【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電方法及び太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の太陽光発電は、大別して以下の３タイプによる。この３タイプに共通して、太陽光発電は殆どが太陽電池を光電変換素子としている。本明細書に於いても以降では、光電変換素子を太陽電池或いは受光器・受光素子で代表して記述する。以降は光電変換素子の表現は用いない。従来の太陽光発電は太陽電池の波長特性が素子内では位置的に均質なもの、による発電であった。図６を参照して説明する。タイプ１）：部分図ｆｆ１に示すように太陽光線は回折格子で波長分光されることなく、直接に端接合型太陽電池１０Ｆに導かれる。太陽電池１０Ｆ面内の位置的な波長特性（面内位置▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼のいずれの位置での波長特性）は均質（同じ）である、或いは均質であるべく製造される。タイプ２）：同じく部分図ｆｆ１に示すように、太陽光は回折格子で波長分光されることなく、直接にタンデム型（積層型、スタック型とも言う）の太陽電池１０Ｈに導かれる。太陽電池１０Ｈ面内の位置的な波長特性（面内位置▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼のいずれの位置での波長特性、即ち、太陽光線の進行方向に垂直方向の面内での波長特性）は均質（同じ）、或いは均質であるべく製造される。但し層毎（太陽光線の進行方向、つまり深さ方向）の波長特性はタンデム型（積層型）であるので当然異なる。タイプ３）：部分図ｆｆ２に示すように、太陽光線は波長分散素子で波長分光されて複数の太陽電池１０Ｋに導かれる。各々の太陽電池の波長特性は個々に異なるが、同一太陽電池内では波長特性は位置的には均質である。（即ち、各位置の波長特性は、▲１▼＝▲２▼＝▲３▼、▲４▼＝▲５▼＝▲６▼、▲７▼＝▲８▼＝▲９▼のように均質であるが、但し、▲１▼と▲４▼、▲７▼は異なり、▲４▼と▲７▼は異なる。）従って個々のバンドギャップＣＵ，ＣＶ，ＣＷは部分図ｆｆ３、ｆｆ２のように異なるが、同一太陽電池内では位置的に一定である。なお部分図ｆｆ３の一点鎖線の曲線は光子エネルギー、縦軸はバンドギャップエネルギー、横軸は波長及び太陽電池表面からの深さを示す。
【０００３】
次に先行出願の説明をする。タイプ１）、タイプ２）に関する先行出願は非常に多数あるが、本発明とは後述するように全く別技術なので、引用を省略する。タイプ３）に関しては３件（＃１〜＃３）の先行出願があるが、いずれも光電変換素子の面内に於ける位置的な波長特性は非均質なものではなく、本発明とは別技術である。先ず先行出願＃１、特開昭５６−８０１７７は本発明と次のｉ）ｉｉ）の点で全く別技術である。ｉ）光電変換素子の波長特性が、個々の素子内では位置的に非均質ではない。ｉｉ）波長分散素子がラテックスであり、回折格子ではない。また先行出願＃２、特開昭５８−７７２６２も、光電変換素子の波長特性が個々の光電変換素子内では位置的に非均質ではないので本発明とは全く別技術である。また先行出願＃３、米国特許第４０２１６７号（１９７５年出願）も光電変換素子は、ｉｉｉ）個々の素子内ではその波長特性は位置的に非均質ではない、ｉｖ）波長分散素子はプリズムである（回折格子に関しては用語記述があるのみで具体的説明は無い、プリズムと回折格子との基本的な差異は、本発明でも説明するように、分散特性、零次光の存在とその処理である。また回折格子では透過型と反射型があるがプリズムは透過型のみである。更に、回折格子は干渉現象の応用であるがプリズムは屈折率差の応用である。このようにプリズムと回折格子は適用法が根本的に異なる。）、ｖ）コリメータ素子が必須構成要素である、以上のｉｉｉ）、ｉｖ）、ｖ）の３点で本発明とは別技術である。また更に、先行出願＃２、特開昭５８−７７２６２にて言及されている３件のうち、１件目；ＦＲＧ特許第２６２９６４１号（旧独連邦特許、出願１９７６年、現在ドイツ特許：ＧＥ２６２９６４１Ａ１）は、太陽熱利用の加熱方式に関するもの、２件目；フランス特許２３４２５５８は太陽電池のおもて面と裏面に太陽光を導くもの、３件目；米国特許４１４６４０７は集光レンズを液体で構成し、当該液体中に太陽電池を設置して液体冷却するもの、であり３件ともその技術内容は本発明とは別技術である。
【０００４】
現在実用に供されているのは、主流が前述のタイプ１）であり、タイプ２）はコスト高が許容される宇宙（人工衛星などの電源）用途（３層タンデム）であったが、最近、民生（屋上設置型太陽光発電装置）用途にアモルファスシリコンを結晶シリコンの上に積層した２層型タンデムが実現・流通している。タンデム型太陽電池はその高効率のために、本発明の明細書では比較対照技術（従来技術で最も高性能のもの）としている。タイプ３）は殆ど実用に供されていない。なお後段の：発明の作用、発明の効果の段落での記述でも、これら従来の技術と、本発明の技術との差異が明白であり、別発明技術であることが、明瞭に理解される。
【０００５】
太陽エネルギーは面積的には希薄である。従って太陽光発電効率の観点からは、エネルギー集中（即ち、太陽光の場合は集光）に技術者の関心が注がれている。太陽光を波長連続分光することは、エネルギー分散でありエネルギー集中とは逆行する。この無意識的な配慮がなされていたために、前述のように波長連続分光に関する太陽電池・太陽光発電に関する先行出願は僅かに前述の＃１〜＃３の３件のみである。実際に、波長連続分光は別名＜単に分光、波長分散、或いは単に分散〜ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ＞とも称され、集中とは逆を意味する。また、太陽電池、太陽光発電の先行出願はタンデム型に関するものが非常に多い。非太陽追尾式であるタンデム型の優位性の意識が比較的早くから定着していたのも、波長連続分光方式の追求を技術者が無意識的に排除する要因であったと考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、以降の４課題、課題＃１）〜＃４）を解決することによって結果的に、太陽光発電装置コストの低減、即ちＫＷ・時、当りの発電コストの低減を実現することである。課題＃１）：従来技術に本質的に付随して回避できない、波長トレードオフ問題を解消して太陽光発電の高効率化を実現することを課題とする。ここで波長トレードオフ問題とは、太陽光発電装置の、▲１▼発電効率向上と、▲２▼コスト低減、の▲１▼，▲２▼の観点に関して、Ｉ）分光的不整合（分光的ミスマッチ）が存在する、即ち、長波長側の要請と短波長側の要請が両立しない、ＩＩ）利用波長領域を広げようとするとかえって効率低下をきたす、と言う問題Ｉ）ＩＩ）である。この問題Ｉ）ＩＩ）に関しては適切な表現がないために、以降の本明細書に於いては簡潔に、波長トレードオフ、と定義・記述する。波長トレードオフの代表はバンドギャップに関する波長トレードオフであるが、他の種類の波長トレードオフ例（他の５種類の例）については後述する。
【０００７】
図１の部分図ａａ３に本発明が解決しようとする課題＃１）を概念的に図示する。部分図ａａ３は現在最も高効率とされている３層タンデム型太陽電池に於いて光生成された電子・正孔キャリア対を示す。縦軸は吸収された光子のエネルギーＥｐ，横軸は光子の侵入深さ（トップ層表面からの深さをＤＥＰＴＨと表記する）、白丸は光生成された正孔キャリア、黒丸は光生成された電子キャリア、縦上向き実線矢印の長さは吸収された光子エネルギーの大きさ、を示す。点線の縦下向き点線矢印の長さは、破線で部分拡大図示のように、熱エネルギーとなり太陽電池出力として有効でない無効エネルギーの大きさであり、横実線はバンドギャップ、即ち、伝導帯準位であり、価電子帯準位を基準準位として横座標軸に一致させている。３層タンデムなのでバンドギャップは図示のように３段ある。
【０００８】
ＡＶＥと表記されている点線は光子の平均的な侵入確率の概念を示す。短波長の光子は吸収係数が高いので浅い位置で吸収されキャリア対を生成する。短波長光即ち高エネルギーの光子は確率的には深く侵入できない。図の見易さのために部分図ａａ３のように単純化して図示したが、より正確な概念を、図２の部分図ｂｂ１にＡＶＥ曲線と生成電子キャリア（正孔は図示省略）で図示した。但し、光子吸収は確率的なものなので、部分図ｂｂ１のＰＨ１、ＰＨ２のように短波長の光子が深く侵入してキャリア対を生成する確率は小さいながら存在する。図１の部分図ａａ３の縦下向き点線矢印で示される無効エネルギーは、分光的不整合（分光的ミスマッチ）である。図２の部分図ｂｂ２は図１の部分図ａａ３の３層のうちの１層（例えばトップ層）を取り出して図示したものである。長波長（確率的に深い位置）側の無効エネルギーは小さいが、短波長側（確率的に浅い位置）の無効エネルギー（下向き点線矢印）は大きい。無効エネルギーを減らすべく、部分図ｂｂ３のようにバンドギャップの大きい半導体材質を選べば、確かにＤＥＰＴＨ１〜２間の光子の無効エネルギーは激減し有効に利用されるが、一方ＤＥＰＴＨ２〜３間の光子はトップ層では吸収されず、以降の層（例えば第二層或いは第三層）の無効エネルギーを増やす結果となってしまう。即ち、波長トレードオフ（長波長側の要請と短波長側の要請が両立しない）である。図１の部分図ａａ４は太陽光線が分光されずにタンデム太陽電池１０Ｈに入射する様子を示す。記号λＳＭＬは波長分光されない太陽光線を意味する。なおこの種の波長トレードオフの量は図２の部分図ｂｂ１から推察できるように、タンデムではなく単層のみ（例えば通常の単結晶シリコン型太陽電池）の場合では更に大になる。
【０００９】
課題＃２）：太陽光を連続波長分光するにもかかわらず、太陽光の集光度を大にして、太陽電池の所要面積を減らす。これは太陽光発電装置のコスト低減にもなる。また集光度を増加すると開放端電圧が上昇するので発電効率も向上することは公知である（例えば、福井大学工学部研究報告４０巻１号、１９９２年、ｐｐ８４、等々）。また課題＃１）＃２）に付随して、課題＃３）：太陽光発電装置の経年的な耐久性を向上させる。これは湿気、紫外線等が太陽電池用筐体内外に与える錆、腐食、紫外線劣化などに関する。同じく、課題＃１）＃２）に付随して、課題＃４）：太陽追尾機構の付加機能を高め、太陽光発電装置の総合的な価値、即ち、コストパフォーマンスを高めて、結果的に太陽光発電装置の低コスト化をもたらす。以上の＃１）〜＃４）が本発明が解決しようとする課題である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に於いては、前記の請求項に対応して、次の１）〜１１）の手段をとる。即ち、手段１）：太陽光線を回折格子で波長連続分光して太陽電池に導く。太陽電池は、分光された単色光線の波長に適合した波長特性を当該位置に有するようにして発電する方法を採る。なお＜波長連続分光＞とは、バンドパスフィルター、ハイパスフィルター、ローパスフィルター、コールドミラー、等々の如く大雑把にいくつかの波長帯域に波長分離するのではなく、光子の波長とその空間的位置（場所）が相伴って連続的に変わることを意味する。即ち回折格子等で分光することを意味する。図７に波長連続分光とバンドパス分光の差異を示す。部分図ｇｇ１はバンドパスフィルターの例であり、白色光が、縦軸（波長）、横軸（分光強度）にて示す図のような特性で白色から取り出され（分光され）る。部分図ｇｇ２はコールドミラーによる波長分光の例で，白色光は可視光ＶＩＳと赤外光ＩＲに分光される。これらの分光は前述の＜波長連続分光＞の定義を満たさない。部分図ｇｇ３は反射回折格子による分光で、白色光が単色光λ１，２・・・Ｎに＜波長連続分光＞される様子を示す。波長λ１，２・・Ｎは図の解り易さの便宜上離散数値Ｎで示したが、連続変化量である
【００１１】
課題を解決する手段２）：太陽光線を回折格子で波長連続分光して導く。太陽電池は、分光された単色光線の波長に適合した波長特性を当該位置に有するようにし、発電する。手段３）：手段２に於いて、太陽光線の集光度を大にする光学手段を具備する。手段４）：手段２）、３）に於いて、回折格子が半透過型回折格子を含むようにする。手段５）：手段２）〜４）に於いて零次光を再回折する。手段６）：手段２）〜５）に於いて、光電変換素子内を高電気抵抗の複数のバリヤで区切る。手段７）：手段２）〜６）に於いて、光電変換素子群を収納する筐体の前面窓に、フレネルレンズ型集光レンズ機能、回折格子機能のいずれかあるいは両方の機能を兼用させる。手段８）：手段７）に於いて、光電変換素子群を収納する筐体の材質をプラスチックとし、筺体の前面窓をプレス成形で形成する。手段９）：手段７）に於いて、光電変換素子群を収納する管状筐体をプラスチック押し出し成形で成形し、押し出し成形時に、筺体の前面窓に集光レンズ機能、回折格子機能のいずれかあるいは両方の機能を付与する。手段１０）：手段２）〜９）に於いて、光電変換素子群を収納する筐体の太陽追尾機構に反転機構を兼ねさせる。手段１１）：手段２）〜１０）に於いて、太陽追尾によって生じた空間を採光空間または換気空間として利用する。
【００１２】
本発明はバンドギャップを位置的に連続的に変える技術が基礎になっているので、バンドギャップを位置的に連続的に変える方法＃１）〜＃６）について説明する。なお、以降に引用した文献例では位置的（場所的）にバンドギャップを変えることは当然ながら言及されていない。位置的にバンドギャップを連続的に変えるのは本発明に係る新技術であるからである。バンドギャップを位置的に連続的に変えるには、バンドギャップを変える公知技術に位置（場所）の要素を組み込めば良い。また、バンドギャップ位置的・連続的・可変法はこれらの方法に限定されず本発明の趣旨を満たすものであれば良い。バンドギャップ位置的・連続的・可変法＃１）混晶法：格子定数の近い２種類以上の結晶の混晶比率を位置的に連続的に変えて、バンドギャップを連続的に変える。混晶比率の変化に応じてバンドギャップが変わることは古くから知られている。最近の出願例、例えばシリコン結晶とゲルマニウム結晶の混晶の場合は特開平５−８２８１２に例示がある。位置的にバンドギャップを変えるには、位置的に混晶比率を変えれば良い。またＩＩ−ＶＩ族半導体には、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ，ＣｄＴｅなど多くの物質があり、これらの物質のバンドギャップは赤外〜紫外波長領域にバンドギャップがある。また最近、青色発光ダイオードの実用化の実現で、進展の著しいＩＩＩ族窒化物系（ＧａＮ、ＩｎＮ系）の混晶も紫外〜赤色にわたり波長範囲が広い。特にＧａＮ系は基板に安価なサファイア（本発明は高集光型なのでサファイア面積は極小）が使えるのでコスト的にも好ましい。図９，部分図ｋｋ１にこれらの物質の内で代表的なものとそのバンドギャップエネルギーの分布を横方向の太い実線で示す。ここで横軸は波長である。また、波長範囲：λ＊Ｖ＝１．２４、ここでλ＝波長μｍ、Ｖ＝電圧ｅＶである。後述する方法＃５）フォトルミネッセンス方式についてのみは破線で図示されている。白抜きの横線は量子井戸方式の場合を示す。図９には以降に説明するＣＩＧＳ系、ＣＩＳ系、アモルファスシリコン系、ｎｉｐｉ超格子、の波長可変範囲も併せて図示されている。
【００１３】
バンドギャップ位置的・連続的・可変法＃２）多元蒸着法：多元素構成の化合物半導体薄膜を太陽電池に適用する。多元蒸着法に於いて、元素比率を位置的に連続的に変えて、バンドギャップを連続的に変える。例えば特開平１０−７９５２５ではオウシャク鉱（Ｃｕ銅−Ｉｎインジウム−Ｇａガリウム−Ｓｅセレン−Ｓ硫黄）系薄膜太陽電池の場合が例示されている。バンドギャップ位置的・連続的・可変法＃３）：添加物のドープ量を位置的に連続的に変えてバンドギャップを位置的・連続的に変える。図３にドープ量或いは混晶比を位置的に変えてバンドギャップを変える方式の概念図が示されている。部分図ｃｃ１は太陽光線がλＳ、Ｍ、Ｌの単色に分光されて、太陽電池１０Ｌに導かれる。ここでλは波長、添字Ｓ、Ｍ、Ｌは便宜的に短波長、中間波長、長波長の単色光を意味する。部分図ｃｃ１は太陽電池の側面を、部分図ｃｃ２は正面図を示し、ドープ濃度が位置的に変わっている様子を模式的に示す。なお図は概念を示すものであるからドープ濃度等は図示の濃度曲線に比例しない。部分図ｃｃ３はバンドギャップと太陽電池上の位置との関係を、部分図ｃｃ４はドープ量或いは混晶比と太陽電池上の位置との関係を示す。２本の曲線は、例示であり、種々の曲線があり得る。ＣＩＧＳ（銅−インジウム−ガリウム−セレン）型太陽電池の場合を一例とすると、例えばＣＩＧＳ型薄膜太陽電池では、ガリウムＧａの添加量などのドープ条件を変えて，バンドギャップ（禁制帯幅）を１．０４ｅＶ（吸収端光子波長換算で１．１９μ、即ち近赤外光相当）から１．６８ｅＶ（光子波長換算で０．７３８μ、即ち赤色と近赤外光の境界相当）まで変えることが可能（例えば文献：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ， Ｈ．Ｊ．Ｍｏｌｌｅｒ ｅｄ． Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ Ｉｎｃ Ｂｏｓｔｏｎ、１９９３ｐｐ３６参照）である。ＣＩＳ系では硫黄Ｓのドープの混晶技術で１．０４〜２．４３ｅＶが可変範囲（文献：例えば、薄膜太陽電池の基礎と応用、小長井誠、他編・著、ｐｐ１７６参照）である。更には、ＧａとＳ両方のドープ量の組み合わせを変えても、当然良い。またシリコン単結晶に於いてさえ、添加物のドープ量を大幅に変えると混晶ではないが僅かながらバンドギャップエネルギーが変わることは広く知られている。バンドギャップ位置的・連続的可変法＃４）：ｐ形ａ−Ｓｉ膜（アモルファスシリコン型太陽電池）に於いては、ドーピングガスの種類・量を変えてバンドギャップを変える（１．９〜２．１ｅＶ）方法が有名である。バンドギャップ位置的・連続的・可変法＃５）：アモルファスシリコンの微結晶化（μｃ−Ｓｉ）技術に関するＥＣＲ−ＣＶＤ方式では２〜２．８ｅＶ程度の可変範囲が得られる。ギャップ可変、バンドギャップ位置的・連続的・可変法＃５）：フォトルミネッセンス（蛍光・燐光）変換法：太陽電池の当該波長位置にフォトルミネッセンス物質（一種類または二種類以上または二種類以上の混合）を配置させる。フォトルミネッセンス物質の種類、或いは種類と量を変えて、波長特性を位置的に連続的に変える。フォトルミネッセンス物質が希土類（Ｅｕ，Ｔｂ，Ｙｂ等）の場合は紫外線領域に有効（特に紫外線が強い宇宙用太陽光発電装置に有効〜エアマスＡＭ＝０では０．３０μｍ以下でも太陽エネルギーが分布している）なことが公知である。また、低コストで流通している、蛍光灯の水銀輝線（０．２５３７μｍ）用蛍光材、が適用できるのも当然である。但しルミネッセンス物質の混合ではバンドギャップの波長純度はブロードバンドになり、＃１）〜＃４）、＃６）とは波長純度の点で様相が異なる。バンドギャップ位置的・連続的・可変法＃６）：その他、量子井戸方式、超格子方式、等々がある。
【００１４】
量子井戸方式、超格子方式について図８を参照して説明する。バンドギャップＥｇ２であって井戸層厚さＷｗの井戸層用半導体を、バンドギャップＥｇ１であって層厚さＷｂの障壁層用半導体で挟む（部分図ｈｈ１参照）。井戸層厚さＷｗを充分薄くしてゆくと量子井戸となる。量子井戸内の準位をＥｗとすると、障壁電位差が充分高い場合にはＥｗは次の数式１となる。
【００１５】
【数１】Ｅｗ＝（Ｎ＊ｈ）２／（８ｍ＊Ｗｗ２）
【００１６】
ここでＮ、ｈ、ｍ、はそれぞれ、Ｎ＝１，２，３・・・、ｈはプランク定数ｈ＝６．６２６＊１０（−３４）Ｊ・ｓ、ｍは電子の有効質量である。従ってＥｗは井戸厚さＷｗによって変えることが出来る。従ってバンドギャップＥＱ（即ち、フォトン吸収エネルギー、ＥＱ＝Ｅｇ２＋Ｅｗ）も変えることが出来る。障壁電位差が低い場合には障壁層厚さＷｂもＥＱの可変要因になる。図９の部分図ｋｋ１に白抜きで図示した、量子井戸による波長範囲、はこの数式１でＮ＝１として算出したものである。図８、部分図ｈｈ２、ｈｈ３はそれぞれ、本発明に係る量子井戸、従来技術の量子井戸の概念図である。部分図ｈｈ２では、波長連続分光された単色の太陽光線に応じて井戸厚さが、連続的に変わって（短波長λＳ側では薄く、長波長λＬ側では厚くなって）いる。ハッチングされた層は障壁層である。一方従来技術（部分図ｈｈ３）では井戸層５層、障壁層６層のタンデム式の場合が一例として図示されている。井戸層の厚さは各層で異なるが個々の層内では一定である。図の見易さのため、タンデム層数は５層としたが、実際はもっと多層になる。例えば、先行出願例、特開平５−２６７７０３では、井戸層１０層、障壁層１１層の合計２１層、或いはそれを更に３段重ねて６３層である。太陽電池に関する量子井戸或いは超格子の先行出願公開件数は、２００３年５月初旬時点にて、２０件前後であるがいずれもタンデム方式である。なお部分図ｈｈ２に於いて、井戸層厚さは図の見易さのために直線的に変わっているが、実際は前記の数式１に従って、曲線的に変わる。
【００１７】
従来技術のタンデム量子井戸方式に於いては、▲１▼コスト、▲２▼各種の波長トレードオフが解消されない等の難点がある。難点▲１▼：例えば２１層もの多層成膜のコストは本発明の３層（井戸層１、障壁層２）、に比べて高コストであることは明白である。難点▲２▼：電流不整合、反射損、等の波長トレードオフも多層では際立ってくる。前述したように３層タンデムでさえ電流不整合は厳しい。１０層或いは３０層ではこの波長トレードオフは深刻なものになる。また反射損も障壁層も含めると１０層タンデムでは２１層、３０層タンデムでは６３層になり、１層当りの反射損を１％としても、２１％、６３％程度の反射損失になり実用性に乏しい。本発明の技術ではこれらの波長トレードオフは生じないのは明らかである。
【００１８】
半導体のバンドギャップよりも小さいエネルギーの（即ち、長波長の）光を利用する方法に、ｎｉｐｉ超格子方式（例えば、Ａ．Ｓｈｉｋ著、ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌｓ，１９９７，Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ．Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，９章３節参照、等）がある。例えば図３のように、ドナー或いはアクセプタ濃度を位置的に変えて超格子を作れば良い。半導体のバンドギャップより小さいエネルギーの光を利用する例は、次段落の第三例、波長領域２．４μ〜１．８μｍの部分の例である。
【００１９】
以上に説明した、バンドギャップを位置的・連続的に変える技術の適用例を図９、部分図ｋｋ２に於いて３例図示した。第一例：（１．８〜１．１μｍ）＝（ＧｅとＳｉの混晶）、（１．１〜０．５１μｍ）＝（Ｓ及びＧａドープのＣＩＳ，ＣＩＧＳ）、（０．５１〜０．３６μｍ）＝（ＧａＮとＩｎＮの混晶）：この第一例は実線の曲線で図示されている。第二例：（１．８〜１．１μｍ）＝（Ｇｅの単結晶）、（１．１〜０．３６μｍ）＝（第一例と同じ）：この第二例は破線で図示（但し１．１〜０．３６μｍの範囲は第一例と同じなので図示省略）されている。第三例：（２．４〜１．８μｍ）＝（ｎｉｐｉ超格子、但し、２．４〜１．８μｍ部分はスケールオーバーなので図示省略）、（１．８〜０．３６μｍ）＝（第一例と同じ）：この第三例は点線で図示（但し１．１〜０．３６μｍの範囲は第一例と同じなので図示省略）されている。第一例と重なって、図が見難くなるので、波長１．８〜１．１μｍの点線部分はずらして図示している。第四例：（１．８〜１．１μｍ）＝（ＧｅとＳｉの混晶）、（１．１〜０．６μｍ）＝（Ｓ及びＧａドープのＣＩＳ，ＣＩＧＳ）、（０．６〜０．４５μｍ）＝（アモルファスＳｉ）、（０．４５〜０．３６μｍ）＝（ＧａとＩｎの混晶），第五例：（１．８〜０．５１μｍ）＝（第一例と同じ）、（０．５１μｍ〜０．４０μｍ）＝（ＧａＮ／ＩｎＮ量子井戸）、（０．４０〜０．３０μｍ）＝（フォトルミネッセンス式。例えば、希土類イオン、＜例えばＹ２＋、Ｃｅ３＋，Ｓｍ３＋，Ｅｕ２＋，等々＞の混合を太陽電池の表面近傍に配置する、なお波長領域は宇宙用途では０．２５μｍ、或いは０．２０μｍまで伸ばしても良いのは当然である）。第四例、第五例は図の見易さのために図示省略している。
【００２０】
【作用】
手段１）、２）の作用とその効果の説明をする。図１の部分図ａａ１は本発明に係る太陽電池の、バンドギャップ（縦軸にＥｇと表記）、吸収された光子の波長、吸収された光子エネルギー（縦軸にＥｐと表記）、光生成された電子・正孔対の各相互関係を示す概念図である。太陽電池の各位置でＥｐ＝Ｅｇとするのが本発明の主要点である。横軸は太陽電池に吸収された光子の波長かつ太陽電池上の吸収位置（場所）を示す。横軸の波長λは図の見易さの便宜上、代表的に短波長、中間の波長、長波長を、λＳ、λＭ、λＬと記す。λＳ、ＰＳは短波長側の光子の波長とその波長の光子が入射する太陽電池上の座標、λＭとＰＭの組、λＬとＰＬの組も同様に光子の波長と当該波長の光子が入する太陽電池上の座標を示す。部分図ａａ２は、部分図ａａ１に対応した図であり太陽電池１０の異なる位置に分光（代表的に短波長λＳ、Ｍ、Ｌに分光）された太陽光線が入射する様子を示す。部分図ａａ１、ａａ２は太陽電池１０のバンドギャップが位置的（場所的）に不均質であり、分光された太陽光の光子エネルギーに対応して位置的に連続的に変えられていることを示している。
【００２１】
以上の説明の通り、本発明の技術の特徴を示す図１の部分図ａａ１、ａａ２と従来技術の特徴を示す図１の部分図ａａ３，ａａ４を比較すれば、従来技術に付随して解消されなかった、バンドギャップに関する波長トレードオフが本発明の技術では解消されることが分る。これが前述の手段１）、２）の主要な作用およびその効果である。
【００２２】
前述の分光・並置型太陽光発電装置に於いても、バンドギャップ波長トレードオフは解消されないことを図６、部分図ｆｆ３に示す。部分図ｆｆ３は、部分図ｆｆ２の３個の太陽電池のバンドギャップＣＵ，ＣＶ，ＣＷを、図示したものである。図の横軸は光子波長、縦軸は光子エネルギー及びバンドギャップ、一点鎖線は光子エネルギーを示す。この図は図１の部分図ａａ３と同等内容を示している。従って波長トレードオフもタンデム型と同様に解消されない。
【００２３】
タンデム型のバンドギャップに関する波長トレードオフについては図１を参照して既に説明した。次に、バンドギャップ以外の種類の波長トレードオフが解消されない状況を説明する。波長トレードオフの種類については反射防止膜波長トレードオフを一例として説明する。図４の部分図ｄｄ１は反射防止膜の波長特性を示す。縦軸は反射率、横軸は波長である。反射防止膜は太陽電池の効率を向上させるための重要技術の一つであるが、全波長域で全て良好な低反射率は達成できない。図に示すように、狙った特定の波長領域（例えばλＡ〜λＢの領域）で低反射率を実現させる。反射防止膜特有の多層膜の干渉技術をもってしても、太陽電池の如き広い波長域の全波長領域（例えば０．３６μｍ〜２．４μｍ）で低反射率が実現できないのは、多くの光学図書で広く一般的に記述されている通りである。即ち、反射防止膜に関する波長トレードオフである。特に単一接合型よりも更に広い波長領域を狙うタンデム型太陽電池にとっては、反射防止膜波長トレードオフは、単接合型より重要（厳しい制約条件）になる。
【００２４】
波長トレードオフの種類に関しては、＃１）バンドギャップ、＃２）反射防止膜の２種類に関し、既に説明済みであるが、他に４種類＜即ち、＃３）接合深さ・表面再結合、＃４）単結晶厚さ、＃５）電流不整合、＃６）反射損失＞を選び説明する。なお波長トレードオフは以上の６種類に限らず、太陽電池に関する波長特性は全て、多少なりとも、波長トレードオフ傾向を示す。これは太陽電池が扱う波長範囲が地上用では０．３μｍ〜２．４μｍ、宇宙用では０．２μｍ〜２．４μｍ、と広い（例えば、波長倍率＝２．４／０．３＝約８倍）ためである。一般に光学設計の分野では、狭い波長範囲（例えば波長倍率１倍以下程度）では良好な波長特性を有するような設計も可能であるが、広い波長範囲での設計では、いずれかの波長領域の特性が犠牲になるのが普通である。例えば、光学干渉現象の応用では半波長（倍率＝０．５倍）、或いは１波長（倍率＝１倍）毎に光学特性が変わる。従って前述の波長倍率＝約８倍は広すぎる。本発明の、課題を解決する手段１）、２）は太陽光を波長連続分光するものであるから、基本的には白色の太陽光は太陽電池に導かれず、単色光のみが太陽電池の各位置に導かれ、各位置での太陽電池の波長特性はその位置の波長に対して個々に最適にでき、他の波長の束縛条件を受けないので、白色光に起因する波長トレードオフ、それ自体を根源から解消する作用を有する。即ち、原則的には、本発明に於いては、如何なる種類の波長トレードオフも存在しない。
【００２５】
接合深さ・表面再結合に関する波長トレードオフについて説明する。シリコン単結晶型太陽電池では、表面再結合損失を防ぐために、短波長領域では接合（ｐｎ接合）の深さを極端に浅く（例えば０．１μｍ程度）する（例えばバイオレットセル技術などを参照）のが良いが、一方長波長領域（近赤外領域）では電子・正孔拡散長を考慮して、図５の部分図ｅｅ１に示すように、より深い位置が良い。即ち、波長トレードオフである。次に単結晶厚さに関する波長トレードオフについて説明する。シリコン単結晶の光吸収係数αは、波長０．５μｍ、１．１μｍでそれぞれ、約１００００ｃｍ（−１）、約２ｃｍ（−１）程度である。吸収式：Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−α＊ｔ）で、９５％のフォトンを吸収する場合（Ｉ／Ｉ０＝０．９５）の所要結晶厚さｔは、これらの数値を代入してｔ〜０．０５μｍ（波長０．５μｍ）、ｔ〜２６０μｍ（波長１．１μｍ）である。図５、ｅｅ１部分図はこれらの事情を図示したもので、本発明に於いては、青側（例えば波長０．４μｍ）の所要結晶厚さＢＬＴＨＫは０．０５μ以下、赤外側（例えば波長１．１μｍ）の所要結晶厚さＩＲＴＨＫは３００μｍ程度で、結晶厚さは不均等で良い。ところが従来技術に於いては、結晶厚さは部分図ｅｅ２のように最大厚さに統一せざるを得ない。即ち、本発明の応用では、太陽光発電装置の約半分のコストを占める、高価なシリコンコストが、半減する。シリコンインゴットの均等厚切断（部分図ｅｅ３参照）に比べて、不均等厚切断（部分図ｅｅ４参照）で所要シリコン体積が約半減する。即ち、シリコンコストの観点にて波長トレードオフである。即ち、単結晶厚さに関する波長トレードオフである。本発明の特許請求項１、請求項２：素子内の波長特性を位置的に変えた光電変換素子：はシリコン厚さ、接合深さを位置的に変えることも範囲内に含む。但し実際には諸種の事情のために、シリコンコストが半減できる訳ではない。これらの諸種の事情とは、切断ワイヤソーの刃の厚さ、薄いシリコンウエーハのハンドリング強度、切断によってダメージを受けた結晶層をエッチングで除去するための予備的な厚さ、等々である。なおパルス磁界によってインゴットを切断する技術によればワイヤーソーは使用しないので、上記の刃の厚さの事情は無視できる。
【００２６】
波長トレードオフ＃５）、＃６）はタンデム型太陽電池に関する。先ず電流不整合に関する波長トレードオフ＃５）について図４、部分図ｄｄ２を参照して説明する。図は４層タンデム型の太陽電池１０Ｈの場合を示す。出力電流（ブロック矢印で電流と記している）は負荷及び各タンデム層（Ｌ１〜Ｌ４）を直列に流れるので各タンデム層の出力電流をｉ１，ｉ２，ｉ３，ｉ４とすると、束縛条件、ｉ１＝ｉ２＝ｉ３＝ｉ４を満たさなければならない。各タンデム層の波長特性は全く別特性なのでこの束縛条件を満たすのは困難である。通常は、多少の損失は許容した上で、各層の厚さを変える、或いは直並列にするなど、無理やり束縛条件に近づけるが、３層タンデムでさえこの束縛条件を守るのは厳しい（例えば、文献：ＴＯＹＯＴＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．５２ Ｎｏ．１ Ｊｕｎ．２００２ ｐｐ８８〜９１参照）ことは明らかである。より広い波長範囲の太陽光を利用しようとすれば、タンデム層数を増やさざるを得ないが、ますます束縛条件が厳しくなる。即ち波長トレードオフである。
【００２７】
次に反射損失に関する波長トレードオフ＃６）、を図４、部分図ｄｄ３を参照して説明する。図は太陽電池１０Ｈの各層Ｌ１〜Ｌ４の境界での反射を示す。層数が多くなるにつれ反射損も増える。各タンデム層相互の関係はヘテロなので屈折率は異なり、異なる屈折率間では反射が存在する。反射損は両層の屈折率で一義的に定まるので自由度も少ない。取り扱う波長範囲を拡げて太陽電池の発電効率を向上させるべく層数の多いタンデムとすると反射損が増える。即ち波長トレードオフである。
【００２８】
手段３）〜５）と手段７）〜１１）の作用・効果の説明は後段の、実施の形態の段落、で説明する。次に図１１を参照して、手段６）高電気抵抗のバリヤ関係の作用・効果を説明する。部分図ｎｎ１は２種類の異なるタイプの薄膜太陽電池を領域▲１▼、▲２▼に並列配置させた、太陽電池１０の平面図である。部分図ｎｎ２は部分図ｎｎ１に対応した電極配置を示す図（部分図ｎｎ１には、図の見易さのため電極は図示省略されている）である。電極部分は部分拡大図（破線の円）に示されている。個々の電極１７は、充分に高い電気抵抗を有するバリヤ１１によって発電単位である各セクタ１２に電気分離されている。部分図ｎｎ３は部分図ｎｎ１，ｎｎ２の断面であり、基板１８上に薄膜層１９を形成して太陽電池としている。基板１８と薄膜層１９の間には透明電極（図示省略）が形成されている。部分図ｎｎ２の電極は、部分図ｎｎ３の薄膜層１９の上に形成（部分図ｎｎ３では図示省略）されている。なおｎｎ２部分図の電極１７は図の見易さのために、金属製のフィンガー電極のように細線状に図示されているが、金属製電極、幅を持った透明電極、等々様々な形状をしている。図１１は原理説明のための概念図であるので寸法、形状、セクタ数、等は実際を反映していない。
【００２９】
部分図ｎｎ４はバンドギャップＥｇと波長・位置（太陽光線が波長分光されて太陽電池に導かれた、太陽電池上の場所〜既述の説明のように特定の波長は特定の位置に対応している）λ・Ｐとの関係（λは波長、Ｐは位置ｐｏｓｉｔｉｏｎのＰの意味）を示す。なおＥｇは光子エネルギーＥｐとほぼ同じになるよう（Ｅｇ≒Ｅｐ）に設計・配置されるので波長との関係は、図１の部分図ａａ１と同じく曲線になるが図１１では図の見易さのため直線で図示した。部分図ｎｎ５、ｎｎ６は、部分図ｎｎ２の電極部分の拡大図に関する説明図である。部分図ｎｎ５は高電気抵抗（抵抗は電子回路の慣用標準表記であるオームΩとそのシンボルで図示）Ω１のバリヤでセクタに区切られた本発明の場合を示す。本発明ではない、部分図ｎｎ６はバリヤ無し（電極間抵抗＝Ω２）の場合を参考に示し、従来技術の部分図ｎｎ７は単結晶シリコン太陽電池の場合のバス型フィンガー電極の場合を参考に示す。Ω１はΩ２より充分大（Ω１＞＞Ω２）にするので各セクタは電気絶縁され、各セクタの出力は隣接セクタ部分図ｎｎ８になる。部分図ｎｎ６の場合は各セクタは電気絶縁されないので、その出力は隣接セクタの影響を受け部分図ｎｎ９のように出力は低下する。従来技術であるバス接続の場合は並列接続であり出力は部分図ｎｎ１０になる。セクタ間を充分高い電気抵抗を持つバリヤで区切れば、各セクタは相互に電気絶縁されているとして良いから、各セクタを直列接続できる。一方バリヤなしの場合は隣接セクタの影響を受けて直列出力電圧は低下する。バリヤは、レーザースクライバー式、機械式、フォトエッチング式、等のグルービング技術によって成形、または真性ｉ層を形成、イオン打ち込みで高抵抗バリヤを形成、等々の各種手法で成形・形成できる。
【００３０】
図１１、部分図ｎｎ２、ｎｎ５のバリヤ１１の幅は充分細くできる。なぜなら隣接するセクタ間の電位差はほとんどゼロなので、バリヤ絶縁電圧もほとんどゼロで良いからである。絶縁電圧は所要最細バリヤ幅に比例する、即ちバリヤの幅は充分狭く（細く）できる。従ってセクタ間隔（＝バリヤ間隔＝バリヤピッチ）を密にしてもバリヤ幅（バリヤ面積）による光量損失は少ない。例えばバリヤ幅＝１μｍ、バリヤピッチ＝１００μｍ、太陽電池の受光幅＝５ｍｍとすれば、有効セクタ幅＝１００−１＝９９μｍ、光量損失＝１／１００＝１％である。また総セクタ数＝５ｍｍ／１００μｍ＝５０＝５０ステップとなって巨視的には連続的（ステップと言うよりはむしろ直線的、部分図ｎｎ８参照）にバンドギャップが変化する。以上で手段７の作用・効果の説明を終る。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態第二例を説明する。最初に、本発明の実施の第二形態例を説明する理由は、▲１▼筐体内部に受光ユニットが収納されている、▲２▼筐体自体は屋上で静止、の二点で筺体設置の観点では従来技術との類似点が多少あり馴染み易いからである。無論、太陽電池素子自体の内容は大いに異なる。なお第二例に続いて、実施の形態第一例、第三例〜第七例の説明をする前に、各実施の形態例に共通の事項、即ち、＃１）〜＃５）、項目＃１）太陽追尾関連。項目＃２）窓関連、項目＃３）セクタ出力の電気接続、項目＃４）筺体密閉・エアパージ関連、項目＃５）回折格子のブレーズ角とプレス量産性、の５項目について説明する。その後順次、実施の形態第一例、第三例、第四例、第五例、・・と説明する。
【００３２】
本発明の実施の形態第二例を図１２、図１３を参照して説明する。図１２、部分図ｐｐ１は家屋の屋上に受光装置２０を設置の場合を示す。なお本発明の技術は建築物の屋上設置の太陽光発電に限定されず、例えば宇宙用の太陽光発電（発明の実施の形態第三例を参照）に、また地上（地面の上）でも当然ながら適用可能である。太陽光線は受光装置２０で光電変換され、直流電気に変換された太陽エネルギーはパワーコンディショナ５６によって交流電力に変換され商用電力と系統連繋される。受光装置の詳細の一例は部分図ｐｐ２以降に示される。
【００３３】
図１２の部分図ｐｐ２は、部分図ｐｐ１の受光装置の拡大斜視である。点ａ，ｂ，ｃ，ｄ、が両部分図の位置関係を示す。通常ＹＹ方向が南北方向、ＸＸ方向が東西方向である。部分図ｐｐ３は部分図ｐｐ２のＨＨ・ＫＫ断面（ＸＸ・ＺＺ面の断面）図である。受光装置の筺体を構成するフレーム２７と前面窓３０で囲まれた内部空間の詳細を部分図ｐｐ４以降に示す。部分ｐｐ４に於いて、前面窓３０を透過した太陽光は多数並置の受光ユニット４０で光電変換される。受光ユニットの一構成例は、部分図ｐｐ５のように、集光レンズ４４、太陽電池１０Ｃ、赤外受光器１６、反射型の回折格子４１Ｅ、でその主要部が構成される。
【００３４】
受光ユニットは部分図ｐｐ４に図示のように等間隔に多数並んでいる。受光ユニットの光線追跡例は部分図ｐｐ６に図示されている。太陽光線は集光レンズで集光され焦点に向かう。途中で反射型の回折格子４１Ｅで反射回折され一次受光器上に結像する。反射型回折格子にはローパス透過膜（図１３の部分図ｑｑ８に分光特性を図示）が施されていて赤外光は反射型回折格子を透過して赤外受光器１６に入射する。即ち、回折格子４１Ｅは半透過型である。図１３、部分図ｑｑ１〜ｑｑ７に、図１２の部分図ｐｐ６の光線追跡（代表波長λ１〜λ５）の詳細を図示する。部分図ｑｑ７は部分図ｑｑ１〜５の合成図であるが、図の見易さのために、λ２、４は図示省略している。受光ユニットは、部分図ｑｑ９に矢印で図示したように、光軸を中心として移動し太陽追尾する。追尾の固定点の一例は図示のように前面窓３０と光軸の交点である。従って、太陽追尾に於いては受光装置は静止して筺体内部の受光ユニットのみ動く。なお部分図ｑｑ６の点線円内に示すように零事項抑制が充分でない場合は零次光用受光器を追加しても良い。
【００３５】
以上に説明の、実施の形態２及び以降に説明する実施の形態１、３、４，５、６のうち複数の実施の形態に共通する項目、項目＃１）太陽追尾関連。項目＃２）窓関連、項目＃３）セクタ出力の電気接続、項目＃４）筺体密閉・エアパージ関連、項目＃５）回折格子のブレーズ角とプレス量産性、について説明する。
【００３６】
先ず、項目＃１）太陽追尾関連の説明をする。本発明は集光度の高い集光型を基本とするから、太陽追尾が必要である。但し宇宙用途ではもともと太陽電池用に常に姿勢制御（太陽捕捉）がなされ、新たな太陽追尾機構の追加は不要（但し静止衛星の場合は秋分、春分以外は必要）である。地球用（建造物の屋上、地面上など）では、図１４に示すように、太陽追尾は太陽高度追尾（角度ａＹ）と太陽経度追尾（角度ａＸ）の合成で行われる。なお、太陽高度追尾はＹＹ方向（南北方向）、太陽経度追尾はＸＸ方向（東西方向）である。なお、集光度の低い場合に適用される静止型の太陽追尾集光鏡（いわゆるＣＰＣ：複合パラボラ）は本発明を比較的低集光度に限定する場合に限って、部分的に使用可能である。
【００３７】
太陽追尾のタイプは図１４に示すように角度回転ａＹ，ａＸ，と各種光学系との組み合わせになる。組み合わせ数は多数になるので、太陽追尾の詳細を説明する前に、説明の明確化のために光学系の定義を予め説明する。図１５の部分図ｒｒ１は受光ユニット４０の概念を示す。受光ユニットは太陽光線を集光する集光レンズ４４、回折格子、太陽電池１０等で構成される。ここで回折格子などは図の見易さの都合上図示省略している。部分図ｒｒ２に示すように受光ユニットが一列に数個〜数十個並び、電線５１で電気的に接続されたものを受光ストリング４３と称する。部分図ｒｒ３に示すように受光ストリングを収納する管をストリング管２２と称する。部分図ｒｒ４に示すようにストリング管のうち、特に太陽光線入射部分をストリング窓３２と称する。部分図ｒｒ５に示すように多数の受光ストリングまたは多数の受光ユニットが集合したものを受光モジュール２９と称する。部分図ｒｒ６に示すように受光モジュールを収納する筺体をモジュール筺体２５と称する。部分図ｒｒ７に示すように、モジュール筺体のうち、特に太陽光線入射部分をモジュール窓３１と称する。なおストリング管がモジュール筺体に収納されず、ストリング管が直接外気に接するタイプもある。
【００３８】
図１８の部分図ｕｕ１、２にそれぞれ、太陽追尾タイプ＃１、＃２を図示する。太陽追尾タイプ＃１は太陽高度追尾ａＹ、太陽経度追尾ａＸの両者共に、モジュール筺体２５を回転させる。太陽追尾タイプ＃２では太陽高度追尾はモジュール筺体を回転（図の角度ａＹ回転）させ、太陽経度追尾は南北方向に軸を持つストリング管（モジュール筺体内では点線で図示）を回転（図の角度ａＸ回転）させる。部分図ｕｕ３に太陽追尾タイプ＃３を図示する。モジュール筺体２５は静止し、筺体内部の受光ユニット４０が太陽高度追尾回転ａＹ、太陽経度追尾回転ａＸをする。部分図ｕｕ４に太陽追尾タイプ＃４を図示する。モジュール筺体は静止していて、筺体内部の多数のストリング管２２が個々にａＸ回転し太陽経度追尾する。ストリング管内の受光ユニットがａＹ回転し太陽高度追尾する。
【００３９】
なお、太陽追尾タイプ＃２の場合は図１６のように受光装置の移動空間を有効利用し、屋上採光機能、および屋上換気機能を兼用させて、太陽光発電装置のコストパフォーマンスを向上させることができる。図１６の部分図ｓｓ１は換気・採光の概念図である。受光装置２０の下部空間に、部分図ｓｓ２に拡大図示したように、採光用の＃１カーブ硝子７７と＃２カーブ硝子７８と換気用の換気孔（部分図ｓｓ３）を配置している。＃１カーブ硝子７７は雨仕舞をして屋根に固定され、＃２カーブ硝子７８は受光装置２０に固定され受光装置とともに回転移動する。２枚のカーブ硝子は曲率半径が概略等しく、必要があれば、受光装置の太陽追尾移動があっても気密が保てる。完全に気密を保つ必要（冬期の厳寒季）がある場合は適宜、ゴムシールを２枚の硝子間に設けるなどの方策を講じれば良い。部分図ｓｓ１に、従来家屋に於いて熱気が天井付近に滞留する様子を、二点鎖線で示す。本発明の技術を利用して、天井と屋根部分とに設けた換気孔（図示省略）と換気孔（部分図ｓｓ３参照）を通じて天井付近と屋根裏の熱気が屋外に放出される様子を点線にて示す。空気は高温になるほど上方に移動し、自然換気され、換気扇を使用しなくても良いので更に省エネルギーになる。
【００４０】
夏季に、締め切った家屋に帰宅の際に、二階の熱気（ムッとする不快な雰囲気）が嫌われ、冷房を外出中も運転するなど省エネルギー上の問題点があった。これを解消するために、各種冷熱の利用（床下の冷気の利用、あるいは積極的に地下に水槽を設けてその冷熱を利用、井戸水の冷熱を利用等々）が特許考案され、特許出願数も非常に多く多岐多端にわたっている。建築業者は、この２階の熱気（ムッとする不快な雰囲気）問題の低ランニングコスト的な解決が無く苦慮していた。冷房コストさえ問題にしなければ、外出中も冷房するのが良いのは当然であるが、無駄な冷房費負担が大きいのが問題であった。本発明の適用によって、等価的には、冷房コストの省エネルギー分だけ太陽発電装置のコストが削減される効果がある。更にまた、最近流行の屋上採光窓のコストも不要になり、等価的には、太陽発電装置のコスト削減と同じである。なお、屋上の採光窓はさわやかな北空光を採り入れるべく屋根の北面に設けられているのが普通である。本発明の場合の採光窓も北空光を採光できる北を向いていて尚更好都合である。
【００４１】
次に、複数の実施の形態に共通する項目＃２）窓関連、について説明する。ここで窓とは、モジュール筺体のモジュール窓、ストリング管のストリング窓、などを意味する。本発明では、窓は▲１▼窓機能（密閉空間形成機能と光線透過機能）、以外に、▲２▼集光レンズ機能、▲３▼透過型回折格子機能、の▲２▼▲３▼機能のいずれか１機能以上を果たす。窓が、３機能を同時に果たす場合（例えば、前述の太陽追尾タイプ＃１の場合で回折格子が透過型の場合）の説明をすれば、全機能の説明をしたことになるのでモジュール筺体の窓について説明する。図１７の部分図ｔｔ１に於いて、モジュール窓３１の太陽光線入射側を上面、反対側を下面とする。矢視ＳＫ、矢視ＳＮを部分図ｔｔ２、ｔｔ３に図示する。この場合、前面窓の上面が集光レンズ機能（部分図ｔｔ２）、下面が透過型回折格子機能（部分図ｔｔ３、図は回折格子の格子刻線を模式的に示す）を有する。集光レンズ部分は前面窓厚さを減らすために、既述のようにフレネル形式とする。前面窓は多数の単位窓３３の模様の集合である。部分図ｔｔ４に多数のフレネルレンズの１個を拡大図示した。部分図ｔｔ１に於いて、ＸＸ方向の集光度とＹＹ方向の集光度を変えたい場合には、個々のフレネルレンズを部分図ｔｔ５のように、同心円形式から同心楕円状等にしてＸＸ方向とＹＹ方向の焦点距離を異なるようにすれば良い。なお、既述のように、上面を透過型回折格子、下面を集光レンズとしても良い。また、回折格子機能またはレンズ機能が不要な場合は平面のままとすれば良い。
【００４２】
窓の材質及び製造法について説明する。本発明に於いては、窓材は光学用透明樹脂（光学用透明プラスチック）または硝子とする。プラスチック製のフレネルレンズは一般的に大量に流通しているので説明は省略する。硝子面にフレネルレンズと回折格子の一方または双方を形成する方法には、代表的には次の▲１▼▲２▼がある。▲１▼ロールアウト製板法：２本の水冷ロールの間に溶融状態の硝子を通過させ、ロールに彫刻された型模様を硝子に転写する製板法。この製法は型板硝子の製造法として一般的である。水冷ロールにフレネル形状、回折格子形状を形成すれば良い。例えば次のＡ）Ｂ）などを適用する。Ａ）当該ロールに対してセラミック溶射・研磨を適用する。当該セラミックをダイヤモンドバイト等で研削加工し硝子に付与すべき形状を形成する。Ｂ）前記Ａ）でロールにセラミック面を形成する代わりに、タングステン合金、微粒子超硬合金を形成する。なお、タングステン合金、微粒子超硬合金を硝子製フレネルレンズのプレス成形金型に適用した例は金型関係の各種文献類（例えば文献：精密工学会誌、Ｖｏｌ．６７．Ｎｏ３．２００１，ｐｐ４３８〜、鈴木浩文、他著、マイクロフレネルレンズの精密ガラス成形）を参照。▲２▼プレス成形法：高温軟化状態の硝子に型を押し付け型の形状を転写する。当該型にはフレネル形状あるいは回折格子形状が予め形成されている。またこれらの硝子に風冷熱強化硝子技術を適用しても良いのは当然である。
【００４３】
なお、前面窓の材質が透明樹脂の場合に、▲１▼に相当するものは：押し出し成形の過程で形状転写する方法である。図３６にストリング管のストリング窓部分に集光レンズと回折格子を形状転写して成形する概念を示す。プラスチック成形の分野では通常、異型押し出しと呼ばれている成形加工法に転写技術を追加する。溶融樹脂は異型ダイスによって所定の形状を付与される。ストリング窓部に於けるフレネル集光レンズのパターン付与はストリング管２２の外面側に回転する転写ロールにフレネルパターンを彫刻しておき、付与する。ストリング窓部に於ける回折格子のパターンは管内面側にダイスで付与される。格子方向は、ブロック矢印で図示の方向、を押し出し方向とすれば良い。▲２▼に相当するものは：同じくプレス成形（型押し）法であり、高温軟化状態のプラスチックに型を押し付けて当該型の形状を精密転写する。プラスチック成形の場合、光ディスク（コンパクトディスク；音楽用ＣＤ）で確立されている低コスト量産技術が本発明に利用できるのは明白である。光ディスク量産用成形型であるニッケル電鋳スタンパーはトラックピッチ１．６μｍ（６２５本／ｍｍ）であり本発明に使用する格子ピッチより微細である。またピット幅０．５〜０．８μｍ、ピット深さ０．１１〜０．１３μｍの微細形状（図３６の部分図Ｊ２参照、トラックピッチはＴ、ピット幅はＷ、ピット深さはＤとそれぞれ表記）が低コスト（ディスク１枚は数円〜程度の転写コスト）で精密転写され大量生産されている。受光ユニットを収納するプラスチック管をストリングトラフとストリング窓で構成する場合に、ストリング窓にこのプレス法を適用して、窓機能、集光レンズ機能、回折機能を成形できる。なお窓の成形方法は以上に限定しないのは当然である。
【００４４】
光学用透明プラスチック材料について説明する。ＰＭＭＡは吸水性、ＰＣは耐候性（紫外線劣化のこと）に問題があったが、例えば低吸水グレード、ハードコート技術、耐候性グレードＰＣなどによってこれらの問題はほぼ解消されている。１９９０年頃以前では光学用透明プラスチックは概ねＰＭＭＡとＰＣのみが利用可能であったが，最近の光学用透明プラスチック材は技術の進展によって、ＰＭＭＡ，ＰＣ以外にも多種多様な品種（例えば、ＰＳ、ＭＳ樹脂、ＳＡＮ等、更には脂環式アクリル樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂＜例えば、三井化学（株）の商品名＜ＡＰＯ＞，日本合成ゴム（株）の商品名ＡＲＴＯＮ＞、日立化成（株）の商品名＜ＯＺ＞等々）が利用できるようになってきた。特に最高透明度、低複屈折率、耐候性を誇るＰＭＭＡの弱点である吸水性（約２％）は上記脂環式ポリオレフィン樹脂では０．０１％と大幅に改善されていて、吸水性は全く問題にならなくなっている。しかも透明性、複屈折率はＰＭＭＡ並であり、耐熱性は大幅に上回る。本発明に適用する光学用プラスチック材はこれらの材料から耐候性、透明性、耐熱性、複屈折率、吸水性などの諸性能の良いものを選択すれば良い。
【００４５】
次に、複数の実施の形態に共通する項目＃３）セクタ出力の電気接続、について説明する。図１９、部分図ｖｖ１に本発明に於ける、太陽電池の出力接続の概念を示す。複数の太陽電池１０の出力は逆流阻止用の阻止ダイオード５７を介してＤＡインバータ５９の入力部に接続される。なお一旦ＤＤコンバータに接続し、ＤＡインバータが以降を引き継ぐ方式もある。ＤＡインバータのＡＣ出力（ブロック矢印で図示）は商用電力網（図示省略）と接続（系統連繋）する。本発明の太陽電池は部分図ｖｖ２に示すように、波長に対応して位置的（各セクタ毎）に出力電圧が異なる。このため図２０に示す工夫をする。図２０は図１９、部分図ｖｖ１の点線で囲まれた部分を取り出したもの及び部分図ｖｖ２に相当する。部分図ｗｗ１にはセクタが点線で図示されていて、セクタと位置・波長（横軸）と縦軸（セクタ出力電圧）との関係を概念的に図示した。部分図ｗｗ２は太陽電池１０が複数の群セクタ１３に分割される様子を示す。群セクタは部分図ｗｗ３のように複数のセクタ１２で構成される。部分図ｗｗ４は群セクタ３を構成する各セクタ２を直列配線５３で直列に接続して電圧を高めて、ＤＡインバータやＤＤコンバータが扱いやすい電圧にする。配線済みの群セクタをセクタアセンブリ１５と称し＋端子５４と−端子５５間の電圧を出力電圧Ｖａｓとする。
【００４６】
群セクタは隣接したセクタの集合であるから、直列接続してもセクタ間の電流不整合は殆ど無い。仮に電流不整合があれば、セクタ幅を設計時点で調整して電流不整合が生じないようにできる。この場合タンデム型の場合に存在したような束縛条件は単層なので無く、自由にセクタ幅を調整できる。なお前述の電気配線・電気接続は太陽電池製作時点で一括成形できる或いはしても良いのは当然である。無論、必要に応じて阻止ダイオード５７、ＤＡインバータやＤＤコンバータの部分回路、或いはトランジスタ、ＭＯＳ素子、抵抗、コンデンサ、太陽電池の出力電圧・電流モニタ回路、自己診断回路などの各種ＩＣ素子・ＩＣ機能を太陽電池と共に集積化しても良い。即ち、太陽電池は接続配線も含めてＩＣ化できる或いはＩＣ化しても良い。更には、各種チップ部品と太陽電池を回路基板上で集積化してハイブリッド回路又はハイブリッドＩＣとするのも、電子回路生産業者の常套手段（常套のコスト低減手段）である。
【００４７】
前述の出力電圧Ｖａｓは、セクタ電圧Ｖｓｃの加算である。セクタ電圧は近接するセクタ相互間ではほぼ等しい（部分図ｗｗ１参照）から、Ｖａｓは群セクタの中央付近の代表的なセクタ電圧Ｖｓｃとセクタ数の積にほぼ等しい。即ち、（Ｖａｓ）≒（Ｖｓｃ）＊Ｎである。ここでＮは群セクタに含まれるセクタの数である。セクタ電圧は位置とともに緩やかに変動するから、セクタ個数Ｎを緩やかに変動させれば、各群セクタの出力電圧Ｖａｓをほぼ等しできる。部分図ｗｗ５にその概念を示す。例えばセクタ数Ｎを５０前後にすれば、個々の群セクタの電圧ばらつきは、１／５０＝２％前後になる。部分図ｗｗ６はセクタ即ち太陽電池のＩＶ特性（破線でＩＶ特性、一点鎖線でＰｍａｘ点、実線で出力電圧特性）を示す図である。Ｐｍａｘ点付近の拡大を部分図ｗｗ７に示す。前述の群セクタのばらつき２％を部分図ｗｗ７に適用して効率低下ｄＰの概算はＰｍａｘに対して，シリコン単結晶型太陽電池、ＧａＡｓ太陽電池等のＩＶ曲線では０．２％程度と充分に小さい。従って電圧ばらつきによる効率低下は充分小さい。図１９の部分図ｖｖ１に於いて各太陽電池１０の出力（この場合では各セクタ群出力が相当）は阻止ダイオードを介して強制的に同一電圧に規制されるが、ｄＰはその場合の効率低下分である。
【００４８】
次に、複数の実施の形態に共通する項目、＃４）筺体密閉・エアパージ関連について説明する。本発明に於いては、光路空間が必要であるから、従来型の太陽光発電装置のようにＥＶＡ等でモールドはできない。太陽電池と光学系を収納する空間へは、湿気、有害ガス、微粒子などの侵入が無いようにする必要がある。このために筺体気密封じ、筺体密閉、エアパージなどの本発明特有の手段が採られる。図２１に本発明に関する各手段を図示する。気密タイプ＃１）：ストリング管２２を透明プラスチックの押し出しで製造し、プラスチック製の側版２３を溶接する。（部分図ｘｘ１参照）。これで完全気密空間が得られる。なお、気密封じの際に乾燥窒素を封入すればさらに好適である。電気接続コネクタ等はハーメチックシール型等を溶接取り付けすれば良い。気密タイプ＃２）：ストリングトラフ２４をプラスチックの押し出しで製造する。ストリング窓３２は透明プラスチックで製造する。部分図ｘｘ２に示すように、ストリングトラフにストリング窓とプラスチック製の側版を溶接して密閉・気密空間を形成する。気密タイプ＃３）：硝子窓式の受光筺体２１にポンプ７５とエアドライヤー７４をエア配管７６を介して接続し低露点温度の乾燥空気で常時エアパージ（部分図ｘｘ３参照）する。最近は中空糸膜フィルター式ドライヤーが低コストで流通・入手できる。露点温度を零下２０度Ｃ程度にするのは容易である。中空糸膜フィルターは水蒸気Ｈ２Ｏと空気主成分である、Ｎ２、Ｏ２、との分子サイズの違いを糸膜のガス透過率差異としたものである。なおパージエアは受光筺体内部を外気より僅かに高圧（例えば１ｍｍａｑ〜数ｍｍａｑ）にすれば良いから、微差圧計との併用によってパージエアは極微少量で済み（もともと筺体は密閉構造を指向しているから殆ど漏れない）、ポンプは極小型ポンプで良く、消費電力は極少量で済む。
【００４９】
従来の太陽光発電装置の受光筺体は、典型的には前面窓は強化硝子、側面はアルミフレーム、背面は硝子或いはプラスチックで囲まれている。筺体内部にはＥＶＡ樹脂等が充填され、更に防湿用のラミネートフィルムの適用で湿気と有害ガスの侵入はかなり抑制されている。一般的に、硝子を筺体の一部に使用すると、気密・密閉に関して、極めて厄介な問題（コストと封着温度と熱膨張率差）を背負い込むことになる。硝子、金属、プラスチックは熱膨張率が大きく異なる。硝子とアルミの熱膨張率の差のために受光筺体は完全気密できない。周知のようにたとえ仮に硝子と熱膨張率の合致した金属を用いて前面窓硝子と封着するにしても封着硝子（通称フリットと呼ばれる粉末硝子）の溶融温度が約３００度Ｃ以上必要なので高温度すぎて実質的には太陽電池、その配線、ＥＶＡ樹脂等々の気密封じには使用できない。即ち、従来の太陽光発電装置の寿命の要因として耐候性特に防湿性が重要であったが気密封じは実質的には不可能であった。しかしながら雹害、耐擦傷性、紫外線劣化を考慮すると透明プラスチック製の前面窓は使用できず硝子窓に頼らざるを得なかった。硝子は破損して屋根から落下すると人命にかかわるので高価な強化硝子（破損片が細片化しかつ鋭角なエッジが発生しないので安全）とせざるを得なかった。また硝子、アルミはプラスチックに比べると２．５倍程度の重量があり、軽量化が困難であった。更には硝子は、０．３６μｍ以下の紫外線の透過率が低いので紫外線の有効利用ができなかった。
【００５０】
前述の気密タイプ＃１と気密タイプ＃２は一挙にこれらの諸問題を解消する。部分図ｘｘ１、ｘｘ２に於いて、ストリング管、ストリング窓、側板、ストリングトラフはすべてプラスチックなのでお互いに低温で溶接できる、或いは気密接着も可能である。従って、受光ユニットを組み込んだ後に溶接が任意に可能である。即ち、完全気密空間が低コストで得られる。また、プラスチック押し出し製造は硝子製造より低温（硝子製造は７００度Ｃ程度、プラスチックは１５０度Ｃ程度）なので低コストである。また、押し出し製造は大量量産性・連続生産性に特に好適で低コストである。従って湿気、有害ガス、微粒子の侵入の問題は従来より低コストにて完全に解消される。部分図ｘｘ４は発電時の太陽経度追尾状態を示し、部分図ｘｘ５は降雹時或いは台風時の状態を示す。透明窓側は完全に降雹或いは飛来物からは保護され、プラスチック特有の擦傷は無くて光学的透明性は維持される。鉛直上方はブロック矢印で方向図示した。前面窓に関するプラスチック特有の擦傷性（降雹或いは台風による飛来物）の問題は太陽追尾機構が反転機構を兼ねることで回避される。無論、夜間或いは雨天時に部分図ｘｘ５の配置にしても良いのは当然である。部分図ｘｘ５の配置は長年にわたる塵埃の堆積と擦傷による透明度の低下を防止する。特に塵埃等は、従来技術の筺体とは異なり、振り落とされる可能性が高いのは明白である。更には窓部分が上方を向いている時間を昼間発電時に限定できるので鳥の糞、昆虫の死骸、植物の葉などの堆積も従来技術の前面窓に比べると著しく少なくメンテナンス上有利である。
【００５１】
また部分図ｘｘ２に於いてストリングトラフ２４をＰＣ（ポリカーボネート、この材料は自己消火性である）、ストリング窓３２を既述の脂環式ポリオレフィン樹脂とすれば、硝子以上の強靭性（ＰＣは硝子の約１００倍の強靭性）と板硝子以上の透明性（脂環式ポリオレフィン樹脂は特に紫外線領域で板硝子より透明）が同時に得られる。降雹時の強度は背面のＰＣが受け持つ。また紫外線に透明ということは高耐候性を意味する。以上の説明のように、気密タイプ＃１と気密タイプ＃２は、１）完全気密＝寿命、２）耐候性＝寿命、３）低コスト＝量産性と低温性、４）耐擦傷性＝降雹・台風、５）軽量、６）紫外線エネルギーの利用、７）メンテナンス性、８）リサイクル性、の諸問題を一挙にかつ同時に解消した。メンテナンス性・リサイクル性について追加説明をする。従来の筺体は１ｍ四方程度の強化硝子を使用し分割不可で、かつ劣化太陽電池部分は接着モールドの都合で部分交換・メンテナンス・リサイクルが困難あった。一方本ストリング方式はストリング単位でのリサイクル・メンテナンスが自由である。またストリング管と内蔵光学系・内蔵太陽電池との別個のリサイクルも自由である。
【００５２】
次に、複数の実施の形態に共通する項目、＃５）回折格子のブレーズ角とプレス量産性について図２４を参照して説明する。精密分析機器である分光器に使用される回折格子、特に反射型回折格子は部分図Ａ１に示すようにリトローマウント形式で使用されることが多い。従って回折エネルギーを特定の次数に集中させるためのブレーズ角（部分図Ａ２にａＢと記している）は大（例えば３０度等々）なものが多い。従って格子部分の凹凸量が大で格子定数が１μｍ程度と細かいのでプレス量産できず、硝子原型にＵＶ硬化樹脂を適用しレプリカ取りする量産性の低いものである。一方本発明に適用する反射型回折格子は部分図Ａ３のように略正反射方向の配置で使用する。従ってブレーズ角はゼロ（即ち、ブレーズ不要）か微小（例えば数度以下）で良い。従って格子部分の凹凸量はほぼゼロで良く、プラスチックのプレス大量生産が可能で低コストである。ちなみにプレス大量生産されている、既述の音楽ＣＤではトラックピッチ１．６μｍ、ピット深さ０．１１〜０．１３μｍ程度であるから、回折格子換算では、６２５本／ｍｍ，単純類似概算でブレーズ角＝約５度＝ＡＴＡＮ（０．１３／１．６）相当である。
【００５３】
なお、本発明に適用する透過型回折格子もほぼ垂直透過方向の使用なのでブレーズ角不要或いはブレーズ角微小で良く、反射回折格子同様にプレスによる低コスト量産が可能である。なお公知技術であるバイナリ光学でもブレーズ角５度程度の回折格子が実用になっている。更に、本発明に適用する回折格子は太陽光の波長範囲が広い（０．３６μｍ〜２．４μｍ程度）ので格子定数を数μｍ前後（例えば３〜１５μｍ）、と太陽光の波長より大にする。従って回折効率はスカラ計算できる領域で大であり、敢えてブレーズする必要性は小さい。更に、後述の実施の形態第一例の如く多数の次数（例えば、＋２次、＋１次、−２次、−１次、零次再回折）を利用する方式ではブレーズする必要性は低い。以上で各実施の形態例に共通の項目＃１）〜＃５）の説明を終わり、実施の形態例の説明に戻る。
【００５４】
図１０、２２、２３、２５、２６を参照して実施の形態第一例を説明する。図１０の部分図ｍｍ５は受光単位となる受光ユニット４０Ａをストリング管２２の内部に複数ユニット並置した様子を示す。部分図ｍｍ１は屋上に多数のストリング管が並置した様子を示す。部分図ｍｍ２はその拡大図である。部分図ｍｍ５、ｍｍ６は太陽高度追尾が受光ユニットの回転でなされる様子を示す。部分図ｍｍ４は部分図ｍｍ１のＳＡ−ＳＢ矢視図、部分図ｍｍ７は部分図ｍｍ６のＳＣ−ＳＤ矢視の光学系図である。部分図ｍｍ８は部分図ｍｍ７の側面図である。部分図ｍｍ７、ｍｍ８に示されるように、受光ユニットの光学系は集光レンズ４４、回折格子４１Ａ，太陽電池１０Ａ，回折格子４１Ｂで構成される。なお、部分図１，２では故意にストリング管群を屋根の片隅に寄せる例を図示したが、従来技術に対する優位性を示すためである。通常は部分図ｍｍ３のようにストリング管群を屋根中央部に設置すれば良い。従来技術では屋根の片隅に太陽電池パネルを無理やり配置させようとすると三角形形状の太陽電池パネルが必要になり製造品種が増え、諸工程が複雑化するなど、結果的に高コストであった。一方本発明では単にストリング管長さを変えれば良いのでコスト増の要因にはなりにくい。
【００５５】
部分図ｍｍ７の光線追跡の詳細を図２２に示す。部分図ｙｙ１は光学系が左右対称であることを示す。光学系が左右対称なので光線追跡は図の見易さのため片側のみ図示する。部分図ｙｙ２は零次光（反射型回折格子の法線に対して入射角と回折角が等角）の光線追跡である。部分図ｙｙ３は１次回折光の光線追跡（図の見易さのため１波長についてのみ図示）である。なお、本明細書に於いては回折次数の正負は図２３に示すように、零次光に関してＣＣＷ（半時計方向）を＋（プラス）次数、ＣＷ（時計方向）を−（マイナス）次数とする。部分図ｚｚ１は透過型回折格子の場合を示し、次数は２次まで図示してある。ブロック矢印は使用波長範囲とその位置を模式的に示す。更に、必要に応じて部分図ｚｚ３に図示のように、点線或いはλＬで、その位置と長波長側であることを示す。中間波長はλＭ或いは一点鎖線で、短波長側はλＳ或いは太い実線でそれぞれ示す。部分図ｚｚ２は反射型回折格子の場合である。２次以上の高次光、波長範囲を示すブロック矢印等は透過型と同様なので図示省略した。図２２の部分図ｙｙ３は回折格子４１Ａの零次光が回折格子４１Ｂで有効利用（再回折）されることも示している。部分図ｙｙ４は、部分図ｙｙ３の太陽電池１０付近の拡大図である。但し２次回折光も点線で追記した。部分図ｙｙ５は部分図ｙｙ４の更なる拡大図である。回折光の図示方法は図２３の図示方法に従っている。なお１次回折光と２次回折光の区別は白抜きブロック矢印（１次）と黒塗りつぶしブロック矢印（２次）との違いにて区別できるように図示した。
【００５６】
部分図ｙｙ５に於いて、太陽電池の中心付近は透明（或いは開孔）になっていて（図中に透明と記してある）零次光が透過できるようになっている。部分図ｙｙ１〜ｙｙ５に示すように発明の実施の形態第一例では太陽電池は両面入射型である。部分図ｙｙ４では太陽電池のおもて側（回折格子４１Ａ側）と裏側（回折格子４１Ｂ側）では一次回折光の位置は同じ、二次回折光の位置は異なった位置である。部分図ｙｙ５では太陽電池のおもて側と裏側では一次回折光、二次回折光の位置は異なった位置である。回折格子の格子定数、焦点距離、入射角、集光レンズの焦点距離などの選定によって太陽電池上での一次、二次回折光の位置を同等位置にできる。その説明は通常的（回折格子の一般的分散計算）であるので説明は省略する。両面入射型太陽電池の形成方法は公知の手法、即ち、不透明基板の両面に太陽電池を形成、或いは透明基盤の片面に両面入射型太陽電池を形成するなどで良い。
【００５７】
実施の形態第一例の集光度は概算１００倍程度であることを、図２５，２６を参照して示す。図２５は図２２に対応するものである。図中の（ａ），（ｄ）は角度を示す。ＣＦを主光線として回折格子の法線ＮＦに対する回折角を（ｂ）とし、各波長の１次、２次回折光が太陽電池に入射する点の座標を求め、所要太陽電池寸法、ＪＫ（点Ｊと点Ｋ間の長さ）、ＭＬを計算する。ＺＺ方向の集光度は（ＺＺ方向集光度）≒（ＡＤ）／（８＊（（ＭＬ）＋（ＪＫ）））で与えられる。ここで係数８は、８＝２＊２＊２＝（光学系左右対称係数：２）＊（太陽電池裏表係数：２）＊（＋−次数：２）である。以下の関係が成り立つ。；（ＭＬ）＝（ＺＬ）−（ＺＭ）、；（ＺＭ）〜（ＺＪ）＝（ＦＺ）＊ＴＡＮ（（ｃ）ｍｎ）、；ここで角度（ｃ）は次式で計算される。（ｃ）ｍｎ＝（ａ）−（（ｂ）ｍｎ）、なお（ｂ）は回折角、角度（ｂ）と（ｃ）の添字ｍｎは添字ｍ＝回折次数、添字ｎ＝波長識別番号である。；（ＦＺ）＝（ＦＥ）、；（ＦＥ）＝（ＨＥ）／ＣＯＳ（ｄ）、；ＳＩＮ（ａ）−ＳＩＮ（ｂ）＝ｍ＊（λｍｎ）／Ｄ，ここでｍは回折次数、λは回折光の波長、Ｄは格子定数、λの添字ｍｎは前述の通りである。；（ｄ）＝ＡＴＡＮ（（ＢＣ）／（ＢＥ））、；２（ａ）＝（π／２）−（ｄ），；（ＢＣ）＝（ＡＱ）／４。以上の関係に、設計数値の一例（集光レンズ大きさ＝ＡＱ＝１００ミリメートル、集光レンズの焦点距離＝ＢＥ＝６５ミリメートル，ＢＨ＝４０ミリメートル，格子定数＝１０ミクロン；数値例ではｍｍ、μｍの表記は添字ｍ、ｎとの混同を避けるために、ミリメートル、ミクロンと記した）を代入して、ＺＺ方向の集光度の一例、集光度＝１．０１倍を得る。
【００５８】
図２６を参照してＹＹ方向の集光度を求める。太陽光の平行度（ｓ）は半角で約１６分であるから、主光線は光軸に対して（ｓ）＝１６分の角度を成している。集光レンズ４４による集光径Ｄ（図ではブロック矢印で図示）は、Ｄ＝２＊ＴＡＮ（ｓ）＊（ＦＬ）で与えられる。ここでＦＬは集光レンズの焦点距離である。従って、集光レンズの口径をＣとすると、（ＹＹ方向集光度）＝Ｃ／Ｄ、になる。一例として集光レンズの口径＝Ｃ＝１００ｍｍ、焦点距離＝Ｆ＝６５ｍｍ、とすれば集光度は、１６５倍を得る。集光レンズを非球面レンズとして球面収差を抑制しても色収差は残存するので実用集光度は１６５倍を下回り、例えば１００倍程度になる。実施の形態第一例での集光度の一例は、ＺＺ方向、ＹＹ方向の集光度の積であるから、（１．０１）＊（１００）＝約１００倍を得る。なお集光度は設計パラメータ次第で変動する。更には光学系の差異でも変動する。例えば図２５に於いて角度ＢＨＺは直角としたが、これは図の見易さと計算のし易さのためであり、必ずしも直角とする必要は無く、実際の設計では、光路長（ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ），光学部品寸法、電気配線などの都合が優先する。
【００５９】
主として宇宙用の太陽光発電装置への適用例である、実施の形態第三例を図２７、２８、を参照して説明する。宇宙用への適用であるので、ＥＯＬ出力／Ｗ（ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｆｅ：寿命末期時点での発電出力とＷ：重量との比率。この比率が大きいほど宇宙用に適している。）が優先された設計になっている。具体的には、本発明の実施の形態第三は、▲１▼耐宇宙線、▲２▼高い発電効率、▲３▼軽量、の三項目に特徴がある。図２７は光学系の概念図である。光学系は、光学設計の分野で、いわゆるカセグレンと称されている形式である。部分図Ｃ６は本実施例の光学系を示す。光学系の構成は、太陽光を反射・集光する集光鏡４５、その光線を回折して分光し、焦平面上に結像させる凸面の回折格子４１Ｂ、半透過・凸面・反射型の回折格子４１Ｃ、零次光を再分散（再回折）させる凹面レンズ型の回折格子４１Ｄ、焦平面上の図示省略の太陽電池、にて光軸上に同軸構成される。太陽電池と回折格子の格子以外は光軸に関して回転対称形状である。格子方向はこの紙面に垂直方向である。なお、太陽電池の過熱防止のために、集光度を故意に低下させる場合は、この紙面に垂直方向の結像幅を増加させるために、回転対称形状をやや変形させる。或いは回転対称形状のままで、やや焦点外しすれば容易である。但し、焦点外しの場合は波長純度はやや低下する。
【００６０】
部分図Ｃ１は一般的なカセグレン光学系の光線追跡である。太陽光は集光鏡４５で集光され、凸面反射鏡で反射され焦点に集光する。集光鏡は放物面、凸面反射鏡は近似双曲面である。凸面反射鏡表面に格子を刻線して回折格子４１Ｂとしたのが部分図Ｃ２の光学系である。焦平面が結像面となり、零次光、１次光、２次光、更に高次光、等が結像する。この部分に太陽電池（図示省略）を配置する。太陽電池の利用次数は＋２次＋１次、−１次、−２次とする。３次以上の高次光のエネルギー配分は微小なので無視し得る。点線で囲んだ焦平面部分の詳細（即ち、回折像の詳細）を部分図Ｃ３に拡大図示する。表示法は図２５の部分図Ｂ２と同じ表示法で図示する。部分図Ｃ５に示すように回折格子４１Ｃを追加しても良い。回折格子４１Ｃの表面には図１３の部分図ｑｑ８に示すような赤外透過膜が処理されていて、紫外光・可視光・一部分の近赤外光を反射・回折し、赤外光と一部分の近赤外光は透過する。回折格子４１Ｃは回折格子４１Ｂと同分散で、同様に焦平面上に結像する。この場合回折格子４１Ｂが分担する波長領域は赤外と一部分の近赤外領域になる。凸面回折格子を２種類とし、波長領域を分担させる理由は回折効率、反射効率である。１枚の回折格子で広範囲の波長に対して高効率・高反射率を実現することが困難な場合にはこのように２枚の回折格子に波長分担させても良い。更に部分図Ｃ５には回折格子４１Ｄが追加されている。回折格子４１Ｄは零次光を再回折する。回折格子４１Ｄは凹面型の透過型回折格子であり、他の回折格子と同一の焦平面上に零次光を回折し結像させる。結局、結像面は部分図Ｃ４に拡大図示するように、零次再回折光を含んだものになる。なお本実施の形態例のカセグレン光学系は主要部が反射光学系であり屈折率差に起因する色収差が少なくまた窓ガラスも無い。従って取り扱う波長範囲が広い宇宙用に最適の光学系である。
【００６１】
図２８の部分図Ｄ１は、図２７の部分図Ｃ５、Ｃ６の斜視相当の図である。集光鏡４５は，部分図Ｄ１のＳＥ−ＳＦ矢視を部分図Ｄ２に拡大図示するように、太陽電池１０Ｂ用に、小面積にて開孔処理（或いは透明処理）されている。従って太陽電池１０Ｂに経時的・累積的性能劣化を与える高エネルギー宇宙線は、従来技術である非集光型太陽電池パネルタイプに比べると、遮蔽される確率が高い。ここで高エネルギー宇宙線とは、例えば１０ＭｅＶ程度の陽子線、１ＭｅＶ程度の電子線などであり太陽活動（フレア等）によって増減する成分も含まれ、宇宙空間的には等方ではない。高エネルギー宇宙線はゲルマニウムに対して深さ３００μｍ程度は侵入する。従来技術である非集光型では、太陽電池は太陽に常時正対していて、高エネルギー宇宙線に暴露され続けざるを得ない。本実施例では太陽電池面積が小さいので、図示省略の、寸法の小さい遮蔽箱、スリット、光路折り曲げミラー等を追加して宇宙線遮蔽をほぼ完全にしても重量増加は少ない。また３種類の回折格子４１Ｂ、Ｃ、Ｄも遮蔽に寄与する。更には、光路折り曲げを利用して太陽に対して太陽電池が正対しないようにもできる。
【００６２】
部分図Ｄ３は回折格子４１Ｂ、Ｃの拡大図、部分図Ｄ４はＳＧ−ＳＨ拡大矢視図である。部分図Ｄ３，４に示すように格子の向きはＸＸ方向と直角方向のＹＹ方向である。なお、以上の説明では、図の見易さの便宜のために、集光鏡の形状は円形で図示されているが、部分図Ｄ５のように、パッキングファクターは、四角形が最密充填なので、実際には円形よりも四角形が面積効率は良い。
【００６３】
宇宙用の太陽電池関連構造物は、展開型とインフレータブル型が主な形式であるが、本発明技術は両型式ともに好適である。展開型では図２９に示すように集光鏡４５はハネカム板７１と一体構造にでき、互いに強度を補強しあうことが可能になって好都合（即ち、重量軽減手段＝コスト低減手段、になり得る）である。なお、回折格子４１Ｂ、４１Ｃ、或いは零次光用回折格子（図示省略）はパドル展開時に所定の位置に誘導（ブロック矢印で誘導を示している）すれば良い。図示したように、集光鏡の凹面空間が、折り畳み時には有効に利用される。また集光型なので太陽電池１０Ｂ、放熱器７９は充分小型にでき、ハネカム板への組み込みは自由度が大きい。更に、放熱器は図１に示すように、本発明では過剰光子エネルギーが太陽電池を無駄にジュール加熱することがないので放熱器は小型（放熱面積が小さい）である。またインフレータブル型では集光鏡を膜式として更に重量軽減が可能になる。シリコン型は低効率のため比較の対象外であるが、宇宙用太陽電池の従来技術である３層タンデムの典型例（ＩｎＧａＰ＝０．５５μｍ厚、ＩｎＧａＡｓ＝３．７５μｍ厚、Ｇｅ＝１５０μｍ厚）と本発明の技術（図２９の展開型）との重量を概略比較する。放熱器とハネカム板は両技術とも同重量とする。（実際には図２９の場合は、太陽電池面積は百分の一程度と小さいので放熱器も小さくできる。また集光鏡がハネカム板の補強も兼ねるのでハネカム板も軽量化可能であるが無視する。）結局、集光鏡（アルミニウム板とする）とＧｅ＝１５０μｍ厚との比較をすることになる。アルミニウム（比重＝約２．７）とゲルマニウム（比重＝約５．３２）の比重を考慮して、アルミ製集光鏡の板厚は約２９５μｍ以下であれば本技術の場合が軽量になる。なお回折格子、支持機構等は微小寸法または微小直径管であり軽量なので重量は無視する。無重力下ではアルミニウム板厚は２９５μｍ以下にできるのは明白である。即ち本発明は従来技術より軽量化可能である。
【００６４】
図３０に宇宙用の太陽電池のバンドギャップ構成を示した。本発明の一例を実線で、従来技術である３層タンデムの典型例を破線で示した。縦軸はバンドギャップエネルギー、横軸は波長（波長単位は０．１μｍ）である。本形態例の波長範囲とデバイスは、０．２〜０．３５μｍはＰＬ（フォトルミネッセンス）、０．３５〜１．８μｍは混晶またはドープ等、１．８〜２．４μｍはｎｉｐｉ超格子である。３層タンデムの典型例の波長範囲とデバイスは、トップ層がＧａＩｎＰで約０．３〜０．６６μｍ、中間層がＧａＡｓで約０．６６〜０．９μｍ、ボトム層がＧｅで約０．９〜１．８μｍである。本発明の場合は分光型なので、遠紫外線領域のＰＬ、赤外線領域の超格子は他の近紫外・可視・近赤外・赤外に一切影響しない。一方従来技術では既述のように波長トレードオフが生じるので、本発明より利用できる太陽光の波長範囲が狭い。例えばＰＬ（フォトルミネッセンス）の場合を再度説明すると、ＰＬ材塗布はＰＬ材の光散乱によってトップ層以下への光線が減少するので使い難いか、使えない。一例を挙げて説明する。蛍光灯用のＰＬ材料として広く流通している低コストの、水銀輝線ライン（２５３．７ｎｍ）付近に吸収のある蛍光材をタンデム最上層に追加する場合を考える。蛍光材は粒子状であるから短波長光のみならず、タンデム下層に透過して行くべき長波長側のフォトンも散乱してしまう。即ち、他のタンデム層への波及が束縛条件になる。一方本発明の技術では、各波長は各位置で独立なので、波長領域の追加は他の波長領域（紫外〜赤外に無関係）部分の太陽電池に影響を全く与えない。即ち、束縛条件が存在しない。
【００６５】
本発明の実施の形態第四例を図３１、１４、１７、１８を参照して説明する。本実施例は図３１の部分図Ｅ１に示すように、モジュール筺体２５Ａ全体が図１４に相当して太陽高度追尾及び太陽経度追尾する。各種太陽追尾タイプを示す図１８では部分図ｕｕ１に相当し、既述の太陽追尾タイプ＃１である。前面窓３１Ａは図１７に示すように表裏が集光レンズと透過回折格子を兼ね、窓機能を含め３機能を兼ねている。筺体全体が太陽追尾するので、筺体内部の受光ユニット群の各光軸は不動（図１８の部分図ｕｕ３の場合は可動ユニットであるが、本実施例では動かない）である。図３１の部分図Ｅ２は本実施の形態例の受光ユニットの光学系と主要光線の追跡を示す。＋−１次回折光による光線ケラレ（蹴られ）のない位置に凹面レンズを兼ねた透過型の回折格子４１Ｄが配置される。透過型の回折格子４１Ｅは、第三実施例（図図２７の部分図Ｃ４、Ｃ５参照）と同じく零次光の再回折用である。図３１、部分図Ｅ２の焦平面上の結像も図２７部分図Ｃ３と同様になる。図３１の部分図Ｅ２の焦平面に配置される図示省略の太陽電池も、第三実施例同様に＋−２次光、＋−１次光、再回折光を利用する。図３１の部分図Ｅ２の光軸は不動であるので、隣接する受光ユニットとのピッチは図２８の部分図Ｄ５の最密充填（最密パッキング）型のピッチになる。従って単位窓３３（部分図Ｅ１）の大きさ及びピッチは光軸のピッチに等しく、図１７図の部分図ＴＴ２にその繰り返しパターン例が図示されている。
【００６６】
本実施例は筺体全体が太陽追尾しなければならないが、本発明の他の実施例にくらべて以下の▲１▼▲２▼の長所・優位点がある。また従来技術に比べて▲２▼〜▲４▼の長所・優位点がある。▲１▼前面窓が、窓、集光レンズ、回折格子の３機能を兼ねるので光学系が最も単純になり、従って光学系コストは低コストである。▲２▼受光ユニットは最密充填型かつ高効率なので受光装置の面積を小さくでき、太陽光発電装置の低コスト化につながる。▲３▼屋上設置の場合は１パネルまたは多くとも２パネルで済むのでフレーム量が少い、即ち軽量でもある。従ってフレームコストが従来技術より低コストである。一例として、図３２に従来技術との概略受光面積の比較を図示する。例えば２ＫＷシステムの場合、部分図Ｆ１は本実施例、部分図Ｆ２はシリコン単結晶太陽電池型の従来技術の典型例を示す。ここで本実施例は発電効率を３０％で受光面積６．６７平方メートル、１枚パネルのみ。従来技術は発電効率１２．５％で受光面積１６平方メートル、全１６枚パネル必要、１パネルは０．９＊１．１ｍとした。▲４▼受光面積が小さいので設置工事コスト、配線コスト、運送コスト、工場または倉庫での保管コスト、製造時点の材料保管コスト、梱包コスト、等々の種々多様な付帯コストが低コスト化できる。なお本実施例のエアパージは既述の中空糸膜を使用するが、パージ対象は１〜２台の筺体のみなのでエアパージ消費量は極めて少量で済む。
【００６７】
本発明の実施の形態第五例を図３３、図３４を参照して説明する。第五例は実施の形態第一例の太陽高度追尾を、図３３の部分図Ｇ８に示すように、ストリングユニット２８で行うようにしたものである。従って本例では、図３４に示すように、太陽経度追尾は個々のストリングユニット２８の回転軸の周りの回転（回転矢印で図示）、太陽高度追尾はストリングユニット群全体の回転移動（ブロック矢印で図示）で行われる。なお本実施例では回折格子は、実施の形態第四例と同じく透過型である。従って光学系、光線追跡、回折光線の結像は図３１の部分図Ｅ２と同様である。回折光も２次まで利用する。図３３の部分図Ｇ２に示すように、零次光再回折用の透過型凹面の回折格子４１Ｆも使う。従って単位受光ユニットの光学系は部分図Ｇ２に図示のように、単位窓３３、回折格子４１Ｆ、太陽電池１０Ｄで構成される。多数の受光ユニットがストリング管の管長方向（部分図Ｇ１のＹＹ方向−南北方向）に並び収納されている。
【００６８】
部分図Ｇ３、Ｇ５はストリング窓３２が集光レンズ（窓のおもて側）、と回折格子（窓の裏側、即ちストリング管の管内側）の機能を兼ねていることを示す図である。部分図Ｇ２に単位窓３３と記してあるのが、集光レンズの繰り返し単位であり、そのフレネル形状の一例が部分図Ｇ３の右側図に示されている。レンズの球面収差を抑制するためにフレネル凹凸は非球面型が好ましいのは当然である。回折格子の格子方向を部分図Ｇ５に示した。なお、部分図Ｇ６のようにストリング管長方向が格子方向でも良い。この場合は部分図Ｇ７に図示のように太陽電池１０Ｄの長手方向（回折方向）は紙面に垂直方向になり、ＹＹ方向は短い。また、窓のおもて面が回折格子、裏面が集光レンズでも良い。部分図Ｇ１のＳＧ矢視を部分図Ｇ４に示す。部分図Ｇ４の左側図は光軸、主光線が部分図Ｇ２、Ｇ７同様に図示されている。部分図Ｇ４の右側図は光軸、主光線が図示削除され、ストリング管断面、３機能（窓、集光レンズ、回折格子）兼用ストリング窓、零次光再回折用の回折格子、太陽電池のみが図示されている。
【００６９】
本実施例は、実施の形態第一例と同様にストリング管またはストリングトラフを筺体としているので、既述の気密タイプ＃１または気密タイプ＃２が可能であり、既述の長所・利点、１）〜８）を有する。即ち、１）完全気密＝寿命、２）耐候性＝寿命、３）低コスト＝量産性と製造時の低温性、４）耐擦傷性＝降雹・台風、５）軽量、６）紫外線エネルギーの利用、７）メンテナンス性、８）リサイクル性、の各項目に於いて優れている。
【００７０】
図３５に、曇天時或いは雨天時のように直達太陽光でない散乱太陽光の受光用太陽電池の配置例を模式的に図示した。部分図Ｈ１は図３３の部分図Ｇ２に、散乱太陽光用の太陽電池１０Ｅを追加した場合の図である。部分図Ｈ２は部分図Ｈ１のＳＨ方向の矢視図である。両部分図を参照すると、散乱太陽光用の太陽電池１０Ｅは、直達太陽光用の太陽電池１０Ｄへの入射光線に対して干渉しない配置であることがわかる。曇天時或いは雨天時の散乱太陽光の分光分布は直達太陽光に比べて紫外線〜青波長領域、赤〜近赤外〜赤外波長領域の成分が少ない。これは、短波長側はλ４乗則散乱（レイリー散乱）、長波長側は大気中の水分吸収の影響を受けるためである。従って散乱太陽光用の太陽電池１０Ｅはアモルファスシリコン薄膜型のような可視領域の感度が良好なものが良い。また太陽電池面積が広いので当然ながら低コスト系、薄膜系、有機系等の太陽電池が散乱太陽光用の太陽電池として適している。なお、図３５に於いて、散乱太陽光用の太陽電池１０Ｅの代わりに同位置に同形状のフィルムミラーを配置し、部分図Ｈ３に示すように散乱太陽光用の太陽電池１０Ｇを直達太陽光用の太陽電池１０Ｄの同一平面上の周囲に配置しても良い。これは、散乱太陽光の発電量は直達太陽光の発電量に対して桁違いに少ない場合が多いことを考慮したものである。なお前述のように散乱太陽光の分光分布が変わる測定事例は、例えば次の文献が参照される。（日本機械学会論文集Ｂ編６３巻６０５号１９９７年１月、ｐｐ２９９〜３０５；太陽エネルギー利用のための分光日射量の測定と整理、馬場弘、他著）。
【００７１】
なお以上の実施の形態は代表的なもののみを説明したものである。従って、これらの形態例以外に、次の▲１▼▲２▼に属する各種の実施の形態がある。▲１▼既述の、実施の形態例の部分的な要素間、の選択・組み合わせの変更による類似的な実施の形態例。ここで部分的な要素とは次を意味する。要素＃１；太陽電池のバンドギャップ構成とその半導体種類の選択、要素＃２；太陽追尾のタイプの選択、要素＃３；筺体の選択、要素＃４；透過回折格子・反射回折格子のいずれかの選択、等々である。また、▲２▼本発明の趣旨に沿った部分的変形、部分的変更による新たな実施の形態例が考えられるのは当然である。以上の▲１▼▲２▼に関する部分的変形・変更の例を６例挙げる。
【００７２】
前述の部分的変形・変更例＃▲１▼−１）形態第一例は図１０の部分図ｍｍ７，８に図示のように反射型回折格子を適用している。集光レンズが透過回折格子を兼用するように変更すれば、透過型の光学系になる。即ち、新たな、実施の形態第六例である。変更例＃▲１▼−▲２▼）形態第五例は透過回折格子型である。図１０部分図ｍｍ７の反射型光学系にすれば、新たな実施の形態第七例を得る。この場合図のＺＺ方向の寸法が短く、ストリング管のＺＺ方向寸法は第五例より短縮でき、管断面積は減少する。変更例＃▲２▼−１）はセクタ間隔可変である。図１１、図２０ではセクタ間隔は等ピッチ的に図示されている。セクタ間の電流不整合がある場合、既述のようにセクタ間隔を連続可変する。部分的変形・変更例＃▲２▼−２）は回折格子のブレーズに関する。ブレーズ角度を大にして１つの次数の回折効率を極大化すれば他の次数への太陽電池の配置は不要となって、太陽電池の所要面積は更に減少し集光率は更に高くなる。また零次光利用も不要になり光学部品点数も減る。
【００７３】
現時点での技術では、ブレーズ角度を大にするには、Ａ）ホログラフィック露光、Ｂ）イオンエッチング技術、Ｃ）ＵＶ硬化樹脂のレプリカ取り技術、の３要素技術の組み合わせになるが、大量生産向きではないので生産コストが高い。（注：ルーリングエンジンによるグルービングは回折効率が低い。）従って本実施例では、ブレーズ角ゼロで大量生産性の良いプレス式回折格子を提示している。低コスト・大量生産性の大ブレーズ角技術が開発されれば、利用しても良いのは当然である。部分的変形・変更例＃▲２▼−３）はカセグレン光学系（実施の形態第三、例図２７参照）をグレゴリー光学系に変形する例を説明する。グレゴリー光学系は副鏡に非球面ではなく近似球面を代用できるので、低コストである。部分的変形・変更例＃▲２▼−４）はカセグレン光学系（実施の形態第三、例図２７参照）で再回折用の回折格子を透過型から反射型（図２２の部分図ｙｙ２の零次光再回折用反射型回折格子を参照）にする変形である。カセグレン光学系が屈折系を全く含まないので、色収差を完全にゼロにでき、宇宙用して更に適切である。
【００７４】
以上の各種多様な実施の形態例の選択は太陽光発電装置の購入者の都合が優先される側面もある。即ち、家屋の屋根の都合で太陽高度追尾による筺体全体の移動方式（実施の形態第四、五例）を許容しない購入者、或いは逆に、図１６に示した採光・換気の省エネに付加価値を見出す購入者、屋根材組み込み用としての太陽光発電を希望しかつ３０年以上の耐候性と難燃性を必要とし、プラスチック材を許容しない購入者（この場合でもストリング管方式〜実施の形態第一、五、六、七例は許容される。ＰＣは自己消火性プラスチックである）、発電規模の将来的な増設の容易さを優先する購入者、将来的な太陽光発電効率の劇的向上技術出現の可能性を考慮し、交換容易性を最重要視する購入者、切迫しつつある大震災を考慮しガラス窓材を許容しない・或いは軽量性を最重要視する購入者、等々である。更には経時的・将来的な諸材料費の変動・変遷予測、生産技術の進展による製造コストの変動・コスト変遷予測は生産・製造業者側にとって、実施の形態例の選択に関する判断材料になる。従って以上に説明した各実施の形態例の選択はこれらの事情を考慮してなされる。総体的には実施の形態第一、第五、第六、第七例のストリング管またはストリングトラフ方式が低発電単価（円／ＫＷ時）を実現し、低コスト大量生産性、耐候性、耐久性、メンテナンス性、リサイクル性、軽量性、交換容易性、増設変更柔軟対応性、の諸項目に優れている。
【００７５】
【発明の効果】
従来の太陽光発電装置による発電単価（円／ＫＷ時）は原子力発電、火力発電、水力発電等の商用電力網の単価より高い。例えば日本では２倍〜３倍発電単価が高い。従って、例えば日本では、太陽発電装置購入者の地球環境保護的な価値観に基づくボランティア的要素、公的機関の購入助成金が太陽発電装置の主要な購入動機である。短期経済的には商用電力網に対抗し得るものではない。購入投資効果を追及する経済原則・経済原理から外れているので普及の進展は当然に僅かである。例えば２０００年の日本では太陽光発電量は原子力などの全発電量の０．１％に満たない。このため、太陽光発電装置の耐用年数を１０年から２０年へ、２０年から３０年以上へと長期化する技術が発電効率の向上技術とともに注力されてきた。これは償却年数を長くしてでも経済的に引き合うようにしたいからである。これは一面的には矛盾である。３０年もの長期間には太陽光発電の技術進展・技術革新が充分予測され、またコスト低下が期待されるからである。更には社会情勢の変動も予測不能である。３０年もの長期間では性能劣化、累積メンテナンスコスト増にも問題を生じる。長寿命化追及＞重装備化＞高コスト化＞更なる長寿命化追求＞更なる重装備化＞更なる高コスト化、・・・・・の悪循環に陥っている。また従来の太陽光発電装置は発電効率の低さゆえに大面積にならざるを得なかった。大面積ゆえに屋根との一体化デザイン・一体化設計の側面が強調され、建物の長寿命に協調するべく（或いは運命を共にするべく）、太陽光発電装置も長寿命化の道を歩もうとしている。全ては、発電効率の低さがもたらした結果である。本発明の技術は、高発電効率・低コスト大量生産性がその特徴であるから、低発電単価（￥円／ＫＷ・時）を実現し、以上の悪循環を解消する効果がある。更に本発明は、高集光度が基本であるからシリコンバルクに代表される、深刻になりつつある、バルク供給問題を解消する効果がある。
【００７６】
各実施の形態に共通する効果は以上に説明の二項目、即ち、１）低発電単価の実現、２）シリコンバルクで典型的なバルク供給問題の解消、であるが、個々の実施の形態に特有の以降の効果がある。実施の形態第一、五、六、七例では、完全密閉ストリング管、反転機能、大量生産容易性の特徴のために、高耐久・高耐候性、軽量化、長寿命化、省メンテナンス性、リサイクル性、増設・拡張の容易性、などの効果がある。特に実施の形態第五例はストリング窓が集光レンズ、回折格子を兼ねるので光学系が最単純で最も製造コストを低減できる。実施の形態第二例では、反射型回折格子を採用したために、筺体高さ（ＺＺ方向寸法）を低くする効果を生じる。筺体静止型であり、従来普及型と筺体外形は近似しているので生産業者・購入者の心理的拒絶感が少ない等の効果がある。実施の形態第三例宇宙用では軽量、耐放射線、遠紫外線までの広波長領域の利用等の効果がある。もともと宇宙用は姿勢制御型が基本なので本発明特有の太陽光追尾は負担にならない。実施の形態第四例はパッキングファクタが良いので受光装置の設置面積が小さくなる効果がある。また単一パネルが可能になり、生産、保管、梱包、運搬、設置工事、配線工事、メンテナンス等々、全般的な低コスト化が図れる。また採光・換気による省エネ効果、付加価値効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の特徴である、バンドギャップと生成キャリアと太陽電池内の位置と回折光の波長との関連、を示す図である。
【図２】バンドギャップのトレードオフの概念図である。
【図３】バンドギャップの連続可変例を模式的に示す図である。
【図４】電流不整合と反射率のトレードオフを示す図である。
【図５】接合部深さと所要結晶厚さの概念を示す図である。
【図６】従来技術での光電変換と波長の関連を示す図である。
【図７】波長連続分光の定義を示す図である。
【図８】量子井戸・超格子の概念図である。
【図９】バンドギャップとデバイスの一覧図である。
【図１０】実施の形態第一例の概要と光学系を示す図である。
【図１１】バリヤ及びセクタの概念図である。
【図１２】実施の形態第二例の概要を示す図である。
【図１３】形態第二例の分光・回折光の詳細光線追跡を示す図である。
【図１４】太陽追尾の定義図である。
【図１５】受光モジュールとストリングモジュールの概要図である。
【図１６】換気・採光の概念図である。
【図１７】前面窓、モジュール窓の概念を示す図である。
【図１８】太陽追尾タイプ＃１〜＃４の概念を示す図である。
【図１９】太陽電池とインバータ等との電気接続を示す図である。
【図２０】セクタの詳細概念図である。
【図２１】筺体の密閉・パージに関する説明図である。
【図２２】実施の形態第一例の詳細光線追跡を示す図である。
【図２３】回折次数と回折正負の定義を示す図である。
【図２４】ブレーズ凹凸およびブレーズ角を示す図である。
【図２５】実施の形態第一例のＺＺ方向の集光度計算図である。
【図２６】実施の形態第一例のＹＹ方向の集光度計算図である。
【図２７】形態例３の光学系概念図である。
【図２８】形態例３の構造の細部の概念図である。
【図２９】形態例３のハネカム構造などを示した図である。
【図３０】形態例３のバンドギャップを従来型と比較した図である。
【図３１】形態例４の概要図である。
【図３２】形態例４で従来技術との受光面積を比較した図である。
【図３３】形態例５の概要図である。
【図３４】形態例５のストリング管配置と太陽追尾の図である。
【図３５】形態例５に曇天・散乱光用太陽電池を配置した図である。
【図３６】押出し成形ストリング管に形状転写する概念図。
【符号の説明】
１０ 太陽電池 １１ バリヤ １２ セクタ
１３ 群セクタ １５ セクタアセンブリ １６ 赤外受光器
１７ 電極 １８ 基板 １９ 薄膜層
２０ 受光装置 ２１ 受光筺体 ２２ ストリング管
２３ 側版 ２４ ストリングトラフ ２５ モジュール筺体
２７ フレーム ２８ ストリングユニット ２９ 受光モジュール
３０ 前面窓 ３１ モジュール窓 ３２ ストリング窓
３３ 単位窓 ４０ 受光ユニット ４１ 回折格子
４３ 受光ストリング ４４ 集光レンズ ４５ 集光鏡
５０ 電源 ５１ 電線 ５２ バス配線
５３ 直列配線 ５４ ＋端子 ５５ −端子
５６ パワーコンディショナ ５７ 阻止ダイオード
５９ ＤＡインバータ ７１ ハネカム板 ７４ エアドライヤー
７５ ポンプ ７６ エア配管 ７７ ＃１カーブ硝子
７８ ＃２カーブ硝子 ７９ 放熱器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic power generation method and a photovoltaic power generation device.
[0002]
[Prior art]
Conventional solar power generation is roughly classified into the following three types. In common with these three types, solar power generation mostly uses a solar cell as a photoelectric conversion element. Hereinafter, in this specification, the photoelectric conversion element will be described as a solar cell or a light receiving device / light receiving element. Hereinafter, the expression of the photoelectric conversion element is not used. Conventional solar power generation is power generation based on solar cells having wavelength characteristics that are positionally uniform within the element. This will be described with reference to FIG. Type 1): As shown in the partial view ff1, the sunlight is directly guided to the end-junction solar cell 10F without being subjected to wavelength separation by the diffraction grating. The positional wavelength characteristics (wavelength characteristics at any one of the in-plane positions (1), (2), (3), and (4)) in the plane of the solar cell 10F are homogeneous (same) or homogeneous. It is manufactured as much as possible. Type 2): As also shown in the partial view ff1, sunlight is directly guided to the tandem-type (also referred to as stacked or stacked) solar cell 10H without being subjected to wavelength separation by the diffraction grating. Positional wavelength characteristics in the plane of the solar cell 10H (wavelength characteristics at any of the in-plane positions (1), (2), (3), and (4), that is, the wavelength characteristics in the direction perpendicular to the traveling direction of the solar rays. In-plane wavelength characteristics) are manufactured to be homogeneous (same) or homogeneous. However, the wavelength characteristics of each layer (the traveling direction of sunlight, that is, the depth direction) are naturally different because they are of a tandem type (laminated type). Type 3): As shown in the partial view ff2, the solar light is wavelength-dispersed by the wavelength dispersion element and guided to the plurality of solar cells 10K. Although the wavelength characteristics of each solar cell are individually different, the wavelength characteristics are homogeneous in position within the same solar cell. (That is, the wavelength characteristics at each position are homogeneous as shown in (1) = (2) = (3), (4) = (5) = (6), (7) = (8) = (9)). However, (1) is different from (4) and (7), and (4) and (7) are different.) Therefore, the individual band gaps CU, CV and CW are different as shown in the partial views ff3 and ff2. However, the position is constant within the same solar cell. The dashed-dotted curve in the partial diagram ff3 indicates photon energy, the ordinate indicates band gap energy, and the abscissa indicates wavelength and depth from the solar cell surface.
[0003]
Next, the prior application will be described. There are a great number of prior applications relating to type 1) and type 2). Regarding type 3), there are three (# 1 to # 3) prior applications, but in any case, the positional wavelength characteristics in the plane of the photoelectric conversion element are not heterogeneous, and are different from the present invention. Technology. First, theprior application # 1, Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-80177 is a completely different technique from the present invention in the following points i) and ii). i) The wavelength characteristic of the photoelectric conversion element is not positionally non-uniform within each element. ii) The wavelength dispersion element is a latex, not a diffraction grating. Theprior application # 2 and JP-A-58-77262 are also completely different from the present invention because the wavelength characteristics of the photoelectric conversion elements are not heterogeneous in position within each photoelectric conversion element.Prior application # 3, U.S. Pat. No. 4,021,167 (filed in 1975) also discloses that the photoelectric conversion element is iii) the wavelength characteristic is not positionally inhomogeneous within each element, and iv) the wavelength dispersion element is a prism. (Diffraction gratings have only terminology and no specific explanation. The fundamental difference between a prism and a diffraction grating is the dispersion characteristic, the presence of zero-order light, and its processing, as described in the present invention. Diffraction gratings are of the transmission type and reflection type, but the prism is of the transmission type only, and the diffraction grating is an application of the interference phenomenon, while the prism is an application of the refractive index difference. Is fundamentally different in application method.), V) The collimator element is an essential component, and the above three points iii), iv) and v) are different technologies from the present invention. Still further, of the three cases referred to in theprior application # 2 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-77262, the first case: FRG Patent No. 2629641 (formerly German federal patent, application 1976, currently German patent: GE2629641A1) Is related to a heating method using solar heat, the second case; French Patent 2342558 is to direct sunlight to the front and back surfaces of the solar cell, and the third case; US Pat. No. 4,146,407 is to form a condenser lens with a liquid. In this case, a solar cell is installed in the liquid to cool the liquid, and the technical contents of all three cases are different from the present invention.
[0004]
At present, the mainstream type is the above-mentioned type 1), and type 2) is for space (power supply for artificial satellites and the like) (three-layer tandem) where cost is acceptable. A two-layer tandem in which amorphous silicon is laminated on crystalline silicon has been realized and distributed for consumer use (rooftop solar power generation equipment). Because of their high efficiency, tandem solar cells are referred to in the specification of the present invention as comparative techniques (highest performance in the prior art). Type 3) is hardly practical. It should be noted that the difference between the conventional technology and the technology of the present invention is clear in the description in the paragraph of the function of the invention and the effect of the invention at the latter stage, and it is clearly understood that the technology is another invention technology.
[0005]
Solar energy is sparse in area. Therefore, from the viewpoint of solar power generation efficiency, engineers are paying attention to energy concentration (that is, light collection in the case of sunlight). Performing continuous wavelength spectroscopy of sunlight is energy dispersion and goes against energy concentration. Because of this unconscious consideration, as described above, there are only three prior applications of solar cells and photovoltaic power generation relating to continuous wavelength spectroscopy as described above. In fact, wavelength continuous spectroscopy is also referred to as <spectrum, chromatic dispersion, or simply dispersion>, which means the opposite of concentration. In addition, there are many tandem-type solar cell and solar power generation applications. It is considered that the fact that the consciousness of the advantage of the tandem type that is a non-sun tracking type was established from a relatively early stage was also a factor that engineers unconsciously excluded pursuing the continuous wavelength spectral method.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is to solve the following four problems, problems # 1) to # 4), resulting in a reduction in the cost of the photovoltaic power generator, that is, a reduction in the power generation cost per KW · hour. That is to achieve reduction. Problem # 1): It is an object of the present invention to solve the wavelength trade-off problem that cannot be essentially avoided with the related art and realize high efficiency of photovoltaic power generation. Here, the wavelength trade-off problem refers to the points (1) and (2) of (1) improvement in power generation efficiency and (2) cost reduction of the photovoltaic power generator, and (I) spectral mismatch (spectral mismatch). Mismatch), that is, the requirement on the long wavelength side and the requirement on the short wavelength side are not compatible. II) The problem is that the efficiency is degraded when trying to widen the usable wavelength range. Since there is no appropriate expression for the problems I) and II), the wavelength trade-off is simply defined and described in the following description of the present specification. A representative example of the wavelength trade-off is a wavelength trade-off relating to a band gap. Other examples of the wavelength trade-off (the other five examples) will be described later.
[0007]
Problem # 1) to be solved by the present invention is conceptually illustrated in the partial diagram aa3 of FIG. Partial view aa3 shows electron-hole carrier pairs photogenerated in a three-layer tandem solar cell, currently considered the most efficient. The vertical axis is the energy Ep of the absorbed photons, the horizontal axis is the penetration depth of the photons (the depth from the top layer surface is denoted as DEPTH), white circles are photogenerated hole carriers, and black circles are photogenerated. The length of the electron carrier and the vertical vertical solid arrow indicates the magnitude of the absorbed photon energy. The length of the dotted arrow pointing vertically downward is the magnitude of the reactive energy that becomes thermal energy and is not effective as a solar cell output, as shown in the partially enlarged view by the broken line, and the horizontal solid line is the band gap, that is, the conduction band level. Yes, the valence band level is made coincident with the abscissa axis as the reference level. Since it is a three-layer tandem, there are three steps as shown in the figure.
[0008]
The dotted line labeled AVE indicates the concept of average photon penetration probability. Short-wavelength photons have a high absorption coefficient and are absorbed at a shallow position to generate a carrier pair. Short wavelength light, or high energy photons, cannot stably penetrate deeply. For simplicity of the drawing, the drawing is simplified and shown as a partial view aa3. However, a more accurate concept is shown in the partial view bb1 of FIG. 2 with an AVE curve and generated electron carriers (holes are not shown). . However, since photon absorption is stochastic, there is a small probability that a photon of a short wavelength will penetrate deeply to generate a carrier pair, as in PH1 and PH2 in the partial diagram bb1. Reactive energy indicated by a vertically-downward dotted arrow in the partial view aa3 of FIG. 1 is a spectral mismatch (spectral mismatch). The partial diagram bb2 of FIG. 2 is a diagram illustrating one layer (for example, a top layer) extracted from the three layers of the partial diagram aa3 of FIG. The reactive energy on the long wavelength side (probably deep position) is small, but the reactive energy on the short wavelength side (probably shallow position) (dotted downward arrow) is large. If a semiconductor material having a large band gap is selected as shown in the partial view bb3 in order to reduce the reactive energy, the reactive energy of the photons between DEPTTH1 and 2 is sharply reduced and used effectively, while the photon between DEPTTH2 and 3 is effectively used. Is not absorbed by the top layer, resulting in an increase in the reactive energy of subsequent layers (for example, the second layer or the third layer). That is, there is a wavelength trade-off (the requirement on the long wavelength side and the requirement on the short wavelength side are not compatible). The partial diagram aa4 of FIG. 1 shows a state in which the sunlight is incident on the tandem solar cell 10H without being split. The symbol λSML means sunlight that is not wavelength-dispersed. As can be inferred from the partial diagram bb1 of FIG. 2, the amount of this kind of wavelength trade-off becomes even greater in the case of a single layer (for example, a normal single crystal silicon solar cell) instead of a tandem.
[0009]
Problem # 2): Despite continuous-wavelength spectroscopy of sunlight, increasing the degree of concentration of sunlight and reducing the required area of the solar cell. This also reduces the cost of the solar power generator. It is also known that increasing the light-collecting power increases the open-end voltage, thereby improving the power generation efficiency (for example, Fukui University Faculty of Engineering Research Report Vol. 40, No. 1, 1992, pp. 84, etc.). In addition to the tasks # 1) and # 2), the task # 3): To improve the long-term durability of the photovoltaic power generator. This relates to rust, corrosion, ultraviolet ray deterioration, etc., given to the inside and outside of the solar cell casing by moisture, ultraviolet rays and the like. Similarly, in conjunction with the tasks # 1) and # 2), the task # 4): enhancing the additional function of the solar tracking mechanism, increasing the overall value of the solar power generation device, that is, increasing the cost performance, and consequently increasing the solar power. The cost of the photovoltaic device is reduced. The above-mentioned # 1) to # 4) are problems to be solved by the present invention.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention employs the following means 1) to 11) corresponding to the claims. That is, means 1): the sunlight is continuously wavelength-dispersed by a diffraction grating and guided to a solar cell. The solar cell employs a method of generating power by having a wavelength characteristic suitable for the wavelength of the dispersed monochromatic light at the position. Note that <wavelength continuous spectroscopy> does not roughly separate wavelengths into several wavelength bands, such as a band-pass filter, a high-pass filter, a low-pass filter, a cold mirror, etc., but rather the wavelength of a photon and its spatial position (location). ) Means that it changes continuously. That is, it means that the light is separated by a diffraction grating or the like. FIG. 7 shows the difference between continuous wavelength spectroscopy and bandpass spectroscopy. The partial diagram gg1 is an example of a bandpass filter, in which white light is extracted (spectralized) from white with characteristics as shown on the vertical axis (wavelength) and the horizontal axis (spectral intensity). Partial view gg2 is an example of wavelength spectroscopy using a cold mirror, in which white light is split into visible light VIS and infrared light IR. These spectroscopy does not satisfy the definition of <wavelength continuous spectroscopy> described above. Partial view gg3 is a spectrum by the reflection diffraction grating, and shows how white light is <wavelength continuous spectrum> into monochromatic lights λ1,. Thewavelengths λ 1,... N are indicated by discrete numerical values N for the sake of simplicity of illustration, but are continuous changes.
[0011]
Means for solving the problem 2): The sunlight is guided by continuous wavelength separation with a diffraction grating. The solar cell has a wavelength characteristic suitable for the wavelength of the dispersed monochromatic light at the position, and generates power. Means 3): In themeans 2, an optical means for increasing the degree of concentration of sunlight is provided. Means 4): In means 2) and 3), the diffraction grating includes a transflective diffraction grating. Means 5): Zero-order light is diffracted again in means 2) to 4). Means 6): In the means 2) to 5), the inside of the photoelectric conversion element is partitioned by a plurality of barriers having high electric resistance. Means 7): In the means 2) to 6), one or both of the Fresnel lens type condensing lens function and the diffraction grating function are used for the front window of the housing for housing the photoelectric conversion element group. Means 8): In means 7), the material of the housing for housing the photoelectric conversion element group is made of plastic, and the front window of the housing is formed by press molding. Means 9): In the means 7), the tubular housing accommodating the photoelectric conversion element group is molded by plastic extrusion, and at the time of the extrusion, one of the condenser lens function and the diffraction grating function is provided on the front window of the housing. Give both functions. Means 10): In the means 2) to 9), the sun tracking mechanism of the housing for housing the photoelectric conversion element group also functions as the reversing mechanism. Means 11): In the means 2) to 10), a space generated by the sun tracking is used as a lighting space or a ventilation space.
[0012]
Since the present invention is based on the technique of continuously changing the band gap, the methods # 1) to # 6) of continuously changing the band gap will be described. It should be noted that the literature examples cited below do not naturally mention changing the band gap in a positional manner (locational manner). This is because it is a new technology according to the present invention to continuously change the band gap in position. In order to change the band gap continuously in position, the position (location) element may be incorporated into a known technique for changing the band gap. The bandgap positional / continuous / variable method is not limited to these methods, and may be any method that satisfies the purpose of the present invention. Band gap positional / continuous / variable method # 1) Mixed crystal method: The band gap is continuously changed by continuously changing the mixed crystal ratio of two or more types of crystals having similar lattice constants. It has long been known that the band gap changes according to the change in the mixed crystal ratio. A recent application example, for example, in the case of a mixed crystal of a silicon crystal and a germanium crystal, is exemplified in JP-A-5-82812. To change the band gap in position, the mixed crystal ratio may be changed in position. II-VI group semiconductors include many substances such as CdS, ZnS, ZnSe, and CdTe, and these substances have band gaps in an infrared to ultraviolet wavelength region. Recently, with the realization of practical use of a blue light emitting diode, a mixed crystal of group III nitride (GaN, InN), which has been remarkably advanced, has a wide wavelength range from ultraviolet to red. In particular, a GaN-based substrate is preferable in terms of cost because inexpensive sapphire (a sapphire area is extremely small since the present invention is a high-concentration type) can be used for a substrate. FIG. 9 and a partial diagram kk1 show a representative one of these substances and a distribution of band gap energy thereof by a thick solid line in the horizontal direction. Here, the horizontal axis is the wavelength. Further, a wavelength range: λ * V = 1.24, where λ = wavelength μm, and V = voltage eV. Only the method # 5) of the photoluminescence method described later is shown by a broken line. The white horizontal line indicates the case of the quantum well system. FIG. 9 also shows the wavelength tunable ranges of CIGS, CIS, amorphous silicon, and nip superlattice described below.
[0013]
Band gap positional / continuous / variable method # 2) Multi-source vapor deposition method: A compound semiconductor thin film having a multi-element structure is applied to a solar cell. In the multiple vapor deposition method, the band gap is continuously changed by changing the element ratio continuously and positionally. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-79525 exemplifies a case of a washer ore (Cu copper-In indium-Ga gallium-Se selenium-S sulfur) thin film solar cell. Bandgap positional / continuous / variable method # 3): The bandgap is positional / continuously changed by continuously and continuously changing the doping amount of the additive. FIG. 3 shows a conceptual diagram of a method of changing the band gap by changing the doping amount or the mixed crystal ratio in position. In the partial diagram cc1, the sunlight is split into single colors of λS, M, and L, and guided to the solar cell 10L. Here, λ denotes a wavelength, and the suffixes S, M, and L denote, for convenience, monochromatic light having a short wavelength, an intermediate wavelength, and a long wavelength. Partial view cc1 shows a side view of the solar cell, and partial view cc2 shows a front view, schematically showing a state where the doping concentration is changed in position. It should be noted that the figure shows the concept, so that the doping concentration and the like are not proportional to the concentration curve shown. Partial diagram cc3 shows the relationship between the band gap and the position on the solar cell, and partial diagram cc4 shows the relationship between the doping amount or mixed crystal ratio and the position on the solar cell. The two curves are exemplary and there may be various curves. Taking the case of a CIGS (copper-indium-gallium-selenium) type solar cell as an example, for example, in a CIGS type thin film solar cell, the band gap (forbidden band width) is changed by changing the doping conditions such as the amount of gallium Ga to be added. It is possible to change from .04 eV (1.19 μm in terms of absorption edge photon wavelength, ie, equivalent to near infrared light) to 1.68 eV (0.738 μm in terms of photon wavelength, ie, equivalent to boundary between red and near infrared light) ( For example, reference is made to a document: Semiconductors for Solar Cells, HJ Moller ed., Arthouse House Inc Boston, 1993 pp36). The CIS system has a variable range of 1.04 to 2.43 eV by a mixed crystal technique of doping with sulfur S (see, for example, pp. 176, Literature: Makoto Konagai, et al., Eds. Furthermore, it is naturally good to change the combination of the doping amounts of both Ga and S. It is widely known that even in a silicon single crystal, if the doping amount of the additive is largely changed, the band gap energy is slightly changed although it is not a mixed crystal. Band gap positional / continuous variable method # 4): In a p-type a-Si film (amorphous silicon solar cell), the band gap is changed by changing the type and amount of doping gas (1.9 to 2). .1 eV) method is famous. Band gap positional / continuous / variable method # 5): A variable range of about 2 to 2.8 eV can be obtained by the ECR-CVD method related to the microcrystalline (μc-Si) technique of amorphous silicon. Gap variable, band gap positional / continuous / variable method # 5): Photoluminescence (fluorescence / phosphorescence) conversion method: Photoluminescent substance (one or more or a mixture of two or more) at the relevant wavelength position of the solar cell ). By changing the type, or the type and amount of the photoluminescent substance, the wavelength characteristic is continuously changed in position. When the photoluminescent substance is a rare earth element (Eu, Tb, Yb, etc.), it is effective in the ultraviolet region (especially effective for space photovoltaic power generation equipment with strong ultraviolet rays.) With air mass AM = 0, solar energy is distributed even at 0.30 μm or less. Is known. Further, it is natural that a fluorescent material for mercury emission line (0.2537 μm) of a fluorescent lamp, which is distributed at low cost, can be applied. However, when a luminescent substance is mixed, the wavelength purity of the band gap becomes broadband, and the aspect differs from # 1) to # 4) and # 6) in terms of wavelength purity. Bandgap positional / continuous / variable method # 6): In addition, there are a quantum well method, a superlattice method, and the like.
[0014]
The quantum well method and the superlattice method will be described with reference to FIG. A semiconductor for a well layer having a band gap Eg2 and a well layer thickness Ww is sandwiched between semiconductors for a barrier layer having a band gap Eg1 and a layer thickness Wb (see a partial diagram hh1). When the well layer thickness Ww is made sufficiently thin, a quantum well is obtained. Assuming that the level in the quantum well is Ew, when the barrier potential difference is sufficiently high, Ew is expressed by the following equation (1).
[0015]
Ew = (N * h)2 / (8m * Ww2 )
[0016]
Here, N, h, and m are respectively N = 1, 2, 3,..., H is Planck's constant h = 6.626 * 10 (−34) J · s, and m is the effective mass of electrons. Therefore, Ew can be changed by the well thickness Ww. Therefore, the band gap EQ (ie, photon absorption energy, EQ = Eg2 + Ew) can also be changed. When the barrier potential difference is low, the barrier layer thickness Wb is also a variable factor of EQ. The wavelength range of the quantum well, which is outlined in the partial diagram kk1 of FIG. 9, is calculated as N = 1 inExpression 1. FIG. 8 and partial diagrams hh2 and hh3 are conceptual diagrams of a quantum well according to the present invention and a quantum well according to the related art, respectively. In the partial diagram hh2, the well thickness changes continuously in response to the monochromatic sunlight that has been subjected to wavelength continuous spectroscopy (it is thin on the short wavelength λS side and thick on the long wavelength λL side). The hatched layers are barrier layers. On the other hand, in the prior art (partial drawing hh3), a case of a tandem type having five well layers and six barrier layers is illustrated as an example. The thickness of the well layer differs in each layer, but is constant in each layer. Although the number of tandem layers is five for the sake of clarity of the drawing, the number of tandem layers is actually larger. For example, in the example of the prior application, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-267703, there are a total of 21 well layers of 10 well layers and 11 barrier layers, or a further 63 layers of 63 layers. The number of prior applications of quantum wells or superlattices related to solar cells is around 20 as of early May 2003, but all are of the tandem type. In the partial view hh2, the thickness of the well layer changes linearly for the sake of clarity of the drawing, but actually changes in a curve according to the above-described equation (1).
[0017]
The tandem quantum well system of the prior art has disadvantages such as (1) cost and (2) various wavelength trade-offs cannot be eliminated. Disadvantage {circle around (1)} For example, it is apparent that the cost of forming a multilayer of as many as 21 layers is higher than that of the three layers (thewell layer 1 and the barrier layer 2) of the present invention. Difficulty (2): Wavelength trade-offs such as current mismatch, reflection loss, etc. are also noticeable in multilayers. As described above, the current mismatch is severe even in the three-layer tandem. In the case of 10 layers or 30 layers, this wavelength trade-off becomes serious. In addition, when the reflection loss and the barrier layer are included, the number of layers is 21 in the case of 10-layer tandem and 63 in the case of 30-layer tandem. Even if the reflection loss per layer is 1%, the reflection loss is about 21% or 63%. Poor. It is clear that these wavelength trade-offs do not occur in the technique of the present invention.
[0018]
A method using light having an energy smaller than the band gap of a semiconductor (that is, light having a longer wavelength) includes a nipi superlattice method (for example, A. Shik, Quantum Wells, 1997, World Scientific Publishing Co. Ltd. Singapore, Chapter 9). See section 3). For example, as shown in FIG. 3, a superlattice may be formed by changing the donor or acceptor concentration in position. An example in which light having an energy smaller than the band gap of a semiconductor is used is a third example in the next paragraph, which is an example of a portion in a wavelength region of 2.4 μm to 1.8 μm.
[0019]
Three examples of application of the above-described technique of changing the band gap positionally and continuously are shown in FIG. 9 and a partial diagram kk2. First example: (1.8 to 1.1 μm) = (mixed crystal of Ge and Si), (1.1 to 0.51 μm) = (S and Ga doped CIS, CIGS), (0.51 to 0 .36 μm) = (mixed crystal of GaN and InN): This first example is shown by a solid curve. Second example: (1.8 to 1.1 μm) = (single crystal of Ge), (1.1 to 0.36 μm) = (same as the first example): This second example is shown by a broken line (1 The range of .1 to 0.36 μm is the same as in the first example, and is not shown). Third example: (2.4 to 1.8 μm) = (nipi superlattice, however, the 2.4 to 1.8 μm portion is not shown because the scale is over), (1.8 to 0.36 μm) = (first (The same as the example): The third example is shown by a dotted line (however, the range of 1.1 to 0.36 μm is the same as the first example, and is not shown). Since the figure is difficult to see because it overlaps with the first example, the dotted line portion of the wavelength of 1.8 to 1.1 μm is shown shifted. Fourth example: (1.8 to 1.1 μm) = (mixed crystal of Ge and Si), (1.1 to 0.6 μm) = (S and Ga doped CIS, CIGS), (0.6 to 0) .45 μm) = (amorphous Si), (0.45 to 0.36 μm) = (mixed crystal of Ga and In), fifth example: (1.8 to 0.51 μm) = (same as the first example), (0.51 μm to 0.40 μm) = (GaN / InN quantum well), (0.40 to 0.30 μm) = (photoluminescence formula, for example, rare earth ion, <for example, Y2 +, Ce3 +, Sm3 +, Eu2 +, etc.> Is naturally arranged near the surface of the solar cell, and the wavelength region may be extended to 0.25 μm or 0.20 μm for space use. The fourth example and the fifth example are not shown for the sake of clarity.
[0020]
[Action]
The functions and effects of the means 1) and 2) will be described. The partial diagram aa1 in FIG. 1 shows the band gap (denoted by Eg on the vertical axis), the wavelength of the absorbed photon, the energy of the absorbed photon (denoted by Ep on the vertical axis), and the photo-generated energy of the solar cell according to the present invention. It is a conceptual diagram which shows each mutual relationship of the electron-hole pair which was shown. It is the main point of the present invention that Ep = Eg at each position of the solar cell. The horizontal axis indicates the wavelength of photons absorbed by the solar cell and the absorption position (location) on the solar cell. The wavelength λ on the horizontal axis is typically represented by λS, λM, and λL for short wavelength, intermediate wavelength, and long wavelength, for the sake of simplicity of the drawing. λS and PS are the wavelength of the photon on the short wavelength side and the coordinates on the solar cell where the photon of that wavelength is incident, the set of λM and PM, and the set of λL and PL similarly receive the photon wavelength and the photon of the wavelength. Shows the coordinates on the solar cell. The partial diagram aa2 is a diagram corresponding to the partial diagram aa1 and shows a manner in which sunlight beams separated (typically separated into short wavelengths λS, M, and L) enter thesolar cell 10 at different positions. The partial views aa1 and aa2 show that the band gap of thesolar cell 10 is positionally (locally) inhomogeneous and is continuously changed in position corresponding to the photon energy of the split sunlight. ing.
[0021]
As described above, comparing the partial views aa1 and aa2 of FIG. 1 showing the features of the technology of the present invention with the partial views aa3 and aa4 of FIG. It can be seen that the wavelength tradeoff relating to the band gap, which was not present, is eliminated by the technique of the present invention. This is the main function of the above-mentioned means 1) and 2) and their effects.
[0022]
FIG. 6 and a partial diagram ff3 show that the bandgap wavelength trade-off is not resolved even in the above-described spectral / side-by-side solar power generation device. Partial view ff3 illustrates band gaps CU, CV, CW of the three solar cells of partial view ff2. In the figure, the horizontal axis indicates the photon wavelength, the vertical axis indicates the photon energy and band gap, and the dashed line indicates the photon energy. This figure shows the same contents as the partial view aa3 of FIG. Therefore, the wavelength trade-off is not eliminated similarly to the tandem type.
[0023]
The wavelength trade-off for the tandem band gap has already been described with reference to FIG. Next, a situation in which the wavelength trade-off of a type other than the band gap is not eliminated will be described. The type of the wavelength trade-off will be described by taking the anti-reflection film wavelength trade-off as an example. A partial diagram dd1 of FIG. 4 shows the wavelength characteristics of the antireflection film. The vertical axis represents the reflectance, and the horizontal axis represents the wavelength. The antireflection film is one of the important technologies for improving the efficiency of the solar cell, but it cannot achieve a good low reflectance in all wavelength regions. As shown in the figure, a low reflectance is realized in a specific target wavelength region (for example, a region of λA to λB). Even with the multilayer film interference technology unique to the antireflection film, a low reflectance cannot be realized in a wide wavelength region (for example, 0.36 μm to 2.4 μm) such as a solar cell because of many optical books. As widely and generally described in US Pat. That is, it is a wavelength trade-off for the antireflection film. In particular, for a tandem solar cell aiming at a wider wavelength region than the single-junction type, the trade-off of the wavelength of the antireflection film becomes more important (stricter conditions) than the single-junction type.
[0024]
Regarding the types of wavelength trade-off, two types of # 1) band gap and # 2) anti-reflection film have already been described. However, there are four other types <i.e., # 3) junction depth / surface recombination, # 4) single crystal thickness, # 5) current mismatch, and # 6) reflection loss. Note that the wavelength trade-off is not limited to the above six types, and all the wavelength characteristics of the solar cell show a wavelength trade-off tendency at all. This is because the wavelength range handled by solar cells is as wide as 0.3 μm to 2.4 μm for terrestrial use and 0.2 μm to 2.4 μm for space use (for example, wavelength magnification = 2.4 / 0.3 = about 8 times). That's because). Generally, in the field of optical design, a design having good wavelength characteristics in a narrow wavelength range (for example, a wavelength magnification of about 1 or less) is possible. Is usually sacrificed. For example, in the application of the optical interference phenomenon, the optical characteristics change every half wavelength (magnification = 0.5) or every wavelength (magnification = 1). Therefore, the aforementioned wavelength magnification = about 8 times is too wide. Means 1) and 2) for solving the problems of the present invention are those for continuous wavelength separation of sunlight, so that basically white sunlight is not guided to the solar cell, and only monochromatic light is applied to each of the solar cells. Guided to the position, the wavelength characteristics of the solar cell at each position can be individually optimized for the wavelength at that position, and are not constrained by other wavelengths, so the wavelength trade-off due to white light, itself From the root. That is, in principle, there is no kind of wavelength trade-off in the present invention.
[0025]
The wavelength trade-off relating to the junction depth and the surface recombination will be described. In a silicon single crystal type solar cell, in order to prevent surface recombination loss, the depth of a junction (pn junction) is extremely shallow (for example, about 0.1 μm) in a short wavelength region (for example, see violet cell technology). On the other hand, in the long wavelength region (near infrared region), a deeper position is better in consideration of the electron / hole diffusion length, as shown in the partial diagram ee1 of FIG. That is, it is a wavelength trade-off. Next, the wavelength trade-off relating to the thickness of the single crystal will be described. The light absorption coefficient α of the silicon single crystal is about 10,000 cm (−1) and about 2 cm (−1) at wavelengths of 0.5 μm and 1.1 μm, respectively. Absorption formula: I = I0 When exp (-α * t) absorbs 95% of photons (I / I0 The required crystal thickness t of 0.95) is t to 0.05 μm (wavelength 0.5 μm) and t to 260 μm (wavelength 1.1 μm) by substituting these values. FIG. 5 and ee1 partial view illustrate these circumstances. In the present invention, the required crystal thickness BLTHK on the blue side (for example, wavelength 0.4 μm) is 0.05 μm or less, and on the infrared side (for example, wavelength 1). The required crystal thickness IRTHK (.1 μm) is about 300 μm, and the crystal thickness may be uneven. However, in the prior art, the crystal thickness must be unified to the maximum thickness as shown in the partial view ee2. That is, in the application of the present invention, the expensive silicon cost, which accounts for about half the cost of the solar power generation device, is reduced by half. The required silicon volume is reduced by about half in the non-uniform thickness cutting (see partial diagram ee4) as compared with the uniform thickness cutting (see partial diagram ee3) of the silicon ingot. That is, it is a wavelength trade-off from the viewpoint of silicon cost. That is, it is a wavelength trade-off relating to the thickness of the single crystal.Claims 1 and 2 of the present invention: The photoelectric conversion device in which the wavelength characteristic in the device is changed in position includes changing the silicon thickness and the junction depth in the range. However, due to various circumstances, silicon cost cannot be reduced by half. These various conditions include the thickness of the blade of the cutting wire saw, the handling strength of the thin silicon wafer, the preliminary thickness for etching away the crystal layer damaged by the cutting, and the like. According to the technique of cutting an ingot by a pulse magnetic field, a wire saw is not used, so that the above-mentioned circumstances of the blade thickness can be ignored.
[0026]
Wavelength trade-offs # 5) and # 6) relate to tandem solar cells. First, the wavelength trade-off # 5) related to the current mismatch will be described with reference to FIG. 4 and the partial diagram dd2. The figure shows the case of a four-layer tandem solar cell 10H. Since the output current (indicated by the current in the block arrow) flows through the load and the respective tandem layers (L1 to L4) in series, if the output current of each tandem layer is i1, i2, i3, i4, the constraint condition, i1 = i2 = i3 = i4 must be satisfied. Since the wavelength characteristics of each tandem layer are completely different, it is difficult to satisfy this constraint. Normally, some loss is allowed, the thickness of each layer is changed, or the layers are serially paralleled. For example, the constraint is forcibly brought close to the constraint. However, even in a three-layer tandem, it is severe to keep this constraint (for example, : TOYOTA Technical Review Vol.52 No.1 Jun.2002 pp. 88-91). To use sunlight in a wider wavelength range, the number of tandem layers must be increased, but the constraints become more severe. That is, it is a wavelength trade-off.
[0027]
Next, the wavelength trade-off # 6) regarding the reflection loss will be described with reference to FIG. 4 and the partial diagram dd3. The figure shows the reflection at the boundaries between the layers L1 to L4 of the solar cell 10H. As the number of layers increases, the reflection loss also increases. Since the relationship between the respective tandem layers is hetero, the refractive indices are different, and there is reflection between different refractive indices. Since the reflection loss is uniquely determined by the refractive indexes of both layers, the degree of freedom is small. If a tandem with a large number of layers is used in order to improve the power generation efficiency of the solar cell by expanding the wavelength range to be handled, the reflection loss increases. That is, it is a wavelength trade-off.
[0028]
The operation and effect of the means 3) to 5) and the means 7) to 11) will be described later in the paragraph of the embodiment. Next, with reference to FIG. 11, the operation and effect of the means 6) the barrier relation of high electric resistance will be described. Partial view nn1 is a plan view ofsolar cell 10 in which two different types of thin-film solar cells are arranged in parallel in regions (1) and (2). The partial diagram nn2 is a diagram showing an electrode arrangement corresponding to the partial diagram nn1 (electrodes are not shown in the partial diagram nn1 for clarity of the drawing). The electrode portion is shown in a partially enlarged view (dashed circle). Theindividual electrodes 17 are electrically separated by abarrier 11 having a sufficiently high electric resistance into eachsector 12 which is a power generation unit. The partial view nn3 is a cross section of the partial views nn1 and nn2, and athin film layer 19 is formed on thesubstrate 18 to form a solar cell. A transparent electrode (not shown) is formed between thesubstrate 18 and thethin film layer 19. The electrode of the partial diagram nn2 is formed on thethin film layer 19 of the partial diagram nn3 (not shown in the partial diagram nn3). Although theelectrode 17 in the nn2 partial view is illustrated as a thin line like a metal finger electrode for the sake of clarity, various shapes such as a metal electrode, a transparent electrode having a width, and the like can be used. are doing. FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining the principle, and the dimensions, shape, number of sectors, and the like do not reflect the actual situation.
[0029]
The partial diagram nn4 shows the band gap Eg and the wavelength / position (the location on the solar cell where the sunlight was wavelength-spectroscopically guided to the solar cell-the specific wavelength corresponds to the specific position as described above). Λ · P (λ is the wavelength, and P is the P of the position). Note that Eg is designed and arranged so as to be substantially the same as the photon energy Ep (EgｐEp), so that the relationship with the wavelength is a curve similar to the partial diagram aa1 in FIG. 1, but FIG. Therefore, it is shown by a straight line. The partial diagrams nn5 and nn6 are explanatory diagrams relating to an enlarged view of the electrode portion of the partial diagram nn2. Partial diagram nn5 shows the case of the present invention divided into sectors by a barrier of high electrical resistance (resistors are shown in ohms Ω, which is a conventional standard notation for electronic circuits and their symbols) Ω1. A partial diagram nn6, which is not the present invention, shows a case without a barrier (interelectrode resistance = Ω2) for reference, and a partial diagram nn7 of the prior art shows a case of a bus-type finger electrode for a single crystal silicon solar cell for reference. . Since Ω1 is sufficiently larger than Ω2 (Ω1 >> Ω2), each sector is electrically insulated, and the output of each sector is an adjacent sector partial diagram nn8. In the case of the partial diagram nn6, since each sector is not electrically insulated, its output is affected by the adjacent sector and the output decreases as in the partial diagram nn9. In the case of the conventional bus connection, the connection is in parallel and the output is a partial diagram nn10. If the sectors are separated by a barrier having a sufficiently high electric resistance, the sectors may be electrically insulated from each other, so that the sectors can be connected in series. On the other hand, when there is no barrier, the serial output voltage decreases due to the influence of the adjacent sector. The barrier can be formed and formed by various methods such as forming by a grooving technique such as a laser scriber type, a mechanical type, and a photo etching type, or forming an intrinsic i-layer, and forming a high resistance barrier by ion implantation.
[0030]
In FIG. 11 and the partial views nn2 and nn5, the width of thebarrier 11 can be made sufficiently small. Because the potential difference between adjacent sectors is almost zero, the barrier insulation voltage may be almost zero. The insulation voltage is proportional to the required minimum barrier width, ie the width of the barrier can be sufficiently small (narrow). Therefore, even if the sector interval (= barrier interval = barrier pitch) is made small, the light amount loss due to the barrier width (barrier area) is small. For example, if the barrier width is 1 μm, the barrier pitch is 100 μm, and the light receiving width of the solar cell is 5 mm, the effective sector width is 100-1 = 99 μm, and the light quantity loss is 1/100 = 1%. In addition, the total number of sectors = 5 mm / 100 μm = 50 = 50 steps, and the band gap changes macroscopically continuously (rather than steps, linearly, see the partial view nn8). This concludes the description of the operation and effect of themeans 7.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A second embodiment of the present invention will be described. First, the reasons for explaining the second embodiment of the present invention are as follows: (1) the light receiving unit is housed inside the housing; (2) the housing itself is stationary on the roof; This is because, from the viewpoint of the above, there are some similarities with the prior art, and it is easy to be familiar. Of course, the content of the solar cell element itself is very different. Before describing the first example and the third to seventh examples of the embodiment following the second example, items common to the respective embodiments, that is, items # 1) to # 5), items # 1) Related to sun tracking. Item # 2) window-related items, item # 3) electrical connection of sector output, item # 4) enclosure sealing / air purge-related items, item # 5) blaze angle of diffraction grating and press mass productivity will be described. Then, the first example, the third example, the fourth example, the fifth example,... Of the embodiment will be sequentially described.
[0032]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 and a partial diagram pp1 show a case where thelight receiving device 20 is installed on the roof of a house. The technology of the present invention is not limited to solar power generation installed on the rooftop of a building, and is naturally applicable to, for example, solar power generation for space (see the third embodiment of the invention) and on the ground (on the ground). While applicable. The sunlight is photoelectrically converted by thelight receiving device 20, and the solar energy converted into DC electricity is converted into AC power by the power conditioner 56 and is system-connected to commercial power. An example of the details of the light receiving device is shown in the partial drawing pp2 and thereafter.
[0033]
A partial diagram pp2 of FIG. 12 is an enlarged perspective view of the light receiving device of the partial diagram pp1. Points a, b, c, and d indicate the positional relationship between the two partial views. Usually, the YY direction is the north-south direction, and the XX direction is the east-west direction. Partial view pp3 is a cross-sectional view along HH / KK (cross section along XX / ZZ plane) of partial view pp2. The details of the internal space surrounded by the frame 27 and the front window 30 that constitute the housing of the light receiving device are shown in partial views pp4 and thereafter. In the part pp4, the sunlight passing through the front window 30 is photoelectrically converted by a large number of light receiving units 40 arranged side by side. One example of the configuration of the light receiving unit is mainly composed of a condenser lens 44, a solar cell 10C, aninfrared receiver 16, and a reflection type diffraction grating 41E as shown in a partial diagram pp5.
[0034]
As shown in the partial diagram pp4, a large number of light receiving units are arranged at equal intervals. An example of ray tracing of the light receiving unit is shown in the partial diagram pp6. The sun's rays are condensed by the condenser lens and go to the focal point. On the way, it is reflected and diffracted by the reflection type diffraction grating 41E and forms an image on the primary light receiver. The reflection type diffraction grating is provided with a low-pass transmission film (spectral characteristics are shown in a partial view qq8 of FIG. 13), and infrared light passes through the reflection type diffraction grating and enters theinfrared light receiver 16. That is, the diffraction grating 41E is a semi-transmission type. The details of the ray tracing (representative wavelengths λ1 to λ5) of the partial diagram pp6 of FIG. 12 are illustrated in FIG. 13 and the partial diagrams qq1 to qq7. The partial diagram qq7 is a composite diagram of the partial diagrams qq1 to qq5, but λ2 and 4 are not shown for the sake of clarity. The light receiving unit moves around the optical axis and tracks the sun as shown by the arrow in the partial view qq9. One example of the fixed point for tracking is the intersection of the front window 30 and the optical axis as shown. Therefore, in sun tracking, the light receiving device is stationary and only the light receiving unit inside the housing moves. In addition, as shown in the dotted circle of the partial diagram qq6, if the suppression of zero matter is not sufficient, a light receiver for zero-order light may be added.
[0035]
Items common to a plurality of embodiments among the second embodiment described above and the first, third, fourth, fifth, and sixth embodiments described below, item # 1) Related to sun tracking. Item # 2) related to windows, item # 3) electrical connection for sector output, item # 4) related to enclosure sealing and air purge, and item # 5) blaze angle of diffraction grating and press mass productivity.
[0036]
First, item # 1) related to sun tracking will be described. Since the present invention is based on a light collecting type having a high light collecting degree, sun tracking is necessary. However, in space applications, attitude control (sun capture) is always performed for solar cells, and it is not necessary to add a new sun tracking mechanism (however, in the case of a geosynchronous satellite, it is necessary except for the autumn equinox and the vernal equinox). For earth use (on the roof of a building, on the ground, etc.), as shown in FIG. 14, the sun tracking is performed by combining the solar altitude tracking (angle aY) and the solar longitude tracking (angle aX). The solar altitude tracking is in the YY direction (North-South direction), and the solar longitude tracking is in the XX direction (East-West direction). It should be noted that a stationary sun-tracking converging mirror (so-called CPC: composite parabola) applied when the light concentration is low can be partially used only when the present invention is limited to a relatively low light concentration. .
[0037]
As shown in FIG. 14, the sun tracking type is a combination of angle rotations aY and aX and various optical systems. Since the number of combinations will be large, the definition of the optical system will be described in advance for clarification of the description before describing the details of the sun tracking. A partial diagram rr1 of FIG. 15 shows the concept of the light receiving unit 40. The light receiving unit includes a condenser lens 44 for condensing sunlight, a diffraction grating, thesolar cell 10, and the like. Here, the diffraction grating and the like are not shown for the sake of clarity. As shown in the partial diagram rr2, a plurality of light receiving units arranged in a row and several tens of them are electrically connected by the electric wire 51 is referred to as a light receiving string 43. A tube for storing the light receiving string as shown in the partial view rr3 is referred to as astring tube 22. As shown in the partial view rr4, a portion of the string tube, in particular, the sunlight incident portion is referred to as a string window 32. As shown in the partial diagram rr5, a group of a large number of light receiving strings or a large number of light receiving units is referred to as a light receiving module 29. As shown in the partial diagram rr6, a housing that houses the light receiving module is referred to as a module housing 25. As shown in the partial diagram rr7, a solar light incident portion of the module housing is particularly referred to as a module window 31. There is also a type in which the string tube is not housed in the module housing, and the string tube directly contacts the outside air.
[0038]
The sun trackingtypes # 1 and # 2 are illustrated in partial views uu1 and uu2 of FIG. 18, respectively. In the suntracking type # 1, both the solar altitude tracking aY and the solar longitude tracking aX rotate the module housing 25. In the suntracking type # 2, the solar altitude tracking rotates the module housing (rotation angle aY in the figure), and the solar longitude tracking rotates a string tube having an axis in the north-south direction (indicated by a dotted line in the module housing) (angle in the figure). aX rotation). The suntracking type # 3 is illustrated in a partial view uu3. The module housing 25 is stationary, and the light receiving unit 40 inside the housing performs the sun altitude tracking rotation aY and the solar longitude tracking rotation aX. The suntracking type # 4 is illustrated in the partial diagram uu4. The module housing is stationary, and a number ofstring tubes 22 inside the housing rotate aX individually to track the solar longitude. The light receiving unit in the string tube rotates aY to track the sun altitude.
[0039]
In the case of the suntracking type # 2, as shown in FIG. 16, the moving space of the light receiving device can be effectively used, and the roof lighting function and the roof ventilation function can be combined to improve the cost performance of the solar power generation device. it can. A partial diagram ss1 of FIG. 16 is a conceptual diagram of ventilation and lighting. As shown in the enlarged partial view ss2, a # 1 curve glass 77 for lighting and a # 2 curve glass 78 and a ventilation hole (partial view ss3) for ventilation are arranged in the lower space of thelight receiving device 20 as shown in an enlarged manner in a partial view ss2. The # 1 curve glass 77 is fixed to the roof after the rain, and the # 2 curve glass 78 is fixed to thelight receiving device 20 and rotates with the light receiving device. The two curved glass sheets have substantially the same radius of curvature, so that if necessary, the airtightness can be maintained even if the light receiving device is moved by the sun. If it is necessary to keep the airtight completely (winter cold season), measures such as providing a rubber seal between the two sheets of glass may be appropriately taken. A partial view ss1 shows how hot air stays near the ceiling in a conventional house by a two-dot chain line. Using the technology of the present invention, the manner in which hot air near the ceiling and in the attic is released outside through ventilation holes (not shown) and ventilation holes (see partial drawing ss3) provided in the ceiling and the roof portion is indicated by a dotted line. Show. The higher the temperature of the air, the higher it moves, the air is naturally ventilated, and there is no need to use a ventilation fan, further saving energy.
[0040]
In summer, when I returned to my closed house, I disliked the hot air (unpleasant and uncomfortable atmosphere) on the second floor, and had problems with energy conservation, such as driving while going out of air conditioning. To solve this problem, patents have been devised for the use of various types of cold heat (use of cool air under the floor, or actively set up a water tank underground and use the cool heat of well water, etc.). There are many and diverse. The builder was struggling because there was no low running cost solution to the problem of hot air on the second floor. Unless the cooling cost is a problem, it is naturally good to cool while going out, but the problem is that the burden of unnecessary cooling cost is large. By applying the present invention, equivalently, there is an effect that the cost of the solar power generation device is reduced by the energy saving of the cooling cost. Furthermore, the cost of a rooftop window, which has recently become popular, is no longer necessary, which is equivalent to the cost reduction of a solar power generation device. The rooftop windows are usually installed on the northern side of the roof to allow for the refreshing northern sky. The daylighting window in the case of the present invention also faces the north where the northern sky light can be daylighted, which is even more convenient.
[0041]
Next, item # 2) window-related items common to a plurality of embodiments will be described. Here, the window means a module window of a module housing, a string window of a string tube, and the like. In the present invention, the window has the functions of (1) window function (enclosed space forming function and light transmitting function), (2) condensing lens function, (3) transmission type diffraction grating function, (2) and (3) functions. Fulfills one or more functions of If the window performs three functions at the same time (for example, the above-described suntracking type # 1 and the diffraction grating is a transmission type), it means that all the functions have been described. Will be described. In the partial view tt1 of FIG. 17, the solar light incident side of the module window 31 is the upper surface, and the opposite side is the lower surface. Arrow SK and arrow SN are illustrated in partial diagrams tt2 and tt3. In this case, the upper surface of the front window has a condensing lens function (partial diagram tt2), and the lower surface has a transmission type diffraction grating function (partial diagram tt3, the figure schematically showing grating lines of the diffraction grating). The condensing lens portion has a Fresnel type as described above in order to reduce the thickness of the front window. The front window is a set of patterns of many unit windows 33. One of the many Fresnel lenses is enlarged and shown in the partial diagram tt4. When it is desired to change the convergence in the XX direction and the convergence in the YY direction in the partial diagram tt1, the individual Fresnel lenses are changed from concentric circles to concentric ellipses or the like as in the partial diagram tt5, and the XX and YY directions are changed. What is necessary is just to make the focal length of a direction different. As described above, the upper surface may be a transmission diffraction grating and the lower surface may be a condenser lens. When the function of the diffraction grating or the function of the lens is unnecessary, the surface may be kept flat.
[0042]
The material and manufacturing method of the window will be described. In the present invention, the window material is an optical transparent resin (optical transparent plastic) or glass. Descriptions of plastic Fresnel lenses are omitted because they are generally distributed in large quantities. A method of forming one or both of a Fresnel lens and a diffraction grating on a glass surface typically includes the following (1) and (2). (1) Roll-out plate making method: A plate making method in which a molten glass is passed between two water-cooled rolls, and a pattern engraved on the rolls is transferred to the glass. This manufacturing method is general as a method for manufacturing template glass. What is necessary is just to form a Fresnel shape and a diffraction grating shape on the water-cooled roll. For example, the following A) and B) are applied. A) Apply ceramic spraying / polishing to the roll. The ceramic is ground with a diamond bite or the like to form a shape to be given to the glass. B) Instead of forming a ceramic surface on the roll in A), a tungsten alloy or a fine-grain cemented carbide is formed. Examples in which a tungsten alloy and a fine-grain cemented carbide are applied to a press mold for a glass Fresnel lens are described in various documents relating to molds (for example, literature: Precision Engineering Society, Vol. 67, No. 3. 2001, pp. 438- Hirofumi Suzuki, et al., Precision glass molding of micro Fresnel lens). (2) Press molding method: A mold is pressed onto glass in a softened state at a high temperature to transfer the shape of the mold. The mold has a Fresnel shape or a diffraction grating shape formed in advance. Naturally, the air-cooling / heat-enhanced glass technology may be applied to these glasses.
[0043]
When the material of the front window is a transparent resin, the method corresponding to (1) is a method of transferring the shape in the process of extrusion molding. FIG. 36 shows a concept in which a condensing lens and a diffraction grating are transferred to a string window portion of a string tube and shaped. In the field of plastic molding, transfer technology is usually added to a molding method called profile extrusion. The molten resin is given a predetermined shape by an irregular die. The pattern application of the Fresnel condenser lens in the string window portion is performed by engraving a Fresnel pattern on a transfer roll rotating on the outer surface side of thestring tube 22. The pattern of the diffraction grating in the string window is provided on the inner surface of the tube with a die. The direction of the lattice may be the direction indicated by the block arrow as the extrusion direction. The equivalent to (2) is the press molding (pressing) method, in which a mold is pressed against a plastic in a high-temperature softened state to precisely transfer the shape of the mold. In the case of plastic molding, it is clear that the low-cost mass-production technology established for optical disks (compact disks; music CDs) can be used in the present invention. The nickel electroformed stamper, which is a mold for mass production of optical disks, has a track pitch of 1.6 μm (625 lines / mm), which is finer than the grid pitch used in the present invention. Further, a fine shape having a pit width of 0.5 to 0.8 μm and a pit depth of 0.11 to 0.13 μm (refer to the partial view J2 of FIG. 36, the track pitch is T, the pit width is W, and the pit depth is D, respectively) (Notation) is precisely transferred at low cost (transfer cost of a few discs to about one disc) and mass-produced. When the plastic tube containing the light receiving unit is composed of a string trough and a string window, the window function, the condensing lens function, and the diffraction function can be formed by applying this pressing method to the string window. The method of forming the window is not limited to the above.
[0044]
The optical transparent plastic material will be described. PMMA had problems with water absorption, and PC had problems with weather resistance (deterioration by ultraviolet rays). For example, these problems have been almost solved by low water absorption grade, hard coat technology, weather resistance grade PC, and the like. Before about 1990, generally only PMMA and PC were available as optical transparent plastics. However, recent technological developments in optical transparent plastics have made it possible to use a variety of varieties other than PMMA and PC (for example, PS, PC, etc.). MS resin, SAN, etc., alicyclic acrylic resin, alicyclic polyolefin resin <for example, trade name <APO> of Mitsui Chemicals, Inc., ARTON trade name of Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.>, Hitachi Chemical Co., Ltd. )), Etc.) have become available. In particular, the water absorption (about 2%), which is the weak point of PMMA, which boasts the highest transparency, low birefringence, and weather resistance, is greatly improved to 0.01% with the above alicyclic polyolefin resin, and there is no problem with water absorption. It has become no longer. In addition, the transparency and the birefringence are comparable to those of PMMA, and the heat resistance is significantly higher. As the optical plastic material applied to the present invention, a material having various properties such as weather resistance, transparency, heat resistance, birefringence, and water absorption may be selected from these materials.
[0045]
Next, item # 3) Electrical connection of sector output common to a plurality of embodiments will be described. FIG. 19 and a partial diagram vv1 show the concept of the output connection of the solar cell in the present invention. Outputs of the plurality ofsolar cells 10 are connected to an input of a DA inverter 59 via a blocking diode 57 for blocking backflow. Note that there is also a method in which a DA converter is once connected to a DD converter and the DA inverter takes over the subsequent steps. The AC output (shown by a block arrow) of the DA inverter is connected (connected to the system) to a commercial power network (not shown). As shown in the partial view vv2, the output voltage of the solar cell of the present invention is different in position (for each sector) according to the wavelength. For this reason, the device shown in FIG. FIG. 20 corresponds to FIG. 19, which is obtained by extracting a portion surrounded by a dotted line in the partial diagram vv1, and corresponds to the partial diagram vv2. In the partial diagram ww1, the sector is shown by a dotted line, and the relationship between the sector, the position / wavelength (horizontal axis), and the vertical axis (sector output voltage) is conceptually shown. Partial view ww2 shows howsolar cell 10 is divided into a plurality ofgroup sectors 13. The group sector is composed of a plurality ofsectors 12 as shown in the partial diagram ww3. In the partial diagram ww4, thesectors 2 constituting thegroup sector 3 are connected in series by the serial wiring 53 to increase the voltage so that the voltage can be easily handled by the DA inverter and the DD converter. The wired group sector is referred to as asector assembly 15, and the voltage between the + terminal 54 and the-terminal 55 is defined as the output voltage Vas.
[0046]
Since the group sector is a set of adjacent sectors, there is almost no current mismatch between the sectors even if they are connected in series. If there is a current mismatch, the sector width can be adjusted at the time of design so that no current mismatch occurs. In this case, the constraint condition as in the case of the tandem type is not a single layer, but the sector width can be freely adjusted. It should be noted that the above-described electric wiring and electric connection can be formed or molded at the time of manufacturing the solar cell. Of course, if necessary, various IC elements and IC functions such as a blocking diode 57, a partial circuit of a DA inverter or a DD converter, or a transistor, a MOS element, a resistor, a capacitor, an output voltage / current monitor circuit of a solar cell, a self-diagnosis circuit, etc. May be integrated with the solar cell. That is, the solar cell can be made into an IC including the connection wiring, or may be made into an IC. Furthermore, it is a common means (conventional cost reduction means) of an electronic circuit manufacturer to integrate various chip components and a solar cell on a circuit board to form a hybrid circuit or a hybrid IC.
[0047]
The output voltage Vas described above is an addition of the sector voltage Vsc. Since the sector voltage is substantially equal between adjacent sectors (see partial diagram ww1), Vas is substantially equal to the product of the representative sector voltage Vsc near the center of the group sector and the number of sectors. That is, (Vas) ≒ (Vsc) * N. Here, N is the number of sectors included in the group sector. Since the sector voltage gradually changes with the position, the output voltage Vas of each group sector can be substantially equal if the number of sectors N is changed slowly. The concept is shown in the partial diagram ww5. For example, if the number of sectors N is about 50, the voltage variation of each group sector is about 1/50 = 2%. The partial diagram ww6 is a diagram showing the IV characteristics of the sector, that is, the IV characteristics (dashed line IV characteristics, dashed-dotted line Pmax point, solid line output voltage characteristics). An enlarged view near the point Pmax is shown in the partial diagram ww7. By applying the above-mentioned group sector variation of 2% to the partial diagram ww7, the efficiency reduction dP is roughly estimated to be about 0.2% with respect to Pmax in the IV curve of a silicon single crystal solar cell, a GaAs solar cell, or the like. small. Therefore, the decrease in efficiency due to voltage variation is sufficiently small. In the partial diagram vv1 of FIG. 19, the output of each solar cell 10 (corresponding to the output of each sector group in this case) is forcibly regulated to the same voltage via a blocking diode, but dP is a decrease in efficiency in that case. Minutes.
[0048]
Next, a description will be given of an item common to a plurality of embodiments, # 4) enclosure sealing and air purging. In the present invention, since an optical path space is required, molding cannot be performed by EVA or the like as in a conventional solar power generation device. It is necessary to prevent moisture, harmful gases, fine particles, and the like from entering the space for housing the solar cell and the optical system. For this purpose, means peculiar to the present invention such as airtight sealing of the housing, sealing of the housing, and air purging are employed. FIG. 21 shows each means relating to the present invention. Airtight type # 1): Thestring tube 22 is manufactured by extruding a transparent plastic, and aplastic side plate 23 is welded. (See partial figure xx1). This provides a completely hermetic space. In addition, it is more preferable that dry nitrogen is sealed during the hermetic sealing. The electrical connector and the like may be hermetically sealed or the like by welding. Airtight type # 2):String trough 24 is manufactured by extruding plastic. The string window 32 is made of a transparent plastic. As shown in the partial view xx2, a string window and a plastic side plate are welded to the string trough to form a closed / airtight space. Hermetic type # 3): Apump 75 and an air dryer 74 are connected to the glass window typelight receiving casing 21 via an air pipe 76, and air is always purged with dry air having a low dew point (see a partial view xx3). Recently, a hollow fiber membrane filter dryer can be distributed and obtained at low cost. It is easy to make the dew point temperature about 20 degrees C below zero. In the hollow fiber membrane filter, the difference in molecular size between water vapor H2O and the main components of air, N2 and O2, is defined as the difference in gas permeability of the fiber membrane. It is sufficient that the inside of the light receiving housing is slightly higher in pressure than the outside air (for example, 1 mmaq to several mmaq). The pump can be a very small pump, and the power consumption is very small.
[0049]
In a light receiving housing of a conventional solar power generation device, a front window is typically surrounded by reinforced glass, a side surface is surrounded by an aluminum frame, and a rear surface is surrounded by glass or plastic. The inside of the housing is filled with an EVA resin or the like, and the infiltration of moisture and harmful gas is considerably suppressed by applying a moisture-proof laminated film. In general, when glass is used for a part of a housing, an extremely troublesome problem (cost, sealing temperature, and difference in thermal expansion coefficient) is involved in hermetic sealing. Glass, metal, and plastic have significantly different coefficients of thermal expansion. Due to the difference in thermal expansion coefficient between glass and aluminum, the light receiving housing cannot be completely airtight. As is well known, even if the front window glass is sealed using a metal whose thermal expansion coefficient matches that of the glass, the melting temperature of the sealing glass (commonly called frit) needs to be about 300 ° C. or more. Since the temperature is too high, it cannot practically be used for hermetic sealing of solar cells, their wiring, EVA resin and the like. That is, weather resistance, especially moisture resistance, is important as a factor of the life of the conventional solar power generation device, but hermetic sealing is practically impossible. However, in consideration of hail damage, scratch resistance, and deterioration by ultraviolet rays, a front window made of a transparent plastic cannot be used, and a glass window has to be used. If the glass breaks and falls off the roof, it is life-threatening, so it has to be expensive reinforced glass (safe because broken pieces are fragmented and sharp edges are not generated). Glass and aluminum are about 2.5 times as heavy as plastics, making it difficult to reduce the weight. Further, since glass has a low transmittance of ultraviolet rays of 0.36 μm or less, the ultraviolet rays cannot be used effectively.
[0050]
The above-mentionedhermetic type # 1 andhermetic type # 2 solve these problems at once. In the partial views xx1 and xx2, the string tube, the string window, the side plate, and the string trough are all plastic and can be welded to each other at a low temperature, or can be hermetically bonded. Accordingly, welding can be arbitrarily performed after the light receiving unit is assembled. That is, a completely airtight space can be obtained at low cost. In addition, plastic extrusion production is lower in cost than glass production (glass production is about 700 ° C. and plastic is about 150 ° C.). Extrusion manufacturing is particularly suitable for mass production and continuous productivity, and is low in cost. Therefore, the problem of infiltration of moisture, harmful gas and fine particles is completely eliminated at a lower cost than before. Partial diagram xx4 shows the state of tracking the solar longitude at the time of power generation, and partial diagram xx5 shows the state of hail or typhoon. The transparent window side is completely protected from hail or flying objects, and there is no abrasion peculiar to plastic, and optical transparency is maintained. The vertical upper part is indicated by a block arrow. The problem of the abrasion characteristic of plastic (a hail or a flying object due to a typhoon) relating to the front window can be avoided by using the sun tracking mechanism also as the reversing mechanism. Of course, the arrangement of the partial diagram xx5 may be of course at night or in rainy weather. The arrangement of the partial view xx5 prevents the loss of transparency due to dust accumulation and abrasion over the years. In particular, it is apparent that dust and the like are likely to be shaken off unlike the case of the prior art. Furthermore, since the time when the window portion faces upward can be limited during daytime power generation, the accumulation of bird droppings, dead insects, plant leaves, and the like is significantly less than that of the conventional front window, which is advantageous for maintenance.
[0051]
In the partial view xx2, if thestring trough 24 is made of PC (polycarbonate, this material is self-extinguishing) and the string window 32 is made of the alicyclic polyolefin resin described above, toughness higher than glass (PC is glass) ) And transparency higher than the sheet glass (alicyclic polyolefin resin is more transparent than the sheet glass especially in the ultraviolet region). The strength of the hail is taken over by the PC on the back. Further, being transparent to ultraviolet rays means high weather resistance. As described above, thehermetic type # 1 and thehermetic type # 2 are: 1) complete hermeticity = life, 2) weather resistance = lifetime, 3) low cost = mass productivity and low temperature, 4) scratch resistance = hail・ The problems of typhoon, 5) light weight, 6) use of ultraviolet energy, 7) maintainability, and 8) recyclability were eliminated at once and at the same time. An additional explanation on maintainability and recyclability will be given. The conventional housing uses reinforced glass of about 1 m square and cannot be divided, and it is difficult to replace, maintain, and recycle the deteriorated solar cell part due to the adhesive mold. On the other hand, this string system allows free recycling and maintenance in units of strings. Separate recycling of the string tube and the built-in optical system and built-in solar cell is also free.
[0052]
Next, an item common to a plurality of embodiments, # 5) a blaze angle of a diffraction grating and press mass productivity will be described with reference to FIG. Diffraction gratings used in spectrometers, which are precision analyzers, and particularly reflection-type diffraction gratings, are often used in a Littrow mount format as shown in the partial view A1. Therefore, the blaze angle (denoted by aB in the partial view A2) for concentrating the diffraction energy to a specific order is often large (for example, 30 degrees). Therefore, since the amount of irregularities in the lattice portion is large and the lattice constant is as fine as about 1 μm, mass production cannot be performed by pressing, and the mass productivity of applying a UV curable resin to the glass prototype and taking replicas is low. On the other hand, the reflection type diffraction grating applied to the present invention is used in an arrangement in a substantially regular reflection direction as shown in a partial view A3. Therefore, the blaze angle may be zero (that is, no blaze is required) or minute (for example, several degrees or less). Therefore, the amount of unevenness in the lattice portion may be almost zero, and mass production of plastic presses is possible and low cost. Incidentally, since the track pitch is about 1.6 μm and the pit depth is about 0.11 to 0.13 μm in the above-mentioned music CD which is mass-produced in a press, it is 625 lines / mm in terms of diffraction grating, and it is a blaze based on a simple similar approximation. Angle = about 5 degrees = corresponding to ATAN (0.13 / 1.6).
[0053]
Since the transmission type diffraction grating used in the present invention also uses a substantially vertical transmission direction, the blaze angle is unnecessary or the blaze angle may be small, and low-cost mass production by pressing is possible as with the reflection diffraction grating. A diffraction grating having a blaze angle of about 5 degrees has been practically used in binary optics, which is a known technique. Furthermore, since the diffraction grating applied to the present invention has a wide wavelength range of sunlight (about 0.36 μm to 2.4 μm), the grating constant is about several μm (for example, 3 to 15 μm), which is larger than the wavelength of sunlight. . Therefore, the diffraction efficiency is large in a region where scalar calculation can be performed, and the necessity of blazing is small. Further, in a system using a large number of orders (for example, +2 order, +1 order, -2 order, -1 order, and zero order re-diffraction) as in the first example of the embodiment described below, the necessity of blaze is low. This concludes the description of items # 1) to # 5) common to the embodiments, and returns to the description of the embodiments.
[0054]
A first example of the embodiment will be described with reference to FIGS. 10, 22, 23, 25, and 26. 10 shows a state in which a plurality of light receiving units 40A as light receiving units are juxtaposed inside thestring tube 22. Partial view mm1 shows a state in which many string tubes are juxtaposed on the roof. The partial view mm2 is an enlarged view thereof. The partial views mm5 and mm6 show how the solar altitude tracking is performed by the rotation of the light receiving unit. The partial view mm4 is an optical system diagram of the partial view mm1 viewed from the arrow SA-SB, and the partial view mm7 is a partial view mm6 of the optical system view of the SC-SD arrow. The partial view mm8 is a side view of the partial view mm7. As shown in partial views mm7 and mm8, the optical system of the light receiving unit includes a condenser lens 44, a diffraction grating 41A, a solar cell 10A, and a diffraction grating 41B. In addition, although the example in which the string tube group is intentionally brought to one corner of the roof is shown in the partial diagrams 1 and 2, it is to show an advantage over the prior art. Usually, the string tube group may be installed at the center of the roof as shown in the partial view mm3. In the prior art, a triangular-shaped solar cell panel was required to forcibly dispose the solar cell panel at one corner of the roof, resulting in an increase in the number of types of products to be manufactured and complicated processes, resulting in a high cost. On the other hand, in the present invention, the length of the string tube may be simply changed, so that it is unlikely to cause a cost increase.
[0055]
FIG. 22 shows details of ray tracing of the partial view mm7. Partial view yy1 shows that the optical system is bilaterally symmetric. Since the optical system is symmetrical, only one side is shown for ray tracing for easy viewing of the drawing. Partial drawing yy2 shows ray tracing of zero-order light (the incident angle and the diffraction angle are equal to the normal to the reflection type diffraction grating). The partial diagram yy3 is a ray trace of the first-order diffracted light (only one wavelength is shown for the sake of clarity). As shown in FIG. 23, the positive and negative orders of the diffraction order in this specification are CCW (counterclockwise) and + (plus) the CCW (counterclockwise) and-(minus) orders, respectively, for the zero-order light. I do. Partial drawing zz1 shows the case of a transmission type diffraction grating, and the order is shown up to the second order. Block arrows schematically show the used wavelength range and its position. Further, if necessary, as shown in the partial diagram zz3, a dotted line or λL indicates the position and the long wavelength side. The intermediate wavelength is represented by λM or a dashed line, and the short wavelength side is represented by λS or a thick solid line. Partial drawing zz2 is the case of the reflection type diffraction grating. Second-order or higher-order light, block arrows indicating the wavelength range, and the like are the same as in the transmission type, and are not shown. The partial diagram yy3 of FIG. 22 also shows that the zero-order light of the diffraction grating 41A is effectively used (re-diffraction) by the diffraction grating 41B. The partial diagram yy4 is an enlarged view of the vicinity of thesolar cell 10 in the partial diagram yy3. However, the second-order diffracted light was also added by a dotted line. Partial view yy5 is a further enlarged view of partial view yy4. The method of showing the diffracted light follows the method of FIG. The first-order diffracted light and the second-order diffracted light are illustrated so that they can be distinguished by the difference between the white block arrow (first order) and the black solid block arrow (secondary).
[0056]
In the partial view yy5, the vicinity of the center of the solar cell is transparent (or open) so that zero-order light (transparent in the figure) can be transmitted. As shown in the partial views yy1 to yy5, in the first embodiment of the invention, the solar cell is of a double-incidence type. In the partial view yy4, the position of the first-order diffracted light is the same on the front side (diffraction grating 41A side) and the back side (the diffraction grating 41B side) of the solar cell, and the position of the second-order diffracted light is different. In the partial diagram yy5, the positions of the first-order diffracted light and the second-order diffracted light are different positions on the front side and the back side of the solar cell. By selecting the grating constant, focal length, incident angle, focal length of the condenser lens, etc. of the diffraction grating, the positions of the primary and secondary diffracted lights on the solar cell can be made equal. The description is ordinary (general dispersion calculation of the diffraction grating), and thus the description is omitted. The method of forming a dual-incidence solar cell may be a known method, that is, forming a solar cell on both sides of an opaque substrate, or forming a dual-incident solar cell on one side of a transparent substrate.
[0057]
The fact that the light collection degree of the first embodiment is approximately 100 times is shown with reference to FIGS. FIG. 25 corresponds to FIG. (A) and (d) in the figure indicate angles. The diffraction angle of the diffraction grating with respect to the normal NF of the diffraction grating is defined as (b) using CF as the principal ray, and the coordinates of the point at which the first-order and second-order diffracted lights of each wavelength enter the solar cell are obtained. ML is calculated. The light concentration in the ZZ direction is given by (ZZ light concentration) ≒ (AD) / (8 * ((ML) + (JK))). Here, thecoefficient 8 is 8 = 2 * 2 * 2 = (coefficient of left-right symmetry of the optical system: 2) * (coefficient of front and back of the solar cell: 2) * (+-order: 2). The following relationship holds: (ML) = (ZL)-(ZM); (ZM)-(ZJ) = (FZ) * TAN ((c) mn); where the angle (c) is calculated by the following equation. (C) mn = (a)-((b) mn), where (b) is the diffraction angle, the subscript mn of the angles (b) and (c) is the subscript m = diffraction order, and the subscript n = wavelength identification number. . (FZ) = (FE); (FE) = (HE) / COS (d); SIN (a) −SIN (b) = m * (λmn) / D, where m is the diffraction order, λ Is the wavelength of the diffracted light, D is the lattice constant, and the suffix mn of λ is as described above. (D) = ATAN ((BC) / (BE)); 2 (a) = (π / 2) − (d); (BC) = (AQ) / 4. In the above relationship, an example of design numerical values (collective lens size = AQ = 100 mm, focal length of the collective lens = BE = 65 mm, BH = 40 mm, lattice constant = 10 μm; numerical examples: mm, μm Is substituted with millimeters and microns to avoid confusion with the suffixes m and n) to obtain an example of the converging power in the ZZ direction, ie, converging power = 1.01.
[0058]
Referring to FIG. 26, the light condensing degree in the YY direction is obtained. Since the parallelism (s) of sunlight is a half angle of about 16 minutes, the principal ray forms an angle of (s) = 16 minutes with respect to the optical axis. The converging diameter D (shown by a block arrow in the drawing) of the converging lens 44 is given by D = 2 * TAN (s) * (FL). Here, FL is the focal length of the condenser lens. Therefore, when the aperture of the condenser lens is C, (YY direction light concentration) = C / D. As an example, if the aperture of the condenser lens = C = 100 mm and the focal length = F = 65 mm, the light collection degree is 165 times. Even if spherical aberration is suppressed by using a converging lens as an aspherical lens, chromatic aberration remains, so the practical condensing degree is lower than 165 times, for example, about 100 times. One example of the light concentration in the first embodiment is the product of the light concentrations in the ZZ direction and the YY direction, so that (1.01) * (100) = about 100 times is obtained. Note that the light concentration varies depending on design parameters. Furthermore, it varies with the difference in the optical system. For example, in FIG. 25, the angle BHZ is a right angle, but this is for the sake of easy viewing and calculation of the figure, and is not necessarily required to be a right angle. In an actual design, an optical path length is used. , Optical component dimensions, electrical wiring, etc. take precedence.
[0059]
A third embodiment of the present invention, which is an application example mainly to a solar power generation device for space, will be described with reference to FIGS. Since it is applied to space applications, EOL output / W (end of life: ratio of power generation output at the end of life and W: weight; the larger this ratio is, the more suitable for space applications). It is designed. Specifically, the third embodiment of the present invention is characterized by three items: (1) cosmic ray resistance, (2) high power generation efficiency, and (3) light weight. FIG. 27 is a conceptual diagram of the optical system. The optical system is a type called Cassegrain in the field of optical design. Partial view C6 shows the optical system of this embodiment. The configuration of the optical system includes a condensing mirror 45 for reflecting and condensing sunlight, a diffractive light beam for diffracting and splitting the light beam, and a convex diffraction grating 41B for forming an image on a focal plane. A grating 41C, a concave lens type diffraction grating 41D for redistributing (re-diffraction) zero-order light, and a solar cell (not shown) on a focal plane are coaxially formed on the optical axis. Except for the solar cell and the diffraction grating, they are rotationally symmetric with respect to the optical axis. The grid direction is perpendicular to the plane of the drawing. When the light concentration is intentionally reduced to prevent overheating of the solar cell, the rotationally symmetric shape is slightly deformed in order to increase the image width in the direction perpendicular to the plane of the drawing. Alternatively, it is easy if the focus is slightly defocused while keeping the rotationally symmetric shape. However, in the case of defocusing, the wavelength purity is slightly reduced.
[0060]
Partial view C1 is a ray trace of a general Cassegrain optical system. The sunlight is condensed by the condenser mirror 45, reflected by the convex reflecting mirror, and condensed at the focal point. The converging mirror is a paraboloid, and the convex reflecting mirror is an approximate hyperboloid. The optical system shown in the partial view C2 is obtained by forming a diffraction grating 41B by engraving a grating on the surface of the convex reflecting mirror. The focal plane serves as an image plane, and zero-order light, first-order light, second-order light, and even higher-order light are imaged. A solar cell (not shown) is arranged in this portion. The use order of the solar cell is +2 order + 1 order, -1 order, -2 order. The energy distribution of the third or higher order light is very small and can be ignored. The detail of the focal plane portion surrounded by the dotted line (that is, the detail of the diffraction image) is enlarged and shown in the partial view C3. The display method is the same as that of the partial view B2 in FIG. A diffraction grating 41C may be added as shown in the partial view C5. The surface of the diffraction grating 41C is treated with an infrared transmitting film as shown in a partial view qq8 of FIG. Near infrared light is transmitted. The diffraction grating 41C has the same dispersion as the diffraction grating 41B and similarly forms an image on the focal plane. In this case, the wavelength region shared by the diffraction grating 41B is the infrared region and a part of the near-infrared region. The reason why two types of convex diffraction gratings are used and the wavelength region is shared is diffraction efficiency and reflection efficiency. If it is difficult to achieve high efficiency and high reflectance over a wide range of wavelengths with one diffraction grating, the two diffraction gratings may be assigned wavelengths in this manner. Further, a diffraction grating 41D is added to the partial view C5. The diffraction grating 41D diffracts zero-order light again. The diffraction grating 41D is a concave transmission diffraction grating, and diffracts zero-order light and forms an image on the same focal plane as other diffraction gratings. Eventually, the image plane includes the zero-order re-diffracted light as shown in an enlarged view in the partial view C4. The Cassegrain optical system according to the present embodiment has a reflective optical system as its main part, and has little chromatic aberration due to a difference in refractive index and no window glass. Therefore, it is an optimal optical system for space applications where the wavelength range to be handled is wide.
[0061]
The partial view D1 of FIG. 28 is a perspective equivalent view of the partial views C5 and C6 of FIG. The condensing mirror 45 is subjected to aperture processing (or transparent processing) in a small area for the solar cell 10B as shown in the partial view D2 by enlarging the SE-SF arrow in the partial view D1. Therefore, high-energy cosmic rays that cause the solar cell 10B to degrade with time and cumulative performance are more likely to be shielded than the conventional non-concentrating solar cell panel type. Here, the high energy cosmic ray is, for example, a proton beam of about 10 MeV, an electron beam of about 1 MeV, or the like, and includes a component which increases or decreases due to solar activity (flare or the like), and is not isotropic in space. High energy cosmic rays penetrate germanium to a depth of about 300 μm. In the prior art non-focusing type, the solar cell is always facing the sun and must be exposed to high-energy cosmic rays. In the present embodiment, since the area of the solar cell is small, even if a shielding box, a slit, an optical path bending mirror and the like, which are not shown, are added and the cosmic ray shielding is almost complete, the weight increase is small. The three types of diffraction gratings 41B, 41C, and 41D also contribute to shielding. Further, the solar cell can be prevented from directly facing the sun by using the optical path bending.
[0062]
Partial view D3 is an enlarged view of diffraction gratings 41B and C, and partial view D4 is an SG-SH enlarged view. As shown in the partial views D3 and D4, the direction of the lattice is the YY direction perpendicular to the XX direction. In the above description, the shape of the condensing mirror is illustrated as a circle for the sake of simplicity of the drawing. However, as shown in the partial view D5, the packing factor is that the square is the closest packing. Actually, a square is better than a circle in area efficiency.
[0063]
Solar cell-related structures for space use are mainly of a deployable type and an inflatable type, and the technology of the present invention is suitable for both types. In the unfolded type, as shown in FIG. 29, the condensing mirror 45 can be formed integrally with the honeycomb plate 71, and it is possible to reinforce each other, which is convenient (that is, weight reduction means = cost reduction means). ). The diffraction gratings 41B and 41C or the diffraction grating for zero-order light (not shown) may be guided to a predetermined position (indicated by a block arrow) when the paddle is deployed. As shown, the concave space of the condenser mirror is effectively used at the time of folding. Also, since it is a condensing type, the solar cell 10B and the radiator 79 can be made sufficiently small, so that the solar cell 10B and the radiator 79 can be freely incorporated into a honeycomb plate. Further, as shown in FIG. 1, in the present invention, the radiator is small (the radiation area is small) because the excess photon energy does not wastefully heat the solar cell in Joule as shown in FIG. In addition, in the inflatable type, the light collecting mirror can be made of a film type to further reduce the weight. Although the silicon type is out of comparison due to low efficiency, a typical example of a three-layer tandem which is a conventional technology for space solar cells (InGaP = 0.55 μm, InGaAs = 3.75 μm, Ge = 150 μm) The weight of the technology of the present invention (deployed type in FIG. 29) is roughly compared with that of the technology of the present invention. The radiator and honeycomb plate are the same weight for both technologies. (Actually, in the case of FIG. 29, the solar cell area is as small as about one-hundredth, so the radiator can be made small. Also, since the condensing mirror also serves to reinforce the honeycomb plate, the honeycomb plate can be reduced in weight but ignored. After all, a comparison is made between the condenser mirror (which is an aluminum plate) and a thickness of Ge = 150 μm. Considering the specific gravity of aluminum (specific gravity = approximately 2.7) and germanium (specific gravity = approximately 5.32), if the plate thickness of the aluminum condensing mirror is approximately 295 μm or less, the weight of the case of the present technology is reduced. Since the diffraction grating, the support mechanism, and the like are small-sized or small-diameter tubes and are lightweight, the weight is ignored. It is clear that the thickness of the aluminum plate can be reduced to 295 μm or less under zero gravity. That is, the present invention can be made lighter than the prior art.
[0064]
FIG. 30 shows a band gap configuration of a solar cell for space. An example of the present invention is shown by a solid line, and a typical example of a conventional three-layer tandem is shown by a broken line. The vertical axis represents band gap energy, and the horizontal axis represents wavelength (wavelength unit is 0.1 μm). In the wavelength range and the device of this embodiment, 0.2 to 0.35 μm is PL (photoluminescence), 0.35 to 1.8 μm is mixed crystal or doping, and 1.8 to 2.4 μm is nipi superlattice. is there. A typical wavelength range and device for a three-layer tandem is that the top layer is about 0.3-0.66 μm GaInP, the middle layer is about 0.66-0.9 μm GaAs, and the bottom layer is about 0.9-0.9 μm Ge. 〜1.8 μm. In the case of the present invention, since it is a spectral type, the PL in the far ultraviolet region and the superlattice in the infrared region have no effect on other near ultraviolet, visible, near infrared, or infrared light. On the other hand, in the related art, since the wavelength trade-off occurs as described above, the wavelength range of sunlight that can be used in the present invention is narrow. For example, if the case of PL (photoluminescence) is described again, the application of the PL material is difficult or impossible to use because the light scattering to the PL material reduces the amount of light rays below the top layer. An example will be described. A case is considered in which a low-cost fluorescent material which is widely distributed as a PL material for fluorescent lamps and absorbs near the mercury emission line (253.7 nm) is added to the tandem top layer. Since the fluorescent material is in the form of particles, not only short-wavelength light but also long-wavelength photons that should pass through the tandem lower layer are scattered. That is, propagation to other tandem layers is a constraint. On the other hand, in the technology of the present invention, since each wavelength is independent at each position, the addition of the wavelength region has no effect on the solar cell in other wavelength regions (irrespective of ultraviolet to infrared). That is, there is no constraint.
[0065]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, as shown in the partial view E1 of FIG. 31, the entire module housing 25A performs solar altitude tracking and solar longitude tracking corresponding to FIG. FIG. 18 showing various sun tracking types corresponds to a partial view uu1 and is the above-described suntracking type # 1. As shown in FIG. 17, the front window 31A serves as a condenser lens and a transmission diffraction grating on the front and back sides, and also has three functions including a window function. Since the entire housing tracks the sun, each optical axis of the light receiving unit group inside the housing is immovable (in the case of the partial view uu3 in FIG. 18, it is a movable unit, but does not move in this embodiment). Partial view E2 of FIG. 31 shows the optical system of the light receiving unit of this embodiment and the tracing of the principal ray. A transmissive diffraction grating 41D also serving as a concave lens is arranged at a position where there is no vignetting (kick) by the + -1st-order diffracted light. The transmission-type diffraction grating 41E is for re-diffraction of zero-order light as in the third embodiment (see the partial views C4 and C5 in FIG. 27). The imaging on the focal plane in FIG. 31 and the partial view E2 is the same as that in the partial view C3 in FIG. A solar cell (not shown) arranged on the focal plane in the partial view E2 of FIG. 31 also uses + -2 order light, + -1 order light, and re-diffracted light as in the third embodiment. Since the optical axis of the partial view E2 of FIG. 31 is immobile, the pitch between adjacent light receiving units is the close-packing type pitch of the partial view D5 of FIG. Therefore, the size and pitch of the unit window 33 (partial view E1) are equal to the pitch of the optical axis, and an example of the repetitive pattern is shown in the partial view TT2 of FIG.
[0066]
In this embodiment, the entire housing must track the sun, but it has the following advantages and advantages over the other embodiments of the present invention. In addition, there are advantages and advantages of (2) to (4) as compared with the prior art. {Circle around (1)} Since the front window also has the three functions of the window, the condensing lens, and the diffraction grating, the optical system is the simplest, and the cost of the optical system is low. {Circle around (2)} Since the light receiving unit is a close-packed type and has high efficiency, the area of the light receiving device can be reduced, leading to a reduction in the cost of the solar power generation device. {Circle around (3)} In the case of a rooftop installation, only one panel or at most two panels are required, so that the frame amount is small, that is, light. Therefore, the frame cost is lower than the prior art. As an example, FIG. 32 shows a comparison of a schematic light receiving area with the conventional technology. For example, in the case of a 2KW system, a partial diagram F1 shows a typical example of this embodiment, and a partial diagram F2 shows a typical example of a conventional silicon single crystal solar cell type. In this example, the power generation efficiency is 30%, the light receiving area is 6.67 square meters, and only one panel is used. The conventional technology has a power generation efficiency of 12.5%, a light receiving area of 16 square meters, a total of 16 panels required, and one panel is 0.9 * 1.1 m. {Circle around (4)} Since the light receiving area is small, various incidental costs such as installation work costs, wiring costs, transportation costs, storage costs in factories or warehouses, material storage costs at the time of manufacture, packing costs, and the like can be reduced. The air purge of this embodiment uses the above-described hollow fiber membrane. However, since only one or two housings are to be purged, the amount of air purge consumed is extremely small.
[0067]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the fifth example, the solar altitude tracking according to the first embodiment is performed by the string unit 28 as shown in a partial diagram G8 of FIG. Therefore, in this example, as shown in FIG. 34, the solar longitude tracking is rotation around the rotation axis of each individual string unit 28 (shown by a rotating arrow), and the solar altitude tracking is the rotation movement of the entire string unit group (by a block arrow). (Shown). In this embodiment, the diffraction grating is of a transmission type as in the fourth embodiment. Accordingly, the optical system, ray tracing, and imaging of the diffracted light beam are the same as those in the partial view E2 of FIG. Diffracted light is also used up to the second order. As shown in the partial view G2 of FIG. 33, a transmission-type concave diffraction grating 41F for zero-order light re-diffraction is also used. Therefore, the optical system of the unit light receiving unit is composed of the unit window 33, the diffraction grating 41F, and the solar cell 10D as shown in the partial view G2. A large number of light receiving units are housed side by side in the length direction of the string tube (YY direction-South-North direction in the partial view G1).
[0068]
The partial views G3 and G5 show that the string window 32 also functions as a condenser lens (the front side of the window) and a diffraction grating (the back side of the window, that is, the inside of the string tube). The unit window 33 is shown in the partial view G2 as a repeating unit of the condenser lens, and an example of the Fresnel shape is shown in the right side of the partial view G3. In order to suppress the spherical aberration of the lens, it is natural that the Fresnel unevenness is preferably an aspherical type. The grating direction of the diffraction grating is shown in the partial view G5. The string tube length direction may be the lattice direction as shown in the partial view G6. In this case, as shown in the partial view G7, the longitudinal direction (diffraction direction) of the solar cell 10D is perpendicular to the paper surface, and the YY direction is short. The front surface of the window may be a diffraction grating, and the back surface may be a condenser lens. A partial view G4 shows the partial view G1 as viewed from an arrow SG. The left side view of the partial view G4 shows the optical axis and the principal ray similarly to the partial views G2 and G7. In the right part of the partial view G4, the optical axis and the principal ray are not shown, the string tube cross section, the string window for three functions (window, condenser lens, diffraction grating), the diffraction grating for zero-order light re-diffraction, and the solar cell only Is shown.
[0069]
In the present embodiment, as in the first embodiment, a string tube or a string trough is used as a housing, so that the above-describedairtight type # 1 orairtight type # 2 is possible. ) To 8). That is, 1) complete airtightness = lifetime, 2) weather resistance = lifetime, 3) low cost = mass productivity and low temperature during production, 4) scratch resistance = hail / typhoon, 5) light weight, 6) use of ultraviolet energy , 7) maintainability, and 8) recyclability.
[0070]
FIG. 35 schematically illustrates an example of arrangement of solar cells for receiving scattered sunlight that is not direct sunlight as in cloudy weather or rainy weather. Partial view H1 is a view in which a solar cell 10E for scattered sunlight is added to partial view G2 of FIG. Partial view H2 is a view in the SH direction of partial view H1. Referring to both partial views, it can be seen that the solar cell 10E for scattered sunlight has an arrangement that does not interfere with light incident on the solar cell 10D for direct sunlight. The spectral distribution of the scattered sunlight in cloudy or rainy weather has less components in the ultraviolet to blue wavelength region and the components in the red to near infrared to infrared wavelength region compared to direct sunlight. This is because the shorter wavelength side is affected by λ4 law scattering (Rayleigh scattering), and the longer wavelength side is affected by moisture absorption in the atmosphere. Therefore, the solar cell 10E for scattered sunlight preferably has good sensitivity in the visible region, such as an amorphous silicon thin film type. In addition, since the solar cell area is large, low-cost, thin-film, and organic solar cells are naturally suitable as solar cells for scattered sunlight. In FIG. 35, instead of the solar cell 10E for scattered sunlight, a film mirror having the same shape is arranged at the same position, and the solar cell 10G for scattered sunlight is directly May be arranged around the same solar cell 10D on the same plane. This takes into account that the amount of power generated by scattered sunlight is often orders of magnitude smaller than the amount of power generated by direct sunlight. For the measurement example in which the spectral distribution of the scattered sunlight changes as described above, for example, the following document is referred to. (Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, B, Vol. 63, No. 605, January 1997, pp. 299-305; Measurement and arrangement of spectral solar radiation for solar energy utilization, Hiroshi Baba, et al.).
[0071]
It should be noted that the above-described embodiments have been described with reference to only typical ones. Therefore, in addition to these embodiments, there are various embodiments belonging to the following (1) and (2). {Circle around (1)} A similar embodiment example by changing the selection / combination between the partial elements of the embodiment example described above. Here, the partial element means the following. Element # 1: Selection of solar cell band gap configuration and its semiconductor type, Element # 2: Selection of solar tracking type, Element # 3: Selection of housing, Element # 4: Either transmission grating or reflection grating Choice, and so on. (2) It is natural that a new embodiment can be conceived by partial modification or partial modification in accordance with the gist of the present invention. Six examples of partial modifications and changes relating to the above (1) and (2) will be given.
[0072]
Partial Modifications and Modifications # (1) -1) Embodiment In the first example, a reflection type diffraction grating is applied to the partial views mm7 and mm8 in FIG. If the condensing lens is changed so as to double as a transmission diffraction grating, a transmission type optical system can be obtained. That is, this is a new sixth example of the embodiment. Modification # (1)-(2)) Embodiment The fifth example is a transmission diffraction grating type. If the reflection type optical system shown in FIG. 10 is a partial view mm7, a seventh example of a new embodiment is obtained. In this case, the dimension in the ZZ direction in the drawing is short, the dimension in the ZZ direction of the string tube can be made shorter than in the fifth example, and the cross-sectional area of the tube is reduced. In Modification # (2) -1), the sector interval is variable. 11 and 20, the sector intervals are illustrated at an equal pitch. When there is a current mismatch between the sectors, the sector interval is continuously varied as described above. Partial modification / modification example # 2-2) relates to the blaze of the diffraction grating. If the blaze angle is increased and the diffraction efficiency of one order is maximized, it is not necessary to dispose solar cells in other orders, and the required area of the solar cell is further reduced and the light collection rate is further increased. Also, the use of zero-order light becomes unnecessary, and the number of optical components is reduced.
[0073]
At present, to increase the blaze angle, a combination of the three element technologies of A) holographic exposure, B) ion etching technology, and C) UV curing resin replica technology is suitable for mass production. Not so high production cost. (Note: Grooving by a ruling engine has low diffraction efficiency.) Therefore, in this embodiment, a press-type diffraction grating with zero blaze angle and good mass productivity is presented. If a low-cost, mass-productivity, large blaze angle technology is developed, it can be used naturally. Partial modification / modification # 2-3) describes an example in which a Cassegrain optical system (third embodiment, see example FIG. 27) is modified to a Gregory optical system. Since the Gregory optical system can substitute an approximate spherical surface instead of an aspherical surface for the secondary mirror, the cost is low. A partial modification / modification example # (2) -4) is a Cassegrain optical system (see the third embodiment, example, FIG. 27), in which the diffraction grating for re-diffraction is changed from a transmission type to a reflection type (partial diagram yy2 in FIG. 22). (Refer to the reflection diffraction grating for zero-order light re-diffraction). Since the Cassegrain optical system does not include any refractive system, chromatic aberration can be completely eliminated, making it more suitable for space use.
[0074]
The selection of the various embodiments described above has an aspect in which the convenience of the purchaser of the photovoltaic power generator is prioritized. That is, a purchaser who does not allow the entire housing to be moved by the solar altitude tracking (fourth and fifth embodiments) due to the roof of the house, or conversely, adds value to energy saving of lighting and ventilation shown in FIG. Purchaser who wants solar power generation for roof material integration, needs weather resistance and flame retardancy of 30 years or more, and does not allow plastic materials (in this case, the string pipe method-the embodiment) The first, fifth, sixth and seventh cases are acceptable; PCs are self-extinguishing plastics), buyers who prioritize the ease of future expansion of power generation scale, and the dramatic increase in future solar power efficiency Considering the possibility of the emergence of improved technology, buyers who place the highest priority on ease of replacement, buyers who do not allow glass window materials in light of the imminent earthquake disaster, or who place the highest priority on light weight, etc. . Further, the prediction of fluctuation and transition of various material costs over time and in the future, and the prediction of fluctuation of production cost and transition of cost due to the development of production technology are factors for the production / manufacturer to judge the selection of the embodiment. Therefore, the selection of each embodiment described above is made in consideration of these circumstances. Overall, the string tube or string trough system of the first, fifth, sixth, and seventh embodiments achieves a low power generation unit price (yen / KW), low cost mass productivity, weather resistance, and durability. It excels in various items such as performance, maintainability, recyclability, light weight, ease of replacement, and flexibility for expansion and change.
[0075]
【The invention's effect】
The unit price of power generation (in yen / KW) by the conventional solar power generation device is higher than the unit price of the commercial power network such as nuclear power generation, thermal power generation, and hydroelectric power generation. For example, in Japan, the power generation unit price is twice or three times higher. Thus, for example, in Japan, the primary incentive to purchase solar power plants is a volunteer component based on solar power purchasers' global environmental protection values, the purchase subsidies of public institutions. In the short term, it cannot compete with the commercial power grid. The economic principles that pursue the effects of purchasing and investing have deviated from the economic principles, and the spread of these technologies is of course limited. For example, in Japan in 2000, the amount of solar power generated is less than 0.1% of the total power generated by nuclear power. For this reason, the technology of extending the useful life of the solar power generation device from 10 years to 20 years and from 20 years to 30 years or more has been focused together with the technology for improving the power generation efficiency. This is because we want to make it economically attractive even with a longer amortization period. This is, on the one hand, a contradiction. This is because in the long term of 30 years, technological progress and technological innovation of photovoltaic power generation are sufficiently predicted, and cost reduction is expected. Furthermore, changes in social situations are unpredictable. In the long term of 30 years, there is a problem that the performance is deteriorated and the accumulated maintenance cost is increased. Pursuing longer life> Heavy equipment> Higher cost> Pursuit of longer life> Further heavy equipment> Higher cost ... In addition, the conventional solar power generation device had to be large in area due to low power generation efficiency. Because of the large area, the integrated design with the roof and the aspect of the integrated design are emphasized, and in order to cooperate with the long life of the building (or to share fate), the solar power generation equipment is also trying to extend the life of the building I have. All are the consequences of low power generation efficiency. Since the technology of the present invention is characterized by high power generation efficiency and low cost mass productivity, it has an effect of realizing a low power generation unit price (¥ / KW · hour) and eliminating the above vicious cycle. Further, the present invention has the effect of solving the problem of bulk supply, which is becoming serious and is typified by silicon bulk because high light concentration is fundamental.
[0076]
The effects common to the respective embodiments are the two items described above, namely, 1) realization of a low power generation unit price, and 2) elimination of a bulk supply problem typical of silicon bulk. There are specific subsequent effects. In the first, fifth, sixth and seventh embodiments, due to the features of the completely sealed string tube, the inversion function, and the ease of mass production, high durability and high weather resistance, light weight, long life, low maintenance, There are effects such as recyclability, ease of expansion / expansion, etc. Particularly, in the fifth embodiment, since the string window also serves as a condenser lens and a diffraction grating, the optical system is simplest and the manufacturing cost can be reduced most. In the second embodiment, since the reflection type diffraction grating is employed, an effect of reducing the height of the housing (dimension in the ZZ direction) is produced. Since the housing is of a stationary type, and the outer shape of the housing is similar to that of the conventional type, there is an effect that there is little psychological rejection of the producer / purchaser. Third Embodiment For space use, there are effects such as light weight, radiation resistance, and use of a wide wavelength region up to far ultraviolet rays. Originally, the attitude control type is basically used for space use, so that the sunlight tracking peculiar to the present invention does not burden. The fourth embodiment has the effect of reducing the installation area of the light receiving device because the packing factor is good. In addition, a single panel becomes possible, and overall costs can be reduced for production, storage, packing, transportation, installation work, wiring work, maintenance, and the like. There are also energy saving effects and added value effects by lighting and ventilation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a band gap, generated carriers, a position in a solar cell, and a wavelength of diffracted light, which is a feature of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a trade-off of a band gap.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a continuously variable example of a band gap.
FIG. 4 is a diagram showing a trade-off between current mismatch and reflectance.
FIG. 5 is a diagram showing the concept of a junction depth and a required crystal thickness.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between photoelectric conversion and wavelength in the related art.
FIG. 7 is a diagram showing a definition of wavelength continuous spectroscopy.
FIG. 8 is a conceptual diagram of a quantum well / superlattice.
FIG. 9 is a list of band gaps and devices.
FIG. 10 is a diagram showing an outline and an optical system of the first embodiment.
FIG. 11 is a conceptual diagram of barriers and sectors.
FIG. 12 is a diagram showing an outline of a second example of the embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating detailed ray tracing of spectral / diffracted light according to the second embodiment.
FIG. 14 is a definition diagram of sun tracking.
FIG. 15 is a schematic diagram of a light receiving module and a string module.
FIG. 16 is a conceptual diagram of ventilation and lighting.
FIG. 17 is a diagram showing the concept of a front window and a module window.
FIG. 18 is a diagram illustrating the concept of sun trackingtypes # 1 to # 4.
FIG. 19 is a diagram showing an electrical connection between a solar cell and an inverter or the like.
FIG. 20 is a detailed conceptual diagram of a sector.
FIG. 21 is an explanatory diagram relating to sealing and purging of a housing.
FIG. 22 is a diagram illustrating detailed ray tracing according to the first embodiment.
FIG. 23 is a diagram showing definitions of diffraction orders and diffraction positive / negative.
FIG. 24 is a diagram showing a blaze unevenness and a blaze angle.
FIG. 25 is a diagram illustrating the calculation of the light concentration in the ZZ direction according to the first embodiment.
FIG. 26 is a diagram illustrating the calculation of the light concentration in the YY direction according to the first embodiment.
FIG. 27 is a conceptual diagram of an optical system according to a third embodiment.
FIG. 28 is a conceptual diagram of details of the structure according to a third embodiment.
FIG. 29 is a diagram showing a honeycomb structure and the like according to a third embodiment.
FIG. 30 is a diagram comparing the band gap of the third embodiment with that of the conventional example.
FIG. 31 is a schematic diagram of a fourth embodiment.
FIG. 32 is a diagram comparing the light receiving area with the related art in the fourth embodiment.
FIG. 33 is a schematic diagram of a fifth embodiment.
FIG. 34 is a diagram of a string tube arrangement and sun tracking according to a fifth embodiment.
FIG. 35 is a view in which a cloudy sky / scattered light solar cell is arranged in the fifth embodiment.
FIG. 36 is a conceptual diagram of transferring a shape to an extruded string tube.
[Explanation of symbols]
10solar cell 11barrier 12 sector
13group sector 15sector assembly 16 infrared receiver
17electrode 18substrate 19 thin film layer
Reference Signs List 20light receiving device 21light receiving housing 22 string tube
23Side plate 24 String trough 25 Module housing
27 Frame 28 String unit 29 Light receiving module
30 Front window 31 Module window 32 String window
33 Unit window 40Light receiving unit 41 Diffraction grating
43 Light receiving string 44 Condensing lens 45 Condensing mirror
50 Power supply 51 Electric wire 52 Bus wiring
53 Series wiring 54 + Terminal 55-Terminal
56 Power conditioner 57 Blocking diode
59 DA inverter 71 Honeycomb plate 74 Air dryer
75 Pump 76 Air piping 77 # 1 Curve glass
78 # 2 curve glass 79 radiator
