JP2018182985A - 光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多接合型の光発電モジュールを備えた光発電装置において、装置全体としてより大きな電力を取り出す。
【解決手段】多接合型太陽電池２は、光電変換が生じる感度波長帯が互いに異なる複数の光電池セルが直列に接続されている。ダイクロックミラー４は、入射した外光のうち、特定波長帯の光を分離して結晶シリコン太陽電池３に供給すると共に、この特定波長帯以外の光を多接合型太陽電池２に供給する。結晶シリコン太陽電池３は、ダイクロックミラー４によって分離された特定波長帯の光に基づいて電力を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多接合型の光発電モジュールを備えた光発電装置に関する。

一般に、シリコン系太陽電池の変換効率は、原理上９％程度が最高値であるとされている。これは素材であるシリコンのバンドギャップが関係しており、シリコンのみで光電変換できるエネルギー量に限りがあるためである。そこで、より高効率の太陽電池を実現すべく、複数の素材を積層することで異なるバンドギャップを併せ持つ多接合型太陽電池が注目され、その研究が進められている。

例えば、特許文献１には、設置場所、季節、時間帯による日射スペクトルに依存した出力変動を防止し、標準条件下だけでなく実際の設置場所での実発電量が最大となる多接合型薄膜太陽電池が開示されている。この太陽電池は、受光面側に位置するトップセルと、このトップセルに積層されたボトムセルとを有し、トップセルとボトムセルとの電流比率が所定の関係式を満たすように設定される。また、この特許文献１には、トップセルからボトムセルまでの各セルが直列に接続されているため、太陽電池全体として取り出せる電流量は、出力電流が最も小さいセルのそれによって決定、すなわち律速されることも記載されている。

一方、多接合型太陽電池に関するものではないが、特許文献２には、光損失が少なく変換効率が高い光発電を実現するために、集光手段の色収差を利用した太陽光発電装置が開示されている。この太陽光発電装置は、集光手段に相当するフレネルレンズと、感度波長帯が異なる複数の太陽電池セルとによって構成されている。フレネルレンズは、光軸に対して平行に入射する入射光の集光とスペクトル分離とを行い、スペクトル分離された波長帯光ごとに光軸上の異なる位置で焦点を結ぶ。複数の太陽電池セルは、光軸方向に沿って、それぞれの感度波長帯に対応する波長帯光の焦点上に配置されている。

特開２０１５−１２０１７号公報 国際公開第２０１１／０７４５３５号

上述した特許文献１にも記載されているように、複数の光電池セルが直列に接続された多接合型太陽電池では、発生する電流が最も小さい光電池セルの電流量に全体が律速する。その結果、例えば、ＩｎＧａＰをトップセル、（Ｉｎ）ＧａＡｓをミドルセル、Ｇｅをボトムセルとした化合物三接合型の太陽電池の場合、ボトムのＧｅセルのバンドギャップが小さいため、Ｇｅセルにて発生する電流が（Ｉｎ）ＧａＡｓセルやＧｅセルにて発生する電流よりも大きいにもかかわらず、その一部しか電力として取り出すことができない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多接合型の光発電モジュールを備えた光発電装置において、装置全体としてより大きな電力を取り出すことである。

かかる課題を解決すべく、本発明は、第１の光発電モジュールと、光学系と、第２の光発電モジュールとを有する光発電装置を提供する。第１の光発電モジュールは、光電変換が生じる感度波長帯が互いに異なり、直列に接続された複数の光電池セルを有する多接合型のモジュールである。光学系は、特定波長帯の光を外光から分離すると共に、特定波長帯以外の光を第１の光発電モジュールに出射する。この特定波長帯は、第１の光発電モジュール全体の感度波長帯の一部であって、かつ、第１の光発電モジュールの出力電流を律速させる光電池セルの感度波長帯を除く。第２の光発電モジュールは、光学系によって分離された特定波長帯の光が入射される。

ここで、本発明において、上記第１の光発電モジュールは、少なくとも、第１の光電池セルと、第２の光電池セルとを有しており、上記特定波長帯は、第１の光発電モジュールにおいて出力電流量が最も小さい第１の光電池セルを除く、第２の光電池セルの感度波長帯の一部であることが好ましい。この場合、上記第２の光電池セルは、第１の光発電モジュールにおいてバンドギャップが最も小さいことが好ましい。また、上記第２の光発電モジュールは、自己の感度波長帯として、光学系によって分離された特定波長帯を含むことが望ましい。さらに、上記第１の光発電モジュールは、複数の化合物半導体よりなっていてもよい。

本発明によれば、光学系によって外光から特定波長帯の光が分離され、特定波長以外の光が第１の光発電モジュールに供給される。第１の光発電モジュールへの入射光として特定波長帯を除いた光を供給しても、これを除かない場合と比較して、第１の光発電モジュールによって生成される電力の総量は実質的に変わらない。光学系によって分離された特定波長帯の光は、第２の光発電モジュールに供給され、第２の光電池モジュールによって電気エネルギーに変換される。これにより、第２の光発電モジュールによって生成された電力の分だけ、光発電装置の全体として、より大きな電力を取り出すことができる。

本実施形態に係る光発電装置の全体構成図 多接合型太陽電池の構成図 結晶シリコン太陽電池の構成図 ダイクロックミラーの構成図 多接合型太陽電池の各セルの特性図 多接合型太陽電池の感度波長帯の特性図 結晶シリコン太陽電池の感度波長帯の特性図

図１は、本実施形態に係る光発電装置の全体構成図である。この光発電装置１は、光発電モジュールとしての複数の太陽電池２，３と、これらの前段に配置された光学系としてのダイクロックミラー４とを主体に構成されている。多接合型太陽電池２は、直列に接続された複数の光電池セルよりなり、複数の素材（光電池セル）を積層することで互いに異なるバンドギャップを併せ持つ。ダイクロックミラー４は、自己に入射した外光のうち、特定波長帯の光を外光から分離して、特定波長帯が除去された光を多接合型太陽電池２に出射する。これにより、多接合型太陽電池２は、入射光の光エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力として出力する。一方、ダイクロックミラー４によって分離された特定波長帯の光は、結晶シリコン太陽電池３に出射される。これにより、結晶シリコン太陽電池３は、入射光の光エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力として出力する。それぞれの太陽電池２，３から出力された電力は、光発電装置１全体の電力として統合された上で外部に出力される。

図２は、多接合型太陽電池２の構成図である。多接合型太陽電池２は、ハイブリット型太陽電池やタンデム型太陽電池とも呼ばれ、異なる性質・材質を有する複数の太陽電池を重ね合わせて作られる。このように、エネルギーバンドギャップの異なる太陽電池を重ね合わせて積層構造とし、全体として吸収できる光の感度波長帯（光電変換が生じる波長帯）を拡大することにより、幅広い波長帯の太陽光を効果的に利用することが可能になり、変換効率が向上する。本実施形態では、多接合型太陽電池２の一例として、トップの光電池セル２ａをＩｎＧａＰ（インジウム・ガリウム・リン）、ミドルの光電池セル２ｂを（Ｉｎ）ＧａＡｓ((インジウム）ガリウムヒ素）、ボトムの光電池セル２ｃをＧｅ（ゲルマニウム）とした化合物三接合型の太陽電池を用いる。多接合型太陽電池２の表面には、反射防止膜２ｄおよび表面電極２ｅが設けられており、その裏面には、裏面電極２ｆが設けられている。

多接合型太陽電池２の表面に入射した光は、トップからボトムに至る光電池セル２ａ〜２ｃに順次入射し、それぞれの光電池セル２ａ〜２ｃにおいて光電変換が行われる。具体的には、まず、トップの光電池セル２ａでは、入射光のうちの一部である固有の波長帯の光エネルギーが電気エネルギーに変換され、この光電池セル２ａを透過した減衰光がミドルの電池セル２ｂに入射する。つぎに、ミドルの光電池セル２ｂでは、入射光のうちの一部である固有の波長帯の光エネルギーが電気エネルギーに変換され、この光電池セル２ｂを透過した減衰光がボトムの電池セル２ｃに入射する。最後に、ボトムの光電池セル２ｃでは、入射光のうちの一部である固有の波長帯の光エネルギーが電気エネルギーに変換される。このように、Ｐ層およびＮ層がトンネル接合された光電池セル２ａ〜２ｃのそれぞれにおいて、それぞれのセル固有の波長帯の光エネルギーが電気エネルギーに変換され、これらが統合されて多接合型太陽電池２全体の電力として出力される。

図３は、結晶シリコン太陽電池３の構成図である。この結晶シリコン太陽電池３は、Ｐ層およびＮ層がトンネル接合されたシリコンセル３ａと、このシリコンセル３ａの表面に設けられた反射防止膜３ｂおよび表面電極３ｃと、その裏面に設けられた裏面電極３ｄとを主体に構成されている。シリコンセル３ａでも、固有の波長帯の光エネルギーが電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーが電力として出力される。

図４は、ダイクロックミラー４の構成図である。このダイクロックミラー４は、板状の透明部材４ａを主体に構成されている。透明部材４ａの表面には、誘電体多層膜４ｂがコートされており、その裏面には、反射防止膜４ｃや誘電体多層膜４ｄがコートされている。ダイクロックミラー４に入射した光（外光）は、予め設定された特定波長帯の光を反射し、特定波長帯以外の光、すなわち、特定波長帯の光が除かれた残存光を透過する。ダイクロックミラー４の反射光は、結晶シリコン太陽電池３に出射（供給）されると共に、その透過光は、多接合型太陽電池２に出射（供給）される。

つぎに、本実施形態の特徴である波長分離による電力増大メカニズムについて説明する。図５は、多接合型太陽電池２の各セルの電流−電圧特性を示す図である。同図に示すように、ＩｎＧａＰセル単独では電圧Ｖ1，電流Ｉ1、（Ｉｎ）ＧａＡｓセル単独では電圧Ｖ2，電流Ｉ1、Ｇｅセル単独では電圧Ｖ3，電流Ｉ2をそれぞれ出力するものとする。これらの光電池セル２ａ〜２ｃを直列に接続して多接合化した場合、多接合型太陽電池２としての出力電圧は、（Ｖ1＋Ｖ2＋Ｖ3）となるが、その出力電流は、出力電流量が最も小さい光電池セル２ａ、２ｂのＩ1（最小電流）にて律速される。よって、バンドギャップが最も小さいボトムの光電池セル２ｃについて、出力電流Ｉ1を超えた分の電力領域Ａ（＝（Ｖ3×（Ｉ2−Ｉ1））は、多接合型太陽電池２の電力として取り出すことができず、無駄な電力となる。電力領域Ａ分の電力を有効に活用することができれば、光発電装置１の全体として、より大きな電力を取り出すことができる。

図６は、多接合型太陽電池２の感度波長帯の特性図である。多接合型太陽電池２において、各電池セル２ａ〜２ｃの感度波長帯は互いに異なっており、これらが組み合わさることで、太陽光エネルギーの分布を広くカバーする。本実施形態では、ＩｎＧａＰよりなる光電池セル２ａの感度波長帯は２７０〜７００ｎｍ程度、（Ｉｎ）ＧａＡｓよりなる光電池セル２ｂのそれは７００〜９００ｎｍ程度、Ｇｅよりなる光電池セル２ｃのそれは９００〜１９００ｎｍ程度となっている。ここで、多接合型太陽電池２全体の感度波長帯２７０〜１９００ｎｍのうち、出力電流を律速させる光電池セル２ａ，２ｂのそれを除く波長帯９００〜１９００ｎｍについて、その一部が除去された光を入射するケースを考える。この場合、一部の波長帯が除去されたことに伴い、Ｇｅよりなる光電池セル２ｃの電力領域Ａが減少する。しかしながら、上述したように、電力領域Ａは、多接合型太陽電池２の電力として本来的に「取り出せない電力」であるから、この電力領域Ａが減少しても、多接合型太陽電池２より出力される電力の総量は実質的に変わらない。以上のような着眼に基づき、多接合型太陽電池２の入射光としては、外光（太陽光）そのものではなく、外光から「特定波長帯」が取り除かれた光が供給される。そして、「特定波長帯」の光については、多接合型太陽電池２とは別に設けられた結晶シリコン太陽電池３によって、別途、電気エネルギーに変換される。

ここで、外光より分離される「特定波長帯」の条件としては、以下の事項が挙げられる。

（１）多接合型太陽電池２の感度波長帯の一部であること
多接合型太陽電池２の感度波長帯（２７０〜１９００ｎｍ）内でなければ、多接合型太陽電池２にて生じる光電変換に関与しない。多接合型太陽電池２は、短波長から長波長にわたる幅広い感度波長帯で光電変換を行うが、この感度波長帯の全域に亘って変換効率が均一というわけではなく、波長帯によって変換効率に差がある。この場合、比較的変換効率の低い波長帯を選択することが好ましい。例えば、上述した化合物三接合型の太陽電池の場合、Ｇｅよりなるボトムの光電池セル２ｃが担当する波長帯が特に広く、多くの光子を光電変換するため高い電流値となる（光電変換の回数＝叩き出す電子の数＝電流値）。また、この光電池セル２ｃが担当する波長帯の一部である１１００ｎｍ近辺の近赤外光については、変換効率が比較的低いとされている。

（２）出力電流を律速させる光電池セルの感度波長帯を除くこと
多接合型太陽電池２の出力電流を律速させるトップおよびミドルの光電池セル２ａ，２ｂの感度波長帯（２７０〜９００ｎｍ）を取り除いてしまうと、多接合型太陽電池２の出力電流そのものが低下してしまう。特定波長帯の光を取り除く目的は、光電池セル２ａ〜３ｃの電流バランスを整え、図５の領域Ａで示した「取り出せない電力」を低減することである。よって、除去すべき波長帯は、多接合型太陽電池２における出力電流の律速とは無関係なボトムの光電池セル２ｃの感度波長帯（９００〜１９００ｎｍ）を対象とする必要がある。

（３）特定波長帯の幅が適切であること
特定波長帯の幅があまり広いと、この特定波長帯を感度波長帯とする光電池セル２ｃの出力電流Ｉ2が他の出力電流Ｉ1よりも落ち込み、これによって、多接合型太陽電池２の出力電流が新たに律速されてしまう。そこで、実験やシミュレーションを通じて、光電池セル２ｃの出力電流Ｉ2が他の出力電流Ｉ1よりも落ち込まない範囲で、「特定波長帯」の幅を適切に設定することが重要である。

（４）結晶シリコン太陽電池３の感度波長帯に含まれること
上述したように、特定波長帯の光については、多接合型太陽電池２とは別に設けられた結晶シリコン太陽電池３によって、別途、電気エネルギーに変換される。よって、特定波長帯は、結晶シリコン太陽電池３にて対応可能な波長帯である必要がある。本実施形態では、光電池セル２ｃの感度波長帯（９００〜１９００ｎｍ）のうち、シリコン太陽電池３の感度波長帯を考慮して、特定波長帯を１１００ｎｍ近傍に設定している。この場合、ダイクロックミラー４は、入射した外光のうち、１１００ｎｍ近傍の波長帯の光を反射して結晶シリコン太陽電池３に供給すると共に、それ以外の光を透過して多接合型太陽電池２に供給する。

図７は、結晶シリコン太陽電池３の感度波長帯の特性図である。同図に示すように、結晶シリコン太陽電池３の感度波長帯は２７０〜１１００ｎｍ程度となっている。結晶シリコン太陽電池３は、ダイクロックミラー４より入射した１１００ｎｍ近傍の波長帯の光に基づいて電力を生成する。

このように、本実施形態によれば、ダイクロックミラー４によって外光から特定波長帯の光が分離される。この特定波長帯は、多接合型太陽電池２全体の感度波長帯の一部であって、多接合型太陽電池２の出力電流を律速させる光電池セル２ａ，２ｂ以外の感度波長帯を除いたものである。そのため、多接合型太陽電池２への入射光として、特定波長帯の光を取り除いても、多接合型太陽電池２より出力される電力の総量は実質的に変わらない。一方、ダイクロックミラー４によって分離された特定波長帯の光は、多接合型太陽電池２とは別に設けられた結晶シリコン太陽電池３に供給され、多接合型太陽電池２とは独立して電力が生成される。そして、光発電装置１全体としては、多接合型太陽電池２によって生成された電力と、結晶シリコン太陽電池３によって生成された電力とが合成されて出力される。これにより、結晶シリコン太陽電池３によって生成された電力の分だけ、図５の領域Ａで示した「取り出せない電力」を効率的に活用でき、光発電装置１の全体として、より大きな電力を取り出すことができる。

なお、上述した実施形態では、光発電モジュールである多接合型太陽電池２として、ＩｎＧａＰ、（Ｉｎ）ＧａＡｓおよびＧｅといった複数の化合物半導体よりなる三接合型のものを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、選択すべき化合物半導体の材質、その組み合わせ、積層数などは任意に設定すればよい。また、多接合型太陽電池２は、化合物半導体に限らず、アモルファスシリコンおよび多結晶シリコンを重ね合わせたものであってもよい。

また、特定波長帯の設定に関して、設計上の自由度を高めるという観点でいえば、多接合型太陽電池２においてバンドギャップが最も小さい光電池セルに着目し、その感度波長帯の一部を特定波長帯として設定すれることが好ましい。また、結晶シリコン太陽電池３は、上述した特定波長帯を自己の感度波長帯として含むものであれば、これに限定されず、任意の材質・構造を有する光発電モジュールを広く用いることができる。

さらに、多接合型太陽電池２を補完する光発電モジュール（結晶シリコン太陽電池３）として、複数の太陽電池を用いてもよい。この場合、ダイクロックミラー４において、外光をより多くの光路に分割して出射し、感度波長帯が互いに異なる複数の光発電モジュールに供給すればよい。

１ 光発電装置
２ 多接合型太陽電池
２ａ〜２ｃ 光電池セル
２ｄ 反射防止膜
２ｅ 表面電極
２ｆ 裏面電極
３ 結晶シリコン太陽電池
３ａ シリコンセル
３ｂ 反射防止膜
３ｃ 表面電極
３ｄ 裏面電極
４ ダイクロックミラー
４ａ 透明部材
４ｂ，４ｄ 誘電体多層膜
４ｃ 反射防止膜

Claims (5)

1. 光発電装置において、
   光電変換が生じる感度波長帯が互いに異なり、直列に接続された複数の光電池セルを有する多接合型の第１の光発電モジュールと、
   前記第１の光発電モジュール全体の感度波長帯の一部であって、前記第１の光発電モジュールの出力電流を律速させる前記光電池セルの感度波長帯を除く特定波長帯の光を外光から分離すると共に、前記特定波長帯以外の光を前記第１の光発電モジュールに出射する光学系と、
   前記光学系によって分離された前記特定波長帯の光が入射される第２の光発電モジュールと
   を有することを特徴とする光発電装置。
2. 前記第１の光発電モジュールは、少なくとも、第１の光電池セルと、第２の光電池セルとを有し、
   前記特定波長帯は、前記第１の光発電モジュールにおいて出力電流量が最も小さい前記第１の光電池セルを除く、前記第２の光電池セルの前記感度波長帯の一部であることを特徴とする請求項１に記載された光発電装置。
3. 前記第２の光電池セルは、前記第１の光発電モジュールにおいてバンドギャップが最も小さいことを特徴とする請求項２に記載された光発電装置。
4. 前記第２の光発電モジュールは、自己の感度波長帯として、前記光学系によって分離された前記特定波長帯を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された光発電装置。
5. 前記第１の光発電モジュールは、複数の化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された光発電装置。

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