JPWO2018070326A1 - 光起電装置 - Google Patents
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Abstract
本開示に係る光起電装置は、色収差を生じる集光光学系と、前記集光光学系の光軸上に配置される第１の光電変換部と、前記集光光学系の光軸方向から見て前記第１の光電変換部の外周側に配置され、前記第１の光電変換部のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する第２の光電変換部と、を備え、第１の光電変換部は、バンドギャップに基づいて決定される吸収できる最長波長光の集光領域に外接する矩形の内側に配置される。
Description
本発明は、光起電装置に関する。
下記非特許文献１には、高効率太陽電池セルと、この高効率太陽電池セルの外周側に配置された低コスト太陽電池セルとが開示されている。また、高効率太陽電池セル、低コスト太陽電池セルの入射面側には、集光レンズが配置されており、集光レンズで集光された直接太陽光は高効率太陽電池セルで受光し、集光レンズを通過した拡散太陽光は低コスト太陽電池セルで受光する構成が開示されている。
Noboru Yamada等著、「Maximization of conversion efficiency based on global normal irradiance using hybrid concentrator photovoltaic architecture」、PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS、２０１６年 ｐ．８４６−８５４
しかし、従来の光起電装置では、光起電装置全体としての低コスト化が難しかった。即ち、上記従来の構成では、集光された拡散太陽光を高効率太陽電池にて受光させるため、高コストである高効率太陽電池の面積を一定程度担保する必要があった。
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光起電装置の低コスト化である。
（１）本開示に係る光起電装置は、色収差を生じる集光光学系と、前記集光光学系の光軸上に配置される第１の光電変換部と、前記集光光学系の光軸方向から見て前記第１の光電変換部の外周側に配置され、前記第１の光電変換部のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する第２の光電変換部と、を備え、第１の光電変換部は、バンドギャップに基づいて決定される吸収できる最長波長光の集光領域に外接する矩形の内側に配置される。
（２）上記（１）における光起電装置では、前記第１の光電変換部は、前記最長波長光の集光領域内に配置されてもよい。
（３）上記（１）〜（２）における光起電装置では、前記第１の光電変換部が第１の波長で最大の分光感度を有し、前記第２の光電変換部が前記第１の波長よりも長波長側の第２の波長で最大の分光感度を有し、前記第１の波長と前記第２の波長の集光度が等しくなる前記光軸に垂直な平面よりも、前記集光光学系に近い位置に前記第１の光電変換部が配置されていてもよい。
（４）上記（３）における光起電装置では、前記第１の光電変換部が、前記第１の波長の焦点位置、又は前記第１の波長の焦点位置よりも前記集光光学系に近い位置に配置されてもよい。
（５）上記（１）〜（４）における光起電装置では、前記第１の光電変換部又は前記第２の光電変換部の受光面が反射防止膜を有してもよい。
（６）上記（１）〜（４）における光起電装置では、前記第１の光電変換部又は前記第２の光電変換部の受光面がテクスチャ構造を有してもよい。
（７）上記（１）〜（６）における光起電装置では、前記第２の光電変換部の分光感度は、前記第１の波長において、前記第１の光電変換部の分光感度の３０％以上でもよい。
（８）上記（１）〜（７）における光起電装置では、前記第２の光電変換部の外周側には、光反射部材が配置されてもよい。
（９）上記（１）〜（８）における光起電装置では、前記第１の光電変換部の変換効率が、前記第２の光電変換部の変換効率よりも高くてもよい。
（１０）上記（１）〜（９）における光起電装置では、前記第１の光電変換部は、硫化カドミウム、アモルファスシリコン、リン化インジウムガリウム、ペロブスカイト半導体、テルル化カドミウム、ヒ化ガリウムの内のいずれかの材料を含んでもよい。
（１１）上記（１０）における光起電装置では、前記第１の光電変換部の形状は、集光光学系側から見て長方形でもよい。
（１２）上記（１）〜（１１）における光起電装置では、前記第２の光電変換部は、ゲルマニウム、セレン化銅インジウム、結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコンの内のいずれかの材料を含んでもよい。
（１３）上記（１２）における光起電装置では、前記第２の光電変換部の形状は、集光光学系側から見て八角形でもよい。
（１４）上記（１）〜（１３）における光起電装置では、前記最長波長光の集光領域は、前記集光光学系の光軸に沿った平行光の集光領域であってもよい。
本開示の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。
図１は、本実施形態に係る光起電装置の概略を示す断面図である。
図１に示すように、光起電装置１は、集光光学系１０と、集光光学系１０からの出射光を受光する第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２とを有する。第１の光電変換部１１は集光光学系１０の光軸上に配置されており、第２の光電変換部１２は第１の光電変換部１１の外周側に配置されている。
集光光学系１０は、本実施の形態においては１枚の凸レンズにより構成している。なお、集光光学系１０は色収差を有し、入射光を集光する構成であればよい。そのため、集光光学系１０は、複数のレンズの組み合わせで構成してもよく、凸レンズと凹レンズの組み合わせでもよい。
集光光学系１０が色収差を有しているため、入射する光の波長によってその焦点位置が変わる。集光光学系１０の出射光における短波長光２１の焦点は、長波長光２２の焦点と比較して、集光光学系１０側に位置する。
集光光学系１０の光軸に平行に入射した短波長光２１の内、集光光学系１０の中心を通る光は、集光光学系１０の光軸上に出射され、第１の光電変換部１１に入射する。集光光学系１０の外周側を通る光は、集光光学系１０により屈折され、短波長光２１の焦点位置において光軸と交わり、短波長光２１の焦点位置よりも後方において、光軸と離れる方向に進む。
集光光学系１０の光軸に平行に入射した長波長光２２の内、集光光学系１０の中心を通る光は、短波長光２１と同様に光軸上に出射され、第１の光電変換部１１に入射する。集光光学系１０の外周側を通る光は、集光光学系１０により屈折される。その際、長波長光２２の屈折率は短波長光２１の屈折率よりも小さいため、長波長光２２は、短波長光２１の焦点を含む第１の焦平面ｆ１においては光軸と交わらずに広がりを有している。そして、長波長光２２は、短波長光２１の焦点よりも集光光学系１０から離れた位置において焦点を結ぶ。
なお、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２において吸収された光は、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２の後方に進むわけではないが、図１では焦点位置等の説明の便宜上、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２の後方における短波長光２１、長波長光２２の出射方向を示している。
以下、図２を用いて第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２について説明する。
図２は、本実施形態に係る第１の光電変換部と第２の光電変換部の分光感度図である。
第１の光電変換部１１としては、第２の光電変換部１２によりも高いバンドギャップを有する太陽電池を用いており、例えば硫化カドミウム、アモルファスシリコン、リン化インジウムガリウム、ペロブスカイト半導体、テルル化カドミウム、ヒ化ガリウムなどの材料を用いて構成する。本実施形態においては、第１の光電変換部１１としてヒ化ガリウム太陽電池を用いる。
図２に示すように、ヒ化ガリウム太陽電池の分光感度１１０は、例えば波長３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲に感度を有し、およそ波長７００ｎｍ〜８５０ｎｍといった波長域に高い分光感度を有しており、波長８００ｎｍ付近で最大となる。なお、この分光感度の値は、各種設計の条件等により変化しうる。
ここで、ヒ化ガリウムのバンドギャップは１．４３ｅＶであり、１２３９．８をこのバンドギャップの値で割った値である８６６．９９３ｎｍが、第１の光電変換部１１であるヒ化ガリウムが吸収できる最長波長であると定義する。即ち、第１の光電変換部１１におけるキャリア励起には、光エネルギーによるキャリア励起と、光以外の例えば熱エネルギーなどによるキャリア励起があるため、例えば、図２に示す分光感度１１０は９００ｎｍ付近まで感度を有するが、本開示における第１の光電変換部１１が吸収できる最長波長とは、バンドギャップで決定される、光エネルギーによりキャリア励起しうる最長波長であると定義する。
上述したとおり、第１の光電変換部１１として用いるヒ化ガリウム太陽電池の分光感度１１０は、例えば波長８００ｎｍ付近において最大となっている。この第１の光電変換部１１の分光感度が最大となる波長を第１の波長と定義し、図１において短波長光２１として表示する。
第２の光電変換部１２は、第１の光電変換部１１よりも低いバンドギャップを有する材料を用いて構成しており、例えば、波長３００ｎｍ〜１１００ｎｍといった広波長域に分光感度を有する。第２の光電変換部１２は、例えばゲルマニウム、セレン化銅インジウム、結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコンなどの材料を用いて構成する。本実施形態においては、第２の光電変換部１２として結晶シリコン太陽電池を用いる。
図２に示すように、第２の光電変換部１２として用いる結晶シリコン太陽電池の分光感度１２０は、例えば、波長３００ｎｍ〜１１００ｎｍといった広波長域に感度を有し、特に波長７００ｎｍ〜１０５０ｎｍといった長波長域に高い分光感度を有している。そして、第２の光電変換部１２として用いる結晶シリコン太陽電池の分光感度１２０は第１の波長よりも長波長側の波長１０００ｎｍにおいて最大となっている。この第２の光電変換部１２の分光感度が最大となる波長を第２の波長と定義し、図１において長波長光２２として表示する。なお、この分光感度の値は、各種設計の条件等により変化しうる。なお、結晶シリコン太陽電池のバンドギャップは、１．１３ｅＶである。
以下、第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２の配置関係について説明する。
図３は、本実施形態に係る第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２の配置関係を示す上面図である。
本実施形態においては、図３に示すように、第２の光電変換部１２の形状は円に内接する八角形であり、長辺と短辺とが交互に配置される形状をしている。対向する長辺間の長さはおよそ１０ｃｍ〜１６ｃｍ程度であり、短辺の長さはおよそ５ｍｍ〜３ｃｍ程度である。第１の光電変換部１１は、およそ５ｍｍ〜２ｃｍ程度の長さの辺を持つ略正方形状をしている。第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２は、第１の光電変換部１１の４辺に、４つの第２の光電変換部１２の短辺が対向するように配置されている。このような構成により、第１の光電変換部１１の外周側に第２の光電変換部１２が配置される。
ここで、第１の光電変換部１１は、バンドギャップに基づいて決定される吸収できる最長波長光の集光領域４１に外接する矩形５１の内側に配置される。本実施形態においては、上述したヒ化ガリウムが吸収できる最長波長光である８６６．９９３ｎｍの集光円が、上記最長波長光の集光領域４１に該当する。このような構成とすることにより、一般的に高コストになりがちな第１の光電変換部１１の面積を極力小さくし、且つ第１の光電変換部１１の発電に寄与しうる波長範囲を、第１の光電変換部１１おいて最大限吸収させる構成を実現することができる。
なお、更に第１の光電変換部１１の面積を更に小さくする場合は、図３に示すように、バンドギャップに基づいて決定される吸収できる最長波長光の集光領域４１内に第１の光電変換部１１を配置することが望ましい。このような構成にすれば、南中時における第１の光電変換部１１の受光面全てにおいて、第１の光電変換部１１が発電に寄与しうる波長範囲の光を受光させることができる。
なお、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２の形状は上述の形状、サイズに限らず、第２の光電変換部１２が第１の光電変換部１１の外周側に配置される構成であればかまわない。例えば、第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２が双方とも長方形状をしており、第１の光電変換部１１の周囲に、複数の第２の光電変換部１２を配置してもよい。
ただし、第２の光電変換部１２として結晶シリコン太陽電池を用いる場合には、図３に示すように、第２の光電変換部１２が円に内接する八角形状であることが望ましい。これにより、円柱状の結晶シリコンインゴットから、限られたカット数で、面積の大きいウエハを切り取りながら、且つパネルに並べたときにも無駄なすき間が小さくなる構成を実現することができる。
また、図３は第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２の電気的接続関係の一例を示している。４つの第２の光電変換部１２は配線３３により直列に接続されている。直列に接続された４つの第２の光電変換部１２は、配線３３と配線３４によって第１の光電変換部１１と並列に接続されている。
次に、集光光学系１０と第１の光電変換部１１との配置関係について説明する。
第１の光電変換部１１は、上述のとおり、第２の光電変換部１２の分光感度と比較して短波長側に高い分光感度を有するため、図１に示すように、集光光学系１０からの短波長光２１が集光される位置に第１の光電変換部１１を配置する必要がある。即ち、集光光学系１０と第１の光電変換部１１とが、第１の光電変換部１１の分光感度に応じた距離を隔てて配置されている。
図１に示すように、短波長光２１である第１の波長は第１の焦平面ｆ１において集光され、長波長光２２である第２の波長は第２の焦平面ｆ２において集光される。そして、第１の焦平面ｆ１と第２の焦平面ｆ２との間に位置する第３の平面ｆ３において、短波長光２１と長波長光２２との集光度が等しくなる。第３の平面ｆ３は第２の焦平面ｆ２よりもやや第１の焦平面ｆ１側に位置している。
この第３の平面ｆ３よりも集光光学系１０に近い位置においては、図１に示すように、常に短波長光２１は長波長光２２よりも光軸側に位置し、短波長光２１が長波長光２２よりも内周側に集光される。逆に、第３の平面ｆ３よりも第２の焦平面ｆ２に近い位置においては、常に長波長光２２は短波長光２１よりも光軸側に位置し、短波長光２１が長波長光２２よりも外周側において受光される。
従って、短波長域に分光感度を有する第１の光電変換部１１を集光光学系１０の光軸上に配置する本開示の構成においては、短波長光２１と長波長光２２との集光度が等しくなる第３の平面ｆ３よりも集光光学系１０に近い位置に第１の光電変換部１１を配置すれば、第１の光電変換部１１の分光感度に応じた出射光を第１の光電変換部１１に受光させることができる。
また、第３の平面ｆ３よりも集光光学系１０に近い位置においては、長波長光２２が短波長光２１ほど集光されず、長波長光２２の受光領域が広がりを有している。そのため、第１の光電変換部１１の外周側に配置され、長波長域に高い分光感度を有する第２の光電変換部１２に、長波長光２２を受光させることができる。
このように、本開示の構成によれば、集光光学系１０の色収差を積極的に利用することで、短波長光２１を第１の光電変換部１１にてキャリア励起に寄与させるとともに、長波長光２２を第２の光電変換部１２にてキャリア励起に寄与させることができるため、広い波長範囲の光を発電に寄与させることができる。その結果として、高い発電効率を実現することができる。
なお、第１の光電変換部１１は、第３の平面ｆ３と第１の焦平面ｆ１との間よりも、第１の焦平面ｆ１、又は第１の焦平面ｆ１よりも集光光学系１０に近い位置に配置することが望ましい。その理由は、図１に示すように、第１の焦平面ｆ１と第３の平面ｆ３との間よりも、第１の焦平面ｆ１から集光光学系１０までの間の方が、長波長光２２の受光領域が広がりを有するため、長波長光２２について高い分光感度を得る第２の光電変換部１２が、この長波長光２２を効率よく吸収することができるためである。
なお、第１の光電変換部１１、又は第２の光電変換部１２の受光面が、反射防止膜を有するか、微細な凹凸であるテクスチャ構造を有すると、第１の光電変換部１１、又は第２の光電変換部１２の受光面における反射を抑制することができ望ましい。
なお、本実施形態においては、波長８００ｎｍを第１の波長とし、波長１０００ｎｍを第２の波長として説明したが、本開示はこの波長範囲に限定されない。また、第１の光電変換部１１が最大の分光感度を有する第１の波長と、第２の光電変換部１２が最大の分光感度を有する第２の波長が、双方とも一般的な短波長光、あるいは双方とも一般的な長波長光であっても、本開示の効果を得ることができる。例えば、第１の波長と第２の波長の双方が一般的な短波長光、又は双方が一般的な長波長光であったとしても、この第１の波長と第２の波長とを比較し、第１の波長が第２の波長よりも短波長であるならば、図１に示したように第１の波長の焦点が位置する第１の焦平面ｆ１は、第２の波長の焦点が位置する第２の焦平面ｆ２よりも集光光学系１０に近くなる。
そして、図１に示すように、第１の波長と第２の波長との集光度が等しくなる第３の平面ｆ３よりも集光光学系１０に近い位置に受光領域がある場合においては、その内周側で第１の波長の光が受光され、外周側で第２の波長の光が受光される。したがって、第２の光電変換部１２と比較して短波長側にその最大の分光感度を有する第１の光電変換部１１を受光領域における内周側に配置し、第２の光電変換部１２を受光領域における外周側に配置すれば、上述の効果を得ることができる。
さらに、本開示の構成によれば、集光光学系１０の光軸に斜めに入射してきた光についても発電に寄与させ、光起電装置１全体での発電効率の向上に貢献することができる。以下、具体的に説明する。
図５は、本実施形態に係る光起電装置の概略を示す断面図であり、集光光学系１０の光軸に対して光が斜めに入射してきた状態を示している。
集光光学系１０の光軸に斜めに入射してきた平行光の集光位置は、光軸に平行に入射してきた平行光の集光位置とは異なる。そのため、第１の光電変換部１１の大きさによっては、集光光学系１０の光軸に斜めに入射した短波長光２１が、第１の光電変換部１１において集光されず、第２の光電変換部１２において集光されることがある。
ここで、図２に示したように、第２の光電変換部１２である結晶シリコン太陽電池は長波長域のみならず、波長３００ｎｍ〜８００ｎｍといった短波長域にも分光感度を有する。これは、第２の光電変換部１２のバンドギャップが第１の光電変換部１１のバンドギャップよりも低いため、高いエネルギーを有する短波長光２１を吸収することができ、キャリア励起に寄与させることができるためである。本実施の形態においては、第１の光電変換部１１の分光感度１１０が最大となる波長８００ｎｍにおいて、第２の光電変換部１２の分光感度が、第１の光電変換部１１の分光感度の９０％程度となっている。
また、集光光学系１０の光軸に斜めに入射してきた長波長光２２の受光位置も移動するが、少なくともこの長波長光２２の一部は長波長域に高い分光感度を有する第２の光電変換部１２により吸収させることができ、長波長光２２をキャリア励起に寄与させることができる。
その結果として、集光光学系１０の光軸に斜めに入射してきた短波長光２１、長波長光２２の双方を発電に寄与させることができ、光起電装置１全体としての発電効率を向上させることができるのである。
また、朝日や夕日など、太陽光が集光光学系１０の光軸に対して斜めに入射するようになると、長波長成分が多くなるが、このような長波長成分が多い斜め入射の太陽光についても、第１の光電変換部１１の外周側に配置され、且つ長波長域に高い分光感度を有する第２の光電変換部１２により効率よく発電に寄与させることができるのである。
なお、第１の光電変換部１１の変換効率は第２の光電変換部１２の変換効率よりも高いことが望ましい。入射光の強度が最も強い、南中時刻付近の太陽光の入射角度は、集光光学系１０の光軸に対して大きな傾きを持たない。そのため、集光光学系１０からの出射光における短波長光２１の焦点位置は光軸から大きく離れることがなく、第１の光電変換部１１に集光される。したがって、第１の光電変換部１１の変換効率が第２の光電変換部１２の変換効率よりも高い構成としておくことにより、入射光の強度が最も強い南中時刻付近の太陽光を効率よく光電変換させることができ、その結果として、光起電装置１全体における発電量を大きくすることができる。
なお、本実施形態においては、第１の光電変換部１１としてヒ化ガリウム陽電池を用い、第２の光電変換部１２として結晶シリコン太陽電池を用いたが、第２の光電変換部１２のバンドギャップが第１の光電変換部１１のバンドギャップよりも低い構成であれば、その他の太陽電池の組み合わせでもかまわない。
ただし、第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２として、他の太陽電池の組み合わせを用いる場合には、第１の光電変換部１１の分光感度が最大となる第１の波長において、第２の光電変換部１２の分光感度が、第１の光電変換部１１の分光感度の３０％以上であることが望ましい。このような構成にすることにより、集光光学系１０の光軸に斜めに入射してきた短波長光２１の集光位置が移動しても、第２の光電変換部１２により短波長光２１を効率よく吸収し、キャリア励起に寄与させることができる。
図２を用いて上述したとおり、ヒ化ガリウム太陽電池の分光感度１１０は、例えば、波長８００ｎｍ付近で最大となる。このヒ化ガリウム太陽電池を第１の光電変換部１１として用い、結晶シリコン太陽電池を第２の光電変換部１２として用いた場合、波長８００ｎｍ付近における第２の光電変換部１２の分光感度が、第１の光電変換部１１の分光感度の９０％程度であるため、本開示に適した組み合わせであるといえる。
なお、上述の説明においては、図１に示すように、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２の配置面を同一面としたが、図６に示すように、第１の光電変換部１１の配置面と第２の光電変換部１２の配置面とを異ならせる構成としてもかまわない。
図６は、本実施形態に係る光起電装置における他の実施例の概略を示す断面図である。
図６に示すように、第１の光電変換部１１の変換効率が第２の光電変換部１２の変換効率よりも高い場合には、第２の光電変換部１２が第１の光電変換部１１の受光を妨げることが無いよう、第１の光電変換部１１よりも集光光学系１０から離れた位置に第２の光電変換部１２を配置してもよい。
ただし、第１の光電変換部１１の変換効率が第２の光電変換部１２の変換効率よりも低い場合には、第１の光電変換部１１よりも集光光学系１０に近い位置に第２の光電変換部１２を配置してもよい。集光光学系１０側においてその受光領域が広がる長波長光２２を効率よく第２の光電変換部１２で吸収させることができるためである。
また、図８に示すように、第２の光電変換部１２が、第１の光電変換部１１の下方に配置され、且つ集光光学系１０の光軸方向から見て、第１の光電変換部１１の外周側に設けられる構成としてもかまわない。この図８に示す構成においては、第２の光電変換部１２が、集光光学系１０の光軸上にも配置された構成を示しているが、少なくとも集光光学系１０の光軸方向から見て第１の光電変換部１１の外周側に配置されていればよい。
図７は、本実施形態に係る光起電装置における他の実施例の概略を示す断面図である。
図７に示すように、光起電装置１は、複数の集光光学系１０と、複数の集光光学系１０からの出射光を受光する複数の第１の光電変換部１１、複数の第２の光電変換部１２とを有する。各集光光学系１０の光軸上には第１の光電変換部１１がそれぞれ配置されており、この第１の光電変換部１１の外周側には第２の光電変換部１２が配置されている。
本実施の形態においては、集光光学系１０が、入射側に配置された凹メニスカスレンズ１０Ａと、出射側に配置された平凸レンズ１０Ｂとを組み合わせた広角レンズである。凹メニスカスレンズ１０Ａの凹面が出射側を向いており、この凹メニスカスレンズ１０Ａの凹面に、平凸レンズ１０Ｂの凸面が接するように組み合わされている。凹メニスカスレンズ１０Ａの直径の方が、平凸レンズ１０Ｂの直径よりも大きい。凹メニスカスレンズ１０Ａの入射側曲面の曲率の方が、平凸レンズ１０Ｂの入射側曲面の曲率よりも小さい。凹メニスカスレンズ１０Ａは出射側の凹面の外周側に平坦面を有しており、平凸レンズ１０Ｂの平坦面が、凹メニスカスレンズ１０Ａの平坦面よりも出射側に突出している。凹メニスカスレンズ１０Ａの外周は丸みを帯びた矩形状となっており、平凸レンズ１０Ｂの外周は円形状となっている。
本実施の形態においては、複数の集光光学系１０がアレイ状に配置されており、ある凹メニスカスレンズ１０Ａの外周面が、隣り合う他の凹メニスカスレンズ１０Ａの外周面と接するように配置されている。
以下、本実施例の第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２の配置関係について説明する。
図４は、本実施例に係る第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２の配置関係を示す上面図である。図４は集光光学系１０の出射側から見た図であるため、複数の集光光学系１０の境界位置は一点鎖線により表示される。なお、上述した図７は、この図４のVII−VII線における断面を示す。
なお、第１の光電変換部１１と第２の光電変換部１２との配置関係は上述のとおりであるため、説明を割愛する。
図４、７を用いて、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２と、光反射部材１３、集光光学系１０の配置関係について説明する。
１つの集光光学系１０の外形は略矩形状をしており、この集光光学系１０の外形の内側に、第１の光電変換部１１と、この第１の光電変換部１１の外周側に配置された４つの第２の光電変換部１２とが収まるように配置している。
４つの第２の光電変換部１２の外周側には光反射部材１３が配置されており、４つの第２の光電変換部１２の全体を囲うように設けられている。
図７に示すように、光反射部材１３の上方には集光光学系１０の境界が位置しており、隣り合う２つの集光光学系１０の境界位置を跨ぐように配置されている。
第１の光電変換部１１は上述のとおり、集光光学系１０に対して第１の光電変換部１１の分光感度に応じた距離を隔てて配置されており、集光光学系１０の光軸に平行に入射する短波長光２１Ａが集光される。なお、第１の光電変換部１１の分光感度に応じた、集光光学系１０と第１の光電変換部１１との配置関係については上述のとおりであるため、説明を割愛する。
本実施の形態においては、集光光学系１０の光軸に対して斜めに入射した短波長光２１Ｂ、２１Ｃについても第１の光電変換部１１に受光させることが可能な広角レンズを集光光学系１０として用いている。集光光学系１０の光軸に平行に入射し、且つ集光光学系１０の中央を通過した短波長光２１Ａはそのまま光軸上を進み、第１の光電変換部１１にて受光される。集光光学系１０の光軸に対して所定の角度を持って入射し、且つ集光光学系１０の中央からずれた位置に入射した短波長光２１Ｂは、凹メニスカスレンズ１０Ａの入射面にて屈折した後、平凸レンズ１０Ｂの入射面において更に大きく屈折し、第１の光電変換部１１にて受光される。集光光学系１０の光軸に対して９０度に近い角度で入射し、且つ集光光学系１０の端部に入射した短波長光２１Ｃは、凹メニスカスレンズ１０Ａの入射面にて屈折した後、平凸レンズ１０Ｂの入射面において更に大きく屈折し、第１の光電変換部１１にて受光される。
このように、本開示の構成によれば、集光光学系１０の光軸に平行な短波長光２１Ａのみならず、散乱光のように光軸に対して斜めに入射する短波長光２１Ｂ、２１Ｃをも、第１の光電変換部１１にてキャリア励起に寄与させることができ、その結果として、高い発電効率を実現することができる。
また、本開示の構成によれば、追尾システムを用いなくとも、時間帯によって集光光学系１０の光軸に対する入射角度が変化する太陽光の短波長光についても、第１の光電変換部１１にてキャリア励起に寄与させることができ、高い発電効率を低コストで実現することができる。
なお、広角レンズの構成は上述の構成に限られないが、図７に示したように、入射側に配置されたレンズの入射側の曲面の曲率が、出射側に配置されたレンズの入射側の曲面の曲率よりも小さいことが望ましい。これにより、ある集光光学系１０が、他の集光光学系１０への入射光を遮ることを抑制することができる。
なお、このように集光光学系１０に広角レンズを用いた場合においても、集光光学系１０への光の入射位置、入射角度によっては、短波長光が第１の光電変換部１１において受光されず、第２の光電変換部１２において受光されることがある。しかし、第２の光電変換部１２が第１の光電変換部１１よりも低いバンドギャップを有する構成としておくことで、第１の光電変換部１１に受光されなかった短波長光を第２の光電変換部１２におけるキャリア励起に寄与させることができる。
なお、図７に示すように、集光光学系１０からの出射光の受光位置の変化が小さい場合には、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２の配置領域において出射光の大部分が受光され、第２の光電変換部１２の外周側においてはほとんど出射光が受光されないような場合がある。このような場合には、図７に示すように、第２の光電変換部１２の外周側に光反射部材１３を配置することにより、第２の光電変換部１２の外周側にて受光されるわずかな入射光２３を光反射部材１３により反射させ、且つ集光光学系１０の出射側の平坦面での反射も利用して、第１の光電変換部１１、第２の光電変換部１２にて受光させる構成としてもよい。このような構成とすることにより、第２の光電変換部１２の面積を不必要に大きくすることがなく、光起電装置１の低コスト化を実現することができる。この光反射部材１３には、アルミ箔のような金属箔等を用いることができる。
本開示の光起電装置は、光電変換部における光電変換の効率を向上させることができるというメリットを有し、有用である。
Claims (14)
- 色収差を生じる集光光学系と、前記集光光学系の光軸上に配置される第１の光電変換部と、前記集光光学系の光軸方向から見て前記第１の光電変換部の外周側に配置され、前記第１の光電変換部のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する第２の光電変換部と、を備え、第１の光電変換部は、バンドギャップに基づいて決定される吸収できる最長波長光の集光領域に外接する矩形の内側に配置される、光起電装置。
- 前記第１の光電変換部は、前記最長波長光の集光領域内に配置される、請求項１に記載の光起電装置。
- 前記第１の光電変換部が第１の波長で最大の分光感度を有し、前記第２の光電変換部が前記第１の波長よりも長波長側の第２の波長で最大の分光感度を有し、前記第１の波長と前記第２の波長の集光度が等しくなる前記光軸に垂直な平面よりも、前記集光光学系に近い位置に前記第１の光電変換部が配置される、請求項１又は２に記載の光起電装置。
- 前記第１の光電変換部が、前記第１の波長の焦点位置、又は前記第１の波長の焦点位置よりも前記集光光学系に近い位置に配置される、請求項３に記載の光起電装置。
- 前記第１の光電変換部又は前記第２の光電変換部の受光面が反射防止膜を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の光起電装置。
- 前記第１の光電変換部又は前記第２の光電変換部の受光面がテクスチャ構造を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の光起電装置。
- 前記第２の光電変換部の分光感度は、前記第１の波長において、前記第１の光電変換部の分光感度の３０％以上である、請求項１乃至６のいずれかに記載の光起電装置。
- 前記第２の光電変換部の外周側には、光反射部材が配置される、請求項１乃至７のいずれかに記載の光起電装置。
- 前記第１の光電変換部の変換効率が、前記第２の光電変換部の変換効率よりも高い、請求項１乃至８のいずれかに記載の光起電装置。
- 前記第１の光電変換部は、硫化カドミウム、アモルファスシリコン、リン化インジウムガリウム、ペロブスカイト半導体、テルル化カドミウム、ヒ化ガリウムの内のいずれかの材料を含む、請求項１乃至９のいずれかに記載の光起電装置。
- 前記第１の光電変換部の形状は、集光光学系側から見て長方形である、請求項１０に記載の光起電装置。
- 前記第２の光電変換部は、ゲルマニウム、セレン化銅インジウム、結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコンの内のいずれかの材料を含む、請求項１乃至１１のいずれかに記載の光起電装置。
- 前記第２の光電変換部の形状は、集光光学系側から見て八角形である、請求項１２に記載の光起電装置。
- 前記最長波長光の集光領域は、前記集光光学系の光軸に沿った平行光の集光領域である、請求項１乃至１３のいずれかに記載の光起電装置。
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