JP5984391B2 - 住宅用及び工業用建物のための熱電併給システム（ｃｈｐ） - Google Patents

Description

この出願は、２００８年１１月４に出願された米国仮出願第６１／１９８２５６号の一部継続出願で、この内容は、参照することにより本書に組み込まれる。

本発明は、ソーラー電力を有益な形のエネルギーに変換するソーラー発電装置及びその方法に関する。

長い間、コスト的に効果のある再生可能なエネルギー源の必要が認められかつ要望されている。この目的のために、コスト的に有利なソーラー発電装置を開発して、ソーラーエネルギーを取得するための努力がなされてきた。

ソーラーパネルは、ソーラーエネルギーを直接電気に変換するように設計された太陽光発電装置である。基本的なソーラーパネル技術は、ｐ−ｎ接合に基づいている。半導体材料のｐ領域とｎ領域の間の電荷キャリア集中における電位差によって電荷キャリアが拡散され、これにより、半導体内に静電フィールドを作り出す。半導体は、伝導帯の最小値と価電子帯の最大値との間のエネルギー差であるバンドギャップエネルギーを有する。多くの半導体のバンドギャップエネルギーは、太陽熱の放射線スペクトルの限界内にある。バンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーを有する光子は、半導体によって吸収され、かつ価電子帯から伝導帯に電荷キャリアを上昇させることができる。励起されたキャリアは、電界を受けて流れ、そして、電力を供給する。

現在使用のソーラーパネルは、結晶シリコンと薄膜技術に広く分けることができる。結晶シリコンは、光の吸収が比較的弱く、かつ薄膜技術に用いられるテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）とガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の材料に比較すると、材料の厚さ（数百ミクロン）が比較的大きい材料を必要とする。現在、結晶シリコンのソーラーパネルは、薄膜のソーラーパネルよりも高い効率を与えるが、作るのにより高価である。現時点で商業的に利用可能なソーラーパネルのための良好な変換効率は、１４−１９％の範囲にある。より高い変換効率が可能である。

室温での単一接合のソーラーパネルを用いて、集中しない太陽光線を電気ネルギーに変換するための最大効率は、公知のショックレー−クワイサー(Shockley-Queissar)限界に従って約３１％である。この限界は、熱力学的に避けることができないキャリア再結合の比率と、半導体のバンドギャップエネルギーとソーラーエネルギースペクトルの間のミスマッチとを考慮している。

このミスマッチは、光におけるエネルギー量子化に関する。バンドギャップエネルギーより下のエネルギーを有する光の波長は、電荷キャリアを励起できない。バンドギャップエネルギーより上のエネルギーを有する光の波長は、電荷キャリアを励起できる。しかし、バンドギャップエネルギーを超えるエネルギーは、急速に熱に変換される。約１．３ｅＶのバンドギャップエネルギーは、室温での単一接合のソーラーパネルに対する最も高い理論的効率を与える。

単一接合のソーラーパネルのためのショックレー−クワイサー限界は、多接合を与えることによって超えることができる。一般的な多結合ソーラーパネルは、異なるバンドギャップエネルギーを有する２つ以上の半導体材料の層構造からなる。最上層は、最も高いバンドギャップエネルギーを有する。理想的には、最上層は、下方層によって用いるより長い波長を通過しながら、上部層のバンドギャップエネルギーに等しいまたはより大きいエネルギーを有するスペクトルの一部分を吸収する。

層構造に対する光透過性は、全ての層が同等の結晶構造と格子定数を有することを必要とする。格子定数は、結晶構造における原子配列の空間を表す。異なる層間の格子定数のミスマッチは、転位を作り出し、かつ多接合ソーラーパネルの効率を悪化させる。

多接合ソーラーパネルのための材料の選択が制限されているが、多くの好ましい組合せが単一接合セルを上回るものが見出されかつ示されていた。吸収スペクトルを適当に分割すると、良い結果として、２つ、３つ、及び４つの接合セルが得られる。例えば、ＩｎＧａＰ（１．９ｅＶ）及びＧａＡｓ（１．４ｅＶ）からなる２つの接合セルは、１９９０年代では、３０％近くの効率が記録された。ＧａＩｎＰ（１．８５ｅＶ）、ＧａＡｓ層（１．４２ｅＶ）、およびＧｅ（０．６７ｅＶ）からなる３つの接合セルは、４０％近くの効率を実現してきた。

ソーラーパネル効率を改善する別の方法は、ソーラーパネル表面に太陽光を集中させることである。単位面積当たり、より多くの太陽光を与えるという明らかな利益を別として、（太陽光に直接晒されたソーラーパネルによって受け取られる拡散光と比較して）コンセントレータによって与えられる直接光は、より高い効率を与えることができる。４１％は、単一接合セルの理論的限界値であり、また、５５％は、２接合セルの限界値となる。直接光に対し、室温での最適なバンドギャップエネルギーは１．１ｅＶである。標準シリーズ構造における２接合セルでは、０．７７ｅＶ、１.５５ｅＶのペアが最適概算値である。３接合セルでは、０．１６ｅＶ、１．１５ｅＶ、及び１．８２ｅＶが、Ｍ.Ａ.グリーン 第３世代の太陽光発電：上級ソーラーエネルギー変換、pp６０-６３(スプリンガー：ハイデルベルク 2003) によって報告されたように、理想概算値である。

さらに、電気変換効率を高めるための改良では、バンドギャップエネルギーを超えるエネルギーを有する光子によって、電子が励起されるとき、吸収された過度のエネルギーから電気エネルギーを導くことを含んでいる。最初に、このエネルギーは、「ホットキャリア」となるキャリアによって保持される。電気エネルギー製造の効率を高めるためにホットキャリアを用いるには、基本的に２つの方法がある。１つの方法は、高めた電圧を生じさせることであり、他の方法は、高めた電流を生じさせることである。前者は、キャリアを冷やす前にキャリアを引き出すことが必要であり、一方、後者は、ホットキャリアが十分なエネルギーを有して、衝突によるイオン化を介して第２の正孔対を生じさせることが必要である。いずれのプロセスにおいても有効となるために、キャリア冷却の速度に比較して、それ自体非常に早い冷却速度で実行されなければならない。

キャリア冷却の速度は、量子効果を介して緩和動力学を変えるナノ複合材料内のキャリアを製造することによって大いに減じることができる。ナノ複合材料は、量子ウエル、量子ワイヤ、及び量子ドットを含む。これらの構造は、キャリアのド・ブロイ（deBroglie）波長または半導体バルク内の励起子のボア半径より小さいまたはそれに匹敵する空間領域にキャリアを閉じ込める。量子ドットは、この点に関し最も効果がある。

別の半導体（例えば、ガリウムヒ素）のマトリクス内に、１つの半導体（例えば、インジウム ガリウム ヒ素）の微小な結晶で構成される量子ドットは、衝撃イオン化が重要になる点でキャリア冷却の速度を遅くさせることができる。衝撃イオン化では、伝導帯内に残るように十分なエネルギーを保持しながら、第２キャリアを価電子帯から伝導帯に励起するために、ホットキャリアが、そのエネルギーのある部分がなくなる。また、衝撃イオン化は、有機半導体のポリマーマトリクス内に分散した微小な半導体結晶からなる量子ドットによって達成することができる。

ホットキャリア抽出は、強力な電子結合及びミニバンドを形成するために、十分に閉じた３次元空間アレイ内に量子ドットを配列することによって達成される。ミニバンドは、長い範囲の電子輸送を可能にする。このミニバンドは、通常の伝導帯における電位以上の電位に引き出されたホットキャリア電流に対して十分に早い輸送を与える。この機構を理解するために、ホットキャリアエネルギーが、タイムスケールよりもより短い時間で伝導帯内に全てのキャリアに広がることに注目してほしい。このエネルギーは、他の方法で温度平衡に向かうように広がる。この結果、全体のキャリアの流れが、「ホット」になる。

上記機構に関する混乱を避けるために、ソーラーパネル効率を高める場合に、量子ウエルの別の使用法があることは注目に値する。量子ウエルは、半導体に包含される半導体のバンドギャップエネルギーを調整かつ微調整するのに用いることができる。これは、半導体のバンドギャップエネルギーが、選択する材料の中で柔軟性を与え、かつソーラースペクトルにより合致するように適合させることが可能になる。

さらに、半導体複合材料内のナノ結晶は、十分大きな従属するバンドギャップエネルギーを有する。これらは、マトリクス材料の価電子帯と伝導帯の中間における電荷キャリアエネルギー状態を利用するのに用いることができる。これらの中間帯では、価電子体から中間帯に、そして中間帯から伝導帯に、電荷を励起する２つのプロセスを介して、複合材料が、マトリクス半導体のバンドギャップエネルギーより下のエネルギーを有する光量子の電気的変換を達成することを可能にする。

上述の多くの構造的なエンハンスメントは、ソーラー集中に関して経済的である。商業的に利用可能なソーラー集中器は、集中度５００を有するソーラーエネルギーを提供する。このように高い集中は、大いに技術化された半導体材料を用いることを正当化する一方で、強力な熱を管理する問題を導く。加熱は、ソーラーパネルの性能に有害となる。

上記で引用した理論的な最大効率は、温度上昇を減少させる。全てのソーラーパネルは、温度上昇により効率を減少させる。航空宇宙局（ＮＡＳＡ）によれば、米国特許第7,148,417号明細書で報告されているように、一般的なシリコンソーラーパネルは、摂氏温度で１度上昇する毎に約０.４５％電力が損失する。２５０℃を越えると、シリコンソーラーパネルは、実質的に電力を生じない。ＧａＡｓ型ソーラーパネルは、幾分良く、摂氏温度当たり約０.２１％だけ電力を消失する。多重接合の薄膜ソーラーパネルは、各層で生じる電流が等しくなるように注意深く一致させるので、一般的に良し悪しは均等になる。５％の誤差が生じたときでさえ、多重接合のソーラーパネルの作業をかなり乱す。Ｍ.Ａ.グリーン 第３世代の太陽光発電：上級ソーラーエネルギー変換、p６３（スプリンガー：ハイデルベルク 2003)参照。この問題のルーチンソリューションは、冷却を与えることである。

ソーラーパネルは、電気とともに、家庭用の温水を供給するために用いられてきた。
米国特許第2004／0055631号で示されるように、この方法でソーラーパネルを用いて、少なくとも約６０℃の温度で、ソーラーパネルを作動させることが必要となる。これは、太陽電池の電気的生産効率を達成するために重要となる。

この出願により提案された解決方法は、太陽エネルギースペクトルの一部分が半導体のバンドギャップエネルギーより下方のエネルギーを有するように、ソーラーパネルを作ることである。ソーラーパネルは、加熱要素から絶縁され、このため、ソーラーパネルに変換することができなかったソーラーエネルギースペクトルの一部を利用する。この解決方法は、電気を作り出し、そして水を加熱するための個別のソーラーエネルギーコレクタを用いる代替品よりより空間効率が良くなると言われている。温水を作り出すための別の方法は、ソーラー集中システムから熱を引き出すことである。ソーラー集中を高度に用いる場合、浪費される熱を考慮すべきである。

本発明は、ソーラー発電装置及びその関連方法を提供するものである。

本発明の１つの構成は、ソーラーパネルと、該ソーラーパネルに隣接しかつパネルの下方にある熱電素子とを含んでいる。熱電素子のホットジャンクションは、ソーラーパネルの底部側に密接して熱的結合している。ヒートシンクは、熱電素子を冷却するために熱電素子のコールドジャンクションに接触するように配置される。熱電素子は、１つ以上の半導体材料のセグメントからなるｎ型脚部とｐ型脚部を有する。このセグメントの少なくとも１つは、キャリアの量子閉じ込めによりセグメントの熱伝導率を減じるナノ複合材料で形成されている。

一般的に、ソーラーパネルとヒートシンクの間に熱電素子を配置することは望ましいことではない。それは、より単純でかつエネルギー効率をより良くするには、ソーラーパネルを直接冷却するからである。本発明は、一般的概念の例外を作り出す。まず第１に、本発明は、熱電素子のために最近開発された材料を用いて熱電素子によって導かれたエネルギー変換効率の損失を軽減する。この熱電素子は、このような装置の性能を大いに向上させる。

第２に、発明者は、ある状況下において、ソーラーパネルを所望の温度に維持する適当なヒートシンクが実際には提供できないことを見出した。このような状況において、高温度に加熱することは避けられない可能性がある。本発明は、ソーラーパネルの温度を狭い作動温度範囲内に効率良く維持するには適していないヒートシンクしか利用できない状況で、より良く動作することができる。それは、本発明では、ヒートシンクの性能不足のためにソーラー発電装置が加熱するときでも、熱電素子が、高いソーラー電気変換効率を保てるからである。
また、本発明は、ソーラーパネルが、基本的に太陽熱による熱電発電装置であるものに対して低温開始性能を提供することができる点で有益である。

本発明に従う方法において、ソーラーパネルが、集中した太陽光を受け入れるように形成され、熱電素子が、ソーラーパネルから熱を導き、そして熱をヒートシンクに伝達するように構成されている。太陽の光が得られない夜明け及び他の時間において、ソーラーパネルは、熱電素子よりも多くの電力を作り出す。晴れた日には、ソーラーパネルは、より大きい度合で加熱することが可能となる。ソーラーパネルが加熱されると、熱電素子がより電気を作り出す間に、ソーラーパネルがより少ない電気を徐々に作り出す。ソーラーパネルは、高い温度に加熱することが可能である。ソーラーパネルは、熱電素子が電気生成の主モードにあるときの温度に到達することが可能になる。

本発明の別の構成は、太陽電池と熱電素子との単一構造を含むソーラー発電装置である。太陽電池が、熱電素子の構成部品上に成長した半導体材料の複数の層を含むか、または、熱電素子が、太陽電池の構成部品上に成長した半導体材料の複数の層を含むかのいずれかである。この単一構造は、材料要求を軽減し、かつ熱電素子のホットジャンクションを熱電エネルギー変換が効率的となる温度に早急に加熱することができる。

更に、本発明の構成では、太陽電池素子と熱電素子を含むソーラー発電装置に関し、熱電素子は、ソーラーパネルに隣接しかつパネル下方にあり、ソーラーパネルの底部側に密接して熱的結合するホットジャンクションを有する。熱電素子は、半導体材料の１つ以上のセグメントを含むｎ型脚部とｐ型脚部を有する。熱電素子は、ソーラーパネルの表面に一致しほぼ同一の面積を有する。熱電素子の脚部は、真空、ガス、及びエアロゲルからなる群から選択された熱的に絶縁された材料のマトリクスに薄く分散している。これらの脚部は、断面積の１０％以下を占有し、かつ絶縁物は、断面積の９０％以上を占有する。この形状は、ナノ複合材料が用いられる場合に特に重要となる脚部に必要とされる半導体材料の量を大いに減少させる。脚部は、ソーラーパネル表面に対して等しく分散されているので、微細で密集し、さらに、脚部は非常に短いので、低空間密度と低熱伝導率にもかかわらず、ソーラーパネルを効果的に冷却する。

この要約の主たる目的は、単純な方法で本発明の主概念をいくつか表現することであり、これに従うより詳細な説明及び特許請求の範囲の理解を容易にする。この要約は、全ての考え及び詳細を包含しかつ理解できるものではないが、発明を理解できかつ発明を詳しく説明するのに役立つ。
上述した概念を生じさせるまた適用する他の考え、及びその詳細並びに方法は、以下の記載、図面、及び全体としての開示によって伝えられるであろう。発明者が請求する基本原理は、請求項に記載されている。これらの請求項は、発明を実行する通常の方法で修正することができる。

以下に添付する図面は、慣習に従って参照番号を用いる。異なる図に示された同一の参照番号は、同一の要素を示しており、異なる位置、使用、または観点で示される。２つの参照番号が異なるが、少なくとも２つの数字が同一の場合、関係が有ることを示し、参照された対象物は、同一の属、または種及び属として関係付けられる。図面自体、およびその記述の内容は、適用する関係を明らかにし、注目する１つの要素が関係した要素に等しく応用できる。関連する文字は、単一の図面または例示の範囲内で繰り返された要素を識別するのに用いられる。

図１は、ヒートシンクを有しかつ太陽光で作動する例示的なソーラー発電装置１００を示す概略説明図である。 図２は、例示的なソーラーパネルと熱電素子を統合した構成の概略説明図である。 図３は、熱電素子の設計における各セグメントを説明する概略図である。 図４は、いくつかの半導体材料のための温度に応じた熱電素子の利点を示すプロット図である。 図５は、ｐ−Ｓｉ／ｐ−ＳｉＧｅのナノ複合材料の熱電特性を示すプロット図である。 図６は、好ましい方法で作動するソーラー発電装置１００の有限状態のマシンにおける系統図である。 図７は、図２のＡ−Ａ’線から見た断面に対応し、広範囲に等しくかつ微細に熱的に絶縁したマトリクスで分布した熱電素子の脚部を示す図である。 図８は、前の図のそれぞれに沿った例示的な家庭用温水の加熱及び発電発生システムを説明する図である。

図１は、太陽光１０９から電気を発生させる例示的なソーラー発電装置１００の概略説明図である。ソーラー発電装置１００は、光学ソーラー集中システム１０１、ソーラーパネル１０２、及び熱電素子１０３からなる。発電装置１００は、作動するためにヒートシンク１０４を必要とする。ヒートシンク１０４は、ソーラー発電装置１００の一部として供給される。発電装置１００は、ソーラーパネル１０２と熱電素子１０３の両方から電力を作り出す。これらのソースは、同一の電圧を生じさせ、負荷に結合されかつ接続される。

ソーラー集中システム１０１は、太陽光を集中するように機能する適当な装置でよい。このソーラー集中システム１０１は、低度の、中間の、高度のソーラー集中を与えることができる。低度の集中では、集中ファクターｆは約２〜約１０の範囲にある。中間の集中では、約１０〜約１００の範囲となるであろう。１００を越える集中ファクターは高度の集中とみなされる。ソーラー集中がない状態では、ｆは、１である。

太陽光線は、地球表面上に入射するもので、約１．３ｋＷ／ｍ²をピークとする集中を有する。この値は、ソーラーエネルギー密度「１sun」の単位として、時々使われる。集中ファクターｆを有するソーラー集中システム１０１は、エネルギー密度のピーク値が、約ｆ^＊１．３ｋＷ／ｍ²を（ｆsuns）となるようにソーラーパネル１０２の上部表面１０５を照らす。太陽光の実際の集中は、与えられた時間にソーラー集中システム１０１によって与えられ、太陽の空の位置等のファクターに従って変化させることができる。しかし、全てのソーラー集中システムは、その可能性を表す、かなり良く限定された最大集中ファクターを有することが期待され、それを配給できるようにする。

ソーラー集中は、反射ミラーおよび／または屈折レンズの配置によって達成される。ここで好ましいものは、単純なシステムで、高いソーラー集中を与えるものである。スペクトル分裂は必要としない。ソーラー集中システム１０１は、太陽の移動に従って焦点を保つために位置を調整するためのソーラー追跡機を含むことができる。このソーラー集中システム１０１は、その部品が強力な光の下で過度の熱から保護されるように、１つの冷却システムを有する。システム１０１は、光ファイバーの束を含み、これにより、ソーラー集中システム１０１は、ソーラー発電装置１００の他の部品から遠くに配置することができる。

この点で、ソーラーパネル１０２の頂部と底部における参照番号に注目すべきであり、ソーラーパネルをどこに配置するかに制限を加えるものではない。システム１０１は、表面１０５から反射した光またはソーラーパネル１０２から放射した光を再反射させるために、ミラー室、または同様の要素を含んでいる。

ソーラーパネル１０２は、また、一般的に、直列または並列接続された複数の個別のソーラーセルを含んでいる。ソーラーセルは、太陽光線から電気を発生させるのに適した太陽電池である。ソーラーパネル１０２は、より小さいソーラーパネルの配列とすることができる。ソーラーパネル１０２は、より小さいパネルの各々が熱電素子１０３を有するような形式のものとすることができる。ソーラーパネル１０２と熱電素子１０３との関係は、これらが隣接しかつ熱を伝達することによって、配列された個別の各要素に対して繰り返されるであろう。ソーラーパネル１０２と熱電素子１０３の単一構造は、配列における各要素に対して単一性を意味するように理解されるであろう。

ソーラーパネル１０２（または配列における各ユニット）は、薄く、２つの主面側にパネルを与える。これらは、前後または上下方向に言えることである。前側表面または頂部表面１０５は、光に面する表面である。頂部表面１０５及び底部表面１０６は、如何なる突起もなしに、実質的に一致している。これらは、全表面積がほぼ等しい。

ソーラーパネル１０２は、使用環境に適した太陽電池のいずれの形式でも構成することができる。高温度で機能する太陽電池を採用することが好ましいが、背景技術で論じた例は、広い意味で適用可能である。

高温度に対して永続性を有しかつ温度サイクルに耐えるための能力は、実際の選択を狭くする。ソーラー発電装置１００は、ソーラーエネルギーが、ソーラーパネル１０２を高い温度、例えば、４７５Ｋ、５７５Ｋ、６７５Ｋ，またそれより高い温度に加熱することを意図して設計されている。高い温度の開発により、熱電素子１０３のために高い温度加熱源を提供できるようになっている。

ソーラーパネル１０２は、高温度で太陽電池性能に対して適合することが望ましい。大気状態下での作動に対して適合したソーラーパネルは、単一の結晶シリコンのソーラーパネルの塊を含み、多接合の薄膜ソーラーパネルに直列接続されて商業的に利用可能である。いずれの形式も、温度が上昇すると、急速に効率が低下する。

一般的に高温度での作業に対して、ソーラーパネル１０２を適用するには、高バンドギャップエネルギーの半導体材料を選択する。ＧａＮ（３.２ｅＶ）、ＳiＣ、ＧａＰ（２．２６ｅＶ）は、高バンドギャップエネルギーを有する半導体の例であり、高温度に適合した太陽電池を形成するのに用いることができる。共通のシリアル多接合設計等の温度に対する高感度設計では、非常に高い温度を避けるまたは調整される。

高温度性能に適合したソーラーパネル１０２は、少なくとも１つの半導体接合を含み、最上層が、大気温度で作業するために選択されたものより高いバンドギャップエネルギーを有する。より高いバンドギャップエネルギーの半導体は、より低いバンドギャップエネルギーの半導体より少ないソーラースペクトルを用いる。しかし、高バンドギャップエネルギーの半導体は、低バンドギャップエネルギーの半導体より温度が上昇した場合の効率損失が小さい。高バンドギャップエネルギーの太陽電池は、高温度での性能を保持するために、室温での性能を犠牲にする。

背景技術で言及した最適バンドギャップエネルギーは、本出願に対しては、最も好ましいものではない。理想的なバンドギャップエネルギーは、アプリケーション依存で、適当な選択が、理論または実験に基づいてなされる。単一接合のソーラーパネルにおいて、１．６以上、より限定的には、１．８ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーは、高温度使用に適合することを示している。二重接合素子の場合では、上部層のバンドギャップエネルギーが、２．０ｅＶ以上を示し、より好ましくは２．２ｅＶである。

単一接合のＧａＡｓの単一結晶又は薄膜ソーラーパネルは、多くのソーラーパネルより高温度作業により適するが、高温度作業に適合するものではない。ＧａＡｓのバンドギャップエネルギー（１.４ｅＶ）は、シリコンのそれに比較すると高く、シリコンより温度に対する感度が低くなる。この条件は、ここで用いられるが、ＧａＡｓは、中間温度作業に適合し、高温度作業には適していない。

ここに開示される高温度は、少なくとも４７５Ｋである。ソーラーパネル１０２の温度が６７５Ｋを越える場合の作業は、ソーラー発電装置１００では一般的であり、熱電素子１０３を介して電気の発生を容易にする。このように高い温度での作業に対する適合は、ソーラーパネル１０２が、３００Ｋの周囲温度での性能に比較して、４７５Ｋでの性能を低下させるものではない。ほとんどの（または全ての）ソーラーパネルは、温度が上昇すると効率を低下させている。高温度での適合は、高温度での性能を改善するために、周囲温度での性能を犠牲にしている。

直列接続された多接合ソーラーパネルにおける高温度適合の良好な指針は、温度に応じて、種々の接合部の相対的な電流出力である。このような接合は、通常、直列に接続され、電流がマッチングされる。電流のマッチングは、各接合が、ほとんど同一の温度を生じるまで接合層の厚さを調整することを含んでいる。電流がマッチングしないと、その結果は、性能に弊害をもたらす。温度が電流に影響を与える程度は、多重マルチレイヤー素子で使用される、異なる接合部の間で広く変化するので、電流マッチングは特定の温度でなされなければならない。太陽照明の下で同一の電流量が生じる場合の温度は、ソーラーパネルが作動するのに適した温度である。電流マッチングに関するこれらの意見は、直列接続の多接合素子に適用される。電流マッチングの必要性は、並列接続では、避けることができる。並列接続では、一般的に多接合のソーラーパネルには用いられない。その理由は、実行に必要とされる構造の複雑さによる。本出願の妥協点は、並列接続を用いることであり、接合の最大数を２つに限定することではない。

ソーラーパネル１０２は、熱電素子１０３に比較してその厚さによる熱の伝達に対して感度を低くしている。ソーラーパネル１０２が、非常に厚いか、その厚さに対する熱伝導率が不適当である場合、重要な温度勾配が、頂部表面１０５と底部表面１０６との間で生じる。ある温度勾配は、熱電素子１０３に熱を伝達するために必要であるが、好ましい設計では、この勾配は、非常に小さい。大きな温度勾配は、熱電素子１０３によって作られる定常状態のエネルギーを減少させないが、ソーラーパネル１０２において、高温度を必要としないであろう。

ソーラー発電装置によって用いられるソーラー集中の度合により、ソーラーパネル１０２を設計する際に熱伝導抵抗を考慮に入れることが重要である。低いソーラー集中において、ソーラーパネル１０２に与えられる基板材料及び背面材料が熱伝導抵抗を過度に導かないように注意を払う必要があるけれども、通常の材料で十分であるように思える。

ソーラーパネル１０２のための低い熱容量が、一般的に有利であるが、高い熱容量を有する場合に利点がある。高い熱容量は、温度変動及び温度変化率を減少させ、これは、材料への応力を少なくし、かつ耐久性を向上させる。耐久性に関連して、必要な熱容量を最小に定めることは、より検討が難しくなる。

金属プレート等の高い熱容量の利点は、過度の熱伝導抵抗を導かないで提供でき、温度安定性及び低い温度で作られる多くの光電子エネルギーを含んでいる。高熱容量は、高低の温度が長く続くことを意味し、低い温度から光が有効になる高い温度へ移行し、光が沈むことに関連して高い温度から低い温度へ移行する。正味の結果は、平均的に低い温度でより光を多く照らし、また、平均的に高い温度で光をより少なく照らすことになる。この考察では、高い熱容量の方が利益を有することになる。

この考察は、熱電素子１０３に対しては逆転する。熱電素子１０３は、ソーラーパネル１０２が定常状態で最大温度に達したときに最も効率が高くなる。全ての部品がこの状態、即ち、日が出たときの条件に達したとき、熱電素子１０３から生じるエネルギーが最大となるであろう。ウォームアップ期間が長い場合、多くの熱は、低い温度の差分でかつより低い熱電変換効率で、熱電素子１０３を介して伝達される。同様に、ソーラーパネル１０２によって蓄えられた熱は、温度差分が既に最大値にある間よりもむしろクールダウン中に伝達される。

上述の考察により、ソーラーパネル１０２の内部またはその回りの熱容量は、いくつかの考察を含む問題であり、これは、他の設計選択とは独立している。熱容量を低下または上昇の何れかに適用させることは、この出願によって保証されている。

増加した熱容量は、ソーラーパネル１０２と熱電素子１０３の間の境界面又はパネル表面１０５の上方に設けることができる。表面１０５を覆う透明のカバーは、表面１０５と良好な熱接触を有し、ソーラーパネル１０２と熱電素子１０３の間の熱伝導抵抗を増加させない利点を有する。この利点は、カバー層によって光吸収よる光電子生成を失うことになるにちがいない。

熱伝達に過度に介在しない構造は、ソーラーパネル１０２とホットジャンクション１０７との間に付加的な熱容量を与えるように用いることができ、このような付加的な熱容量を増加させることが望ましい。適切な構造は、金属層を含む。金属は、高い熱容量と高い熱伝導率の組合せを備えている。

熱電素子の用語は、ここでは、ホットジャンクション及びコールドジャンクションを含む素子として用いられ、熱エネルギーから直接電気を発生させる機能を有する。ホットジャンクションは、コールドジャンクションより高い温度を保持している。熱電素子１０３は、ｐ型半導体とｎ型半導体の各領域を含む。電荷キャリアは、温度によるこれらの半導体領域内に集中する。温度勾配が、ホットジャンクション１０７からコールドジャンクション１０８に加えられると、温度勾配は、これらの領域を横断し、そして、電荷キャリアの勾配が作り出される。電荷キャリアの勾配は、電気の流れを生じさせることになる。

図３は、熱電素子１０３の例２０３を提供する。熱電素子２０３は、少なくとも１つのｐ型半導体セグメントを有するｐ脚部２１９と、ｎ型半導体領域の少なくとも１つのセグメントを有するｎ脚部２２０とを含んでいる。脚部２１９,２２０は、ホットジャンクション２０７とコールドジャンクション２０８との間のギャップに広がっている。電気絶縁層２２２は、脚部を分離する。金属相互連結部２１８は、ホットジャンクション２０７に隣接またはその内部に設けられる。脚部２１９と脚部２２０の各々が、相互接続部２１８の金属に抵抗接点で接続される。これにより、ｐ脚部２１９、金属相互連結部２１８、及びｎ脚部２２０が、ｐ−ｉ−ｎ接合を与える。このｐ−ｉ−ｎ接合は、脚部２１９,２２０を通る電界を作り出す。コールドジャンクション２０８では、脚部２１９,２２０が、リード２２１ａとリード２２１ｂと抵抗接点で接続される。これらのリードは、互いに電気的に分離しており、これらは、単一の金属相互接続部の層の一部となり、相互接続部の層は、誘電体の平坦マトリクスにおける金属パターンである。

ホットジャンクション２０７は、コールドジャンクション２０８よりも高い温度に維持されているとき、電荷キャリア勾配を脚部内に形成して、ｐ脚部２１９の下方に電子を流れさせ、ｎ脚部２２０の下方に正孔（効果的に）を流れさせる。リード間の電位差は、ホットジャンクションとコールドジャンクションの間の温度差によって変化する。この電圧は、温度差に概略比例している。電流に電圧を乗算して、熱電素子２０３によって与えられる利用可能な電力が与えられる。

このような装置における熱エネルギーを電気エネルギーに変換する理想的な効率は、公知の式で与えられる。この式は、ホットジャンクションとコールドジャンクションの間の温度差、形状、及びｐ脚部とｎ脚部を作る材料の特性に依存していることを示す。効率、ηは、次式で与えられる。

η＝｛（Ｔ_Ｈ−Ｔ_Ｃ）／（Ｔ_Ｈ）｝×｛（Ｍ−１）／（Ｍ＋Ｔ_Ｃ／Ｔ_Ｈ）｝ 式（1）

ここで、Ｔ_Ｈは、ホットジャンクションの温度、Ｔ_Ｃは、コールドジャンクションの温度、Ｍは、次式で与えられる。

Ｍ＝√（１＋ＺＴ） 式（2）
ＺＴは、熱電素子の性能指数として
知られた次元のない材料特性である。Ｚは次式で与えられる。

Ｚ＝σＳ²／ｋ 式（3）

ここで、σは電気抵抗、ｋは熱伝導抵抗、Ｓはシーベック（Seebeck）係数、Ｔは平均温度である。ここに示す式は、ＺＴを一定として取り扱うことによって単純化される。より詳細な公式は、各脚部２１９，２２０を通してＺＴの温度従属変数として説明することが必要となる。半導体材料は、各脚部に対して同一ではなく、また各脚部内で必ずしも同一ではない。これは、以下でなされる点から損なわれるものではない。

式（1）における第１の用語は、カルノー効率である。カルノー効率は、エントロピーの結果であり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために、どの形式の装置においても避けることができない。式（1）の第２の用語は、熱電素子１０３と理想的な素子との間の分離を示している。この用語の主たる依存性は、ＺＴの依存性であり、より高い値が良い。最近まで、ＺＴの最上値は、約１．０であり、熱電素子の効率が、カルノー効率の約２０％に制限されていた。

図４は、いくつかの半導体材料の温度範囲にわたる性能指数を示す図である。この図から、異なる半導体材料は異なる温度範囲にわたり効果的であることがわかる。熱電素子１０３が脚部２１９、２２０を介して生じる温度勾配で作動するように意図されているため、半導体材料の選択は複雑である。この温度は、脚部の長さ全体にわたり非常に変化することが予想される。高い温度は、脚部２１９,２２０の頂部で起こり、低い温度は、脚部の底部で起こる。良好な特性を与える材料でも、底部およびその他の場所で低い性能を生じるかもしれない。

図３は、好ましい解決法と好ましい材料の選択を図示している。この解決法は複数のセグメントから脚部２１９、２２０の各々を作ることであり、各セグメントは、異なる半導体材料に対応している。下部のセグメント２１９ｃ、２２０ｃでは、低温度で高い性能を有するように選択され、また、上部のセグメント２１９ａ、２２０ａでは、高温度で高い性能を有するように選択される。

多くの半導体材料の性能指数は、図４に示されており、キャリアの量子閉じ込めを導くことによって大いに改良される。このような量子閉じ込めの主たる効果は、実質的な熱伝導率の低下である。性能指数は、多くの場合、ほぼ２倍となる。図５は、図４に比較した例示的な結果を与える。量子閉じ込めは、半導体マトリクスに形成されたナノ単位の構造によって与えられる。図５の複合材料に対して、ナノ構造は、１−２００ｎｍの範囲の混合した大きさにおけるｐ−ＳｉＧｅ結晶の粒子である。ナノ単位の構造体は、量子ウエル、量子ワイヤ、及び量子ドットを含む。量子ドットは、最も利益がある。これらのナノ単位の構造体は、複合材料構造であり、そのドットは、他の半導体のマトリクス内に形成された、第２の、適切に選択された半導体材料の小結晶である。ナノ構造体に適切な材料は、マトリクス材料の各々に対して見出される。

量子ドットを形成する１つの技術は、マトリクス材料のいくつかの層を配置することと、第２材料のウエルと一体のマトリクス材料からなるいくつかの層を配置することを交互に行うことである。適切な技術の詳細は、公共のドメインにある。このＭＩＴで働く人たちによって記載されたこの材料及び方法は、推奨できる。これらの材料及び方法と異なる材料及び方法は、米国特許第6,444896号明細書、米国特許出願公開第2006/0118158号明細書,第2008/0202575号明細書,第2009/0068465号明細書、を含む種々の刊行物に記載されている。これらの特許明細書及び出願公開明細書は、その全体が参考としてここに包含されている。

この結果を改良するために調整されたパラメータは、量子ウエル構造の厚さ、それらの相互間隔、及び合金の原子比率を含む。複合材料がソース材料に対してシフトされた温度範囲におけるピーク値ＺＴを有することに注目すべきであるが、図３に示された区分は、ナノ複合材料のために望ましい。ナノ構造体の合金の組成を調整する１つの方法は、高いＺＴ値が生じる時の温度にシフトすることである。

２つのパラメータは、脚部２１９,２２０の熱フラックスとエネルギー生成をバランスさせるのに利用可能である。脚部の１つの形式は、他の形式よりも広く作ることができ、その幅は、より大きな断面積という意味で使われる。他の調整モードは、１つまたは他の脚部の台座に配置することであり、１つの脚部が他の脚部より短くすることができる。台座は、金属等の熱伝導材料で作られた脚部セグメントである。

ソーラー発電装置１００の構造は、温度勾配の大きさを決定し、この勾配は、熱電素子１０３を横切って展開する。この勾配を決定する主たるファクターは、ソーラー集中ファクターｆ及び熱電発生器１０３の熱伝導抵抗である。熱伝導抵抗は、脚部２１９,２２０の高さを調整することによって調節することができる。

ソ−ラー集中ｆは、必要とされる熱フラックスを決定する太陽光線の強さを伴う。全体の太陽光のスペクトルは、実際の幅に対して、ソーラーパネル１０２の表面に集中しかつ焦点が合わされる。いくらかのエネルギーが電気に変換され、その大部分は、一般的に９０％から９５％が熱エネルギーになるであろう。ソーラーパネル１０２の表面に垂直に下方に全ての熱が移動する構造である。熱電素子１０３は、ソーラーパネル１０２に一致している。熱電素子１０３を通るエネルギー束密度は、ソーラーパネル１０２の底部表面を通るエネルギー束密度と略同一である。

熱電素子１０３を通る熱フラックスレートにおける最大値は、地球表面での太陽光線のピーク強度値、即ち、ソーラー集中ファクターｆによって乗算された約１．３ｋＷ／ｍ²のピーク強度値によって与えられる。補正は、ソーラーパネル１０２によってエネルギーを電気に変換することによってなされ、寄生の（意図的でない）熱を損失するが、その結果は、概略、熱を伝達するように設計された熱電素子１０３の単位面積あたりの熱フラックスの量となる。

この点で考慮すべき設計上の重要点は、ホットジャンクション２０７とコールドジャンクション２０８の間の温度差ΔＴを目標とすることである。より大きい温度差は、熱電エネルギーをより効率良く導くことになり、低い温度差は、ソーラーパネル１０２をより冷却するように導き、かつより多く光起電力エネルギーを生産する。

熱電変換効率が高く、そして、コールドジャンクション温度に対する全体のエネルギー生産の感度が低い場合、より大きい温度差ΔＴを選択することが望ましい。好ましくは、ΔＴは、少なくとも２００℃、より好ましくは３００℃である。５００℃及び６００℃のようにより高い値は、光レベルがピーク値からかなり落ちた場合にΔＴがより高く留まることが望ましい。ますます高い温度差になることの主たる欠点は、ピーク温度値が増加し、そして、材料の悪化が生じ始め、さらには失敗に終わる。

概略の脚部の高さｈは、目標温度差を達成することであり、以下のような式で計算することができる。

ｈ＝ΔＴ／｛ｆ＊ｋ＊１．３（ｋＷ／ｍ）｝ 式（4）

ここで、ｋは脚部２１９,２２０のための計算された平均熱伝導抵抗である。この式から高い熱伝導抵抗により、脚部をより短くすることができる。高いソーラー集中ファクターｆは、必要とされる脚部の高さを大いに減少させる。材料費は、このシステム全体のコストに大きく影響を与え、必要とされる半導体材料を減少させることは、非常に有益である。

式（4）は、ファクターｆが１００のソーラー集中ファクターｆが、このファクターによって、熱電装置１０３内の半導体材料に必要とされる厚さを減少させることを示している。これは、単位面積当たりの太陽光の１００倍のゲインが加わえている。熱電材料における全体の減少は、おそらく、この例では、ｆの二乗、即ち１０，０００倍となる。そうでなければ、ソーラー集中は、あまりに高価な材料を使用することになる。この理由のため、低いソーラー集中は、ソーラー集中がないものより好ましく、中間のソーラー集中がより望ましく、更に、高いソーラー集中がさらに望ましい。ソーラー集中の別の利点は、目標温度差に迅速に到達するのを容易にすることであり、これは、熱容量を減じることと同様の効果がある。

好ましくは、ホットジャンクション２０７からコールドジャンクション２０８に向かう全ての熱は、脚部２１９、２２０を通過する。絶縁体２２２を通る熱は、熱電エネルギーの発生に寄与しない。脚部２１９、２２０の材料は、たとえ、それらが通常の半導体であったとしても、それ自体良好な絶縁体である。それらが、ナノ複合材料で作られているとき、より良い絶縁体となる。ナノ構造は、複合材料の熱伝導率以上に熱伝導抵抗を増加させることにより、熱電構造の利点を改善する。本質的により良い絶縁体である材料は、いくつかのタイプがあるのみである。特に、良好な絶縁体は、エア、真空、及びエアロゲルである。ここで、真空は、絶縁材料の中に含まれる。

熱電装置１０３は、背面１０６から均一に熱を排出するため、ソーラーパネル１０２と大きさを一致している。これは、熱電装置１０３の断面積を定める。熱電装置１０３によって与えられる熱伝導抵抗は、抑制される。熱伝導抵抗があまりに低いと、所望の温度差をえることができない。また、熱伝導抵抗があまりに高いと、ソーラーパネル１０２は、過度に熱せられる。

熱電素子として必要とされる半導体材料の量を減少させるという考え、また、所定の温度勾配を伴う単位面積当たりの熱フラックスを与えるように設計されている幾つかの熱電素子について、図７に示されており、この図は、図２のＡ−Ａ’のパネルを通る熱電素子２０３の断面積に対応している。

この概念によれば、断面積の大部分（少なくとも５０％）及びその容量は、好ましくは少なくとも９０％、効果的な絶縁材料で、更に好ましくは、真空、エア、エアロゲルからなる群から選択された材料が満たされる。これは、脚部２１９、２２０を通る熱伝導のために利用可能な面積を、面積の小部分（５０％以下）、好ましくは、１０％以下に減少させる。脚部２１９、２２０の断面積が、５０％減少すると、ホットジャンクション２０７とコールドジャンクション２０８の間の熱伝導抵抗は、ほぼ２倍になる。設計した温度差および熱フラックスを維持するために、脚部の高さｈは、二分割にされる。この調整は、多数のセグメントが用いられるならば、各セグメントに適用される。断面積を分割しかつ高さｈをニ分割することにより、必要とする材料の量を７５％まで減少する。断面積を９０％まで、かつ高さを９０％まで減少することにより、必要とされる熱電半導体材料のファクター１００まで減少する。これは、もし高価な材料を使用する場合に特に、重要な利点である。

ホットジャンクション２０７の回りに展開する過度の温度勾配を防止するために、脚部２１９、２２０は、熱電素子２０３の全面積にわたり絶縁体２２２のマトリクスを介して等しくかつ密接に離間している。この密接した離間は、それらの寸法を減少させながら脚部の数を増加することによって、脚部２１９、２２０により占有された面積の小部分を減少しながら維持することができる。これらの形状的な抑制に一致する無数の方法があることを理解してほしい。例えば、脚部２１９、２２０は、ワイヤのように伸張した断面積を有することができる。

絶縁体２２２によって占有された面積の百分率は、より大きくなり、絶縁体を通る熱損失は、かなり大きくなり、そして、半導体面積及び材料使用量を減少させる利点がより大きくなる。材料処理における制限は、また寸法とともに電気的特性を変えると共に制限をもたらす。この電気的特性には、より小さい構造に形作る試みをしながら、気づかず変化する特性を含んでいる。

それにもかかわらず、図７で示された構造は、ナノ複合材料の使用を可能しており、ナノメータの多層の各々を配置するための個別のステップを含む処理によって作られる。より短い脚部２１９、２２０を使用できるため、処理ステップの必要とする数を減らす。

ヒートシンク１０４は、ソーラー発電装置１００が、十分な太陽光の下で、通常状態の作業を行うことができる速度で、コールドジャンクション１０８から熱を絶えず引き出すように機能することができる。このヒートシンク１０４は、固定される材料本体、水本体、又はコールドジャンクション１０８から熱を排出不可能な流れに輸送する熱交換器を含むことができ、熱交換器の場合は、複数のフィンを有し、エアの定常の流れを実現する。ソーラー発電装置１００は、ヒートシンク１０４の形式に制限されることなく、ヒートシンクのあるクラスのための特別な設備を有する。

このようなクラスのヒートシンクは、制限された容量を有する部分的に閉鎖したシステムで、十分な太陽光の下で熱を吸収する。このヒートシンク１０４は、ソーラー発電装置１００によって十分熱くなる。このような状況の重要性は、ソーラー発電装置１００内の温度において実質的な変化を意味する。例えば、かなりの変化では、コールドジャンクション１０８が、少なくとも４０℃の熱さになり、さらなる変化では、コールドジャンクション１０８が少なくとも１００℃の熱さになる。このような変化は、ソーラー発電装置１００全体を通じて定常状態の温度に影響を与える。ヒートシンク１０４の温度における変化は、ソーラーパネル１０２の温度を４０℃又はそれ以上に上昇させるので、通常のソーラーパネル材料が用いられる場合に生じる効率を減少させるために重要である。この点において、１００℃の変化は、非常に大きくなるであろう。

ヒートシンク１０４の容量が、これらの大きさの温度変化を定めた動作となるように制限されるとき、ソーラー発電装置１００は、通常のソーラー熱電併給システムに比較して価値ある改善を与えることができる。このシステムは、熱電素子１０３または所望の温水の温度を越える僅かな温度以上に熱を促す構造を欠いている。ソーラー発電装置１００は、電力発生器の重要なモードである熱電素子１０３用として設計されている。この発電装置１００は、通常のソーラーパネルの効率を弱める温度変化の面で大いに機能する。

従って、本発明によれば、ソーラー発電装置１００は、ヒートシンク１０４に接続され、その温度における効率または変動に制限されており、ソーラー発電装置１００は、４０ケルビン（Ｋ）またはそれ以上の温度、選択的には、１００Ｋまたはそれ以上まで変化するコールドジャンクションの温度で作動する。この方法は、熱電素子１０３を横切る温度勾配を発展させることを含んでいる。これにより、熱電素子１０３は、ソーラーパネル１０２より多く電力を作り出す電気発生の主要な方法である。大きな温度勾配は、十分高いソーラー集中ファクターｆを有する太陽光にソーラーパネル１０２を晒すことによって生じる。十分高いソーラー集中ファクターを作り上げているものは、熱電素子１０３の熱伝導抵抗による。この熱電素子は、所望の温度勾配が、ソーラー集中システム１０１によって与えられまたは達成可能であるソーラー集中ファクターｆとともに生成可能になるように選択される。この方法の利点は、ヒートシンク性能及びコールドジャンクション温度における変動に対して低い感度を有する効率を電力生成に与えることである。

制限された容量を有するヒートシンク１０４は、発電装置１００の容量に関連して含まれる水量次第で、家庭の温水システムに利用できる。ソーラー発電装置が、単に補助的な熱システムであるなら、これにより、温水は、本質的に一定の温度に留まり、ヒートシンク１０４は有効となり、また通常の太陽熱発生器がもっとも役立つであろう。他方、温水の温度が５０℃〜９５℃の間、または２５℃〜９５℃の間で変化する場合、制限された容量のヒートシンクであるよりもヒートシンクが機能している過程にある。

ソーラー発電装置１００の使用を可能にするヒートシンクの他の形式は、ヒートシンク温度又は熱伝達係数の何れかにより、自発的に広く温度を変化させることを含む。例えば、ヒートシンク１０４は、車両の冷却システムとなるであろう。車両のエンジンが停止するとき、ソーラー発電装置１００は、冷却を保つのに役立ち、寒い日に容易にエンジンをスタートさせ、低温によるスタート発射を減少させることができる。別の潜在的な使用として、エンジンがまだランニング中、客室内を暖めることができ、これにより、エンジンの必要なアイドリングを避けることができる。エンジンファンを回すことによってオーバーヒートを防止するために、十分な冷却が与えられている場合、空調機がエンジンオフ状態で駆動することができる。

車両が走行中、ソーラー発電装置１００は、補助電力を与え、その結果、車両の効率を改善する。オーバーヒーティングの危険がある場合、エンジンファンを回転させることで十分である。この使用をヒートシンクで済ますと大いに変動し、温度が１００℃以上となる。ソーラー発電装置１００は、一般的に、ヒートシンクを用いて１００℃〜２００℃の温度範囲で効率よく作動する。

オーバーヒートを防止するために、ソーラー発電装置１００をゆっくり又はシャットダウンさせるために、ある手段が設けられる。あるものを使用する場合、ソーラートラッカーがこの適当な手段である。トラッキングシステムは、オーバーヒートを防止することが望ましい場合、太陽から離れたコレクターに向かうことができる。ソーラー集中システム１０１が制御可能なソーラー集中ファクターｆを与える場合、このファクターを減少させることができる。しかしながら、一般的に、ソーラー集中システム１０１は、それが提供できると同じ位、ソーラーパネル１０２に光を当てることが望ましい。

車両を含む別の応用では、冷却のためのエアの流れを用いる。この例示では、ヒートシンク１０４は、コールドジャンクション１０８から環境大気に熱を移動する熱交換器である。このようなヒートシンクは、環境大気次第で、また、車両が動いているか停止しているかで大いに変化する性能を有している。

ソーラー発電装置１００とヒートシンク１０４の相対サイズにより、ヒートシンク１０４は、従来のソーラーパネルを効率的な作動モードに維持するために、一定温度を十分維持することには不適当である。ソーラー発電装置１００は、ソーラーパネルを用いる同様の装置と比較して冷却を大いに少なくすることができる。このソーラー発電装置１００は、ヒートシンク温度の広い範囲にわたり効率よく作動するように設計されている。熱電素子１０３を介して高い温度勾配を有する設計では、電力生成を熱電素子１０３にシフトさせ、またソーラーパネル１０２への依存を減少させる。

ソーラーパネル１０２の効果的な機能は、ウォームアップ期間に制限され、この期間では、熱電素子１０３は、効率よく作動させるために、必要とされる温度勾配を展開することはできない。ソーラー発電装置１００は、車両を駆動するのに用いられ、又はハイブリッド駆動システムの一部として用いられる。このようなシステムでは、太陽が照射するやいなや電力を有することが有益である。

熱電発生器１０３は、ホットジャンクション１０７とコールドジャンクション１０８との間の温度差で変化する電圧において電流を生じる。ソーラー発電装置１００は、与えられた日の間、変化する光量を受入れ、これにより、熱フラックス、温度勾配、及びその結果としての電圧が、必然的に変化するであろう。それゆえ、電気システムを備えているソーラー発電装置１００は、熱電素子１０３の電圧から電流を導くための電圧調整器を含むことが望ましく、この電圧調整器は、一定電圧による電流を供給及び出力する。

ソーラーパネル１０２は、熱電発生器１０３から分離して電力を供給する。単一の供給源を形成するためにソーラーパネル１０２からの出力と太陽熱発生器１０３の出力とを結合することが一般的に望ましい。これは、ソーラー発電装置１００に電気コンポーネントを備えて、これら２つの供給源からの電力を結合しかつマッチングさせることにより達成される。

ソーラー発電装置は、選択的に、電気エネルギー蓄積システムを含む。このエネルギー蓄積システムは、電池および／またはキャパシタから構成される。有益となる別の選択は、ソーラー発電装置１００にプラグインするための標準カップリングである。また、トランスは、標準周波数及び電圧を用いて直流電流を交流電流に変換することを含んでいる。

ソーラー発電装置１００が動作しているとき、ソーラー集中システム１０１は、ソーラーパネル１０２の表面１０５に太陽光１０９を集中させる。ソーラーパネル１０２は多くの太陽光（光線）を吸収し、温度上昇に伴って効率が減少するが、このソーラーパネルから電気エネルギーを作り出す。吸収された大部分の光線は、熱エネルギーに変換される。

ソーラーパネル１０２の底部表面１０６は、熱電素子１０３に接触している。この熱電素子１０３は、ホットジャンクション１０７及びコールドジャンクション１０８を含む。ホットジャンクション１０７は、ソーラーパネル１０２の底部表面１０６に密接して熱接触するように隣接している。この配置において、熱電素子１０３は、ソーラーパネル１０２が熱を差し出す主通路を与える。必要ならば、ソーラーパネル１０２は、閉鎖および／または絶縁空間内に配置することができ、熱損失の別の通路を減少させる。熱消散の別の通路を消去または減少することにより、ソーラーパネル１０２によって吸収される熱エネルギーの大部分は、熱電素子１０３に向かい、これにより、熱電素子が電力を生み出すために用いられる。

入射光線のいくらかは、ソーラーパネル１０２から反射される。更に、ソーラーパネル１０２は、光線を通してエネルギーを放出する。反射器が配置され、表面１０５に戻る光を再反射させるために、放射した光線を再び指向させかつ光線を反射させる。これらの反射器は、表面１０５を覆う空間を示すミラー室を構成する。このような反射器は、かなり効率を上昇させることができる。

ホットジャンクション１０７からの熱は、コールドジャンクション１０８に流れる。この方法で輸送された熱エネルギーの一部分は、熱電素子１０３によって電気に変換される。こうして、ソーラー発電装置１００は、少なくとも２つの場所で電気を発生させる。これらの供給源からの電力は、変換及び結合されて、ソーラー発電装置１００からまたはその中に統合された個別の電気部品を用いて、一定電圧による単一の電力源を提供する。

ヒートシンク１０４は、熱をコールドジャンクション１０８から引き離す。ヒートシンク１０４は、大いに効率的であり、太陽光１０９の強さに関わらず、コールドジャンクション１０８を略一定の温度に維持する。代わりに、ヒートシンク１０４は、コールドジャンクション１０８の温度が変わることから非効率であるかもしれない。ホットジャンクション１０７の温度は、熱フラックス率によって温度差が決定されることに対応して変化する。この熱フラックス率は、コールドジャンクションの温度に無関係である。コールドジャンクションの温度が上昇するとき、ホットジャンクションの温度も一致して上昇する。ソーラーセル１０２への熱入力がホットジャンクションへの熱出力に合致するまで、ホットジャンクションの温度は上昇する。このマッチングは、コールドジャンクションの温度に関わらず、ほぼ同一の温度差で起こる。こうして、コールドジャンクションの温度の上昇は、ホットジャンクション１０７及びソーラーパネル１０２の各温度の上昇と略等しくなる。

ソーラー発電装置１００の性能は、図６の有限状態の機械図２３９によって説明される。ソーラー発電装置１００は、不活性状態２４０において開始する。この不活性状態２４０において、ソーラー発電装置１００の全ての部品は、ほぼ大気温度である。この点で、本発明の主たる中心は、地上用途において使用する装置あることを理解すべきである。不活性状態２４０は、一般的に夜の時間である。

不活性状態２４０から始まる主たる事象は、日の出である。この日の出の事象では、装置１００を低温度の作動状態２４１に移動させる。低温度の作動状態２４１では、ソーラーパネル１０２は、ピークに近い効率で電力を生成し、一方、熱電素子１０３は、ほとんど電力を生成しない。光レベルが低い状態にある間、発電装置１００は、低温作動状態２４１に留まる。光レベルが上昇すると、発電装置１００は、より多くの電力を直ちに作り始める。増加した光レベルは、ソーラーパネル１０２を急速に暖め、そして、発電装置１００は、中間温度の作動状態２４２に移動する。発電素子１０３によって作り出される電力は、発電装置１００が状態２４２に暖められるにつれて、ソーラーセル１０２によって作られる電力を上回る。

ソーラーパネル１０２が暖められると、熱電素子１０３間の温度勾配を上昇させる。熱電素子１０３によって作られる電力が上昇すると、ソーラーパネル１０２の効率が減少する。好ましくは、中間温度の作動状態２４２において、温度が変動すると、ソーラーパネル１０２に対する効率損失が、熱電素子１０３による効率利得によってバランスされる。また逆の場合も同様である。これにより、効率は、光及び電力レベルが変動するときでさえ、狭い範囲に留まる。しかし、選択的に、ソーラーパネル１０２の効率は、ソーラーパネル１０２によって生成される電力が、熱電素子１０３によって生成される電力と比較して非常に低い範囲でこの期間中低下する。また、全体の効率は、ほぼ熱電素子１０３の効率であり、これにより、温度につれて、単調に大きく増加する。

十分な日照が持続する場合、ソーラー発電装置１００は、高い温度の定常状態２４３に達する。ソーラーパネル１０２の温度は、ソーラーパネル１０２の温度がヒートシンク１０４の温度に従って変化するけれども、その設計されたほぼ最大値である。温度勾配は、熱電素子１０３を通してほぼ設計された最大値であり、季節及び日時等のファクターに依存する。光入力は、略その最大値であり、熱電素子１０３の効率は、そのピーク値に近い。

ソーラーパネル１０２の効率は、ソーラーパネル１０２が高い温度の作動に適合するかどうかにより、適度の又は非常に高い何れかの程度で減少する。高い温度の作動に適合するソーラーパネル１０２の場合でも、熱電素子１０３は、ソーラーパネル１０２の電力の２倍、３倍または４倍の電力を生じることが一般的である。

ソーラー発電装置１００における電力生成と同様に効率は、高温度の定常状態２４３において、最も高い状態にある。材料を考慮に入れると、この材料は、より高い温度及び温度勾配のための設計に対して影響を及ぼすファクターとなる。これにより、効率のより高いレベルに接近する。

太陽が十分に有効となるとき、高温度の定常状態２４３への急速な変位は、より大きい効率を与えることになる。この変位は、ソーラーパネル１０２の熱量に従ってゆっくりと行われ、いくつかの材料が、ソーラーパネル１０２と熱電素子１０３との間に接触を作り出すのに用いられる。パネル１０２と熱電素子１０３が分離して作られる場合、半田または熱ペーストが、良好な接触を確実にするのに用いられる。ここの境界での小さなエアギャップは、ソーラーパネル１０２の温度をホットジャンクション１０７の温度以上に上昇させ、熱電素子１０３に如何なる貢献を与えることなく、ソーラーパネル１０２の性能を減少させる。接触におけるより過酷なブレークダウンが、温度暴走、特にソーラー集中ファクターによる損傷を急速に導くことになる。このようなブレークダウンは、接触表面の一方の変形によって生じ、これは温度サイクルの結果による。

これらのいくつかの問題を解決する課題は、ソーラーパネル２０２と熱電素子２０３によって提供され、これらは、単一構造を形成する。このような構造において、ソーラーパネル２０２と熱電素子２０３は、複数の層を形成し、集積回路に類似した複合構造となる。これらの層は、一連の処理ステップを通して他の部材の上に形成される。マスキング、エッチング、及び蒸着の処理が、種々の方法に結合されており、所望の結果を作り出す。大部分のステップは、デバイス１０２,１０３を個別に形成するのに用いられるステップと同じであり、または同一とすることができる。特にこの場合、ソーラーパネル１０２は、薄膜ソーラーセルであり、熱電素子１０３は、多くの個別の層を堆積させるステップを介して形成されるナノ複合材料のセグメントで構成する。

この集積装置２００を作るプロセスは、底部から上方へまたは頂部から下方へ開始される。熱電素子２０３が形成される場所から始めて、主たる変更箇所は、相互接続層２０７が平坦で、この相互接続層上に半導体基板層を堆積させることであり、この方法では、基板層は、容易に剥離されない。１つのアプローチは、相互接続層２０７上に金属層を堆積させることである。ＧａＰのソーラーセルを金属層上に形成することは、従来のプロセスである。

代わりに、ソーラーセルを最初に形成することもできる。１つの選択は、ソーラーセルを作り上げるための構造として、たとえば、仮の基板Ｇｅを用いることである。ソーラーセル２０２の全ての又はいくつかの底部層が、Ｇｅ基板上に形成される。そして、熱電素子２０３を構成する各層が作られる。最後に、仮の基板が取り除かれ、そして、必要ならば、ソーラーセル２０２が、完全となるように付加的にプロセスが与えられる。

統合した構造は、種々の利点を与え、熱量を減少させることにより、より高い熱電効率、ソーラーパネル２０２とホットジャンクション２０７との間の良好な熱接触、複数の層の数を減少し、また厚い層を避けて熱サイクルに立ち向かう能力を有する。

ソーラー発電装置のための例示は、システム９００であり、このシステムは、電気の熱電併給を有する家庭用温水加熱のための結合システムである。システム９７０は、ルーフトップ設備として設計されるソーラーコレクター９７１を含む。コレクター９７１は、ソーラーエネルギー１０９を集め、そして、このエネルギーを光ファイバーケーブル９７２を介してソーラー発電装置９００に伝達する。コレクター９７１の寸法は、温水加熱に利用される通常の家電製品のエネルギー量に関連して選択される。約１〜１０ｍ²の範囲の寸法が適切であり、一般的には、約２〜６ｍ²の範囲が適している。

ソーラー発電装置９００は、ビルディング９７３内に配置され、好ましくは、水タンク９７４に隣接して配置される。水タンクは、通常ベースメント９７５にあり、好ましくは、長い配管を介して温水を循環させるエネルギー損失を抑えることが望ましい。屋根裏部屋９７６への配置は、設置が容易であることから望ましい。タンク９７４の適切な寸法は、１００〜１０００リッターの範囲であり、更に一般的には、約２００〜６００リッターの範囲が望ましい。

ソーラー発電装置のソーラーパネルの表面上に光を照らす光ファイバー束９７２は、好ましくは、高いソーラー集中を有することが望ましい。太陽光の強さが５０〜２５０ sunsの範囲が望ましい。１００ sunsの太陽光では、ソーラーパネルは、１００〜１０００ｃｍ²の範囲にある。内部にミラーを含み、真空で絶縁された二重の窓ガラスによって囲まれたミラー室は、ソーラーパネルから分離した熱及び光を捕捉する。太陽光に照射された定常状態での作業では、ソーラーパネルは、設計温度勾配の最大値が３５０Ｋとなる。

ソーラーパネルの熱は、熱電発生器によって熱交換器に伝達される。熱交換器９７８は、タンク９７４と熱交換器９７８との間で水を循環させるループ９７９の一部を形成する。ソーラー発電装置９００をタンクのベース近くに配置することによって、循環の流れは、熱−重量測定法で駆動することができる。代わりに、電気ポンプを用いることもできる。

温水システムは、熱交換器９７８、ループ９７９、及びヒートシンクを備えるタンク９７４を含み、熱を吸収する制限された容積を有する閉回路システムである。ユーザーの要求における変動の一部分は、水温が広い範囲で変わることによって対応する。最小温度５０℃を供給するために、バックアップガスヒータが、発電装置９００の底部に設けられる。水は、過度の熱を解放するための措置を取る前に、９５℃まで加熱することができる。混合弁９８０が、タンク９７４からの水と供給源９８１の冷水との間の混合比を自動的に調整するように構成されており、要求に応じてプリセット温度の水を供給する。温水が許容最大値に達した場合、温水を放出し又はソーラーコレクター９７１の焦点を外すことによって熱を抑えることができる。ヒートシンクが５０℃〜９５℃の間で循環させると、ソーラーパネルは、４００℃〜４４５℃で循環するようになる。この循環は、電力生成に影響を与えない。

単一接合の薄膜ＧａＰソーラーセル及び通常の熱電材料を用いて、室温でのソーラーパネルからの電力生成は、約１０％となるであろう。装置９００が、その作動温度を上昇させるとき、ソーラーパネルの製造効率は、約７％に減少する。熱電素子からの生成は、温度の上昇と共に増加する。０．８ＺＴを有する通常の熱電半導体が用いられる場合、熱電素子の効率は、定常状態で、約９％に達することが予想され、全体の効率は１６％となる。ナノ複合材料は、２．０ＺＴを与えるものが用いられる場合、熱電素子だけの効率は、１６％であり、全体の効率は、２５％である。ソーラーパネルの温度が１００℃低下すると、全体の効率も２３％に落ちる。電力は、温度低下が減少した光によって生じるので、より低下することになる。低い温度ではより急速に効率が低下するが、この効率は、光のレベルと水タンク温度の実質的な範囲を超えて、高い値を維持する。高い温度差に設計されていると、ソーラーパネルは、高い温度性能に適合し、高いＺＴ材料を用いることが可能な半導体を使用する効率は、経済的でかつ効果的であるシステムを提供する。

（産業上の利用分野）
本発明は、環境に優しいエネルギー生成にとって有益である。

Claims (10)

1. 頂部側（105）と底部側（106）とを有し、かつ太陽光（109）から電力を発生させる機能を有するソーラーパネル（102）と、
   該ソーラーパネル（102）の下方にあって該パネルに隣接し、ホットジャンクション（107）、コールドジャンクション（108）を含み、かつ前記ホットジャンクション（107）は、前記ソーラーパネルの底部側（106）に密接して熱的結合し、ホットジャンクション（107）が、コールドジャンクション（108）よりも熱いときに電力を発生させる機能を有している熱電素子（103）と、
   前記ソーラーパネル（102）に電気的に接続して該パネルから電力を引き出し、かつ前記熱電素子（103）に電気的に接続して該熱電素子（103）から電力を引き出すための１つまたはそれ以上の電気コネクターと、を含むソーラー発電装置（100）であって、
   前記熱電素子（103）は、前記ホットジャンクション（107）から前記コールドジャンクション(106)へ熱を伝導するように構成されたｎ型脚部（220）と、前記ホットジャンクション（107）から前記コールドジャンクション（108）へ熱を伝導するように構成されたｐ型脚部（219）と、
   前記ソーラーパネル（102）の頂部上に太陽光（109）を集中させるように構成され、最大ソーラー集中ファクターｆを有するソーラー集中システム（101）と、を含み、
   前記ｎ型脚部（220）は、ｎ型半導体材料の１つ以上のセグメントで構成され、前記ｐ型脚部（219）は、ｐ型半導体材料の１つ以上のセグメントで構成され、少なくとも１つのセグメントは、キャリアの量子閉じ込めによりセグメントの熱伝導率を減じるナノ複合材料で構成されているとともに、前記熱電素子（203）の前記脚部（219,220）を横切る前記ソーラーパネル（202）の背面に平行な断面（Ａ−Ａ’）は、ソーラーパネル（202）の背面にほぼ等しい面積を有し、前記脚部（219,220）は、前記断面の面積の１０％以下を占め、前記断面の９０％以上には、真空、ガス、及びエアロゲルからなる群から選択された熱的に絶縁された組成物（222）を有し、前記絶縁組成物は、前記脚部（219,220）間の空間を満たしており、
   前記ソーラーパネル（102）は、単一または二重接合の薄膜型の薄膜ソーラーセルを含み、該セルは、単一接合の場合に１．８ｅＶよりも大きくまたは二重接合の場合に２．０ｅＶよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、半導体材料の最上層の接合部を有する、ことを特徴とするソーラー発電装置。
2. 頂部側（105）と底部側（106）とを有し、かつ太陽光（109）から電力を発生させる機能を有するソーラーパネル（102）と、
   該ソーラーパネル（102）の下方にあって該パネルに隣接し、ホットジャンクション（107）、コールドジャンクション（108）を含み、かつ前記ホットジャンクション（107）は、前記ソーラーパネルの底部側（106）に密接して熱的結合し、ホットジャンクション（107）が、コールドジャンクション（108）よりも熱いときに電力を発生させる機能を有している熱電素子（103）と、
   前記ソーラーパネル（102）に電気的に接続して該パネルから電力を引き出し、かつ前記熱電素子（103）に電気的に接続して該熱電素子（103）から電力を引き出すための１つまたはそれ以上の電気コネクターと、を含むソーラー発電装置（100）であって、
   前記熱電素子（103）は、前記ホットジャンクション（107）から前記コールドジャンクション(106)へ熱を伝導するように構成されたｎ型脚部（220）と、前記ホットジャンクション（107）から前記コールドジャンクション（108）へ熱を伝導するように構成されたｐ型脚部（219）と、
   前記ソーラーパネル（102）の頂部上に太陽光（109）を集中させるように構成され、最大ソーラー集中ファクターｆを有するソーラー集中システム（101）と、を含み、
   前記ｎ型脚部（220）は、ｎ型半導体材料の１つ以上のセグメントで構成され、前記ｐ型脚部（219）は、ｐ型半導体材料の１つ以上のセグメントで構成され、少なくとも１つのセグメントは、キャリアの量子閉じ込めによりセグメントの熱伝導率を減じるナノ複合材料で構成されているとともに、前記熱電素子（203）の前記脚部（219,220）を横切る前記ソーラーパネル（202）の背面に平行な断面（Ａ−Ａ’）は、ソーラーパネル（202）の背面にほぼ等しい面積を有し、前記脚部（219,220）は、前記断面の面積の１０％以下を占め、前記断面の９０％以上には、真空、ガス、及びエアロゲルからなる群から選択された熱的に絶縁された組成物（222）を有し、前記絶縁組成物は、前記脚部（219,220）間の空間を満たしており、
   前記コールドジャンクション（108）に接するヒートシンク（104）をさらに含み、前記ファクターｆを含む前記発電装置(100)、前記熱電素子(103)の厚さ及び熱伝導率、前記ヒートシンク（104）の大きさ及び形式、及び、構成材料は、前記発電装置（100）が地球表面での大気状態および青空の下で連続作動するとき、前記ソーラーパネル(102)の温度が少なくとも５７５Ｋにまで上昇するように構成され、適合し、機能するように設計される、ことを特徴とするソーラー発電装置。
3. 前記発電装置（100）は、前記ファクターｆ及び前記熱電素子(103)の熱伝導抵抗に関して、地球表面での大気状態で作動するとき前記ソーラーパネル(102)が太陽光の影響下で６７５Ｋを超える温度に熱せられるとともに、ヒートシンク（104）によって前記コールドジャンクション（108）の温度が１００℃以下に維持されるように構成されることを特徴とする請求項１記載のソーラー発電装置。
4. 前記コールドジャンクション（108）に接するヒートシンク（104）をさらに含み、
   前記ファクターｆを含む前記発電装置(100)、前記熱電素子(103)の厚さ及び熱伝導率、前記ヒートシンク（104）の大きさ及び形式、及び、構成材料は、前記発電装置（100）が地球表面での大気状態および青空の下で連続作動するとき、前記熱電素子（103）が前記ソーラーパネル（102）の２倍の電力を発生させる温度にまで、前記ソーラーパネル（102）の温度が上昇するように構成され、適合し、機能するように設計されることを特徴とする請求項１記載のソーラー発電装置。
5. 前記コールドジャンクション（108）に接するヒートシンク（104）をさらに含み、
   前記ファクターｆを含む前記発電装置(100)、前記熱電素子(103)の厚さ及び熱伝導率、前記ヒートシンク（104）の大きさ及び形式、及び、構成材料は、前記発電装置（100）が地球表面での大気状態および青空の下で連続作動するとき、前記ソーラーパネル(102)の温度が少なくとも５７５Ｋにまで上昇するように構成され、適合し、機能するように設計されることを特徴とする請求項１記載のソーラー発電装置。
6. ｎ型脚部（220）及びｐ型脚部（219）の少なくとも１つは、異なる組成物の２つのセグメント（219a,219b,219c,220a,220c）を含み、各組成物は、熱電性能指数が他のものより優れている作動温度範囲を有することを特徴とする請求項１または２記載のソーラー発電装置。
7. 前記コールドジャンクション（108）に接するヒートシンク（104）をさらに含み、前記ヒートシンク（104）は、熱水管（979）、熱水タンク（974）、及びこれらの閉ループ（974,979,978）を含み、該閉ループを通って、水が、熱水タンク（974）及びコールドジャンクション（108）との間を循環することを特徴とする請求項１または２記載のソーラー発電装置。
8. ソーラーコレクター（971）と、
   前記ソーラーコレクター（971）から前記ソーラーパネル（102）に太陽エネルギーを伝達するように構成された１つまたはそれ以上の光ファイバー（972）とを更に含み、
   前記ソーラーパネル（102）、前記熱電素子（103）、及び熱水タンク（974）は、該熱水タンク（974）から熱水を利用するように、形成された住宅または産業用建物（973）内に配置されることを特徴とする請求項７記載のソーラー発電装置。
9. 前記熱水タンク（974）及び冷水供給源（981）に連結された水混合システム（980）を更に含み、
   前記水混合システム（980）は、前記熱水タンク（974）及び前記冷水供給源（981）から分離した水を引き出すように構成され、かつ前記熱水タンク（974）及び前記冷水供給源（981）から引き出された混合水（982）を供給し、さらに、
   前記水混合システム（980）は、前記水混合システム（980）によって供給される前記水をプリセット温度の最大許容値以下に維持するための必要に応じて、前記タンク（974）からの水と前記冷水供給源（981）からの水との間の混合比を自動的に調整するように構成されていることを特徴とする請求項８記載のソーラー発電装置。
10. 前記ソーラーパネル(202)が、熱電素子（203）の部品上に形成された半導体材料の層を含むか、または前記熱電素子（203）が、前記ソーラーパネル（202）の部品上に形成された半導体材料の層を含んでいるかいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載のソーラー発電装置。

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