(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、
前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、
前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の前記単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうちの一方が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、
前記光入射側の単位太陽電池の電極対に対し、前記光入射側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第１出力制御部と、
前記裏面側の単位太陽電池に対し、前記裏面側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第２出力制御部と、
を備え、
前記第１出力制御部の操作と前記第２出力制御部の操作とを交互に実行することを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
請求項１記載の太陽電池において、前記光入射側の単位太陽電池と前記裏面側の単位太陽電池のうち、いずれか一方の動作電圧を固定して他方の動作電圧を増減させることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、最大電力制御が可能なタンデム型の太陽電池の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層することにより、広い波長域で光電変換効率を向上させたタンデム型太陽電池が知られている。特開平４−２２６０８４号公報にも、このようなタンデム型の太陽電池が開示されている。
【０００３】
図６には、このような従来のタンデム型太陽電池の断面図が示される。図６において、太陽電池１０は、光入射側（図の上側）の単位太陽電池である上部セル１２と、裏面側の単位太陽電池である下部セル１４との間に、トンネルダイオード１６が挟み込まれた構造となっている。また、光入射側には上部電極１８が、裏面側には下部電極２０がそれぞれ設けられた２端子型の構造となっている。このようなタンデム型の太陽電池においては、一般に上部セル１２にバンドギャップ（Ｅｇ）の大きい太陽電池を使用し、下部セル１４にバンドギャップの小さい太陽電池が使用される。
【０００４】
上述したタンデム型の太陽電池の電流電圧特性は、入射光の強度やスペクトル分布の違いにより変動する。したがって、太陽電池からの出力電力を最大にするためには、最適な動作電圧を上部セル１２と下部セル１４とに印加して作動させる必要がある。このような最大電力制御としては、たとえばインバータの直流動作電圧を一定時間間隔でわずかに変動させ、そのときの太陽電池出力電力を計測して前回の計測値との比較を行いながら、常に出力電力が大きくなる方向にインバータの直流電圧を変化させる方法等が実施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の最大電力制御は、図６に示されるような、２端子型のタンデム型太陽電池には適用可能であるが、さらに高い光電変換効率を得ることができるダブルエミッタタンデム型の太陽電池では３端子構造となっているので、上記従来の最大電力制御を適用することはできない。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、最大電力制御が可能なダブルエミッタタンデム型の太陽電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうちの一方が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、光入射側の単位太陽電池の電極対に対し、光入射側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第１出力制御部と、裏面側の単位太陽電池に対し、裏面側の単位太陽電池の出力電力が向上するように動作電圧を増減させる第２出力制御部と、を備え、第１出力制御部の操作と第２出力制御部の操作とを交互に実行することを特徴とする。
【０００８】
また、上記太陽電池において、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池のうち、いずれか一方の動作電圧を固定して他方の動作電圧を増減させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１０】
図１には、本発明に係るダブルエミッタタンデム型の太陽電池の構成例が示される。図１において、太陽電池１０は、バンドギャップ（Ｅｇ）の広い半導体材料で構成される単位太陽電池である上部セル１２とバンドギャップの狭い半導体材料で構成される単位太陽電池である下部セル１４とが積層されたタンデム型の構造となっている。上部セル１２は、ｎ+層、ｐ層、ｐ+層が積層されて構成されており、本発明に係る光入射側の単位太陽電池を構成する。また、その最上部に形成されたｎ+層に接続されて上部電極１８が設けられている。さらに、ｎ+層の上には絶縁膜２４が形成されている。絶縁膜２４は透明材料で構成されており、太陽光はこの絶縁膜２４を介して太陽電池１０に入射してくる。
【００１１】
また、下部セル１４は、基板となるｐ層の裏面にｎ+層、ｐ+層が交互に設けられている。各ｎ+層には負極２６が、各ｐ+層には正極２８がそれぞれ独立して接続されており、本発明にかかる裏面電極を構成している。これらの負極２６及び正極２８は、下部セル１４の一対の電極を構成するとともに、正極２８が上部セル１２の一方の電極である上部電極１８に対して他方の電極としても兼用されている。なお、下部セル１４が本発明に係る裏面側の単位太陽電池に相当する。
【００１２】
上述した上部セル１２としては、例えば材料としてＡｌＧａＡｓを使用することができる。そのバンドギャップは１．８２ｅＶである。また、この場合ｎ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは０．１μｍである。また、ｐ層のドーパント濃度は１×１０16ｃｍ-3であり、その厚みは１．０μｍである。更に、ｐ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは０．１μｍである。
【００１３】
また、下部セル１４の材料としては、例えばＳｉを使用することができる。そのバンドギャップは１．１１ｅＶである。また、この場合ｎ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは１．０μｍである。また、ｐ層のドーパント濃度は５×１０13ｃｍ-3であり、その厚みは１００μｍである。更に、ｐ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは１．０μｍである。
【００１４】
なお、上部セル１２の材料としてはＩｎＧａＰ＋ＧａＡｓを使用することもできる。そのバンドギャップは１．８８ｅＶ＋１．４２ｅＶである。また、下部セル１４の材料としては、ＧａＡｓも使用することができ、そのバンドギャップは１．４２ｅＶである。更に、下部セル１４としてはＧｅも使用することができ、そのバンドギャップは０．６６ｅＶである。
【００１５】
以上のとおり、下部セル１４の裏面側に設けられた負極２６及び正極２８は、下部セル１４の一対の電極として機能するとともに、正極２８が、上部セル１２に設けられた一方電極としての上部電極１８に対して上部セル１２の他方電極としても機能している。このような構成としたことにより、下部セル１４中で発生した電子は負極２６に、正孔は正極２８にそれぞれ集められる。また、上部セル１２で発生した電子については、上部セル１２のｎ+層に移動し、上部電極１８に集められる。更に、上部セル１２で発生した正孔については、下部セル１４のｐ+層に移動し、正極２８に集められる。
【００１６】
このように、本実施形態に係る太陽電池１０では、２つの単位太陽電池である上部セル１２及び下部セル１４が積層されているが、通常の直列接合の構造ではないため、上部セル１２と下部セル１４とで電流値を整合させる必要がない。このため、各セルの厚みを光吸収効率にとって最も都合のよい厚みとすることができ、光電変換効率を向上させることができる。
【００１７】
また、上部セル１２の上部と下部セル１４の下部とにｎ+層を設けたので、各セルで発生した電子はそれぞれのセルのｎ+層に移動し、光入射側の上部電極１８及び裏面側の負極２６に集められる。このため、少数キャリアである電子の移動距離を短くでき、再結合損失を低減できる。
【００１８】
さらに、通常の直列接続されたタンデム型の太陽電池のように、エネルギ障壁をキャリアが通過する必要はなく、このためのトンネルダイオードも不要となっている。このため、余分なトンネルダイオードを形成する必要もなく、またこのトンネルダイオードでのキャリア再結合による損失も防止することができる。
【００１９】
なお、本実施形態においては、太陽電池を形成する基板としてｐ型基板を使用しているが、これをｎ型の基板とすることも可能である。この場合には、上述した負極として機能する上部電極１８、負極２６と正極２８との関係及び電子と正孔との関係が逆の挙動となるが、機能的には同じものを実現することができる。
【００２０】
以上に述べた本発明に係るダブルエミッタタンデム型の太陽電池１０を動作させる場合には、図１に示された上部セル１２の負極である上部電極１８と正極２８との間及び下部セル１４の電極である負極２６と正極２８との間に所定の電圧を印加して使用する。図１に示された太陽電池１０においては、このように３端子型の構造となっているので、最大電力制御を行う場合には、２つの単位太陽電池である上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの電流電圧特性に基づいて最適な動作電圧を求め、出力を最大にする必要がある。この場合、上述のとおり、電子は上部セル１２と下部セル１４とでそれぞれ独立して別々の上部電極１８、負極２６に集められるが、正孔は上部セル１２及び下部セル１４とも、裏面側の正極２８に集められる。このため、上部セル１２または下部セル１４の動作電圧が他方のセルの電流電圧特性に影響を及ぼす。したがって、図１に示された太陽電池１０においては、上部セル１２と下部セル１４のいずれか一方の最適動作電圧を求め、この電圧を固定した状態で他方の最適動作電圧を求め、この工程を数回繰り返すことにより最大出力制御を行う必要がある。
【００２１】
図１に示されるように、本発明に係る太陽電池１０では、上部セル１２に所定の動作電圧を印加するための第１出力制御部３０が上部電極１８及び正極２８の間に接続されている。また、下部セル１４に所定の動作電圧を印加するための第２出力制御部３２が、負極２６及び正極２８の間に接続されている。
【００２２】
図２には、図１に示された本発明に係るダブルエミッタタンデム型の太陽電池１０において最大電力制御を行う場合のフローが示されている。図２において、まず測定時間間隔を設定した後（Ｓ１）、上部セル１２及び下部セル１４に印加する初期印加電圧を設定する。この場合、上部セル１２に印加する動作電圧をＶ１とし、下部セル１４に印加する動作電圧をＶ２とする（Ｓ２）。
【００２３】
次に、上記設定電圧を上部セル１２及び下部セル１４に印加した状態で、第１出力制御部３０が、上部セル１２の出力電力Ｐ１を測定し、第２出力制御部３２が下部セル１４の出力電力Ｐ２を測定する。これらの各出力電力Ｐ１，Ｐ２は、演算部３４に入力され、ここで合計出力電力Ｐｓ０＝Ｐ１＋Ｐ２が算出される（Ｓ３）。
【００２４】
次に、第１出力制御部３０が上部セル１２に印加している動作電圧Ｖ１をわずかに変動させ、変動後の上部セル１２からの出力電力を計測する。この場合、下部セル１４に印加している動作電圧Ｖ２は、第２出力制御部３２によって一定値に固定しておく（Ｓ４）。動作電圧を変動させた後の上部セル１２の出力電力と、変動させる前の出力電力とを比較し、上部セル１２からの出力電力が大きくなる方向に第１出力制御部３０が上部セル１２への印加電圧を変化させる。このようにして、上部セル１２からの出力電力が最大となるような動作電圧Ｖ１の値を求める（Ｓ５）。
【００２５】
図３には、図１に示された第２出力制御部３２により、太陽電池１０の裏面（下部）の正極２８の印加電圧を０Ｖとし、下部の負極２６の印加電圧を−０．５９Ｖとして固定したうえで、第１出力制御部３０により、上部電極１８に印加する電圧を変化させた場合の上部セル１２及び下部セル１４の電流及び出力電力の変化が示される。図３に示されるように、上部電極１８に印加する動作電圧Ｖ１を上昇させた場合には、上部セル１２の出力電力が当初増加していき、ある点でピークとなってその後急激に低下していく。このため、上部セル１２及び下部セル１４の出力電力の合計値も、上部セル１２の出力電力と同様、一定の点でピークを有する。出力電力がピークとなる点は、図３に示されるように約−１．２６Ｖである。
【００２６】
このように、第２出力制御部３２により下部セル１４に印加する動作電圧Ｖ２を一定に保持した状態で、第１出力制御部３０により上部電極１８に印加する動作電圧Ｖ１を変化させた場合には、一定の電圧値において、上部セル１２の出力電力が最大となる。これが上記Ｓ５で述べた出力電力Ｐ１を最大値とする動作電圧Ｖ１に相当する。
【００２７】
再び図２に戻り、上述のようにして求めた上部セル１２の出力電力Ｐ１を最大値とする動作電圧Ｖ１に上部電極１８の印加電圧を固定した状態で、第２出力制御部３２により下部セル１４の動作電圧Ｖ２を調整する。この際、下部の正極２８の印加電圧は図３の場合と同様に０Ｖに固定する（Ｓ６）。
【００２８】
下部セル１４の動作電圧Ｖ２を変動させながら、第２出力制御部３２により下部セル１４の出力電力を測定し、変動前の出力電力と比較しながら、下部セル１４の出力電力が大きくなる方向に下部セル１４の動作電圧Ｖ２を制御する。これにより、下部セル１４の出力電力Ｐ２を最大値とする動作電圧Ｖ２を求める（Ｓ７）。
【００２９】
図４には、上述したように、上部電極１８及び下部の正極２８の印加電圧を固定した状態で、下部の負極２６の印加電圧を変動させた場合の下部セル１４の出力電力及び上部セル１２と下部セル１４の出力電力の合計電力の変化が示される。図４に示されるように、下部の負極２６の印加電圧の変動により、下部セル１４の出力電力も変動し、ある点でピークとなる。また、この場合には上部セル１２の出力は一定であるので、上部セル１２と下部セル１４との合計電力は、下部セル１４の出力電力のピーク時にピークとなる。出力電力がピークとなる負極２６の印加電圧は、図４に示されるように約−０．５９Ｖである。
【００３０】
このように、下部の負極２６の印加電圧すなわち下部セル１４の動作電圧Ｖ２を変動させることにより下部セル１４の出力電力を最大とすることができ、上記Ｓ７で述べた、出力電力Ｐ２を最大とする下部セル１４の動作電圧Ｖ２を求めることができる。
【００３１】
再び図２に戻り、Ｓ４〜Ｓ７の工程で求められた合計電力Ｐｓ１＝Ｐ１＋Ｐ２を演算部３４で算出する（Ｓ８）。この合計電力Ｐｓ１が、Ｓ３で求めた初期出力電力Ｐｓ０に対して増加率が１％を超えていた場合には（Ｓ９）、合計出力電力Ｐｓ１を初期出力電力Ｐｓ０に置き換えてＳ４からの工程を繰り返す（Ｓ１０）。増加率が大きい場合には、動作電圧Ｖ１、Ｖ２が最適化されていないことを意味し、再度最適動作電圧Ｖ１、Ｖ２を求める必要があるからである。
【００３２】
他方、Ｓ９において合計出力電力Ｐｓ１が初期出力電力Ｐｓ０に対して増減率が１％以下である場合には、所定の設定時間が経過した後、Ｓ１０の工程に進む（Ｓ１１）。これは、Ｓ９において、合計出力電力Ｐｓ１の増加率が初期出力電力に対して１％以下である場合にも、太陽の位置の変化により入射光の入射角度が異なったり、天候の具合によって太陽電池１０への入射光のスペクトル分布が異なる場合があるので、このような環境変化に対応するためである。以上のように、Ｓ４以降の工程を繰り返すことにより、その時点における入射光に対して太陽電池１０の出力電力を最大とするように制御することができる。
【００３３】
なお、図３及び図４に示された具体的な印加電圧の値は、ある一定の太陽光の入射条件に基づく値であり、太陽電池１０に入射する光強度、スペクトルが前述したような理由で変動した場合には、最適な印加電圧は異なった値となる。
【００３４】
図５には、太陽電池１０の最大出力電力を得るための動作電圧の求め方の他の方法の例が示される。図５においては、上部電極１８の印加電圧を０Ｖに固定しておき、第２出力制御部３２により下部の負極２６への初期印加電圧を設定した後、第１出力制御部３０及び第２出力制御部３２を調整して下部の正極２８への印加電圧を変化させていく。これにより、上部セル１２と下部セル１４の合計出力電力が最大となる下部の正極２８の印加電圧を求めた後、第２出力制御部３２によって下部の負極２６の印加電圧を変化させる。これにより、下部セル１４の出力電力が最大となる負極２６の印加電圧を求める。
【００３５】
以上のようにして、下部の負極２６及び正極２８への印加電圧を交互に変化させ、それぞれ太陽電池１０の出力電力が最大となるように第１出力制御部３０及び第２出力制御部３２によって動作電圧Ｖ１、Ｖ２を変化させることにより最大電力制御を行う。
【００３６】
このような制御方法によった場合、ある光照射条件の下では、上部電極１８の印加電圧が０Ｖであり、下部負極２６の印加電圧が０．６７Ｖであり、下部正極２８の印加電圧を１．２６Ｖとした場合に図５に示される合計電力のピーク値が得られた。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上部セルと下部セルとで構成され、相互の動作電圧により互いに出力電力が影響されるダブルエミッタタンデム型の太陽電池において、最大電力制御が可能となる。
【００３８】
この際、上部セルと下部セルのうちの一方の動作電圧を固定するので、より早く最大電力へ収束させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る太陽電池の構成例を示す図である。
【図２】  図１に示された太陽電池において最大電力制御を行うためのフロー図である。
【図３】  図１に示された太陽電池の上部セルの最大電力制御の説明図である。
【図４】  図１に示された太陽電池の下部セルの最大電力制御の説明図である。
【図５】  図１に示された太陽電池の最大電力制御の他の例の説明図である。
【図６】  従来におけるタンデム型太陽電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  太陽電池、１２  上部セル、１４  下部セル、１６  トンネルダイオード、１８  上部電極、２０  下部電極、２４  絶縁膜、２６  負極、２８  正極、３０  第１出力制御部、３２  第２出力制御部、３４  演算部。
【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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