JP5598818B2 - 複合太陽電池 - Google Patents

Description

本発明は多接合型太陽電池の変換効率を向上させることに関し、特に高エネルギー側の光を効率よく利用することのできるように多接合型太陽電池素子とＩＩＩ−Ｖ族太陽電池素子を複合させた複合太陽電池に関する。

太陽電池の変換効率を向上させるための太陽電池素子の構造として、バンドギャップの異なる材料を重ね合わせて太陽光のスペクトル内の幅広い波長領域の光のエネルギーを電気エネルギーに変換する多接合型太陽電池が従来から使用されている（特許文献１）。また、太陽光を集光させる構造を有する集光型太陽電池の光電変換素子として多接合型太陽電池素子を使用することもまた広く行われている。

従来のＩｎＧａＰ系の多接合型素子を使用した集光型太陽電池の変換効率は最大でも４２％であった。この変換効率を更に向上させるためには、従来利用されていなかった高エネルギー側、つまり約５００ｎｍ以下の短波長領域の光も高い効率で発電に利用することが必要である。

従来よりも更に短波長側の光も利用できるようにするためには、バンドギャップが更に大きな材料であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜太陽電池を使用することが考えられる。しかしながら、従来利用していた波長領域をＩｎＧａＰ系などの既存の材料で光電変換し、新たに利用しようとする短波長領域をＩＩＩ−Ｖ族窒化物で光電変換するという構成を従来の多接合型太陽電池素子で実現しようとしても、効率の高い太陽電池を実現するのは困難である。

その理由は、多接合型太陽電池素子では、複数の接合部の各々で構成される特定波長領域を分担する複数の太陽電池が直列接続された構造を取るため、これらの太陽電池の発生する電流を同一とする必要がある（言い換えれば、これらの太陽電池で発生される電流のうちの最小の電流が多接合型太陽電池によって発生される電流となる）からである。このため、従来の多接合型太陽電池では使用される多数の半導体材料のバンドギャップをそれぞれ調節するなどの手法を用いることによって、入射する太陽光に対して各接合部で発生する電流が同じ値となるようにしていた。しかしながら、このような調節を行うと、太陽電池全体の設計の自由度が少なくなるため、特に従来利用されていなかった短波長領域の変換のために利用できる半導体材料の適切な選択が困難になる。

更には、太陽高度あるいは天候により太陽光の全エネルギー中で各波長領域の光のエネルギーの占める割合が変動するが、この変動は短波長側で特に顕著である。従って、多接合型太陽電池の光電変換波長域を従来よりも短波長側まで拡張して更に高い効率を実現できたとしても、それが真に高効率を発揮できる局面は大きく制約される。具体的に言えば、このような多接合型太陽電池を特定の緯度及び季節における晴天の正午頃の太陽光スペクトルに適合するように設計すると、これとは異なる時刻、天候条件あるいは地域、例えば朝夕あるいは曇天・雨天など、で使用した場合には、その変換効率が極端に低下してしまう。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消し、従来の多接合型太陽電池よりも短波長側に光電変換対象波長域を拡張することで従来よりも高い変換効率を有する太陽電池を、高い自由度を以って設計、製造できるようにすることである。

本発明の一側面によれば、多接合型である第１の太陽電池素子と、光電変換対象光波長域の少なくとも一部が前記第１の太陽電池素子の光電変換対象光波長域よりも短波長側にある第２の太陽電池素子とを設け、前記第１の太陽電池素子と前記第２の太陽電池素子とは、前記第２の太陽電池を透過した入射光が前記第１の太陽電池素子に入射するように配置されるとともに、前記第１の太陽電池素子と前記第２の太陽電池素子との電気出力は互いに独立して取り出される複合太陽電池が与えられる。
ここで、前記第１の太陽電池素子は前記第１の太陽電池素子の電気出力を取り出す第１の端子対を有し、前記第２の太陽電池素子は前記第２の太陽電池素子の電気出力を取り出す第２の端子対を有することができる。
また、集光光学系を前記第２の太陽電池素子の前に設けることができる。
また、前記第１の太陽電池素子と前記弟２の太陽電池素子は互いに離間しているようにすることができる。あるいは、前記第１の太陽電池素子と前記第２の太陽電池素子は張り合わせにより一体化することもできる。
また、前記第１の太陽電池素子は半導体材料としてＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓを使用して作製し、前記第２の太陽電池素子は半導体材料としてＩＩＩ−Ｖ族窒化物を使用して作製することができる。
また、前記第２の太陽電池素子はＩｎＧａＮ薄膜太陽電池素子とすることができる。

本発明によれば、多接合型の太陽電池素子とそれよりも短波長の光を光電変換する別の太陽電池素子を、特殊な素子構造などを用いることなく、高変換効率の太陽電池を構成することができる。

本発明の一実施例の複合太陽電池の構成を示す図。

本発明の複合太陽電池では、従来の多接合型太陽電池と同じように、バンドギャップの異なる複数の半導体で構成された複数の接合部を直列に太陽光が透過していくことにより、太陽光のスペクトル中の広い波長範囲のエネルギーを複数の接合部で夫々変換波長範囲を分担して光電変換する。ただし、従来の多接合型太陽電池のような、これらの接合部が光学的のみならず電気的にも直列接続されている構造の場合の上述した問題点を解消するため、電気的にはこれらを二分割し、光路上の最も光源に近い側に置かれる最短波長領域の光電変換を行う太陽電池素子とこれ以外の波長領域の光電変換を行う従来の多接合型太陽電池素子を設け、これら２つの太陽電池素子から互いに独立して電気出力を取り出すように構成する。具体的にはこれら２つの太陽電池素子の夫々にそこから電気出力を取り出す端子対を設置することができる。もちろん、これらの太陽電池を空間的に離間させず、互いに張り合わせるなどの空間的に密着した、あるいは近接した位置関係に置く場合には、必要に応じてこれらの２つの端子対を構成する４個の端子のうちの２個を共通化することも当然可能である。

なお、このようにして構成された複合太陽電池に集光光学系を付加することにより、従来の多接合型太陽電池と同様に、集光型太陽電池として構成してもよい。

なお、本発明の複合太陽電池中の多接合太陽電池素子は従来のものをそのまま使用できる。また、最短波長領域の光電変換を行う太陽電池素子としては例えばＩＩＩ−Ｖ族窒化物を使用した太陽電池素子、より具体的にはＩｎＧａＮ（組成比は例えばＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ）薄膜太陽電池素子を使用することができる。

図１は集光型太陽電池として構成された本発明の複合太陽電池の一実施例を示す概念図である。

図１において、上方から入射する太陽光などの光はフレネルレンズ１０１で代表される集光光学系によって集光される。その光束１０３はＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜太陽電池素子１０５（以下、最短波長太陽電池素子と称する）に入射する。本実施例においては、最短波長太陽電池素子１０５はＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ（バンドギャップ２．６ｅＶ）を使用している。これにより、最短波長太陽電池素子１０５は入射光のうちの約３５０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲の光を高い効率で電気エネルギーに変換して、端子１０７と端子１０９からなる端子対から出力する。

光束１０３中の最短波長太陽電池素子１０５に吸収されずに残った光は、フレネルレンズ１１１で代表される次段の集光系によって集光されて光束１１３となり、多接合型太陽電池素子１１５に入射する。多接合型太陽電池素子１１５は本実施例においては半導体材料としてＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓを使用して製造されたものであるが、もちろんこれ以外の材料を使用しても良い。

ここにおいて、最短波長太陽電池素子１０５と多接合型太陽電池素子１１５が張り合わせなどによって密着しているか、あるいは互いに離間していても離間距離が十分に小さい場合には上述した次段の集光系は不要であることに注意されたい。

ここで光束１１３が多接合型太陽電池素子１１５を上から下へ通過する間に、この内部に構成されている複数の接合部の夫々に応じた波長域の光が光電変換され、これの光電変換結果を内部で直列接続したものが多接合型太陽電池素子１１５の電気出力として、端子１１７と端子１１９からなる端子対から出力される。この動作は従来の多接合型太陽電池素子と同一である。

更に、集光型太陽電池では温度が上昇しやすいため、使用されている太陽電池素子などを冷却部材１２１を使用して冷却することにより、効率の低下や太陽電池素子などの劣化を防止する。このような冷却は従来の集光型太陽電池で慣用されてきたものであるため、本願ではこれ以上説明しない。

上で説明したように、最短波長太陽電池素子１０５からの電気出力は単独で端子１０７と端子１０９から取り出され、最短波長領域以外の光からの電気出力は、最短波長太陽電池素子１０５の電気出力とは独立に多接合型太陽電池素子１１５の端子１１７と端子１１９から取り出される。これらの出力は電圧変換などを行うことで１つの電気出力として合成することができる。あるいは、これらの出力を互いに独立して使用することもできる。これにより、最短波長太陽電池素子１０５からの出力電流と多接合型太陽電池素子１１５の出力電流は互いに独立な値を取ることができる。従って、本発明の複合太陽電池は最短波長領域用の太陽電池素子の設計を多接合型太陽電池素子とは独立して設計することができるため、使用する半導体の選択などの設計の自由度が高くなる。また、夫々の太陽電池素子の出力電流は独立して変化することができるため、設計の際に想定した太陽光スペクトルとは異なったスペクトルの光が入射する可能性が想定される環境で使用しても、特別な設計や追加の構造・附属機器なしで高い効率を維持することができる。

以上説明したように、本発明によれば、従来の多接合型太陽電池よりも入射光のエネルギーの利用効率の高い太陽電池を、既存技術を利用して、単純な構成で実現することができるため、変換効率が５０％以上の太陽電池を得ることも可能であるなど、産業上の利用可能性が大いに期待できる。

１０１ フレネルレンズ
１０３ 光束
１０５ ＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜太陽電池素子
１０７ 端子
１０９ 端子
１１１ フレネルレンズ
１１３ 光束
１１５ 多接合型太陽電池素子
１１７ 端子
１１９ 端子
１２１ 冷却部材

特開２００４−３１９９３４

Claims (4)

1. 多接合型である第１の太陽電池素子と、
   光電変換対象光波長域の少なくとも一部が前記第１の太陽電池素子の光電変換対象光波長域よりも短波長側にあるとともに、前記第１の太陽電池素子と離間した第２の太陽電池素子と、
   前記第２の太陽電池素子の前に設けられた第１の集光光学系と、
   前記第１の太陽電池素子と前記第２の太陽電池素子との間に設けられた第２の集光光学系と
   を設け、
   前記第１の太陽電池素子と前記第２の太陽電池素子とは、前記第２の太陽電池素子を透過した入射光が前記第１の太陽電池素子に入射するように配置されるとともに、前記第１の太陽電池素子と前記第２の太陽電池素子との電気出力は互いに独立して取り出される
   複合太陽電池。
2. 前記第１の太陽電池素子は前記第１の太陽電池素子の電気出力を取り出す第１の端子対を有し、
   前記第２の太陽電池素子は前記第２の太陽電池素子の電気出力を取り出す第２の端子対を有する、
   請求項１に記載の複合太陽電池。
3. 前記第１の太陽電池素子は半導体材料としてＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓを使用して作製され、
   前記第２の太陽電池素子は半導体材料としてＩＩＩ−Ｖ族窒化物を使用して作製される、
   請求項１または２に記載の複合太陽電池。
4. 前記第２の太陽電池素子はＩｎＧａＮ薄膜太陽電池素子である、請求項３に記載の複合太陽電池。