WO2020129539A1 - 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 PDF

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WO2020129539A1
WO2020129539A1 PCT/JP2019/045804 JP2019045804W WO2020129539A1 WO 2020129539 A1 WO2020129539 A1 WO 2020129539A1 JP 2019045804 W JP2019045804 W JP 2019045804W WO 2020129539 A1 WO2020129539 A1 WO 2020129539A1
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WO
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thermoelectric conversion
electrode
type thermoelectric
conversion element
power generation
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PCT/JP2019/045804
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健仁 上出
敏光 望月
秀尚 高遠
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/052—Cooling means directly associated or integrated with the PV cell, e.g. integrated Peltier elements for active cooling or heat sinks directly associated with the PV cells
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the present invention relates to a combined power generation device that generates solar energy using photoelectric conversion and thermoelectric conversion.
  • the energy conversion efficiency of a solar cell is said to be about 29.5% according to the Shockley-Quiser theory when using a non-concentrating silicon single light absorber.
  • Multijunction solar cells and hot carrier solar cells have been proposed as solar cells that exceed energy conversion efficiency.
  • the hot carrier solar cell has a principle that hot carriers are taken out to an electrode before thermal relaxation occurs, and it is difficult to realize the structure, and the principle has not been demonstrated yet.
  • the present inventors have proposed the concept of a heat recovery type solar cell (for example, see Non-Patent Document 1).
  • Heat recovery solar cells do not require hot carriers to be removed before they experience thermal relaxation. Therefore, the heat recovery solar cell has an advantage that a wide range of light absorber materials can be used.
  • thermoelectric conversion module a technique for improving the energy conversion efficiency of a solar cell by combining a solar cell and a thermoelectric conversion module is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the output voltage improves as the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side increases.
  • An object of the present invention is to provide a combined power generation device capable of improving energy conversion efficiency.
  • an absorption layer having a first surface for receiving light and a second surface behind the first surface, the first electrode provided on the first surface and the second surface.
  • a photoelectric conversion part including the absorption layer having a second electrode provided on the heat conduction layer; and a heat conduction layer provided on the second surface, and the heat conduction layer electrically insulated from each other.
  • thermoelectric conversion unit including first and second output electrodes that are in contact with the other end of one of the thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element; and the first electrode and the plurality of first electrodes.
  • one of the second connection electrodes is electrically connected, and the second electrode is electrically connected to another one of the plurality of first or second connection electrodes, and the M pairs of P Type thermoelectric conversion element and N-type thermoelectric conversion element are connected to each other via the first connection electrode and the second connection electrode, and the first and second output electrodes are used as output electrodes and the photoelectric conversion unit is connected.
  • the M pair of P-type thermoelectric conversion element and N-type thermoelectric conversion element are electrically connected in series, and the first temperature of the first connection electrode and the second temperature lower than the first temperature Of the electric power of the thermoelectric conversion unit generated due to the difference between the second temperature of the connection electrode of the above and the second temperature of the connection electrode of the photoelectric conversion unit is larger than the electric power amount that decreases at the first temperature with respect to the second temperature of the photoelectric conversion unit.
  • a combined power generation device configured as described above.
  • the heat from the sunlight is absorbed, and the loss of the power of the photoelectric conversion unit due to the temperature rise from the second temperature to the first temperature is exceeded and the first temperature and the second temperature are exceeded.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a combined power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • the combined power generation device 10 includes a photoelectric conversion unit 10A that performs photoelectric conversion and a thermoelectric conversion unit 10B that performs thermoelectric conversion.
  • 10 A of photoelectric conversion parts have the absorption layer 11, the 1st electrode 12 in the 1st surface 11a which receives the sunlight, and the 2nd electrode 13 in the 2nd surface 11b on the back side of the 1st surface 11a.
  • the thermoelectric conversion unit 10B has M pairs of P-type thermoelectric conversion elements 22 (22 1 to 22 5 ) and N-type thermoelectric conversion elements 23 (23 1 to 23 5 ) that perform thermoelectric conversion.
  • the absorption layer 11 will be described as a single crystal pn junction type semiconductor. However, as will be described later, it is not limited thereto.
  • the absorption layer 11 has a p-layer 11p on the first surface 11a side and an n-layer 11n on the second surface 11b side, and the first electrode 12 is a positive electrode and the second electrode 13 is a negative electrode.
  • the infrared absorption layer 14 and the heat conduction layer 15 are provided in this order on the second surface 11b.
  • a plurality of high temperature side connection electrodes 20 are provided in contact with the heat conduction layer 15.
  • the plurality of high temperature side connection electrodes 20 are electrically insulated from each other.
  • the high temperature side connection electrodes 20 are arranged so as not to contact each other.
  • the second electrode 13 also serves as the high temperature side connection electrode 20.
  • each of the M pairs of P-type thermoelectric conversion element 22 and N-type thermoelectric conversion element 23 is in contact with the high temperature side connection electrode 20, and each of the other ends thereof has a plurality of low temperatures. It is in contact with one of the side connection electrodes 21.
  • the first and second output electrodes 24 and 25 of the low temperature side connection electrode 21 are arranged as electrodes for taking out the electric power of the combined power generation device 10.
  • the electric power is represented by the product of the current I out and the output voltage V.
  • the first output electrode 24 becomes a positive electrode that allows current to flow to the load 30, and the second output electrode 25 becomes a negative electrode that receives current from the load 30.
  • the low temperature side connection electrode 21 and the first and second output electrodes 24, 25 are arranged so as to contact the low temperature body 26.
  • the low temperature body 26 is kept at a temperature lower than the temperature of the high temperature side connecting electrode 20 during the operation of the combined power generation device 10.
  • the first electrode 12 arranged on the first surface 11 a of the absorption layer 11 is electrically connected to the high temperature side connection electrode 20 on the right side of FIG.
  • the second electrode 13 arranged on the second surface 11b is electrically connected to the high temperature side connection electrode 20 on the left side.
  • the second electrode 13 also serves as the high temperature side connection electrode 20 in this example, it may be provided separately.
  • the five pairs of P-type thermoelectric conversion element 22 and N-type thermoelectric conversion element 23 are electrically connected in series, and specifically, from the high temperature side connecting electrode 20 on the right side to the P-type thermoelectric conversion element 22 1 , The low-temperature side connection electrode 21, the N-type thermoelectric conversion element 23 1 ,..., The P-type thermoelectric conversion element 22 3 , and the first output electrode 24 are electrically connected in series, and further through the load 30 to the second side.
  • the output electrode 25, the N-type thermoelectric conversion element 23 3 , the high temperature side connection electrode 20, the P type thermoelectric conversion element 22 4 ,..., The N type thermoelectric conversion element 23 5 and the left high temperature side connection electrode 20 (second electrode 13 ) Is electrically connected in series.
  • the temperature of the absorption layer 11 and the infrared absorption layer 14 rises due to the reception of sunlight, and the heat directly conducted from the absorption layer 11 and the heat conduction layer 15 from the absorption layer 11 and the infrared absorption layer 14 are passed.
  • the temperature of the high temperature side connection electrode 20 rises due to the conducted heat (the temperature is T H ).
  • the low temperature side connecting electrode 21 is maintained at the environmental temperature T c (also referred to as TL as the low temperature side temperature) by the low temperature body 26 (which functions as a cooling unit).
  • thermoelectric conversion elements 22 1 to 22 5 and the N-type thermoelectric conversion elements 23 1 to 23 5, which are in contact with the high-temperature side connecting electrode 20 and the low-temperature side connecting electrode 21, have a potential difference due to the Seebeck effect due to a temperature difference at both ends thereof. Occurs, diffusion of holes and electrons occurs from the high temperature side to the low temperature side, and a current flows macroscopically. In this way, electric power is generated in the thermoelectric conversion unit 10B.
  • the photoelectric conversion unit 10A in the absorption layer 11, electron-hole pairs generated by photoexcitation by receiving sunlight are moved by an internal electric field, and an internal voltage is applied between the first electrode 12 and the second electrode 13. Occurs. A current flows from the first electrode 12 to the thermoelectric conversion unit 10B side via the wiring 28, and returns to the second electrode 13 to generate electric power.
  • the internal voltage of the absorption layer 11 decreases when the temperature during operation rises from a temperature before light reception (for example, an environmental temperature (temperature TL )) to a high temperature (temperature TH ). In this way, the electric power generated in the photoelectric conversion unit 10A decreases during operation.
  • the amount of electric power generated in the thermoelectric conversion unit 10B is the amount of electric power that decreases when the photoelectric conversion unit 10A reaches the temperature T H on the high temperature side with respect to the electric power generated at the temperature T L on the low temperature side.
  • the thermoelectric conversion unit 10B is configured to be larger than the above.
  • FIG. 2 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the combined power generation device according to the embodiment of the present invention.
  • a part of the high temperature side connecting electrode 20 and the low temperature side connecting electrode 21 is omitted.
  • FIG. 1 Referring in conjunction with FIG. 1, the composite power generation device 10, the right side of the thermoelectric conversion elements 22 1 to 22 3 in FIG. 2, 23 1 to 23 2 and the absorbent layer 11, the thermoelectric conversion of the left side of FIG. 2
  • the elements 22 4 to 22 5 and 23 3 to 23 5 are electrically connected in series.
  • the thermoelectric conversion elements 22 1 to 22 3 and 23 1 to 23 2 on the right side and the thermoelectric conversion elements 22 4 to 22 5 and 23 3 to 23 5 on the left side are P-type thermoelectric conversion elements.
  • 22 and the N-type thermoelectric conversion element 23 are electrically connected alternately in series via the high temperature side connection electrode 20 or the low temperature side connection electrode 21.
  • the absorption layer 11 of the photoelectric conversion unit 10A As a current, there are a photo-generated component I sun due to the hole-electron pair generated by receiving light and a radiation loss component I rad due to the radiative recombination of the hole-electron pair. Flows into the thermoelectric conversion elements 22 and 23.
  • the internal voltage generated in the absorption layer 11 is represented by V cell .
  • Radiation loss component I rad temperature T H of the internal voltage V cell and the absorption layer 11 (the absorption layer 11 may be hot-side temperature) depends on.
  • thermoelectric conversion unit 10B in the thermoelectric conversion elements 22 and 23 on the right side of FIG. 2 connected between the first electrode 12 and the first output electrode 24, if the number of thermoelectric conversion elements is M 1 , Seebeck effect
  • the voltage drop in their thermoelectric conversion elements 22 and 23 is represented as M 1 R using the electric resistance R of one thermoelectric conversion element.
  • M 1 +M 2 2M.
  • the output voltage V between the first output electrode 24 and the second output electrode 25 is V cell +2M( ⁇ (T H ⁇ T L ) ⁇ RI out ).
  • the product of the output voltage V and the current I out becomes the output (electric power) of the combined power generation device 10.
  • M 1 and M 2 are preferably 1 or more. That is, it is preferable that at least one thermoelectric conversion element is connected between the high temperature side connection electrode 20 connected to the first electrode 12 and the first output electrode 24.
  • the electrodes and the wiring have better thermal conductivity than the thermoelectric conversion element, and therefore the thermal energy from the high temperature side is high. Is radiated to the low temperature body via the first output electrode 24, resulting in heat loss.
  • at least one thermoelectric conversion element is connected between the second electrode 13 (also serving as the high temperature side connection electrode 20) and the second output electrode 25.
  • the absorption layer 11 includes a semiconductor material, and includes, for example, silicon, amorphous silicon, SiC, silicide semiconductors such as BaSi 2 , OsSi 2 , and Ca 2 Si, Se, and compound semiconductors such as InP and GaAs.
  • Perovskite crystal structure such as Al x Ga 1-x As, Ga x In 1-x As, In x Ga 1-x P, In x Ga 1-x N, etc. which are multi-component compound mixed crystals such as AlSb, CdTe, CdSe, etc.
  • MAPI CH 3 NH 3 PbI 3
  • FAMAPI formamidinium lead iodide
  • FAMAPI complex halide
  • CIGS-based materials compounds made of Cu, In, Ge, Se, S as raw materials
  • CZTS-based materials compounds made of Cu.Zn, Sn, S as raw materials
  • organic-based semiconductors compounds Polythiophene (P3HT) and the like can be used.
  • the absorption layer 11 is preferably textured on the first surface 11a on which sunlight is incident, the second surface 11b on the opposite side, or both, in terms of good light absorption.
  • the absorption layer 11 is a single crystal pn junction type semiconductor, it may be doped with p type and n type impurities.
  • the absorption layer 11 is Si
  • as the dopant for example, B, Al, Ga, In can be used for the p-type doped region 11p.
  • the n-type doped region 11n for example, P, As, Sb can be used.
  • the electrons generated in the absorption layer 11 flow through the n-type doped region 11n having high electron conductivity and reach the second electrode 13, and the holes generated in the absorption layer 11 have the conductivity of holes. It flows through the high p-type doped region 11p and reaches the vicinity of the first electrode 12.
  • the absorption layer 11 may have a passivation layer (not shown) formed on the exposed surface thereof.
  • a passivation layer for example, amorphous silicon (a-Si:H), thermal oxide film (SiO 2 ) or silicon nitride film (a-Si 1-x N x :H) can be used.
  • the first electrode 12 and the second electrode 13 are made of a conductive material, and include, for example, metals such as aluminum, nickel, copper, palladium, silver, platinum, gold and alloys thereof, and semiconductor materials such as silicon doped with impurity ions. , Titanium oxide (TiO 2 ), tin-added indium oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), AZO (ZnO:Al), GZO (ZnO:Ga), ATO (SnO 2 : It is selected from conductive metal oxides such as Sb), FTO(SnO 2 :F), and ZnMgO, mixtures thereof, and conductive paste. Further, the first electrode 12 and the second electrode 13 may be formed by laminating the above-mentioned different conductive materials, respectively.
  • the infrared absorbing layer 14 is made of a material having a high absorptivity in the infrared wavelength region, and examples thereof include a member treated with nitric acid-treated NiP plating, VANTA black, and Metal Velvet (registered trademark).
  • a member treated with nitric acid-treated NiP plating particularly infrared rays and converting it into heat
  • the temperature of the infrared absorption layer 14 rises, and the high temperature side connection electrode 20 can be heated via the heat conduction layer 15 in contact therewith. it can. It is preferable to provide the infrared absorption layer 14 in terms of obtaining the amount of heat for heating the high temperature side connection electrode 20, but it is not necessary to provide it.
  • the heat conduction layer 15 is made of a material having good heat conduction.
  • the heat conducting layer 15 conducts the heat from the infrared absorbing layer 14 or the absorbing layer 11 in contact with the high temperature side connecting electrode 20. It is preferable that at least the surface of the heat conduction layer 15 in contact with the high temperature side connection electrode 20 is formed of an electrically insulating material. Alternatively, the heat conducting layer 15 itself may be an electrically insulating material.
  • AlN aluminum nitride
  • a plate thereof which is a good thermal conductor material and an electric insulating material can be used.
  • the high temperature side and low temperature side connection electrodes 20, 21 and the first and second output electrodes 24, 25 are made of a conductive material, and are made of, for example, a metal such as aluminum, nickel, copper, palladium, silver, platinum, gold or the like. Alloys can be used.
  • thermoelectric conversion materials can be used for the P-type thermoelectric conversion elements 22 1 to 22 5 and the N-type thermoelectric conversion elements 23 1 to 23 5 , for example, tellurium bismuth (Bi 2 Te 3 ) based material or PbTe material. Can be used.
  • P-type thermoelectric conversion elements 22 1 to 22 5, for example sodium as an acceptor in the case of Sb 2-x Bi x Te 3 , PbTe material in the case of Bi 2 Te 3 based materials (Na) and germanium (Ge) A material added with can be used.
  • thermoelectric conversion elements 23 1 to 23 5 for the N-type thermoelectric conversion elements 23 1 to 23 5 , for example, lead iodide (PbI) is used as a donor in the case of Bi 2 Te 3 -based material and Bi 2 Te 3-X Se 2-X in the case of PbTe material. A material to which 2 ) is added can be used.
  • PbI lead iodide
  • the combined power generation device 10 adds the voltages generated in the photoelectric conversion unit 10A and the thermoelectric conversion unit 10B by electrically connecting the photoelectric conversion unit 10A and the thermoelectric conversion unit 10B in series. Output voltage is obtained, and the amount of electric power generated in the thermoelectric conversion unit 10B decreases when the photoelectric conversion unit 10A reaches the temperature T H on the high temperature side with respect to the electric power generated at the temperature T L on the low temperature side.
  • the thermoelectric conversion unit 10B is configured to be larger than that.
  • thermoelectric conversion unit 10A As a result, the heat from the sunlight is absorbed, and the power loss of the photoelectric conversion unit 10A due to the temperature increase from the temperature T L to the temperature T H is exceeded, and the temperature difference between the temperature T L and the temperature T H causes thermoelectric conversion.
  • thermoelectric conversion in the unit 10B By obtaining the electric power by thermoelectric conversion in the unit 10B, it is possible to provide the combined power generation device 10 capable of improving the energy conversion efficiency as compared with the conventional solar cell.
  • thermoelectric conversion unit 10 of the present embodiment a configuration in which p-type and n-type polarities are inverted may be applied.
  • the p-layer 11p and the n-layer 11n of the absorption layer 11 of the photoelectric conversion unit 10A are exchanged, and the P-type thermoelectric conversion element 22 and the N-type thermoelectric conversion element 23 of the thermoelectric conversion unit 10B are exchanged. It is a thing. Also in this configuration, the same operational effects as those of the combined power generation device 10 described above are exhibited.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a combined cycle power generation device according to an embodiment of the present invention, (a) is a perspective view exploded in the x-axis direction, and (b) is a second absorption layer. It is the figure seen from the surface.
  • the absorption layer 11 is provided on the first surface 11a and the second surface 11b, respectively, and the grid-shaped first electrode 12 and the second surface 11b are provided.
  • Two electrodes 13 are provided.
  • the first electrode 12 and the second electrode 13 are arranged so that the main lines 12a and 13a extend in the y direction and the branch lines 12b and 13b extend from the main lines 12a and 13a in the z-axis direction, respectively.
  • the infrared absorption layer 14 is provided in contact with the entire second surface 11b of the absorption layer 11.
  • the heat conduction layer 15 has one main surface in contact with the infrared absorption layer 14 and the other main surface in contact with the high temperature side connection electrode 20.
  • the high temperature side connection electrodes 20 are arranged separately from each other. For the convenience of illustration, they are arranged apart from each other in the y-axis direction and the z-axis direction, but it is preferable that they are provided close to each other so as not to contact each other. Further, the spaces separated from each other may be filled with a material having good thermal conductivity and electrically insulating. Thereby, the thermal conductivity from the thermal conduction layer 15 to the high temperature side connection electrode 20 becomes good.
  • the upper end surface of the P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22 and 23 is in contact with the high temperature side connecting electrode 20, and the lower end surface is in contact with the low temperature side connecting electrode 21 and the first and second output electrodes 24 and 25 in FIG. It is provided in.
  • the P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22 and 23 may be cylindrical or prismatic.
  • the low temperature side connecting electrode 21 and the first and second output electrodes 24, 25 are arranged separately from each other, and may be arranged in the same manner as the high temperature side connecting electrode 20. It may be filled with a material that has good electrical insulation.
  • the low temperature body 26 is provided with one main surface in contact with the low temperature side connection electrode 21 and the first and second output electrodes 24, 25.
  • the low temperature body 26 may have a flat plate shape as shown in the figure, and the lower surface in the figure may be provided with a heat dissipation structure, for example, a large number of protrusions, or a known heat sink may be provided.
  • the composite power generation device 100 is electrically connected to the high temperature side connection electrode 20 from the first electrode 12 on the first surface 11 a of the absorption layer 11 via the wiring 28, and the P-type thermoelectric conversion element 22 and the low temperature side connection electrode 21.
  • N-type thermoelectric conversion element 23, high temperature side connecting electrode 20,..., N-type thermoelectric conversion element 23 in this order, M 1 P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22, 23 are electrically connected in series alternately.
  • One output is taken out from the one output electrode 24.
  • the composite power generation device 100 is electrically connected to the high temperature side connection electrode 20 from the second electrode 13 on the second surface 11b of the absorption layer 11 via the wiring 28, and is connected to the N-type thermoelectric conversion element 23 and the low temperature side connection.
  • the electrode 21, the P-type thermoelectric conversion element 22, the high-temperature side connection electrode 20,..., The P-type thermoelectric conversion element 23 are electrically connected in series with M 2 P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22, 23 alternately. Then, the other output is taken out from the second output electrode 25.
  • the absorption layer 11 absorbs all light having an energy equal to or higher than the band gap of the energy band of the semiconductor material, and the current generated by photoexcitation is used as the photogenerated component I sun .
  • a current loss due to radiative recombination in the absorption layer 11 is defined as a radiation loss component I rad .
  • the current (represented by the current density) I(A/m 2 ) of the absorption layer 11 is represented by Formula 1.
  • the light generation component I sun is expressed by the equation 2
  • the radiation loss component I rad is expressed by the equation 3.
  • CR is the condensing magnification
  • q is the elementary charge
  • c is the speed of light
  • R sun is the radius of the sun
  • L ES is the distance between the sun and the earth
  • E g A is the band gap energy of the semiconductor material of the absorption layer 11.
  • k B is the Boltzmann's constant
  • T sun is the solar surface temperature and is 6000 K
  • V cell is the internal voltage generated in the absorption layer 11.
  • Equation 4 The difference between the output voltage V and the internal voltage V cell of the absorption layer 11 is expressed by Equation 4.
  • the lengths of the P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22 and 23 are L c (ends contacting the high temperature side connecting electrode 20 and low temperature side connecting electrode 21). (Length along the direction connecting to and) Is.
  • I is the current density of the absorption layer 11 described above
  • S A is the cross-sectional area of the absorption layer 11 (area of the plane perpendicular to the direction of current flow) (m 2 )
  • S A is the P-type and N-type thermoelectric This is the cross-sectional area (m 2 ) of the conversion elements 22 and 23.
  • the temperature difference ⁇ T during the operation of the combined power generation device 10 is expressed by the differential equation of Expression 5.
  • the x axis is set parallel to the direction connecting the high temperature side end and the low temperature side end of the P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22 and 23, and ⁇ is the P-type and N-type thermoelectric conversion element 22.
  • 23 is the thermal conductivity (W/(m ⁇ K)).
  • Equation 8 is obtained by solving equation 5 using equations 6 and 7 as boundary conditions.
  • ⁇ is a dimensionless quantity, which is defined by Equation 9. ⁇ j e L C / ⁇ (9)
  • Equation 8 the heat flow density j Q (W/m 2 ) per unit flowing in from the end faces of the P-type and N-type thermoelectric conversion elements in contact with the high temperature side connecting electrode is expressed by Equation 10.
  • the heat flow rate Q(W) is the energy flow density (W/m 2 ) of the incident light component (P sun ), the transmitted light component (P T ) and the radiative recombination loss component (P rad ) in the absorption layer 11. Were respectively set to the following formulas 11 to 13.
  • the current-voltage characteristic (IV characteristic) of the combined power generation device 10 and the energy conversion efficiency ⁇ represented by the equation 15 can be obtained by simulation.
  • ⁇ (%) 100 ⁇ IV/P sun ⁇ (15)
  • Equation 17 Due to the M pairs of P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22 and 23 connected in series, the voltage increase is expressed by Expression 17, and the power increase G is expressed by Expression 18.
  • ⁇ is ⁇ (Mj Q /j e ) ⁇ ( ⁇ / ⁇ ) (19)
  • ⁇ is a factor representing the ratio (ratio) of the thermoelectromotive force obtained by M pairs to the voltage loss due to the electric resistance per pair of thermoelectric conversion elements 22 and 23.
  • C 1 is a factor representing the rate of temperature change of the internal voltage of the absorption layer 11 at the maximum power point with respect to the thermoelectromotive force per pair of thermoelectric conversion elements 22 and 23.
  • the net increase in electric power G net by the combined power generation device 10 is represented by equation 23 as compared with the case where the photoelectric conversion unit 10A is operated alone.
  • the first term in parentheses on the left side of Expression 24 is the ratio of voltage loss due to electric resistance to the thermoelectromotive force obtained in the pair of P-type and N-type thermoelectric conversion elements 22 and 23, and the second term is Per pair of P-type and N thermoelectric conversion elements with respect to thermoelectromotive force obtained in the pair of P-type and N thermoelectric conversion elements 22 and 23 (that is, divided by the number M of pairs of P-type and N-type thermoelectric conversion elements) It is the rate of temperature change of the internal voltage of the photoelectric conversion unit 10A at the maximum power point.
  • the sum of the first term and the second term is smaller than 1, the output power of the combined power generation device 10 becomes larger than the output power when the photoelectric conversion unit 10A alone generates power. Further, in the range satisfying the above formula 24, the larger M is, the more preferable because the energy conversion efficiency can be increased at a lower temperature.
  • the temperature T L of the low temperature side connecting electrode was set to 300 K, which was the same as T c .
  • FIG. 4 is a diagram showing a calculation example of parameters of the combined power generation device according to the embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis is the logarithm M of the P-type and N-type thermoelectric conversion elements
  • the vertical axis is the left side of Formula 24 (1-(M/ ⁇ +C 1 /M)). It can be seen from FIG. 4 that (1-(M/ ⁇ +C 1 /M)) is larger than 0 when M is 3 or more and 15 or less. From this, it was found that by selecting M in the range of 3 ⁇ M ⁇ 15, the composite power generation device 10 can obtain greater energy conversion efficiency than the solar cell having the configuration of the photoelectric conversion unit 10A alone.
  • FIG. 5 is a figure which shows the example of calculation of the energy conversion efficiency of the combined power generator which concerns on one Embodiment of this invention
  • FIG. 6 is a figure which shows the numerical value of the example of calculation shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the output voltage (V) of the combined power generation device
  • the vertical axis represents the energy conversion efficiency ⁇ (%) of the combined power generation device.
  • the effective lengths l eff (S A /S C ) of the P-type and N-type thermoelectric conversion elements, which are design parameters of the composite power generation device 10 included in ⁇ defined by the above equation (9), The calculation was performed for ⁇ 1 to ⁇ 4 in the range of ⁇ 1 while changing L C.
  • the output voltage at which the energy conversion efficiency ⁇ becomes 0 on the side where the output voltage is high (the right side in FIG. 5) is the voltage at which the output current becomes 0, and therefore represents the open circuit voltage V OC .
  • the maximum value (maximum energy efficiency) of the energy conversion efficiency ⁇ of the conventional single-junction solar cell is It can be seen that it is higher than the theoretical limit of 29.5%.
  • the open circuit voltage V OC also increases as ⁇ increases. From the above, it can be seen that the combined power generation device 10 can achieve energy conversion efficiency exceeding the conventional theoretical limit.
  • FIG. 7 is a diagram showing a calculation example of parameters of the combined power generation device of the comparative example.
  • the composite power generation device 10 according to the embodiment of the present invention has been described on the premise that it receives sunlight, but the invention is not limited to sunlight and is not particularly limited as long as the absorption layer 11 is light that causes photoexcitation.
  • Photoelectric conversion unit 10 100 Composite power generation device 10A Photoelectric conversion unit 10B Thermoelectric conversion unit 11 Absorption layer 12 First electrode 13 Second electrode 14 Infrared absorption layer 15 Heat conduction layer 20 High temperature side connection electrode 21 Low temperature side connection electrode 22, 22 1 to 22 5 P-type thermoelectric conversion element 23, 23 1 to 23 5 N-type thermoelectric conversion element 24 First output electrode 25 Second output electrode 26 Low temperature body

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Abstract

本開示では、光電変換部（１０Ａ）と；熱伝導層（１５）と、複数の第１の接続電極（２０）と、複数の第２の接続電極（２１）と、Ｍ対のＰ型熱電変換素子（２２）およびＮ型熱電変換素子（２３）（ただしＭは自然数）と、第１および第２の出力電極（２４，２５）と、を含む熱電変換部（１０Ｂ）と；を備え、上記第１および第２の出力電極（２４，２５）を出力電極として上記光電変換部（１０Ａ）と前記Ｍ対のＰ型熱電変換素子（２２）およびＮ型熱電変換素子（２３）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（２０）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（２１）の第２の温度との差により発生する上記熱電変換部（１０Ｂ）の電力分が、上記光電変換部（１０Ａ）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（１０）が提供される。

Description

太陽電池および熱電変換素子を有する複合発電装置
　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。
特公昭５１－４８０３７号公報 特開平１－１０５５８２号公報
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。
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。 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。 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る。 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。 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る。 図５に示した計算例の数値を示す図である。 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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 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の差は式４で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 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)、ＳA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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 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)
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　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)
　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)
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　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。
　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

 

Claims (11)

  1. 　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または第２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、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、
    　前記第１の接続電極の第１の温度と該第１の温度よりも低い前記第２の接続電極の第２の温度との差により発生する前記熱電変換部の電力分が、前記光電変換部の前記第２の温度に対して前記第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。
  2. 　前記Ｍは、式１を満たすように選択されてなる、請求項１記載の複合発電装置；
    　　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、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る。
  3. 　前記λは式２で表される、請求項２記載の複合発電装置；
    　　λ＝(ＭｊQ／ｊe)×(ασ／κ)　　・・・(２)
    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、ｊQおよびｊeは、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の１つあたりの、それぞれ、前記第１の接続電極から流入する熱流の熱流密度(Ｗ／ｍ2)、電流密度(Ａ／ｍ2)、αはゼーベック係数(Ｖ／Ｋ)、σは電気伝導率(１／(Ωｍ))、κは熱伝導率(Ｗ／(ｍＫ))である。
  4. 　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３記載の複合発電装置。
  5. 　前記Ｃ1は式３で表される、請求項２～４のいずれか一項記載の複合発電装置；
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     ここで、式中のパラメータは、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。
  6. 　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２～５のうちいずれか一項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。
  7. 　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１～６のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
  8. 　前記熱伝導層は電気絶縁材料からなる請求項１～７のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
  9. 　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１～８のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
  10. 　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１～９のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
  11. 　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１～１０のうちいずれか一項記載の複合発電装置。
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