JP3726606B2 - Solar cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、最大電力制御が可能なタンデム型の太陽電池の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層することにより、広い波長域で光電変換効率を向上させたタンデム型太陽電池が知られている。特開平4−226084号公報にも、このようなタンデム型の太陽電池が開示されている。
【0003】
図6には、このような従来のタンデム型太陽電池の断面図が示される。図6において、太陽電池10は、光入射側(図の上側)の単位太陽電池である上部セル12と、裏面側の単位太陽電池である下部セル14との間に、トンネルダイオード16が挟み込まれた構造となっている。また、光入射側には上部電極18が、裏面側には下部電極20がそれぞれ設けられた2端子型の構造となっている。このようなタンデム型の太陽電池においては、一般に上部セル12にバンドギャップ(Eg)の大きい太陽電池を使用し、下部セル14にバンドギャップの小さい太陽電池が使用される。
【0004】
上述したタンデム型の太陽電池の電流電圧特性は、入射光の強度やスペクトル分布の違いにより変動する。したがって、太陽電池からの出力電力を最大にするためには、最適な動作電圧を上部セル12と下部セル14とに印加して作動させる必要がある。このような最大電力制御としては、たとえばインバータの直流動作電圧を一定時間間隔でわずかに変動させ、そのときの太陽電池出力電力を計測して前回の計測値との比較を行いながら、常に出力電力が大きくなる方向にインバータの直流電圧を変化させる方法等が実施されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の最大電力制御は、図6に示されるような、2端子型のタンデム型太陽電池には適用可能であるが、さらに高い光電変換効率を得ることができるダブルエミッタタンデム型の太陽電池では3端子構造となっているので、上記従来の最大電力制御を適用することはできない。
【0006】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、最大電力制御が可能なダブルエミッタタンデム型の太陽電池を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたn層とp層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうちの一方が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、光入射側の単位太陽電池の電極対に対し、光入射側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第1出力制御部と、裏面側の単位太陽電池に対し、裏面側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第2出力制御部と、を備え、第1出力制御部の操作と第2出力制御部の操作とを交互に実行することを特徴とする。
【0008】
また、上記太陽電池において、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池のうち、いずれか一方の動作電圧を固定して他方の動作電圧を増減させることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)を、図面に従って説明する。
【0010】
図1には、本発明に係るダブルエミッタタンデム型の太陽電池の構成例が示される。図1において、太陽電池10は、バンドギャップ(Eg)の広い半導体材料で構成される単位太陽電池である上部セル12とバンドギャップの狭い半導体材料で構成される単位太陽電池である下部セル14とが積層されたタンデム型の構造となっている。上部セル12は、n+層、p層、p+層が積層されて構成されており、本発明に係る光入射側の単位太陽電池を構成する。また、その最上部に形成されたn+層に接続されて上部電極18が設けられている。さらに、n+層の上には絶縁膜24が形成されている。絶縁膜24は透明材料で構成されており、太陽光はこの絶縁膜24を介して太陽電池10に入射してくる。
【0011】
また、下部セル14は、基板となるp層の裏面にn+層、p+層が交互に設けられている。各n+層には負極26が、各p+層には正極28がそれぞれ独立して接続されており、本発明にかかる裏面電極を構成している。これらの負極26及び正極28は、下部セル14の一対の電極を構成するとともに、正極28が上部セル12の一方の電極である上部電極18に対して他方の電極としても兼用されている。なお、下部セル14が本発明に係る裏面側の単位太陽電池に相当する。
【0012】
上述した上部セル12としては、例えば材料としてAlGaAsを使用することができる。そのバンドギャップは1.82eVである。また、この場合n+層のドーパント濃度は1×1019cm-3であり、その厚みは0.1μmである。また、p層のドーパント濃度は1×1016cm-3であり、その厚みは1.0μmである。更に、p+層のドーパント濃度は1×1019cm-3であり、その厚みは0.1μmである。
【0013】
また、下部セル14の材料としては、例えばSiを使用することができる。そのバンドギャップは1.11eVである。また、この場合n+層のドーパント濃度は1×1019cm-3であり、その厚みは1.0μmである。また、p層のドーパント濃度は5×1013cm-3であり、その厚みは100μmである。更に、p+層のドーパント濃度は1×1019cm-3であり、その厚みは1.0μmである。
【0014】
なお、上部セル12の材料としてはInGaP+GaAsを使用することもできる。そのバンドギャップは1.88eV+1.42eVである。また、下部セル14の材料としては、GaAsも使用することができ、そのバンドギャップは1.42eVである。更に、下部セル14としてはGeも使用することができ、そのバンドギャップは0.66eVである。
【0015】
以上のとおり、下部セル14の裏面側に設けられた負極26及び正極28は、下部セル14の一対の電極として機能するとともに、正極28が、上部セル12に設けられた一方電極としての上部電極18に対して上部セル12の他方電極としても機能している。このような構成としたことにより、下部セル14中で発生した電子は負極26に、正孔は正極28にそれぞれ集められる。また、上部セル12で発生した電子については、上部セル12のn+層に移動し、上部電極18に集められる。更に、上部セル12で発生した正孔については、下部セル14のp+層に移動し、正極28に集められる。
【0016】
このように、本実施形態に係る太陽電池10では、2つの単位太陽電池である上部セル12及び下部セル14が積層されているが、通常の直列接合の構造ではないため、上部セル12と下部セル14とで電流値を整合させる必要がない。このため、各セルの厚みを光吸収効率にとって最も都合のよい厚みとすることができ、光電変換効率を向上させることができる。
【0017】
また、上部セル12の上部と下部セル14の下部とにn+層を設けたので、各セルで発生した電子はそれぞれのセルのn+層に移動し、光入射側の上部電極18及び裏面側の負極26に集められる。このため、少数キャリアである電子の移動距離を短くでき、再結合損失を低減できる。
【0018】
さらに、通常の直列接続されたタンデム型の太陽電池のように、エネルギ障壁をキャリアが通過する必要はなく、このためのトンネルダイオードも不要となっている。このため、余分なトンネルダイオードを形成する必要もなく、またこのトンネルダイオードでのキャリア再結合による損失も防止することができる。
【0019】
なお、本実施形態においては、太陽電池を形成する基板としてp型基板を使用しているが、これをn型の基板とすることも可能である。この場合には、上述した負極として機能する上部電極18、負極26と正極28との関係及び電子と正孔との関係が逆の挙動となるが、機能的には同じものを実現することができる。
【0020】
以上に述べた本発明に係るダブルエミッタタンデム型の太陽電池10を動作させる場合には、図1に示された上部セル12の負極である上部電極18と正極28との間及び下部セル14の電極である負極26と正極28との間に所定の電圧を印加して使用する。図1に示された太陽電池10においては、このように3端子型の構造となっているので、最大電力制御を行う場合には、2つの単位太陽電池である上部セル12及び下部セル14のそれぞれの電流電圧特性に基づいて最適な動作電圧を求め、出力を最大にする必要がある。この場合、上述のとおり、電子は上部セル12と下部セル14とでそれぞれ独立して別々の上部電極18、負極26に集められるが、正孔は上部セル12及び下部セル14とも、裏面側の正極28に集められる。このため、上部セル12または下部セル14の動作電圧が他方のセルの電流電圧特性に影響を及ぼす。したがって、図1に示された太陽電池10においては、上部セル12と下部セル14のいずれか一方の最適動作電圧を求め、この電圧を固定した状態で他方の最適動作電圧を求め、この工程を数回繰り返すことにより最大出力制御を行う必要がある。
【0021】
図1に示されるように、本発明に係る太陽電池10では、上部セル12に所定の動作電圧を印加するための第1出力制御部30が上部電極18及び正極28の間に接続されている。また、下部セル14に所定の動作電圧を印加するための第2出力制御部32が、負極26及び正極28の間に接続されている。
【0022】
図2には、図1に示された本発明に係るダブルエミッタタンデム型の太陽電池10において最大電力制御を行う場合のフローが示されている。図2において、まず測定時間間隔を設定した後(S1)、上部セル12及び下部セル14に印加する初期印加電圧を設定する。この場合、上部セル12に印加する動作電圧をV1とし、下部セル14に印加する動作電圧をV2とする(S2)。
【0023】
次に、上記設定電圧を上部セル12及び下部セル14に印加した状態で、第1出力制御部30が、上部セル12の出力電力P1を測定し、第2出力制御部32が下部セル14の出力電力P2を測定する。これらの各出力電力P1,P2は、演算部34に入力され、ここで合計出力電力Ps0=P1+P2が算出される(S3)。
【0024】
次に、第1出力制御部30が上部セル12に印加している動作電圧V1をわずかに変動させ、変動後の上部セル12からの出力電力を計測する。この場合、下部セル14に印加している動作電圧V2は、第2出力制御部32によって一定値に固定しておく(S4)。動作電圧を変動させた後の上部セル12の出力電力と、変動させる前の出力電力とを比較し、上部セル12からの出力電力が大きくなる方向に第1出力制御部30が上部セル12への印加電圧を変化させる。このようにして、上部セル12からの出力電力が最大となるような動作電圧V1の値を求める(S5)。
【0025】
図3には、図1に示された第2出力制御部32により、太陽電池10の裏面(下部)の正極28の印加電圧を0Vとし、下部の負極26の印加電圧を−0.59Vとして固定したうえで、第1出力制御部30により、上部電極18に印加する電圧を変化させた場合の上部セル12及び下部セル14の電流及び出力電力の変化が示される。図3に示されるように、上部電極18に印加する動作電圧V1を上昇させた場合には、上部セル12の出力電力が当初増加していき、ある点でピークとなってその後急激に低下していく。このため、上部セル12及び下部セル14の出力電力の合計値も、上部セル12の出力電力と同様、一定の点でピークを有する。出力電力がピークとなる点は、図3に示されるように約−1.26Vである。
【0026】
このように、第2出力制御部32により下部セル14に印加する動作電圧V2を一定に保持した状態で、第1出力制御部30により上部電極18に印加する動作電圧V1を変化させた場合には、一定の電圧値において、上部セル12の出力電力が最大となる。これが上記S5で述べた出力電力P1を最大値とする動作電圧V1に相当する。
【0027】
再び図2に戻り、上述のようにして求めた上部セル12の出力電力P1を最大値とする動作電圧V1に上部電極18の印加電圧を固定した状態で、第2出力制御部32により下部セル14の動作電圧V2を調整する。この際、下部の正極28の印加電圧は図3の場合と同様に0Vに固定する(S6)。
【0028】
下部セル14の動作電圧V2を変動させながら、第2出力制御部32により下部セル14の出力電力を測定し、変動前の出力電力と比較しながら、下部セル14の出力電力が大きくなる方向に下部セル14の動作電圧V2を制御する。これにより、下部セル14の出力電力P2を最大値とする動作電圧V2を求める(S7)。
【0029】
図4には、上述したように、上部電極18及び下部の正極28の印加電圧を固定した状態で、下部の負極26の印加電圧を変動させた場合の下部セル14の出力電力及び上部セル12と下部セル14の出力電力の合計電力の変化が示される。図4に示されるように、下部の負極26の印加電圧の変動により、下部セル14の出力電力も変動し、ある点でピークとなる。また、この場合には上部セル12の出力は一定であるので、上部セル12と下部セル14との合計電力は、下部セル14の出力電力のピーク時にピークとなる。出力電力がピークとなる負極26の印加電圧は、図4に示されるように約−0.59Vである。
【0030】
このように、下部の負極26の印加電圧すなわち下部セル14の動作電圧V2を変動させることにより下部セル14の出力電力を最大とすることができ、上記S7で述べた、出力電力P2を最大とする下部セル14の動作電圧V2を求めることができる。
【0031】
再び図2に戻り、S4〜S7の工程で求められた合計電力Ps1=P1+P2を演算部34で算出する(S8)。この合計電力Ps1が、S3で求めた初期出力電力Ps0に対して増加率が1%を超えていた場合には(S9)、合計出力電力Ps1を初期出力電力Ps0に置き換えてS4からの工程を繰り返す(S10)。増加率が大きい場合には、動作電圧V1、V2が最適化されていないことを意味し、再度最適動作電圧V1、V2を求める必要があるからである。
【0032】
他方、S9において合計出力電力Ps1が初期出力電力Ps0に対して増減率が1%以下である場合には、所定の設定時間が経過した後、S10の工程に進む(S11)。これは、S9において、合計出力電力Ps1の増加率が初期出力電力に対して1%以下である場合にも、太陽の位置の変化により入射光の入射角度が異なったり、天候の具合によって太陽電池10への入射光のスペクトル分布が異なる場合があるので、このような環境変化に対応するためである。以上のように、S4以降の工程を繰り返すことにより、その時点における入射光に対して太陽電池10の出力電力を最大とするように制御することができる。
【0033】
なお、図3及び図4に示された具体的な印加電圧の値は、ある一定の太陽光の入射条件に基づく値であり、太陽電池10に入射する光強度、スペクトルが前述したような理由で変動した場合には、最適な印加電圧は異なった値となる。
【0034】
図5には、太陽電池10の最大出力電力を得るための動作電圧の求め方の他の方法の例が示される。図5においては、上部電極18の印加電圧を0Vに固定しておき、第2出力制御部32により下部の負極26への初期印加電圧を設定した後、第1出力制御部30及び第2出力制御部32を調整して下部の正極28への印加電圧を変化させていく。これにより、上部セル12と下部セル14の合計出力電力が最大となる下部の正極28の印加電圧を求めた後、第2出力制御部32によって下部の負極26の印加電圧を変化させる。これにより、下部セル14の出力電力が最大となる負極26の印加電圧を求める。
【0035】
以上のようにして、下部の負極26及び正極28への印加電圧を交互に変化させ、それぞれ太陽電池10の出力電力が最大となるように第1出力制御部30及び第2出力制御部32によって動作電圧V1、V2を変化させることにより最大電力制御を行う。
【0036】
このような制御方法によった場合、ある光照射条件の下では、上部電極18の印加電圧が0Vであり、下部負極26の印加電圧が0.67Vであり、下部正極28の印加電圧を1.26Vとした場合に図5に示される合計電力のピーク値が得られた。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上部セルと下部セルとで構成され、相互の動作電圧により互いに出力電力が影響されるダブルエミッタタンデム型の太陽電池において、最大電力制御が可能となる。
【0038】
この際、上部セルと下部セルのうちの一方の動作電圧を固定するので、より早く最大電力へ収束させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る太陽電池の構成例を示す図である。
【図2】 図1に示された太陽電池において最大電力制御を行うためのフロー図である。
【図3】 図1に示された太陽電池の上部セルの最大電力制御の説明図である。
【図4】 図1に示された太陽電池の下部セルの最大電力制御の説明図である。
【図5】 図1に示された太陽電池の最大電力制御の他の例の説明図である。
【図6】 従来におけるタンデム型太陽電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
10 太陽電池、12 上部セル、14 下部セル、16 トンネルダイオード、18 上部電極、20 下部電極、24 絶縁膜、26 負極、28 正極、30 第1出力制御部、32 第2出力制御部、34 演算部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a tandem solar cell capable of maximum power control.
[0002]
[Prior art]
A tandem solar cell is known in which photoelectric conversion efficiency is improved in a wide wavelength region by stacking unit solar cells having different band gaps. Japanese Patent Laid-Open No. 4-226084 also discloses such a tandem solar cell.
[0003]
FIG. 6 shows a cross-sectional view of such a conventional tandem solar cell. In FIG. 6, the
[0004]
The current-voltage characteristics of the tandem solar cell described above vary depending on the intensity of incident light and the difference in spectral distribution. Therefore, in order to maximize the output power from the solar cell, it is necessary to apply an optimum operating voltage to the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional maximum power control can be applied to a two-terminal tandem solar cell as shown in FIG. 6, but a double emitter tandem solar that can obtain higher photoelectric conversion efficiency. Since the battery has a three-terminal structure, the conventional maximum power control cannot be applied.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a double emitter tandem solar cell capable of maximum power control.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is a tandem solar cell in which unit solar cells having different band gaps are stacked, provided on the light incident surface of the solar cell, One electrode is provided on the back surface of the solar cell, and the n layer and the p layer formed on the back surface side are independently connected to form a pair of electrodes of the unit solar cell on the back surface side. In addition, one of the pair of electrodes is used as the other electrode of the light incident side unit solar cell, and the light incident side unit with respect to the electrode pair of the light incident side unit solar cell. With respect to the first output control unit that increases or decreases the operating voltage so that the output power of the solar cell is improved and the unit solar cell on the back side, the operating voltage is increased or decreased so that the output power of the unit solar cell on the back side is improved. A second output control unit; , And then executes the operation of the first output control unit and an operation of the second output control section alternately.
[0008]
The solar cell is characterized in that either one of the light incident side unit solar cell and the back side unit solar cell is fixed and the other operating voltage is increased or decreased.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 shows a configuration example of a double emitter tandem solar cell according to the present invention. In FIG. 1, a
[0011]
Further, in the
[0012]
As the above-described
[0013]
Moreover, as a material of the
[0014]
Note that InGaP + GaAs can also be used as the material of the
[0015]
As described above, the
[0016]
As described above, in the
[0017]
In addition, since the n + layer is provided on the upper part of the
[0018]
Further, unlike a normal tandem solar cell connected in series, the carrier does not need to pass through the energy barrier, and a tunnel diode for this purpose is also unnecessary. Therefore, it is not necessary to form an extra tunnel diode, and loss due to carrier recombination in this tunnel diode can be prevented.
[0019]
In the present embodiment, a p-type substrate is used as a substrate for forming a solar cell. However, this may be an n-type substrate. In this case, the above-described
[0020]
When the above-described double emitter tandem
[0021]
As shown in FIG. 1, in the
[0022]
FIG. 2 shows a flow when maximum power control is performed in the double-emitter tandem
[0023]
Next, in a state where the set voltage is applied to the
[0024]
Next, the first
[0025]
3, the second
[0026]
As described above, when the operating voltage V1 applied to the
[0027]
Returning to FIG. 2 again, the second
[0028]
While changing the operating voltage V2 of the
[0029]
In FIG. 4, as described above, the output power of the
[0030]
In this way, the output power of the
[0031]
Returning again to FIG. 2, the total power Ps1 = P1 + P2 obtained in the steps S4 to S7 is calculated by the calculation unit 34 (S8). When the total power Ps1 has an increase rate exceeding 1% with respect to the initial output power Ps0 obtained in S3 (S9), the total output power Ps1 is replaced with the initial output power Ps0, and the processes from S4 are performed. Repeat (S10). When the increase rate is large, it means that the operating voltages V1 and V2 are not optimized, and it is necessary to obtain the optimum operating voltages V1 and V2 again.
[0032]
On the other hand, when the increase / decrease rate of the total output power Ps1 is 1% or less with respect to the initial output power Ps0 in S9, the process proceeds to S10 after a predetermined set time has elapsed (S11). This is because, in S9, even when the increase rate of the total output power Ps1 is 1% or less with respect to the initial output power, the incident angle of incident light varies depending on the change in the position of the sun, or the solar cell varies depending on the weather conditions. This is because the spectral distribution of the incident light to 10 may be different, so that it can cope with such environmental changes. As described above, by repeating the steps after S4, the output power of the
[0033]
3 and 4 are values based on certain sunlight incident conditions, and the reason why the light intensity and spectrum incident on the
[0034]
FIG. 5 shows an example of another method for obtaining the operating voltage for obtaining the maximum output power of the
[0035]
As described above, the first
[0036]
According to such a control method, under a certain light irradiation condition, the applied voltage of the
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, maximum power control is possible in a double-emitter tandem solar cell composed of an upper cell and a lower cell and whose output power is influenced by the mutual operating voltage. .
[0038]
At this time, since the operating voltage of one of the upper cell and the lower cell is fixed, it can be converged to the maximum power more quickly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a solar cell according to the present invention.
FIG. 2 is a flow chart for performing maximum power control in the solar cell shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram of maximum power control of the upper cell of the solar battery shown in FIG.
4 is an explanatory diagram of maximum power control of a lower cell of the solar battery shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram of another example of the maximum power control of the solar cell shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional tandem solar cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、
前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたn層とp層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の前記単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうちの一方が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、
前記光入射側の単位太陽電池の電極対に対し、前記光入射側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第1出力制御部と、
前記裏面側の単位太陽電池に対し、前記裏面側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第2出力制御部と、
を備え、
前記第1出力制御部の操作と前記第2出力制御部の操作とを交互に実行することを特徴とする太陽電池。A tandem solar cell in which unit solar cells having different band gaps are stacked,
An upper electrode provided on the light incident surface of the solar cell and serving as one electrode of the unit solar cell on the light incident side;
A pair of electrodes of the unit solar cell on the back surface side are formed by being independently connected to the n layer and the p layer formed on the back surface side and provided on the back surface of the solar cell. A back electrode that is also used as the other electrode of the unit solar cell on the light incident side,
A first output control unit that increases or decreases an operating voltage with respect to an electrode pair of the light incident side unit solar cell so as to improve output power of the light incident side unit solar cell;
A second output control unit that increases or decreases the operating voltage with respect to the unit solar cell on the back surface side so as to improve the output power of the unit solar cell on the back surface side;
With
An operation of the first output control unit and an operation of the second output control unit are alternately executed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35736599A JP3726606B2 (en) | 1999-12-16 | 1999-12-16 | Solar cell |
Applications Claiming Priority (1)
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JP35736599A JP3726606B2 (en) | 1999-12-16 | 1999-12-16 | Solar cell |
Publications (2)
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