JP4841199B2

JP4841199B2 - 集光型太陽光発電モジュール

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Publication number: JP4841199B2
Application number: JP2005231257A
Authority: JP
Inventors: 高明安居院
Original assignee: Sharp Corp
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Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: JP2007048910A

Description

本発明は、集光型太陽光発電モジュールの技術に関し、より具体的には集光型太陽光発電モジュールの太陽電池セル形状および集光光学系に関する。

近年、エネルギー資源枯渇の問題や大気中のＣＯ₂増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギーの開発が望まれており、太陽電池を用いた太陽光発電が新しいエネルギー源として開発、実用化されている。太陽光発電システムは、更なる普及のため低コスト化が望まれている。また、現在の伸び率で拡大していくと、現在主流となっているシリコン（Ｓｉ）太陽電池の原材料の不足が危惧される。集光型太陽光発電システムは、太陽電池セルの使用量を低減すると共に、低コスト太陽光発電システムとして有望である。

集光システムには、点集光型と線集光型があるが、以下には点集光型システムについて、図を用いて説明する。

図１６は、従来の集光型太陽光発電モジュールの概略図であり、図１７は従来の集光型太陽光発電モジュールの概略断面図である。直方体形状のケース１１の太陽光入射側にフレネルレンズ１２ａがアレイ状に複数個設置されている。個々のフレネルレンズ１２ａには、それぞれに対応する太陽電池セル１４が設置されている。フレネルレンズ１２ａにより集光された光を太陽電池セル１４に入射させるためには、太陽光１３がフレネルレンズ１２ａに垂直に入射するように設定する必要がある。

太陽光１３がフレネルレンズ１２ａに垂直に入射するように設定するためには、ケース１１全体が常に太陽方向を向くように追尾する必要がある。一般的には、ケース１１とシステム設置面の間に２つの回転軸を設け、モータあるいは油圧駆動によりその２軸を回転駆動させ太陽追尾を行う。太陽方位、太陽高度は、太陽軌道の式と設置場所の緯度、経度、時刻により計算され、前記駆動系を制御することにより太陽追尾が行われる。

フレネルレンズ１２ａに入射した太陽光１３は、フレネルレンズ１２ａにより集光され、フレネルレンズ１２ａと対向するケース１１の一面で太陽電池セル１４を支持する支持板部１１ａに設置された太陽電池セル１４に照射される。フレネルレンズ１２ａの材質の屈折率は一般的には長波長ほど屈折率が小さいため、フレネルレンズ１２ａにより集光された光は、太陽電池セル１４の受光面内において光強度分布を有するいわゆる色収差の問題がある。この問題を改善するため、従来は、レンズあるいはプリズム等からなる２次光学系を用いて、その分布を低減する方法が提案されている。

特許文献１には、太陽電池セルに向けて小径となるテーパ状側面を有する四角形断面のプリズム２次光学系を用いて、その一端に１次レンズにより集光された太陽光を入射し、他端に設置された太陽電池に光を導く構造において、前記光入射端面に光拡散部を設けた構造が開示されている。この構造によると、１次レンズによって集光された太陽光がプリズムによって太陽電池に導かれるため、効率よく太陽電池セルに導かれると共に、前記拡散部によって光が拡散されるため、色収差による光強度分布が改善されるという記述がある。また、１次レンズにより集光された光が前記プリズムの光入射端の面内に入射すれば良いため、その範囲内において焦点のずれ、追尾のずれは許容されるといった利点がある。

また、特許文献２には、太陽電池セル表面上に多峰性の２次集光レンズを取り付けることにより、太陽追尾のトラッキング誤差、色収差を改善するといった方法が開示されている。
特開２００３−２５８２９１号公報特開２００２−２７０８８５号公報

しかしながら、特許文献１の集光型太陽光発電モジュールの構造においては、２次光学系としてプリズムを用いており、プリズム内において光を全反射させる必要があり、前記プリズムへの入射角を小さくする必要があるため、１次レンズと前記プリズムの距離を大きくとる必要がある。すなわち、モジュールの厚みが厚くなり、モジュールの大型化を招いてしまうといった問題がある。また、前記プリズムにおける透過・反射損失により太陽電池セルへの入射光量が減少するといった問題がある。

特許文献２の集光型太陽光発電モジュールの構造においては、モジュールを小型化する目的で１次レンズと太陽電池セルを近づけた場合、太陽電池セルあるいは２次集光レンズへの入射角が大きくなり、２次集光レンズあるいは太陽電池セル表面における反射率が大きくなるため、太陽電池セルの出力が低下するといった問題がある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、モジュール厚の薄型化を図るとともに、太陽電池セル表面における表面反射を抑え、かつ色収差により生じる光強度分布を低減することにより、薄型、高変換効率である集光型太陽光発電モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、太陽光を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光が照射される太陽電池セルを有する集光型太陽光発電モジュールであって、前記集光レンズの焦点は前記集光レンズと前記太陽電池セルの間に位置し、前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凹形状に湾曲している構造とした。

この構造において、集光レンズの焦点は太陽電池セルの感度波長光に対する焦点である。この構造によれば、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に凹形状に湾曲した形状とすることにより、平板型の太陽電池を設置した場合と比較して太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、前記凹形状の場合には、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。

また、本発明において、前記太陽電池セルは複数の光電変換層を積層した構造であり、前記光電変換層のうち前記太陽電池セルの受光面側に設けられた光電変換層（トップセル）により出力電流が制限されていることが望ましい。

この構造によれば、太陽電池セルの感度波長域における短波長光の光強度分布が長波長光の分布と比べて比較的均一に分布するため、短波長光に感度を有するトップセルにおいて出力電流が制限されている多接合型太陽電池セルを用いることにより、受光面内における太陽電池セル出力の不均一性が改善されるため、結果として多接合型太陽電池セル全体の出力を向上することができる。

また、本発明は、太陽光を集光する集光レンズと前記集光レンズにより集光された光が照射される太陽電池セルを有する集光型太陽光発電モジュールであって、前記集光レンズの焦点は前記太陽電池セルの裏面側に位置し、前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凸形状に湾曲している構造とした。

この構造において、集光レンズの焦点は太陽電池セルの感度波長光に対する焦点である。この構造によれば、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に凸形状に湾曲した構造とすることにより、太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を平板型の太陽電池を設置した場合と比較して小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、前記凸形状の場合には、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。さらに、前記凹形状とした場合よりも、太陽電池セルを集光レンズに近づけることができるため、集光型太陽光発電モジュールの更なる薄型化が可能となる。

また、本発明は、前記太陽電池セルは、複数の光電変換層を積層した構造であり、前記光電変換層のうち前記太陽電池セルの裏面側に設けられた光電変換層（ボトムセル）により出力電流が制限されていることが望ましい。

この構造によれば、太陽電池セルの感度波長域における長波長光の光強度分布が短波長光の分布と比べて比較的均一に分布するため、長波長光に感度を有するボトムセルにおいて出力電流が制限されている多接合型太陽電池セルを用いることにより、受光面内における太陽電池セル出力の不均一性を低減することができるため、結果として多接合型太陽電池セル全体の出力を向上することができる。

また、本発明において、前記集光レンズは線集光型であり、前記集光レンズの焦線に垂直な面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面形状は、湾曲していることが望ましい。

この構造によれば、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に湾曲した形状とすることにより、平板型の太陽電池を設置した場合と比較して太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。

また、本発明において、前記集光レンズは線集光型であり、前記集光レンズの焦線を含む面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面は、前記集光レンズの焦線と平行であることが望ましい。

この構造によれば、太陽電池セル受光面に照射される光の焦線方向の光強度分布の均一化を図ることができる。

また、本発明において、前記太陽電池セルの受光面は、前記集光レンズの焦線を中心とする略円筒面上に位置することが望ましい。

この構造によれば、集光レンズにより屈折された光の太陽電池セル受光面への入射角を小さくすることができるため、受光面表面における反射損失を更に低減することができる。

また、本発明において、前記集光レンズは点集光型であり、前記太陽電池セルの受光面は直交する２方向に湾曲した形状であることが望ましい。

この構造によれば、太陽電池セルの受光面を直交した２方向に湾曲した凹面形状あるいは凸面形状とすることにより、集光率を高めると共に、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に湾曲した形状とすることにより、平板型の太陽電池を設置した場合と比較して太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。

また、本発明において、前記太陽電池セルの受光面は、前記集光レンズの焦点を中心とする略球面上に位置することが望ましい。

また、本発明において、請求項７または９に記載の前記焦線と前記焦点は、前記太陽電池セルの感度波長の略中間波長に対するものであることが望ましい。

この構造によれば、太陽電池セルの感度波長の略中間波長光の受光面への入射が、垂直入射となり、他の感度波長光はその角度を中心に広がった分布となることから、太陽電池セルの感度波長光全域における入射角を全体的に小さく抑えることができる。

また、本発明において、前記集光レンズは、フレネルレンズである構成とすることが望ましい。

この構成によれば、集光レンズとしてフレネルレンズを用い太陽電池セルを湾曲させることにより、太陽電池セル出力を維持すると共に、集光型太陽光発電モジュールの更なる薄型化が可能となる。

本発明によれば、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズに向かって凸形状あるいは凹形状とすることにより、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を平板型の太陽電池を設置した場合と比較して小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、平板型の太陽電池セルと比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低くすることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。上記の構造により軽量・薄型かつ高変換効率な集光型太陽光発電モジュールの実現が可能となる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図に基づいて説明する。図１は実施形態１に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図であり、その側面を透視的に示したものである。図２は、一対の集光レンズ１２と太陽電池セル１４の部分を拡大して示した図である。集光レンズ１２は一方向にのみ集光される線集光型レンズであり、集光レンズ１２により集光される太陽電池セル１４の感度波長光全てが、太陽電池セル１４の表面側（集光レンズ側）において焦線Ｘ２２を結ぶように設計されている。太陽電池セル１４の受光面は、集光レンズ１２に向かって凹形状に湾曲している。図２には、太陽電池セル１４が複数個並置されたものを示したが、単数でもよく、また、個々の太陽電池形状、配置パターンはこれに限るものではない。

集光された光は焦線Ｘ２２を結んだ後、太陽電池セル１４に照射される。太陽電池セル１４の受光面は、焦線Ｘ２２に垂直な面で切断した断面形状が湾曲した形状となるように配置されている。

さらに、焦線Ｘ２２を含む面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面は、焦線Ｘ２２と平行であることが望ましい。本構造により、太陽電池セル１４の受光面に照射される光の焦線方向の光強度分布の均一化を図ることができる。

集光レンズ１２としては、球面レンズを用いることも可能であるが、モジュール薄型化の点からフレネルレンズを用いることが望ましい。太陽電池セル１４としては、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族系化合物太陽電池、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＩｎＧａＳｅ_２等のカルコパイライト系化合物太陽電池、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ等のＩＩ−ＶＩ族系化合物太陽電池、アモルファスＳｉ系、Ｓｉ系結晶薄膜等のＳｉ系薄膜太陽電池、Ｓｉ系結晶太陽電池や色素増感太陽電池セル等の有機太陽電池セルが使用できる。また、太陽電池セルの構造は、単一接合型セルや、モノリシック多接合型セルや、感度波長領域の異なる種々太陽電池セルを繋げたメカニカルスタックセル等が用いられる。本実施形態においては太陽電池セル１４の受光面を湾曲した形状とするため、太陽電池セル１４はフレキシブル性あるいは曲面形状を有する必要がある。上述した太陽電池は、フレキシブル性を有するものが作成可能であるか、または、支持基板の形状を前記凹部と同一形状とし、その基板上に太陽電池を作製することができる。例えば、図２に示すように凹状に湾曲した表面形状を有する金属板２６にフレキシブル太陽電池セル１４の裏面電極を半田付けにより接合する方法が考えられる。また、湾曲した基板上にｐ−ＣＶＤ、ＭＯ−ＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の製膜方法により薄膜太陽電池セルを形成する方法や、塗布法により有機太陽電池セルを形成することにより実現可能である。

本実施形態における発明の効果を従来の平板型太陽電池の場合と比較して説明する。図３は、本実施形態の光学系の概略断面図である。線集光型の集光レンズ１２により集光された短波長光Ｌ１、長波長光Ｌ２はそれぞれ焦線Ｘ３１と焦線Ｘ３２を結んだ後、太陽電池セル１４に照射される。太陽電池セル１４の感度波長光全てが、集光レンズ１２と太陽電池セル１４の間において焦線を結ぶ構造とする。太陽電池セル１４の受光面形状は、集光レンズ１２に向かって凹形状に湾曲した形状である。図３のＡ３１−Ａ３２部分に平板型太陽電池セルを設置した場合、平板型太陽電池セルの外側ほど焦線Ｘ３１、Ｘ３２からの距離が遠く光強度密度が小さくなるとともに集光レンズ１２の色収差のため長波長光Ｌ２ほど内側に集まるため、Ａ３１−Ａ３２断面における光強度密度は図４に示すように光軸４０付近ほど高くなる。このため、太陽電池セル出力は面内分布が大きくなり、出力の小さな部分の影響を受けて太陽電池セル全体の発電効率は低下する。これに対し、図３のように、太陽電池セル１４の受光面を集光レンズ１２の方向に向かって凹形状とした場合、太陽電池セル１４の中央部分ほど焦点から遠ざかるため、図４に示すように光強度密度分布を改善することができる。

また、太陽電池セル１４を前記凹形状とした場合、集光レンズ１２において屈折された光Ｌ１，Ｌ２の太陽電池セル１４への入射角が小さくなる。太陽電池セル１４の表面には通常、反射防止膜が形成されており、反射防止膜内の多重反射のため波長によって反射率は変化するが、入射角の増加に伴って反射率は高くなる傾向を有するため、受光面表面における反射損失を低減することができる。

また、太陽電池セル１４の表面には不透明で厚みのある表面電極が存在する。集光型太陽電池は出力電流が大きいため、表面電極の抵抗を低減する必要があり、その厚みを増加することが一般的に行われている。この場合、入射角の増大により表面電極の影により入射光損失が大きくなるといった問題が生じる。平板型太陽電池を用いる場合、入射角増大に伴う表面電極の影による損失が大きいが、本実施形態の構造によるとその損失が低減されるため、太陽電池セル出力を向上することが可能である。

太陽電池モジュール薄型化のため焦点距離を短く設計した場合には、特に入射角増大の問題が大きいが、本実施形態の構造によると、入射角低減の効果が大きく、太陽電池モジュールの出力を維持したままモジュールの薄型化が可能となる。

また、本実施形態の場合、集光レンズ１２の色収差のため、短波長光Ｌ１ほど照射される領域が広がり中央付近の光強度が弱くなり、長波長光Ｌ２ほど照射される領域が狭く中央付近の光強度が強くなる。すなわち、波長毎に光強度の面内分布が異なる。単接合型太陽電池セルを用いる場合は、波長毎の光強度の面内分布の太陽電池セル出力に対する影響は少ない。これに対し、多接合型太陽電池セルあるいはメカニカルスタックセルを用いる場合は、太陽電池セル全体としての出力電流は、各光電変換層のうち出力電流が最も少ない層に律速される。

図５には本実施形態についてのＡ３１−Ａ３２断面における太陽電池セル１４上での長波長光、短波長光の光強度分布の概略図を示す。長波長光は中央部分の光強度が強く、短波長光と比較して分布が大きくなる。太陽電池セル１４を湾曲させることにより、太陽電池セル１４の受光面に入射する光強度分布を改善することが可能であるが、波長毎の分布傾向は変わらない。このように長波長光に比べて短波長光の光強度分布が均一な本実施形態の場合に多接合型太陽電池セルあるいはメカニカルスタックセルを用いるときは、出力電流が短波長光により制限されている、すなわちトップセルにより出力電流が制限されているものを使用することが望ましい。トップセルにより出力電流が制限されている太陽電池を用いることにより、太陽電池セル出力の面内分布を低減し、太陽電池セル全体としての出力を改善することができる。各光電変換層の出力電流は、光電変換層の材質及び組成の選択と、光電変換層の膜厚により調整することができる。本実施形態の構造において、トップセルにより出力電流が制限されている構造とすることが望ましい。

また、太陽電池セル１４の受光面形状は、前記集光レンズ１２の焦線を中心とする略円筒面形状であることが望ましい。その焦線は太陽電池セル１４の感度波長域の略真ん中の波長である中間波長光（波長λ_Ｍ）に対する焦線であることが更に望ましい。図６には、集光レンズ１２が線集光型であり、波長λ_Ｍの光ＬＭに対する焦線Ｘ６１を中心とする略円筒面上に太陽電池セル１４の受光面が位置する場合の光学系に関する断面図を示した。集光レンズ１２により屈折された光のうち、波長λ_Ｍの光ＬＭは太陽電池セル１４の受光面に略垂直に入射する。また、太陽電池セル感度波長域の短波長光ＬＳと太陽電池セル感度波長域の長波長光ＬＬは、集光レンズ１の色収差によりＬＭより両側に広がった方向より太陽電池セル１４に入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル１４の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、太陽電池セルの出力を更に向上することができる。
（実施形態２）
図７は実施形態２に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図であり、その側面を透視的に示したものである。図８は、一対の集光レンズ１２と太陽電池セル１４の部分を拡大して示した図である。実施形態２は、実施形態１において集光レンズ１２を点集光型とし、それに対応して太陽電池セル１４の受光面が直交する２方向に凹形状に湾曲した形状とする。集光レンズにより集光された太陽光は焦点８１を結んだ後、太陽電池セル１４に照射される。図８には単一の太陽電池セル１４を設置した場合を示したが、太陽電池セル１４の受光面を、直交する２方向に湾曲した形状とするためには、実施形態１に記載した複数の太陽電池セルを並置する方法や、湾曲した形状の基板上に製膜、塗布等の方法により太陽電池セルを形成する方法により実現することができる。

本実施形態における発明の効果は、実施形態１と同様に説明することができる。本実施形態は、実施形態１の場合には１方向に集光されていたものが、直交する２方向に集光されるもので、光学系の断面図は図３と同様になる。すなわち、太陽電池セル１４の受光面を集光レンズ１２に向かって凹形状とすることにより、実施形態１の場合と同様に、光強度分布の改善、入射角低減による表面反射損失、表面電極の陰による損失の低減が可能となる。

また、実施形態１の場合と同様に、多接合型太陽電池セルあるいはメカニカルスタックセルを用いる場合は、出力電流がトップセルにより制限されているものを使用することが望ましい。

また、太陽電池セル１４の受光面は、前記集光レンズ１２の焦点８１を中心とする略球面上に位置することが望ましい。その焦点は太陽電池セル１４の感度波長域の略中間波長光（波長λ_Ｍ）に対する焦点であることが更に望ましい。実施形態１の図６と同様に、集光レンズ１２により屈折された光のうち、波長λ_Ｍの光ＬＭは太陽電池セル１４の受光面に略垂直に入射する。短波長光ＬＳと長波長光ＬＬは、集光レンズ１２の色収差によりＬＭの入射方向より両側に広がった方向より入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル１４の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、太陽電池セルの出力を更に向上することができる。
（実施形態３）
以下、本発明の実施形態３について図に基づき説明する。実施形態３に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図は図１と同様である。図９は、一対の集光レンズ１２と太陽電池セル１４の部分を拡大して示した図である。集光レンズ１２は一方向のみ集光される線集光型レンズであり、集光レンズ１２により集光された光は太陽電池セル１４の裏面側（集光レンズと反対側）において焦線Ｘ９１を結ぶように設計されている。太陽電池セル１４は、集光レンズ１２に対して凸形状に湾曲した形状である。図９には、太陽電池セル１４を複数個並置したものを示したが、単数でもよく、また、個々の太陽電池形状、配置パターンはこれに限るものではない。

図１０は、本実施形態の光学系の概略断面図である。線集光型の集光レンズ１２により集光された短波長光Ｌ１、長波長光Ｌ２は焦線Ｘ１０１、Ｘ１０２を結ぶ前に、太陽電池セル１４に照射される。太陽電池セル１４の感度波長光全てが、太陽電池セル１４の裏面側において焦線を結ぶ構造とする。太陽電池セル１４の受光面は、焦線Ｘ１０１、Ｘ１０２に垂直な面で切断した断面形状が湾曲した形状となるように配置した。

さらに、焦線Ｘ１０１、Ｘ１０２を含む面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面は、焦線Ｘ１０１、Ｘ１０２と平行であることが望ましい。本構造により、太陽電池セル１４の受光面に照射される光の焦線方向の光強度分布の均一化を図ることができる。

集光レンズ１２、太陽電池セル１４は、実施形態１と同様のものを用いることができ、湾曲した形状は同様の方法により実現できる。

本実施形態における発明の効果を従来の平板型太陽電池の場合と比較して図１０を基に説明する。集光レンズ１２と焦線Ｘ１０１、Ｘ１０２の間のＡ１０１−Ａ１０２部分に平板型太陽電池セルを設置した場合、太陽電池セルの外側ほど焦線Ｘ１０１、Ｘ１０２からの距離が遠く光強度密度が小さくなるとともに、集光レンズ１２の色収差のため短波長光ほど内側に集まるため、Ａ１０１−Ａ１０２断面における光強度密度は図４と同様に光軸４０付近ほど高くなる。このため、太陽電池セルの出力は面内分布が大きくなり、出力の小さな部分の影響を受けて太陽電池セル全体としての出力は低下する。これに対し、図１０のように、太陽電池セル１４の受光面を集光レンズ１２の方向に対して凸形状とした場合、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル１４の中央部分ほど焦線Ｘ１０１、Ｘ１０２から遠ざかるため、光強度密度分布を改善することができる。また、太陽電池セル１４を前記凸形状とした場合、集光レンズ１２において屈折された光が太陽電池セル１４に入射する際の入射角を小さくすることができる。実施形態１の効果と同様に、受光面表面における反射損失と太陽電池表面電極の影による損失を低減することができる。平板型太陽電池の場合は、集光型太陽光発電モジュールの薄型化のため、集光レンズ１２と太陽電池セルの距離を近づけると、前記入射角増大の問題により損失が大きくなるといった問題がある。本実施形態の構造によれば、前記入射角増大の問題が低減されるため、太陽電池セル１４の出力の低下を抑えつつ、集光型太陽光発電モジュールの薄型化が可能となる。

また、本実施形態の場合、図１０に示すように集光レンズ１２の色収差のため、長波長光Ｌ２ほど照射される領域が広がり中央付近の光強度が弱くなり、短波長光Ｌ１ほど照射される領域が狭く中央付近の光強度が強くなる。図１１には、本実施形態についてのＡ１０１−Ａ１０２断面における太陽電池セル１４上での長波長光、短波長光の光強度分布の概略図を示す。長波長光の光強度分布が短波長光と比較して均一であるため、多接合型太陽電池あるいはメカニカルスタックセルを用いる場合、出力電流が長波長において制限されている、すなわち、ボトムセルにより出力電流が制限されている太陽電池を使用することが望ましい。ボトムセルにより出力電流が制限されている太陽電池を用いることにより、太陽電池セル出力の面内分布を低減し、太陽電池セル全体としての出力を改善することができる。各光電変換層の出力電流は、光電変換層の材質及び組成の選択と、光電変換層の膜厚により調整することができる。本実施形態の構造において、ボトムセルにより出力電流が制限されている構造とすることが望ましい。

また、集光レンズ１２が線集光型である場合、太陽電池セル１４の受光面形状が前記集光レンズ１２の焦線を中心とする略円筒面形状であることが望ましい。その焦線は太陽電池セル１４の感度波長域の略中間波長光（波長λ_Ｍ）に対する焦線であることが更に望ましい。図１２には、集光レンズ１２が線集光型であり、波長λ_Ｍにおける焦線Ｘ１２１を中心とする略円筒面上に太陽電池セル１４の受光面が位置する場合の光学系に関する断面図を示した。集光レンズ１２により屈折された光のうち、波長λ_Ｍの光ＬＭは太陽電池セル１４の受光面に垂直に入射する。また、短波長光ＬＳと長波長光ＬＬは、集光レンズ１２の色収差によりＬＭの入射方向より両側に広がった方向より入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル１４の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、出力を更に向上することができる。
（実施形態４）
以下、本発明の実施形態４について図に基づき説明する。実施形態４に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図は図７と同様である。図１３は、一対の集光レンズ１２と太陽電池セル１４の部分を拡大して示した図である。実施形態４は、実施形態３において集光レンズ１２を点集光型とし、それに対応して太陽電池セル１４の受光面が直交する２方向に凸形状に湾曲した形状とする。集光レンズにより集光された光は焦点を結ぶ前に、太陽電池セル１４に照射される。図１３には単一の太陽電池セル１４を設置した場合を示したが、太陽電池セル１４の受光面を、直交する２方向に湾曲した形状とするためには、実施形態１に記載した複数の太陽電池セルを並置する方法や、湾曲した形状の基板上に製膜、塗布等の方法により太陽電池セルを形成する方法により実現することができる。

本実施形態における発明の効果は、実施形態３と同様に説明することができる。本実施形態は、実施形態３の場合には１方向に集光されていたものが、直交する２方向に集光されるもので、光学系の断面図は図１０と同様になる。すなわち、太陽電池セル１４の受光面を集光レンズ１２に対して凸形状とすることにより、実施形態３の場合と同様に、光強度分布の改善、入射角低減による表面反射損失、表面電極の陰による損失の低減が可能となる。

また、実施形態３の場合と同様に、多接合型太陽電池あるいはメカニカルスタックセルを使用する場合は、出力電流がボトムセルにより制限されているものを使用することが望ましい。

また、太陽電池セル１４の受光面は、前記集光レンズ１２の焦点を中心とする略球面上に位置することが望ましい。その焦点は太陽電池セル１４の感度波長域の略真ん中の波長である略中間波長光（波長λ_Ｍ）に対する焦点であることが更に望ましい。実施形態３の図１２と同様に、集光レンズ１２により屈折された光のうち、波長λ_Ｍの光ＬＭは太陽電池セル１４の受光面に略垂直に入射する。短波長光ＬＳと長波長光ＬＬは、集光レンズ１２の色収差によりＬＭの入射方向より両側に広がった方向より入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル１４の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、出力を更に向上することができる。

本実施例には前記実施形態１の場合について具体例を挙げて説明する。基本的な構造は実施形態１の図２に示す一対の集光レンズ１２と太陽電池セル１４の構造と同様である。太陽電池セル１４は、感度波長域が波長３２０ｎｍから８９０ｎｍであるInGaP/GaAs構造である２接合型化合物太陽電池を使用し、受光面サイズは７ｍｍ×７ｍｍである。集光レンズ１２として、外形サイズ２１０ｍｍ×２００ｍｍの線集光型のアクリル樹脂製フレネルレンズを用いた。支持板部１１ａはアルミ製のもの、金属板２６は銅板、放熱絶縁層２７はエポキシ樹脂に酸化アルミニウムを含有したものを用いた。

太陽電池セル１４の受光面は、半径２００ｍｍの略円筒面に沿った形状になるよう湾曲させた。太陽電池セル１４はフレネルレンズ１２と太陽電池セル１４の受光面中央部との距離が１５０ｍｍとなる位置に、集光レンズ１２に向かって凹形状になるよう金属板２６の表面に半田付けにより固定した。太陽電池セル１４の受光面は、焦線Ｘ２２に垂直な面で切断した断面形状が湾曲した形状であり、かつ、焦線Ｘ２２を含む面で切断した断面が、焦線Ｘ２２と平行となるようにした。

フレネルレンズの焦線Ｘ２２は、フレネルレンズ１２と太陽電池セル１４の間に位置しており、本実施例では太陽電池セル１４の感度波長域である波長３２０ｎｍから８９０ｎｍの中間波長である６０５ｎｍにおける焦点距離は１４５ｍｍである。

太陽電池セル１４の受光面サイズはフレネルレンズ１２のサイズと所望の集光倍率から決定されるものであり、どのような大きさでも良い。この構成により、太陽電池セル１４の全面にフレネルレンズ１２により集光した光が全て当たるように設定すると、集光倍率は約２８倍程度となる。

図２に示した構成とするためには、太陽電池セル１４はフレキシブル性を有する必要がある。以下にフレキシブル性を有するInGaP/GaAs薄膜太陽電池の製造方法を記述する。半導体層成長には有機金属気相成長(MOCVD)法を用いた。成長温度は７００℃とし、ｎ-ＧａＡｓ基板上に基板と太陽電池層を分離するためのAlAs中間層を形成後、InGaP/GaAs太陽電池を形成した。GaAs層の成長では、原料としてTMG(トリメチルガリウム)とAsH3（アルシン）を用いた。InGaP層の成長ではＴＭＩ（トリメチルインジウム）、TMGおよびPH3（ホスフィン）を原料に用いた。AlInP層の成長ではTMA（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびPH3を原料に用いた。AlAs層の成長ではTMAとAsH3を原料に用いた。GaAs、InGaPおよびAlInP層の全ての成長において、n型層形成のための不純物にSiH4（モノシラン）を用い、p型層形成のための不純物にDEZn（ジエチルジンク）を用いた。

エピタキシャル膜の脇をWAXで覆い、フォトリソグラフィー法によって、パターンを形成後、上部InGaP/GaAs太陽電池のGaAs層をアルカリ溶液、InGaP層及びAlInP層を酸溶液でエッチングして、AlAs面を露出させる。上部InGaP太陽電池に裏面電極を形成し、WAXで支持基板を張り合わせて、その後、10％HF溶液でAlAsを端面からエッチングすることにより、上部InGaP/GaAs太陽電池を剥離する。その後、表面電極形成し、反射防止としてAl2O3/TiO2を形成する。この方法により作成した太陽太陽電池は厚み数μｍ〜数十μｍと薄くすることができ、フレキシブル性を有するInGaP/GaAs薄膜太陽電池が製造可能である。

上記構造の太陽電池セルの受光面各点におけるInGaP（トップセル）とGaAs（ボトムセル）の出力電流測定値を平板型形状の太陽電池の場合と比較して示す。図１４は本実施例と同条件で、フレネルレンズ１２と太陽電池セル１４の受光面中央部との距離が１５０ｍｍの位置に平板型太陽電池を設置した場合の太陽電池セル受光面内の各点におけるInGaP太陽電池とGaAs太陽電池の短絡電流測定値である。また、図１５は、本実施例の湾曲した太陽電池受光面の各点におけるInGaP太陽電池とGaAs太陽電池の短絡電流測定値である。本実施例の湾曲した形状の太陽電池の場合、平板型太陽電池の場合と比較して、中央部の短絡電流が小さくなり、周縁部の短絡電流が大きくなっており、各点における両太陽電池セルの短絡電流差が小さくなっている。すなわち、太陽電池セルを湾曲させた場合、出力電流の面内均一性が向上し、かつ、トップセル（InGaP）とボトムセル（GaAs）の出力電流差が縮小するため、InGaP/GaAs太陽電池の出力は改善する。

本発明の実施形態１に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図（側面を透視的に示したもの）である。本発明の実施形態１に係る一対の集光レンズと太陽電池セル部分の拡大図である。本発明の実施形態１に係る光学系の概略断面図である。太陽電池セル上の光強度分布を示す図である。Ａ３１−Ａ３２断面における短波長光、長波長光の光強度分布を示す図である。本発明の実施形態１に係る光学系の概略断面図である。本発明の実施形態２に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図（側面を透視的に示したもの）である。本発明の実施形態２に係る一対の集光レンズと太陽電池セル部分の拡大図である。本発明の実施形態３に係る一対の集光レンズと太陽電池セル部分の拡大図である。本発明の実施形態３に係る光学系の概略断面図である。Ａ１０１−Ａ１０２断面における短波長光、長波長光の光強度分布を示す図である。本発明の実施形態３に係る光学系の概略断面図である。本発明の実施形態４に係る一対の集光レンズと太陽電池セル部分の拡大図である。本発明の実施例に係る平板型太陽電池の短絡電流測定値である。本発明の実施例に係る湾曲した太陽電池の短絡電流測定値である。従来の集光型太陽光発電モジュールの概略図である。従来の集光型太陽光発電モジュールの概略断面図である。

符号の説明

１１ケース
１１ａ支持板部
１２集光レンズ
１３太陽光
１４太陽電池セル
Ｘ２２実施形態１に係る集光レンズの太陽光に対する焦線
Ｌ１短波長光
Ｌ２長波長光

Claims

太陽光を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光が照射される太陽電池セルを有する集光型太陽光発電モジュールであって、
前記太陽電池セルは、複数の光電変換層を積層した構造を有し、
前記複数の光電変換層のうちのいずれかの光電変換層が、前記太陽電池セル全体としての出力電流を制限し、
前記太陽電池セルにおいては、前記集光レンズにより集光された光のうちの前記出力電流を制限している前記光電変換層の感度波長域の光が、他の光電変換層より前記出力電流を制限している前記光電変換層において均一な強度分布を有するように、受光面が湾曲している、集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズの焦点は前記集光レンズと前記太陽電池セルの間に位置し、
前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凹形状に湾曲し、
前記出力電流を制限している前記光電変換層が、前記太陽電池セルの受光面側に設けられた光電変換層（トップセル）である、請求項１に記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズの焦点は前記太陽電池セルの裏面側に位置し、
前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凸形状に湾曲し、
前記出力電流を制限している前記光電変換層が、前記太陽電池セルの裏面側に設けられた光電変換層（ボトムセル）である、請求項１に記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズは線集光型であり、
前記集光レンズの焦線に垂直な面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面形状が湾曲している、請求項１から３のいずれかに記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズの焦線を含む面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面が前記集光レンズの焦線と平行である、請求項４に記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズは線集光型であり、
前記太陽電池セルの受光面が前記集光レンズの焦線を中心とする略円筒面上に位置する、請求項１から３のいずれかに記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズは点集光型であり、
前記太陽電池セルの受光面が直交する２方向に湾曲した形状である、請求項１から３のいずれかに記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズは点集光型であり、
前記太陽電池セルの受光面が前記集光レンズの焦点を中心とする略球面上に位置する、請求項１から３のいずれかに記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記焦線と前記焦点は、前記太陽電池セルの感度波長の略中間波長に対するものである、請求項６または８に記載の集光型太陽光発電モジュール。
前記集光レンズがフレネルレンズである、請求項１から９のいずれかに記載の集光型太陽光発電モジュール。