(57)【要約】      （修正有）【課題】３接合太陽電池素子を用いた集光型太陽電池において、さまざまな太陽光スペクトルに対応して、常時、過剰なトップ光をミドルセル、ボトムセルに振り分け、効率よく発電する。【解決手段】集光レンズおよび太陽電池を具備する集光型太陽電池において、太陽電池はトップセル７およびボトムセル９を具備し、トップセル７はボトムセル９上に積層され、トップセル７の上面１５の面積はボトムセル９の上面の面積よりも小さい。【選択図】図２Ａ
2017229168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光レンズおよび太陽電池を具備し、
前記太陽電池は、トップセルおよびボトムセルを具備し、
前記トップセルは前記ボトムセル上に積層され、
前記トップセルの上面の面積は前記ボトムセルの上面の面積よりも小さい、
集光型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多接合太陽電池は、単接合の太陽電池と比べて、高い変換効率が期待できる。多接合太陽電池では、それぞれのセル（接合）が異なる波長の太陽光を吸収してフォトカレントを発生させる。各セルは電気的に直列で接続されているため、太陽電池全体で発電する電流量は、発生したフォトカレントが最も小さいセルのフォトカレントで律速される。したがって、各セルのフォトカレントが一致した場合は、変換効率は高まるが、各セルのフォトカレントにバラツキが出ると、余分に発生したフォトカレントは発電に寄与しないため、変換効率が低下する問題がある。
【０００３】
各セルで発生するフォトカレントのバランスは、太陽光スペクトルによって変化する。太陽光スペクトルは、太陽の高度、季節や天候によって、絶えず変化しているので、多接合太陽電池の変換効率は絶えず変動し、常に高い変換効率が得られるわけではない。
【０００４】
三接合太陽電池素子の場合の一例を示す。トップセル、ミドルセル、ボトムセルは、例えば、それぞれＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのバンドギャップの異なる半導体材料から成り、それぞれ、４００〜６７０ｎｍ、６７０ｎｍ〜８９０ｎｍ、８９０ｎｍ〜１３００ｎｍの太陽光を吸収し、発電する（注）（以降、これらの光を便宜上、トップ光、ミドル光、ボトム光と呼ぶ）。トップセル、ミドルセル、ボトムセルのフォトカレントは、前述のように太陽光スペクトルにより変化する。太陽光スペクトルは太陽の高度によって大きく変わる。太陽の高度が低いと、太陽光は大気中を斜めに通過して地上に達するため、大気中の塵や雲などの影響を受けやすく、太陽光は大気中で散乱され減衰しやすい。逆に、太陽の高度が高いと、太陽光が大気中を通過する距離が短くなり、大気中の塵や雲などの影響を受けにくくなり、太陽光は散乱しにくい。特に、波長の短いトップ光は散乱しやすいため、太陽高度による増減が大きい。一方、ミドル光、ボトム光の太陽高度による増減は小さい。このような要因により、トップ光の過不足が、多接合太陽電池の変換効率にもっとも大きく影響する。
【０００５】
トップ光、ミドル光、ボトム光の最大波長は、トップセル、ミドルセル、ボトムセルのバンドギャップによって決まっている。トップ光の最小波長が４００ｎｍである理由は、太陽光がＰＭＭＡレンズ（集光型太陽電池では通常レンズにＰＭＭＡを用いる）を通過すると、波長４００ｎｍ以下がＰＭＭＡで吸収され、トップセルには波長４００ｎｍ以上の光しか入射しないためである。また、ミドルセルの最小波長が６７０ｎｍである理由は、ミドルセルに太陽光が入射する前に、トップセルで６７０ｎｍ以下の光が吸収されてしまうからである。同様に、ボトムセルの最小波長が８９０ｎｍである理由は、ボトムセルに太陽光が入射ミドルセルで波長８９０ｎｍ以下の光が吸収されてしまうからである。したがって、もし、ミドルセルにトップ光を照射することが出来れば、ミドルセルでもトップ光を吸収させ、フォトカレントを発生させることが可能である。
【０００６】
集光型太陽電池は、通常のフラットタイプの太陽電池の約２倍の変換効率が得られる発電素子（多接合太陽電池）を使用するが、この発電素子は非常に高価であるため、発電素子は１〜１０ｍｍ２の小サイズで使用し、集光レンズで集光した太陽光を発電素子に照射して使用する。集光した太陽光を発電素子に正確に照射するためには、太陽光追尾装置（トラッカー）で、仰角、方位角を調整し、集光型太陽電池モジュールを絶えず太陽の方向に向けてやる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１２０７４７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４９７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
先行例では、２接合太陽電池において、トップセルとボトムセルで発生するフォトカレントのバランスを考慮して、年間を通じて最も発電量が大きくなるように設計しているが、刻々と変化する太陽光スペクトルに常時対応できるわけではない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、３接合太陽電池素子を用いた集光型太陽電池において、トップ光が過剰になる場合に、さまざまな太陽光スペクトルに対応して、常時、過剰なトップ光をミドルセル、ボトムセルに振り分けられるようにする。そのために、以下の工夫を行う。
（１）発電素子の外周部に、ミドルセルが露出した領域を設ける。
（２）発電素子の外周部に、ボトムセルが露出した領域を設ける。
（３）レンズでは、色収差によって波長が短い光ほどよく屈折する。このことを利用して、レンズと発電素子の間の距離を調整し、発電素子の受光部に照射される集光部で、トップ光の集光サイズが最も大きくなるようにする。このようなレンズと素子の位置関係にすることにより、集光部の最外周部に、過剰なトップ光のみが存在する領域を設ける（図９参照）。
（４）上記集光部の位置を調整することにより、集光部の最外周部の過剰なトップ光をミドルセル露出部、ボトムセル露出部に当たるようにする。このような集光部の位置調整により、過剰なトップ光をミドルセル、ボトムセルに照射し、ミドルセル、ボトムセルで発生するフォトカレントを増加させ、トップ光のフォトカレントと等しくなるように調整する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、３接合太陽電池素子を用いた集光型太陽電池において、トップ光が過剰になる場合に、さまざまな太陽光スペクトルに対応して、常時、過剰なトップ光をミドルセル、ボトムセルに振り分けられる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の集光型太陽電池モジュールを示す図。
【図２Ａ】発電素子４の構造を示す図。
【図２Ｂ】トップセル７、ミドルセル８、ボトムセル９のフォトカレントを調整する方法を示す図。
【図２Ｃ】フォトカレントを調整する方法を示す図。
【図３Ａ】本発明の太陽光追尾装置１７を示す図。
【図４】仰角２１、方位角２２を微調整するためのフローチャート。
【図５】発電素子の構造を示す図。
【図６】発電素子の構造を示す図。
【図７】発電素子の構造を示す図。
【図８】発電素子の製造プロセスを示す図。
【図９】集光部の最外周部に、過剰なトップ光のみが存在する領域を設けることを説明するための図。
【図１０】本発明の参考図。
【図１１】本発明の参考図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
集光型太陽電池モジュールの説明
図１に、本発明の集光型太陽電池モジュールを示す。集光型太陽電池モジュールは、発電素子４を取り付けた配線基板１上にレンズ３を貼り付けた構造となっている。配線基板１は厚み１．５ｍｍのアルミ板であり、アルミ板上に絶縁膜（図示省略）が形成され、さらに、絶縁膜上に金属膜からなる配線パターンが形成されている。この配線基板１上に形成されている配線パターンの＋側端子１ａに発電素子４が半田により融着接着されている（発電素子４の裏面にはｐ−電極が形成されている）。また、配線パターンの−側端子１ｂと発電素子上のｎ側パッド電極１３とが金ワイヤ５により接続されている。
【００１３】
配線基板１上には、厚み０．５ｍｍの例えばアクリル系樹脂からなるスペーサ６を介してＰＭＭＡから成るレンズ３が搭載されている。配線基板１とレンズ３の間には、シリコーン樹脂からなる透明充填剤２が挿入されている。
【００１４】
発電素子の説明
図２に発電素子４の構造を示す。ｐ−ＧａＡｓ基板１０上にボトムセル９、ミドルセル８、トップセル７の順に積層されている。ここで、例えば、トップセル７はＩｎＧａＰ、ミドルセル８はＧａＡｓ、ボトムセル９はＧａＩｎＮＡｓＳｂから成る。各セルはｐ層、ｎ層から成り、３つのｐｎ接合が積層した構造と成っている。これらのセルはトンネルジャンクションを介して、互いに接している。
【００１５】
主受光部１５は、レンズにより集光した太陽光が照射される部分であり、グリッド電極１２を形成したトップセルが露出している。また、ミドルセル８およびボトムセル９の一部がテラス状に露出し、それぞれ副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７を形成している。副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７は、過剰なトップ光１８が照射される部分である。主受光部１５、副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７の受光面以外には、絶縁膜１１が形成されている。
【００１６】
ｐ−ＧａＡｓ基板１０の裏面には、ｐ−電極１４が、発電素子のトップセル７上には、前述のとおり、グリッド電極１２が形成されている。ｎ−パッド電極１３は、グリッド電極１２の一部と被さるように形成されている。
【００１７】
フォトカレントの調整方法
図２Ｂに、トップセル７、ミドルセル８、ボトムセル９のフォトカレントを調整する方法を示す。フォトカレントの調整は、図２Ｃのように、レンズに対して太陽光２２の入射角度を変え、発電素子上に照射される集光部２３の位置を移動させることにより行っている。
【００１８】
図２Ｂ（ａ）に、朝や夕方など、トップ光１８が不足している場合の調整方法を示す。太陽光の集光部は、トップ光１８、ミドル光１９、ボトム光２０のように、レンズの色収差のため、太陽光の波長により異なるサイズで主受光部１５上に照射される。集光部はすべて主受光部１５上に照射し、副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７には照射しない。そのため、トップ光１８はミドルセル８、ボトムセル９でフォトカレントを発生させない。
【００１９】
図２Ｂ（ｂ）に、春〜秋の昼間など、トップ光１８が過剰な場合の調整方法を示す。太陽光の集光部のトップ光１８の一部とミドル光１９、ボトム光２０とは主受光部１５上に照射され、トップ光１８の外周部は副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７にも照射される。これにより、過剰なトップ光は副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７からミドルセル８、ボトムセル９に入射し、フォトカレントを発生させることができる。副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７に照射するトップ光１８の面積を調整することにより、トップセル７、ミドルセル８、ボトムセル９のフォトカレントを等しくさせることで、高い変換効率を得ることが可能である。
【００２０】
図３Ａに本発明の太陽光追尾装置１７を示す。図３Ａ（ａ）は、集光型太陽電池モジュール１８をパネル部１９に搭載した状態を示している。図３Ａ（ｂ）はパネル部１９を、裏側から見た図である。太陽光追尾装置１７は制御装置２０により制御され、パネル部１９の仰角２１、方位角２２を調整し、太陽光を追尾している。
【００２１】
副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７に照射されるトップ光量を調整には、太陽光追尾装置１７の仰角２１、方位角２２を微調整する。
【００２２】
太陽光追尾装置の仰角２１、方位角２２を微調整する方法を具体的に示す。通常、集光型太陽電池を太陽光追尾させる場合、設置場所の緯度、経度、時間がわかれば、追尾装置を太陽に向けるための仰角（ｅｌｅ）、方位角（ａｚ）を計算することができる。したがって、時間とともに変化するｅｌｅ、ａｚにあわせて、仰角２１、方位角２２を調整することで、太陽電池モジュールを絶えず太陽に向けることができる。さらに、トップ光１８をミドルセル８、ボトムセル９に振り分けるための微調整には、ｅｌｅ、ａｚのオフセット値として、Δｅｌｅ、Δａｚを設定し、仰角２１、方位角２２を微調整すればよい。図４に仰角２１、方位角２２を微調整するためのフローチャートを示す。Δｅｌｅ、Δａｚの算出と修正は、一定時間おきに行う（例えば、３０分毎など）。この微調整の操作は、まず、仰角、方位角の中心値ｅｌｅ、ａｚに対して、仰角はΔｅｌｅｍｉｎ〜Δｅｌｅｍａｘ間を、方位角はΔａｚｍｉｎ〜Δａｚｍａｘ間を一定スッテップで動かしていき、集光型太陽電池モジュールの短絡電流が最も大きくなる時のΔｅｌｅ、Δａｚを求める。仰角２１、方位角２２を動かし集光部が発電素子の受光面を移動する時、副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７が設置されている方向を＋方向とすると、この場合、Δｅｌｅｍｉｎ、Δａｚｍｉｎは＋方向に、副受光部を設けない場合のアクセプタアングル（注）  ×０．７とすればよい。また、Δｅｌｅｍａｘ、Δａｚｍａｘは、＋方向にアクセプタアングル＋０．５°程度でよい（第１実施形態では、副受光部を設けない場合のアクセプタアングルは１．５°であり、Δｅｌｅｍｉｎ＝１．０、Δｅｌｅｍａｘ  ＝２．０、Δａｚｍｉｎ  ＝１．０、Δａｚｍａｘ  ＝２．０である）。
【００２３】
アクセプタアングルとは、仰角、方位角を動かして、集光部が受光部からはみ出すと、短絡電流が低下する。集光部が受光部からはみ出し、短絡電流が１０％低下する仰角、方位角をアクセプタアングルと言う。
【００２４】
次に、トップ光１８をミドルセル８、ボトムセル９に振り分けた場合に、トップセル７、ミドルセル８、ボトムセル９でどの程度フォトカレントの増減が行われるかを説明する。２０１４年７月３０日１１月５分に京都府精華町で測定した太陽光スペクトルを用いて、トップセル７、ミドルセル８、ボトムセル９のフォトカレントがどの程度の電流量で調整されるか場合を表１に示す。これは発電素子１個分のデータである。表１には、トップセル７、ミドルセル８、ボトムセル９に対応した発電に寄与する波長領域、太陽光のフォトン数、発生するフォトカレント、フォトカレント調整量、調整後のフォトカレントを示している。
【００２５】
太陽光のフォトン数は、集光型太陽電池で利用できる直達光のフォトン数のみを示している。発生するフォトカレントＩｐは次の（１）式で計算した。
【００２６】
【数１】
2017229168.tif 000003
ここで、ｋはトップ、ミドル、ボトムのいずれかを示す添え字である。ｑは電気素量、Ｓはレンズの面積、Ｐはフォトン数、Ｔはモジュールの透過率、Ｑｉは内部量子効率を示している。ｎ１、ｎ２はトップ、ミドル、ボトムの波長領域の下限と上限を示している。
【００２７】
この時のフォトカレント調整をしない場合の短絡電流実測値は１１．２ｍＡであった。この時、集光型太陽電池モジュールはボトム律速状態にあり、ボトムセル９で発生したフォトカレントがトップセル７、ミドルセル８で発生したフォトカレントよりも小さいため、集光型太陽電池モジュールの短絡電流は、ボトムセル９のフォトカレント１１．２ｍＡで律速されている。また、トップセル７のフォトカレントは１１．９ｍＡと他のセルより過剰になっていることがわかる。そこで、トップセル７のフォトカレント０．０３３ｍＡをミドルセル８に、トップセル７のフォトカレント０．３３３ｍＡをボトムセル９に振り分けると、トップセル７、ミドルセル８、ボトムセル９のフォトカレントを１１．５３ｍＡにそろえる事ができ、短絡電流を１１．２ｍＡから１１．５３ｍＡに増やすことができる。また、変換効率および発電量を１．０３倍に増加させることができる。
【００２８】
次に、２０１４年７月３０日１１月５分に京都府精華町で測定した太陽光スペクトルの場合に、Δｅｌｅ、Δａｚを求める例を表２に示す。Δｅｌｅを１．０〜２．０、Δａｚを１．０〜２．０の範囲で０．２°ピッチで動かし、その時の短絡電流を測定している。短絡電流は１０．２２〜１１．５１ｍＡの範囲で変化し、Δｅｌｅ＝１．８°、Δａｚ＝１．６°の時、短絡電流は１１．５１ｍＡと最大値となる。したがって、表２の場合のオフセット量は、Δｅｌｅ＝１．８°、Δａｚ＝１．６°を決定することができる。
【００２９】
Δｅｌｅ、Δａｚを決定し、オフセット量を微調整する頻度は、以下のような場合が考えられる。
【００３０】
（ａ）１０分毎  天候が薄曇りで、かつ、雲の厚さが場所により大きく違うような場合は、オフセット量の微調整をこまめに行うことが望ましい。
【００３１】
（ｂ）１〜２時間毎  比較的天気がよく、雲の量、厚みにかなり薄く、場所によるムラが少ない場合。
【００３２】
（ｃ）微調整なし  晴天で太陽光スペクトルが太陽高度のみで予測できる場合。過去のオフセット量を参考に、あらかじめ、オフセット量を決定しておき、１日中変更しないで発電することが可能。
【００３３】
発電素子の製造プロセス
発電素子の製造プロセスを図８に示す。
【００３４】
まず、ｐ−ＧａＡｓ基板上にボトムセル、トンネル接合層、ミドルセル、トンネル接合層、トップ層、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層を積相した基板上に、ＥＢ蒸着などの方法でグリッド電極１０１（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ系）を厚み３μｍ程度形成する（図８（ａ））。グリッド電極幅は３μｍ。
【００３５】
次に、ＲＩＥなどのドライエッチにより、ボトムセルを露出させ、ボトムセル露出部１０２を形成する（図８（ｂ））。
【００３６】
引き続き、同じくＲＩＥなどのドライエッチなどの方法により、ミドルセルを露出し、ミドルセル露出部１０３を形成する（図８（ｃ））。
【００３７】
引き続き、同じくＲＩＥなどのドライエッチなどの方法により、エッチング部１０４をエッチングし、エッチング部１０４以外の領域にメサ部１０５を形成する（図８（ｄ））。
【００３８】
次に、ＣＶＤ法により絶縁膜１０６（たとえばＳｉＮ膜０．３μｍ）を基板上に形成した後、ＲＩＥなどのドライエッチにより、主受光部１５、副受光部（ミドル）１６、副受光部（ボトム）１７上の絶縁膜１０６を除去する（図８（ｅ））。  次に、パッド電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ系）１０７を１μｍ程度形成する（図８（ｆ））。
【００３９】
次に、基板表面にＡＲコート膜１０８をスパッタにより形成した後、裏面研磨により基板厚を２００μｍまで薄くし、最後にｐ−電極（Ｃｒ／Ａｕ系）を厚み１μｍ程度形成する（図８（ｇ））。裏面研磨、ｐ−電極形成は図示省略。
【００４０】
発電素子の材料
第１実施形態では、トップセル７はＩｎＧａＰ、ミドルセル８はＧａＡｓ、ボトムセル９はＧａＩｎＮＡｓＳｂであるが、表１のように、これ以外の以下の材料を用いることができる。
【００４１】
【表１】
2017229168.tif 000004
【００４２】
（第２実施形態）
発電素子の説明
第１実施形態では、副受光部（ミドル）１６と副受光部（ボトム）１７の両方を設けたが、例えば、レンズ３にＰＭＭＡではなく、ＳＯＧ（ｓｉｌｉｃｏｎｅ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ：ガラス板にシリコーン樹脂で薄レンズを形勢したもの）によりフレネルレンズを形成したような場合、ボトム光の吸収がほとんどなく、ボトム光不足になりにくい。また、発電素子にＧｅ基板（ボトムセル）に講師整合する条件でＧａＡｓ（ミドルセル）、ＩｎＧａＰ（トップセル）を積相したものを使用する場合、ボトムセルのフォトカレントが他のセルよりも多くなるため、ボトム光不足になりにくい。このようなボトム光不足になりにくい場合、副受光部（ボトム）１７を省略し、副受光部（ミドル）１６のみを設けることが可能である。図５に発電素子の構造を示す。
【００４３】
第２実施形態の発電素子の構造では、副受光部（ボトム）１７を省略できる分、発電素子の作製は簡便で、その分コストダウンすることができる。
【００４４】
（第３実施形態）
発電素子の説明
第１実施形態では、副受光部（ミドル）１６と副受光部（ボトム）１７の両方を設けたが、例えば、副受光部（ボトム）１７のみを設けても良い。第１実施形態の表１に示した例の場合、フォトカレント調整量（トップ→ミドル）は０．０３３ｍＡであり、フォトカレント調整量（トップ→ボトム）の０．３３３ｍＡの１／１０である。したがって、ＰＭＭＡレンズの光吸収が大きくボトム光不足になりやすい場合は、副受光部（ミドル）１６を省略することが可能である。図６に発電素子の構造を示す。
【００４５】
第３実施形態の発電素子の構造では、副受光部（ミドル）１６を省略できる分、発電素子の作製は簡便で、その分コストダウンすることができる。
【００４６】
（第４実施形態）
発電素子の説明
第１〜３実施形態では、発電素子に３接合太陽電池を用いたが、４接合太陽電池を用いてもよい。図７に発電素子の構造を示す。４接合の場合、セルを上からトップ、ミドル１、ミドル２、ボトムと故障する。第４実施形態では、副受光部は副受光部（ミドル１）１６ａ、副受光部（ミドル２）１６ｂ、副受光部（ボトム）１７の３箇所設ける。
【００４７】
発電素子の材料
第４実施形態では、表２に示す発電素子に以下の材料を用いることができる。
【００４８】
【表２】
2017229168.tif 000005
【００４９】
４接合のケース５の場合は、ＧａＮは結晶系が異なるため、トップセルのみメカニカルスタックとなる。
【００５０】
【表３】
2017229168.tif 000006
【００５１】
【表４】
2017229168.tif 000007
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は太陽光発電装置を提供する。
【符号の説明】
【００５３】
１：配線基板
１ａ：＋側端子
１ｂ：−側端子
２：透明充填剤
３：レンズ
４：発電素子
５：金ワイヤ
６：スペーサ
７：トップセル
８：ミドルセル
８ａ：ミドルセル１
８ｂ：ミドルセル２
９：ボトムセル
１０：ｐ−ＧａＡｓ基板
１１：絶縁膜
１２：グリッド電極
１３：ｎ−パッド電極
１４：ｐ−電極
１５：主受光部
１６：副受光部（ミドル）
１６ａ：副受光部（ミドル１）
１６ｂ：副受光部（ミドル２）
１７：副受光部（ボトム）
１８：集光部（トップ光）
１９：集光部（ミドル光）
２０：集光部（ボトム光）
２１：仰角
２２：方位角
２２：太陽光線
２３：集光部
１０１：グリッド電極
１０２：ボトムセル露出部
１０３：ミドルセル露出部
１０４：エッチング部
１０５：メサ部
１０６：絶縁膜
１０７：パッド電極
１０８：ＡＲコート
【図１】
2017229168.tif 000008
【図２Ａ】
2017229168.tif 000009
【図２Ｂ】
2017229168.tif 000010
【図２Ｃ】
2017229168.tif 000011
【図３Ａ】
2017229168.tif 000012
【図４】
2017229168.tif 000013
【図５】
2017229168.tif 000014
【図６】
2017229168.tif 000015
【図７】
2017229168.tif 000016
【図８】
2017229168.tif 000017
【図９】
2017229168.tif 000018
【図１０】
2017229168.tif 000019
【図１１】
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