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STORAGE TYPE SOLAR POWER GENERATION DEVICE AND STORAGE TYPE SOLAR POWER GENERATION SYSTEM

外国特許コード F150008118
整理番号 S2014-1191-N0
掲載日 2015年2月9日
出願国 世界知的所有権機関（ＷＩＰＯ）
国際出願番号 2014JP051852
国際公開番号 WO 2014119578
国際出願日 平成26年1月28日(2014.1.28)
国際公開日 平成26年8月7日(2014.8.7)
優先権データ
  • 特願2013-014881 (2013.1.29) JP
発明の名称 （英語） STORAGE TYPE SOLAR POWER GENERATION DEVICE AND STORAGE TYPE SOLAR POWER GENERATION SYSTEM
発明の概要（英語） A storage type solar power generation device (10) which includes: multiple solar cells, said multiple solar cells including at least two kinds of solar cells (11, 12, 13) having different spectral absorption sensitivities and configured to spontaneously split light as the nth solar cell (where n is an integer equal to or greater than 1) transmits or reflects light incident on the nth solar cell excluding the light absorbed by the nth solar cell itself, so as to cause the light to sequentially enter the (n+1)th solar cell, which has a smaller bandgap; and multiple electricity storage devices (21, 22, 23), each of said solar cells being electrically connected to any one of the electricity storage devices. The storage type solar power generation device (10) stores electric power generated by the multiple solar cells in the electricity storage devices which are electrically connected to the respective solar cells.
  • 出願人（英語）
  • ※2012年7月以前掲載分については米国以外のすべての指定国
  • TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULTURE AND TECHNOLOGY
  • 発明者（英語）
  • SAMESHIMA TOSHIYUKI
国際特許分類(IPC)
指定国 National States: AE AG AL AM AO AT AU AZ BA BB BG BH BN BR BW BY BZ CA CH CL CN CO CR CU CZ DE DK DM DO DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM GT HN HR HU ID IL IN IR IS JP KE KG KN KP KR KZ LA LC LK LR LS LT LU LY MA MD ME MG MK MN MW MX MY MZ NA NG NI NO NZ OM PA PE PG PH PL PT QA RO RS RU RW SA SC SD SE SG SK SL SM ST SV SY TH TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN ZA ZM ZW
ARIPO: BW GH GM KE LR LS MW MZ NA RW SD SL SZ TZ UG ZM ZW
EAPO: AM AZ BY KG KZ RU TJ TM
EPO: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
OAPI: BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW KM ML MR NE SN TD TG

日本語項目の表示

発明の名称 蓄電型ソーラー発電装置及び蓄電型ソーラー発電システム
発明の概要 分光吸収感度が互いに異なる少なくとも２種類のソーラーセル１１，１２，１３を含み、ｎ番目（ｎは１以上の整数）のソーラーセルに入射する光のうち、ｎ番目のソーラーセル自身が吸収する光以外の光が、よりバンドギャップの小さいｎ＋１番目のソーラーセルに順次入射するように、ｎ番目のソーラーセルが光を透過または反射することにより、自発的に分光するように構成された複数のソーラーセルと、各々のソーラーセルがいずれか１つの蓄電装置に電気的に接続された複数の蓄電装置２１，２２，２３を含み、複数のソーラーセルが発電する電力を各々のソーラーセルに電気的に接続された蓄電装置に蓄える蓄電型ソーラー発電装置１０。
特許請求の範囲 [請求項1]
分光吸収感度が互いに異なる少なくとも２種類のソーラーセルを含み、バンドギャップが大きく分光吸収感度が短波長側にあるソーラーセルからバンドギャップがより小さく分光吸収感度がより長波長側にあるソーラーセルの順に光が照射されるように配置され、ｎ番目（ｎは１以上の整数）のソーラーセルに入射する光のうち、ｎ番目のソーラーセル自身が吸収する光以外の光が、よりバンドギャップの小さいｎ＋１番目のソーラーセルに順次入射するように、ｎ番目のソーラーセルが光を透過または反射することにより、ｎ番目のソーラーセル自身により自発的に分光するように構成された複数のソーラーセルと、
前記複数のソーラーセルに電気的に接続された複数の蓄電装置を含み、各々のソーラーセルは前記複数の蓄電装置のいずれか１つに電気的に接続されており、前記複数のソーラーセルが発電する電力を各々のソーラーセルに電気的に接続された前記複数の蓄電装置に蓄える蓄電手段と、
を備えた蓄電型ソーラー発電装置。
[請求項2]
前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、各々のソーラーセルが発電する電力を、各々のソーラーセルごとに蓄える蓄電装置を含む請求項１に記載の蓄電型ソーラー発電装置。
[請求項3]
前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、前記複数のソーラーセルのうち少なくとも２つのソーラーセルに電気的に接続され、該少なくとも２つのソーラーセルが発電する電力を蓄える蓄電装置を含む請求項１に記載の蓄電型ソーラー発電装置。
[請求項4]
前記複数のソーラーセルのうち少なくとも２つのソーラーセルが直列に電気配線され、前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、前記直列に電気配線されたソーラーセルが発電する電力を蓄える蓄電装置を含む請求項１に記載の蓄電型ソーラー発電装置。
[請求項5]
前記複数のソーラーセルを有するソーラーセルユニットを複数備え、前記複数のソーラーセルユニットにおいて分光吸収感度が同じソーラーセル同士は同じ蓄電装置に接続されている請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の蓄電型ソーラー発電装置。
[請求項6]
請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の蓄電型ソーラー発電装置と、
外からの光を集光し、前記蓄電型ソーラー発電装置における光入射側の１番目のソーラーセルに入射させる集光手段と、
を備える蓄電型ソーラー発電システム。
明細書
明　細　書 発明の名称 : 蓄電型ソーラー発電装置及び蓄電型ソーラー発電システム

技術分野

[0001]

本発明は、蓄電型ソーラー発電装置及び蓄電型ソーラー発電システムに関する。

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。

[0004]

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、入射光エネルギーは半導体中で部分的に失われ、Ｖｏｃは依然としてバンドギャップ近くの小さい値に止まる。よって最も効率よく発電できる光のエネルギーは半導体ソーラーセルのバンドギャップより少し大きい値である。即ちバンドギャップに対応する波長より少し小さい波長を照射することが高効率を実現するには望ましい。

短波長の光を小さなバンドギャップのソーラーセルが吸収した時、発電効率は非常に小さくなる。大きなフォトンエネルギーをもつ短波長の光照射をしてもＶｏｃはソーラーセルのバンドギャップで決まり大きくならない。さらにフォトンエネルギーが大きいためにフォトン数が小さくなるので、単位光照射強度に対しＩｓｃが小さくなり発電電力は低下するからである。

[0005]

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：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。

[0006]

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：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-8-4.参照）。

[0007]

一方、薄板状の基材の両面に互いに分光感度が異なる太陽電池を配した複数の太陽電池パネルを所定の間隔を設けて平行に配置し、太陽電池パネルを構成する第１の太陽電池の表面で反射した光を対向する別の太陽電池パネルの第２の太陽電池に入射するように構成した太陽電池モジュールが提案されている（特許文献１：特開２００７－２８７９９７号公報参照）。

[0008]

また、図５に示すように、互いに吸収波長域が異なり、配線４で電気的に直列に接続された複数のソーラーセル１，２，３と、各々のソーラーセルに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反射する反射ミラー６，７とを備え、ソーラーセル自体の吸収特性を利用した多接続型のソーラー発電装置１００が提案されている（特許文献２：特開２０１２－２０４６７３号公報参照）。

[0009]

また、遮光板の表裏面に互いに波長感度が異なる太陽電池セルを設け、表面の太陽電池が直接太陽光を受光し、表面の太陽電池からの反射光を裏面の太陽電池が受光する太陽電池付きブラインド、また、この太陽電池付きブラインドにより得られた電力を蓄電池に蓄えて夜間の照明に利用することが提案されている（特許文献３：特開平２－３０８０８６号公報参照）。

発明の概要 発明が解決しようとする課題

[0010]

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。

[0011]

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。

[0012]

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となる。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。

[0013]

また、図５に示したような多接続型のソーラーセルは、簡単な構成で多接合セルを成し、それぞれのセル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。セルに吸収されない光は２枚のミラーで反射されて移動し次のより長波長用セルに入射するので、セルの反射率はセル１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。

[0014]

しかし、上記のような多接合型又は多接続型のソーラーセルは直列接続構造の為に、電流の制限があった。即ち、組み合わせたセルのうち最も電流が小さいセルの電流によって、セル全体に流れる電流が制限される。従って各々のセルが発電しうる最大の電力の合計を取り出すことはできない。

[0015]

本発明は、光反射ロスを低く抑え、かつソーラーセル内でのエネルギーロスを低く抑えて、効率的に発電し、かつ、効率的に蓄電することができる蓄電型ソーラー発電装置及び蓄電型ソーラー発電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

[0016]

上記目的を達成するため、以下の発明が提供される。

＜１＞　分光吸収感度が互いに異なる少なくとも２種類のソーラーセルを含み、バンドギャップが大きく分光吸収感度が短波長側にあるソーラーセルからバンドギャップがより小さく分光吸収感度がより長波長側にあるソーラーセルの順に光が照射されるように配置され、ｎ番目（ｎは１以上の整数）のソーラーセルに入射する光のうち、ｎ番目のソーラーセル自身が吸収する光以外の光が、よりバンドギャップの小さいｎ＋１番目のソーラーセルに順次入射するように、ｎ番目のソーラーセルが光を透過または反射することにより、ｎ番目のソーラーセル自身により自発的に分光するように構成された複数のソーラーセルと、

前記複数のソーラーセルに電気的に接続された複数の蓄電装置を含み、各々のソーラーセルは前記複数の蓄電装置のいずれか１つに電気的に接続されており、前記複数のソーラーセルが発電する電力を各々のソーラーセルに電気的に接続された前記複数の蓄電装置に蓄える蓄電手段と、

を備えた蓄電型ソーラー発電装置。

＜２＞　前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、各々のソーラーセルが発電する電力を、各々のソーラーセルごとに蓄える蓄電装置を含む＜１＞に記載の蓄電型ソーラー発電装置。

＜３＞　前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、前記複数のソーラーセルのうち少なくとも２つのソーラーセルに電気的に接続され、該少なくとも２つのソーラーセルが発電する電力を蓄える蓄電装置を含む＜１＞に記載の蓄電型ソーラー発電装置。

＜４＞　前記複数のソーラーセルのうち少なくとも２つのソーラーセルが直列に電気配線され、前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、前記直列に電気配線されたソーラーセルが発電する電力を蓄える蓄電装置を含む＜１＞に記載の蓄電型ソーラー発電装置。

＜５＞　前記複数のソーラーセルを有するソーラーセルユニットを複数備え、前記複数のソーラーセルユニットにおいて分光吸収感度が同じソーラーセル同士は同じ蓄電装置に接続されている＜１＞～＜４＞のいずれかに記載の蓄電型ソーラー発電装置。

＜６＞　＜１＞～＜５＞のいずれかに記載の蓄電型ソーラー発電装置と、外からの光を集光し、前記蓄電型ソーラー発電装置における光入射側の１番目のソーラーセルに入射させる集光手段と、を備える蓄電型ソーラー発電システム。

発明の効果

[0017]

本発明によれば、光反射ロスを低く抑え、かつソーラーセル内でのエネルギーロスを低く抑えて、効率的に発電し、かつ、効率的に蓄電することができる蓄電型ソーラー発電装置及び蓄電型ソーラー発電システムを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0018]

[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]

直列型の多接続ソーラー発電装置の一例を示す概略構成図である。

[図6]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の一例（第１実施形態の一例）を示す概略構成図である。

[図7]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例（第１実施形態の他の例）を示す概略構成図である。

[図8]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例（第２実施形態の一例）を示す概略構成図である。

[図9]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例（第３実施形態の一例）を示す概略構成図である。

[図10]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例（第４実施形態の一例）を示す概略構成図である。

[図11]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電システムの一例を示す概略構成図である。

[図12]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例を示す概略構成図である。

[図13]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例を示す概略構成図である。

[図14]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例を示す概略構成図である。

[図15]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の例を示す概略構成図である。

[図16]

実験例１及び比較実験例１において太陽シミュレーション光に対するＧａＡｓセルとｃ‐Ｓｉ（結晶シリコン）セルの配置を示す概略図である。

[図17]

実験例１及び比較実験例１における各セルの電流－電圧特性曲線を示す図である。

[図18]

実験例１及び比較実験例１において太陽シミュレーション光に対するａ‐Ｓｉ（アモルファスシリコン）セルとｃ‐Ｓｉ（結晶シリコン）セルの配置を示す概略図である。

[図19]

実験例２及び比較実験例２における各セルの電流－電圧特性曲線を示す図である。

発明を実施するための形態

[0019]

以下、添付の図面を参照しながら本発明の蓄電型ソーラー発電装置及び蓄電型ソーラー発電システムについて具体的に説明する。なお、以下の説明及び添付の図面において同じ符号を付したものは同様の機能を有する部材であり、適宜説明を省略する。

[0020]

本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置は、分光吸収感度が互いに異なる少なくとも２種類のソーラーセルを含み、バンドギャップが大きく分光吸収感度が短波長側にあるソーラーセルからバンドギャップがより小さく分光吸収感度がより長波長側にあるソーラーセルの順に光が照射されるように配置され、ｎ番目（ｎは１以上の整数）のソーラーセルに入射する光のうち、ｎ番目のソーラーセル自身が吸収する光以外の光が、よりバンドギャップの小さいｎ＋１番目のソーラーセルに順次入射するように、ｎ番目のソーラーセルが光を透過または反射することにより、ｎ番目のソーラーセル自身により自発的に分光するように構成された複数のソーラーセルと、前記複数のソーラーセルに電気的に接続された複数の蓄電装置を含み、各々のソーラーセルは前記複数の蓄電装置のいずれか１つに電気的に接続されており、前記複数のソーラーセルが発電する電力を各々のソーラーセルに電気的に接続された前記複数の蓄電装置に蓄える蓄電手段と、を備えて構成されている。

例えば、ｎ番目のソーラーセルに吸収されずに透過又は反射した光はｎ＋１番目のソーラーセルに照射される光学的手段を備えている。

複数のソーラーセルの配列順としては、ｎ番目のソーラーセルが、ｎ＋１番目のソーラーセルよりもより短波長側の光に対して分光吸収感度を有する順序で構成される。

例えば、前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、各々のソーラーセルが発電する電力を、各々のソーラーセルごとに蓄える蓄電装置を含む形態とすることができる。

また、前記複数のソーラーセルのうち少なくとも２つのソーラーセルが直列に電気配線され、前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、前記直列に電気配線されたソーラーセルが発電する電力を蓄える蓄電装置を含む形態とすることができる。

また、前記蓄電手段が、前記蓄電装置として、前記複数のソーラーセルのうち少なくとも２つのソーラーセルに電気的に接続され、該少なくとも２つのソーラーセルが発電する電力を蓄える蓄電装置を含む形態としてもよい。

[0021]

＜第１実施形態＞

図６は本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の構成の一例を概略的に示している。本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置１０は、反射手段として対向配置された２枚の反射ミラー３１，３２間に、光入射口に近い側から、短波長用ソーラーセル１１（ワイドバンドギャップセル）、中波長用ソーラーセル１２（ミドルバンドギャップセル）、長波長用ソーラーセル１３（ナローバンドギャップセル）が電気的に接続されずに、直列に配置されている。各ソーラーセル１１，１２，１３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を用いることができる。

一方、各ソーラーセル１１，１２，１３には電気配線５によってそれぞれ蓄電池２１，２２，２３が接続されている。

[0022]

なお、本発明において、「分光吸収感度が互いに異なる」とは、蓄電型ソーラー発電装置を構成する複数種のソーラーセルが互いに吸収波長域が異なることを意味し、各ソーラーセルの吸収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、他の部分が重複してもよい。

[0023]

本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置１０を構成する各ソーラーセル１１，１２，１３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、光入射側からバンドギャップが大きい順に配置されている。波長の関係をλ１＜λ２＜λ３とすると、ソーラーセル１１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１２は波長λ２以下の光を吸収して発電し、ソーラーセル１３は波長λ３以下の光を吸収して発電する。

[0024]

具体的には、図６に示すように外からの光（例えば太陽光）がまずセル１１に入射する。セル１１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セル１１に吸収され、発電に寄与する。セル１１に吸収されない中波長及び長波長の光はセル１１の裏側に配置された第１反射ミラー３１で反射されるか、セル１１の表面で反射されてセル１１の外に出る。

セル１１に吸収されなかった光は対面に配置された第２反射ミラー３２によって反射されてセル１２に入射する。そしてセル１２のバンドギャップ以上のエネルギーをもつ中波長光はセル１２に吸収され発電に寄与する。セル１２に吸収されない長波長光はセル１２の裏側に配置された第２反射ミラー３２で反射されるか、セル１２の表面で反射されてセル１２の外に出る。

セル１２に吸収されなかった光は対面に配置された第２反射ミラー３２によって反射されてセル１３に入射する。そしてセル１３のバンドギャップ以上のエネルギーの光がセル１３に吸収され発電に寄与する。

[0025]

上記のように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又は反射性を有した３種のソーラーセル１１，１２，１３と、反射ミラー３１，３２とを備えることで、各ソーラーセル１１，１２，１３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。

[0026]

さらに、本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置１０は、分光吸収感度が異なるソーラーセルごとに蓄電手段（バッテリー）２１，２２，２３が接続されている。セル１１，１２，１３の配列による自発分光により、各セル１１，１２，１３で発電した電力がそれぞれの蓄電池２１，２２，２３に効率的に蓄えられる。そして、充電されたバッテリー２１，２２，２３は、適宜相互に直並列に配列して電機機器の電力源として用いることができる。

[0027]

ここで、本発明の蓄電型多接合型及び多接続型ソーラー発電装置の発電及び蓄電効率について説明する。

いまｊ番目のソーラーセルの解放電圧、短絡電流、フィルファクターをそれぞれ

[0028]

[数1]

[0029]

とするとき、ｊ番目のソーラーセルが発電する電力Ｐｊは、

[数2]

となる。

[0030]

理想的発電力Ｐｉｄｅａｌは全ての合計であり、

[0031]

[数3]

となる。

[0032]

例えば、図３～図５に示すような多接合型及び多接続型のソーラー発電装置の場合、直列接続構造の為に、電流は最も小さいソーラーセルの値、

[0033]

[数4]

[0034]

で制限され、

[数5]

[0035]

に近い値となる。よって、図３～図５に示すような多接合型及び多接続型のソーラー発電装置の最大発電力Ｐｍｕｌｔｉは、

[0036]

[数6]

[0037]

となる。

よって必ず、

[0038]

[数7]

[0039]

となる。

[0040]

即ち、図３～図５に示すような多接合型又は多接続型のソーラー発電装置の場合、有効に発電するためには、

[0041]

[数8]

[0042]

を小さくすることは非常に不利である。一般にワイドバンドギャップセルはＶｏｃが大きくＩｓｃが小さい。よって、図３～図５に示す多接合型及び多接続型のソーラーセルの場合は一般にワイドバンドギャップセルに十分大きな強度の光を当てて電流を大きく維持する必要がある。これは幅広いスペクトルの光を当てることを意味しており、多接合又は多接続の数を制限する。

[0043]

最も発電効率がよいのは、バンドギャップより僅かに上回るフォトンエネルギーをもつ光を利用することであるが、異なるバンドギャップの多数のセルで多接合型及び多接続型のソーラー発電装置を構成すると、ワイドバンドギャップセルの電流が小さくなるためにかえって発電効率が小さくなる。

このため、多接合型又は多接続型のセルの数を制限する必要があった。

[0044]

一方、本発明の蓄電型ソーラー発電装置に於いては、例えば図６に示すように、分光吸収波長が異なるセル相互の直列接続の構成を用いず、各ソーラーセル１１，１２，１３は分光吸収感度が異なる他のソーラーセルに電気的に接続されていないため、セル間での電流の大きさの違いが発電効率に影響することはない。

[0045]

また、本発明の蓄電型ソーラー発電装置１０に於いては、各々のセル１１，１２，１３に充電池等の蓄電機能を有する手段２１，２２，２３を取り付け、一旦各々のセル１１，１２，１３が発電した電力を各蓄電手段２１，２２，２３に蓄える。蓄電の効率をηとすると、本発明の発電力の合計Ｐは、

[0046]

[数9]

[0047]

となる。

ηが１に近い場合、本発明の蓄電型ソーラー発電装置は太陽光を有効に電力に変換することができ、Ｐｉｄｅａｌに近い発電が可能である。

[0048]

[数10]

[0049]

さらに、本発明の蓄電型ソーラー発電装置を用いれば、バンドギャップの異なる多数のソーラーセルを配置してバンドギャップに近い光の吸収が各々のソーラーセルに於いて実現できるようにして、最も発電効率の良い条件を達成することができる。各々のセルの発電電力を各蓄電手段に充電すれば、極めて高効率の蓄電型ソーラー発電装置が形成できる。

[0050]

なお、図６に示す蓄電型ソーラー発電装置１０は、分光吸収感度が異なる３種類のソーラーセル１１，１２，１３を備えているが、例えば、分光吸収感度が異なる２種類のソーラーセルを配置した構成としてもよいし、４種類以上、例えば、図７に示すように分光感度が異なる５種類のソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５と各セルにそれぞれ接続した蓄電手段５１，５２，５３，５４，５５を配置した構成としてもよい。

[0051]

図６及び図７で示した蓄電型ソーラー発電装置１０，１０Ａにおいて最初に光が当たるワイドバンドギャップソーラーセル３１，４１はＶｏｃは大きいがＩｓｃは小さい。これはバッテリーに充電するときに充電時間を要する事を意味する。即ち多接合型又は多接続型のソーラーシステムにおいて、ワイドバンドギャップセルの高インピーダンス、低電流制限の課題を、本発明の蓄電型ソーラー発電装置では充電時間によって解決することができる。本発明の蓄電型ソーラー発電装置を構成するソーラーセルはそれぞれ固有のインピーダンスを持ち、電流電圧特性が異なるが、各蓄電装置の蓄電によりインピーダンスは極めて小さい値に変換することができるので、電源として使用するときは大電流を提供することができる。

[0052]

以上のように本発明はソーラーセル自身の分光感度を利用した自発分光型の、複数の異種ソーラーセルの構成と、複数のバッテリーを自発分光するセルに接続して蓄電することにより電流不整合問題を解決し、光利用発電効率の向上実現するものであるが、もちろん、本発明の適用範囲は図６及び図７に示した構成に限定するものではない。

[0053]

例えば図７に示した蓄電型ソーラー発電装置１０を構成するソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５のうち、最もバンドギャップの大きいソーラーセル４１のみの出力電流が小さく、残りのソーラーセル４２，４３，４４，４５はそれぞれ類似の出力電流を出すとき、図１２に示すように、ソーラーセル４２，４３，４４，４５は電気配線を用いて電気的に直列配線することができる。そしてソーラーセル４１にバッテリー５１を繋いで蓄電し、ソーラーセル４２，４３，４４，４５は一つのバッテリー５６に繋いで蓄電することにより、少ないバッテリー数で、ソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５の発電電力を有効に利用することができる。

[0054]

同様にソーラーセル４２，４４が同様の出力電流特性を示すとき、図１３に示すように２つのソーラーセル４２，４４を電気配線を用いて電気的に直列配線することができる。ソーラーセル４２，４４は一つのバッテリー５７に繋いで蓄電することにより、少ないバッテリー数で、ソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５の発電電力を有効に利用することができる。

[0055]

さらに出力電流値が異なり整合は成り立たない場合であっても、ソーラーセルの出力電圧が類似値の場合は、一つのバッテリーに当該ソーラーセルを繋いで蓄電することができる。図１４に示すように、例えばソーラーセル４４，４５が類似値の出力電圧を持つ場合、ソーラーセル４４，４５をバッテリー５８に繋いで蓄電することにより、少ないバッテリー数で、ソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５の発電電力を有効に利用することができる。

[0056]

出力電流及び出力電圧はソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５の材料特性に依存する。そして同種のソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５の直配列の工夫によっても出力電流及び出力電圧を調整することができる。

本発明として例示したソーラーセル、例えば図７のソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５は単体のセルに限定するのもではなく、電気的な配列構成により出力電流及び電圧の調整した複合セルを利用することもできる。特にバンドギャップの小さいソーラーセル４５は出力電圧が小さい。図１５に示すように複数の同種セル４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃを直列配列して出力電圧を上げることにより、例えば図１４に例示する構成が可能となる。

[0057]

＜第２実施形態＞

図８は、本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の構成例を概略的に示している。本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置２０は、分光吸収感度が異なる５種類のソーラーセル４１，４２，４３，４４，４５が、対向配置された２枚の反射ミラー３１，３２の内側に交互に配置されている。本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置２０では、第１反射ミラー３１側に配置されたワイドバンドギャップセル４１に吸収されなかった反射光が第２反射ミラー３２側に配置された直接的に次のより低バンドギャップセル４２に直接照射できるように配置されている。当該セル４２に吸収されなかった反射光はさらに次の低バンドギャップセル４３に直接照射できるように配置されている。各々のセル４１，４２，４３，４４，４５には蓄電用バッテリー５１，５２，５３，５４，５５がそれぞれ接続され、セル間は電気的に絶縁されている。光はワイドバンドギャップセルに短波長の光が吸収され、バンドギャップ以下の光は次のよりバンドギャップの小さいセルに入射する。このようにして、最もナローバンドギャップのセル４５まで光が照射され、各々のセル４１，４２，４３，４４，４５にて発電した電力が各バッテリー５１，５２，５３，５４，５５に蓄電される。

[0058]

＜第３実施形態＞

図９は、本発明に係る蓄電型ソーラー発電装置の他の構成例を概略的に示している。図９に示すように、本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置３０は、最もナローバンドギャップのセル６３以外のソーラーセル６１，６２が透明電極等により光透過機能を有する構造であり、各々のセル６１，６２，６３における光反射ロスが小さいときは、バンドギャップの異なるセル６１，６２，６３をワイドバンドギャップからナローバンドギャップの順に上（光の入射側）から重ね合わせ、光をワイドバンドギャップセル６１上に照射する構成をとることができる。各々のセル６１，６２，６３にそれぞれ蓄電用バッテリー２１，２２，２３を接続し、セル間は電気的に絶縁する。ワイドバンドギャップセル６１に短波長の光が吸収され、バンドギャップ以下の光は下部に配置したよりバンドギャップの小さいセル６２に入射する。このようにして、最下部の最もナローバンドギャップのセル６３まで光が照射され、各々のセル６１，６２，６３にて発電した電力を各バッテリー２１，２２，２３に蓄電することができる。

[0059]

＜第４実施形態＞

本発明は大面積発電用ソーラーセルシステムにも適用可能である。例えば、本発明の蓄電型ソーラー発電装置は、分光吸収感度が互いに異なる複数のソーラーセルを含むソーラーセルユニットを複数備え、複数のソーラーセルユニットにおいて分光吸収感度が同じソーラーセル同士は同じ蓄電手段に接続されている構成とすることができる。

[0060]

図１０は、本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置の構成の一例を概略的に示している。本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電装置４０は、図１０に示すように、２枚の反射ミラー３１，３２間に、光入射口に近い側から短波長用ワイドバンドギャップセル４１、次に中波長用ミドルバンドギャップセル４２、・・・最も長波長用ナローバンドギャップセル４５の計５種類のバンドギャップのセル４１，４２，４３，４４，４５を配列して構成したソーラーセルユニットが複数配列されている。そして、各々のユニット内のセル４１同士、セル４２同士、セル４３同士等、同種のセルを並列に電気配線８によって電気的に接続してそれぞれバッテリー５１，５２，５３，５４，５５に繋ぎ、各ユニットの各々のセルにて発電した電力を各バッテリーに蓄電する。これにより、大面積にわたる太陽光エネルギーを効率よく電力に変換するとともに効率よく蓄電することが可能となる。

[0061]

＜蓄電型ソーラー発電システム＞

本発明は集光型の蓄電型ソーラー発電システムにも適用することができる。例えば、前記いずれかの実施形態の蓄電型ソーラー発電装置と、外からの光を集光し、前記蓄電型ソーラー発電装置における光入射側の１番目のソーラーセルに入射させる集光手段と、を備える蓄電型ソーラー発電システムとすることができる。

[0062]

図１１は、本発明に係る蓄電型ソーラー発電システムの構成の一例を概略的に示している。本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電システム５０は、対向配置された２枚の反射ミラー３１，３２間に、光入射口に近い側から短波長用ソーラーセル１１（ワイドバンドギャップセル）、中波長用ソーラーセル１２（ミドルバンドギャップセル）、長波長用ソーラーセル１３（ナローバンドギャップセル）を配列した３種のソーラーセルと、各ソーラーセル１１，１２，１３にそれぞれ接続して蓄電する３個の蓄電手段２１，２２，２３と、太陽光を集光して１番目の短波長用ソーラーセル１１に照射する光学系３３，３４を備えている。

[0063]

本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電システム５０は、大きな第１レンズ（集光用レズ）３３を用いて太陽光を集光し、集光した光を小さな第２レンズ（成形用レンズ）３４で受けて平行光に成形してソーラーセル１１に入射させる。集光用の大きなレンズ３３の開口面積をＳＬ、成形用の小さなレンズ３４の開口面積をＳＳとすれば、原理的に太陽光をＳＬ／ＳＳ倍に集光して、面積ＳＬ分の太陽光の発電が可能となる。そして、本実施形態に係る蓄電型ソーラー発電システム５０を構成する蓄電型ソーラー発電装置は、図６に示した蓄電型ソーラー発電装置１０と同様にセル間は電気的に絶縁され、かつ、各々のセル１１，１２，１３にはそれぞれ蓄電用バッテリー２１，２２，２３が接続されており、各々のセル１１，１２，１３で発電した電力が各々の蓄電用バッテリー２１，２２，２３に蓄電される。これにより、比較的小さい蓄電型ソーラー発電装置を用いてより効率的に発電及び蓄電することができる。

[0064]

なお、本発明に係る蓄電型ソーラー発電システムは図１１に示した構成に限定されず、他の蓄電型ソーラー発電装置と集光手段を組み合わせて構成してもよい。

例えば、蓄電型ソーラー発電装置としては、図７～図１０に示した他の蓄電型ソーラー発電装置２０，３０，４０を備えた構成としてもよい。

また、集光手段としては、例えば、複数の反射ミラーによって集光する手段としてもよいし、複数の反射ミラーとレンズを組み合わせた構成としてもよい。

[0065]

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、図６、図７に示す蓄電型ソーラー発電装置において、第１反射ミラー３１を設けずに各ソーラーセルの裏面側に金属膜を設け、この金属膜によってセルを透過した光を反射する構成としてもよい。

また、例えば、図１０に示す蓄電型ソーラー発電装置４０では、隣接するソーラーユニット間にそれぞれ２枚の反射ミラー３２，３１が設けられているが、両面が反射面となっている１枚の反射ミラーを設けた構成としてもよい。

[0066]

また、例えば、図１２～図１５では、図７に示す蓄電型ソーラー発電装置の変形例として、２つ以上のソーラーセルを直列に電気配線して１つのバッテリーに接続する形態や、２つ以上のソーラーセルを直列に電気配線せずに１つのバッテリーに電気的に接続する形態を例示したが、このような接続形態は図７のようにソーラーセルが配置されている場合に限定されない。図１２～図１５に示す接続形態は、例えば、図８～図１１に示すような蓄電型ソーラー発電装置及び蓄電型ソーラー発電システムにも適用することができる。

実施例

[0067]

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。

[0068]

＜実験例１及び比較実験例１＞

多接合ＧａＡｓセルとｃ‐Ｓｉ（結晶シリコン）セルを用い、図１６に示すように太陽光シミュレーターの光がＧａＡｓセルに入射し、ＧａＡｓセルで反射した光がｃ‐Ｓｉセルに入射するように配置した。なお、ＧａＡｓはｃ‐Ｓｉよりもバンドギャップが若干大きく、分光吸収感度が短波長側にある。

[0069]

ＧａＡｓセルによる出力とｃ‐Ｓｉセルによる出力をそれぞれ測定し、合計出力及び変換効率を求めた。また、ＧａＡｓセルとｃ‐Ｓｉセルを端子Ｂにて直列に連結したＧａＡｓ－ｃ‐Ｓｉ直列連結セルによる出力を測定し、変換効率を求めた。図１７に各セルの電流－電圧特性曲線を示し、出力及び変換効率を下記表１に示す。

[0070]

[表1]

[0071]

上記結果から、ＧａＡｓ－ｃ‐Ｓｉ直列連結セルに１つの蓄電池を連結して蓄電するよりもＧａＡｓセルとｃ‐Ｓｉセルにそれぞれ別々の蓄電池を連結して蓄電する方が全体としては多くのエネルギーが蓄えられることがわかる。

[0072]

＜実験例２及び比較実験例２＞

ａ‐Ｓｉ（アモルファスシリコン）セルとｃ‐Ｓｉ（結晶シリコン）セルを用い、図１８に示すように太陽光シミュレーターの光がａ‐Ｓｉセルに入射し、ａ‐Ｓｉセルで反射した光がｃ‐Ｓｉセルに入射するように配置した。ａ‐Ｓｉはｃ‐Ｓｉよりもバンドギャップが大きく、分光吸収感度が短波長側にある。

[0073]

ａ‐Ｓｉセルによる出力とｃ‐Ｓｉセルによる出力をそれぞれ測定し、合計出力及び変換効率を求めた。また、ａ‐Ｓｉセルとｃ‐Ｓｉセルを端子Ｂにて接続したａ‐Ｓｉ－ｃ‐Ｓｉ直列連結セルによる出力を測定し、変換効率を求めた。図１９に各セルの電流－電圧特性曲線を示し、出力及び変換効率を下記表２に示す。

[0074]

[表2]

[0075]

上記結果から、ａ‐Ｓｉ－ｃ‐Ｓｉ直列連結セルに１つの蓄電池を連結して蓄電するよりもａ‐Ｓｉセルとｃ‐Ｓｉセルにそれぞれ別々の蓄電池を連結して蓄電する方が全体としては多くのエネルギーが蓄えられることがわかる。

[0076]

２０１３年１月２９日に出願された日本国特許出願２０１３－０１４８８１号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。

本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
※ 国立大学法人東京農工大学では、先端産学連携研究推進センターにおいて、知的財産の創出・権利化・活用に取り組んでいます。上記の特許・技術の内容および導入に興味・関心がありましたら、当センターまでお気軽にお問い合わせください。

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