WO2018070326A1 - 光起電装置 - Google Patents

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WO2018070326A1
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photoelectric conversion
conversion unit
optical system
wavelength
photovoltaic device
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邦裕 中野
恒 宇津
山本　憲治
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株式会社カネカ
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a photovoltaic device.
  • Non-Patent Document 1 discloses a high-efficiency solar battery cell and a low-cost solar battery cell arranged on the outer peripheral side of the high-efficiency solar battery cell.
  • a condensing lens is disposed on the incident surface side of the high-efficiency solar cell and low-cost solar cell, and the direct sunlight collected by the condensing lens is received by the high-efficiency solar cell, The structure which receives the diffused sunlight which passed the condensing lens with a low cost photovoltaic cell is disclosed.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and its purpose is to reduce the cost of photovoltaic devices.
  • a photovoltaic device includes a condensing optical system that generates chromatic aberration, a first photoelectric conversion unit disposed on an optical axis of the condensing optical system, and light of the condensing optical system.
  • a second photoelectric conversion unit disposed on the outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit as viewed from the axial direction and having a band gap lower than the band gap of the first photoelectric conversion unit, The photoelectric conversion unit is disposed inside a rectangle circumscribing the condensing region of the longest wavelength light that can be absorbed, which is determined based on the band gap.
  • the first photoelectric conversion unit may be arranged in a condensing region of the longest wavelength light.
  • the first photoelectric conversion unit has the maximum spectral sensitivity at the first wavelength
  • the second photoelectric conversion unit is the first photoelectric conversion unit.
  • the first photoelectric conversion unit may be disposed at a position close to the optical optical system.
  • the first photoelectric conversion unit is closer to the condensing optical system than the focal position of the first wavelength or the focal position of the first wavelength. It may be arranged in a position.
  • the light receiving surface of the first photoelectric conversion unit or the second photoelectric conversion unit may have an antireflection film.
  • the light receiving surface of the first photoelectric conversion unit or the second photoelectric conversion unit may have a texture structure.
  • the spectral sensitivity of the second photoelectric conversion unit is 30% of the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit at the first wavelength. That's all.
  • a light reflecting member may be disposed on the outer peripheral side of the second photoelectric conversion unit.
  • the conversion efficiency of the first photoelectric conversion unit may be higher than the conversion efficiency of the second photoelectric conversion unit.
  • the first photoelectric conversion portion is made of cadmium sulfide, amorphous silicon, indium gallium phosphide, perovskite semiconductor, cadmium telluride, or gallium arsenide. Any of these materials may be included.
  • the shape of the first photoelectric conversion unit may be a rectangle when viewed from the light collecting optical system side.
  • the second photoelectric conversion unit is any one of germanium, copper indium selenide, crystalline silicon, polycrystalline silicon, and microcrystalline silicon. Materials may be included.
  • the shape of the second photoelectric conversion unit may be an octagon when viewed from the light collecting optical system side.
  • the condensing region of the longest wavelength light may be a condensing region of parallel light along the optical axis of the condensing optical system.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a photovoltaic device according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a spectral sensitivity diagram of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a top view showing the arrangement relationship between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a top view showing the arrangement relationship between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit according to another example of the present embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the photovoltaic device according to this embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing another example of the photovoltaic device according to this embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing another example of the photovoltaic device according to this embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing another example of the photovoltaic device according to this embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a photovoltaic device according to this embodiment.
  • the photovoltaic device 1 includes a condensing optical system 10, a first photoelectric conversion unit 11 that receives light emitted from the condensing optical system 10, and a second photoelectric conversion unit 12.
  • the first photoelectric conversion unit 11 is disposed on the optical axis of the condensing optical system 10
  • the second photoelectric conversion unit 12 is disposed on the outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit 11.
  • the condensing optical system 10 is composed of a single convex lens in the present embodiment.
  • the condensing optical system 10 should just be a structure which has chromatic aberration and condenses incident light. Therefore, the condensing optical system 10 may be composed of a combination of a plurality of lenses, or a combination of a convex lens and a concave lens.
  • the focal position changes depending on the wavelength of incident light.
  • the focal point of the short wavelength light 21 in the outgoing light of the condensing optical system 10 is located on the condensing optical system 10 side as compared with the focal point of the long wavelength light 22.
  • the condensing optical system 10 Of the short-wavelength light 21 incident parallel to the optical axis of the condensing optical system 10, light passing through the center of the condensing optical system 10 is emitted onto the optical axis of the condensing optical system 10 and is subjected to the first photoelectric conversion. Incident on the part 11. The light passing through the outer peripheral side of the condensing optical system 10 is refracted by the condensing optical system 10, intersects with the optical axis at the focal position of the short wavelength light 21, and behind the focal position of the short wavelength light 21 with the optical axis. Proceed in the direction of leaving.
  • the long wavelength light 22 incident parallel to the optical axis of the condensing optical system 10 the light passing through the center of the condensing optical system 10 is emitted on the optical axis in the same manner as the short wavelength light 21, and the first photoelectric The light enters the converter 11.
  • the light passing through the outer peripheral side of the condensing optical system 10 is refracted by the condensing optical system 10.
  • the refractive index of the long wavelength light 22 is smaller than the refractive index of the short wavelength light 21, the long wavelength light 22 does not intersect the optical axis in the first focal plane f1 including the focal point of the short wavelength light 21. It has a spread.
  • the long wavelength light 22 is focused at a position farther from the condensing optical system 10 than the focal point of the short wavelength light 21.
  • FIG. 2 is a spectral sensitivity diagram of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit according to the present embodiment.
  • a solar cell having a higher band gap than the second photoelectric conversion unit 12 is used.
  • cadmium sulfide, amorphous silicon, indium gallium phosphide, perovskite semiconductor, cadmium telluride, A material such as gallium arsenide is used.
  • a gallium arsenide solar cell is used as the first photoelectric conversion unit 11.
  • the spectral sensitivity 110 of the gallium arsenide solar cell has sensitivity in a wavelength range of 300 nm to 900 nm, for example, and has a high spectral sensitivity in a wavelength range of about 700 nm to 850 nm. The maximum is around 800 nm. Note that the value of the spectral sensitivity may vary depending on various design conditions.
  • the band gap of gallium arsenide is 1.43 eV, and 866.993 nm which is a value obtained by dividing 1239.8 by this band gap value is absorbed by gallium arsenide which is the first photoelectric conversion unit 11. It is defined as the longest wavelength possible. That is, carrier excitation in the first photoelectric conversion unit 11 includes carrier excitation due to light energy and carrier excitation due to, for example, thermal energy other than light. For example, the spectral sensitivity 110 shown in FIG. However, the longest wavelength that can be absorbed by the first photoelectric conversion unit 11 in the present disclosure is defined as a longest wavelength that can be carrier-excited by light energy, which is determined by a band gap.
  • the spectral sensitivity 110 of the gallium arsenide solar cell used as the first photoelectric conversion unit 11 is maximum, for example, in the vicinity of a wavelength of 800 nm.
  • the wavelength at which the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit 11 is maximum is defined as the first wavelength, and is displayed as the short wavelength light 21 in FIG.
  • the second photoelectric conversion unit 12 is configured using a material having a band gap lower than that of the first photoelectric conversion unit 11, and has spectral sensitivity in a wide wavelength region such as a wavelength of 300 nm to 1100 nm.
  • the second photoelectric conversion unit 12 is configured using a material such as germanium, copper indium selenide, crystalline silicon, polycrystalline silicon, or microcrystalline silicon. In the present embodiment, a crystalline silicon solar cell is used as the second photoelectric conversion unit 12.
  • the spectral sensitivity 120 of the crystalline silicon solar cell used as the second photoelectric conversion unit 12 has sensitivity in a wide wavelength range such as a wavelength of 300 nm to 1100 nm, and particularly a long wavelength such as a wavelength of 700 nm to 1050 nm. High spectral sensitivity in the region.
  • the spectral sensitivity 120 of the crystalline silicon solar cell used as the second photoelectric conversion unit 12 is maximum at a wavelength of 1000 nm on the longer wavelength side than the first wavelength.
  • the wavelength at which the spectral sensitivity of the second photoelectric conversion unit 12 is maximum is defined as the second wavelength, and is displayed as the long wavelength light 22 in FIG. Note that the value of the spectral sensitivity may vary depending on various design conditions.
  • the band gap of the crystalline silicon solar cell is 1.13 eV.
  • FIG. 3 is a top view showing an arrangement relationship between the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 according to the present embodiment.
  • the shape of the second photoelectric conversion unit 12 is an octagon inscribed in a circle, and the long side and the short side are alternately arranged.
  • the length between the opposing long sides is about 10 cm to 16 cm, and the length of the short side is about 5 mm to 3 cm.
  • the first photoelectric conversion unit 11 has a substantially square shape with sides having a length of about 5 mm to 2 cm.
  • the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 are arranged so that the short sides of the four second photoelectric conversion units 12 face the four sides of the first photoelectric conversion unit 11. .
  • the second photoelectric conversion unit 12 is disposed on the outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit 11.
  • the first photoelectric conversion unit 11 is disposed inside a rectangle 51 that circumscribes the condensing region 41 of the longest wavelength light that can be absorbed, which is determined based on the band gap.
  • the condensing circle of 866.993 nm which is the longest wavelength light that can be absorbed by the gallium arsenide, corresponds to the condensing region 41 of the longest wavelength light.
  • the first photoelectric conversion unit 41 can absorb the longest wavelength light that can be absorbed and is determined based on the band gap. It is desirable to arrange the conversion unit 11. With such a configuration, light in a wavelength range in which the first photoelectric conversion unit 11 can contribute to power generation can be received on all the light receiving surfaces of the first photoelectric conversion unit 11 during the south-central time.
  • the shape of the 1st photoelectric conversion part 11 and the 2nd photoelectric conversion part 12 is not restricted to the above-mentioned shape and size,
  • the 2nd photoelectric conversion part 12 is arrange
  • both the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 have a rectangular shape, and a plurality of second photoelectric conversion units 12 are arranged around the first photoelectric conversion unit 11. May be.
  • the second photoelectric conversion unit 12 when a crystalline silicon solar cell is used as the second photoelectric conversion unit 12, it is desirable that the second photoelectric conversion unit 12 has an octagonal shape inscribed in a circle as shown in FIG. As a result, it is possible to realize a configuration in which a useless gap is reduced when a large-sized wafer is cut out from a cylindrical crystal silicon ingot with a limited number of cuts and arranged on a panel.
  • FIG. 3 shows an example of an electrical connection relationship between the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12.
  • the four second photoelectric conversion units 12 are connected in series by a wiring 33.
  • the four second photoelectric conversion units 12 connected in series are connected in parallel to the first photoelectric conversion unit 11 by the wiring 33 and the wiring 34.
  • the first photoelectric conversion unit 11 has a higher spectral sensitivity on the short wavelength side than the spectral sensitivity of the second photoelectric conversion unit 12, and as shown in FIG. It is necessary to arrange the first photoelectric conversion unit 11 at a position where the short wavelength light 21 from the light is condensed. That is, the condensing optical system 10 and the first photoelectric conversion unit 11 are arranged with a distance corresponding to the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit 11.
  • the first wavelength, which is the short wavelength light 21, is condensed on the first focal plane f1
  • the second wavelength, which is the long wavelength light 22 is condensed on the second focal plane f2.
  • the third plane f3 located slightly closer to the first focal plane f1 than the second focal plane f2.
  • the short wavelength light 21 is always located closer to the optical axis than the long wavelength light 22, and the short wavelength light 21 is The light is condensed on the inner peripheral side with respect to the long wavelength light 22.
  • the long wavelength light 22 is always positioned closer to the optical axis than the short wavelength light 21, and the short wavelength light 21 is converted to the long wavelength light 22. Light is received on the outer periphery side.
  • the condensing degree of the short wavelength light 21 and the long wavelength light 22 If the first photoelectric conversion unit 11 is arranged at a position closer to the condensing optical system 10 than the third plane f3 with equal, the emitted light corresponding to the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit 11 is the first The photoelectric conversion unit 11 can receive light.
  • the long wavelength light 22 is not collected as much as the short wavelength light 21, and the light receiving region of the long wavelength light 22 is widened. Therefore, the long wavelength light 22 can be received by the second photoelectric conversion unit 12 that is disposed on the outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit 11 and has high spectral sensitivity in the long wavelength region.
  • the chromatic aberration of the condensing optical system 10 is positively used, whereby the short-wavelength light 21 is contributed to carrier excitation by the first photoelectric conversion unit 11 and is long. Since the wavelength light 22 can be contributed to carrier excitation by the second photoelectric conversion unit 12, light in a wide wavelength range can be contributed to power generation. As a result, high power generation efficiency can be realized.
  • the 1st photoelectric conversion part 11 is the condensing optical system 10 rather than the 1st focal plane f1 or the 1st focal plane f1 rather than between the 3rd plane f3 and the 1st focal plane f1. It is desirable to arrange at a position close to. The reason for this is that, as shown in FIG. 1, the wavelength between the first focal plane f1 and the condensing optical system 10 is longer than that between the first focal plane f1 and the third plane f3. This is because the light receiving region of the light 22 has a spread, so that the second photoelectric conversion unit 12 that obtains high spectral sensitivity for the long wavelength light 22 can efficiently absorb the long wavelength light 22.
  • the first photoelectric conversion unit 11 or the second photoelectric conversion unit 12 has an antireflection film or has a texture structure that is fine unevenness
  • the wavelength 800 nm is described as the first wavelength
  • the wavelength 1000 nm is described as the second wavelength.
  • the first wavelength at which the first photoelectric conversion unit 11 has the maximum spectral sensitivity and the second wavelength at which the second photoelectric conversion unit 12 has the maximum spectral sensitivity are both general short wavelength light. Even if both are general long wavelength light, the effect of this indication can be acquired. For example, even if both the first wavelength and the second wavelength are general short wavelength light, or both are general long wavelength light, the first wavelength is compared with the second wavelength. If the first wavelength is shorter than the second wavelength, the first focal plane f1 on which the focal point of the first wavelength is located as shown in FIG. It is closer to the condensing optical system 10 than the second focal plane f2 located.
  • the first photoelectric conversion unit 11 having the maximum spectral sensitivity on the short wavelength side as compared with the second photoelectric conversion unit 12 is arranged on the inner peripheral side in the light receiving region, and the second photoelectric conversion unit 12 is If it is arranged on the outer periphery side in the light receiving region, the above-described effects can be obtained.
  • light incident obliquely on the optical axis of the condensing optical system 10 can also contribute to power generation and contribute to improvement of power generation efficiency in the entire photovoltaic device 1. . This will be specifically described below.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the photovoltaic device according to this embodiment, and shows a state in which light is incident obliquely with respect to the optical axis of the condensing optical system 10.
  • the condensing position of parallel light incident obliquely on the optical axis of the condensing optical system 10 is different from the condensing position of parallel light incident parallel to the optical axis. Therefore, depending on the size of the first photoelectric conversion unit 11, the short wavelength light 21 obliquely incident on the optical axis of the condensing optical system 10 is not condensed in the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 11 The light may be condensed in the photoelectric conversion unit 12.
  • the crystalline silicon solar cell as the second photoelectric conversion unit 12 has spectral sensitivity not only in the long wavelength range but also in the short wavelength range of 300 nm to 800 nm. This is because the band gap of the second photoelectric conversion unit 12 is lower than the band gap of the first photoelectric conversion unit 11, so that the short wavelength light 21 having high energy can be absorbed and contribute to carrier excitation. It is because it can do.
  • the spectral sensitivity of the second photoelectric conversion unit 12 is 90% of the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit 11 at a wavelength of 800 nm at which the spectral sensitivity 110 of the first photoelectric conversion unit 11 is maximum. %.
  • the light receiving position of the long wavelength light 22 incident obliquely on the optical axis of the condensing optical system 10 also moves. At least a part of the long wavelength light 22 has a high spectral sensitivity in the long wavelength region. It can be absorbed by the photoelectric conversion unit 12, and the long wavelength light 22 can be contributed to carrier excitation.
  • both the short-wavelength light 21 and the long-wavelength light 22 incident obliquely on the optical axis of the condensing optical system 10 can contribute to power generation, and the power generation efficiency of the entire photovoltaic device 1 is improved. It can be made.
  • the second photoelectric conversion unit 12 disposed on the outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit 11 and having high spectral sensitivity in the long wavelength region can efficiently contribute to power generation.
  • the conversion efficiency of the first photoelectric conversion unit 11 is preferably higher than the conversion efficiency of the second photoelectric conversion unit 12.
  • the incident angle of sunlight in the vicinity of the south-central time when the intensity of the incident light is the strongest does not have a large inclination with respect to the optical axis of the condensing optical system 10. For this reason, the focal position of the short wavelength light 21 in the light emitted from the condensing optical system 10 is not greatly separated from the optical axis, but is condensed on the first photoelectric conversion unit 11. Therefore, by setting the conversion efficiency of the first photoelectric conversion unit 11 to be higher than the conversion efficiency of the second photoelectric conversion unit 12, the sunlight near the south and middle time when the intensity of the incident light is the highest can be efficiently photoelectricized. As a result, the power generation amount in the entire photovoltaic device 1 can be increased.
  • a gallium arsenide positive battery is used as the first photoelectric conversion unit 11 and a crystalline silicon solar cell is used as the second photoelectric conversion unit 12.
  • the band of the second photoelectric conversion unit 12 is used. As long as the gap is lower than the band gap of the first photoelectric conversion unit 11, other solar cell combinations may be used.
  • the second photoelectric conversion unit 12 when a combination of other solar cells is used as the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12, at the first wavelength at which the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit 11 is maximized.
  • the spectral sensitivity of the second photoelectric conversion unit 12 is desirably 30% or more of the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit 11.
  • the spectral sensitivity 110 of the gallium arsenide solar cell is maximized, for example, near a wavelength of 800 nm.
  • this gallium arsenide solar cell is used as the first photoelectric conversion unit 11 and a crystalline silicon solar cell is used as the second photoelectric conversion unit 12, the spectral sensitivity of the second photoelectric conversion unit 12 near the wavelength of 800 nm is Since it is about 90% of the spectral sensitivity of the 1st photoelectric conversion part 11, it can be said that it is a combination suitable for this indication.
  • the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 are arranged on the same plane.
  • the arrangement surface of the photoelectric conversion unit 11 and the arrangement surface of the second photoelectric conversion unit 12 may be different.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing another example of the photovoltaic device according to this embodiment.
  • the second photoelectric conversion unit 12 when the conversion efficiency of the first photoelectric conversion unit 11 is higher than the conversion efficiency of the second photoelectric conversion unit 12, the second photoelectric conversion unit 12 is connected to the first photoelectric conversion unit 11.
  • the second photoelectric conversion unit 12 may be arranged at a position farther from the condensing optical system 10 than the first photoelectric conversion unit 11 so as not to prevent the light reception.
  • the second photoelectric conversion unit 12 when the conversion efficiency of the first photoelectric conversion unit 11 is lower than the conversion efficiency of the second photoelectric conversion unit 12, the second is closer to the condensing optical system 10 than the first photoelectric conversion unit 11.
  • the photoelectric conversion unit 12 may be arranged. This is because the second photoelectric conversion unit 12 can efficiently absorb the long-wavelength light 22 in which the light receiving region spreads on the condensing optical system 10 side.
  • the second photoelectric conversion unit 12 is disposed below the first photoelectric conversion unit 11 and the first photoelectric conversion is viewed from the optical axis direction of the condensing optical system 10.
  • the configuration may be provided on the outer peripheral side of the portion 11.
  • the second photoelectric conversion unit 12 is also arranged on the optical axis of the condensing optical system 10, but at least from the optical axis direction of the condensing optical system 10. It only has to be arranged on the outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit 11 as viewed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing another example of the photovoltaic device according to the present embodiment.
  • the photovoltaic device 1 includes a plurality of condensing optical systems 10, a plurality of first photoelectric conversion units 11 that receive light emitted from the plurality of condensing optical systems 10, and a plurality of first photoelectric conversion units 11. 2 photoelectric conversion units 12.
  • a first photoelectric conversion unit 11 is arranged on the optical axis of each condensing optical system 10, and a second photoelectric conversion unit 12 is arranged on the outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit 11. Yes.
  • the condensing optical system 10 is a wide-angle lens that combines a concave meniscus lens 10A disposed on the incident side and a plano-convex lens 10B disposed on the exit side.
  • the concave surface of the concave meniscus lens 10A faces the emission side, and is combined so that the convex surface of the plano-convex lens 10B is in contact with the concave surface of the concave meniscus lens 10A.
  • the diameter of the concave meniscus lens 10A is larger than the diameter of the plano-convex lens 10B.
  • the curvature of the incident-side curved surface of the concave meniscus lens 10A is smaller than the curvature of the incident-side curved surface of the plano-convex lens 10B.
  • the concave meniscus lens 10A has a flat surface on the outer peripheral side of the exit-side concave surface, and the flat surface of the plano-convex lens 10B protrudes more on the output side than the flat surface of the concave meniscus lens 10A.
  • the outer periphery of the concave meniscus lens 10A has a rounded rectangular shape, and the outer periphery of the plano-convex lens 10B has a circular shape.
  • a plurality of condensing optical systems 10 are arranged in an array, and the outer peripheral surface of a certain concave meniscus lens 10A is disposed so as to be in contact with the outer peripheral surface of another adjacent concave meniscus lens 10A. ing.
  • FIG. 4 is a top view showing an arrangement relationship between the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 according to the present embodiment. Since FIG. 4 is a view as seen from the exit side of the condensing optical system 10, the boundary positions of the plurality of condensing optical systems 10 are indicated by a one-dot chain line. Note that FIG. 7 described above shows a cross section taken along line VII-VII in FIG.
  • the outer shape of one condensing optical system 10 has a substantially rectangular shape. Inside the outer shape of the condensing optical system 10 is a first photoelectric conversion unit 11 and an outer peripheral side of the first photoelectric conversion unit 11. It arrange
  • the light reflecting member 13 is disposed on the outer peripheral side of the four second photoelectric conversion units 12 and is provided so as to surround the entire four second photoelectric conversion units 12.
  • the boundary of the condensing optical system 10 is located above the light reflecting member 13, and is disposed so as to straddle the boundary position between two adjacent condensing optical systems 10.
  • the first photoelectric conversion unit 11 is arranged with a distance corresponding to the spectral sensitivity of the first photoelectric conversion unit 11 with respect to the condensing optical system 10, and the optical axis of the condensing optical system 10.
  • the short-wavelength light 21A incident parallel to the light is collected.
  • description thereof is omitted.
  • the wide-angle lens capable of causing the first photoelectric conversion unit 11 to receive the short wavelength light 21B and 21C obliquely incident on the optical axis of the condensing optical system 10 is a condensing optical system. Used as system 10.
  • the short wavelength light 21 ⁇ / b> A incident parallel to the optical axis of the condensing optical system 10 and passing through the center of the condensing optical system 10 proceeds on the optical axis as it is and is received by the first photoelectric conversion unit 11.
  • the short-wavelength light 21B incident at a predetermined angle with respect to the optical axis of the condensing optical system 10 and incident at a position shifted from the center of the condensing optical system 10 is incident on the incident surface of the concave meniscus lens 10A. After being refracted, the light is further refracted on the incident surface of the plano-convex lens 10 ⁇ / b> B and received by the first photoelectric conversion unit 11.
  • the short wavelength light 21C incident at an angle close to 90 degrees with respect to the optical axis of the condensing optical system 10 and incident on the end of the condensing optical system 10 is refracted on the incident surface of the concave meniscus lens 10A. Further, the light is further refracted on the incident surface of the plano-convex lens 10 ⁇ / b> B and is received by the first photoelectric conversion unit 11.
  • the short wavelength light 21A parallel to the optical axis of the condensing optical system 10 can also contribute to carrier excitation in the first photoelectric conversion unit 11, and as a result, high power generation efficiency can be realized.
  • the first photoelectric conversion unit 11 can also handle short-wavelength light of sunlight in which the incident angle with respect to the optical axis of the condensing optical system 10 varies depending on the time zone without using a tracking system. Can contribute to carrier excitation, and high power generation efficiency can be realized at low cost.
  • the curvature of the curved surface on the incident side of the lens disposed on the incident side is the incident side of the lens disposed on the output side. It is desirable that the curvature is smaller than the curvature of the curved surface. Thereby, it is possible to prevent a certain condensing optical system 10 from blocking incident light to another condensing optical system 10.
  • the condensing optical system 10 Even when a wide-angle lens is used for the condensing optical system 10 as described above, short-wavelength light is received by the first photoelectric conversion unit 11 depending on the incident position and incident angle of the light to the condensing optical system 10. Instead, the light may be received by the second photoelectric conversion unit 12. However, by setting the second photoelectric conversion unit 12 to have a band gap lower than that of the first photoelectric conversion unit 11, short-wavelength light that is not received by the first photoelectric conversion unit 11 can be converted into the second photoelectric conversion unit 11. This can contribute to carrier excitation in the converter 12.
  • the emitted light is arranged in the arrangement region of the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12. Most of the light is received, and the emitted light is hardly received on the outer peripheral side of the second photoelectric conversion unit 12 in some cases.
  • the light reflection member 13 is disposed on the outer peripheral side of the second photoelectric conversion unit 12, so that light is received on the outer peripheral side of the second photoelectric conversion unit 12.
  • a small amount of incident light 23 is reflected by the light reflecting member 13 and also reflected on the flat surface on the exit side of the condensing optical system 10, so that the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 are reflected. May be configured to receive light. By adopting such a configuration, the cost of the photovoltaic device 1 can be reduced without unnecessarily increasing the area of the second photoelectric conversion unit 12.
  • the light reflecting member 13 can be a metal foil such as an aluminum foil.
  • the photovoltaic device of the present disclosure has an advantage that the efficiency of photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit can be improved, and is useful.

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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

光起電装置
　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。
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。 図３は本実施形態に係る第１の光電変換部と第２の光電変換部の配置関係を示す上面図である。 図４は本実施形態の他の実施例に係る第１の光電変換部と第２の光電変換部の配置関係を示す上面図である。 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る。 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８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。
　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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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