JP6780924B2 - サブ波長パターンを有する集光光学素子を含む光起電力モジュールと同モジュールを含む衛星用太陽発電機 - Google Patents
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Description
−採用される感光材のセル。低価格基板上に薄膜の材料を使用することにより、または材料自体の性質に作用することによりその厚さを低減しようとすることが可能である、
−光起電材料の表面積を低減するためにより小さな表面積のセル上に入射光を収束させる集光システムを使用することによる構造のアーキテクチャ。図1は、マイクロプリズムに基づくフレネルレンズを使用する光起電力集光器を有するモジュールを表す。幾何学的な構築により、セルの大きさを著しく低減することが可能である。現在、集光係数は、地上用途では500程度またはそれ以上である。この場合、太陽の方位に最良に追随(一般的には「トラッキング」と呼ばれる)するために太陽に追随する2軸系が必要である。
−図示の例では波長帯域Δλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4において敏感な材料M1、M2、M3、M4の積層を含む光起電力セルCVと、
−集光光学素子OcとセルCVとを使用する光起電力モジュールCPVとをそれぞれ表す。
−マイクロプリズム(第2の光学素子無し)を有するフレネルレンズに基づく集光器、
−球状ドームを有する集光器(二次光学素子用)、
−Sandia Labs研究所により提示されたSILO(単一光学面、SIngLe Optical surface)部品を有する集光器(二次光学素子用)、
−Amonix社により使用される切頂(truncated)中空反射用ピラミッド(XTP)を有する集光器(二次光学素子用)、
−Solfocus社により使用される切頂誘電体ピラミッド(RTP)を有する集光器(二次光学素子用)、
−Benitezらにより提案された4象限を有するFresnel−Kohler(FK)集光器を有する集光器(二次光学素子用)を示す。
−図7aは、太陽が垂直方向にある所謂「垂直」入射状態である場合の光線のプロットを表す。主光線は連続線に対応する。太陽の大きさを考慮した光線は点線内にある、
−図7bは、太陽が回転した所謂「斜め」入射状態である場合の光線のプロットを表す。受光角αは、主光線が感受ゾーンを出ない最大傾斜角により定義される。
−図7cは、より開いたレンズ(より小さな「焦点距離対口径比」に対応する)上の光線のプロットを表し、受光角は増加する。
−透過ベース解決策(通常、フレネルレンズを有する)、
−宇宙環境におけるミラーの汚染に関連する性能劣化を示すのでそれほど有効でない反射ベース解決策(ミラー系)。
−図8aは全体図を表し、
−図8bは集光器の2つの位置を示し、同図の下図は衛星の発射中の格納位置における集光器の位置を、上図はパネルの配備およびレンズの配備後の位置を示す(エンテック社の特許:US6 075 200,“Stretched Fresnel lens concentrator for spacer power”、Entech 2000)。
−図8cは、集光器の配備後の伸張されたレンズの断面を示す:“Ultra−light stretched Fresnel lens solar concentrator for space power applications”,SPIE 48th Annual meeting,San Dieg paper 5179−17(2003)。
−ソーラーパネルの配備に対応する第1の段階、
−機械的曲率系による集光器の配備に対応する第2の段階。後者の段階は、配備不良(したがって非動作パネル、したがって非動作太陽発電機)という著しい危険を生じる可能性があり、検査手段の観点で特に高価である地上認定試験段階を必要とする。
−接合間界面における材料間のセル調節の条件(積層される際に材料の固有効率を低減させる)。第1の制限は、材料の選択を制限し、したがって効率の観点でより良好な組み合わせの実施を制限する。
−電流整合条件、接合は直列に接続されるので、最も効果的でない接合がすべての接合の電流を制限する。さらに、異なる接合の相互依存性のために、多重接合構造は、スペクトルの測定されない変化、または接合の老化に対し、より敏感である。
−次のものによるより良好な理論的効率、
○接合間界面に関連する整合損失の排除、
○スペクトルに恐らくより良好にマッチした様々な材料を使用する可能性、
○各水平方向接合に最適化されるのでより良好な性能の反射防止被覆を実現する可能性、
○熱管理に関する制約条件を緩和し、したがってそのコストを低減し、より良好な効率で動作できるようにする、集光光束のより大きな表面領域にわたる分配によるより低い動作温度。
−特に低集光を有する宇宙用途または高集光地上用途の要点である熱管理を容易にすること、または初期熱管理を維持し、セルをより低い温度において使用し、したがってより良好な効率を提供できるようにすることのいずれかを可能にするより大きな表面積上の光束(垂直方向3重接合と比較して水平方向(または横方向に)分離された3つの接合の場合より3倍大きい)、
−より良好な効率のために水平面内の接合の数を増倍できるようにする水平方向に配置された多くのセルの使用。これは、接合の数がセル整合条件のために制限される垂直方向多重接合には見られないものである。最適な一組のアセンブリの様々な接合の効率を一様にし、接合の最も効果的で無いものがすべての接合の電流を制限するのを回避するように、より低い効率を有するセル上により多くの光束を捕えるために互いに独立した接合の表面積(接合は水平方向に分配されるので)を採用することも可能である。
−集光光学装置は、モノリシック部品であり、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む少なくとも1つの回折構造を含み、
−上記パターンは、構造物質の屈折率により除算されたλ最小とλ最大間に位置する平均照射波長λc以下の少なくとも1つの次元を有し、
−上記パターンは、隣接パターンの中心間で定義されたサブ波長距離だけ互いに分離され、
−集光光学装置は少なくとも1つの集束機能と1つの回折機能とを保証する、ことを特徴とする。
−各ゾーンは、円形または方形部を有する柱タイプおよび/または円形または方形部を有する孔タイプのパターンからなり、
−上記パターンの寸法は、実効屈折率の変動、したがって位相変動をコード化するようにゾーン毎に変化し、寸法の変動は単調であることができる。
−コンパクトなシステムと、したがって短い集束距離(通常、1センチメートル未満〜例えば数ミリメートル未満)と、小さな容積の部品とを有すること、
−集束機能と色収差補正機能とを組み合わせること、
−非常に短い焦点距離を有する集束機能と、屈折部品より小さな開口数を有する回折機能との関連性を提案することにより当該スペクトル全体にわたる集光器の良好な効率を保証すること。
−マイクロレンズとサブ波長光学素子の使用によるコンパクト性と、
−f(λm)とf(λM)との差の補償により良好な長手方向色収差補正を可能にする屈折−回折組み合わせによる光起電力セル上への良好な集光光学効率。一例として、f/D=1mとf=5mを有する開放系の約f(λm=350nm)とf(λM=1400nm)との間の350μmの初期差異は、長手方向色収差補正のおかげでこれらの2つの波長間でほぼ0にされる。より具体的には、間隔[λm;λM]内では、焦点距離の変動は少なくとも係数3だけ低減され、
−サブ波長光学素子の広帯域特性を利用することによるより良好なスペクトル効率。
C22a、c22b 曲線
CPV 光起電力モジュール
CV 光起電力セル
CVo 光起電力セル
CVi 各セル
CVij、CVi1、CVi2、CVi3 単一接合サブセル
D 直径
f 焦点距離
fd1、fd2 回折部品の焦点距離
f(λ最大) 焦点
f(λ最小) 焦点
FLs 太陽光束
h2’ パターンの高さ
L1、L2、L3、L4 マイクロレンズ
M1、M2、M3、M4 材料
N 最大ゾーン数
n最大(λ0) 回折構造の最大実効指数
n最小(λ0) 回折構造の最小実効指数
Oc 集光光学素子
OR0 屈折構造
r1 中心ゾーンの半径
rn ゾーンnの半径
rn−1 ゾーンn−1の半径
rN ゾーンNの半径
rN−1 ゾーンN−1の半径
SILO 単一光学面
SD1 第1の回折構造
SD2 第2の回折構造
Smiλ、Sm1λ、Sm2λ、Sm3λ、Sm4λ 回折構造
Zc 中心ゾーン
Zn 外側ゾーン
α 受光角
λi 照射波長
λc 平均照射波長
λ0 設計波長
λ最大 最大波長
λ最小 最小波長
Δλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4 波長帯域
θs 太陽の角直径
ν1、ν2 収斂性
Claims (23)
- [380nm〜1600nm]程度の太陽輻射の最小波長(λ最小)と最大波長(λ最大)により定義された波長帯域に属する少なくとも1つの照射波長(λi)で発射する光束により照射されることを目的とする少なくとも1つの光起電力セル(CV)と少なくとも1つの集光光学装置(Oc)を含む光起電力モジュールであって、
−前記集光光学装置は、
1つの表面上に、所謂構造物質で規定され、回折機能を保証するサブ波長パターンを含む回折構造であって、前記パターンは、前記構造物質の屈折率により除算されたλ最小とλ最大間に位置する平均照射波長λc以下の少なくとも1つの次元を有し、前記パターンは、隣接パターンの中心間で定義されたサブ波長距離だけ互いに分離されている、回折構造と、
他の表面上に、所謂構造物質で規定される、屈折光学素子またはサブ波長パターンを有する回折構造を含む集束構造と、
を備えたモノリシック部品であるか、または、
−前記集光光学装置は、同じ表面上で集束機能と回折機能とを保証する、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む回折構造を含むモノリシック部品であり、前記パターンは、前記構造物質の屈折率により除算されたλ最小とλ最大間に位置する平均照射波長λc以下の少なくとも1つの次元を有し、前記パターンは、隣接パターンの中心間で定義されたサブ波長距離だけ互いに分離されている、ことを特徴とする光起電力モジュール。 - 前記回折構造は、周期的である隣接パターンの中心間で定義された距離を呈示するサブ波長パターンを含む、ことを特徴とする請求項1に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含む、ことを特徴とする請求項1または2に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置は、少なくとも1つの所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む2つの回折構造を含み、その1つは集束機能を保証する、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記光起電力セルは前記波長帯域における少なくとも1つの感光材を含む、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記光起電力セルは、材料の積層を含み、所謂垂直方向多重接合構造を生成し、前記材料のそれぞれは少なくとも、前記波長帯域Δλ=[λ最小;λ最大]に属する波長のサブバンド(Δλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4)において敏感であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記光起電力セルは、所謂水平方向多重接合構造を構成するように、前記波長帯域Δλ=[λ最小:λ最大]に属する波長のサブバンド(Δλ1,Δλ2,Δλ3,Δλ4)において敏感な材料を含む同一面内に一組の個々の隣接光起電力サブセルを含む、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 様々な面に位置する個々の光起電力セルのサブセットを含むことを特徴とする請求項7に記載の光起電力モジュール。
- 互いに異なる寸法を呈示する個々の光起電力サブセルを含むことを特徴とする請求項7または8に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含み、前記屈折光学素子は少なくとも1つの曲面屈折レンズを含む、ことを特徴とする請求項3乃至9のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含み、前記屈折光学素子は約百〜数百マイクロメートルの大きさの一組のマイクロプリズムを含む少なくとも1つのフレネルレンズを含む、ことを特徴とする請求項3乃至9のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含み、前記屈折光学素子はサブ長さ寸法の前記パターンを含む構造物質と同じ材料で生成される、ことを特徴とする請求項3乃至11のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記パターンは柱または孔である、ことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置は、縦方向収差補正機能および/または横方向スペクトル分離機能を有する所謂構造物質で規定されるサブ波長寸法のパターンを有する回折構造を含む、ことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置は中心ゾーンと外側ゾーンとを含み、
−各ゾーンは、円形または方形部を有する柱タイプおよび/または円形または方形部を有する孔タイプのパターンからなり、
−前記パターンの寸法は、実効屈折率の変動、したがって位相変動をコード化するようにゾーン毎に変化し、前記寸法の変動は単調であることができる、ことを特徴とする請求項14に記載の光起電力モジュール。 - 前記パターンは350nm以下の横方向寸法を呈示し、
2つの連続ゾーンの中心間の間隔は約350nmであり、
前記パターンの高さは1マイクロメートル〜約10マイクロメートルである、ことを特徴とする請求項15に記載の光起電力モジュール。 - 前記構造物質は、シリカ、ガラス、窒化シリコンタイプの誘電体材料であるか、またはポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、またはポリカーボネート(PC)であり得る重合体タイプのものである、ことを特徴とする請求項1乃至16のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 前記パターンの寸法は、幅または直径が80nm〜250nm程度であり、高さが1〜2μmである、ことを特徴とする請求項1乃至17のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 一組の個々の光起電力セルを含むことを特徴とする請求項1乃至18のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
- 一組の個々の光起電力セルと、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む構造とを含み、前記パターンの少なくとも1つの寸法は、前記構造物質の屈折率により除算された前記平均照射波長(λc)より小さく、前記構造は集束機能と回折機能を保証する、ことを特徴とする請求項19に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置は一組のマイクロレンズを含み、各マイクロレンズは、サブ波長寸法のパターンを含む回折構造に結合される、ことを特徴とする請求項19に記載の光起電力モジュール。
- 前記集光光学装置はマイクロプリズムを有する一組のフレネルレンズを含み、各フレネルレンズはサブ波長寸法のパターンを含む回折構造に結合される、ことを特徴とする請求項19に記載の光起電力モジュール。
- 請求項1乃至22のいずれか一項に記載の光起電力モジュールを少なくとも1つ含む衛星用の太陽発電機のソーラーパネル。
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