JP7503311B2 - 太陽電池および熱電変換素子を有する複合発電装置 - Google Patents
太陽電池および熱電変換素子を有する複合発電装置 Download PDFInfo
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Description
特許法第３０条第２項適用 １． 発表日：平成３０年６月１３日（開催期間 平成３０年６月１０日～１５日） 集会名：ＩＥＥＥ ７ｔｈ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ（ＷＣＰＥＣ－７） 開催場所：アメリカ合衆国、ハワイ州、ワイコロア 内容：ポスター発表 “Ａ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｅｎａｂｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆａｓｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ” ２． 公開日：平成３０年６月１０日（掲載期間：平成３０年６月１０日～１５日） 掲載場所：ＩＥＥＥ ＷＣＰＥＣ－７の会場に設置された端末“ｄｉｇｉｔａｌ ｋｉｏｓｋ” 内容：ＩＥＥＥ ＷＣＰＥＣ－７のポスター発表資料“Ａ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｅｎａｂｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆａｓｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ” ３． 公開日：平成３０年５月２２日 掲載アドレス：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｃｐｅｃ７．ｏｒｇ／ｅＷＣＰＥＣ／ｍｏｂｉｌｅ／ｓｈｏｗ＿ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ．ｐｈｐ？ａｂｓｔｒａｃｔｎｏ＝４５４ 内容：ＩＥＥＥ ＷＣＰＥＣ－７のポスター発表のアブストラクト“Ａ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｅｎａｂｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆａｓｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ” ４． 公開日：平成３０年７月１１日 掲載アドレス：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｖｓｃ－ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ｏｒｇの“２０１８－７ｔｈ ＷＣＰＥＣ－４５ｔｈ ＩＥＥＥ ＰＶＳＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ－Ｗａｉｋｏｌｏａ，ＨＩ”のサイト 内容：ＩＥＥＥ ＷＣＰＥＣ－７のポスター発表についての論文 ５． 公開日：平成３０年１１月２９日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｓｔａｍｐ／ｓｔａｍｐ．ｊｓｐ？ｔｐ＝＆ａｒｎｕｍｂｅｒ＝８５４７８９４ 内容：ＩＥＥＥ ＷＣＰＥＣ－７のポスター発表についての論文（正式版） ６． 発表日：平成３０年９月２０日（開催期間 平成３０年９月１８日～２１日） 集会名：第７９回応用物理学会秋季学術講演会 開催場所：愛知県名古屋市、名古屋国際会議場 内容：口頭発表 ２０ａ－１３６－７「熱回収型太陽電池の温度特性と熱起電力効果」
特許法第３０条第２項適用 ７． 公開日：平成３０年９月５日 公開方法：予稿集を記録したＤＶＤの配布（ＤＶＤを配送業者に渡した） 内容：第７９回応用物理学会秋季学術講演会の口頭発表「熱回収型太陽電池の温度特性と熱起電力効果」の予稿 ８． 発表日：平成３０年１１月１３日および１４日 集会名：ＡＩＳＴ太陽光発電研究 成果報告会２０１８ 開催場所：茨城県つくば市 つくば国際会議場 内容：口頭発表「熱回収型太陽電池の原理提案」およびポスター発表 ９． 公開日：平成３０年１１月１３日 公開方法：ＡＩＳＴ太陽光発電研究 成果報告会２０１８の発表資料を記録したＤＶＤの参加者への配布 内容：「熱回収型太陽電池の原理提案」の口頭発表の資料およびポスター発表の資料 １０． 公開日：平成３０年１１月１３日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｕｎｉｔ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｒｃｐｖ／ｃｉ／ｒｅｓｕｌｔｓ／ｐａｓｔ＿ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ／２０１８／ｐｒｏｇｒａｍ．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐｓ：／／ｕｎｉｔ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｒｃｐｖ／ｃｉ／ｒｅｓｕｌｔｓ／ｐａｓｔ＿ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ／２０１８／ｏｒａｌ／００３－１９．ｐｄｆ ｈｔｔｐｓ：／／ｕｎｉｔ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｒｃｐｖ／ｃｉ／ｒｅｓｕｌｔｓ／ｐａｓｔ＿ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ／２０１８／ｐｏｓｔｅｒ／Ｐ７３．ｐｄｆ 内容：ＡＩＳＴ太陽光発電研究成果報告会２０１８の「熱回収型太陽電池の原理提案」の口頭発表スライドおよびポスター発表の資料 １１． 公開日：平成３０年１０月３日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｓｐｉｅ．ｏｒｇ／ＰＷＯ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｄｅｔａｉｌｓ／ｐｖ－ｄｅｖｉｃｅｓ 内容：ＳＰＩＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ ２０１９の口頭発表“Ａ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ″ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ″”（発表予定：平成３１年２月７日）のアブストラクト
特許法第３０条第２項適用 １２． 公開日：平成３０年１２月１７日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｉ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｗｅｂｃ／ｒｐ－ｅｎｖｅｎｅ／ｓｅｓｓｉｏｎｓ／１０ｔｈ＿ｅｅｆｏｒｕｍ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ 内容：国立研究開発法人 産業技術総合研究所 第１０回Ｅ＆Ｅフォーラム講演会（開催日平成３０年１２月２１日）の口頭発表のアブストラクトおよび発表資料
本発明は、太陽エネルギーを光電変換および熱電変換を利用して発電する複合発電装置に関する。
太陽電池は、そのエネルギー変換効率が、非集光でシリコン単一の光吸収体を用いた場合、ショックレー・クワイサー理論による２９.５％程度と言われている。エネルギー変換効率を超える太陽電池として、多接合太陽電池やホットキャリア太陽電池が提案されている。ホットキャリア太陽電池は、ホットキャリアを熱緩和が生じる前に電極に取り出すという原理であり、その構造を実現するのが困難であり、原理の実証も未だ行われていない。
本発明者等は、熱回収型太陽電池のコンセプトを提案している(例えば、非特許文献１参照。)。熱回収型太陽電池は、ホットキャリアが熱緩和を生じる前に取り出しを行うことを必要としていない。その為、熱回収型太陽電池には、広汎な光吸収体材料を用いることができるという利点がある。
他方、太陽電池と熱電変換モジュールを組み合わせることで太陽電池のエネルギー変換効率を向上する技術が知られている(例えば、特許文献１および２参照。)。熱電変換モジュールでは高温側と低温側との温度差が大きいほど出力電圧が向上する。
上出、他、第６５回応用物理学会春季学術講演会、講演番号１７ａ－Ｄ１０１－６(２０１８)
しかしながら、太陽電池では、受光により温度が上昇して、太陽電池の開放電圧が減少し、太陽電池の出力低下が生じるが、特許文献２では、この点が考慮されておらず、エネルギー変換効率が実際に向上できるか不明であるという問題がある。
本発明の目的は、エネルギー変換効率を向上可能な複合発電装置を提供することである。
本発明の一態様によれば、受光する第１の面とその裏側の第２の面を有する吸収層であって、上記第１の面に設けられた第１の電極と上記第２の面に設けられた第２の電極とを有する上記吸収層を含む光電変換部と；上記第２の面に設けられた熱伝導層と、上記熱伝導層に、互いに電気的に絶縁されて設けられた複数の第１の接続電極と、複数の第２の接続電極と、Ｍ対のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子であって、各々の一端が上記複数の第１の接続電極のうちの一つと接触し、その他端が上記複数の第２の接続電極うちの一つに接触する、ただしＭは自然数である、上記Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子と、上記Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子のうちの一つの他端に接触する第１および第２の出力電極と、を含む熱電変換部と；を備え、上記第１の電極と上記複数の第１または第２の接続電極の一つとが電気的に接続され、上記第２の電極と前記複数の第１または第２の接続電極の他の一つとが電気的に接続され、上記Ｍ対のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子の各々が上記第１の接続電極と上記第２の接続電極を介して接続され、上記第１および第２の出力電極を出力電極として上記光電変換部と前記Ｍ対のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続されてなり、上記第１の接続電極の第１の温度とその第１の温度よりも低い上記第２の接続電極の第２の温度との差により発生する上記熱電変換部の電力分が、上記光電変換部の上記第２の温度に対して上記第１の温度において減少する電力分よりも大きくなるように構成されてなる、複合発電装置が提供される。
上記態様によれば、太陽光による熱を吸収して、上記第２の温度から第１の温度への温度上昇による光電変換部の電力の損失分を超えて上記第１の温度と第２の温度との温度差によって熱電変換部において熱電変換による電力を得ることで、従来型の太陽電池よりもエネルギー変換効率を向上可能な複合発電装置を提供できる。
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る複合発電装置の概略構成を示す断面図である。図１を参照するに、本実施形態に係る複合発電装置１０は、光電変換を行う光電変換部１０Ａと、熱電変換を行う熱電変換部１０Ｂを備える。光電変換部１０Ａは、吸収層１１と、その太陽光を受光する第１面１１ａに第１電極１２と、第１面１１ａの裏側の第２面１１ｂに第２電極１３とを有する。熱電変換部１０Ｂは、熱電変換を行うＭ対のＰ型熱電変換素子２２(２２1～２２5)およびＮ型熱電変換素子２３(２３1～２３5)とを有する。ここで、Ｍは自然数であり、一例としてＭ＝５とした。
吸収層１１は、本実施形態では、単結晶系ｐｎ接合型半導体であるとして説明する。なお、後述するように、それに限定されるわけではない。吸収層１１は、第１面１１ａ側にｐ層１１ｐ、第２面１１ｂ側にｎ層１１ｎを有し、第１電極１２は正極になり、第２電極１３は負極になる。
赤外線吸収層１４および熱伝導層１５は、第２面１１ｂにこの順で設けられる。
熱伝導層１５には、複数の高温側接続電極２０が接触して設けられる。複数の高温側接続電極２０は、各々、互いに電気的に絶縁されている。図１では、高温側接続電極２０は、互いに接触しないように離隔して配置されている。なお、第２電極１３は高温側接続電極２０を兼ねている。
Ｍ対のＰ型熱電変換素子２２およびＮ型熱電変換素子２３は、各々の一端(図１では図面の上側の端部)が高温側接続電極２０に接触し、各々の他端が複数の低温側接続電極２１の一つと接触している。低温側接続電極２１のうち第１および第２出力電極２４、２５が、複合発電装置１０の電力を取り出す電極として配置される。なお、電力は電流Ｉoutと出力電圧Ｖとの積で表される。第１出力電極２４が、電流を負荷３０へ流す正極となり、第２出力電極２５が負荷３０から電流を受ける負極となる。低温側接続電極２１並びに第１および第２出力電極２４、２５は、低温体２６に接触するように配置される。低温体２６は、複合発電装置１０の動作時に高温側接続電極２０の温度よりも低い温度に保持される。
複合発電装置１０は、吸収層１１の第１面１１ａに配置された第１電極１２が、配線２８を介して図１の右側の高温側接続電極２０に電気的に接続され、吸収層１１の第２面１１ｂに配置された第２電極１３が左側の高温側接続電極２０に電気的に接続される。なお、この例では、第２電極１３が高温側接続電極２０を兼ねているが、別個に設けてもよい。５対のＰ型熱電変換素子２２およびＮ型熱電変換素子２３は、電気的に直列に接続されており、具体的には、右側の高温側接続電極２０から、Ｐ型熱電変換素子２２1、低温側接続電極２１、Ｎ型熱電変換素子２３1、・・・、Ｐ型熱電変換素子２２3、第１出力電極２４に電気的に直列に接続され、さらに、負荷３０を介して、第２出力電極２５、Ｎ型熱電変換素子２３3、高温側接続電極２０、Ｐ型熱電変換素子２２4、・・・、Ｎ型熱電変換素子２３5および左側の高温側接続電極２０(第２電極１３)に電気的に直列に接続される。
複合発電装置１０は、太陽光の受光により吸収層１１および赤外線吸収層１４の温度が上昇し、吸収層１１から直接伝導した熱と吸収層１１および赤外線吸収層１４から熱伝導層１５を介して伝導した熱とにより高温側接続電極２０の温度が上昇する(温度をＴHとする。)。低温側接続電極２１は、低温体２６(冷却手段として機能する。)によって環境温度Ｔc(低温側温度としてＴLとも称する。)に維持される。高温側接続電極２０と低温側接続電極２１とに接するＰ型熱電変換素子２２1～２２5およびＮ型熱電変換素子２３1～２３5は、その両端に温度差が生じることでゼーベック効果により電位差が発生し、それぞれ正孔、電子の拡散が高温側から低温側に生じて、巨視的に電流が流れる。このようにして熱電変換部１０Ｂにおいて電力が発生する。
他方、光電変換部１０Ａでは、吸収層１１において、太陽光の受光により光励起によって生じた電子正孔対が内部電界によって移動して、第１電極１２と第２電極１３との間に内部電圧が生じる。第１電極１２から電流が配線２８を介して熱電変換部１０Ｂ側に流れ、第２電極１３に戻ってくることで電力が発生する。吸収層１１は、受光前の温度(例えば、環境温度(温度ＴL))から、動作時の温度が上昇して高温(温度ＴH)になると、内部電圧が低下する。このようにして光電変換部１０Ａで発生する電力が動作時に低下する。複合発電装置１０は、熱電変換部１０Ｂで発生する電力分は、光電変換部１０Ａが低温側の温度ＴLにおいて発生する電力に対して高温側の温度ＴHになった場合に減少する電力分よりも大きくなるように熱電変換部１０Ｂが構成される。
図２は、本発明の一実施形態に係る複合発電装置の電気的な等価回路を示す図である。図２において、高温側接続電極２０と低温側接続電極２１の一部を省略している。
図２を図１と合わせて参照するに、複合発電装置１０は、図２の右側の熱電変換素子２２1～２２3、２３1～２３2と吸収層１１と、図２の左側の熱電変換素子２２4～２２5、２３3～２３5が直列に電気的に接続されている。先の図１に示したように、右側の熱電変換素子２２1～２２3、２３1～２３2も、左側の熱電変換素子２２4～２２5、２３3～２３5もＰ型熱電変換素子２２とＮ型熱電変換素子２３とが高温側接続電極２０または低温側接続電極２１を介して交互に直列に電気的に接続されている。
光電変換部１０Ａの吸収層１１では、電流として、受光により発生した正孔電子対による光生成成分Ｉsunと正孔電子対の輻射再結合による放射損失成分Ｉradがあり、この差分の電流Ｉが熱電変換素子２２、２３に流れる。吸収層１１で生じる内部電圧はＶcellで表される。放射損失成分Ｉradは内部電圧Ｖcellと吸収層１１の温度ＴH(吸収層１１は高温側温度になっているため)に依存する。
熱電変換部１０Ｂにおいて、第１電極１２と第１出力電極２４との間に接続された図２の右側の熱電変換素子２２、２３においては、熱電変換素子の数をＭ1とすると、ゼーベック効果によって発生する電圧は、温度差(ＴH－ＴL)とゼーベック係数αと熱電変換素子の数Ｍ1(図１ではＭ1＝５)によってαＭ1(ＴH－ＴL)で表される。一方、それらの熱電変換素子２２、２３における電圧降下は１つの熱電変換素子の電気抵抗Ｒを用いてＭ1Ｒと表される。したがって、右側の熱電変換素子２２、２３での正味の電圧はΔＶA＝Ｍ1(α(ＴH－ＴL)－ＲＩout)で表される。熱電変換部１０Ｂにおいて、第２電極１３と第２出力電極２５との間に接続された図２の左側のＭ2個の熱電変換素子２２、２３における正味の電圧は、同様にして、ΔＶB＝Ｍ2(α(ＴH－ＴL)－ＲＩout)で表される(図１ではＭ2＝５)。ただし、Ｍ1＋Ｍ2＝２Ｍである。
したがって、第１出力電極２４および第２出力電極２５との間の出力電圧Ｖは、Ｖcell＋２Ｍ(α(ＴH－ＴL)－ＲＩout)となる。出力電圧Ｖと電流Ｉoutの積が複合発電装置１０の出力(電力)となる。
なお、Ｍ1およびＭ2は、１以上であることが好ましい。すなわち、第１電極１２と接続された高温側接続電極２０と第１出力電極２４との間に少なくとも１個の熱電変換素子が接続されることが好ましい。高温側接続電極２０と第１出力電極２４とが直接あるいは導電体の配線で接続されると、熱電変換素子よりも電極および配線の方が熱伝導率が良好なため、高温側からの熱エネルギーが第１出力電極２４を介して低温体に放熱されてしまい、熱損失が生じてしまう。同様の理由により、第２電極１３(高温側接続電極２０を兼ねる。)と第２出力電極２５との間に少なくとも１個の熱電変換素子が接続されることが好ましい。
図１に戻り、吸収層１１は、半導体材料を含み、例えば、シリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、シリサイド半導体であるＢａＳｉ2、ＯｓＳｉ2、Ｃａ2Ｓｉ等、Ｓｅ、化合物半導体としては、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ等、多元系化合物混晶であるＡｌxＧａ1‐xＡｓ、ＧａxＩｎ1‐xＡｓ、ＩｎxＧａ1‐xＰ、ＩｎxＧａ1‐xＮ等、ペロブスカイト結晶構造を有する材料であるＭＡＰＩ(ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3)、この鉛(Ｐｂ)をＳｎやＧｅで置き換えた類似体、ホルムアミジニウムヨウ化鉛(ＦＡＰＩ)、複合ハライド(ＦＡ，ＭＡ)ＰｂＩ3(ＦＡＭＡＰＩ)、およびその類似体、ＣＩＧＳ系材料(Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｅ，Ｓを原料とする化合物)、ＣＺＴＳ系材料(Ｃｕ.Ｚｎ，Ｓｎ，Ｓを原料とする化合物)、有機系半導体(ポリチオフェン(Ｐ３ＨＴ)等)等を用いることができる。
吸収層１１は、太陽光が入射する第１面１１ａまたは反対側の第２面１１ｂあるいはその両方にテクスチャリングを施すことが光吸収が良好になる点で好ましい。
吸収層１１は、単結晶系ｐｎ接合型半導体としたが、ｐ型およびｎ型不純物をドープしてもよい。吸収層１１がＳｉの場合は、ドーパントとしては、ｐ型ドープ領域１１ｐは、例えばＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎを用いることができる。ｎ型ドープ領域１１ｎは、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂを用いることができる。これにより、吸収層１１で生成された電子は電子の伝導度の高いｎ型ドープ領域１１ｎを流れて第２電極１３に到達し、吸収層１１で生成された正孔は正孔の伝導度の高いｐ型ドープ領域１１ｐを流れて第１電極１２付近に到達する。
なお、吸収層１１は、その表面が露出する部分に、パッシベーション層(不図示)を形成してもよい。パッシベーション層は、例えば、アモルファスシリコン(ａ－Ｓｉ：Ｈ)、熱酸化膜(ＳｉＯ2)、シリコンナイトライド膜(ａ－Ｓｉ1‐xＮx：Ｈ)を用いることができる。
第１電極１２および第２電極１３は、導電性材料からなり、例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金、金等の金属およびこれらの合金、不純物イオンをドープしたケイ素等の半導体材料、酸化チタン(ＴｉＯ2)、スズ添加酸化インジウム(ＩＴＯ)、酸化亜鉛(ＺｎＯ)、酸化アルミニウム(Ａｌ2Ｏ3)、ＡＺＯ(ＺｎＯ：Ａｌ)、ＧＺＯ(ＺｎＯ：Ｇａ)、ＡＴＯ(ＳｎＯ2：Ｓｂ)、ＦＴＯ(ＳｎＯ2：Ｆ)、ＺｎＭｇＯ等の導電性金属酸化物およびそれらの混合物、導電性ペースト等から選択される。また、第１電極１２および第２電極１３は、それぞれ上記の互いに異なる導電性材料を積層してもよい。
赤外線吸収層１４は、赤外線の波長領域で吸収率の高い材料からなり、例えば、硝酸処理ＮｉＰメッキが施された部材、VANTAブラック、Metal Velvet(登録商標)等が挙げられる。吸収層１１を透過した光、特に赤外線を吸収して熱に変換することで、赤外線吸収層１４の温度が上昇し、それに接する熱伝導層１５を介して高温側接続電極２０を加熱することができる。なお、赤外線吸収層１４は設けた方が高温側接続電極２０を加熱するための熱量を得られる点で好ましいが設けなくともよい。
熱伝導層１５は、熱伝導が良好な材料からなる。熱伝導層１５は、接する赤外線吸収層１４あるいは吸収層１１からの熱を高温側接続電極２０に伝導する。熱伝導層１５は、少なくとも高温側接続電極２０に接する面が電気絶縁材料が形成されていることが好ましい。その代わりに熱伝導層１５自体が電気絶縁材料でもよい。熱伝導層１５は、例えば、熱良導体材料で電気絶縁材料である窒化アルミ(ＡｌＮ)層またはその板を用いることができる。
高温側および低温側接続電極２０、２１並びに第１および第２出力電極２４、２５は、導電性材料からなり、例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金、金等の金属およびこれらの合金を用いることができる。
Ｐ型熱電変換素子２２1～２２5およびＮ型熱電変換素子２３1～２３5は、公知の熱電変換材料を用いることができ、例えば、テルルビスマス(Ｂｉ2Ｔｅ3)系材料またはＰｂＴｅ材料を用いることができる。Ｐ型熱電変換素子２２1～２２5には、Ｂｉ2Ｔｅ3系材料の場合にはＳｂ2-xＢｉxＴｅ3、ＰｂＴｅ材料の場合にはアクセプタとして例えばナトリウム(Ｎａ)およびゲルマニウム(Ｇｅ)を添加した材料を用いることができる。また、Ｎ型熱電変換素子２３1～２３5には、Ｂｉ2Ｔｅ3系材料の場合にはＢｉ2Ｔｅ3-XＳｅ2-X、ＰｂＴｅ材料の場合にはドナーとして例えばヨウ化鉛(ＰｂＩ2)を添加した材料を用いることができる。
本実施形態によれば、複合発電装置１０は、光電変換部１０Ａと熱電変換部１０Ｂとを電気的に直列に接続することで、光電変換部１０Ａおよび熱電変換部１０Ｂで発生した電圧を足し合わせた出力電圧が得られ、熱電変換部１０Ｂで発生する電力分は、光電変換部１０Ａが低温側の温度ＴLにおいて発生する電力に対して高温側の温度ＴHになった場合に減少する電力分よりも大きくなるように熱電変換部１０Ｂが構成される。これにより、太陽光による熱を吸収して、温度ＴLから温度ＴHへの温度上昇による光電変換部１０Ａの電力の損失分を超えて温度ＴLと温度ＴHとの温度差によって熱電変換部１０Ｂにおいて熱電変換による電力を得ることで、従来型の太陽電池よりもエネルギー変換効率を向上可能な複合発電装置１０を提供できる。
なお、本実施形態の複合発電装置１０において、ｐ型およびｎ型の極性を反転した構成を適用してもよい。この構成は、具体的には、光電変換部１０Ａの吸収層１１のｐ層１１ｐおよびｎ層１１ｎを入れ替えて、熱電変換部１０ＢのＰ型熱電変換素子２２とＮ型熱電変換素子２３とを入れ替えたものである。この構成においても上述した複合発電装置１０と同様の作用効果を奏する。
図３は、本発明の一実施形態に係る複合発電装置の一実施例の概略構成を示す図であり、(ａ)はｘ軸方向に分解した斜視図、(ｂ)は吸収層を第２面から視た図である。図３(ａ)および(ｂ)を参照するに、一実施例の複合発電装置１００は、吸収層１１が第１面１１ａおよび第２面１１ｂに、それぞれ、グリッド状の第１電極１２、第２電極１３が設けられている。第１電極１２および第２電極１３は、ｙ方向に主線１２ａ、１３ａが延在し、主線１２ａ、１３ａからそれぞれｚ軸方向に支線１２ｂ、１３ｂが延在するように配置されている。
赤外線吸収層１４は、吸収層１１の第２面１１ｂの全体と接して設けられている。熱伝導層１５は、一方の主面が赤外線吸収層１４に接し、他方の主面が高温側接続電極２０に接して設けられている。
高温側接続電極２０は、互いに分離して配置されている。図示の便宜のためｙ軸方向およびｚ軸方向に互いに離間して配置されているが、互いに接触しないように近接して設けることが好ましい。また、互いに離間する空間に熱伝導性が良好で電気的に絶縁する材料を充填してもよい。これにより、熱伝導層１５から高温側接続電極２０への熱伝導性が良好となる。
Ｐ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３は、図３において上端面が高温側接続電極２０に接し、下端面が低温側接続電極２１と第１および第２出力電極２４、２５とに接するように設けられている。Ｐ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３は、円柱状でもよく、角柱状でもよい。
低温側接続電極２１と第１および第２出力電極２４、２５とは、互いに分離して配置されており、高温側接続電極２０と同様に配置してもよく、互いに離間する空間に熱伝導性が良好で電気的に絶縁する材料を充填してもよい。
低温体２６は、一方の主面が低温側接続電極２１と第１および第２出力電極２４、２５に接して設けられる。低温体２６は、図示のように平板状でもよく、図において下の面が放熱構造、例えば、突起を多数設けてもよく、公知のヒートシンクを設けてもよい。
複合発電装置１００は、吸収層１１の第１面１１ａの第１電極１２から配線２８を介して、高温側接続電極２０に電気的に接続され、Ｐ型熱電変換素子２２、低温側接続電極２１、Ｎ型熱電変換素子２３、高温側接続電極２０、…、Ｎ型熱電変換素子２３の順にＭ1個のＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３が交互に直列に電気的に接続され第１出力電極２４から一方の出力が取り出される。他方、複合発電装置１００は、吸収層１１の第２面１１ｂの第２電極１３から配線２８を介して、高温側接続電極２０に電気的に接続され、Ｎ型熱電変換素子２３、低温側接続電極２１、Ｐ型熱電変換素子２２、高温側接続電極２０、…、Ｐ型熱電変換素子２３の順にＭ2個のＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３が交互に直列に電気的に接続され第２出力電極２５から他方の出力が取り出される。
［本実施の形態に係る複合発電装置のエネルギー効率のシミュレーション］
本実施の形態に係る複合発電装置のエネルギー効率のシミュレーションを先の図１および図２を適宜参照しつつ説明する。
本実施の形態に係る複合発電装置のエネルギー効率のシミュレーションを先の図１および図２を適宜参照しつつ説明する。
本シミュレーションでは、吸収層１１は、その半導体材料のエネルギーバンドのバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を全て吸収することを仮定して、光励起による電流を光生成成分Ｉsunとする。吸収層１１内の輻射再結合による電流損失を放射損失成分Ｉradとする。この場合、吸収層１１の電流(電流密度で表す。)Ｉ(Ａ／ｍ2)では、式１で表される。
ここで、光生成成分Ｉsunは式２で表され、放射損失成分Ｉradは式３で表される。
ここで、ＣＲは集光倍率、ｑは電気素量、ｃは光速、Ｒsunは太陽の半径、ＬESは太陽と地球との距離、Ｅg
Aは吸収層１１の半導体材料のバンドギャップエネルギー、
はプランク定数であり、ｋBはボルツマン定数、Ｔsunは太陽表面温度であり６０００Ｋとし、Ｖcellは吸収層１１で生じる内部電圧である。
出力電圧Ｖと吸収層１１の内部電圧Ｖcell差は式４で表される。
ここで、断面積ＳCのＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３を流れる電流密度ｊe(Ａ／ｍ2)は、ｊe＝ＩＳA／ＳCで与えられるとし、熱電変換材料のゼーベック係数をα(Ｖ／Ｋ)、電気伝導率をσ(１／(Ωｍ))、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の高温側温度(ＴH)と低温側温度(ＴC)の温度差をΔＴ(＝ＴH－ＴC)、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の長さをＬc(高温側接続電極２０と接する端部と低温側接続電極２１の端部とを結ぶ方向に沿った長さ)
である。なお、Ｉは上述した吸収層１１の電流密度、ＳAは吸収層１１の断面積(電流が流れる方向に対して垂直な面の面積)(ｍ2)、Ｓ C はＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の断面積(ｍ2)である。
である。なお、Ｉは上述した吸収層１１の電流密度、ＳAは吸収層１１の断面積(電流が流れる方向に対して垂直な面の面積)(ｍ2)、Ｓ C はＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の断面積(ｍ2)である。
複合発電装置１０の動作時の温度差ΔＴは、式５の微分方程式を立式する。
Ｔ(Ｌc)＝Ｔc ・・・(６)
ｄＴ/ｄｘ(ｘ＝０)＝－ｊＱ／κ ・・・(７)
ここで、ｘ軸はＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の高温側の端部と低温側の端部とを結ぶ方向と平行に設定し、κはＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の熱伝導率(Ｗ／(ｍ・Ｋ))である。
ｄＴ/ｄｘ(ｘ＝０)＝－ｊＱ／κ ・・・(７)
ここで、ｘ軸はＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の高温側の端部と低温側の端部とを結ぶ方向と平行に設定し、κはＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３の熱伝導率(Ｗ／(ｍ・Ｋ))である。
式５を、式６および式７を境界条件として、解くことにより、式８が得られる。
ここで、ξは無次元量であり、式９により定義した。
ξ≡αｊe ＬC／κ ・・・(９)
ξ≡αｊe ＬC／κ ・・・(９)
式８において、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の高温側接続電極に接する端面から流入する１本当たりの熱流密度ｊQ(Ｗ／ｍ2)は式１０で表されるとした。
ｊＱ＝Ｑ/(２ＭＳC)
＝ＳA(Ｐsun－ＰT－Ｐrad(ＴH,Ｖcell)－ＩＶcell)/(２ＭＳC) ・・・(１０)ここで、熱流量Ｑ(Ｗ)は、吸収層１１における入射光分(Ｐsun)、透過光分(ＰT)および輻射再結合損失分(Ｐrad)のエネルギー流密度(Ｗ／ｍ2)を、それぞれ、下記式１１～１３とした。
ｊＱ＝Ｑ/(２ＭＳC)
＝ＳA(Ｐsun－ＰT－Ｐrad(ＴH,Ｖcell)－ＩＶcell)/(２ＭＳC) ・・・(１０)ここで、熱流量Ｑ(Ｗ)は、吸収層１１における入射光分(Ｐsun)、透過光分(ＰT)および輻射再結合損失分(Ｐrad)のエネルギー流密度(Ｗ／ｍ2)を、それぞれ、下記式１１～１３とした。
複合発電装置１０では、赤外線吸収層１４を設けているので、透過光分(ＰT)は全て熱に変換されたとして、式１０の代わりに式１４を用いる。
ｊＱ＝Ｑ/(２ＭＳC)
＝ＳA(Ｐsun－Ｐrad(ＴH,Ｖcell)－ＩＶcell)/(２ＭＳC) ・・・(１４)
ｊＱ＝Ｑ/(２ＭＳC)
＝ＳA(Ｐsun－Ｐrad(ＴH,Ｖcell)－ＩＶcell)/(２ＭＳC) ・・・(１４)
以上の立式により、複合発電装置１０の電流電圧特性(Ｉ－Ｖ特性)および式１５で表されるエネルギー変換効率ηをシミュレーションにより求めることができる。
η(％)＝１００×ＩＶ/Ｐsun ・・・(１５)
η(％)＝１００×ＩＶ/Ｐsun ・・・(１５)
上記式９で定義したξについて、ξ＜１の場合は、上記式８のξ≪１に対する漸近式として式１６の近似式を用いることができる。
式１６を上記式５に代入すると式１７が得られる。直列接続したＭ対のＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３によって、電圧上昇分は式１７、電力の増加分Ｇは式１８で表される。
ここで、λは、
λ≡(ＭｊQ／ｊe)×(ασ／κ) ・・・(１９)
により定義した。λは、１対の熱電変換素子２２、２３当たりの電気抵抗による電圧損失に対する、Ｍ対により得られる熱起電力の比(割合)を表す因子である。
λ≡(ＭｊQ／ｊe)×(ασ／κ) ・・・(１９)
により定義した。λは、１対の熱電変換素子２２、２３当たりの電気抵抗による電圧損失に対する、Ｍ対により得られる熱起電力の比(割合)を表す因子である。
式１８によれば、Ｍ／λ＜１の場合は、電力の増加分Ｇが正値になり、Ｍ対のＰ型およびＮ型熱電変換素子２２、２３を設けた効果が奏される。
他方、吸収層１１の温度(ＴH)が上昇すると、吸収層１１の太陽電池としての内部電圧Ｖcellが低下し、それによる電力の減少も生じるおそれがある。内部電圧Ｖcellの低下は開放電圧の低下に主に起因するとすれば、その電力の減少分Ｌ(Ｗ)は、式２０で表される。
ここで、Ｃ1は、光電変換部１０Ａ単体の太陽電池としての曲線因子をフィルファクタＦＦ、室温での開放電圧の温度係数を式２１で表されるとすると、式２２で表される。フィルファクタＦＦは、光電変換部１０Ａ単体の最大出力時の電圧Ｖmax、電流Ｉ(Ｖmax)、開放電圧をＶOC、短絡電流をＩshとしたときにＩ(Ｖmax)Ｖmax／ＶOCＩshで定義される。Ｃ1は、１対の熱電変換素子２２、２３当たりの熱起電力に対する、最大電力点における吸収層１１の内部電圧の温度変化の割合を表す因子である。
上記式１８および２０により、光電変換部１０Ａを単体で動作させた場合に対して、複合発電装置１０による正味の電力増加Ｇnetは式２３で表される。
式２３において、右辺の括弧内が正値になれば、光電変換部１０Ａ単体で動作させた場合よりも複合発電装置１０の電力が増加することになる。すなわち、
１－(Ｍ／λ＋Ｃ1／Ｍ)＞０ ・・・(２４)
である。
１－(Ｍ／λ＋Ｃ1／Ｍ)＞０ ・・・(２４)
である。
式２４の左辺のカッコ内の第１項は、１対のＰ型およびＮ型熱電変換素子２２，２３において、得られる熱起電力に対する電気抵抗による電圧損失の比であり、第２項は、１対のＰ型およびＮ熱電変換素子２２，２３において得られる熱起電力に対する、１対のＰ型およびＮ熱電変換素子当たりの(つまりＰ型およびＮ型熱電変換素子の対数Ｍで除した)最大電力点における光電変換部１０Ａの内部電圧の温度変化の割合である。この第１項と第２項との和が１よりも小さい場合に複合発電装置１０の出力電力が光電変換部１０Ａ単体で発電を行った場合の出力電力よりも多くなる。さらに、上記式２４を満たす範囲では、より低い温度でエネルギー変換効率を増加できる点でＭは大きい程好ましい。
シミュレーションでは、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子２２，２３にＢｉ2Ｔｅ3系材料を用いたとして、電気伝導率σ＝１０5(１／(Ωｍ))、熱伝導率κ＝１(Ｗ／(ｍＫ))、ゼーベック係数α＝０.０００２(Ｖ／Ｋ)を用いた。吸収層１１に結晶シリコン(エネルギーギャップＥｇ
Ａ／ｑ＝１.１２Ｖ)を想定し、環境温度Ｔｃ＝３００Ｋでの光電変換部１０Ａ単体での太陽電池特性パラメータをフィルファクタＦＦ＝０.８６９，開放電圧ＶOC＝０.８６８Ｖとした。複合発電装置１０が赤外線吸収層１４を備えていることにより、入射光エネルギーの約７０％(＝０.７×Ｐsun)が熱流となったとした。最大電力動作で吸収層１１における電流損失がほぼないことを想定した。なお、低温側接続電極の温度ＴLはＴｃと同じ３００Ｋとした。
計算の結果、上記式１９で定義したλが１７.９、上記式２２で定義したＣ１が１.８が得られた。これを用いて、上記式２３で表される複合発電装置１０による正味の電力増加Ｇnetの左辺に含まれる上記式２４の左辺(１－(Ｍ／λ＋Ｃ1／Ｍ))をＰ型およびＮ型熱電変換素子の対数Ｍの関数として計算した。
図４は、本発明の一実施形態に係る複合発電装置のパラメータの計算例を示す図である。図４において、横軸はＰ型およびＮ型熱電変換素子の対数Ｍ、縦軸は式２４の左辺(１－(Ｍ／λ＋Ｃ1／Ｍ))である。図４を参照するに、Ｍが３以上１５以下では(１－(Ｍ／λ＋Ｃ1／Ｍ))が０よりも大きくなっていることが分かる。このことから、３≦Ｍ≦１５の範囲でＭを選択することで、複合発電装置１０は、光電変換部１０Ａ単体の構成の太陽電池よりも大きなエネルギー変換効率が得られることが分かった。
図４において、(１－(Ｍ／λ＋Ｃ1／Ｍ))が０になる点が２カ所ある。それは、Ｍが小さい側がλ／２－((λ／２)2－λＣ1)1/2であり、大きい側がλ／２＋((λ／２)2－λＣ1)1/2である。このことおよび最適なＭの詳細な検討によれば、Ｍはλ／２に最も近い自然数が選択されることが、高温側の温度ＴHの上昇に対してエネルギー変換効率がより向上する点で、好ましい。
次に、Ｍ＝６および１０で、上記式２における集光倍率ＣＲを１(非集光)の場合、複合発電装置１０のエネルギー変換効率を計算した。
図５は、本発明の一実施形態に係る複合発電装置のエネルギー変換効率の計算例を示す図であり、図６は、図５に示した計算例の数値を示す図である。図５において、横軸は複合発電装置の出力電圧(Ｖ)であり、縦軸は複合発電装置のエネルギー変換効率η(％)である。図５および図６において、上記式(９)で定義されるξに含まれる複合発電装置１０の設計パラメータであるＰ型およびＮ型熱電変換素子の実効長ｌeff＝(ＳA／ＳC)ＬCを変えてξ＜１の範囲でξ1～ξ4について計算した。なお、ＳA、ＳCおよびＬCの定義は上記式４における定義と同様である。また、出力電圧が高い側(図５の右側)においてエネルギー変換効率ηが０になる出力電圧は、出力電流が０になる電圧であるから開放電圧ＶOCを表していることになる。
図５および図６を参照するに、複合発電装置のエネルギー変換効率ηは、Ｍ＝６でも１０でも、その最大値(最大エネルギー効率)が、従来の単接合型太陽電池のエネルギー変換効率ηの理論的限界である２９.５％よりも高くなっていることが分かる。特に、ξの増加に伴って、最大エネルギー効率ηmaxが上昇し、Ｍ＝６のξ4では３４％に達していることが分かる。開放電圧ＶOCも、ξの増加に伴って増加していることが分かる。以上のことから、複合発電装置１０は、従来の理論的限界を超えるエネルギー変換効率を達成できることが分かる。
さらに、図６において、Ｍ＝１０およびｌeff＝３.０において高温側温度(吸収層の温度)ＴHが４６６.９Ｋの場合、最大エネルギー変換効率ηmaxが３３.５％となり、他方、Ｍ＝６およびｌeff＝２.０で同様のＴHが４８８.５Ｋでηmaxが３２.４％となっている。これらのことから、上記式２４を満たす範囲ではＭが大きい程好ましいことが分かった。
図７は、比較例の複合発電装置のパラメータの計算例を示す図である。図７において、複合発電装置１０の電力が光電変換部１０Ａ単体で動作させた場合よりも増加しない場合、すなわち、上記式２４を満たしていない範囲でのＭ＝２および２０を用いた場合を比較例とした。
図７を参照するに、比較例のＭ＝２および２０のいずれの場合も、実効長ｌeff＝０.１の場合が最大エネルギー変換効率ηmaxが２９％であり他の実効長ｌeffではそれよりも低くなっている。このことから、上記式２４を満たしていない範囲では熱電変換部によるエネルギー変換効率を上昇させる効果がないことが分かる。
以上、本発明の実施形態および実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態および実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施形態に係る複合発電装置１０は、太陽光を受光する前提で説明したが、太陽光に限定されず、吸収層１１が光励起を生じる光であれば特に限定されない。
１０、１００ 複合発電装置
１０Ａ 光電変換部
１０Ｂ 熱電変換部
１１ 吸収層
１２ 第１電極
１３ 第２電極
１４ 赤外線吸収層
１５ 熱伝導層
２０ 高温側接続電極
２１ 低温側接続電極
２２、２２1～２２5 Ｐ型熱電変換素子
２３、２３1～２３5 Ｎ型熱電変換素子
２４ 第１出力電極
２５ 第２出力電極
２６ 低温体
１０Ａ 光電変換部
１０Ｂ 熱電変換部
１１ 吸収層
１２ 第１電極
１３ 第２電極
１４ 赤外線吸収層
１５ 熱伝導層
２０ 高温側接続電極
２１ 低温側接続電極
２２、２２1～２２5 Ｐ型熱電変換素子
２３、２３1～２３5 Ｎ型熱電変換素子
２４ 第１出力電極
２５ 第２出力電極
２６ 低温体
Claims (8)
- 受光する第１の面とその裏側の第２の面を有する吸収層であって、該第１の面に設けられた第１の電極と該第２の面に設けられた第２の電極とを有する該吸収層を含む光電変換部と；
前記第２の面に設けられた熱伝導層と、
前記熱伝導層に、互いに電気的に絶縁されて設けられた複数の第１の接続電極と、
複数の第２の接続電極と、
Ｍ対のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子であって、各々の一端が前記複数の第１の接続電極のうちの一つと接触し、その他端が前記複数の第２の接続電極のうちの一つに接触する、ただしＭは自然数である、該Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子と、前記Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子のうちの一つの他端に接触する第１および第２の出力電極と、を含む熱電変換部と；
を備え、
前記第１の電極と前記複数の第１の接続電極の一つとが電気的に接続され、
前記第２の電極と前記複数の第１の接続電極の他の一つとが電気的に接続され、
前記Ｍ対のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子の各々が前記第１の接続電極と前記第２の接続電極を介して接続され、前記第１および第２の出力電極を出力電極として前記光電変換部と前記Ｍ対のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続されてなり、
前記Ｍは、式１を満たすように選択されてなる、複合発電装置；
１－(Ｍ／λ＋Ｃ1／Ｍ)＞０・・・(１)
ここで、λは１対の前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の電気抵抗による電圧損失に対する前記Ｍ対の前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子により得られる熱起電力の割合を表す因子であり式２で表され、Ｃ1は、１対の熱電変換素子において得られる熱起電力に対する、最大電力点における光電変換部の内部電圧の温度変化の割合を表す因子であり式３で表され、
λ＝(ＭｊQ／ｊe)×(ασ／κ) ・・・(２)
式（３）中のパラメータは、ｄＶOC／ｄＴは光電変換部の開放電圧の温度特性、ＦＦは光電変換部の電流－電圧特性のフィルファクタ、αはＰ型およびＮ型熱電変換素子のゼーベック係数(Ｖ／Ｋ)である。 - 前記Ｍは、λ／２に最も近い自然数が選択されてなる、請求項１記載の複合発電装置。
- 式４を満たす範囲でその式中の各パラメータが選択されてなる、請求項１または２記載の複合発電装置；
ξ＝αｊeＬc／κ＜１ ・・・(４)
ここで、式中のパラメータはＰ型およびＮ型熱電変換素子のパラメータであり、ｊeはＰ型およびＮ型熱電変換素子の１つあたりの電流密度(Ａ／ｍ2)、αはゼーベック係数(Ｖ／Ｋ)、κは熱伝導率(Ｗ／(ｍＫ))、Ｌcは前記第１の接続電極と接する端部と前記第２の接続電極の端部とを結ぶ方向に沿った長さ(ｍ)である。 - 前記第１の電極と接続された前記第１の接続電極と前記第１の出力電極との間に少なくとも１個のＰ型熱電変換素子またはＮ型熱電変換素子が接続され、前記第２の電極と接続された前記第１の接続電極と前記第２の出力電極との間に少なくとも１個のＰ型熱電変換素子またはＮ型熱電変換素子が接続されてなる、請求項１～３のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
- 前記熱伝導層は電気絶縁材料からなる請求項１～４のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
- 前記吸収層と前記熱伝導層との間に赤外線吸収層をさらに備える、請求項１～５のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
- 前記第２の電極が前記複数の第１の接続電極の他の一つを兼ねてなる、請求項１～６のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
- 前記複数の第２の接続電極に接する冷却手段をさらに備える、請求項１～７のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
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