JP5032496B2 - スタック型太陽電池装置 - Google Patents

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Description

本発明は太陽光のスペクトルのうちの広範囲の波長成分を有効利用する為に、感度波長帯域の異なる複数の太陽電池モジュールを積層したスタック型太陽電池装置に関し、特に半導体の禁止帯幅が大きい太陽電池モジュール、つまり、感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するにように積層したスタック型太陽電池装置に関する。
太陽電池装置を普及させる為には、太陽電池叉は太陽電池モジュールの利便性、光電変換効率、製作コスト、品質の安定性、寿命、太陽電池製造に要するエネルギー消費量、使用後の廃棄処理などが重要な要素である。
太陽電池としては、(A)平面受光形の太陽電池、(B)粒状の太陽電池セルを複数行複数列にパネル状に配置した太陽電池、(C)複数のファイバー形太陽電池セルをパネル状に配置した太陽電池、(D)タンデム形太陽電池、(E)スタック形太陽電池、などが公知である。
前記(B)の太陽電池は、例えば、WO02／35613 号公報、WO03／017383号公報、WO 03／036731号公報、WO2004／001858号公報などに提案されている。前記(C)の太陽電池は、例えば、米国特許第 3,984,256号、米国特許第5,437,736 号公報などに提案されている。前記(D)のタンデム形の太陽電池は、平面受光形の太陽電池セル単独の光電変換効率の向上を図る為に、太陽光スペクトルの感度波長帯域を複数に区切り、各感度波長帯域に最適な禁止帯幅を持つ半導体でｐｎ接合を作り、これを共通の半導体基板上に連続的に結晶成長させたものである。
前記(E)のスタック形太陽電池は、太陽光スペルトルの利用効率と光電変換効率を高める為に、太陽光スペクトルの感度波長帯域ごとに最適な禁止帯幅の半導体を用いて作った太陽電池セルで平板形の太陽電池モジュールを製作し、複数種類の太陽電池モジュールを上下方向に積層したものである。
前記(A)〜(E)の太陽電池において、レンズや反射器によって太陽光を集光してエネルギー密度を上げる技術も採用されている。この場合は、光電変換効率を向上できるだけでなく、比較的小さい受光面積で高い出力が得られるため、太陽電池のコストを下げることが可能である。これらの技術については既に多くの学術文献や特許公報で開示されている。
例えば、太陽電池においてレンズで集光する技術については、米国特許第4,834,805 号、第4,834,805 号、第4,638,110 号などに開示されている。 集光により太陽電池セルの温度が上昇し、光電変換効率が下がり、太陽電池モジュールが劣化しやすくなるため、集光により発生した熱をいかに効率よく放熱するかが重要になる。米国特許第5,482,568 号、第6,252,155 号、第6,653,551 号、第6,440,769 号では、複数のコーン形状の反射面の底部に太陽電池セルを収容しその反射面により集光し、発生した熱を放熱させる構造を採用した太陽電池が開示されている。
しかし、従来のタンデム型太陽電池やスタック型太陽電池は、受光面が平面で、しかも表面からのみ受光するため、周囲の多方向から来る反射散乱光に対し効果的な光電変換が出来ない。その上、太陽電池に形成された複数の平面状のｐｎ接合は、同一面積の単一のｐｎ接合であり、それらは直列接続されている。そのため、タンデム型太陽電池またはスタック型太陽電池を構成する複数のｐｎ接合中の最も出力電流が小さいｐｎ接合によって出力電流が制限されるため、本来、単独では高い出力電流が出せるｐｎ接合はその出力を最大限発揮できないという問題がある。
しかも、タンデム型太陽電池では、共通の半導体基板上に異なる禁止帯幅の異なる格子定数の半導体結晶を薄膜成長させ、各層にｐｎ接合と異なるトンネル接合を成形しなければならない。異種半導体の連続的成長の為には格子定数を整合させる必要があり、選択できる半導体に制約があり、また、薄膜結晶成長において精密な組成などの制御が必要で製造装置や作業にかかる費用が高くなる。
複数種類の太陽電池モジュールを機械的にスタックする波長分割型のスタック型太陽電池では、トンネル接合を形成したり格子定数を整合させる必要はないが、複数の平板形の単一のｐｎ接合の太陽電池をスタックする際、太陽電池モジュールの電極の配置や太陽電池モジュールの間隔と平行度を精密に設定しないと電極による遮蔽や表面の反射によって出力が低下するおそれがある。
以上のような従来のスタック形太陽電池が持つ問題を解決するため、本願発明者は、WO 2005／088733号公報に示すように、平面受光形の太陽電池モジュールと、禁止帯幅が異なる半導体で作った多数の球状太陽電池セルを複数行複数例に組み込んだ複数種類の太陽電池モジュールを独立に製作し、これら太陽電池モジュールを、禁止帯幅が大きいモジュールほど太陽光の入射光側となるように積み重ねたスタック型太陽電池を提案した。
このスタック型太陽電池において、禁止帯幅が異なる半導体で構成された互いに独立した太陽電池モジュールを直列接続するに当たって各太陽電池モジュールを流れる電流の大きさが揃うように太陽電池セルの直列数と並列数を選択し、全体の出力を最大化できるようにした。
WO 02／35613 号公報 WO 03／017383号公報 WO 03／036731号公報 WO 2004／001858号公報 米国特許第 3,984,256号公報 米国特許第5,437,736 号公報 米国特許第4,834,805 号公報 米国特許第4,834,805 号公報 米国特許第4,638,110 号公報 米国特許第5,482,568 号公報 米国特許第6,252,155 号公報 米国特許第6,653,551 号公報 米国特許第6,440,769 号公報 WO 2005／088733号公報
しかし、前記のスタック型太陽電池においては、球状太陽電池セルの数が多くなると必然的にセルを電気的に接続する箇所が多くなるため、結線のコストを含む組み立てコストが高価になり、装置の信頼性が低下しやすくなる。また、多数の球状太陽電池セルを最大限稠密に配置しても埋まらない隙間が発生し、特にレンズで集光した光を受光する場合、隙間を通過する光を十分に利用できないという欠点があった。
本発明の目的は、部分円筒形のｐｎ接合と帯状の１対の電極を有する複数のロッド形太陽電池セルからなる少なくとも１種類の太陽電池モジュールを組み込んだスタック型太陽電池装置を提供すること、ロッド形太陽電池セルを用いて太陽電池セルの数と結線個所の数を少なくして組み立てコストを低減可能なスタック型太陽電池装置を提供すること、レンズと反射面による集光により光電変換効率を向上させ且つ製作コストを低減可能なスタック型太陽電池装置を提供すること、金属製の外装ケースにより放熱性を向上できるスタック型太陽電池装置を提供すること、などである。
本発明に係るスタック型太陽電池装置は、複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続し且つ複数層に積層したスタック型太陽電池装置において、前記複数の太陽電池モジュールは、感度波長帯域の異なる複数種類の太陽電池モジュールであって、感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように積層された複数種類の太陽電池モジュールからなり、少なくとも１種類の太陽電池モジュールは、平面上に平行に配列した複数のロッド形の太陽電池セルを夫々組み込んだ複数のロッド受光形サブモジュールで構成され、前記ロッド形の太陽電池セルは、ｐ形叉はｎ形の半導体からなる円形叉は部分円形の断面を有するロッド形の半導体結晶からなる基材と、前記基材の表面層のうちの前記基材の軸心と平行な帯状部分を除く部分に形成され且つ前記基材の導電形とは異なる導電形の別導電層と、前記基材と別導電層とで形成された部分円筒形のｐｎ接合と、前記基材の帯状部分の表面にオーミック接続された帯状の第１電極と、前記基材の軸心を挟んで第１電極と反対側において前記別導電層の表面にオーミック接続された帯状の第２電極とを備え、前記ロッド受光形サブモジュールは、複数のロッド形の太陽電池セルを、第１，第２電極を結ぶ導電方向を水平方向に揃えて平面上に平行に配列し且つ隣接するロッド形の太陽電池セルの第１，第２電極を当接状態に接続することにより、複数のロッド形太陽電池セルを電気的に直列接続して構成され、前記複数のロッド受光形サブモジュールは、前記ロッド形の太陽電池セルの長手方向と平行な方向に平面上に直列的に配置され且つ電気的に並列接続され、下方へ凹入した凹部を有する金属板製の外装ケースを設け、前記外装ケースの凹部は、その幅が上方程広くなるような実質的に逆台形断面を有し、この凹部の１対の側壁と底壁の内面は複数の太陽電池モジュールへ光を反射集光する為の光反射面に形成され、前記複数種類の太陽電池モジュールは出力電流が等しくなるように夫々構成され且つ前記外装ケースの凹部にこの外装ケースに対して絶縁状態となるように積層状態にして収容されたことを特徴とするものである。
ロッド形太陽電池セルは、ロッド形の基材と、基材の導電形と異なる導電形の別導電層と、部分円筒形のｐｎ接合と、基材の軸心を挟んでセルの両端に設けられｐｎ接合に接続された帯状の第１，第２電極とを有するため、ｐｎ接合の各点から第１，第２電極までの距離をほぼ一定の小さな値に維持できる。そのため、ｐｎ接合の全体が均等に光起電力を発生するので、ロッド形太陽電池セル光電変換効率を高く維持することができる。
複数のロッド形太陽電池セルを平行に並べ、第１，第２電極を介して直列接続したロッド受光形サブモジュールを構成する場合に、基材の直径を変えることで複数のロッド形太陽電池セルの数を変えて、サブモジュールで発生する電圧を変えることができる。
複数のロッド受光形サブモジュールからなる太陽電池モジュールでは、複数のロッド受光形サブモジュールを並列接続する構成を採用し、その並列接続されるサブモジュールの数を変えることにより、太陽電池モジュールで発生する電流を変えることができる。
ロッド形太陽電池セルでは、その軸心方向の長さを基材の直径の数倍〜十数倍の大きさに設定することができるため、粒状の太陽電池セルと比較して、受光面積を格段に大きくすることができるうえ、複数のロッド形太陽電池セルを稠密に平行に並べてロッド受光形サブモジュールを構成することができ、太陽光の投射面積に対する受光面積の割合を大きくし、太陽光を受光する受光効率を高めることができる。
しかも、ロッド受光形サブモジュールでは、複数の粒状の太陽電池セルを組み込んだサブモジュールと比較して、太陽電池セルを電気的に接続する結線個所の数を格段に少なくすることができるため、その結線コストを含むサブモジュールの組み立てコストを大幅に低減することができる。
この太陽電池装置は、感度波長帯域の異なる複数種類の太陽電池モジュールであって、感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように積層された複数種類の太陽電池モジュールを備えているため、太陽光のスペクトルのうちの広い波長範囲の太陽光を光電変換することができる。
波長の短い光ほど透過性が弱いため、上記のように感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように複数種類の太陽電池モジュールを積層することで、各太陽電池モジュールの光電変換効率を高めることができる。
この太陽電池装置において、上下方向に積層される複数種類の太陽電池モジュールを直列接続し、それらの出力電流をほぼ同じ電流に揃えることで、複数種類の太陽電池モジュールの発電能力を最大限発揮させることができる。
少なくとも１種類の太陽電池モジュールを複数のロッド受光形サブモジュールで構成するため、各サブモジュールにおけるロッド形太陽電池セルの直列接続数を変えることで、ロッド受光形サブモジュールの出力電圧を調整でき、複数のロッド受光形サブモジュールを並列接続する並列接続数を変えることで、その太陽電池モジュールの出力電流を調整できるため、上下方向に積層される複数種類の太陽電池モジュールの出力電流を揃えやすくなる。
本発明の従属請求項の構成として、次のような種々の構成を採用してもよい。
(1)少なくとも１種類の太陽電池モジュールは、平面状のｐｎ接合を有する平面受光形太陽電池セルで夫々構成された複数の平面受光形サブモジュールで構成された。
(2)３種類の太陽電池モジュールを備え、２種類の太陽電池モジュールは複数のロッド受光形サブモジュールで夫々構成され、１種類の太陽電池モジュールは複数の平面受光形サブモジュールで構成され、複数の平面受光形サブモジュールで構成された太陽電池モジュールが最上段位置に配置された。
(3)各ロッド受光形サブモジュールと各平面受光形サブモジュールは、太陽光を受光する受光面積が等しくなるように形成された。
(4)ロッド受光形サブモジュールにおける複数のロッド形太陽電池セルは、第１，第２電極を結ぶ導電方向を水平方向に揃えて平行に配置されると共に、第１，第２電極を介して電気的に直列接続された。
(5)太陽電池モジュールを構成する複数のロッド受光形サブモジュールを並列接続し且つ一体的に連結する１対の第１の接続ロッドを設けると共に、太陽電池モジュールを構成する複数の平面受光形サブモジュールを並列接続し且つ一体的に連結する２対の第２接続ロッドを設けた。
(6)前記外装ケースは、前記凹部の幅方向に水平に並べた平行な複数の凹部を有し、複数の凹部の各々に複数種類の太陽電池モジュールを積層状態にして収容した。
(7)複数の太陽電池モジュールよりも太陽光入射側に、複数の太陽電池モジュールの方へ太陽光を集光する集光機能を持つレンズ部を有するレンズ部材を設けた。
(8)前記外装ケースの複数の凹部内の隙間に透明合成樹脂製の封止材が充填され、前記外装ケースとレンズ部材とでパッケージされた。
(9)前記外装ケースの底壁には、上方へ所定小高さ突出する台形状の突出台が形成された。
(10)前記外装ケースの凹部の端部を塞ぐ側栓ブロックを設け、この側栓ブロックに前記第１，第２の接続ロッドの端部を挿入して電気的に接続する複数の金属製の接続パイプを設け、これら接続パイプを側栓ブロックの外側へ突出させて外部端子に構成した。
本発明の実施例に係る太陽電池装置に組み込まれる平面受光形太陽電池セル（サブモジュール）の平面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１の太陽電池セルの底面図である。 ロッド形太陽電池セルの斜視図である。 ロッド形太陽電池セル３２の断面図である。 図５の太陽電池セル３２の右側面図である。 図５の太陽電池セル３２の左側面図である。 ロッド形太陽電池セル５２の断面図である。 図５の太陽電池セル５２の右側面図である。 図５の太陽電池セル５２の左側面図である。 太陽電池ユニットの分解斜視図である。 太陽電池装置の平面図である。 図１２のXIII−XIII線断面図である。 図１２のXIV−XIV 線断面図である。 図１３のXV−XV線断面部分図である。 側栓ブロックの斜視図である。 側栓ブロックの正面図である。 太陽電池装置の要部拡大断面図である。 太陽電池装置の等価回路図である。 太陽電池スペクトルと太陽電池装置の分光感度特性の説明図である。 変更例に係るロッド形太陽電池セルの斜視図である。
１ 太陽電池装置
２ 外装ケース
２ａ 側壁
２ｂ 底壁
２ｃ 突出台
３ 凹部
４ 太陽電池ユニット
５ カバーガラス（レンズ部材）
５ａ レンズ部
６ 側栓ブロック
１０ 平面受光形太陽電池モジュール
１１ 太陽電池セル（サブモジュール）
２０ａ，２０ｂ 接続ロッド
２０Ａ，２０Ｂ 接続パイプ
３０ 太陽電池モジュール
３１ ロッド受光形サブモジュール
３２ 太陽電池セル
３３ 基材
３５ ｐ形ＧａＡｓ層（別導電層）
３６ ｐ形ＧａＡｌＡｓ層
３７ ｐｎ接合
３８ 負電極
３９ 正電極
４０ａ，４０ｂ 接続ロッド
４０Ａ，４０Ｂ 接続パイプ
５０ 太陽電池モジュール
５１ ロッド受光形サブモジュール
５２ 太陽電池セル
５３ 基材
５５ ｎ形Ｇｅ拡散層（別導電層）
５６ ｐｎ接合
５７ 正電極
５８ 負電極
６０ａ，６０ｂ 接続ロッド
６０Ａ，６０Ｂ 接続パイプ
６３ 封止材
本発明に係る太陽電池装置は、複数の太陽電池モジュールを複数層に積層したスタック型太陽電池装置において、感度波長帯域の異なる複数種類の太陽電池モジュールであって、感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように積層された複数種類の太陽電池モジュールを備え、少なくとも１種類の太陽電池モジュールは、複数のロッド形の太陽電池セルを夫々組み込んだ複数のロッド受光形サブモジュールで構成され、ロッド形の太陽電池セルは後述のような特有の構成を有する。
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
図１１〜図１５に示すように、この集光型のスタック型太陽電池装置１は、金属板製の外装ケース２と、この外装ケース２の３つの凹部３に夫々収容されたスタック型太陽電池ユニット４と、凹部３内に充填された封止材６３（図１３では図示省略）と、この太陽光入射側に配置されたカバーガラス５と、外装ケース２の凹部３の端部に配置された側栓ブロック６などで構成されている。
スタック型太陽電池ユニット４は、感度波長帯域の異なる３種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０であって、感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように積層された３種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０を備えている。第１の太陽電池モジュール１０は、平面受光形太陽電池セルである平面受光形サブモジュール１１を５個並列接続したものであり、最上段に配置されている。
第２の太陽電池モジュール３０は、４つロッド形太陽電池セル３２を直列接続したロッド受光形サブモジュール３１を５個並列接続したものであり、最上段の次の段に配置されている。第３の太陽電池モジュール５０は、８つのロッド形太陽電池セル５２を直列接続したロッド受光形サブモジュール５１を５個並列接続したものであり、最下段に配置されている。太陽電池ユニット４において、３種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０は所定の小間隔を空けて平行に配置されている。
最初に、平面受光形サブモジュール１１について図１〜図３に基づいて説明する。
この平面受光形サブモジュール１１は、平面受光形のＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セルで構成されている。このＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セルは、周知のオレンジ色光を発する発光ダイオードの製造方法と同様の方法で製作することができる。
ＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル（サブモジュール１１）では、ｎ形のＧａＰ単結晶のウエハを基板１２として用い、この基板１２上に例えば気相エピタキシャル成長法（ＶＰＥ）によってｎ形のＧａＡｓＰ層１３を成長させる。この場合、ｎ形ＧａＰ基板１２の表面から徐々にＰに対するＡｓの割合を増やす傾斜層を形成しながら、最終的に組成が一定のｎ形のＧａＡｓ0.4Ｐ0.6層１３を成長させる。 次にｎ形ＧａＰ基板１２の下側表面に不純物拡散の為の拡散マスクとしてシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）を被着した後、ＧａＡｓＰ層１３の表面全体にｐ形不純物である亜鉛を拡散して深さ０．５〜１．０μｍまでｐ形のＧａＡｓ0.4Ｐ0.6層１４とし平面状のｐｎ接合１５を形成する。
次にｎ形のＧａＰ基板１２の下側表面のシリコン窒化膜を除去した状態で、その下側表面にＡｕ−Ｇｅを蒸着すると共に、ｐ形のＧａＡｓ0.4Ｐ0.6層１４の表面にＡｕ−Ｚｎを蒸着し、フォトエッチングすることにより、図１、図３に示すように、ＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１の上下両面に細長い矩形スリット状の複数のスリット窓１６，１７が上下両面に対向するように形成され、次にシンタリングによりそれぞれの表面にオーミック接続された正電極１８と負電極１９を設ける。尚、図示省略したが、正負の電極１８，１９を除く表面の全域をＳｉＯ2などの反射防止膜（図示略）で覆う。
図１１に示すように、第１の太陽電池モジュール１０は、例えば５枚のサブモジュール１１を正電極１８を上面側にし、スリット窓１６，１７の方向を揃えて平面上に１列に並べて並列接続したものである。この第１の太陽電池モジュール１０を組み立てる場合、銅またはニッケル・鉄合金製の直径０．５〜１．０ｍｍの棒材からなる接続ロッド２０ａ，２０ｂを４本準備し、５つのサブモジュール１１の一端部に上下１対の接続ロッド２０ａ，２０ｂを配置すると共に他端部に上下１対の接続ロッド２０ａ，２０ｂを配置する。
５つのサブモジュール１１の上面側の正電極１８の両端部を正極リードとしての１対の接続ロッド２０ａにハンダ叉は導電性接着剤で電気的に接続し、５つのサブモジュール１１の下面側の負電極１９の両端部を負極リードとしての１対の接続ロッド２０ｂにハンダ叉は導電性接着剤で電気的に接続する。
前記サブモジュール１１におけるＧａＡｓＰ層１３とｐｎ接合１５は、気相エピタキシャル成長法に限らず、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、モルキュラービームエピタキシャル成長法（ＭＢＥ）により形成することもできる。また、必要に応じて、ｐ形のＧａＡｓ0.4Ｐ0.6層１４の上にＰの割合を高くした薄いｐ形のウインドウ層を追加的に設け、表面での発生キャリヤーの再結合速度を少なくして光電変換効率の向上を図ることも有効である。
ＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セルからなる平面受光形サブモジュール１１は、図２０に曲線Ａで示す分光感度範囲（波長感度帯域）内の光を吸収して光電変換するが、それよりも長い波長の光は、ＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１のスリット窓１６，１７を透過して下方へ進む。このサブモジュール１１のサイズは、例えば、縦７ｍｍ、横６ｍｍ、厚さ0 ．４ｍｍ程度である。
但し、大きなサイズの共通のＧａＰ基板１２上に多数の太陽電池セルを同時に形成し、その後上記のサイズの太陽電池セルに分割してセル生産の生産性を上げることができる。その場合、大きなサイズのＧａＰ基板１２を用いて大きなサイズの単一の太陽電池セルを作るよりも、部分的に特性が悪い部分を除くことができ、基板１２の割れにより太陽電池セル全体が不良化することがなく、高価な化合半導体を有効利用することができる。
次に、第２，第３の太陽電池モジュール３０，５０のロッド受光形サブモジュール３１，５１に採用するロッド形太陽電池セル３２，５２の構造を説明する為に、これらと同構造のロッド形太陽電池セル７０ついて説明する。
図４に示すように、ロッド形太陽電池セル７０は、断面円形のロッドにしたＳｉ、Ｇｅなどの単一元素から成る半導体結晶、叉はIII −V族元素やII−VI族元素などの化合物半導体結晶を基材７１にして製作する。
このロッド形の半導体結晶は、例えば、ＧｅやＳｉでは、ロッド形の種結晶を坩堝の細径のノズルを通じて融液（メルト）とコンタクトさせ、上方へ引き上げ叉は下方に引き下げながら、冷却して単結晶のロッドを細長く連続的に成長させる方法で製作する。Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ，ＧａＳｂなどの半導体では、この方法により直径０．５〜２．５ｍｍの単結晶のロッドを製造することができる。
しかし、このような細径のロッド形結晶を成長させることが難しい材料では、バルク結晶から機械的に切りだしてロッド形に加工してもよい。この細長いロッド形の半導体結晶は、その直径の約３倍〜１０倍程度の長さに分断して、ロッド形太陽電池セル７０を作る半導体結晶基材とする。尚、前記約３倍〜１０倍の長さに限定される訳ではなく、基材７１の直径の１０倍以上叉は数１０倍の長さに分断してもよい。この分断の際にはロッドの軸心に対して垂直に切断する。ロッド形太陽電池セル７０は、上記の断面円形のロッド形の半導体結晶を基材として以下のように製作する。
最初に、例えば、図４に示すように、ｎ形半導体結晶の基材７１を準備し、次にその基材７１の表面部分の一部を軸心と平行に切断して軸心と平行な帯状の平坦面７２（帯状部分）を形成する。尚、この平坦面７２の幅は基材７１の直径の０．４〜０．６倍程度とする。次に、この平坦面７２とその両側近傍部分を除いて、基材７１の表面層に部分円筒状のｐ形層７３（別導電層）を設け、部分円筒状のｐｎ接合７４を基材７１の全長にわたって形成する。基材７１の平坦面７２にはｎ形半導体結晶（基材７１）にオーミック接続され且つ基材７１の軸心と平行な帯状の負電極７５を形成する。基材７１の軸心を挟んで負電極７５と反対側においてｐ形層７３の表面にオーミック接続され且つ基材７１の軸心と平行な帯状の正電極７６を形成する。次に、正負の電極７６，７５以外の表面の全面を透明な絶縁性反射防止膜７７で被覆する。
このロッド形太陽電池セル７０においては、正負の電極７６，７５と平坦面７２及びその近傍部分を除く表面の大部分が受光可能な表面であり、平坦面７２を除いて、基材７１の軸心７８に直交する方向から見た投影断面積はほぼ一定であり、直射光に対する受光面積は入射角度によらずほぼ一定である。ｐｎ接合７４の各点Ｐ，Ｑ，Ｒから正負の電極７６，７５を結ぶ直線の距離の和（ａ＋ｂ），（ａ’＋ｂ’），（ａ”＋ｂ”）はほぼ一定であり、ｐｎ接合７４を流れる電流分布の対称性、均一性に優れ、入射光に対する指向性が少なく、高効率の光電変換が可能になる。
但し、基材をｐ形半導体で構成し、その表面層に部分円筒状のｎ形半導体層（別導電層）を形成してもよい。ロッド形太陽電池セル７０のｐｎ接合７４を形成する形成方法として、公知の選択的な不純物拡散、イオン注入、気相または液相エピタキシャル成長法を活用できる。電極形成、反射防止膜形成についても公知の技法を利用して設けることが可能であり、その詳細な説明は省略する。
次に、第２の太陽電池モジュール３０のロッド受光形サブモジュール３１に採用するロッド形太陽電池セル３２について図５〜図７に基づいて説明する。
ＧａＡｓロッド形太陽電池セル３２の基材３３として、断面が円形のｎ形ＧａＡｓ単結晶に基材３３の軸心と平行な帯状の平坦面３４を形成したものを準備する。この基材３３の表面のうちの平坦面３４とその両側近傍部をＳｉ3Ｎ4被膜でマスクした状態で、基材３３の表面にＧａを溶液とするＧａＡｓのメルトを高温でコンタクトさせてから降温し、基材３３の表面のうちのマスクしない部分円筒面上に均一な厚みのｎ形のＧａＡｓ層（図示略）をエピタキシャル成長させる。
次に、ＧａＡｓメルトを取替えて、亜鉛をドープしたＧａ0.8Ａｌ0.2Ａｓのメルトをコンタクトさせながらさらに降温させ、ｐ形のＧａ0.8Ａｌ0.2Ａｓ層３６を連続的に成長する。 このｐ形のＧａ0.8Ａｌ0.2Ａｓ層３６を成長させている間にＧａ0.8Ａｌ0.2Ａｓのメルトから亜鉛が前記部分円筒形のｎ形ＧａＡｓ層の途中の深さまで熱拡散してｐ形ＧａＡｓ層３５（別導電層）が形成され、このｐ形ＧａＡｓ層３５と隣接するｎ形ＧａＡｓ層との境界に部分円筒形のｐｎ接合３７が形成される。
こうして、例えば、直径約1 ．７ｍｍの細径のｎ形ＧａＡｓ単結晶からなる基材３３の表面層のうち前記マスクをしない部分円筒状の領域に、厚さ２０〜５０μｍのｎ形ＧａＡｓ層（図示略）と、１〜２μｍのｐ形のＧａＡｌＡｓ層３６を連続的に成長させるとともに両者の成長界面からｎ形ＧａＡｓ層側の０．５〜１．０μｍの位置までｐ形ＧａＡｓ層３５が形成され、エピタキシャル成長により形成したｎ形ＧａＡｓ層（図示略）とｐ形ＧａＡｓ層３５との境界に部分円筒形のｐｎ接合３７を形成する。ｐ形のＧａＡｌＡｓ層３６は、光が透過するウインドウ層として機能し、また、ｐ形ＧａＡｓ層３５とＧａＡｌＡｓ層３６の境界面のヘテロ接合により、太陽電池セル３２の表面における少数キャリァの再結合速度が小さくなり、ＧａＡｓ太陽電池セルの光電変換効率が向上する。
次に、前記Ｓｉ3Ｎ4被膜のマスクを化学的エッチングにより除去し、基材３３のｎ形ＧａＡｓ層の表面を平坦面３４に露出させ、ｎ形ＧａＡｓ層が露出している平坦面３４に基材３３の軸心と平行な帯状の負電極３８であってｎ形ＧａＡｓ層に電気的に接続された負電極３８を形成する。基材３３の軸心を挟んで負電極３８と反対側において、ｐ形ＧａＡｌＡｓ層３６の表面に、負電極３８と平行な帯状の正電極３９を設ける。この正負の電極３９，３８の形成の際、ｐ形ＧａＡｌＡｓ層３６の表面にはＺｎをドープした金、平坦面３４に露出したｎ形ＧａＡｓ層の表面にはＧｅをドープした金を、それぞれ蒸着しシンターして、ｐ形ＧａＡｌＡｓ層３６にオーミックコンタクトされた正電極３９と、基材３３にオーミックコンタクトされた負電極３８とする。尚、正負の電極３９，３８は数μｍの厚さの電極である。こうして、ロッド形太陽電池セル３２の連続体を製作することができる。
次に、このロッド形太陽電池セル３２の連続体をワイヤソウなどの切断装置を用いて例えば長さ約８ｍｍ毎に切断して、ロッド形太陽電池セル３２とする。複数のロッド形太陽電池セル３２を耐酸性ワックスで束ねてから切断表面を露出させ、薬品でエッチングして酸化被膜を形成して端面におけるｐｎ接合３７の表面のリーク電流を少なくする。なお、図示省略したが、正負の電極３９，３８を除く全表面をＳｉＯ2などの反射防止膜（図示略）で覆いロッド形太陽電池セル３２を完成させる。 図２０には、このロッド形ＧａＡｓ太陽電池セル３２の分光感度特性が曲線Ｂで図示されている。
但し、上記の例では、ｐｎ接合３７を形成する際にＳｉ3Ｎ4被膜のマスクを採用したが、断面円形のｎ形ＧａＡｓ単結晶からなる基材を採用し、この基材の全表面に、前記と同様にしてｎ形ＧａＡｓ層、Ｚｎをドープしたｐ形ＧａＡｌＡｓ層を形成して、円筒形のｐｎ接合を形成し、その後基材の軸心と平行な帯状部分を切削加工により除去して平坦面３４を形成し、軸心と平行な帯状のｎ形ＧａＡｓ層を露出させ、その平坦面３４に帯状の負電極３８を形成してもよい。
図１１に示すように、ロッド受光形サブモジュール３１を製作する際には、４つのロッド形太陽電池セル３２を正電極３９から負電極３８に向かう導電方向を揃えて水平方向に向け、それら太陽電池セル３２を平面上に近接状に平行に配置する。次に、隣接する太陽電池セル３２の正負の電極３９，３８を当接させてハンダ叉は導電性接着剤により接着することによりサブモジュール３１製作する。
第２の太陽電池モジュール３０は、例えば、５つのサブモジュール３１を、導電方向と軸心方向を揃えて平面上に１列に並べて並列接続した構造のものである。この第２の太陽電池モジュール３０を組み立てる場合、銅またはニッケル・鉄合金製の直径0.5 〜1.0 ｍｍの棒材からなる２本の接続ロッド４０ａ，４０ｂを準備し、５つのサブモジュール３１の両端側に１対の接続ロッド４０ａ，４０ｂを配置して、サブモジュール３１の一端側の正電極３９を正極リードとしての接続ロッド４０ａにハンダ叉は導電性接着剤で電気的に接続すると共に、サブモジュール３１の他端側の負電極３８を負極リードとしての接続ロッド４０ｂにハンダ叉は導電性接着剤で電気的に接続する。
次に、第３の太陽電池モジュール５０のロッド受光形サブモジュール５１に採用するロッド形太陽電池セル５２について図８〜図１０に基づいて説明する。
最初に、Ｇｅロッド形太陽電池セル５２の基材５３として、直径が０．９ｍｍ程度の断面円形のロッド形のｐ形Ｇｅ単結晶に基材５３の軸心と平行な帯状の平坦面５４を形成したものを準備する。上記のロッド形Ｇｅ単結晶は、例えばゲルマニウムを融かしたグラファイト製の坩堝の底のノズルで細径の種結晶をゲルマニウムの融液とコンタクトさせて下方に引きだすようにして作る。それを一定の直径の円柱になるように表面の凹凸をなくすように研磨し薬品でエッチングする。
その後、この基材５３の表面のうち、平坦面５４とその両側近傍部をＳｉ3Ｎ4被膜でマスクした状態で、ロッド形のｐ形ゲルマニウムをアンチモンを含むガス雰囲気中で加熱して表面から深さ０．５〜１．０μｍのｎ形拡散層５５（別導電層）を設けて部分円筒形のｐｎ接合５６を形成する。その後、Ｓｉ3Ｎ4被膜からなるマスクをエチッングで除去し、ｐ形Ｇｅが露出している平坦面５４の中央部に錫を含む銀を蒸着し、軸心を挟んで反対側のｎ形Ｇｅからなる拡散層５５の表面にアンチモンを含む銀を蒸着し、シンタリングを行ない、ｐ形Ｇｅ層が露出している平坦面５４にオーミックコンタクトされた帯状の正電極５７と、ｎ形の拡散層５５にオーミックコンタクトされた帯状の負電極５８を設ける。尚、正負の電極５７，５８は数μｍの厚さの電極である。こうして、ロッド形太陽電池セル５２の連続体を製作する。
次に、このロッド形太陽電池セル５２の連続体をワイヤソウなどの切断装置を用いて長さ約１０ｍｍ毎に切断し、太陽電池セル５２とする。この太陽電池セル５２を複数個耐酸性ワックスで束ねて周面をマスクし切断した表面を公知の技法による化学薬品でエッチングして酸化被膜を形成し切断面におけるｐｎ接合５６のリーク電流を少なくする。図２０には、このＧｅロッド形太陽電池セル５２の分光感度特性が曲線Ｃで図示されている。
尚、上記の例では、ｐｎ接合５６を形成する際にＳｉ3Ｎ4被膜のマスクを採用したが、断面円形のｐ形Ｇｅロッドの全表面に円筒形のｐｎ接合を形成し、その後ロッド形Ｇｅ単結晶の表面部分のうちの軸心と平行な帯状部分を切削加工により除去することにより、軸心と平行な帯状の平坦面５４を形成し、この平坦面５４にｐ形Ｇｅ基材を露出させ、この平坦面５４に帯状の正電極５７を設け、この正電極５７と反対側においてｎ形Ｇｅ層に接続された帯状の負電極５８を設けてもよい。
図１１に示すように、ロッド受光形サブモジュール５１を製作する際には、８つのロッド形太陽電池セル５２を正電極５７から負電極５８に向かう導電方向を揃えて水平方向に向け、それらの太陽電池セル５２を平面上に近接状に平行に配置する。次に、隣接する太陽電池セル５２の正負の電極５７，５８を当接させてハンダ叉は導電性接着剤により接着することによりサブモジュール５１を製作する。尚、サブモジュール１１，３１，５１はそれらの縦、横の寸法、つまり受光面積が等しく、叉はほぼ等しくなるように構成されている。
第３の太陽電池モジュール５０は、例えば、５つのサブモジュール５１を、導電方向と軸心方向を揃えて平面上に１列に並べて並列接続した構造のものである。この第３の太陽電池モジュール５０を組み立てる場合、銅またはニッケル・鉄合金製の直径0.5 〜1.0 ｍｍの棒材からなる２本の接続ロッド６０ａ，６０ｂを準備し、５つのサブモジュール５１の両端側に１対の接続ロッド６０ａ，６０ｂを配置して、サブモジュール５１の一端側の正電極５７を正極リードとしての接続ロッド６０ａにハンダ叉は導電性接着剤で電気的に接続すると共に、サブモジュール５１の他端側の負電極５８を負極リードとしての接続ロッド６０ｂにハンダ叉は導電性接着剤で電気的に接続する。
次に、以上説明したサブモジュール１１，３１，５１を組み込んだ集光型のスタック型太陽電池装置１の構造について説明する。
図１２〜図１８に示すように、このスタック型太陽電池装置１は、例えば３組の太陽電池ユニット４を有し、これら３組の太陽電池ユニット４は、外装ケース２と、６つの側栓ブロック６と、カバーガラス５でパッケージされている。
外装ケース２は、ステンレス鋼の薄板（厚さ０．５〜１．５ｍｍ）をプレス成型して平面視にて長方形に製作される。外装ケース２には、樋状の３つの凹部３がその幅方向に並べて平行に形成され、各凹部３はその幅が上方ほど広くなる実質的に逆台形断面を有し、太陽電池ユニット４へ光を集光するため、凹部３の１対の側壁２ａと底壁２ｂの内面は光反射面に形成され、底壁２ｂの両端部分を除く部分には上方へ所定小高さ突出する断面台形状の突出台２ｃが形成されている。
凹部３の側壁２ａと底壁２ｂの表面は、光反射効果の高めるため鏡面加工されるか、叉は銀などの金属皮膜が形成され、叉は酸化マグネシュウム粉末が付着させてある。隣接する凹部３の１対の側壁２ａの上端部には共通の水平な支持部２ｄが形成されている。外装ケース２の左右端部分には、平坦なフランジ部２ｅとこのフランジ部２ｅの端部から所定高さ垂直に立ち上った囲い壁２ｆが形成されている。
側栓ブロック６は、白色の絶縁性のセラミック材料で構成され、外装ケース２の凹部３の両端部に夫々装着される。図１６、図１７に示すように、側栓ブロック６には、太陽電池モジュール１０，３０，５０の接続ロッド２０ａ，２０ｂ，４０ａ，４０ｂ，６０ａ，６０ｂの端部が夫々挿入される複数の金属製の接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂが予め図示のように設けられ、これら接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂは、側栓ブロック６の内側へ所定長さ突出すると共に、側栓ブロック６の外側へ所定長さ突出している。上記の接続パイプはＦｅ５８％−Ｎｉ４２％合金などで構成され、側栓ブロック６を気密に貫通している。
各太陽電池ユニット４において、太陽電池モジュール１０，３０，５０を直列接続するため、側栓ブロック６の外面側には、接続ロッド２０ｂ，４０ａが挿入される接続パイプ２０Ｂ，４０Ａを直列接するコネクタ６１と、接続ロッド４０ｂ，６０ａが挿入される接続パイプ４０Ｂ，６０Ａを直列接するコネクタ６２とが設けられている。
図１２〜図１４、図１８に示すように、カバーガラス５は透明なガラス材料で構成され、カバーガラス５は、３つの凹部３に向けて夫々集光する３つの部分円筒形のレンズ部５ａと、外装ケース２の左右両端部のフランジ部２ｅに固定する為の左右１対の平板部５ｂと、凹部３の上端部に嵌合する逆台形状の高さの小さな嵌合部５ｃと、外装ケース２の２つの支持部２ｄに係合する２つの係合溝５ｄとを有し、カバーガラス５の下面はほぼ平坦に形成されている。
次に、スタック型太陽電池装置１の組み立て方法について説明する。
各凹部３の後端部分に側栓ブロック６を予め接着した状態において、太陽電池モジュール５０の接続ロッド６０ａ，６０ｂの後端側部分を上記側栓ブロック６の接続パイプ６０Ａ，６０Ｂに夫々挿入し、太陽電池モジュール３０の接続ロッド４０ａ，４０ｂの後端側部分を上記側栓ブロック６の接続パイプ４０Ａ，４０Ｂに夫々挿入し、太陽電池モジュール１０の接続ロッド２０ａ，２０ｂの後端側部分を上記の側栓ブロック６の接続パイプ２０Ａ，２０Ｂに挿入し、太陽電池モジュール１０，３０，５０を平行な水平姿勢に保持する。
次に、太陽電池モジュール１０，３０，５０の接続ロッド２０ａ，２０ｂ，４０ａ，４０ｂ，６０ａ，６０ｂの前端側部分を、前方側の側栓ブロック６の接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂに夫々挿入してから、その側栓ブロック６を凹部３の前端部分に位置決めして接着する。こうして、各太陽電池ユニット４の太陽電池モジュール１０，３０，５０は、外装ケース２の凹部３内に所定の小間隔を空けた状態にして上下方向に積層（段重ね）される。
その後、接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂをカシメることにより、これら接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂと接続ロッド２０ａ，２０ｂ，４０ａ，４０ｂ，６０ａ，６０ｂを電気的に接続する。但し、導電性接着剤にて接着することで電気的に接続してもよい。尚、接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂは、外部端子としても活用される。
次に、太陽電池モジュール１０，３０，５０を収容した凹部３の中に透明な合成樹脂（例えば、シリコンゴムなど）を充填後、脱泡して加熱キュアを行って合成樹脂を重合させて、全部のサブモジュール１１，３１，５１を合成樹脂封止材６３内に埋め込んだ状態にする。その後、カバーガラス５の下面に透明なシリコン樹脂などを塗布してから、カバーガラス５を上方から被せ、支持部２ｄを係合溝５ｄに係合させて接着し、平板部５ｂをフランジ部２ｅに接着する。カバーガラス５と外装ケース２及び合成樹脂封止材６３との間の隙間は透明なシリコン樹脂６４で封止される。
次に、図１２〜図１４に示すように、左右両端部においてカバーガラス５の平板部５ｂと外装ケース２のフランジ部２ｅとを４本のボルト６５とナット６６で夫々締結する。このボルト締結部では、ブチルゴム製のパッキング６７とワッシャ６８を介して締結する。
次に、以上説明した太陽電池装置１の作用について説明する。
図１９は、前記スタック型太陽電池ユニット４の等価回路を示す図であり、前記太陽電池セル１１，３２，５２をダイオード１１Ａ，３２Ａ，５２Ａで図示してある。太陽電池モジュール１０，３０は、前後両側において接続パイプ２０Ｂ，４０Ａを電気的に接続するコネクタ６１により直列接続されている。
太陽電池モジュール３０，５０は、前後両側において接続パイプ４０Ｂ，６０Ａを電気的に接続するコネクタ６２により直列接続されている。なお、中央の１組の太陽電池ユニット４に対して、図１３、図１４における左右両側の太陽電池ユニット４は、接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂとリード線を介して並列接続されている。接続パイプ２０Ａに接続されたリード線の中央部に正極端子８０が形成され、接続パイプ６０Ｂに接続されたリード線の中央部に負極端子８１が形成されている。
図２０に図示の太陽電池セル１１，３２，５２の分光感度特性のように、太陽電池セル１１，３２，５２の種類によってその光電気変換ができる感度波長帯域とエネルギー密度が異なる。地上における太陽光のエネルギー密度は１００ｍＷ／ｃｍ2であり、この太陽光による太陽電池セル単独の開放電圧は、ＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１（サブモジュール）で約１．２ボルト、ＧａＡｓ太陽電池セル３２で約０．９ボルト、Ｇｅ太陽電池セル５２で約０．４ボルトである。
太陽電池モジュール１０，３０，５０が直列接続されている関係上、仮に、太陽電池モジュール１０，３０，５０の出力電流に大きなバラツキがある場合には、出力電流が最少となる太陽電池モジュールの出力電流の制約を受け、それ以外の太陽電池モジュールもそれ以上の出力電流を発生することができない。そこで、この太陽電池装置１では、ＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１は受光面積あたりの出力電流が最も小さいため、他のサブモジュール３１，５１の出力電流の大きさをＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１の出力電流の大きさとほぼ等しくし、太陽電池モジュール１０，３０，５０の出力電流がほぼ同じ値になるように設定している。そのため、太陽電池セル１１、３２、５２は、それぞれの発電能力を最大限発揮することができる。
太陽電池モジュール１０においては、サブモジュール１１の数（並列接続数）を増減すことにより出力電流を増減させることができ、また、サブモジュール１１の受光面積を増減することにより出力電流を増減させることができる。太陽電池モジュール３０，５０においては、サブモジュール３１，５１の数（並列接続数）を増減すことにより出力電流を増減することができ、また、サブモジュール３１，５１に組み込む太陽電池セル３２，５２の数（直列接続数）を増減することによりサブモジュール３１，５１の出力電圧を増減することができる。
この集光型の太陽電池装置１においては、カバーガラス５のレンズ部５ａによる屈折と外装ケース２の反射集光による集光作用を利用し、小型の太陽電池モジュール１０，３０，５０で大きな出力が得られる。図１８は、中央の１組の太陽電池ユニット４を例として、その集光作用を説明する図である。太陽の直射光がカバーガラス５に対して垂直に入射すると光はレンズ部５ａにより屈折を受けて集光する。 多くの直射光は、最上部のＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１（サブモジュール１１）の表面に入射し、図２０の曲線Ａの感度波長帯域の光が吸収され、それよりも長い波長の光がその下のＧａＡｓ太陽電池セル３２からなるサブモジュール３１の表面に入射する。
このサブモジュール３１によって、図２０の曲線Ｂの感度波長帯域の光が吸収され、それよりも長い波長の光がその下のＧｅ太陽電池セル５２からなるサブモジュール５１の表面に入射し、図２０の曲線Ｃの感度波長帯域の光が吸収され、それよりも長い波長の光がその下の突出台２ｃの表面に入射し反射や吸収が生じる。それぞれの太陽電池セル１１，３２，５２において吸収された光から電気エネルギーに光電変換され、各太陽電池モジュール１０，３０，５０の外部端子８０，８１から電気的出力が得られる。
レンズ部５ａを透過した光がＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１（サブモジュール１１) の表面に直接入射せずに傾斜した側壁２ａに入射する光は、そこで反射されてサブモジュール３１，５１の表面に入射する。その表面でそのまま吸収されるほかに反射して他の方向に向かう光も生じる。この光は外装ケース２、側栓ブロック６、カバーガラス５、各サブモジュール１１，３１，５１の間を多重反射してからサブモジュール１１，３１，５１の表面に到達した光が吸収され光電変換される。
サブモジュール１１，３１，５１同士の間、及びＧｅサブモジュール５１と突出台２ｃとの間には小さな間隔があり、光が進入できる。その光は、ロッド形の太陽電池セル３２，５２の表面が円筒面であるため、受光面が平面である太陽電池セル１１よりも吸収される割合が高く、この太陽電池装置１の出力アップが達成されている。
なお、図１８では、図面作成上、凹部３の側壁２ａは平面的に描かれているが、反射光の多くが効果的に太陽電池セル１１、３１，５１に集光するよう曲面形状に設計してもよい。また、ＧａＡｓサブモジュール３１とＧｅサブモジュー５１は、そこを透過する波長の光（吸収できない波長の光）に対してレンズ部５ａのように集光する作用を持つので、集光した光がその先の太陽電池サブモジュールに入射するよう太陽電池セルの配置を光学的見地から工夫することができる。
太陽電池モジュール１０，３０，５０で光電変換されない光エネルギーは、熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーによって太陽電池セル１１，３２，５２の温度が上昇すると光電変換効率が低下する。そのため外装ケース２の放熱能力あげて温度上昇を少なくすることが重要である。そこで本実施例では、外装ケース２を樋状にして表面積を大きくし太陽電池セル１１，３２，５２から発生した熱を外部に放熱しやすくしている。なお、外装ケース２の外側を囲む表面にカバー部材（図示略）を設けてダクトを形成し、外装ケース２とカバー部材の間に冷却媒体を流通させるように構成し、冷却効果を高めることもできる。
ここで、入射光のスペクトル分布は、場所や天候の状態によって変動するため、スタック型太陽電池装置１を構成する太陽電池セルの出力電流も変動する。これに対応してサブモジュール１１，３１，５１の並列接続数、直列接続数を変更し、全体の出力の最大化を維持するように構成することも可能である。太陽電池モジュール１０，３０，５０には、それぞれ独立した外部端子（接続パイプ）を有するので、並列接続数、直列接続数を変更する複数の電子スイッチ装置を設け、それら電子スイッチ装置のオン・オフを制御することにより、スペクトル変動に応じて自動的に出力の最大化を図ることも可能である。
また、太陽電池モジュール１０，３０，５０に外部端子としての接続パイプを設けてあるため、状況が変化する太陽光に対して、各太陽電池モジュールの出力特性を個別に測定し、性能を評価することができる。そして、その測定データをもとに太陽電池装置１の各太陽電池モジュールのレンズ部５ａや外装ケース２の内面の反射講造及び太陽電池セルの配置や並列接続数、直列接続数に関して最適設計が可能となる。
サブモジュール３１においては、複数のロッド形太陽電池セル３２を平行に並べ、正負の電極３９，３８を介して直列接続したロッド受光形サブモジュール３１を構成しているため、基材３３の直径を変えることで複数のロッド形太陽電池セル３２の数を変えて、サブモジュール３１で発生する電圧を変えることができる。このことは、サブモジュール５１においても同様である。そして、太陽電池モジュール３０では、複数のサブモジュール３１を並列接続しているため、その並列接続するサブモジュール３１の数を変えることにより、太陽電池モジュール３０で発生する電流を変えることができる。このことは、太陽電池モジュール５０においても、同様である。
ロッド形太陽電池セル３２では、その軸心方向の長さを基材３３の直径の数倍〜十数倍の大きさに設定ことができるため、粒状の太陽電池セルと比較して、受光面積を格段に大きくすることができるうえ、複数のロッド形太陽電池セル３２を稠密に平行に並べてロッド受光形サブモジュール３１を構成することができ、太陽光の投射面積に対する受光面積の割合を大きくし、太陽光を受光する受光効率を高めることができる。このことは、ロッド形太陽電池セル５２においても同様である。
しかも、ロッド受光形サブモジュール３１，５１では、複数の粒状の太陽電池セルを組み込んだサブモジュールと比較して、太陽電池セルを電気的に接続する結線個所の数を格段に少なくすることができるため、その結線コストを含むサブモジュールの組み立てコストを大幅に低減することができる。
この太陽電池装置１は、感度波長帯域の異なる複数種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０であって、感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように積層された複数種類の太陽電池モジュールを備えているため、太陽光のスペクトルのうちの広い波長範囲の太陽光を光電変換することができる。波長の短い光ほど透過性が弱いため、上記のように感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように複数種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０を積層することで、各太陽電池モジュールの光電変換効率を高めることができる。
この太陽電池装置１において、上下方向に積層される複数種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０を直列接続し、それらの出力電流をほぼ同じに揃えるため、それら太陽電池モジュールの発電能力を最大限発揮させることができる。
３種類の太陽電池モジュールのうちの２種類の太陽電池モジュール３０，５０を複数のロッド受光形サブモジュール３１，５１で夫々構成するため、各サブモジュール３１，５１におけるロッド形太陽電池セル３２，５２の直列接続数を変えることで、ロッド受光形サブモジュール３１，５１の出力電圧を調整でき、複数のロッド受光形サブモジュール３１，５１を並列接続する並列接続数を変えることで、その太陽電池モジュール３０，５０の出力電流を調整できるため、上下方向に積層される複数種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０の出力電流を揃えやすくなる。
ロッド形の太陽電池セル３２，５２の基材は、半導体の融液から種結晶を用いて引上げたり叉は引き下げることにより、容易に細い円柱状の単結晶を成長させることができ、平面状、球状の太陽電池セルの基材の為の半導体単結晶の製造よりも容易にかつ低コストで製作できる。
ロッド形の太陽電池セル３２，５２を製作する際に、ｐｎ接合と電極の形成後に、必要な長さにカットして使うことができ、量産に適する。
ロッド形の太陽電池セル３２，５２は、部分円筒形のｐｎ接合と、その軸方向に平行で且つｐ型領域とｎ型領域の表面中心部に夫々接続された帯状の１対の電極を設けたものである。基材の軸心に垂直方向の表面において太陽光の指向性はほとんどなく、直射光のみならず反射や散乱した方向の光も利用できる。
ロッド形の太陽電池セル３２，５２では、帯状の長い電極３８，３９，５７，５８を形成するため、外部リードとの接続個所を少なくすることができる。また、太陽電池セル３２，５２の電極同士を直接ハンダや導電性合成樹脂で力学的なストレスなしで接合できる。サブモジュール３１，５１においては、太陽電池セル３２，５２を直列接続する数を自由に設定できるため、高電圧の出力が容易に実現できる。
ロッド形の太陽電池セル３２，５２では、平面受光型太陽電池セル１１と比べて電極が受光面に占める割合が少なく、シャドウロスが少なく、電流は電極の厚み方向と垂直に流れるため抵抗が少ない。サブモジュール３１，５１では、ロッド形の太陽電池セルを稠密に平行に並べてセル同士を直接接続してモジュール化し、その受光面積を自由に拡張できる。サブモジュールは、投影面積に対し受光表面積の割合を大きくできるため、コンパクトな大きさのサブモジュールを製作することができる。
球状太陽電池セルを並べて結線したモジュールでは、セル同士の間に隙間が発生するがロッド形の太陽電池セル３２，５２では、殆ど隙間なくセルを並べて接続でき、垂直方向の直射光に対して単位面積あたりの出力を大きくすることができる。これはレンズにより集光した太陽電池モジュールを作る場合に有利である。サブモジュール３１，５１のように、直径の異なるロッド形のセルを用いて同じ面積で直列数が異なるサブモジュールを作ることができる。
外装ケース２の凹部３の中では、感度波長帯域が異なるサブモジュール１１，３１，５１が透明な合成樹脂を介して一定間隔で配置してあり、各太陽電池セルが光を吸収して発生する熱は位置的に分散している。このため温度上昇が部分的に集中せず太陽電池セル１１，３２，５２の温度上昇が少ない。
外装ケース２は、内面が光反射面、外面が放熱面として構成され、集光と温度上昇抑制を兼ね備え両方の相反関係を改善するのに役立っている。側栓ブロック６を光反射あるいは光散乱可能な白色セラミックで構成し、凹部３の内部に光を閉じ込めている。これにより間接的に光がロッド形の太陽電池セル３２，５２に入射して光の利用効率がアップする。
複数の太陽電池ユニット４を接続パイプ２０Ａ，２０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂ（外部端子）を介して並列接続することが可能であるから、太陽電池モジュール１０，３０，５０を直列接続且つ並列接続し、必要な出力電圧や電流を持つ電源を構成することができる。
カバーガラス５のレンズ部５ａの中心と凹部３の中心を、カバーガラス５の係合溝５ｄと外装ケース２の支持部２ｄの係合により容易に位置合せすることができる。外装ケース２の凹部３の底壁２ｂに突出台２ｃを形成してあるため、外装ケース２の剛性を高め、放熱面積を増すことができる。また、側栓ブロック６と、ガバーガラス５のレンズ部５ａによっても、太陽電池装置１全体の機械的強度を高めている。
サブモジュール１１，３１，５１は、柔軟性のある透明なシリコン樹脂内に埋没させ、外装ケース２とカバーガラス５をパッキング６７を介してボルト６５とナット６６で締結して密封しているため、機械的強度と雰囲気に対する機密性と太陽光に対する耐候性が確保される。
スタック型太陽電池装置１が不要になった場合には、ボルト６５とナット６６の締結を解除し、カバーガラス５と外装ケース２に分解し、さらに有機溶剤あるいは高温スチームを加えて透明なシリコン樹脂からなる封止材６３からサブモジュール１１，３１，５１を分離回収することも容易に行うことができる。
次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１）外装ケース２に３つの凹部３を形成し、３組の太陽電池ユニット４を組み込んだ例について説明したが、これは一例に過ぎず、必要に応じて４つ以上の凹部３を形成し、４組以上の太陽電池ユニット４を組み込むこともある。
また、太陽電池モジュール１０，３０，５０には５つのサブモジュール１１，３１，５１を組み込んだ例について説明したが、太陽電池モジュール１０，３０，５０に組み込むサブモジュールの数は適宜設定することができ、６つ以上のサブモジュール１１，３１，５１を組み込むこともある。こうして、太陽電池装置１の出力電圧と出力電流を自由に設定する構成ことができる。
２）サブモジュール３１に組み込む太陽電池セル３２の数も４つに限るものではなく、５つ以上のセル３２を組み込むこともある。このことは、サブモジュール５１についても同様であり、サブモジュール５１に９つ以上の太陽電池セル５２を組み込むこともある。
３）最上段のＧａＡｓＰ／ＧａＰ太陽電池セル１１の代わりにＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＺｎＯの結晶を基材とする平面受光形太陽電池セルを採用してもよく、それらの何れかの半導体結晶で基材を構成した太陽電池セルからなるロッド受光形サブモジュールを採用してもよい。
４）最下段のサブモジュール５１のロッド形のＧｅセル５２の代わりに、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂの結晶を基材とする太陽電池セルを採用してもよい。
５）中段部のサブモジュール３１のロッド形の太陽電池セル３２の代わりに、ＧａＡｌＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰの結晶を基材とする平面受光形太陽電池セル、叉はそれらの何れかの半導体結晶で基材を構成したロッド形太陽電池セルを採用してもよい。
６）上記実施例の太陽電池装置１では、感度波長帯域の異なる３種類の太陽電池モジュール１０，３０，５０を積層状に組み込んだ例について説明したが、感度波長帯域の異なる２種類の太陽電池モジュールを積層状に組み込んだ太陽電池装置でもよく。この場合、少なくとも１種類の太陽電池モジュールは、ロッド受光形サブモジュールで構成するものとする。尚、感度波長帯域の異なる４種類以上の太陽電池モジュールを積層状に組み込んだ太陽電池装置も製作することができる。
７）前記カバーガラス５の代わりに、透明なポリカーボネートやアクリルなどの合成樹脂材料で構成したカバー部材を採用し、そのカバー部材に前記レンズ部５ａと同様のレンズ部を形成する。
８）前記外装ケース２の材料として、内側表面を銀やニッケルなどの反射率が高い金属をメッキしたＦｅ５８％−Ｎｉ４２％合金板、表面を防食処理したアルミニウム板やアルミニウム合金板やマグネシウム合金板を採用してもよい。
９）前記ロッド形太陽電池セル３２，５２では、基材に帯状の平坦面３４，５４を形成し、その平坦面に一方の電極３８，５７を設けたが、図２１に示すロッド形太陽電池セル７０Ａのように、前記の平坦面を省略し、円形断面の基材７１Ａの表面に基材７１Ａにオーミックコンタクトされた一方の帯状の電極７５Ａを形成してもよい。但し、この場合、正負の電極の材料、色、形状などを異ならせることにより、正負の電極を識別可能に構成することが望ましい。その他、図４の太陽電池セル７０のものと同様のものに、同一符号を付して説明を省略する。
このスタック型太陽電池装置は、太陽光を利用して発電する種々の発電装置に利用することができる。

Claims (10)

  1. 複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続し且つ複数層に積層したスタック型太陽電池装置において、
    前記複数の太陽電池モジュールは、感度波長帯域の異なる複数種類の太陽電池モジュールであって、感度波長帯域の中心波長が短い太陽電池モジュールほど太陽光の入射側に位置するように積層された複数種類の太陽電池モジュールからなり、
    少なくとも１種類の太陽電池モジュールは、平面上に平行に配列した複数のロッド形の太陽電池セルを夫々組み込んだ複数のロッド受光形サブモジュールで構成され、
    前記ロッド形の太陽電池セルは、ｐ形叉はｎ形の半導体からなる円形叉は部分円形の断面を有するロッド形の半導体結晶からなる基材と、前記基材の表面層のうちの前記基材の軸心と平行な帯状部分を除く部分に形成され且つ前記基材の導電形とは異なる導電形の別導電層と、前記基材と別導電層とで形成された部分円筒形のｐｎ接合と、前記基材の帯状部分の表面にオーミック接続された帯状の第１電極と、前記基材の軸心を挟んで第１電極と反対側において前記別導電層の表面にオーミック接続された帯状の第２電極とを備え、
    前記ロッド受光形サブモジュールは、複数のロッド形の太陽電池セルを、第１，第２電極を結ぶ導電方向を水平方向に揃えて平面上に平行に配列し且つ隣接するロッド形の太陽電池セルの第１，第２電極を当接状態に接続することにより、複数のロッド形太陽電池セルを電気的に直列接続して構成され、
    前記複数のロッド受光形サブモジュールは、前記ロッド形の太陽電池セルの長手方向と平行な方向に平面上に直列的に配置され且つ電気的に並列接続され、
    下方へ凹入した凹部を有する金属板製の外装ケースを設け、
    前記外装ケースの凹部は、その幅が上方程広くなるような実質的に逆台形断面を有し、この凹部の１対の側壁と底壁の内面は複数の太陽電池モジュールへ光を反射集光する為の光反射面に形成され、
    前記複数種類の太陽電池モジュールは出力電流が等しくなるように夫々構成され且つ前記外装ケースの凹部にこの外装ケースに対して絶縁状態となるように積層状態にして収容されたことを特徴とするスタック型太陽電池装置。
  2. 少なくとも１種類の太陽電池モジュールは、平面状のｐｎ接合を有する平面受光形太陽電池セルで夫々構成された複数の平面受光形サブモジュールで構成されたことを特徴とする請求項１に記載のスタック型太陽電池装置。
  3. ３種類の太陽電池モジュールを備え、２種類の太陽電池モジュールは複数のロッド受光形サブモジュールで夫々構成され、１種類の太陽電池モジュールは複数の平面受光形サブモジュールで構成され、複数の平面受光形サブモジュールで構成された太陽電池モジュールが最上段位置に配置されたことを特徴とする請求項２に記載のスタック型太陽電池装置。
  4. 各ロッド受光形サブモジュールと各平面受光形サブモジュールは、太陽光を受光する受光面積が等しくなるように形成されたことを特徴とする請求項２叉は３に記載のスタック型太陽電池装置。
  5. 太陽電池モジュールを構成する複数のロッド受光形サブモジュールを並列接続し且つ一体的に連結する１対の第１接続ロッドを設けると共に、太陽電池モジュールを構成する複数の平面受光形サブモジュールを並列接続し且つ一体的に連結する２対の第２接続ロッドを設けたことを特徴とする請求項１に記載のスタック型太陽電池装置。
  6. 前記外装ケースは、前記凹部の幅方向に水平に並べた平行な複数の凹部を有し、
    前記複数の凹部の各々に複数種類の太陽電池モジュールを積層状態にして収容したことを特徴とする請求項１に記載のスタック型太陽電池装置。
  7. 複数の太陽電池モジュールよりも太陽光入射側に、複数の太陽電池モジュールの方へ太陽光を集光する集光機能を持つレンズ部を有するレンズ部材を設けたことを特徴とする請求項１又は６に記載のスタック型太陽電池装置。
  8. 前記外装ケースの凹部内の隙間に透明合成樹脂製の封止材が充填され、前記外装ケースとレンズ部材とでパッケージされたことを特徴とする請求項１又は６に記載のスタック型太陽電池装置。
  9. 前記外装ケースの底壁には、上方へ所定小高さ突出する台形状の突出台が形成されたことを特徴とする請求項１又は６に記載のスタック型太陽電池装置。
  10. 前記外装ケースの凹部の端部を塞ぐ側栓ブロックを設け、この側栓ブロックに前記第１，第２の接続ロッドの端部を挿入して電気的に接続する複数の金属製の接続パイプを設け、これら接続パイプを側栓ブロックの外側へ突出させて外部端子に構成したことを特徴とする請求項１又は６に記載のスタック型太陽電池装置。
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