(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、
前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、
を有し、
前記複数のソーラーセルユニットとして、第１ソーラーセルユニットと、前記第１ソーラーセルユニットよりもバンドギャップが小さい第２ソーラーセルユニットと、を有し、
前記光誘導手段として、前記外から入射する光を分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する波長分散型プリズムであって、前記外から入射する光を受光する受光面、前記第１ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して該プリズム内で全反射した光を前記第１ソーラーセルユニットに照射する底面、前記第２ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して前記底面に到達する前に該プリズムの外側に透過した光を前記第２ソーラーセルユニットに照射する第１傾斜面、及び前記第１傾斜面と平行に位置し、前記第２ソーラーセルユニットに面さない第２傾斜面を含む波長分散型プリズムを有し、
前記波長分散型プリズムの前記第２傾斜面に面し、前記第２傾斜面を透過した光を前記プリズム内に向けて反射する第１反射手段を有する直列接続型ソーラーセル。
【請求項２】
前記波長分散型プリズムの前記第１傾斜面に面し、前記第１傾斜面を透過した光を前記第２ソーラーセルユニットに向けて反射する第２反射手段を有する請求項１に記載の直列接続型ソーラーセル。
【請求項３】
互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、
前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、
を有し、
前記光誘導手段として、２つのプリズム間に波長選択用の隙間を有するプリズム対を有し、前記外から入射した光を前記プリズム対の前記波長選択用の隙間によって分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する直列接続型ソーラーセル。
【請求項４】
前記プリズム対が前記外から入射する光の入射方向に複数配列されており、前記外から入射した光が先に到達する第１プリズム対の波長選択用の隙間ｄ１が、前記外から入射した光が前記第１プリズム対の後に到達する第２プリズム対の波長選択用の隙間ｄ２よりも狭くなっており、前記第１プリズム対の波長選択用の隙間ｄ１によって分光された光のうち、前記第２プリズム対に入射した光が前記第２プリズム対の波長選択用の隙間ｄ２によって分光される請求項３に記載の直列接続型ソーラーセル。
【請求項５】
互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、
前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、
を有し、
前記複数のソーラーセルユニットの各々が前記吸収波長域以外の光に対して光透過性を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットを挟むとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された２つの反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記２つの反射手段の間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する直列接続型ソーラーセル。
【請求項６】
互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、
前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、
を有し、
前記複数のソーラーセルユニットの各々が受光面とは反対側の面に受光面から入射した光のうち吸収されなかった光を反射する反射面を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットの受光面に対向するとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記複数のソーラーセルユニットの反射面と前記反射手段との間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する直列接続型ソーラーセル。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の直列接続型ソーラーセルが複数配列されているソーラーセルシステム。
【請求項８】
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の直列接続型ソーラーセルと、
外からの光を集光する第１レンズと、前記集光された光を平行光に成形して前記直列接続型ソーラーセルに入射させる第２レンズと、
を含むソーラーセルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列接続型ソーラーセル及びソーラーセルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光は図１に示すように広いエネルギーに渡ってスペクトルを持っている。
一方、半導体で作られるソーラーセルは、半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を吸収して発電する。例えば結晶シリコンは１．１２ｅＶ以上のエネルギーを持つ光を吸収してホールとエレクトロンを結晶シリコン内に発生させる。
定常光照射下ではホールとエレクトロンのエネルギー差は半導体のバンドギャップで決まるため入射光の波長によらず１．１２ｅＶである。
【０００３】
そして、半導体中のホールエレクトロン分極能率によって図２に示すソーラーセルの開放電圧Ｖｏｃが決まる。Ｖｏｃは半導体のバンドギャップ（ｅＶ単位で表したときの数値）を超えないが近い値となる。
よってバンドギャップより大きなエネルギーをもつ短波長の光が照射されたときも、Ｖｏｃは依然としてバンドギャップ近くの小さい値に止まり、入射光エネルギーのロスが半導体中で生じる。
【０００４】
短波長の光で大きな起電力及び大きな電力を取り出すために、バンドギャップが異なり、分光吸収感度が異なる複数の半導体を重ね合わせた、多接合型ソーラーセルが開発されている。
例えば、図３に示すようにエピタキシャル結晶成長技術を用いてＡｌＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧｅのＰＮ接合を積層形成した多接合型（積層型）ソーラーセルが提案されている（非特許文献１参照）。このような多接合型ソーラーセルでは、可視から赤外域の広範囲の光を吸収して発電することが可能となる。
【０００５】
また、図４に示すように、あらかじめ単体セルとして作製されたバンドギャップの異なるセルを透明な導電性接着剤で重ね合わせて貼り合わせる技術が提案されている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics,Vol. 43, No. 3, 2004, pp. 882−889, “Evaluation of InGaP/InGaAs/Ge Triple-Junction Solar Cell under Concentrated Light by Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis”, K. NISHIOKA, T. TAKAMOTO1, T. AGUI1, M. KANEIWA1,Y. URAOKA and T. FUYUKI
【非特許文献２】J. Takenezawa, M. Hasumi, T. Sameshima, T. Koida, T. Kanko, M. Karasawa and M. Kondo, Extended Abt. of the 2010 Int. Conf. on Sol. State Dev. and Mat., (Tokyo, 2010) I-8-4.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に開示されているような多接合型ソーラーセルを作製する場合、エピタキシャル結晶成長技術は一般に成膜速度が遅く、多接合形成に時間がかかるため、生産性が低く、製造コストが高くなってしまう。さらに多くの異なる結晶を積層するために、結晶欠陥等の発生による歩留まりも低くなる可能性がある。加えて異なる結晶間のストレスを緩和させる必要があり、大面積セルへの適用が困難である。
【０００８】
一方、非特許文献２に開示されている多接合型ソーラーセルでは、完成したセル同士を貼り合せるため、高い歩留りが期待できる。また、異種半導体結晶成長プロセスを伴わないので、大面積の多接合型ソーラーセルの作製が可能である利点がある。
【０００９】
しかし、図３、図４に示したような多接合型ソーラーセルは、いずれも上部セルが下部セルの光遮蔽の要因なる。上部セルはバンドギャップが大きいので長波長の光に対して透明である。しかし半導体は一般に屈折率が高いので、半導体に透明な波長帯であっても、光が上部セルで反射されて下部セルに上手く伝達されない反射ロスが生じてしまう。
【００１０】
本発明は、光反射ロスを低く抑えることができる異種ソーラーセル多接続型ソーラーセル及びそれを用いた変換効率が高いソーラーセルシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
＜１＞  互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、を有し、
前記複数のソーラーセルユニットとして、第１ソーラーセルユニットと、前記第１ソーラーセルユニットよりもバンドギャップが小さい第２ソーラーセルユニットと、を有し、
前記光誘導手段として、前記外から入射する光を分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する波長分散型プリズムであって、前記外から入射する光を受光する受光面、前記第１ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して該プリズム内で全反射した光を前記第１ソーラーセルユニットに照射する底面、前記第２ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して前記底面に到達する前に該プリズムの外側に透過した光を前記第２ソーラーセルユニットに照射する第１傾斜面、及び前記第１傾斜面と平行に位置し、前記第２ソーラーセルユニットに面さない第２傾斜面を含む波長分散型プリズムを有し、
前記波長分散型プリズムの前記第２傾斜面に面し、前記第２傾斜面を透過した光を前記プリズム内に向けて反射する第１反射手段を有する直列接続型ソーラーセル。
＜２＞  前記波長分散型プリズムの前記第１傾斜面に面し、前記第１傾斜面を透過した光を前記第２ソーラーセルユニットに向けて反射する第２反射手段を有する＜１＞に記載の直列接続型ソーラーセル。
＜３＞  互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、を有し、
前記光誘導手段として、２つのプリズム間に波長選択用の隙間を有するプリズム対を有し、前記外から入射した光を前記プリズム対の前記波長選択用の隙間によって分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する直列接続型ソーラーセル。
＜４＞  前記プリズム対が前記外から入射する光の入射方向に複数配列されており、前記外から入射した光が先に到達する第１プリズム対の波長選択用の隙間ｄ１が、前記外から入射した光が前記第１プリズム対の後に到達する第２プリズム対の波長選択用の隙間ｄ２よりも狭くなっており、前記第１プリズム対の波長選択用の隙間ｄ１によって分光された光のうち、前記第２プリズム対に入射した光が前記第２プリズム対の波長選択用の隙間ｄ２によって分光される＜３＞に記載の直列接続型ソーラーセル。
＜５＞  互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、を有し、
前記複数のソーラーセルユニットの各々が前記吸収波長域以外の光に対して光透過性を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットを挟むとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された２つの反射手段を有し、前記外から入射した光が、前記２つの反射手段の間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する直列接続型ソーラーセル。
＜６＞  互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、を有し、
前記複数のソーラーセルユニットの各々が受光面とは反対側の面に受光面から入射した光のうち吸収されなかった光を反射する反射面を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットの受光面に対向するとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記複数のソーラーセルユニットの反射面と前記反射手段との間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する直列接続型ソーラーセル。
＜７＞  ＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の直列接続型ソーラーセルが複数配列されているソーラーセルシステム。
＜８＞  ＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の直列接続型ソーラーセルと、
外からの光を集光する第１レンズと、前記集光された光を平行光に成形して前記直列接続型ソーラーセルに入射させる第２レンズと、
を含むソーラーセルシステム。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光反射ロスを低く抑えることができる異種ソーラーセル多接続ソーラーセル及びそれを用いた変換効率が高いソーラーセルシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】太陽光のスペクトルを示す図である。
【図２】ソーラーセル特性を示す、ソーラーセルで発生する電圧Ｖと電流Ｉの相関関係曲線図である。
【図３】積層型の多接合ソーラーセルの一例を示す概略構成図である。
【図４】積層型の多接合ソーラーセルの他の例を示す概略構成図である。
【図５】本発明に係る直列接続型ソーラーセルの基本的な構成を示す概略図である。
【図６】第１実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの構成の一例を示す概略図である。
【図７】ＺｎＳからなるプリズムにおける波長と屈折率との関係を示す図である。
【図８】図７に示すＺｎＳからなるプリズムにおいて波長光が全反射光となる入射角（臨界角）の条件を示す図である。
【図９】第１実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの構成の他の例を示す概略図である。
【図１０】第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの構成の一例を示す概略図である。
【図１１】第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの構成の他の例を示す概略図である。
【図１２】第３実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの構成の一例を示す概略図である。
【図１３】図６に示した直列接続型ソーラーセルを集光型システムに適用した例を示す概略図である。
【図１４】図９に示した直列接続型ソーラーセルを集光型システムに適用した例を示す概略図である。
【図１５】図１０に示した直列接続型ソーラーセルを集光型システムに適用した例を示す。
【図１６】図１１に示した直列接続型ソーラーセルを集光型システムに適用した例を示す。
【図１７】図１２に示した直列接続型ソーラーセルを集光型システムに適用した例を示す。
【図１８】金属材料の仕事関数を示す図である。
【図１９】ＭＩＳ型ソーラーセルの構成の一例を示す概略図である。
【図２０】ＭＩＳ型ソーラーセルを本発明の直列接続型ソーラーセルに適用した一例を示す概略図である。
【図２１】ＭＩＳ型ソーラーセルを本発明の直列接続型ソーラーセルに適用した一例を示す概略図である。
【図２２】本発明に係る直列接続型ソーラーセルの構成の他の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る直列接続型ソーラーセルは、互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、を有する。
図５は、本発明に係る直列接続型ソーラーセルの基本的な構成を示す概略図である。本実施形態に係る直列接続型ソーラーセル１００は、互いに吸収波長域が異なる３つのソーラーセルユニット１，２，３と、各ソーラーセルユニット１，２，３に対して各々の吸収波長域の光を誘導して照射する光誘導手段４を備えている。各ソーラーセルユニット１，２，３は電気配線５によって直列に接続されている。
【００１５】
なお、図５に示す直列接続型ソーラーセル１００では、互いに吸収波長域が異なるソーラーセルユニット（単位素子）１，２，３を３つ備えているが、本発明に係る直列接続型ソーラーセルを構成するソーラーセルユニットの数は特に限定されるものではない。
また、本発明において、「複数のソーラーセルユニットが互いに吸収波長域が異なる」とは、各ソーラーセルユニットが吸収する波長域が全く重複しない場合のほか、吸収波長領域の一部分が重複せず、他の部分は重複する場合も含む。
また、本発明において「直列」とは複数のソーラーセルユニットが電気的に直列に配線されていることを意味し、一直線上に並んでいる場合のほか、後述する図１０及び図１１に示されるように隣接する複数のソーラーセルユニット同士が１８０℃未満の角度（例えば直角）を成して接続されている場合も含まれる。
【００１６】
ソーラーセルユニット１，２，３は、それぞれバンドギャップが異なる半導体素子を含むものであり、波長の関係をλ１＜λ２＜λ３とすると、ソーラーセルユニット１はバンドギャップによって定められた臨界波長λ１以下の光を吸収して発電し、ソーラーセルユニット２は波長λ２以下の光を吸収して発電し、ソーラーセルユニット３は波長λ３以下の光を吸収して発電する。
【００１７】
光誘導手段４は、外から入射する光（例えば太陽光）を３つのソーラーセルユニットのぞれぞれの分光感度に応じた３つの波長帯に分光する。そして、ソーラーセルユニット１にはλ１以下の波長の光が、ソーラーセルユニット２にはλ１〜λ２の間の波長の光が、ソーラーセルユニット３にはλ２以上の波長の光がそれぞれ照射されるように構成されている。
【００１８】
このような構成により、各ソーラーセルユニット１，２，３には臨界波長近くの光が照射されるので効率良く発電することができる。そして、ソーラーセルユニット１，２，３が出力する開放電圧Ｖｏｃ１〜Ｖｏｃ３の合計値Ｖｏｃ１＋Ｖｏｃ２＋Ｖｏｃ３が起電力として得られる。
また、このような構成であれば、それぞれ単体のソーラーセルユニット１，２，３に光が照射されるので、図３、図４に示した積層型のソーラーセルのように上部セルにより光が遮蔽されず、各セルに効率的に光が照射され、発電することができる。
さらに、本発明に係る直列接続型ソーラーセルでは、原理的に一般的な構造のセルを用いることができ、図３、図４に示した積層型のソーラーセルのように上部セルの光透過機能が必ずしも要求されない利点がある。
【００１９】
図５においては光照射面積とほぼ同じ面積において光を分光分割する場合を示したが、より高効率のセルを実現するには、太陽光を分光分割する面積をなるべく増やさないこと、より好適にはできるだけ小さくすることが効果的である。よって、本発明においては、外からの光を各ソーラーセルユニットに効率良く誘導する機能も重要である。
以下に、本発明の実施形態の具体例を示すが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００２０】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、光誘導手段として、外から入射する光を分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する波長分散型プリズムを有する。
【００２１】
‐第１の例‐
図６は第１実施形態に係る直列型ソーラーセルの構成の一例を示す概略図である。
本実施形態に係る直列接続型ソーラーセル１０Ａは、電気配線５によって直列に接続された第１ソーラーセルユニット１１と第２ソーラーセルユニット１２とを含んでいる。第１ソーラーセルユニット１１は高バンドギャップ・短波長発電用ソーラーセルであり、第２ソーラーセルユニット１２は第１ソーラーセルユニットよりもバンドギャップが小さい低バンドギャップ・長波長発電用ソーラーセルである。
【００２２】
光誘導手段として機能する波長分散型プリズム１４は、入射する光に対して傾斜した平行体で作られており、外から入射する光を受光する受光面１４Ａ、前記第１ソーラーセルユニット１１に面し、前記受光面１４Ａから入射して該プリズム１４内で全反射した光を第１ソーラーセルユニット１１に照射する底面１４Ｂ、第２ソーラーセルユニット１２に面し、受光面１４Ａから入射して底面１４Ｂに到達する前に該プリズム１４の外側に透過した光を第２ソーラーセルユニット１２に照射する第１傾斜面１４Ｃ、及び第１傾斜面１４Ｃと平行に位置し、第２ソーラーセルユニット１２に面さない第２傾斜面１４Ｄを含んでいる。
【００２３】
波長分散型プリズム１４は屈折率が波長によって大きく変化する材料、即ち低アッべ数材料により構成される。
プリズム１４を構成する低アッべ数材料としては、例えばＺｎＳ（硫化亜鉛）が挙げられる。ＺｎＳは４００ｎｍ以上の波長に対して透明な材料であり、屈折率は図７に示すように波長が短くなるにつれて大きくなる。図７に示す関係に基づくプリズムの全反射光の入射角条件は図８のようになる。即ち、波長が短いときは屈折率が高いので臨界角は小さく、長波長になるにつれて臨界角は大きくなる。
【００２４】
プリズム１４の傾斜角度（図６においてプリズム斜面の垂線と入射光との間の角度）を、ソーラーセルユニット１１の光吸収臨界波長λ１が全反射臨界角θ１になるように設定する。例えばソーラーセルユニット１１がＧａＡｓのときはλ１は８９０ｎｍとなるので、θ１は２５．７°に設定する。
【００２５】
なお、プリズム１４はアッべ数が小さい物体で構成されていれば良いので、ＺｎＳの単一結晶体である必要はなく、多結晶体、媒体に分散したＺｎＳコロイド粒体等であってもよい。
またアッべ数が小さい他の物質も使用することができる。一般に屈折率が大きい材料はアッべ数が小さい。ＺｎＳｅ、ポリエチレン、ポリビニルテレフタレート等を例示することができる。
【００２６】
図６に示す直列接続型ソーラーセル１０Ａは、さらに、波長分散型プリズム１４の第２傾斜面１４Ｄに面し、第２傾斜面１４Ｄの外側に透過した光をプリズム１４内に向けて反射する第１反射手段１６を有している。
第１反射手段１６としては、例えば反射ミラーを用いることができる。なお、例えば、第２傾斜面１４Ｄに光反射性を有する金属層を設けて反射手段としてもよい。
【００２７】
プリズム１４の受光面１４Ａから入射した光のうち、λ１より短波長の光はプリズム１４の第１傾斜面１４Ｃで全反射してプリズム１４内を第２傾斜面１４Ｄに向けて進み、全反射光は第２傾斜面１４Ｄで再び全反射してソーラーセルユニット１１に向けて進む。このような全反射の繰り返しにより、λ１より短波長の光は最終的にプリズム１４の底面１４Ｂから透過して、底面１４Ｂに面するソーラーセルユニット１１に照射される。
【００２８】
一方、λ１より長波長の光はプリズム１４を通過（透過屈折）して、プリズム１４の第１傾斜面１４Ｃの下方において第１傾斜面１４Ｃと面するように配置されたソーラーセルユニット１２に入射する。
なお、λ１より長波長の光にはプリズム１４の第１傾斜面１４Ｃで反射する成分もある。これは全反射する短波長光と同じくプリズム１４内を第２傾斜面１４Ｄに向けて進む。この長波長光はプリズム１４の第２傾斜面１４Ｄに沿って配置された反射ミラー１６によってプリズム１４内に反射される。そして再びプリズムの第１傾斜面１４Ｃで透過又は反射する。このように長波長光の一部が透過と反射を繰り返することで、λ１より長波長の光はプリズム１４の第１傾斜面１４Ｃを透過し、第２ソーラーセルユニット１２に向かう光の強度が大きくなる。
例えば、プリズム１４での反射率が５０％の場合は、３回プリズム表面で透過反射を繰り返すと８７％の光がプリズム外側に透過してソーラーセルユニット１２に入射する。
【００２９】
本実施形態の構成によりλ１より短波長帯と長波長帯の分光が成されてソーラーセルユニット１１，１２の各々の感度に対応した波長光が照射されることで、直列接続型ソーラーセル１０Ａの発電が可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態において反射手段１６は必須ではないが、上記のようにλ１より長波長の光のうちプリズムの第１傾斜面１４Ｃで反射する成分もソーラーセルユニット１２に取り込めるため、反射手段１６を設けることで変換効率を向上させることができる。
【００３１】
‐第２の例‐
図９は、第１実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの他の例を概略的に示している。図９に示す直列接続型ソーラーセル１０Ｂでは、波長分散型プリズム１４の第２傾斜面１４Ｄに面した第１反射手段１６のほか、第１傾斜面１４Ｃに面し、第１傾斜面１４Ｃを透過した光を第２ソーラーセルユニット１２に向けて反射する第２反射手段１７を有している。第１傾斜面１４Ｃ側にも反射ミラー１７を設置し、波長分散型プリズム１４の外側に透過した光を第２ソーラーセルユニット１２に向けて反射させることにより、長波長の光を受光する第２ソーラーセルユニット１２の面積を小さくすることができる。
すなわち、図９に示す直列接続型ソーラーセル１０Ｂでは、図６に示す直列接続型ソーラーセル１０Ａに比べ、ソーラーセルの有効面積を光入射面積よりも小さくすることができ、面積効率が大きい直列接続型ソーラーセルとすることができる。
【００３２】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、光誘導手段として、２つのプリズム間に波長選択用の隙間を有するプリズム対を有し、外から入射した光を前記プリズム対の波長選択用の隙間によって分光することにより複数のソーラーセルユニットの各々に吸収波長域の光を照射する構成を有している。
【００３３】
‐第１の例‐
図１０は、第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの一例を概略的に示している。図１０に示す直列接続型ソーラーセル２０Ａは、バンドギャップが大きい短波長発電用の第１ソーラーセルユニット１１と第１ソーラーセルユニット１１よりもバンドギャップが小さい長波長発電用の第２ソーラーセルユニット１２とが配線５により電気的に直列に接続されている。また、この直列接続型ソーラーセル２０Ａは、それぞれ傾斜面を有する同形状の第１プリズム（上部プリズム）２４Ａと第２プリズム（下部プリズム）２４Ｂが、互いの傾斜面が向かい合わせとなって配置されたプリズム対２４を有している。
なお、２つのプリズム間に隙間ｄ１を設ける方法は特に限定されず、例えば、プリズム間に直径ｄ１のスペーサビーズを挟み、２つのプリズムを圧着することにより隙間ｄ１を設けることができる。
【００３４】
第１プリズム２４Ａと第２プリズム２４Ｂとの間には僅かに隙間ｄ１が設けられており、第１プリズム２４Ａの受光面から入射した光Ｌのうち、波長が２つのプリズムの隙間ｄ１以下の光Ｌ１は隙間ｄ１によって全反射して側面に誘導される。一方、隙間ｄ１より波長が長い光Ｌ２は隙間ｄ１を経て第２プリズム２４Ｂに入射して底面に誘導される。
そのため、第１プリズム２４Ａと第２プリズム２４Ｂとの隙間ｄ１で全反射した光Ｌ１が進む方向の側面（図１０では第１プリズムの右側）に沿って、波長ｄ１以下の光に感度を有する第１ソーラーセルユニット１１を設置しておき、隙間ｄ１によって全反射した光を当てて発電させる。
一方、第２プリズム２４Ｂの底面にはバンドギャップが小さいソーラーセルユニット１２を設置して、波長ｄ１以上の光を当てて発電させる。
【００３５】
‐第２の例‐
第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、外から入射する光の入射方向に複数のプリズム対を配列し、入射光を３つ以上の波長帯に分光して各ソーラーセルユニットに照射することもできる。
【００３６】
図１１は、第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの第２の例を概略的に示している。図１１に示す直列接続型ソーラーセル２０Ｂは、外から入射する光の入射方向に２つのプリズム対２４，２５が配列されている。外から入射した光Ｌが先に到達する第１プリズム対２４の波長選択用の隙間ｄ１は、外から入射した光Ｌが第１プリズム対２４の後に到達する第２プリズム対２５の波長選択用の隙間ｄ２よりも狭くなっており、第１プリズム対２４の波長選択用の隙間ｄ１によって分光された光のうち、第２プリズム対２５に入射した光が第２プリズム対の波長選択用の隙間ｄ２によって２つの波長域の光（Ｌ２，Ｌ３）に分光される。
【００３７】
また、図１１に示す直列接続型ソーラーセル２０Ｂは、単位素子として、第１ソーラーセルユニット（短波長用ソーラーセルユニット）２１と、第１ソーラーセルユニット２１よりもバンドギャップが小さい第２ソーラーセルユニット（中波長用ソーラーセルユニット）２２と、第２ソーラーセルユニット２２よりもバンドギャップが小さい第３ソーラーセルユニット（長波長用ソーラーセルユニット）２３を有している。第１ソーラーセルユニット２１は、第１プリズム対２４の第１プリズム（第１上部プリズム）２４Ａの側面に面して配置されている。また、第２ソーラーセルユニット２２は第２プリズム対２５の第１プリズム（第２上部プリズム）２５Ａの側面に面して配置され、第３ソーラーセルユニット２３は第２プリズム対２５の第２プリズム（第２下部プリズム）２５Ｂの底面に面して配置されている。
【００３８】
このような構成によれば、第１プリズム対２４の第１プリズム（第１上部プリズム）２４Ａに入射した光のうち、波長がｄ１以下の光は第１プリズム対２４の隙間ｄ１によって全反射して短波長用ソーラーセルユニット２１に照射される。一方、波長がｄ１を超える光は、隙間ｄ１を経て第１プリズム対２４の第２プリズム（第１下部プリズム）２４Ｂを透過して第２プリズム対２５の第１プリズム（第２上部プリズム）２５Ａに入射し、波長がｄ２以下の波長の光Ｌ２は第２プリズム対２５の隙間ｄ２によって全反射してソーラーセルユニット２２に入射する。さらに、波長がｄ２を超える光Ｌ３は第２プリズム対２５の隙間ｄ２を経て第２プリズム対２５の第２プリズム(第２下部プリズム）２５Ｂを透過して底面に面して配置されている第３ソーラーセルユニット２３に照射されて発電に寄与する。
このように外から入射する光（例えば、太陽光）を２つのプリズム対２４，２５で短波長帯、中波長帯、長波長帯に分光して各ソーラーセルユニット２１，２２，２３に誘導することで、入射光が各ソーラーセルユニット２１，２２，２３によって効率的に発電することができる。
【００３９】
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、互いに吸収波長域が異なる複数のソーラーセルユニットの各々が吸収波長域以外の光に対して光透過性を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットを挟むとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された２つの反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記２つの反射手段の間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する。
【００４０】
図１２は、第３実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの構成の一例を概略的に示している。図１２に示す直列接続型ソーラーセル３０は、互いに吸収波長域が異なり、それぞれ吸収波長域以外の光に対する透過性構造を有した３つのソーラーセルユニット３１，３２，３３と、２枚の反射ミラー３６，３７とを使用して構成したものであり、２枚の反射ミラー３６，３７間に、光入射口に近い側から短波長用ソーラーセルユニット３１、中波長用ソーラーセルユニット３２、長波長用ソーラーセルユニット３３が配線によって電気的に直列に配置されている。
【００４１】
外からの光（例えば太陽光）は、まず、ソーラーセルユニット３１に入射する。ソーラーセルユニット３１のバンドギャップ以上のエネルギーをもつ短波長の光はソーラーセルユニット３１に吸収され、発電に寄与する。
ソーラーセルユニット３１に吸収されないソーラーセルユニット３１のバンドギャップ以下のエネルギーの中波長光及び長波長光は各ソーラーセルユニット３１，３２，３３の裏側（光が入射する反対側）に配置した第１反射ミラー３６で反射されるか、ソーラーセルユニット３１の表面で反射されて、ソーラーセルユニット３１の外に出る。ソーラーセルユニット３１から出た光は対面に置かれた第２反射ミラー３７によって反射されてソーラーセルユニット３２に入射する。そしてソーラーセルユニット３２のバンドギャップ以上のエネルギーをもつ中波長の光はソーラーセルユニット３２に吸収され発電に寄与する。
ソーラーセルユニット３２にも吸収されない長波長光は各ユニット３１，３２，３３の裏側に配置した第１反射ミラー３６で反射されるか、ソーラーセルユニット３２の表面で反射されて、ソーラーセルユニット３２の外に出る。ソーラーセルユニット３２から出た光は対面に置かれた第２反射ミラー３７によって反射されてソーラーセルユニット３３に入射する。そしてソーラーセルユニット３３のバンドギャップ以上のエネルギーの光がソーラーセルユニット３３に吸収されて発電に寄与する。
【００４２】
上記のような多重反射による直列接続型ソーラーセルでは、各ソーラーセルユニット３１，３２，３３が光電変換手段のほか分光手段としても機能し、それぞれのセルユニットのバンドギャップに応じた光利用がなされ、効率の良い発電が可能になる。
また、図１２に示すように前方のソーラーセルユニットに吸収されない光は２枚の反射ミラー３６，３７の間で反射を繰り返しながら移動し、次のより長波長用のソーラーセルユニットに入射するので、各ソーラーセルユニットの反射率はソーラーセルユニット３１に吸収されるべき光に対してのみ低く設計すればよく、吸収されない光の反射率を調整する必要はない。
【００４３】
＜ソーラーセルシステム＞
本発明に係る直列接続型ソーラーセルは、上記いずれかの実施形態に係る直列接続型ソーラーセルを複数配列した平板型ソーラーセルシステムとすることができる。
また、本発明に係る直列接続型ソーラーセルは、外からの光を集光する第１レンズと、集光された光を平行光に成形して前記実施形態に係る直列接続型ソーラーセルに入射させる第２レンズと、を含む集光型ソーラーセルシステムにも適用することができる。
【００４４】
図１３は、図６に示した第１実施形態におけるプリズムの全反射臨界角の波長分散特性と反射ミラーによる多重反射を用いた直列接続型ソーラーセルを集光型システムに適用した例を示す。本実施形態に係るソーラーセルシステム４０Ａは、図１３に示すように、大きな集光用レンズ４２を用いて太陽光を集光し、集光光を小さなレンズ４４で受けて平行光に成形してプリズム１４に入射させる。集光用の大きなレンズ４２の開口面積をＳＬ、成形用の小さなレンズ４４の開口面積をＳＳとすれば、原理的に太陽光をＳＬ／ＳＳ倍に集光することができ、開口面積ＳＳの小さいプリズム１４及びソーラーセルユニット１１，１２を用いて、面積ＳＬ分の太陽光の発電が可能となる。
【００４５】
図１４は図９に示した直列接続型ソーラーセル２０Ｂを集光型システムに適用した例を示す。この集光型ソーラーセルシステム４０Ｂの場合、図１３に示す形態よりも小さな面積のセルによって面積ＳＬ分の太陽光の発電が可能となる。
【００４６】
図１５、図１６には、それぞれ図１０、図１１に示した直列接続型ソーラーセル２０Ａ，２０Ｂを集光型システムに適用した例を示す。これらの形態のソーラーセルシステム５０，６０でも大きなレンズ４２を用いて太陽光を集光し、集光光を小さなレンズ４４で受けて平行光に成形してプリズム対２４に入射させる。大きなレンズ４２の開口面積をＳＬ、小さなレンズの開口面積をＳＳとすれば、原理的に太陽光をＳＬ／ＳＳ倍に集光することができ、開口面積ＳＳの小さいプリズム対及びソーラーセルユニットを用いて、面積ＳＬ分の太陽光の発電が可能となる。
【００４７】
図１７には、図１２に示した２枚のミラー３６，３７間に、光透過性を有するソーラーセルユニットとして、光入射口に近い側から短波長用ソーラーセルユニット３１、中波長用ソーラーセルユニット３２、長波長用ソーラーセルユニット３３を直列に配列して構成した直列接続型ソーラーセルを集光型システムに適用した例を示す。このシステム７０でも大きなレンズ４２を用いて太陽光を集光し、集光光を小さなレンズ４４で受けて平行光に成形して最初の短波長用ソーラーセルユニット３１に入射させる。このソーラーセルシステム７０においても、集光用の大きなレンズ４２の開口面積をＳＬ、成形用の小さなレンズ４４の開口面積をＳＳとすれば、原理的に太陽光をＳＬ／ＳＳ倍に集光することができ、面積ＳＬ分の太陽光の発電が可能となる。
【００４８】
＜他の実施形態＞
本発明に係る直列接続型ソーラーセルを構成するソーラーセルユニットとしては、種々のソーラーセルを適用することができる。
例えば、異種電極を用いて半導体中に内蔵電位を生じせしめるＭＩＳ型タイプのソーラーセルが開発されている（例えば、Toshiyuki SAMESHIMA, Kazuya KOGURE, Masahiko HASUMI: ” Crystalline Silicon Solar Cells with Two Different Metals”, Jpn. J.Appl. Phys. 49 (2010) 110205.参照）。このＭＩＳ型タイプのソーラーセルは作製が簡便であり、高品位の材料を用いることで高効率化が期待できる。
【００４９】
このＭＩＳ型ソーラーセルは半導体材料の仕事関数と金属の仕事関数差を用いるものであり、半導体材料の仕事関数より大きい仕事関数と小さい仕事関数の二種類の金属材料を選択する。図１８に示すように様々な仕事関数を有する金属材料が知られている。例えばシリコンに対しては、Ａｌ、Ｈｆが低仕事関数金属であり、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔは高仕事関数金属である。シリコン以外の半導体材料の場合でも当該材料に適合した仕事関数を有する金属を選べば上記ＭＩＳ型ソーラーセルを作製することができる。
【００５０】
図１９に、ＭＩＳ型ソーラーセルの一例を示す。このＭＩＳ型ソーラーセル１０１は、第１導電型の半導体基板１０２（例えば、ｐ型のシリコン半導体基板）が用いられ、半導体基板１０２の一方の片面（裏面）上に良質の絶縁薄膜１０３を介して第１の電極１０４と第２の電極１０６とを形成し、半導体基板１０２の他方の片面（表面、受光面）上に良質の光透過性の絶縁膜１１３を形成して構成される。絶縁膜１１３を有する半導体基板１０２の一方の面側が光の照射側（受光面）となる。
【００５１】
このようなＭＩＳ型ソーラーセル１０１では、受光面とは反対側の面に金属電極が配置されており、受光面から入射した光は透過しないため、第３実施形態に係る直列接続型ソーラーセルのソーラーセルユニットとしては不向きであるが、第１実施形態及び第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルに適用することができる。
【００５２】
例えば、互いに吸収波長域が異なるＭＩＳ型ソーラーセル１０１Ａ，１０１Ｂ、１０１Ｃを用い、図２０、図２１に示すように第２実施形態に係る直列接続型ソーラーセルのソーラーセルユニットとして好適に用いることができる。また、このようなＭＩＳ型ソーラーセルは第１実施形態に係る直列接続型ソーラーセルのソーラーセルユニットとしても好適である。
【００５３】
また、図１２に示した第３実施形態では、光透過性のソーラーセルユニットを用いる場合を説明したが、他の例として、受光面から入射した光を反射する反射面を有するソーラーセル、例えば、受光面とは反対側に金属電極が一面に形成され、セルによって吸収されなかった光を金属電極によって反射する機能を有するソーラーセルを利用することができる。
図２２に示す直列接続型ソーラーセル８０では、ソーラーセルユニットの受光面とは反対側の面に受光面から入射した光のうち、吸収されなかった光を反射する反射面を有する複数のソーラーセルユニット５１，５２，５３が、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されている。また、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニット５１，５２，５３の受光面に対向するとともに、バンドギャップが大きいソーラーセルユニット５１から小さいソーラーセルユニット５３に向けて間隔が狭くなるように反射ミラー３７が配置されている。そして、外から入射した光が、各ソーラーセルユニット５１，５２，５３の反射面と反射ミラー３７との間で反射を繰り返しながらバンドギャップが大きいソーラーセルユニット５１から小さいソーラーセルユニット５３に向けて進行することにより複数のソーラーセルユニット５１，５２，５３の各々に吸収波長域の光が照射される。
なお、各ソーラーセルユニットの反射面としては電極に限らず、電極以外の反射層を設けてもよい。
【００５４】
以上、本発明について説明したが本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、ソーラーセルユニットとしては、シリコン系、化合物系のほか、色素増感ソーラーセル、有機薄膜ソーラーセルなども用いることもできる。
【符号の説明】
【００５５】
１，２，３  ソーラーセルユニット
４  光誘導手段
５  配線
１０Ａ，１０Ｂ  直列接続型ソーラーセル
１１，１２  ソーラーセルユニット
１４  波長分散型プリズム
１６、１７  反射手段（反射ミラー）
２０Ａ，２０Ｂ  直列接続型ソーラーセル
２１，２２，２３  ソーラーセルユニット
２４Ａ  第１プリズム（上部プリズム）
２４Ｂ  第２プリズム（下部プリズム）
２４，２５  プリズム対
３０  直列接続型ソーラーセル
３１，３２，３３  ソーラーセルユニット
３６，３７  反射手段（反射ミラー）
４０Ａ，４０Ｂ  ソーラーセルシステム
４２   集光用レンズ
４４   成形用レンズ
５１，５２，５３  ソーラーセルユニット
５０，６０，７０  ソーラーセルシステム
１００ 直列接続型ソーラーセル
１０１ ＭＩＳ型ソーラーセル
１０２ 半導体基板
１０３ 絶縁薄膜
１０４ 電極
１０６ 電極
１１３ 絶縁膜
ｄ１，ｄ２  隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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