JP5778816B1

JP5778816B1 - 太陽光発電システム

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Publication number: JP5778816B1
Application number: JP2014063318A
Authority: JP
Inventors: 則之渡邉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP2015186412A

Abstract

【課題】太陽光エネルギーをあまり無駄にすることなく発電ができるようにする。【解決手段】太陽１１０からの太陽光１１１が入射する入射側に配置された第１太陽電池セル１０１と、入射側と反対側の第１太陽電池セル１０１の上に積層された第２太陽電池セル１０２とを備える。第１太陽電池セル１０１は、第１半導体から構成され、第２太陽電池セル１０２は、第１半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい第２半導体より構成されている。例えば、第１半導体はシリコンであり、第２半導体は窒化物半導体である。また、第２太陽電池セル１０２は、第１太陽電池セル１０１より小さい面積とされている。加えて、第２太陽電池セル１０２の周囲の第１太陽電池セル１０１を透過した太陽光１１２の熱により発電する太陽熱発電部１０３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の太陽電池セルを接合したタンデム型の太陽電池を含めた太陽光発電システムに関する。

ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のエネルギーギャップを有する材料を得ることができる。このバンドギャップ範囲は、可視光の領域を完全に含んでいる。こうした特徴を生かし、窒化物半導体は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などに応用され、信号機や様々なディスプレイとして広く一般に使われている。

また、窒化物半導体のエネルギーギャップ範囲は、太陽光のスペクトルをほぼ網羅しているため、発電効率の高い太陽電池を実現しうる材料として注目されている。例えば、単結晶シリコン系の太陽電池セルとＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルとのタンデム化により、３１％の発電効率が見込めるとの予測がされている（非特許文献１参照）。また、この予測では、単結晶シリコン系太陽電池セルに２つのＩｎＧａＮ太陽電池セルを組み合わせた３接合セルにおいて、ＩｎＧａＮのエネルギーギャップを適切に選ぶことで、３５％の発電効率が見込めるとされている。

また、実際に、シリコンセルと窒化物半導体セルの多接合太陽電池を作製する試みも報告されている（非特許文献２参照）。

このように、窒化物半導体は、超高効率太陽電池の実現に対する高いポテンシャルを有しており、窒化物半導体を用いた太陽電池の開発が、国内外で進められている。

上述した、高効率な多接合太陽電池を作製するのに重要となるのは、「電流整合」という概念である。通常の多接合太陽電池においては、接合される各々の太陽電池セルは、直列に接続されている。従って、多接合太陽電池として取り出せる電流は、各太陽電池セルで発生する電流のうちの、最も低い電流値で律速されてしまう。従って、各太陽電池セルにおいて発生する電流を等しくするように構造が設計される。このように、各太陽電池で発生する電流を等しくすることを電流整合といい、高効率な多接合太陽電池を実現する上で必要となる条件である。

ところが、窒化物半導体太陽電池セルとシリコン太陽電池セルからなる多接合太陽電池を作製しようとした場合、電流整合を取りにくいという現状がある。シリコン太陽電池では、一般に市販されている発電効率１５％前後のもので３０ｍＡ／ｃｍ²程度の短絡電流である。これに対し、現状で実現されている窒化物半導体太陽電池のうち最大の発電効率が得られているものであっても、短絡電流はたかだか３ｍＡ／ｃｍ²弱と、シリコン太陽電池の１／１０以下でしかない。

このように短絡電流が小さくなってしまう要因は、次に示すことがある。

第１に、ある程度良質な窒化物半導体ＩｎＧａＮ結晶を得るためには、比較的Ｉｎ組成の少ない範囲（典型的には２０％以下）のＩｎＧａＮとすることになる。この組成では、ＩｎＧａＮの禁制帯エネルギーは、２．５ｅＶを越える大きい値となる。従って、上記組成のＩｎＧａＮを用いた太陽電池では、太陽光エネルギーのうち発電に寄与できるのは、フォトンエネルギーとして２．５ｅＶ以上のエネルギー範囲の光となる。これは、全太陽光エネルギーのうちの、たかだか１８％に過ぎず、その分だけ電流が少なくなる。これに対し、シリコンの場合、太陽光エネルギーのうち６４％弱が発電に寄与する。

第２に、ある程度良質なＩｎＧａＮであるとはいえ、シリコンに比べると結晶品質は格段に劣っている。ＩｎＧａＮの結晶内には、高密度に転位や点欠陥などの結晶欠陥が存在している。このため、光吸収により生成したキャリア（電子および正孔）は、結晶欠陥を介して再結合してしまう。この結果、上述した窒化物半導体による太陽電池では、理論上取り出せるはずの値よりも大幅に少ない電流値しか取り出せない。

L. Hsu et al. , "Modeling of InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, 024507, 2008. L. A. Reichertz et al. , "Demonstration of a III.Nitride/Silicon Tandem Solar Cell",Applied Physics Express, vol.2, 122202, 2009. R. Dahal et al. , "InGaN/GaN multiple quantum well concentrator solar cells",Applied Physics Letters, vol.97, 073115, 2010. M.A.Stan et al. , "27.5% EFFICIENCY InGaP/InGaAs/Ge ADVANCED TRIPLE JUNCTION(ATJ) SPACE SOLAR FOR HIGH VOLUME MANUFACTURING",Proc. 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans, USA, pp.816-819, 2002.1060-8371

上述したように、窒化物半導体太陽電池セルとシリコン太陽電池セルからなる多接合太陽電池は、電流整合を取りにくい状況にあり、無理に整合させようとした場合、電流値の小さい窒化物太陽電池に合わせる必要があることから、非常に小さい電流値に設定せざるを得ず、多接合太陽電池におけるシリコン太陽電池の特性を活かせず、太陽光エネルギーを無駄にしているという問題があった。また、電流整合に関する上述した第１の問題については、窒化物半導体とシリコンとによる組み合わせに限らず、異なるバンドギャップエネルギーの半導体による多接合太陽電池に関して同様に発生する。

上述した電流整合に関する問題に対し、窒化物半導体太陽電池セルの面積をシリコン太陽電池セルの面積より大きくすれば、より大きな電流値が得られる状態で電流整合を取ることが可能となる。しかしながら、この構成においては、シリコン太陽電池セルより外側の窒化物半導体太陽電池セルを透過した光は、シリコン太陽電池セルにおける発電に寄与しないため、やはり、太陽光のエネルギーを無駄にしている状態となる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、太陽光エネルギーをあまり無駄にすることなく発電ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る太陽光発電システムは、第１半導体から構成されて太陽光が入射する入射側に配置された第１太陽電池セルと、第１半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい第２半導体より構成され、入射側と反対側の第１太陽電池セルの上に積層されて第１太陽電池セルより小さい面積とされた第２太陽電池セルと、第２太陽電池セルの周囲の第１太陽電池セルを透過した太陽光の熱により発電する太陽熱発電部とを備える。

上記太陽光発電システムにおいて、第２太陽電池セルの周囲の第１太陽電池セルを透過した太陽光を集光する集光手段を備え、集光手段により集光された太陽光の熱により太陽熱発電部の発電が行われるようにすればよい。なお、集光手段は、凸レンズであればよい。また、集光手段は、凹面鏡であってもよい。

上記太陽光発電システムにおいて、第１太陽電池セルに入射する太陽光を集光する集光手段を備え、集光手段により集光された太陽光が、第１太陽電池セルに入射するようにしてもよい。なお、集光手段は、フレネルレンズであればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、太陽光エネルギーをあまり無駄にすることなく発電ができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における太陽光発電システムの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態２における太陽光発電システムの構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態３における太陽光発電システムの構成を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態３における他の太陽光発電システムの構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における太陽光発電システムの構成を示す構成図である。

この太陽光発電システムは、太陽１１０からの太陽光１１１が入射する入射側に配置された第１太陽電池セル１０１と、入射側と反対側の第１太陽電池セル１０１の上に積層された第２太陽電池セル１０２とを備える。第１太陽電池セル１０１は、第１半導体から構成され、第２太陽電池セル１０２は、第１半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい第２半導体より構成されている。例えば、第１半導体はシリコンであり、第２半導体は窒化物半導体である。また、第２太陽電池セル１０２は、第１太陽電池セル１０１より小さい面積とされている。

第１太陽電池セル１０１は、例えば、ｐ型シリコン層およびこのｐ型シリコン層上に形成されたｎ型シリコン受光層を備える。ｐ型シリコン層側の表面が、太陽光１１１が入射する入射側となる。また、第２太陽電池セル１０２は、ｎ型の窒化物半導体（例えばＩｎＧａＮ）からなるｎ型窒化物受光層、およびｐ型の窒化物半導体（例えばＩｎＧａＮ）からなるｐ型窒化物受光層を備える。これらは、例えば、窒化物半導体からなる半導体基板の上に結晶成長することで形成できる。ｎ型窒化物受光層の側が、第１太陽電池セル１０１の側となる。

加えて、実施の形態１における太陽光発電システムは、第２太陽電池セル１０２の周囲の第１太陽電池セル１０１を透過した太陽光１１２の熱により発電する太陽熱発電部１０３を備える。また、実施の形態１では、第１太陽電池セル１０１を透過した太陽光１１２を集光する凸レンズ（集光手段）１０４を備え、集光された太陽光の熱により太陽熱発電部１０３の発電が行われる。太陽光発電部１０３は、太陽熱発電用水層１３１，タービン１３２，発電機１３３を備える。

実施の形態１における太陽光発電システムによれば、第１太陽電池セル１０１の中心付近に入射した太陽光１１１は、第１太陽電池セル１０１で短波長側の光を吸収し、第２太陽電池セル１０２で長波長側の光を吸収することで電力を取り出す。ここで、上述したように、第１太陽電池セル１０１を第２太陽電池セル１０２に対して適宜に大きな面積とすることにより、各々のセルで発生する電流量が等しい状態とすることができ、電流整合条件を満たすことができる。

次に、第２太陽電池セル１０２より周囲の領域に入射した太陽光は、第１太陽電池セル１０１で短波長側の光のみ吸収されて透過する。第２太陽電池セル１０２より周囲の第１太陽電池セル１０１を通過した長波長側の太陽光１１２は、凸レンズ１０４により集光され、太陽熱発電用水層１３１に収容されている水を加熱する。加熱された水は、高温・高圧の水蒸気となり、タービン１３２を回転させる。このように動作するタービン１３２を動力源として発電機１３３が動作し、発電される。このように、第２太陽電池セル１０２より周囲の第１太陽電池セル１０１を通過した太陽光１１２は、太陽熱発電用のエネルギーとして利用される。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、太陽光エネルギーをあまり無駄にすることなく電力が取り出せるようになる。

ところで、上述では、２つの太陽電池セルによる２接合太陽電池を用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、第１太陽電池セルをＩｎＧａＰから構成し、第２太陽電池セルをＧｅから構成し、これに加え、第１太陽電池セルと第２太陽電池セルとの間にＩｎＧａＡｓから構成した第３太陽電池セルを配置した３接合太陽電池を用いるようにしてもよい（非特許文献４参照）。

この構成では、第１太陽電池セル，第３太陽電池セルが、ほぼ同じ量の電流を発生し、これらより第２太陽電池セルの発生電流量が多くなる。従って、第１太陽電池セル，第３太陽電池セルを同一の面積とし、これらより第２太陽電池セルを小さい面積とし、両者の間の電流量が等しくなる状態とすればよい。この場合においても、第２太陽電池セルより周囲の第１太陽電池セルおよび第３太陽電池セルを通過した長波長側の太陽光を用い、上述同様に太陽熱発電を実施すれば、さらに太陽光エネルギー利用効率を高めることが可能となる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における太陽光発電システムの構成を示す構成図である。

この太陽光発電システムは、太陽１１０からの太陽光１１１が入射する入射側に配置された第１太陽電池セル１０１と、入射側と反対の第１太陽電池セル１０１の上に積層された第２太陽電池セル１０２とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

また、実施の形態２における太陽光発電システムにおいても、第２太陽電池セル１０２の周囲の第１太陽電池セル１０１を透過した太陽光１１２の熱により発電する太陽熱発電部１０３を備える。太陽熱発電部１０３も、前述した実施の形態１と同様であり、太陽熱発電用水層１３１，タービン１３２，発電機１３３を備える。

実施の形態２では、第１太陽電池セル１０１を透過した太陽光１１２を集光する凹面鏡（集光手段）２０４を備える。実施の形態２では、凹面鏡２０４により太陽光１１２を集光し、太陽熱発電用水層１３１に収容されている水を加熱する。他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。

以上に説明した実施の形態２においても、前述した実施の形態１と同様に、太陽光エネルギーをあまり無駄にすることなく電力が取り出せるようになる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３における太陽光発電システムの構成を示す構成図である。

この太陽光発電システムは、太陽１１０からの太陽光１１１が入射する入射側に配置された第１太陽電池セル３０１と、入射側と反対側の第１太陽電池セル３０１の上に積層された第２太陽電池セル３０２とを備える。第１太陽電池セル３０１は、第１半導体から構成され、第２太陽電池セル３０２は、第１半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい第２半導体より構成されている。例えば、第１半導体はシリコンであり、第２半導体は窒化物半導体である。また、第２太陽電池セル３０２は、第１太陽電池セル３０１より小さい面積とされている。

第１太陽電池セル３０１は、例えば、ｐ型シリコン層およびこのｐ型シリコン層上に形成されたｎ型シリコン受光層を備える。ｐ型シリコン層側の表面が、太陽光１１１が入射する入射側となる。また、第２太陽電池セル３０２は、ｎ型の窒化物半導体（例えばＩｎＧａＮ）からなるｎ型窒化物受光層、およびｐ型の窒化物半導体（例えばＩｎＧａＮ）からなるｐ型窒化物受光層を備える。これらは、例えば、窒化物半導体からなる半導体基板の上に結晶成長することで形成できる。ｎ型窒化物受光層の側が、第１太陽電池セル３０１の側となる。

また、実施の形態３における太陽光発電システムは、第２太陽電池セル３０２の周囲の第１太陽電池セル３０１を透過した太陽光１１２の熱により発電する太陽熱発電部１０３を備える。また、実施の形態３では、太陽光１１１を集光するフレネルレンズ（集光手段）３０４と、フレネルレンズ３０４で集光した集光光３１２を均一光とするホモジナイザー３０５とを備える。フレネルレンズ３０４は、光の終車側に凸の形状とされている。また、集光光３１２は、ホモジナイザー３０５により光パワーの分布が均一化され、第１太陽電池セル３０１に入射する。

実施の形態３では、上述したように、集光光３１２が第１太陽電池セル３０１に入射し、第２太陽電池セル３０２の周囲の第１太陽電池セル３０１を透過した太陽光３１４の熱により太陽熱発電部１０３の発電が行われる。太陽光発電部１０３は、前述した実施の形態１，２と同様であり、太陽熱発電用水層１３１，タービン１３２，発電機１３３を備える。

実施の形態３における太陽光発電システムによれば、フレネルレンズ３０４で集光され、ホモジナイザー３０５により均一光とされ、第１太陽電池セル３０１の中心付近に入射した太陽光３１３は、第１太陽電池セル３０１で短波長側の光を吸収し、第２太陽電池セル３０２で長波長側の光を吸収することで電力を取り出す。ここで、実施の形態１と同様に、第１太陽電池セル３０１を第２太陽電池セル３０２に対して適宜に大きな面積とすることにより、各々のセルで発生する電流量が等しい状態とすることができ、電流整合条件を満たすことができる。

次に、第２太陽電池セル３０２より周囲の領域に入射した太陽光３１３は、第１太陽電池セル３０１で短波長側の光のみ吸収されて透過する。第２太陽電池セル３０２より周囲の第１太陽電池セル３０１を通過した長波長側の太陽光３１４は、太陽熱発電用水層１３１に収容されている水を加熱する。加熱された水は、高温・高圧の水蒸気となり、タービン１３２を回転させる。このように動作するタービン１３２を動力源として発電機１３３が動作し、発電される。このように、第２太陽電池セル３０２より周囲の第１太陽電池セル３０１を通過した太陽光３１４は、太陽熱発電用のエネルギーとして利用される。

以上に説明したように、実施の形態３によれば、太陽光エネルギーをあまり無駄にすることなく電力が取り出せるようになる。

ところで、第１太陽電池セル３０１および第２太陽電池セル３０２による多接合太陽電池を、複数個用いるようにしてもよい。図４に示すように、フレネルレンズ３０４，ホモジナイザー３０５，第１太陽電池セル３０１，第２太陽電池セル３０２からなる組を複数設け、複数の組の太陽光３１４を凹面鏡２０４で集光し、集光した集光光３１５により太陽熱発電用水層１３１に収容されている水を加熱することで、太陽熱発電部１０３の発電を実施するようにしてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、より小さい面積の第２太陽電池セルの周囲の第１太陽電池セルを透過した太陽光の熱により太陽熱発電部で発電するようにしたので、太陽光エネルギーをあまり無駄にすることなく発電ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…第１太陽電池セル、１０２…第２太陽電池セル、１０３…太陽熱発電部、１０４…凸レンズ（集光手段）、１１０…太陽、１１１，１１２…太陽光、１３１…太陽熱発電用水層、１３２…タービン、１３３…発電機。

Claims

第１半導体から構成されて太陽光が入射する入射側に配置された第１太陽電池セルと、
前記第１半導体よりバンドギャップエネルギーの大きい第２半導体より構成され、入射側と反対側の前記第１太陽電池セルの上に積層されて前記第１太陽電池セルより小さい面積とされた第２太陽電池セルと、
前記第２太陽電池セルの周囲の前記第１太陽電池セルを透過した太陽光の熱により発電する太陽熱発電部と
を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、
前記第２太陽電池セルの周囲の前記第１太陽電池セルを透過した太陽光を集光する集光手段を備え、
前記集光手段により集光された太陽光の熱により前記太陽熱発電部の発電が行われる
ことを特徴とする太陽光発電システム。
請求項２記載の太陽光発電システムにおいて、
前記集光手段は、凸レンズであることを特徴とする太陽光発電システム。
請求項２記載の太陽光発電システムにおいて、
前記集光手段は、凹面鏡であることを特徴とする太陽光発電システム。
請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、
前記第１太陽電池セルに入射する太陽光を集光する集光手段を備え、
前記集光手段により集光された太陽光が、前記第１太陽電池セルに入射する
ことを特徴とする太陽光発電システム。
請求項５記載の太陽光発電システムにおいて、
前記集光手段は、フレネルレンズであることを特徴とする太陽光発電システム。