【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、多接合型太陽電池セルを用いた集光型太陽光発電装置の改良に関する。 【０００２】 【従来の技術】受光面に入射させられた集光した太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルを備えた集光型太陽光発電装置が知られている。 このような集光型太陽光発電装置に用いられる太陽電池セルのひとつに多接合型太陽電池セルがある。 この多接合型太陽電池セルは、中心波長が異なる複数種類の吸収波長帯をそれぞれ有する接合部を厚み方向に有し、例えば波長３
００〜６００ｎｍの青色光と、波長６００〜１０００ｎ
ｍの黄色光と、波長１０００〜１８００ｎｍの赤色光とをそれぞれ別個に電気エネルギーに変換する機能を備えており、従来の単接合型太陽電池セルと比較して変換効率が高く、現在様々な角度から実用に向けての取り組みが為されている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】そのような多接合型太陽電池セルを用いた集光型太陽光発電装置の実用に向けての取り組みのひとつに、色収差の是正がある。 上記多接合型太陽電池セルでは、異なる波長帯からそれぞれ異なる値の電流が発生した場合、セル全体から出力される電流は最も出力の小さい波長帯の電流値に制限される為、一次光学系である集光レンズにより発生する色収差による損失が大きく、この色収差に起因する変換効率の低下を抑えることが大きな課題とされている。 【０００４】この課題を解決する為に、たとえばO'Nail
l et.al,"Line-focus optics for multi-junction cell
s in space power arrays",25th LEEE PVSC,May 13-17,
1996,Washington DC,USAに記載されるように、二次光学系として誘電体ＣＰＣ（Compound Parabolic Concentra
tor：複合放物面集光器）を用いて、一次光学系により集光された太陽光を色混合する技術が知られている。 またLWJames et.al,"Effects of concentrator chromat
ic aberration on multi-junction cells"1stWCPEC,Dec
5-9,1994,Hawaii,USAに示されるように、二次光学系として砲弾型レンズを用いて太陽電池セルの表面で結像させる集光型太陽光発電装置も知られている。 しかし、かかる誘電体ＣＰＣ若しくは砲弾型レンズを用いたものでは、誘電体ＣＰＣ若しくは砲弾型レンズ自体にかかるコストが高くなってしまうということに加え、集光倍率を上げる為には二次光学系である誘電体ＣＰＣ若しくは砲弾型レンズを大きくする必要があり、太陽電池セルに二次光学系の重量によるストレスがかかったり、集光型太陽光発電装置全体が大きくなってしまうという問題があった。 また、色収差を是正する二次光学系に砲弾型レンズのような結像光学系を用いた場合には、一次光学系である集光レンズの精度やアライメントの精度がずれると色混合性能が悪化してしまい、場合によっては二次光学系が色収差を更に拡大するといった欠陥があり、実用に足るものではなかった。 【０００５】本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、多接合型太陽電池セルを用いた集光型太陽光発電装置に関して、色収差に起因する変換効率の低下を簡便な方法で効率的に抑えることにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に、本発明の要旨とするところは、一次光学系により集光された太陽光を太陽電池セルの表面に入射させる集光型太陽光発電装置であって、その一次光学系により集光された太陽光を取り込む受光部と、取り込まれたその太陽光の少なくとも５０％を反射させる反射機構と、反射光を含むその太陽光を前記太陽電池セルに向けて放出する出光部とを備えた二次光学系が設けられていることを特徴とするものである。 【０００７】 【発明の効果】このようにすれば、一次光学系である集光レンズにより発生した色収差が二次光学系の反射機構において好適に是正されることに加え、色収差を是正する手段として光の反射による色混合を用いている為、一次光学系である集光レンズの精度やアライメントの精度が多少ずれても所望の色混合性能を発揮する。 このように、本発明によれば、多接合型太陽電池セルを用いた集光型太陽光発電装置に関して、色収差に起因する変換効率の低下を簡便な方法で効率的に抑えることができる。 【０００８】 【発明の他の態様】また、前記二次光学系は、好適には、一端部が受光レンズとなるように加工された光ファイバーである。 このようにすれば、一次光学系により集光された太陽光が受光部である受光レンズから二次光学系である光ファイバーの内部に取り込まれ、その太陽光が光ファイバーの内部において多重反射させられた後にセルに照射される為、色収差に起因する変換効率の低下を効率的に抑えることができる。 【０００９】また、前記二次光学系は、好適には、前記受光部および出光部を成す少なくとも２箇所の開口を有する筒状の多面体である。 このようにすれば、一次光学系により集光された太陽光が受光部である開口から二次光学系である筒状の多面体の内部に取り込まれ、その太陽光が多面体の内壁面において少なくとも５０％反射させられた後に出光部である開口からセルに放出される為、色収差に起因する変換効率の低下を効率的に抑えることができることに加え、かかる二次光学系は作成が極めて容易である為、簡便な方法により多接合型太陽電池セルを用いた集光型太陽光発電装置の変換効率を向上させることができる。 【００１０】 【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 【００１１】図１に示す太陽光追尾装置１０は、本発明の一実施例の集光型太陽光発電装置１２と、その集光型太陽光発電装置１２を垂直軸心および水平軸心まわりに回転可能に支持し、その集光型太陽光発電装置１２が太陽に対向した姿勢に維持されるように、その集光型太陽光発電装置１２を上記垂直軸心および水平軸心まわりに回転駆動する垂直軸駆動装置１４および水平軸駆動装置１６とを有し、太陽に常時対向できるようにその太陽の位置を追尾するようになっている。 上記垂直軸駆動装置１４は、上方へ突き出す垂直軸心まわりに回転可能な垂直出力軸１８と、その垂直出力軸１８に固定され、集光型太陽光発電装置１２を水平軸心まわりに回転可能に支持する為のＵ字状アーム２０とを備えている。 上記水平軸駆動装置１６は、そのＵ字状アーム２０の一端部に設けられ、上記太陽光発電装置１２を支持する水平軸２２
に直接あるいは簡単な減速装置を介して間接的に連結された図示しない出力軸を備えている。 【００１２】図２に示すように、上記集光型太陽光発電装置１２は、たとえば透明なプラスチック素材により成形された一端面が開口するケース３０と、一次光学系として機能する為にそのケース３０の開口に嵌め付けられた非結像系フレネルレンズ３２と、フレネルレンズ３２
の集光位置であるケース３０の底面に二次光学系として機能する為に設置された光ファイバー３４と、上記ケース３０の側壁面内側に固設された太陽電池セル３６とを備えている。 ここで、上記ケース３０が透明なプラスチック素材により成形されているのは、かかる集光型太陽光発電装置１２が設置される周囲の植生への影響を考慮したものである。 また、上記ケース３０の一側壁面外側には放熱板３８が取り付けられ、集光型太陽光発電装置１２の過度の温度上昇が防止されている。 このように構成された集光型太陽光発電装置１２では、図２の一点鎖線に示すようにフレネルレンズ３２により集光された太陽光が、光ファイバー３４を介して太陽電池セル３６に射出されると、その太陽電池セル３６から発電された電力が出力されるようになっている。 この集光型太陽光発電装置１２では、非結像系フレネルレンズ３２が用いられることにより、太陽に向かう方向に対して所定の角度範囲内であれば、フレネルレンズ３２による太陽電池セル３６の集光光強度を一定にすることができるようになっている。 【００１３】上記太陽電池セル３６は、たとえば図３に示すように、吸収波長帯が異なる複数種類のｐｎ接合が積層された多接合型構造を備えたものである。 尚、図３
において、各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。 図３において、太陽電池セル３６は、ｐ型ゲルマニウム板の上部が不純物拡散などによってｎ型とされることによりｐｎ接合が形成された底部接合層４６と、
０．１μｍ程度のｎ ⁺ −ＧａＡｓ層およびｎ ⁺ −（Ｉｎ）
ＧａＡｓ層から順次構成され、上記Ｇｅ基板４６上に積層されたバッファ層４８と、ｎ ⁺⁺ −ＩｎＧａＰ層およびｐ ⁺⁺ −ＡｌＧａＡｓ層から順次構成され、上記バッファ層４８上に積層された第１トンネル層５０と、ｐ ⁺ −Ｉ
ｎＧａＰ層、ｐ−（Ｉｎ）ＧａＡｓ層、ｎ ⁺ −（Ｉｎ）
ＧａＡｓ層、ｎ ⁺ −ＡｌＩｎＰ層から順次構成されることによりｐｎ接合が形成された中間部接合層５２と、ｎ
⁺⁺ −ＩｎＧａＡｓ層およびｐ ⁺⁺ −ＡｌＧａＡｓ層から順次構成され、上記中間部接合層５２上に積層された第２
トンネル層５４と、ｐ−ＡｌＩｎＰ層、ｐ−ＩｎＧａＰ
層、ｎ ⁺ −ＩｎＧａＰ層、ｎ ⁺ −ＡｌＩｎＰ層から順次構成されることによりｐｎ接合が形成された上部接合層５
６とを備えている。 上記図３において、太陽電池セル３
６の底面には下部電極５８が固着されており、その下部電極５８と受光面４０の上部電極４２との間に発電電力が出力されるようになっている。 上記上部電極４２と上部接合層５６のｎ ⁺ −ＡｌＩｎＰ層との間にはたとえばｎ ⁺ −（Ｉｎ）ＧａＡｓから成るコンタクト層６０が設けられており、上部接合層５６のｎ ⁺ −ＡｌＩｎＰ層の露出面には反射防止膜６２が設けられている。 なお、図３において［］内に示されている物質は、半導体型を設定するために拡散或いはイオン注入された不純物である。 【００１４】上記底部接合層４６、中間部接合層５２、
および上部接合層５６にそれぞれ設けられているｐｎ接合は、電気的に直列に接続されるとともに、たとえば図４に示すように、中心波長が相互に異なる吸収波長帯を備えており、太陽光の波長帯のうち吸収波長帯を広域として高い変換効率が得られるようになっている。 【００１５】図５は、二次光学系を用いない場合の太陽電池セル３６の受光面４０における光の分布の一例を示すグラフである。 集光型太陽光発電装置１２では、一次光学系であるフレネルレンズ３２で屈折する際に太陽光が波長毎に異なる屈折角をもって曲げられる為、太陽電池セル３６の受光面４０に照射される光は、たとえばこの図に示すように、受光面４０の幅方向中央部では、波長３００〜６００（ｎｍ）の青色光が強く、波長１００
０〜１８００（ｎｍ）の赤色光が弱くなり、また、受光面４０の中央部から幅方向０．３（ｉｎｃｈ）付近では、逆に波長１０００〜１８００（ｎｍ）の赤色光が強く、波長３００〜６００（ｎｍ）の青色光が弱くなる。
吸収波長帯が異なる複数種類のｐｎ接合が積層された多接合型太陽電池セル３６では、厚み方向に積層して設けられた吸収波長帯が異なるｐｎ接合のうちの最も弱い出力に制限される性質があり、二次光学系を用いない場合には、この色収差に起因して太陽電池セル３６の変換効率が低下してしまう。 【００１６】図６は、二次光学系で反射させた太陽光の割合と太陽電池セル３６に発生する電圧（Ｖ）および電流密度（Ａ／ｃｍ ² ）の関係を示したグラフである。 グラフ中の点線で示す曲線は、十分に色混合がおこなわれた理想的な光を太陽電池セル３６の受光面４０に入射した場合の電圧−電流密度の関係を示しており、このグラフから、一次光学系であるフレネルレンズ３２により発生した色収差は、二次光学系の反射機構において５０％
以上の太陽光を反射させることで好適に是正され、ほぼ理想値と同様の結果が得られることが判る。 このように色収差が是正されるのは、太陽光を一度反射させると色分布の向きが反転し、たとえば色収差の結果左から右へ青から赤の順に色分布を呈していたならば、反射後は赤から青の順に色分布を呈するようになり太陽電池セル３
６に直達する光と補償し合う為であり、従って、色分布を呈する光を完全に補償させようとすると、少なくとも５０％の成分を一旦反射させる必要がある。 本実施例に用いられる二次光学系である光ファイバー３４では、その内部において光が多重反射させられる為、十分な反射がおこなわれ色収差が好適に是正される。 【００１７】次に、本発明の他の実施例である集光型太陽光発電装置１２の要部について説明する。 図７は、本発明の他の実施例に用いられる二次光学系の一例である筒型反射鏡７０を示す斜視図である。 この図に示すように、筒型反射鏡７０は受光部を成す上部開口７２と出光部を成す下部開口７４の２箇所の開口を有する筒状の六面体である。 この筒型反射鏡７０は、たとえば以下に示すような工程によって作成される。 まず、厚さ０．５
（ｍｍ）の鏡面仕上げステンレス板をスタンピングなどの方法により接合代を含む所定形状に切断し、折り曲げる。 これに銅無電解ストライクメッキを施した後、更に銀鏡面電気メッキを施し、表面反射率が９６％程度の鏡面を得る。 続いて、接合代を折り曲げてスポット溶接などの方法により相互に接合し、たとえば六面体形状に組み立てる。 その後、フリットガラスの懸濁液中に浸漬し、５６０℃程度の温度にて窒素雰囲気中で焼成することにより表面をガラスで覆う。 これにより、表面の反射率は９６％程度から９５％程度に低下するが、反射率の高い銀メッキ表面が腐食から保護され、５００倍程度の高集光でも約２０年の寿命が得られる。 また、筒型反射鏡７０の所定部分にチタニアを塗布してもよく、このようにすればチタニアの光触媒作用により筒型反射鏡７０
内が清浄に保たれる。 【００１８】上記筒型反射鏡７０を備えた集光型太陽光発電装置１２では、図８に示すように一次光学系であるフレネルレンズ３２により集光された太陽光は二次光学系である筒型反射鏡７０の上部開口７２に取り込まれた後、図９に示すように筒型反射鏡７０の側壁面内側で５
０％以上反射させられ、下部開口７４に取り付けられた太陽電池セル３６の受光面４０に入射する。 ここで、上記筒型反射鏡７０について、上部開口７２の一辺と筒型反射鏡７０の高さの比が１：６程度である場合には、上部開口７２から取り込まれた太陽光が下部開口７４に到達するまでの平均反射回数は２回程度となり、この二次光学系の光反射効率は９０％程度となる為、十分に色混合がおこなわれて色収差が好適に是正される。 また、かかる二次光学系を色収差の影響のない単接合型太陽電池セルを備えた集光型太陽光発電装置１２に用いた場合でも、二次光学系による光束混合作用によりセルの照度ムラが改善される為、従来技術と比較して高い電流効率が得られる。 【００１９】このように、本実施例によれば、一次光学系であるフレネルレンズ３２により発生した色収差が二次光学系である光ファイバー３４あるいは筒型反射鏡７
０の反射機構において好適に是正されることに加え、色収差を是正する手段として光の反射による色混合を用いている為、一次光学系であるフレネルレンズ３２の精度やアライメントの精度が多少ずれても所望の色混合性能を発揮する為、多接合型太陽電池セル３６を用いた集光型太陽光発電装置１２に関して、色収差に起因する変換効率の低下を簡便な方法で効率的に抑えることができる。 【００２０】また、本実施例では、二次光学系として一端部が受光レンズとなるように加工された光ファイバー３４を用いるものである為、一次光学系であるフレネルレンズ３２により集光された太陽光が受光部である受光レンズから二次光学系である光ファイバー３４の内部に取り込まれ、その太陽光が光ファイバー３４の内部において多重反射させられた後に太陽電池セル３６に照射される為、色収差に起因する変換効率の低下を効率的に抑えることができる。 【００２１】また、本実施例では、二次光学系として受光部および出光部を成す２箇所の開口すなわち上部開口７２および下部開口７４を有する筒型反射鏡７０を用いるものである為、一次光学系であるフレネルレンズ３２
により集光された太陽光が受光部である上部開口７２から二次光学系である筒型反射鏡７０の内部に取り込まれ、その太陽光が筒型反射鏡７０の内壁面において少なくとも５０％反射させられた後に出光部である下部開口７４から太陽電池セル３６に放出される為、色収差に起因する変換効率の低下を効率的に抑えることができることに加え、かかる筒型反射鏡７０は作成が極めて容易である為、簡便な方法により多接合型太陽電池セル３６を用いた集光型太陽光発電装置１２の変換効率を向上させることができる。 【００２２】更に、本実施例によれば、二次光学系である光ファイバー３４あるいは筒型反射鏡７０を色収差の影響のない単接合型太陽電池セルを備えた集光型太陽光発電装置１２に用いた場合でも、二次光学系による光束混合作用によりセルの照度ムラが改善される為、従来技術と比較して高い電流効率が得られる。 【００２３】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施される。 【００２４】たとえば、図１０は本発明の更に別の実施例である集光型太陽光発電装置１２の要部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 この図に示すように、一次光学系であるフレネルレンズ３２の形状と、二次光学系である筒型反射鏡７０の受光部である上部開口７２の形状とが４５°回転した相似形となるように配置された集光型太陽光発電装置１２にも、本発明は好適に用いられ、このようにすれば、二次光学系である反射筒７０の色混合性能を更に向上させることができる。 【００２５】また、図１１は本発明の更に別の実施例である集光型太陽光発電装置１２の要部を示す図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 この図に示すように、一次光学系であるフレネルレンズ３２が正六角形状をとり、二次光学系である筒型反射鏡７０の受光部である上部開口７２が正方形状をとるように設計された集光型太陽光発電装置１２にも、本発明は好適に用いられ、このようにすれば、太陽光が一次光学系であるフレネルレンズ３２により集光される領域とは異なる形状を有する二次光学系の受光部に集光されることにより、二次光学系である筒型反射鏡７０の色混合性能を更に向上させることができる。 また、正六角形状のフレネルレンズ３２を平面上に連続的に並べることにより、太陽光の損失を極力抑えた態様で集光型太陽光発電装置１２を配置することができる。 【００２６】また、前述の実施例では、二次光学系として一端部が受光レンズとなるように加工された光ファイバー３４が用いられていたが、本発明はこれに限られず、一次光学系により集光された太陽光をその受光部から十分に取り込むことが可能であれば、上記加工が為されず受光レンズが形成されていない光ファイバー３４が用いられてもよい。 また、前述の実施例の光ファイバー３４は、図２に示すように反射機構であるファイバー部が折り曲げられたものであったが、二次光学系に用いられる光ファイバー３４は必ずしもこのように折り曲げられる必要はない。 尚、曲がりのないファイバー部を備えた光ファイバー３４が用いられる場合は、太陽電池セル３６はその受光面４０が太陽光に対して直角となるように配置される。 【００２７】また、前述の実施例では、図７に示すように六面体形状の筒型反射鏡７０が用いられていたが、本発明に用いられる二次光学系である筒状の多面体はこれに限られず、たとえば、図１２に示すように筒状の十面体を成す筒型反射鏡８０が用いられてもよく、その他、
受光部および出光部を成す少なくとも２箇所の開口を有し、取り込まれた該太陽光の少なくとも５０％を反射させる反射機構を備えた筒状の多面体であれば、直筒状、
錐体形状、Ｌ字型筒状など様々な形状の筒型反射鏡が適宜用いられる。 【００２８】また、前述の実施例では、図９に示すように太陽電池セル３６が筒型反射鏡７０の下部開口７４に取り付けられていたが、下部開口７４から放出される太陽光が太陽電池セル３６の受光面４０に十分に照射されるのであれば、太陽電池セル３６と筒型反射鏡７０とは分離された状態で設置されてもよい。 【００２９】また、前述の実施例では、一次光学系として非結像系フレネルレンズ３２が用いられていたが、円筒面反射鏡、球面反射鏡などの他の一次光学系を用いた集光型太陽光発電装置１２にも、本発明は好適に用いられる。 【００３０】その他一々例示はしないが、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が加えられ、実施されるものである。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の集光型太陽光発電装置を含む太陽光追尾装置の一構成例を説明する斜視図である。 【図２】本発明の一実施例である集光型太陽光発電装置の構成を説明する概略図である。 【図３】本発明の集光型太陽光発電装置に用いられる太陽電池セルの多接合構造を説明する図である。 【図４】図３の多接合構造を備えた太陽電池セルの効率の波長特性（吸収感度特性）を説明する図である。 【図５】二次光学系を用いない場合の太陽電池セル受光面における光の分布の一例を示すグラフである。 【図６】二次光学系で反射させた太陽光の割合と多接合型太陽電池セルに発生する電圧（Ｖ）および電流密度（Ａ／ｃｍ ² ）の関係を示したグラフである。 【図７】本発明の他の実施例に用いられる二次光学系である筒型反射鏡を示す斜視図である。 【図８】一次光学系により集光された太陽光が二次光学系である筒型反射鏡の受光部に取り込まれる様子を説明する概略図である。 【図９】二次光学系である筒型反射鏡内における太陽光の反射の様子を説明する概略図である。 【図１０】本発明の更に別の実施例である集光型太陽光発電装置の要部を示す図である。 【図１１】本発明の更に別の実施例である集光型太陽光発電装置の要部を示す図である。 【図１２】本発明に用いられる二次光学系である筒型反射鏡の別の一例を示す斜視図である。 【符号の説明】 １２：集光型太陽光発電装置３２：フレネルレンズ（一次光学系） ３４：光ファイバー（二次光学系） ３６：太陽電池セル４０：太陽電池セル受光面７０：筒型反射鏡（二次光学系） ７２：上部開口（受光部） ７４：下部開口（出光部） ８０：筒型反射鏡（二次光学系）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 真史 東京都豊島区巣鴨３−18−17−204 Ｆターム(参考） 5F051 AA08 AA16 DA16 GA04 JA10 JA13 JA14 JA15