変換素子３との間に焦点を有し、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射することが明らかである。

ここで、このように設計することによって得られる効果と第１の波長の設定について説明する。

まず、理解のために設計波長の光だけに着目して考察する。図４２に示した従来技術の光学設計の場合、設計波長の光は集光レンズ９２１のいずれの位置に照射した光も光電変換素子９０３の中心に集光されるため、受光光量が中央に集中したものとなる。これに対し、本実施形態１では、設計波長である第１の波長の光は光電変換素子３の受光面の周辺部となる内接円の円周上（リング状）に照射するため、光電変換素子３の受光面での受光光量が、中央に集中した従来技術に比べると平面方向に平均化されたものとなる。

実際には、太陽光は設計波長以外の波長全域（ただし光電変換素子３の吸収波長範囲内）を総合的に考慮して設計する必要があり、そのためには設計波長の設定が重要となる。本実施形態１では、設計波長である第１の波長を光電変換素子３の吸収波長範囲のうち最短波長近傍に設定することにより、光の利用効率を向上することができる。その理由を説明する。

集光レンズ２１に用いる光学材料はいずれも屈折率に分散を有することが一般に知られている。すなわちレンズ材料の屈折率が波長によって異なることにより色収差が発生し、その結果、光電変換素子３の照射位置もその波長によって変化する。具体的には、設計波長よりも短波長の光の場合、屈折率が高いため、より屈折角が大きい方向に照射する。逆に長波長の光の場合、屈折率が低いため、より屈折角が小さい方向に照射する。本実施形態１では集光レンズ２１の材料にシリコーンを用いているが、シリコーンも分散を有し、上記傾向を示す。

つまり、本実施形態１の光学設計の場合、設計波長の光は、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射するため、設計波長よりも短い波長の光は、より屈折角が大きい方向、つまり内接円よりも外側に照射する。従って、それらの光は、光電変換素子３の受光面の外側に出てしまう場合がある。特に内接円と受光面の接点付近では、内接円の外側が受光面の外側となり光の損失となる。これに対して設計波長よりも長い波長の光は内接円よりも内側に照射するため損失にはならない。そこで、設計波長を第１の波長、すなわち光電変換素子３の吸収波長範囲の最短波長近傍に設定することにより、光電変換素子３で変換できる波長範囲内の光を、受光面の外に損失することなく概ね受光できることになる。つまり、光電変換素子３で利用できる波長範囲内の光を受光面に無駄なく照射し、かつ平面方向に平均化して受光できることになる。

太陽光波長全域を考慮した本実施形態１の設計波長の設定について上述したが、従来技術における設計波長の設定は次のようになる。従来技術では図４３で示したように、設計波長以外の光はその波長が離れるにつれ、色収差によって受光面中心よりも外側にずれていく。短波長側は屈折角の大きい方向に、長波長側は屈折角の小さい方向に、受光面中心から互いに逆方向にずれていくため、長短両側の波長の光を無駄なく、できる限り受光面内に照射させるために、一般的に設計波長は光電変換素子３の吸収波長範囲の両端を避けた中央域に設定される。

太陽光波長全域を考慮した従来技術と本実施形態１の光学設計は以上に説明した通りである。いずれの技術においても色収差による各波長の照射位置のずれは避けられないが、設計波長の照射位置を基準に生じるものであって、設計波長の光が受光面中心に集光する従来技術に比べて、上述のように受光面内接円周上に照射する本実施形態１の方が、受光面中心の光の過度の集中を抑制し、平面方向に平均化して受光できることは明らかである。

以下に、具体的な実施例をもとにその効果を具体的に説明する。

実際の光電変換素子３に照射した光量分布や変換される電流を３接合型素子の各光電変換層（サブセル）において測定することは困難であるため、各光学特性を用いたシミュレーション計算を行い、各実施例の効果を検証した。

実施形態１に基づいた例を実施例１として示す。

最初に、計算に用いた条件について説明する。

入射光はＡＭ（エアマス）１．５の太陽光をシミュレートし、集光レンズ２１は、波長５００ｎｍにおける屈折率が約１．４１のシリコーンを用いたフレネルレンズとした。各波長における屈折率についても実際のシリコーン材料の屈折率を用いた。集光レンズ２１は円形で、その直径２Ｒ_２１は１７０ｍｍとした。光電変換素子３の受光面は一辺８ｍｍの正方形、集光レンズと光電変換素子３の間の距離を２５０ｍｍとした。光電変換素子３の受光面は正方形であるため、対角線の交点をその中心とした。

光電変換素子３はＳｉ単結晶からなる単一接合型光電変換素子を使用し、その吸収波長や屈折率などの各光学定数を用いた。具体的な吸収波長範囲は、３００〜１２００ｎｍ程度である。設計波長として第１の波長は上記吸収波長範囲を考慮して３９０ｎｍとした。集光レンズ２１は、半径値ｒ＝０〜８５ｍｍまでの全域が第１レンズ部３１である。つまり、第１の半径値が０ｍｍ、第２の半径値が８５ｍｍである。光学設計は第１レンズ部３１に入射した第１の波長の光が光電変換素子３の受光面の中心を中心とする直径７ｍｍの円周上つまりリング状に照射するものとした。この照射領域は、光電変換素子３の受光面の内接円と同心円となる。照射領域を光電変換素子３の内接円（直径８ｍｍ）よりも若干小さくした理由は、素子受光面の極最縁部では機能や寸法精度などの理由により素子の受光機能が低下する場合があること、素子の寸法精度、レンズ光軸の設計精度・調整精度などの理由により照射領域が受光面から外れてしまう場合があること、などからマージンを考慮したものである。この時のマージンは半径値で０．５ｍｍとしたが、素子のサイズや品質によって数ｍｍまで適宜自由に設計してもよい。光電変換素子３の受光面が受ける光の平面均一性の観点からは、半径が大きい、つまりマージンが小さい方が望ましく、光電変換素子３の機能や寸法精度、レンズ光軸の設計精度・調整精度の観点からは、半径が小さい、つまりマージンが大きい方が望ましい。両方の観点を考慮して設計すればよい。

第１レンズ部３１の設計波長を３９０ｎｍとした理由は、実施例１の構成において最もよい特性を示す波長を選んだものである。具体的には光電変換素子３の光電変換効率が高く、かつ光強度の面内分布がより均一な条件である。

以上の条件で、集光レンズ２１に入射した太陽光が設計通りに屈折され、光電変換素子３に照射された状態をシミュレーションした。加えて、光学定数を考慮して光電変換素子３の各平面座標に対する光強度分布を算出し、それをもとに光電変換された電流密度を算出した。

〔比較例１〕
比較例１については、集光レンズ２１と同サイズの円形状の集光レンズ９２１について、従来技術として図４２に示した光学設計とした。具体的には設計波長を６００ｎｍとし、集光レンズ９２１の全域に入射した６００ｎｍの光がすべて光電変換素子３の受光面の中心に集光するよう設計した。つまり、集光レンズ９２１のｒ＝０〜８５ｍｍまで、つまり全域において６００ｎｍの光の焦点距離が２５０ｍｍである。集光レンズ９２１以外については実施例１と共通の構成とした。

集光レンズ９２１の設計波長を６００ｎｍとした理由は、従来の光学設計において最もよい特性を示す波長を選んだものである。具体的には、実施例１の場合と同じく、光電変換素子３の光電変換効率が高く、かつ光強度の面内分布がより均一な条件である。

以上の条件で計算した結果をもとに実施例１および比較例１を比較する。

図４に、実施例１の集光型太陽電池における、光電変換素子３上に集光された光による電流密度分布を示す。図５に同じく比較例１の結果を示す。さらに図６には、これらの計算結果から光電変換の重要な特性値である、光電変換素子３の短絡電流値Ｉ_ｓｃ、受光面内で電流密度が最も高くなる値（すなわち最大電流密度）を示す。短絡電流値は、光電変換素子３の電流密度の総計である。光電変換素子３を短絡することで得られる電流値であり、光電変換により発生した発生電流を抵抗損失なく観測したことに相当する。本願説明において短絡電流と発生電流とは、その着目点や表現が異なるものの、本質的には同じものを示す。

また、理解のために各レンズ部とその集光レンズにおける半径値、設計波長、その照射位置も併せて示す。なお、照射位置「奥側」とは、第１レンズ部３１に入射した第１の波長３９０ｎｍの光は光軸２上の焦点を通過して光電変換素子３の内接円上に、第１レンズ部３１上の入射点から見て奥側の位置に照射されることを示している。つまり、第１レンズ部３１上の入射点から見て、光軸２に対して奥側の内接円上に照射することを示している。従来レンズの場合は、その全域において設計波長６００ｎｍの光を光電変換素子３の中心に集光するため、照射位置は中央となる。

図６の結果を比較することで、次のことが言える。短絡電流Ｉ_ｓｃについては実施例１では３．９６［Ａ］、比較例１では４．０２［Ａ］と、ほぼ同じ値の短絡電流Ｉ_ｓｃが得られるよう設計できている。一方最大電流密度については実施例１では３７．１０［Ａ／ｃｍ^２］、比較例１では４５．４９［Ａ／ｃｍ^２］と実施例１の方が低い値になっている。つまり光電変換素子３の光強度分布において、比較例１では中心に光の過度の集中を招いているのに対し、実施例１では比較的均一に近い面内分布が得られていることが分かる。その様子は図４、図５を比較しても明らかである。

つまり、実施例１では、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、比較的均一に近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できる。

実施形態１に基づき、３接合型光電変換素子を使用した例を実施例２として示す。

実施例１では、光電変換素子３にＳｉ単結晶からなる単一接合型光電変換素子を使用したが、これに対し、実施例２では３接合型光電変換素子を使用している。

実施例２の光電変換素子３は図４１に示した非特許文献１と同様の各光電変換層を積層し、各層間をトンネル接合した、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅから構成される３接合型光電変換素子を使用し、その吸収波長や屈折率などの各光学定数を用いた。具体的な各サブセルの吸収波長範囲は、ＩｎＧａＰトップセルは３００〜６６０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓミドルセルは６６０〜８９０ｎｍ、Ｇｅボトムセルは８９０ｎｍ〜２０００ｎｍである。

実施例２においては、第１レンズ部３１の設計波長を４００ｎｍとした。光電変換素子３に３接合型光電変換素子を用いる点と、それに伴い第１レンズ部３１の設計波長が異なる点以外は実施例１と同様である。

第１レンズ部３１の設計波長を４００ｎｍとした理由は、実施例２の構成において最もよい特性を示す波長を選んだものである。以下に具体的に説明する。実施例２では光電変換素子３に３接合型光電変換素子を使用している。すでに説明したように、各サブセルは電気的に直列に接続されているため、太陽電池セル全体での発生電流は最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流に依存する、つまり制限されることになる。従って、３接合型光電変換素子の光電変換素子３で高い光電変換効率を得るためには、最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流を最大化する必要がある。上記を鑑みて、実施例２では各サブセルのうち、最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流を最大化するように波長を設定した。

以上の条件で、集光レンズ２１に入射した太陽光が設計通りに屈折され、光電変換素子３に照射された状態をシミュレーションした。加えて、各サブセルの吸収波長と光学定数を考慮して、光電変換素子３の各サブセルにおいて各平面座標に対する光強度分布を算出し、それをもとに光電変換された電流密度を算出した。

〔比較例２〕
比較例２については、光電変換素子３に実施例２と同じ３接合型光電変換素子を使用し、集光レンズ９２１は集光レンズ２１と同サイズの円形状とし、従来技術として図４２に示した光学設計とした。具体的には設計波長を５５０ｎｍとし、集光レンズ９２１の全域に入射した５５０ｎｍの光がすべて光電変換素子３の受光面の中心に集光するよう設計した。つまり、集光レンズ９２１のｒ＝０〜８５ｍｍまで、つまり全域において５５０ｎｍの光の焦点距離が２５０ｍｍである。集光レンズ９２１以外については実施例２と共通の構成とした。

集光レンズ９２１の設計波長を５５０ｎｍとした理由は、従来の光学設計において最もよい特性を示す波長を選んだものである。具体的には、実施例２と同様に各サブセルのうち、最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流を最大化するように波長を設定した。

以上の条件で計算した結果をもとに実施例２および比較例２を比較する。

図７に、実施例２の集光型太陽電池における、光電変換素子３上に集光された光による電流密度分布を示す。（ａ）にトップセルの、（ｂ）にミドルセルの、（ｃ）にボトムセルの結果を示す。図８に同じく比較例２の結果を示す。さらに図９には、これらの計算結果から光電変換の重要な特性値である、光電変換素子３の各セルの短絡電流値Ｉ_ｓｃ、受光面内で電流密度が最も高くなる値（すなわち最大電流密度）、および光電変換素子３全体としてのＩ_ｓｃを示す。その他については実施例１と同様である。電流密度が高いということはその位置を多くの電流が流れているということなので、電流密度分布が面内位置での電流の流れやすさを示し、全域における電流密度の総和が短絡電流と解釈できる。

図９の結果を比較することで、次のことが言える。

セル全体の短絡電流Ｉ_ｓｃについては実施例２ではトップセルが２．３４［Ａ］、ミドルセルが２．４６［Ａ］、ボトムセルが３．６３［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、２．３４［Ａ］である。比較例２では同じくトップセルが２．３５［Ａ］、ミドルセルが２．４７［Ａ］、ボトムセルが３．５１［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、２．３５［Ａ］である。すなわち、実施例２と比較例２では、ほぼ同じ値の短絡電流Ｉ_ｓｃが得られるよう設計できている。一方最大電流密度については実施例２ではトップセルが１７．７１［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが２５．８０［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが３０．９１［Ａ／ｃｍ^２］、比較例２ではトップセルが３４．２２［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが２５．１３［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが１５．６３［Ａ／ｃｍ^２］となっている。このことから、比較例２においては、各セル間の最大電流密度の差異が大きいのに対し、実施例２においては各セル間の最大電流密度の差異が小さい。さらに、光電変換素子３の各セルでの電流密度分布を図７、図８の各セルの分布形状をもとに比較すると、比較例２では各セルでの分布の差異が大きいのに対して、実施例２では比較的各セル間で分布の差異が小さいことが分かる。

各サブセルは電気的に直列に接続されているため、太陽電池セル全体での発生電流が最も発生電流の少ないサブセルの発生電流に依存するため、各サブセルのうち、最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流を最大化することが発電効率の向上につながることを上述した。電流密度の面内分布においても同様のことが言えるので以下に説明する。各サブセルで発電されて得られた電流は、各サブセル内もしくはサブセル間の領域内で平面に流れるよりも、各サブセルを直列方向に貫いて流れる方が効率がよい。つまり、各サブセルの平面座標を同じくする１点に着目した場合、サブセル全体で最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流密度を、他のサブセルでの発生電流密度が上回っていれば、各セルを直列方向に貫く電流の損失が少なくなり効率的になる。

以下に具体的に説明する。実施例２においても比較例２においても、最も発生電流の少ないサブセルはトップセルである。実施例２ではミドルセル、ボトムセルともに、トップセルの電流密度の面内分布形状に近く、さらに電流密度の値も大きいので、概ねどの面内位置でもトップセルの発生電流を直列方向に貫いて流すことができ効率的である。つまり発電効率が高い。これに対し比較例２ではミドルセル、ボトムセルともに、電流密度分布形状がトップセルと異なっており、最大電流密度もトップセルよりも低い値である。このためトップセルで発生した電流が、ミドルセル、ボトムセルで直列方向に流し切れず、電流が周囲に迂回することになり、低効率となり、結果として発電効率が低下する。

つまり、実施例２では、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、さらに各セルで比較的近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できる。

〔実施形態２〕
以下、本発明の実施形態２について、図面を参照し説明すれば以下の通りである。

図１０、図１１及び図１２は、本発明の集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、図１０に太陽光の入射面側から見た平面図、図１１および図１２に図１０のＢ−Ｂ’線断面図を示す。

まず、図１０に基づいて実施形態２の概要を説明する。

集光型太陽光発電装置１２は、集光レンズ２２及び光電変換素子３からなる。実施形態１の集光レンズ２１の代わりに集光レンズ２２を有している。それ以外の構成は実施形態１と同様であり、実施形態１中と同様の要素には同一の符号を付している。

本実施形態２では、集光レンズ２２を集光レンズ２１と同様に、複数のリング状のプリズムを略同心円状に配置したフレネルレンズとしている。この集光レンズ２２を直径２Ｒ_２２の円形に形成するとともにモジュールフレームに保持させている。また、集光レンズ２２は、集光形態の異なる、中心部の透過部３５と、透過部３５の周囲に形成された第２レンズ部３２とで構成されている。対称中心から第３の半径値までの領域が透過部３５で、第３の半径値から第４の半径値までの領域が第２レンズ部３２で構成されている。図１０に示す実施形態２では第３の半径値が光電変換素子３の内接円の半径、第４の半径値がＲ_２２（集光レンズ２２の半径）である例を示す。

次に、集光レンズ２２について、図面を参照して更に詳しく説明する。

図１１は本発明の実施形態２において、集光レンズ２２の透過部３５に入射した光が透過部３５を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。光電変換素子３の内接円より内側の直上に相当する集光レンズ２２の領域については透過部３５、つまり、特に屈折を行わない単純透過となる構成とした。図１１に示すように、透過部３５に入射した光はその直下の光電変換素子３の内接円より内側の領域に照射する。

図１２は本発明の実施形態２において、集光レンズ２２の第２レンズ部３２に入射した第２の波長の光が第２レンズ部３２を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。この図に基づいて本実施形態２の光学設計を説明する。光学設計の基準となる第２の波長は、光電変換素子３の吸収波長、つまり光電変換可能な波長の範囲に基づいて設定される。吸収波長範囲のうち実施形態１で説明した第１の波長よりも長いことが好ましい。その理由については後述する。

第２レンズ部３２の各リング状プリズムに入射した第２の波長の入射光Ｌｉ２は、第２レンズ部３２により屈折し、第２レンズ部３２の出射光Ｌｏ２として出射する。そして、第２レンズ部３２の出射光Ｌｏ２は、集光レンズ２２から見て光軸２上の光電変換素子３よりも遠くに焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。

図１３は、実施形態２の透過部３５および第２レンズ部３２による第２の波長の光の照射箇所を模式的に示す図である。（ａ）は透過部３５および第２レンズ部３２へ光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した光が光電変換素子３に照射する領域を示す。いずれも太陽光の入射面側から見た平面図である。実際には集光レンズ２２の全領域に全太陽光、つまり太陽光に含まれるすべての波長の光が入射するが、ここでは、光学設計の説明のために、第２レンズ部３２の設計波長である第２の波長の光に着目し、透過部３５および第２レンズ部３２のそれぞれの一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示している。

図１１で説明した透過部３５については、入射領域３５ａに入射された全波長の光が単純透過し、照射領域３５ａ’に照射される。

図１２で説明した、Ｂ−Ｂ’線断面における第２の波長の光の照射状況は、図１３に示す直線状の入射領域３２ａと点状の照射領域３２ａ’に相当する。つまり、第２レンズ部３２の入射領域３２ａに入射した入射光Ｌｉ２が、出射光Ｌｏ２として第２レンズ部３２から出射し、いずれも光電変換素子３の照射領域３２ａ’に照射することに相当する。集光レンズ２２の光学機能は中心に対して回転対称なので、扇形状の入射領域３２ｂへの入射光Ｌｉ２は出射光Ｌｏ２となって円弧状の照射領域３２ｂ’に照射する。これらを第２レンズ部３２全面に適用すると、第２レンズ部３２への入射光Ｌｉ２が第２レンズ部３２にて屈折され、出射光Ｌｏ２がいずれも集光レンズ２２から見て光軸２上の光電変換素子３よりも遠くに焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射することが明らかである。

ここで、このように設計することによって得られる効果と第２の波長の設定について説明する。

図４２に示した従来技術の光学設計の場合、集光レンズ９２１のいずれの位置に照射した光も光電変換素子９０３の中心に集光されるため、受光光量が中央に集中したものとなる。これに対し、本実施の形態２では、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射するため、光電変換素子３の受光面での受光光量が、中央に集中した従来技術に比べると平面方向に平均化されたものとなる。

次に、設計波長である第２の波長を光電変換素子３の吸収波長範囲のうち実施形態１で説明した第１の波長よりも長い波長に設定することにより、光の利用効率を向上することができる。その理由を説明する。

実施形態１で説明したように、集光レンズ２２に用いる光学材料の屈折率の波長分散により、設計波長よりも短波長の光の場合、屈折率が高いため、より屈折角が大きい方向に照射する。逆に長波長の光の場合、屈折率が低いため、より屈折角が小さい方向に照射する。

つまり、本実施形態２の光学設計の場合、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射するため、設計波長よりも長い波長の光は、より屈折角が小さい方向、つまり内接円よりも外側に照射する。従って、それらの光は、光電変換素子３の受光面の外側に出てしまう場合がある。特に内接円と受光面の接点付近では、内接円の外側が受光面の外側となる。そこで、設計波長を第２の波長、すなわち光電変換素子３の吸収波長範囲内で比較的長くに設定することにより、光電変換素子３で変換できる波長範囲内の光を、受光面の外に損失することなく概ね受光できることになる。つまり、光電変換素子３で利用できる波長範囲内の光を受光面に無駄なく照射し、かつ平面方向に平均化して受光できることになる。

また、本実施形態２において、光電変換素子３の内接円より内側の直上に相当する集光レンズ２２の領域については透過部３５、つまり、特に屈折を行わない単純透過となる構成とした。もしこの領域も第２レンズ部３２として第２の波長の光を光電変換素子３内接円上に照射する設計にした場合は、凹レンズとなってしまうので、第２の波長より短い波長の光が光電変換素子３の外側に照射されてしまい、光を損失するからである。

透過部３５は単純透過のため色収差もなく、この領域に入射した全波長の光が光電変換素子３の面内に均一に照射されるため、強度分布が均一となり好ましい。透過部３５の具体的な構成としては、平坦部や穴などの形状を用いることができる。対称中心を平坦部や穴とすることにより、次の効果を得ることができる。例えば、レンズ中心の視認が容易になるのでレンズとセルとの位置合わせに利用することができる。また、レンズの対称中心近傍では通常リング状プリズムの高い加工精度が要求されるが、単純透過とすればその必要がない。また成形が容易になる。特に穴の場合、成形時の空気抜き穴とすることもできるので、より好ましい。

透過部３５の代わりに実施例１で用いた第１レンズ部３１を用いてもよい。その場合、すでに実施形態１にて説明した第１レンズ部３１の効果も得られる。

実施形態２に基づいた例を実施例３として示す。

実施例３では、実施例１の集光レンズ２１の代わりに集光レンズ２２を用いた。それ以外の構成は実施例１と同様である。集光レンズ２２は円形で、その直径２Ｒ_２２は１７０ｍｍとした。光電変換素子３は実施例１と同様にＳｉ単結晶からなる単一接合型光電変換素子を使用し、その吸収波長範囲は、３００〜１２００ｎｍ程度である。設計波長として第２の波長は上記吸収波長範囲を考慮して１２００ｎｍとした。集光レンズ２２の半径値ｒ＝０〜８５ｍｍまでのうち、ｒ＝０〜３．５ｍｍまでが透過部３５であり、ｒ＝３．５〜８５ｍｍまでが第２レンズ部３２である。つまり、第３の半径値が３．５ｍｍ、第４の半径値が８５ｍｍである。第２レンズ部３２では、第２の波長の光が光電変換素子３の受光面の中心を中心とする直径７ｍｍの円周上つまりリング状に照射するものとした。この照射領域は、光電変換素子３の受光面の内接円と同心円となる。

第２レンズ部３２の設計波長を１２００ｎｍとした理由は、実施例３の構成において最もよい特性を示す波長を選んだものである。具体的には光電変換素子３の光電変換効率が高く、かつ光強度の面内分布がより均一な条件である。

以上の条件で、光電変換素子３の各平面座標に対する光強度分布を算出し、それをもとに光電変換された電流密度を算出した。

結果をもとに実施形態１で説明した比較例１と実施例３を比較する。

図１４に、実施例３の集光型太陽電池における、光電変換素子３上に集光された光による電流密度分布を示す。さらに図１５には、実施例１と同様に各特性値を示す。照射位置「手前側」とは、第２レンズ部３２に入射した第２の波長１２００ｎｍの光は光電変換素子３の内接円上に、第２レンズ部３２上の入射点から見て手前側の位置に照射されることを示している。つまり、第２レンズ部３２上の入射点から見て、光軸２に対して手前側の内接円上に照射することを示している。

図１５の結果を比較することで、次のことが言える。短絡電流Ｉ_ｓｃについては実施例３では４．０３［Ａ］、比較例１では４．０２［Ａ］と、ほぼ同じ値の短絡電流Ｉ_ｓｃが得られるよう設計できている。一方最大電流密度については実施例３では１９．５９［Ａ／ｃｍ^２］、比較例１では４５．４９［Ａ／ｃｍ^２］と実施例３の方が低い値になっている。つまり光電変換素子３の光強度分布において、比較例１では中心に光の過度の集中を招いているのに対し、実施例３では比較的均一に近い面内分布が得られていることが分かる。その様子は図１４と図５を比較しても明らかである。

つまり、実施例３では、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、比較的均一に近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できる。

〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、図面を参照し説明すれば以下の通りである。

図１６及び図１７、図１８は、本発明の集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、図１６に太陽光の入射面側から見た平面図、図１７、図１８に図１６のＣ−Ｃ’線断面図を示す。

まず、図１６に基づいて実施形態３の概要を説明する。

本実施形態３の集光型太陽光発電装置１３は、実施形態１の集光レンズ２１の代わりに集光レンズ２３を有している。それ以外の構成は実施形態１と同様であり、実施形態１中と同様の要素には同一の符号を付している。

本実施形態３では、集光レンズ２３を集光レンズ２１と同様に、複数のリング状のプリズムを略同心円状に配置したフレネルレンズとしている。この集光レンズ２３を直径２Ｒ_２３の円形に形成するとともにモジュールフレームに保持させている。また、集光レンズ２３は、集光形態の異なる、中心部の第１レンズ部３１と、第１レンズ部３１の周囲に形成された第２レンズ部３２とで構成されている。第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部３１で、第３の半径値から第４の半径値までの領域が第２レンズ部３２で構成されている。図１６に示す実施形態３では第１の半径値が０（対称中心）、第２の半径値と第３の半径値が実質的に等しく、第４の半径値がＲ_２３（集光レンズ２３の半径）である例を示す。

次に、集光レンズ２３について、図面を参照して更に詳しく説明する。

図１７は本発明の実施形態３に係る、集光レンズ２３の第１レンズ部３１に入射した第１の波長の光が第１レンズ部３１を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。また、図１８は本発明の実施形態３に係る、集光レンズ２３の第２レンズ部３２に入射した第２の波長の光が第２レンズ部３２を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。これらの図に基づいて本実施形態３の光学設計を説明する。

第１レンズ部３１の光学設計および第１の波長の設定については、実施形態１と同様である。すなわち、光学設計の基準となる第１の波長は、光電変換素子３の吸収波長、つまり光電変換可能な波長の範囲に基づいて設定される。吸収波長範囲のうち最短波長近傍であることが望ましい。

図１７に示すように、第１レンズ部３１の各リング状プリズムに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ１は、第１レンズ部３１により屈折し、出射光Ｌｏ１として出射する。そして、第１レンズ部３１の出射光Ｌｏ１は、光軸２上の集光レンズ２３と光電変換素子３との間に焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。

一方、第２レンズ部３２の光学設計の基準となる第２の波長は、光電変換素子３の吸収波長、つまり光電変換可能な波長の範囲に基づいて設定される。吸収波長範囲のうち第１の波長よりも長いことが望ましい。

図１８に示すように、第２レンズ部３２の各リング状プリズムに入射した第２の波長の入射光Ｌｉ２は、第２レンズ部３２により屈折し、出射光Ｌｏ２として出射する。そして、第２レンズ部３２の出射光Ｌｏ２は、集光レンズ２３から見て光軸２上の光電変換素子３よりも遠くに焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。

図１９は、実施形態３の第１レンズ部３１による第１の波長の光の照射箇所および第２レンズ部３２による第２の波長の光の照射箇所を模式的に示す図である。（ａ）は集光レンズ２３へ各光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した各光が光電変換素子３に照射する領域を示す。いずれも太陽光の入射面側から見た平面図である。第１レンズ部３１については、設計波長である第１の波長の光に着目し、第１レンズ部３１の一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示している。第２レンズ部３２については、設計波長である第２の波長の光に着目し、第２レンズ部３２の一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示している。

すでに図１７で説明した、Ｃ−Ｃ’線断面における第１の波長の光の照射状況は、図１９に示す直線状の入射領域３１ｃと点状の照射領域３１ｃ’に相当し、同じく図１８で説明した、Ｃ−Ｃ’線断面における第２の波長の光の照射状況は、直線状の入射領域３２ｃと点状の照射領域３２ｃ’に相当する。つまり、第１レンズ部３１の入射領域３１ｃに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ１が、出射光Ｌｏ１として第１レンズ部３１から出射し、いずれも光電変換素子３の照射領域３１ｃ’に照射することに相当し、第２レンズ部３２の入射領域３２ｃに入射した第２の波長の入射光Ｌｉ２が、出射光Ｌｏ２として第２レンズ部３２から出射し、いずれも光電変換素子３の照射領域３２ｃ’に照射することに相当する。集光レンズ２３の光学機能は中心に対して回転対称なので、同様に入射領域３１ｄへ入射した第１の波長の入射光Ｌｉ１が照射領域３１ｄ’に照射し、入射領域３２ｄへ入射した第２の波長の入射光Ｌｉ２が照射領域３２ｄ’に照射する。

これらの光学設計を集光レンズ２３全面に適用すると、第１レンズ部３１では第１の波長の入射光Ｌｉ１が屈折され、出射光Ｌｏ１がいずれも光軸２上の集光レンズ２３と光電変換素子３との間に焦点を有し、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。また、第２レンズ部３２では第２の波長の入射光Ｌｉ２が屈折され、出射光Ｌｏ２がいずれも集光レンズ２３から見て光軸２上の光電変換素子３よりも遠くに焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射することが明らかである。

第１の波長と第２の波長の設定は実施形態１と実施形態２と同様に、発電効率を考慮して最適となるよう設定することができる。

本実施形態３では所定の半径値（実質的に等しい第２の半径値および第３の半径値、）で第１レンズ部３１と第２レンズ部３２を切替えている。実施形態１や実施形態２のように、集光レンズのほぼ全面を第１レンズ部３１、あるいは第２レンズ部３２で設計する場合と比べて得られる効果について以下に説明する。

すでに述べたように、集光レンズはその材料の光学波長分散によって色収差が発生し、集光レンズの同じ場所に入射した光でも、光の波長によって照射する光電変換素子３上の位置に差が生じる。この現象は屈折角が小さい集光レンズ中心付近ではほとんど無視できるほどに小さいが、屈折角が大きくなる、つまり集光レンズの半径値が大きくなるほど顕著となる。そのため、集光レンズの半径値が大きくなると、短波長である第１の波長の光と長波長である第２の波長の光の照射位置の距離が、本実施形態３で光学設計基準としている光電変換素子３の照射範囲（つまり内接円の直径２Ｐ_３）を超えてしまう場合がある。この半径値以上では、第１の波長から第２の波長までの光のすべてを光電変換素子３内に照射することはできず、第１の波長より短い光もしくは第２の波長より長い光のいずれかを損失することになる。この半径値は、集光レンズおよび光電変換素子３のサイズや集光レンズの材料の光学定数とその波長分散、光電変換素子３の吸収波長範囲により決まる所定の値となる。

例えば、集光レンズ中心からこの所定の半径値を超えて全面に第１レンズ部３１を設けた場合には、この所定の半径値以上で第２の波長以上の波長を持つ光の一部が光電変換素子３外に照射されてしまう。集光レンズ中心付近からこの所定の半径値を超えて全面に第２レンズ部３２を設けた場合には、この所定の半径値以上で第１の波長以下の波長を持つ光の一部が光電変換素子３外に照射されてしまう。この結果、例えば光電変換素子３に３接合型素子のように各サブセルの発生電流のバランスを取る必要がある素子を用いた場合には、特定のサブセルの発電効率が低下して、トータルの発電効率が低下することになる。

これに対し、本実施形態３の集光レンズ２３のように、この所定の半径値を境界として第１レンズ部３１と第２レンズ部３２を設ければ、第１レンズ部３１で第１の波長の光について発電効率の高い設計にしているので、第２レンズ部３２において第１の波長付近の短波長の光をある程度損失してでも、第２の波長の光の発電効率を高くすることで、全波長でのトータルでの発電効率を向上することが可能である。実際には、これらの損失を考慮した上で、トータルの発電効率が最適となるよう第１と第２の波長を設定すればよい。

実施形態３に基づき、３接合型光電変換素子を使用した例を実施例４として示す。

実施例４の光電変換素子３は実施形態１の実施例２と同様のものを用いた。

実施例４では、実施例２の集光レンズ２１の代わりに集光レンズ２３を用いた。それ以外の構成は実施例２と同様である。集光レンズ２３は円形で、その直径２Ｒ_２３は２４０ｍｍとした。

集光レンズ２３の半径値ｒ＝０〜１２０ｍｍまでのうち、ｒ＝０〜９３ｍｍまでが第１レンズ部３１であり、ｒ＝９３〜１２０ｍｍまでが第２レンズ部３２である。つまり第１の半径値が０ｍｍ、第２の半径値が９３ｍｍ、第３の半径値が９３ｍｍ、第４の半径値が１２０ｍｍである。第１レンズ部３１および第２レンズ部３２は、実施形態１、２で説明したものと同じ役割を果たし、第１レンズ部３１の設計波長である第１の波長は４００ｎｍ、第２レンズ部３２の設計波長である第２の波長は８８０ｎｍとし、それぞれ、光電変換素子３の受光面の中心を中心とする直径７ｍｍの円周上つまりリング状に照射するものとした。

それぞれの設計波長を設定した理由は、実施例４の構成において最もよい特性を示す波長を選んだものであり、判断基準とその理由は実施例２と同様である。

〔比較例３〕
比較例３については、光電変換素子３に実施例４と同じ３接合型光電変換素子を使用し、集光レンズ９２１は集光レンズ２３と同サイズの円形状で図４２に示した従来技術による光学設計とした。具体的には設計波長を５５０ｎｍとし、集光レンズ９２１の全域に入射した５５０ｎｍの光がすべて光電変換素子３の受光面の中心に集光するよう設計した。つまり、集光レンズ９２１のｒ＝０〜１２０ｍｍまで、つまり全域において５５０ｎｍの光の焦点距離が２５０ｍｍである。集光レンズ９２１以外については実施例４と共通の構成とした。

集光レンズ９２１の設計波長を５５０ｎｍとした理由は、従来の光学設計において最もよい特性を示す波長を選んだものである。具体的には、実施例４と同様に各サブセルのうち、最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流を最大化するように波長を設定した。

以上の条件で計算した結果をもとに実施例４および比較例３を比較する。

図２０に、実施例４の集光型太陽電池における、光電変換素子３上に集光された光による電流密度分布を示す。（ａ）にトップセルの、（ｂ）にミドルセルの、（ｃ）にボトムセルの結果を示す。図２１に同じく比較例３の結果を示す。さらに図２２には、実施例２と同様に各特性値を示す。

図２２の結果を比較することで、次のことが言える。

セル全体の短絡電流Ｉ_ｓｃについては実施例４ではトップセルが４．４０［Ａ］、ミドルセルが４．５１［Ａ］、ボトムセルが５．１７［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、４．４０［Ａ］である。比較例３では同じくトップセルが４．５１［Ａ］、ミドルセルが４．４５［Ａ］、ボトムセルが５．２６［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、４．４５［Ａ］である。すなわち、実施例４と比較例３では、ほぼ同じ値の短絡電流Ｉ_ｓｃが得られるよう設計できている。一方最大電流密度については実施例４ではトップセルが３５．０４［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが３２．７０［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが３１．５１［Ａ／ｃｍ^２］、比較例３ではトップセルが５３．７２［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが３２．９０［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが１５．５７［Ａ／ｃｍ^２］となっている。このことから、比較例３においては、各セル間の最大電流密度の差異が大きいのに対し、実施例４においては各セル間の最大電流密度の差異が小さい。さらに、光電変換素子３の各セルでの電流密度分布を図２０、図２１の各セルの分布形状をもとに比較すると、比較例３では各セルでの分布の差異が大きいのに対して、実施例４では比較的各セル間で分布の差異が小さいことが分かる。さらに言えば、実施例２に比べても、より各セル間で分布の差異を小さくできていることが分かる。

実施形態１でも説明したように、各サブセルの平面座標を同じくする１点に着目した場合、サブセル全体で最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流密度を、他のサブセルでの発生電流密度が上回っていれば、各セルを直列方向に貫く電流の損失が少なくなり効率的になる。

最も発生電流の少ないサブセルは、実施例４においてトップセルであり、比較例３においてミドルセルである。実施例４ではミドルセル、ボトムセルともに、トップセルの電流密度の面内分布形状に近いので、概ねどの面内位置でもトップセルの発生電流を損失少なく直列方向に貫いて流すことができ効率的である。つまり発電効率が高い。これに対し比較例３ではトップセル、ボトムセルともに、電流密度分布形状がミドルセルと異なっている。このためミドルセルで発生した電流が、トップセル、ボトムセルで直列方向に流し切れず、電流が周囲に迂回することになり、低効率となり、結果として発電効率が低下する。

つまり、実施例４では、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、さらに各セルで比較的近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できる。

なお、本実施形態３において、集光レンズ２３の内周側を第１レンズ部３１、外周側を第２レンズ部３２とする例を示した。これを光学設計の観点から説明すると、光学設計の基準波長を、集光レンズ２３の内周側で第１の波長とし、外周側で第２の波長に切り替えたことに相当する。しかしながら、集光レンズ２３および光電変換素子３などのサイズや位置関係によっては、他の形態が好ましい場合もある。具体的には光学設計の基準波長を集光レンズ２３の内周側で第２の波長とし、外周側で第１の波長に切り替えた方が全波長でのトータルでの発電効率が向上する場合も有りうる。その場合は、例えば、集光レンズ２３の内周側を第２レンズ部３２とし、外周側を第１レンズ部３１とする形態が適用できる。このように、全波長でのトータルでの発電効率が向上するよう適宜設計することができる。

なお、実施形態１から実施形態３まで説明してきた集光レンズ２１〜２３については、いずれも円形のものを用いたが、実際の形状は円形に限るものではない。例えば集光型太陽光発電装置を平面方向に効率良く配置するために、長方形や正方形、六角形など、平面に敷き詰められる形状であっても構わない。その場合は、集光レンズ２１〜２３の外縁部を適宜切り落として長方形や正方形、六角形などに加工してもよいし、当初から上記形状で形成してもよい。集光レンズとして有効な部分の光学設計が実施形態１から実施形態３で示した設計思想に基づいていれば各実施形態の効果を得ることができる。

〔実施形態４〕
本発明の実施形態４について、図面を参照し説明すれば以下の通りである。

図２３及び図２４、図２５は、本発明の集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、図２３に太陽光の入射面側から見た平面図、図２４、図２５に図２３のＤ−Ｄ’線断面図を示す。

まず、図２３に基づいて実施形態４の概要を説明する。

本実施形態４の集光型太陽光発電装置１４は、実施形態３の集光レンズ２３の代わりに集光レンズ２４を有している。それ以外の構成は実施形態３と同様であり、実施形態３中と同様の要素には同一の符号を付している。

本実施形態４では、集光レンズ２４を集光レンズ２３と同様に、複数のリング状のプリズムを略同心円状に配置したフレネルレンズとしている。この集光レンズ２４を直径２Ｒ_２４の円形に形成するとともにモジュールフレームに保持させている。また、集光レンズ２４は、集光形態の異なる、中心部の透過部３５と、透過部３５の周囲に形成された第１レンズ部３１と、第１レンズ部３１の周囲に形成された第２レンズ部３２とで構成されている。対称中心から第１の半径値までの領域が透過部３５で、第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部３１で、第３の半径値から第４の半径値までの領域が第２レンズ部３２で構成されている。図２３に示す実施形態４では第１の半径値が光電変換素子３の内接円の半径、第２の半径値と第３の半径値が実質的に等しく、第４の半径値がＲ_２４（集光レンズ２４の半径）である例を示す。

次に、集光レンズ２４について、図面を参照して更に詳しく説明する。

図２４は本発明の実施形態４において、集光レンズ２４の透過部３５に入射した光が透過部３５を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。光電変換素子３の内接円より内側の直上に相当する集光レンズ２４の領域については透過部３５、つまり、特に屈折を行わない単純透過となる構成とした。図２４に示すように、透過部３５に入射した光はその直下の光電変換素子３の内接円より内側の領域に照射する。図２４からも分かるように実施形態４の透過部３５は実施形態２の透過部３５と同様である。

図２５は本発明の実施形態４に係る、集光レンズ２４の第１レンズ部３１に入射した第１の波長の光が第１レンズ部３１を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。図２５からも分かるように実施形態４の第１レンズ部３１は実施形態１および実施形態３の第１レンズ部３１と同様である。

図２６は、実施形態４の透過部３５および第１レンズ部３１による第１の波長の光の照射箇所を模式的に示す図である。（ａ）は集光レンズ２４へ各光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した各光が光電変換素子３に照射する領域を示す。いずれも太陽光の入射面側から見た平面図である。第１レンズ部３１の設計波長である第１の波長の光に着目し、透過部３５および第１レンズ部３１のそれぞれの一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示している。

図２４で説明した透過部３５については実施形態２と同様に、入射領域３５ｂに入射された全波長の光が単純透過し、照射領域３５ｂ’に照射される。

図２５で説明した、Ｄ−Ｄ’線断面における第１の波長の光の照射状況は、図２６に示す直線状の入射領域３１ｅと点状の照射領域３１ｅ’に相当する。同様に入射領域３１ｆに入射した第１の波長の光は照射領域３１ｆ’に照射される。

図２４および図２５、図２６から明らかなように、実施形態３の集光レンズ２３の第１の半径値が対称中心だったのに対し、本実施形態４の集光レンズ２４の第１の半径値は光電変換素子３の内接円の半径となっており、対称中心から第１の半径値までが透過部３５となっている構成である。それ以外については実施形態３の集光レンズ２３と同様である。実施形態４の第２レンズ部３２については実施形態３と同様であるため図示および説明を省略する。

本実施形態４では実施形態３の集光レンズ２３の中心部に透過部３５を設けた構成について説明したが、透過部３５は実施形態３だけでなく、実施形態１にも適用できるし、以降に説明する実施形態５および実施形態６にも適宜適用することができる。透過部３５は単純透過のため色収差もなく、この領域に入射した全波長の光が光電変換素子３の面内に均一に照射されるため、強度分布が均一となり好ましい。透過部３５の具体的な構成としては、平坦部や穴などの形状を用いることができる。対称中心を平坦部や穴とすることにより、次の効果を得ることができる。例えば、レンズ中心の視認が容易になるのでレンズとセルとの位置合わせに利用することができる。また、レンズの対称中心近傍では通常リング状プリズムの高い加工精度が要求されるが、単純透過とすればその必要がない。また成形が容易になる。特に穴の場合、成形時の空気抜き穴とすることもできるので、より好ましい。

実施形態４に基づき、３接合型光電変換素子を使用した例を実施例５として示す。

実施例５の光電変換素子３は実施形態３の実施例４と同様のものを用いた。

実施例５では、実施例４の集光レンズ２３の代わりに集光レンズ２４を用いた。それ以外の構成は実施例４と同様である。集光レンズ２４は円形で、その直径２Ｒ_２４は２４０ｍｍとした。

集光レンズ２４の半径値ｒ＝０〜１２０ｍｍまでのうち、ｒ＝０〜３．５ｍｍまでが透過部３５であり、ｒ＝３．５〜９３ｍｍまでが第１レンズ部３１であり、ｒ＝９３〜１２０ｍｍまでが第２レンズ部３２である。つまり第１の半径値が３．５ｍｍ、第２の半径値が９３ｍｍ、第３の半径値が９３ｍｍ、第４の半径値が１２０ｍｍである。透過部３５、第１レンズ部３１および第２レンズ部３２は、これまでの実施形態で説明したものと同じ役割を果たし、第１レンズ部３１の設計波長である第１の波長は４００ｎｍ、第２レンズ部３２の設計波長である第２の波長は８８０ｎｍとし、それぞれ、光電変換素子３の受光面の中心を中心とする直径７ｍｍの円周上つまりリング状に照射するものとした。

それぞれの設計波長を設定した理由は、実施例５の構成において最もよい特性を示す波長を選んだものであり、判断基準とその理由は実施例４と同様である。

実施例５において集光型太陽電池の各特性値を計算したところ、実施例４とほぼ同様の特性を得ることができた。すなわち、透過部３５を設けることにより、集光型太陽電池としての特性を大きく損なうことなく、上述の透過部３５の効果を得ることができる。

〔実施形態５〕
本発明の実施形態５について、図面を参照し説明すれば以下の通りである。

図２７及び図２８、図２９は、本発明の集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、図２７に太陽光の入射面側から見た平面図、図２８、図２９に図２７のＥ−Ｅ’線断面図を示す。

まず、図２７に基づいて実施形態５の概要を説明する。

本実施形態５の集光型太陽光発電装置１５は、実施形態１の集光レンズ２１の代わりに集光レンズ２５を有している。それ以外の構成は実施形態１と同様であり、実施形態１中と同様の要素には同一の符号を付している。

本実施形態５では、集光レンズ２５を集光レンズ２１と同様にフレネルレンズとしている。ただし、実施形態１から４で用いた円形の集光レンズと異なり、集光レンズ２５は一辺２Ｒ_２５の正方形に形成しているため、その内接円より内側は複数のリング状のプリズム、内接円より外側は複数のリングの一部分の形状を有するプリズムが略同心円状に配置したフレネルレンズとしている。集光レンズ２５は正方形であり、その光軸２において、同じく正方形である光電変換素子３と中心を一致させて相似形に配置している。

さらに、集光レンズ２５は、集光形態の異なる、中心部の第１レンズ部３１と、第１レンズ部３１の周囲に形成された第３レンズ部３３とで構成されており、その境界は集光レンズ２５の内接円と一致している。第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部３１で、第５の半径値から第６の半径値までの領域が第３レンズ部３３で構成されている。図２７に示す実施形態５では第１の半径値が０（対称中心）、第２の半径値と第５の半径値が実質的に等しく集光レンズ２５の内接円の半径Ｒ_２５であり、第６の半径値が√２×Ｒ_２５である例を示す。

次に、集光レンズ２５について、図面を参照して更に詳しく説明する。なお、実施形態１から４での説明と異なり、集光レンズ２５が正方形であるため、集光レンズ２５と光電変換素子３の対角線を含むＥ−Ｅ’断面を用いて説明する。

図２８は本発明の実施形態５に係る、集光レンズ２５の第１レンズ部３１に入射した第１の波長の光が第１レンズ部３１を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。また、図２９は本発明の実施形態５に係る、集光レンズ２５の第３レンズ部３３に入射した第１の波長の光が第３レンズ部３３を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。

これらの図に基づいて本実施形態５の光学設計を説明する。

第１レンズ部３１の光学設計および第１の波長の設定については、実施形態１や実施形態３などと同様である。すなわち、光学設計の基準となる第１の波長は、光電変換素子３の吸収波長、つまり光電変換可能な波長の範囲に基づいて設定される。吸収波長範囲のうち最短波長近傍であることが望ましい。

図２８に示すように、第１レンズ部３１の各リング状プリズムに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ１は、第１レンズ部３１により屈折し、出射光Ｌｏ１として出射する。そして、第１レンズ部３１の出射光Ｌｏ１は、光軸２上の集光レンズ２５と光電変換素子３との間に焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。これについても実施形態１および３と同様である。ただし集光レンズ２５のＥ−Ｅ’断面を図示したものであるため、光電変換素子３の断面も対角線を表しており、長さが√２Ｐ_３となっているのに対し、第１レンズ部３１の第１の波長の光の照射箇所は光電変換素子３の幅であるＰ_３の位置となる。

一方、第３レンズ部３３も第１の波長の光に基づいて光学設計されている。図２９に示すように、第３レンズ部３３へ入射した第１の波長の入射光Ｌｉ３が第３レンズ部３３にて屈折され、出射光Ｌｏ３が光軸２に対して光電変換素子３の奥側に照射される。この時、入射光Ｌｉ３が入射した集光レンズ２５上の半径値をｒとすると、光電変換素子３の中心から（ｒ／Ｒ_２５）×Ｐ_３の位置に照射するように設計されている。なお、光軸２に対して奥側に照射されるために、光軸２上の集光レンズ２５と光電変換素子３との間に焦点を有している点は第１レンズ部３１と同様である。

例えば、集光レンズ２５の内接円上、つまりｒ＝Ｒ_２５に入射した第１の波長の光は、光軸２に対して奥側のＰ_３の位置、光電変換素子３の内接円上に照射する。集光レンズ２５の角、つまりｒ＝√２Ｒ_２５に入射した第１の波長の光は、光軸２に対して奥側の√２Ｐ_３の位置、光電変換素子３の角に照射する。

図３０は、実施形態５の第３レンズ部３３による第１の波長の光の照射箇所を模式的に示す図である。第１レンズ部３１については実施形態１や３などと同様であるため説明を省略する。（ａ）は集光レンズ２５へ各光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した各光が光電変換素子３に照射する領域を示す。いずれも太陽光の入射面側から見た平面図である。第３レンズ部３３については、設計波長である第１の波長の光に着目し、第３レンズ部３３の一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示している。

すでに図２９で説明した、Ｅ−Ｅ’線断面における第１の波長の光の照射状況は、図３０に示す直線状の入射領域３３ａと同じく直線状の照射領域３３ａ’に相当する。つまり、第３レンズ部３３の入射領域３３ａに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ３が、出射光Ｌｏ３として第３レンズ部３３から出射し、いずれも光電変換素子３の照射領域３３ａ’に照射することに相当する。集光レンズ２５の光学機能は中心に対して回転対称なので、円弧状の入射領域３３ｂへ入射した第１の波長の入射光Ｌｉ３が同じく円弧状の照射領域３３ｂ’に照射する。

これらの光学設計を集光レンズ２５全面に適用すると、第１レンズ部３１では第１の波長の入射光Ｌｉ１が屈折され、出射光Ｌｏ１がいずれも光軸２上の集光レンズ２５と光電変換素子３との間に焦点を有し、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。また、第３レンズ部３３では半径値ｒに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ３が屈折され、出射光Ｌｏ３がいずれも光軸２上の集光レンズ２５と光電変換素子３との間に焦点を有し、光電変換素子３の受光面の中心から（ｒ／Ｒ_２５）×Ｐ_３の位置に照射することが明らかである。

つまり、本実施形態５の集光レンズ２５の光学設計を別の言葉で表現すると下記のようになる。すなわち、集光レンズ２５の内接円、およびそれよりも内側に入射した光は、そのうちの第１の波長の光が、すべて光軸２を通過した上で光電変換素子３の内接円上に照射するように設計されている。そして、集光レンズ２５の内接円より外側かつ正方形内に照射した光は、そのうちの第１の波長の光が、光軸２を通過した上で、集光レンズ２５上の入射位置に対応する光電変換素子３での相似点（ただし、光軸２を通過してから奥側に照射するので、中心に対して点対称の相似点）に照射するように設計されている。

ここで、第３レンズ部３３をこのように設計することによって得られる効果について説明する。

例えば、実施形態１の技術思想を適用して、集光レンズ２５の全面を第１レンズ部３１にすることも可能である。具体的には例えば直径２√２Ｒ_２５の円形状から４辺を切り落として一辺２Ｒ_２５の正方形とすればよい。これによって第１の波長の光は光電変換素子３受光面の内接円上に照射されるため実施形態１と同様の効果が得られる。これに対し、本実施形態５の集光レンズ２５はその形状が正方形、つまり光電変換素子３と相似形状であることから、この相似形状を利用することで、光電変換素子３受光面の内接円よりも外側の、正方形四隅の受光領域を活用することが可能である。具体的に示すと、図３０で示した入射領域３３ｂに対応する照射領域３３ｂ’からも分かるように、第３レンズ部３３に入射した入射光Ｌｉ３が光電変換素子３の内接円よりも外側の、正方形四隅の受光領域に照射されていることが分かる。もし照射領域３３ｂ’よりも外周側に照射するように設計すると、円弧状両端が光電変換素子３の受光面から外れてしまってその分の光量を損失するし、逆に照射領域３３ｂ’よりも内周側に照射するように設計すると照射領域が光電変換素子３の中心に近付くため、光量が受光面中心へ集中することになる上に、色収差による照射位置ずれの許容範囲が狭くなって一部の波長の光が受光面外に照射されてしまい、結果的に光量の損失となる。つまり、第１の波長の光の光電変換素子３への照射位置を、光損失の少ない範囲で内接円よりもできる限り外側にする、具体的には光電変換素子３の受光面の中心から（ｒ／Ｒ_２５）×Ｐ_３の位置に照射することで、光の中央部への過度の集中をさらに抑制し、より均一な光分布が実現できる。

もし集光レンズ２５が光電変換素子３と相似形状ではない場合に第３レンズ部３３を設けた場合、第１の波長の光の一部が光電変換素子３の受光面外に照射されてしまう場合もあるため、光を損失してしまう。つまり、本実施形態５のように集光レンズ２５が光電変換素子３と相似形状である場合に第３レンズ部３３を設けることが望ましい。

実施形態５に基づき、３接合型光電変換素子を使用した例を実施例６として示す。

実施例６の光電変換素子３は実施形態１の実施例２と同様のものを用いた。

実施例６では、実施例２の集光レンズ２１の代わりに集光レンズ２５を用いた。それ以外の構成は実施例２と同様である。集光レンズ２５は正方形で、その一辺２Ｒ_２５は１２０ｍｍとした。

集光レンズ２５の半径値ｒは内接円までが０〜６０ｍｍ、内接円より外側が６０〜８５ｍｍであり、そのうちｒ＝０〜６０ｍｍまでが第１レンズ部３１であり、ｒ＝６０〜８５ｍｍまでが第３レンズ部３３である。つまり第１の半径値が０ｍｍ、第２の半径値が６０ｍｍ、第５の半径値が６０ｍｍ、第６の半径値が８５ｍｍである。第１レンズ部３１および第３レンズ部３３は、設計波長がいずれも第１の波長３５０ｎｍであり、第１レンズ部３１は光電変換素子３の受光面の中心を中心とする直径７ｍｍの円周上つまりリング状に照射し、第３レンズ部３３はその半径値ｒにおいて、受光面の光電変換素子３の中心から（ｒ／Ｒ_２５）×Ｐ_３つまり（６０／３．５）×ｒの奥側の位置に照射するものとした。

それぞれの設計波長を設定した理由は、実施例６の構成において最もよい特性を示す波長を選んだものであり、判断基準は実施例２と同様である。

〔比較例４〕
比較例４については、光電変換素子３に実施例２と同じ３接合型光電変換素子を使用し、集光レンズ９２１は集光レンズ２５と同サイズの正方形状で図４２に示した従来技術による光学設計とした。具体的には設計波長を７００ｎｍとし、集光レンズ９２１の全域に入射した７００ｎｍの光がすべて光電変換素子３の受光面の中心に集光するよう設計した。つまり、集光レンズ９２１のｒ＝０〜８５ｍｍまで、つまり全域において７００ｎｍの光の焦点距離が２５０ｍｍである。集光レンズ９２１以外については実施例６と共通の構成とした。

集光レンズ９２１の設計波長を７００ｎｍとした理由は、従来の光学設計において最もよい特性を示す波長を選んだものである。具体的には、実施例６と同様に各サブセルのうち、最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流を最大化するように波長を設定した。

以上の条件で計算した結果をもとに実施例６および比較例４を比較する。

図３１に、実施例６の集光型太陽電池における、光電変換素子３上に集光された光による電流密度分布を示す。（ａ）にトップセルの、（ｂ）にミドルセルの、（ｃ）にボトムセルの結果を示す。図３２に同じく比較例４の結果を示す。さらに図３３には、実施例２と同様に各特性値を示す。

図３３の結果を比較することで、次のことが言える。

セル全体の短絡電流Ｉ_ｓｃについては実施例６ではトップセルが１．５２［Ａ］、ミドルセルが１．５８［Ａ］、ボトムセルが２．３６［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、１．５２［Ａ］である。比較例４では同じくトップセルが１．５１［Ａ］、ミドルセルが１．５８［Ａ］、ボトムセルが２．３７［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、１．５１［Ａ］である。すなわち、実施例６と比較例４では、ほぼ同じ値の短絡電流Ｉ_ｓｃが得られるよう設計できている。一方最大電流密度については実施例６ではトップセルが１５．９６［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが１６．２３［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが１８．９８［Ａ／ｃｍ^２］、比較例４ではトップセルが２５．３０［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが２６．４８［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが２９．４２［Ａ／ｃｍ^２］となっている。光電変換素子３の各セルでの電流密度分布を図３１、図３２の各セルの分布形状をもとに比較すると、比較例４では各セルでの分布の差異が大きいのに対して、実施例６では比較的各セル間で分布の差異が小さいことが分かる。

実施例６においても比較例４においても、最も発生電流の少ないサブセルはトップセルである。実施例６ではミドルセル、ボトムセルともに、トップセルの電流密度の面内分布形状に近く、さらに電流密度の値も大きいので、概ねどの面内位置でもトップセルの発生電流を直列方向に貫いて流すことができ効率的である。つまり発電効率が高い。これに対し比較例４ではミドルセル、ボトムセルともに、電流密度分布形状がトップセルと異なっている。このためトップセルで発生した電流が、ミドルセル、ボトムセルで直列方向に流し切れず、電流が周囲に迂回することになり、低効率となり、結果として発電効率が低下する。

つまり、実施例６では、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、さらに各セルで比較的近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できる。

なお、本実施形態５では、第３レンズ部３３の設計波長を、第１レンズ部３１の設計波長である第１の波長とした。すなわち入射光Ｌｉ３の波長を入射光Ｌｉ１の波長と共通とした。しかしながら第３レンズ部３３の設計波長は、光電変換素子３の吸収波長範囲のうち最短波長近傍であれば本発明の効果を得ることができるので、第１レンズ部３１の設計波長と必ずしも一致する必要はなく、独自の波長としてもよい。

〔実施形態６〕
本発明の実施形態６について、図面を参照し説明すれば以下の通りである。

図３４及び図３５、図３６は、本発明の集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、図３４に太陽光の入射面側から見た平面図、図３５、図３６に図３４のＦ−Ｆ’線断面図を示す。

まず、図３４に基づいて実施形態６の概要を説明する。

本実施形態６の集光型太陽光発電装置１６は、実施形態５の集光レンズ２５の代わりに集光レンズ２６を有している。それ以外の構成は実施形態５と同様であり、実施形態５中と同様の要素には同一の符号を付している。

本実施形態６では、集光レンズ２６を集光レンズ２５と同様に正方形に形成しているため、その内接円より内側は複数のリング状のプリズム、内接円より外側は複数のリングの一部分の形状を有するプリズムが略同心円状に配置したフレネルレンズとしている。集光レンズ２５と同様にその光軸２において、同じく正方形である光電変換素子３と中心を一致させて相似形に配置している。なお、集光レンズ２６の一辺は２Ｒ_２６である。

さらに、集光レンズ２６は、集光形態の異なる、中心部の第１レンズ部３１と、第１レンズ部３１の周囲に形成された第３レンズ部３３と、第３レンズ部３３の周囲に形成された第４レンズ部３４とで構成されており、第１レンズ部３１と第３レンズ部３３の境界は集光レンズ２６の内接円と一致している。第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部３１で、第５の半径値から第６の半径値までの領域が第３レンズ部３３で、第７の半径値から第８の半径値までの領域が第４レンズ部３４で構成されている。図３４に示す実施形態６では第１の半径値が０（対称中心）、第２の半径値と第５の半径値が実質的に等しく集光レンズ２６の内接円の半径Ｒ_２６であり、第６の半径値と第７の半径値が実質的に等しく、第８の半径値が√２×Ｒ_２６である例を示す。

次に、集光レンズ２６について、図面を参照して更に詳しく説明する。なお、実施形態５と同様に、集光レンズ２６が正方形であるため、集光レンズ２６と光電変換素子３の対角線を含むＦ−Ｆ’断面を用いて説明する。

図３５は本発明の実施形態６に係る、集光レンズ２６の第３レンズ部３３に入射した第１の波長の光が第３レンズ部３３を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。また、図３６は本発明の実施形態６に係る、集光レンズ２６の第４レンズ部３４に入射した第２の波長の光が第４レンズ部３４を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。なお、第１レンズ部３１については、実施形態５と同様であるため説明を省略する。

これらの図に基づいて本実施形態６の光学設計を説明する。

第１レンズ部３１および第３レンズ部３３の光学設計およびその設計波長である第１の波長の設定については、実施形態５と同様である。すなわち、光学設計の基準となる第１の波長は、光電変換素子３の吸収波長、つまり光電変換可能な波長の範囲に基づいて設定される。吸収波長範囲のうち最短波長近傍であることが望ましい。

図３５に示すように、第３レンズ部３３へ入射した第１の波長の入射光Ｌｉ３が第３レンズ部３３にて屈折され、出射光Ｌｏ３が光軸２に対して光電変換素子３の奥側に照射される。この時、入射光Ｌｉ３が入射した集光レンズ２６上の半径値をｒとすると、光電変換素子３の中心から（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３の位置に照射するように設計されている。なお、光軸２に対して奥側に照射されるために、光軸２上の集光レンズ２６と光電変換素子３との間に焦点を有している。これらは実施形態５の第３レンズ部３３と同様である。

一方、第４レンズ部３４は第２の波長の光に基づいて光学設計されている。図３６に示すように、第４レンズ部３４へ入射した第２の波長の入射光Ｌｉ４が第４レンズ部３４にて屈折され、出射光Ｌｏ４が光軸２に対して光電変換素子３の手前側に照射される。この時、入射光Ｌｉ４が入射した集光レンズ２６上の半径値をｒとすると、光電変換素子３の中心から（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３の位置に照射するように設計されている。なお、光軸２に対して手前側に照射されるために、出射光Ｌｏ４がいずれも集光レンズ２６から見て光軸２上の光電変換素子３よりも遠くに焦点を有している点は第２レンズ部３２と同様である。また、光電変換素子３の中心から（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３の位置に照射するように設計されている点は第３レンズ部３３と同様である。

例えば、集光レンズ２６の角、つまりｒ＝√２Ｒ_２６に入射した第２の波長の光は、光軸２に対して手前側の√２Ｐ_３の位置、光電変換素子３の角に照射する。

図３７は、実施形態６の第４レンズ部３４による第２の波長の光の照射箇所を模式的に示す図である。第１レンズ部３１および第３レンズ部３３については実施形態５と同様であるため説明を省略する。（ａ）は集光レンズ２６へ各光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射した各光が光電変換素子３に照射する領域を示す。いずれも太陽光の入射面側から見た平面図である。第４レンズ部３４については、設計波長である第２の波長の光に着目し、第４レンズ部３４の一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示している。

すでに図３６で説明した、Ｆ−Ｆ’線断面における第２の波長の光の照射状況は、図３７に示す直線状の入射領域３４ａと同じく直線状の照射領域３４ａ’に相当する。つまり、第４レンズ部３４の入射領域３４ａに入射した第２の波長の入射光Ｌｉ４が、出射光Ｌｏ４として第４レンズ部３４から出射し、いずれも光電変換素子３の照射領域３４ａ’に照射することに相当する。集光レンズ２６の光学機能は中心に対して回転対称なので、曲線状の入射領域３４ｂへ入射した第２の波長の入射光Ｌｉ４が同じく曲線状の照射領域３４ｂ’に照射する。

これらの光学設計を集光レンズ２６全面に適用すると、第１レンズ部３１では第１の波長の入射光Ｌｉ１が屈折され、出射光Ｌｏ１がいずれも光軸２上の集光レンズ２６と光電変換素子３との間に焦点を有し、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。また、第３レンズ部３３では半径値ｒに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ３が屈折され、出射光Ｌｏ３がいずれも光軸２上の集光レンズ２６と光電変換素子３との間に焦点を有し、光電変換素子３の受光面の中心から（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３の位置に照射する。さらに、第４レンズ部３４では半径値ｒに入射した第２の波長の入射光Ｌｉ４が屈折され、出射光Ｌｏ４がいずれも集光レンズ２６から見て光軸２上の光電変換素子３よりも遠くに焦点を有し、光電変換素子３の受光面の中心から（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３の位置に照射することが明らかである。なお、第１の波長と第２の波長の設定は実施形態３と実施形態４と同様に、発電効率を考慮して最適となるよう設定することができる。

ここで、第４レンズ部３４をこのように設計することによって得られる効果について説明する。

すでに実施形態３において説明したように、集光レンズはその材料の光学波長分散によって色収差が発生し、集光レンズの同じ場所に入射した光でも、光の波長によって照射する光電変換素子３上の位置に差が生じる。この現象は屈折角が小さい集光レンズ中心付近ではほとんど無視できるほどに小さいが、屈折角が大きくなる、つまり集光レンズの半径値が大きくなるほど顕著となる。そのため、集光レンズの半径値が大きくなると、短波長である第１の波長の光と長波長である第２の波長の光の照射位置の距離が、本実施形態６で光学設計基準としている光電変換素子３の照射範囲（ｒ／Ｒ_２６）×２Ｐ_３を超えてしまう場合がある。この半径値ｒ以上では、第１の波長から第２の波長までの光のすべてを光電変換素子３内に照射することはできず、第１の波長より短い光もしくは第２の波長より長い光のいずれかを損失することになる。この半径値は、集光レンズおよび光電変換素子３のサイズや集光レンズの材料の光学定数とその波長分散、光電変換素子３の吸収波長範囲により決まる所定の値となる。

例えば、ｒ＞Ｒ_２６からこの所定の半径値を超えて第３レンズ部３３を設けた場合には、この所定の半径値以上で第２の波長以上の波長を持つ光の一部が光電変換素子３外に照射されてしまう。ｒ＞Ｒ_２６からこの所定の半径値を超えて第４レンズ部３４を設けた場合には、この所定の半径値以上で第１の波長以下の波長を持つ光の一部が光電変換素子３外に照射されてしまう。この結果、例えば光電変換素子３に３接合型素子のように各サブセルの発生電流のバランスを取る必要がある素子を用いた場合には、特定のサブセルの発電効率が低下して、トータルの発電効率が低下することになる。

これに対し、本実施形態６の集光レンズ２６のように、この所定の半径値を境界として第３レンズ部３３と第４レンズ部３４を設ければ、第１レンズ部３１および第３レンズ部３３で第１の波長の光について発電効率の高い設計にしているので、第４レンズ部３４において第１の波長付近の短波長の光をある程度損失してでも、第２の波長の光の発電効率を高くすることで、全波長でのトータルでの発電効率を向上することが可能である。実際には、これらの損失を考慮した上で、トータルの発電効率が最適となるよう第１と第２の波長を設定すればよい。

なお、実施形態３や実施形態４では光電変換素子３の照射範囲を内接円（直径２Ｐ_３）に設計したが、本実施形態６のｒ＞Ｒ_２６においては照射範囲を内接円よりも外側の（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３の位置に設計しているため、上記色収差による光損失を生じる半径値が大きくなる。この点以外については、第３レンズ部３３と第４レンズ部３４の関係およびその両方を設けることによる効果は第１レンズ部３１と第２レンズ部３２の場合と同様である。

また、集光レンズ２６の形状が正方形、つまり光電変換素子３と相似形状であることを活用することで、光を損失することなく照射位置を光電変換素子３の内接円よりも外周部としていることおよびその効果については実施形態５と同様である。

実施形態６に基づき、３接合型光電変換素子を使用した例を実施例７として示す。

実施例７の光電変換素子３は実施形態１の実施例２と同様のものを用いた。

実施例７では、実施例６の集光レンズ２５の代わりに集光レンズ２６を用いた。それ以外の構成は実施例４や実施例６と同様である。集光レンズ２６は正方形で、その一辺２Ｒ_２６は１７０ｍｍとした。

集光レンズ２６の半径値ｒは内接円までが０〜８５ｍｍ、内接円より外側が８５〜１２０ｍｍであり、そのうちｒ＝０〜８５ｍｍまでが第１レンズ部３１であり、ｒ＝８５〜１０５ｍｍまでが第３レンズ部３３であり、ｒ＝１０５〜１２０ｍｍまでが第４レンズ部３４である。つまり第１の半径値が０ｍｍ、第２の半径値が８５ｍｍ、第５の半径値が８５ｍｍ、第６の半径値が１０５ｍｍ、第７の半径値が１０５ｍｍ、第８の半径値が１２０ｍｍ、である。第１レンズ部３１および第３レンズ部３３は、設計波長がいずれも第１の波長４００ｎｍであり、第１レンズ部３１は光電変換素子３の受光面の中心を中心とする直径７ｍｍの円周上つまりリング状に照射し、第３レンズ部３３はその半径値ｒにおいて、受光面の光電変換素子３の中心から（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３つまり（８５／３．５）×ｒの奥側の位置に照射するものとした。第４レンズ部３４は設計波長が第２の波長８８０ｎｍであり、その半径値ｒにおいて、受光面の光電変換素子３の中心から（ｒ／Ｒ_２６）×Ｐ_３つまり（８５／３．５）×ｒの手前側の位置に照射するものとした。

それぞれの設計波長を設定した理由は、実施例７の構成において最もよい特性を示す波長を選んだものであり、判断基準は実施例４と同様である。なお、実施例７では第１の波長が３８０ｎｍ〜４１０ｎｍの範囲内で良好な特性が得られた。この範囲の波長の光はＩｎＧａＰを含むトップセルにより吸収されるため、ＩｎＧａＰを含む光電変換層を有する場合には第１の波長が３８０ｎｍ〜４１０ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、第２の波長が８００ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲内で良好な特性が得られた。この範囲の波長の光はＩｎＧａＡｓを含むミドルセルにより吸収されるため、ＩｎＧａＡｓを含む光電変換層を有する場合には第２の波長が８００ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲内であることが好ましい。

〔比較例５〕
比較例５については、光電変換素子３に実施例２と同じ３接合型光電変換素子を使用し、集光レンズ９２１は集光レンズ２６と同サイズの正方形状で図４２に示した従来技術による光学設計とした。具体的には設計波長を５００ｎｍとし、集光レンズ９２１の全域に入射した５００ｎｍの光がすべて光電変換素子３の受光面の中心に集光するよう設計した。つまり、集光レンズ９２１のｒ＝０〜１２０ｍｍまで、つまり全域において５００ｎｍの光の焦点距離が２５０ｍｍである。集光レンズ９２１以外については実施例７と共通の構成とした。

集光レンズ９２１の設計波長を５００ｎｍとした理由は、従来の光学設計において最もよい特性を示す波長を選んだものである。具体的には、実施例７と同様に各サブセルのうち、最も発生電流の少ないサブセルでの発生電流を最大化するように波長を設定した。

以上の条件で計算した結果をもとに実施例７および比較例５を比較する。

図３８に、実施例７の集光型太陽電池における、光電変換素子３上に集光された光による電流密度分布を示す。（ａ）にトップセルの、（ｂ）にミドルセルの、（ｃ）にボトムセルの結果を示す。図３９に同じく比較例５の結果を示す。さらに図４０には、実施例２と同様に各特性値を示す。

図４０の結果を比較することで、次のことが言える。

セル全体の短絡電流Ｉ_ｓｃについては実施例７ではトップセルが２．９７［Ａ］、ミドルセルが３．０７［Ａ］、ボトムセルが４．２３［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、２．９７［Ａ］である。比較例５では同じくトップセルが３．００［Ａ］、ミドルセルが２．９７［Ａ］、ボトムセルが３．８３［Ａ］であり、太陽電池セル全体での短絡電流は最も短絡電流の少ないサブセルでの短絡電流に依存するため、２．９７［Ａ］である。すなわち、実施例７と比較例５では、ほぼ同じ値の短絡電流Ｉ_ｓｃが得られるよう設計できている。一方最大電流密度については実施例７ではトップセルが２４．９４［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが２６．８７［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが３０．２５［Ａ／ｃｍ^２］、比較例５ではトップセルが３５．０１［Ａ／ｃｍ^２］、ミドルセルが１４．９５［Ａ／ｃｍ^２］、ボトムセルが１１．３９［Ａ／ｃｍ^２］となっている。このことから、比較例５においては、各セル間の最大電流密度の差異が大きいのに対し、実施例７においては各セル間の最大電流密度の差異が小さい。さらに、光電変換素子３の各セルでの電流密度分布を図３８、図３９の各セルの分布形状をもとに比較すると、比較例５では各セルでの分布の差異が大きいのに対して、実施例７では比較的各セル間で分布の差異が小さいことが分かる。

最も発生電流の少ないサブセルは、実施例７においてトップセルであり、比較例５においてミドルセルである。実施例７ではミドルセル、ボトムセルともに、トップセルの電流密度の面内分布形状に近く、さらに電流密度の値も大きいので、概ねどの面内位置でもトップセルの発生電流を直列方向に貫いて流すことができ効率的である。つまり発電効率が高い。これに対し比較例５ではトップセル、ボトムセルともに、電流密度分布形状がミドルセルと異なっている。このためミドルセルで発生した電流が、トップセル、ボトムセルで直列方向に流し切れず、電流が周囲に迂回することになり、低効率となり、結果として発電効率が低下する。

つまり、実施例７では、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、さらに各セルで比較的近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できる。

なお、実施形態５および実施形態６で説明してきた集光レンズ２５、２６については、いずれも正方形のものを用いたため、効率よく平面に敷き詰めることができ、スペースの有効活用が可能である。集光レンズ２５、２６を光電変換素子３の形を正方形に限らず、長方形、六角形などにすることでもスペースの有効活用が可能である。

なお、本実施形態６では、第３レンズ部３３の設計波長を、第１レンズ部３１の設計波長である第１の波長とした。しかしながら、実施形態５と同様に、第３レンズ部３３の設計波長は、光電変換素子３の吸収波長範囲のうち最短波長近傍であれば本発明の効果を得ることができるので、第１レンズ部３１の設計波長と必ずしも一致する必要はなく、独自の波長としてもよい。

なお、本実施形態６において、集光レンズ２６の内接円内を第１レンズ部３１、内接円外を内周側から第３レンズ部３３、第４レンズ部３４とする例を示した。これを光学設計の観点から説明すると、光学設計の基準波長を第１の波長から第２の波長に切り替える半径値、つまり第３レンズ部３３と第４レンズ部３４の境界が集光レンズ２６の内接円の外側にあることに相当する。しかしながら、集光レンズ２６および光電変換素子３などのサイズや位置関係によっては、他の形態が好ましい場合もある。具体的には光学設計の基準波長を第１の波長から第２の波長に切り替える半径値が、集光レンズ２６の内接円の内側とした方が全波長でのトータルでの発電効率が向上する場合も有りうる。その場合は、例えば、集光レンズ２６の内接円内を実施形態３で説明したように内周側から第１レンズ部３１、第２レンズ部３２とし、内接円外を第４レンズ部３４とする形態が適用できる。このように、全波長でのトータルでの発電効率が向上するよう適宜設計することができる。

これまでの説明をまとめると下記の通りである。

上記構成によれば、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、比較的均一に近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できるという効果を奏する。

上記構成によれば、太陽光に含まれる色々な波長の光を複数のサブセルのそれぞれで吸収して発電する為、発電効率を向上させることが可能である。加えて、光電変換素子３の光強度分布において、中心への光の過度の集中を抑制し、さらに各セルで比較的近い面内分布を得ることで、変換される電流や温度の分布をより均一とし、光電変換素子３の長期信頼性の向上や、曲線因子ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の向上を実現できるという効果を奏する。

上記構成によれば、薄肉化による軽量化及び材料コストの低減、集光倍率の向上、ならびに成型の加工性が高いという効果を奏する。

上記構成によれば、透過部に入射した全波長の光が光電変換素子の受光面内に均一に照射されるため、強度分布が均一となる。また、レンズ中心の視認が容易になるのでレンズとセルとの位置合わせが容易となる。また、レンズの対称中心近傍では通常リング状プリズムの高い加工精度が要求されるが、その必要がない。また成形が容易になる。特に穴の場合、成形時の空気抜き穴とすることもできるという効果を奏する。

本発明に係る集光型太陽光発電装置は、集光レンズで集光した光を光電変換素子に照射する集光型太陽光発電装置として使用する用途全般に広く適用することができる。

２光軸
３光電変換素子
１１、１２、１３、１４、１５、１６集光型太陽光発電装置
２１、２２、２３、２４、２５、２６集光レンズ
３１第１レンズ部
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ入射領域
３１ａ’、３１ｂ’、３１ｃ’、３１ｄ’、３１ｅ’、３１ｆ’ 照射領域
３２第２レンズ部
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ入射領域
３２ａ’、３２ｂ’、３２ｃ’、３２ｄ’ 照射領域
３３第３レンズ部
３３ａ、３３ｂ入射領域
３３ａ’、３３ｂ’ 照射領域
３４第４レンズ部
３４ａ、３４ｂ入射領域
３４ａ’、３４ｂ’ 照射領域
３５透過部
３５ａ、３５ｂ入射領域
３５ａ’、３５ｂ’ 照射領域
Ｌｉ１、Ｌｉ２、Ｌｉ３、Ｌｉ４入射光
Ｌｏ１、Ｌｏ２、Ｌｏ３、Ｌｏ４出射光

Claims

集光レンズと、該集光レンズにより集光された光を受光する光電変換素子を備える集光式太陽光発電装置であって、
前記集光レンズは、第１の半径値から第２の半径値までの領域が第１レンズ部からなり、
前記第１レンズ部は、
前記光電変換素子の光電変換波長範囲における最短波長近傍の第１の波長の光に対して、
前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、
かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも短く、
さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することを特徴とする集光式太陽光発電装置。
前記集光レンズは、第３の半径値から第４の半径値までの領域が第２レンズ部からなり、前記第３の半径値は前記第２の半径値と実質的に等しく、
前記第２レンズ部は、
前記光電変換素子の光電変換波長範囲における、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光に対して、
前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、
かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも長く、
さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することを特徴とする請求項１に記載の集光式太陽光発電装置。
前記集光レンズは、第５の半径値から第６の半径値までの領域が第３レンズ部からなり、
前記集光レンズは、前記光電変換素子と相似形状であり、前記第２の半径値および前記第５の半径値は、前記集光レンズの内接円の半径値と実質的に等しく、
第３レンズ部は、前記第１の波長の光に対して、
前記集光レンズの対称中心からの半径値ｒに応じた焦点距離を有し、
かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも短く、
さらに、前記集光レンズの内接円の半径値をＲ、前記光電変換素子の受光面の内接円の半径値をＰとした時に、前記半径値ｒに入射した光が、前記光電変換素子の受光面において
（ｒ／Ｒ）×Ｐ
の円周上に照射することを特徴とする請求項１に記載の集光式太陽光発電装置。
前記集光レンズは、第７の半径値から第８の半径値までの領域が第４レンズ部からなり、前記第７の半径値は前記第６の半径値と実質的に等しく、
前記第４レンズ部は、
前記光電変換素子の光電変換波長範囲における、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光に対して、
前記集光レンズの対称中心からの半径値ｒに応じた焦点距離を有し、
かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも長く、
さらに、前記半径値ｒに入射した光が、前記光電変換素子の受光面において
（ｒ／Ｒ）×Ｐ
の円周上に照射することを特徴とする請求項３に記載の集光式太陽光発電装置。
集光レンズと、該集光レンズにより集光された光を受光する光電変換素子を備える集光式太陽光発電装置であって、
前記集光レンズは、第３の半径値から第４の半径値までの領域が第２レンズ部からなり、
前記第２レンズ部は、
前記光電変換素子の光電変換波長範囲における、第２の波長の光に対して、
前記集光レンズの対称中心からの半径値に応じた焦点距離を有し、
かつ、前記焦点距離はいずれも前記集光レンズと前記光電変換素子の間の距離よりも長く、
さらに、前記光電変換素子の受光面に内接する円周上に照射することを特徴とする集光式太陽光発電装置。