CN114400265A - 用于太阳能光伏发电的光电转换装置 - Google Patents

用于太阳能光伏发电的光电转换装置 Download PDF

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Abstract

提供一种用于太阳能光伏发电的光电转换装置。光电转换装置包括：具有板状结构的荧光导光板，其中散布有吸收阳光并射出荧光的荧光物质，并且其由折射率与外部的折射率不同的材料形成，当阳光入射时，由所述荧光物质射出的所述荧光被会聚到边缘面以射出；第一光电池，其被配置为通过被阳光照射而发电；透镜层，其被配置为使得从外表面入射的光会聚到所述第一光电池上；第二光电池，其被配置为通过被从所述荧光导光板的所述边缘面射出的荧光照射而发电；以及电力输出单元，其被配置为取出在所述光电池中获得的电力。

Description

用于太阳能光伏发电的光电转换装置
技术领域
本发明涉及一种光电池承载于基板上的光电转换装置，更具体地，涉及一种被配置为会聚阳光并用会聚的阳光照射光电池的光电转换装置。
背景技术
为了通过增加太阳能光伏发电系统中每个光电池(其示例包括太阳能电池)的发电量或在提高系统中的发电效率的同时减少要使用的光电池的数量来降低太阳能光伏发电系统的成本或尺寸，已经提出了太阳能电池模块或光电转换装置的各种配置，用于将原本强度较低的阳光会聚并用会聚的阳光照射光电池。例如，在日本未审查专利申请公开第2014-010251号(JP 2014-010251 A)中，已经提出了在被配置为使得聚光透镜布置于太阳能电池的受光面侧并会聚阳光的聚光型太阳能光伏发电装置中，在聚光透镜和太阳能电池之间设置二次透镜，该二次透镜的形状类似于平面并且被配置为有效地将阳光会聚到太阳能电池的受光面上并且抑制光的过度集中。在日本未审查专利申请公开第2020-513159号(JP 2020-513159 A)中，提出了：其中前基板与布置于基板(后基板)上的太阳能电池的阳光入射面分离布置并且光通过在前基板和后基板之间的各个基板上被反射而被限制从而增加了照射太阳能电池的受光面的光量的配置；以及其中在前基板上形成将阳光会聚并用会聚的阳光照射太阳能电池的透镜的配置。在日本未审查专利申请公开第58-049860号(JP58-049860 A)中，提出了一种配置，其中形成了太阳能电池与包含荧光物质的玻璃或丙烯酸树脂透光基板的边缘紧密接触的结构，进入透光基板的阳光的一部分波长成分在透光基板的表面被按原样完全反射并会聚到透光基板的边缘上，另一部分波长成分被荧光物质吸收，成为从荧光物质发出的荧光，在透光基板的表面被完全反射并会聚到透光基板的边缘上，并且用该荧光照射太阳能电池。进一步地，由本发明的部分发明人撰写的用于汽车应用的静态聚光器光伏中(T.Masuda等，《太阳能》，第146期(2017年)，第523-531页)，在太阳能电池模块安装在移动物体(例如车辆)上的情况下，考虑到透镜除了会聚从太阳直接到达透镜的直射光成分之外，还会聚散射于云、建筑物等处的阳光的散射光成分，而提出了采用被配置为能够在全年高效地会聚阳光的非对称-非球面透镜作为会聚照射光电池的阳光用的透镜。
发明内容
在如上所述的阳光被会聚并且用会聚的阳光照射光电池的光电转换装置(例如太阳能电池模块)中，在通过透镜将阳光会聚的配置的情况下(例如，JP 2014-010251 A和JP2020-513159 A)，当阳光相对于透镜的入射角改变时，由透镜会聚的光照射的位置或范围也发生变化。因此，为了使到达装置的阳光以尽可能少的损失照射到光电池，需要提供一种太阳跟踪机构，该太阳跟踪机构根据阳光的方向的变化以高精度改变透镜和光电池的方向(如将在后面在实施例中描述的，在透镜和电池的方向固定的情况下，当阳光相对于透镜的入射角(阳光入射的方向和透镜的光轴之间的角度)增大时，光电池被照射的光量减小，并且当入射角超过一定角度时，光不照射太阳能电池(图5))。然而，在提供了使透镜和电池的方向以高精度跟随阳光的方向的太阳跟踪机构的情况下，存在使结构变大、装置的尺寸变大以及成本增加的可能性。因此，在没有高精度太阳跟踪机构或没有太阳跟踪机构本身的情况下，可以将太阳能尽可能多地转换为电力是有利的(用于汽车应用的静态聚光器光伏(T.Masuda等，《太阳能》，第146期(2017年)，第523-531页)指出，当使用非对称-非球面透镜时，在不使用太阳跟踪机构的情况下，可以将一定角度范围内(约60度内)入射的光会聚到光电池上，但很难使入射角更大的光到达光电池)。另一方面，在其中通过荧光物质从阳光转换的荧光被会聚到散布有荧光物质的透光基板(在下文中将称为“荧光导光板”)的边缘的配置的情况下(例如，JP 58-049860 A)，可以不使用太阳跟踪机构而将光会聚到在基板的边缘面的光电池。然而，由于施加给光电池的能量是阳光能量通过荧光物质转换时获得的荧光能量，因此在转换步骤中可能发生能量损失，其取决于荧光物质的量子产率或光的吸收波长和发光波长之间的差值。因此，从提高阳光能量利用效率的角度来说，优选阳光尽可能被光电池按原样吸收而不经历被转换为荧光的步骤。
本发明提供了一种光电转换装置的配置，被配置为使得阳光(或阳光能量)被会聚并用会聚的阳光照射光电池，并在光电池处进行太阳能光伏发电，利用该配置，即使在不使用高精度太阳跟踪机构的情况下也可以提高阳光能量的利用效率，或者尽可能减少在从阳光获得电力时产生的能量损失。
本发明的第一方面涉及一种光电转换装置，其包括荧光导光板、第一光电池、透镜层、第二光电池和电力输出单元。所述荧光导光板包括第一面、第二面以及将所述第一面的外围边缘和所述第二面的外围边缘相互连接的边缘面，并且具有板状结构，其中吸收阳光的至少一部分成分并射出荧光的荧光物质散布于所述荧光导光板中或所述第一面或所述第二面上，并且其由折射率与外部的折射率不同的材料形成，所述荧光导光板被配置为使得当阳光从所述第一面入射时，从所述荧光物质射出的所述荧光会聚到所述边缘面以被射出。所述第一光电池被配置为通过被阳光照射而发电，所述第一光电池被安装于所述荧光导光板的所述第一面上。所述透镜层被配置为使得从外表面入射的光会聚到所述第一光电池上，所述外表面位于与面向所述荧光导光板的所述第一面的面相反的一侧，所述透镜层与所述第一面和所述第一光电池重叠。所述第二光电池被配置为通过被从所述边缘面射出的所述荧光照射而发电，所述第二光电池被安装在所述荧光导光板的所述边缘面上。所述电力输出单元被配置为取出在所述第一光电池和所述第二光电池的每一个中获得的电力。
在上述配置中，“荧光导光板”是板状构件，其被配置为使得当光从所述板状结构的宽面(第一面)入射时，散布于所述荧光导光板中或散布于所述第一面或所述第二面上的所述荧光物质被激发并射出所述荧光，并且所述荧光被引导到所述板状结构的边缘面以被会聚并射出。从所述荧光物质射出的荧光沿径向射出。当具有所述板状结构的所述荧光导光板的折射率不同于外部的折射率时，荧光的一部分透过所述板状结构的宽面(第一面或第二面)与外部之间的界面，而剩余的荧光被反射(当荧光导光板的折射率高于外部的折射率时，由于全反射而引起相当大量的荧光被反射)，因此被会聚到所述板状结构的所述边缘面以从其被射出。散布于形成荧光导光板的材料中的“荧光物质”可以是任何物质，例如荧光染料或量子点，其在物质被激发光照射时吸收激发光并射出荧光。注意，例如，在实施例中，荧光物质散布于第一面或所述第二面上的配置可以通过在第一面或第二面上附着或形成其中散布有荧光物质的薄膜来实现。
所述“第一光电池”是任何类型的光电池或光电转换元件，其吸收阳光中包含的光成分以发电。作为所述第一光电池，优选地，使用具有优异发电效率的III-V多结太阳能电池作为第一光电池是有利的。然而，所述第一光电池可以是任何其他类型的太阳能电池，例如CIS太阳能电池、晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池。
如上所述，所述“透镜层”是与所述荧光导光板的所述第一面和所述第一光电池重叠的透光层，并且是在其上形成透镜部的层，所述透镜部被配置为将从其外表面(位于与面向所述荧光导光板的第一面的面相反的一侧)入射的光会聚到介于所述荧光导光板的所述第一面和所述透镜层之间的所述第一光电池上。形成在所述透镜层上的所述透镜部可以具有任意形状，只要入射光能被会聚，可以是球面透镜、非球面透镜以及非对称-非球面透镜中的任一种。
所述“第二光电池”是任何类型的光电池或光电转换元件，其吸收从所述荧光导光板中的所述荧光物质射出的荧光成分以发电。注意，所述第二光电池可以是也吸收阳光中包括的光成分以发电的元件。注意，所述第二光电池可以是太阳能电池，例如CIS太阳能电池、晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池。
在本发明的装置的上述配置中，如从将在后面详细描述的附图中理解的，当阳光从装置的透镜层的外表面入射时，由于透镜层的透镜部的聚光作用，用尽可能多的阳光成分照射第一光电池，并且所述成分在第一光电池处被转换为电力。同时，偏离透镜部的阳光成分或由于入射角大而未照射到第一光电池的阳光成分进入荧光导光板，被荧光导光板中的荧光物质吸收，以荧光的形式射出，并会聚到荧光导光板的边缘面。然后，所述成分照射所述第二光电池，并且所述成分在所述第二光电池处被转换为电力。在如上所述的配置的情况下，首先，在第一光电池中，入射到透镜层上并被会聚的阳光被按原样吸收以被转换为电力，从而实现高效率的光电转换。因此，期望在用尽可能多的阳光成分照射第一光电池时进行尽可能地抑制阳光能量损失的发电。然而，偏离透镜部的阳光成分或相对于透镜部的入射角大的阳光成分不照射第一光电池，并且借助于透镜层的聚光作用也难以将照射透镜层的全部阳光照射到第一光电池。因此，在本发明的装置中，配置了这样一种结构：其中采用上述荧光导光板作为第一光电池的基板，第二光电池布置在荧光导光板的边缘面上，入射到透镜层但未照射到第一光电池的阳光成分被导入荧光导光板中，并且其能量可被第二光电池收集并可用于发电。因此，可以在装置中将更大量的太阳能收集为电力。换言之，在本发明的装置中，通过透镜层和第一光电池的配置以及荧光导光板和第二光电池的配置，可以以更高的效率实现光电转换，即使在阳光相对于透镜层的入射角发生各种变化时，也可以将阳光能量收集为电力，从而提高了作为光电转换装置的鲁棒性(抑制由阳光入射角的变化引起的发电效率降低的性能)。
在上述配置中，在阳光被第一光电池按原样吸收并被转换为电力的情况下，能量转换效率最高。因此，优选地，透镜层可以将入射光的尽可能多的成分会聚到第一光电池上。具体地，可以调整透镜层的透镜部的形状和第一光电池相对于透镜部的布置，以使得透镜部的入射待被会聚的光的面(入射面)的面积与第一光电池上的被由透镜部所会聚的光照射的区域的面积的比(以下将称为“聚光比”)的最大值为2以上，优选为4以上。另外，优选地，用被透镜层会聚的光的尽可能多的成分照射第一光电池的受光面。因此，透镜层可以被配置为使得当入射到透镜层的外表面的光的入射角低于预定角度时，第一光电池的受光面被由透镜层会聚的光照射。通常，透镜层可以被配置为使得当光沿垂直于外表面的方向入射时，第一光电池的受光面被由透镜层的透镜部会聚的所有光照射。然而，本发明不限于此。此外，透镜部所占的面与光入射在其上的透镜层的整个面的比率越大，就越优选。通常，例如，比率可以是70％以上。特别地，有利地采用一种在用于汽车应用的静态聚光器光伏(T.Masuda等，《太阳能》，第146期(2017年)，第523-531页)中描述的非对称-非球面透镜的构造作为透镜层和第一光电池的几何结构(参见图5)。然而，本发明不限于此。
在本发明的装置的上述配置中，在基板(荧光导光板)上安装有多个第一光电池的情况下，由于入射在透镜层上的阳光被透镜层会聚，因此第一光电池布置于阳光被会聚的部分是有利的。因此，多个第一光电池可以被彼此分离地布置于荧光导光板的第一面上。在这种情况下，到达荧光导光板的第一面上的未布置第一光电池的区域的阳光，在阳光进入荧光导光板后，如上所述被转换成荧光并提供给第二光电池，甚至当被透镜层会聚的一些光偏离第一光电池时，这些光也经由荧光导光板被收集为电力。因此，在严格意义上，第一光电池不需要被由透镜层会聚的所有光照射。因此，即使在未设置高精度的太阳跟踪机构或太阳跟踪机构本身的情况下，也期望以高效率从阳光中获得电力。
在本发明的装置的实施例中，可以应用使得进入荧光导光板的光和从荧光导光板射出的荧光被尽可能地限制在荧光导光板中并且被会聚在荧光导光板的边缘面上的各种配置。例如，当荧光导光板的折射率高于透镜层的折射率时，由于透镜层与荧光导光板之间的界面处的全反射，来自荧光导光板的光被限制在荧光导光板中。因此，可以选择使得荧光导光板的折射率高于透镜层的折射率的各种材料。此外，在透镜层和荧光导光板经由粘合剂彼此接合的情况下，可以选择这样的各种材料：使得将荧光导光板和透镜层相互接合的第一粘合剂层的折射率低于荧光导光板的折射率且高于透镜层的折射率，从而尽可能地抑制光从荧光导光板的内部射出到第一面之外。注意，由于来自透镜层的光不入射到荧光导光板的第一面的布置有第一光电池的部分，因此粘合剂层在该部分的折射率可以低于透镜层的折射率，并且实际上，该部分的折射率越低，将光限制在荧光导光板中的作用就越强。因此，可以选择使得将荧光导光板和第一光电池接合的第二粘合剂层的折射率低于第一粘合剂层的折射率的材料。注意，如果可能，第二粘合剂层可以是空腔。此外，荧光导光板的第二面(与第一面相反)可以覆盖有反射镜层，其对光进行反射且不允许光透过反射镜层(在本说明书中，“不允许光透过”是指不允许大量的阳光或荧光透过)，以使得荧光导光板中的光不从荧光导光板的第二面射出。此外，在荧光导光板的边缘面有不安装第二光电池的一部分的情况下，该部分可以覆盖有反射镜层，其对光进行反射且不允许光透过反射镜层，从而防止光从该部分射出。
根据本发明的上述装置的荧光导光板中的荧光物质的类型，可能会发生显著的荧光再吸收，从而导致大的能量损失。因此，对于像布置有第一光电池的部分的附近那样的荧光导光板中阳光不可能到达的区域，可以减少荧光物质的量，从而减少荧光的再吸收。因此，在装置中，荧光物质在荧光导光板中的分布可以调整为使得在荧光灯导板中荧光物质在从第一面入射的光未到达的区域中的密度低于荧光物质在从第一面入射的光到达的区域中的密度。因此，减少了荧光的再吸收量，减少了不必要的荧光物质的量，并且也可以减少荧光物质的使用量。
同时，本发明的装置有望提高相对于阳光入射角的光电转换效率鲁棒性，因此有望能够被应用于具有不同形状的物体，例如移动体的屋顶。在这种情况下，优选地，该装置能够根据物体的形状在一定程度上变形。因此，在本发明的上述装置中，荧光导光板和透镜层可以由柔性材料形成。
因此，根据如上所述的本发明，在会聚阳光、用会聚的阳光照射光电池并在光电池处进行太阳能光伏发电的光电转换装置中，由透镜层会聚的大部分光被第一光电池吸收，未到达第一光电池的光经由荧光导光板被第二光电池吸收，从而对每种光通过光电转换来进行发电。因此，可以提高相对于阳光入射角的发电效率鲁棒性。因此，预期当按原样吸收阳光以发电的第一光电池的效率最大化时，能够同时实现效率最大化和保持鲁棒性。此外，根据本发明，提高了针对在光电转换装置的透镜部处的阳光入射角的变化的鲁棒性，从而加宽了在透镜部处的阳光入射角的允许范围。因此，预期在许多情况下可以不用太阳跟踪机构而达到发电效率要求，并且即使在使用太阳跟踪机构的情况下也可以有利地降低要满足的跟踪精度。
本发明的其他目的和优点将从以下对本发明优选实施例的描述中变得显而易见。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1A是根据本发明的光电转换装置的实施例的示意性俯视图；
图1B是根据本发明的光电转换装置的实施例的示意性剖面图，并且示出了荧光物质散布于荧光导光板中的示例；
图1C是根据本发明的光电转换装置的荧光导光板的另一实施例，并且示出了荧光物质散布于荧光导光板的上面(第一面)上的示例；
图1D是根据本发明的光电转换装置的荧光导光板的又一实施例，并且示出了荧光物质散布于荧光导光板的下面(第二面)上的示例；
图2A是示意性地示出入射在根据本实施例的光电转换装置上的阳光的路径的视图，并且示出了阳光在垂直于透镜层和第一光电池的受光面的方向(入射角＝0°)上入射的状态；
图2B是示意性地示出入射在根据本实施例的光电转换装置上的阳光的路径的视图，并且示出了阳光在相对于透镜层和第一光电池的受光面倾斜的方向(入射角＝θ)上入射的状态；
图2C是示意性地示出从根据本实施例的光电转换装置的荧光导光板中的荧光物质射出的荧光的路径的视图；
图3A是示意性地示出用于将荧光限制在根据本实施例的光电转换装置的荧光导光板中的各种配置的示例的视图，并且示出了其中粘合剂层介于透镜层和荧光导光板之间并且反射镜被附着在荧光导光板的下面(第二面)上的示例；
图3B是示意性地示出用于将荧光限制在根据本实施例的光电转换装置的荧光导光板中的各种配置的示例的视图，并且示出了其中不同于透镜层和荧光导光板之间的粘合剂层的粘合剂层介于第一光电池和荧光导光板之间并且反射镜被附着在荧光导光板的下面(第二面)上的示例；
图3C是示意性地示出用于将荧光限制在根据本实施例的光电转换装置的荧光导光板中的各种配置的示例的视图，并且示出了其中第二光电池布置于荧光导光板的边缘面的一部分处并且反射镜被附着在其它部分上的示例；
图4是示意性地示出在根据本实施例的光电转换装置的荧光导光板中减少在阳光不太可能到达的部分中的荧光物质的分布的示例的视图；以及
图5示出了通过模拟计算出的，在阳光通过透镜会聚并用会聚的阳光照射光电池的情况下光电池的发电输出依赖于阳光的入射角的方式，并且图中示出了使用球面透镜的情况和使用非对称-非球面透镜的情况(引用自用于汽车应用的静态聚光器光伏(T.Masuda等，《太阳能》，第146期(2017年)，(第523-531页))。
具体实施方式
光电转换装置的基本配置
参考图1A和1B，本实施例的光电转换装置1的基本配置包括具有板状结构的荧光导光板2、安装在荧光导光板2的第一面(图中的上面)2a上的光电池(第一光电池)3，与荧光导光板2的上面2a和光电池3重叠的透镜层4，以及布置在荧光导光板2的边缘面2e上的光电池(第二光电池)5。如图中所示，由光电池3和5产生的电力可以通过电力线10a和10b取出。
在上述光电转换装置1中，如附图所示，荧光导光板2被用作基板，其上布置有吸收阳光以发电的光电池3，并且荧光导光板2被配置为具有如下功能：接收不照射光电池3的光，通过散布于其中的荧光物质将该光转换成荧光，并将荧光会聚到边缘面。荧光导光板2的基材是折射率高于空气的透明或透光材料，其示例包括高折射率的聚甲基丙烯酸甲酯树脂(折射率1.60)、聚碳酸酯树脂(折射率1.59)、聚酯树脂(折射率1.60)、丙烯酸树脂(1.49至1.53)、硅树脂(1.43)和石英玻璃(1.54至1.55)。如后文所述，光电转换装置1可以弯曲变形到光电转换装置1可以应用于任何物体表面的程度是有利的。因此，优选地，可以选择柔性材料作为荧光导光板2的基材。散布于荧光导光板2中的荧光物质可以是吸收阳光并射出荧光的任何物质。关于这一点，由于阳光的波段是宽范围的，因此优选荧光物质的吸收波段是尽可能宽的。具体地，作为荧光物质，例如可以选择诸如Lumogen(注册商标)F染料黄083、黄170、橙240和红305等荧光染料，以及吸收阳光的波长成分的量子点(CsPbBrxI3-x)。注意，荧光物质可以以如图1C所示的荧光物质层2d的形式附着在荧光导光板2的上面2a上。或者，荧光物质可以以如图1D所示的荧光物质层2d的形式附着在荧光导光板2的下面(第二面)2b上(在这些情况下，荧光导光板2的内部可以是透明的)。
安装在荧光导光板2的上面2a上的光电池3可以是任何类型的太阳能电池或光电转换元件，其吸收阳光的光成分以发电。如上所述，阳光的波段是宽范围的。另外，在本实施例中，如后文所述，通过透镜部4a使阳光SL会聚，并且用会聚的阳光SL照射光电池3。因此，使用能够吸收宽范围波长的光并且即使在被具有相对高强度的光照射的情况下也表现出高发电效率的光电池是有利的。具体地，可以选择III-V多结太阳能电池作为光电池3。注意，也可以采用其他类型的光电池，例如CIS太阳能电池、晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池，作为光电池3。
如下文将详细描述的，与荧光导光板2的上面2a和光电池3重叠的透镜层4可以具有包括多个透镜部4a和连接部4b的层结构，多个透镜部4a被形成为将阳光分别会聚到光电池3上并且用会聚的阳光照射光电池3，连接部4b将多个透镜部4a彼此连接。透镜层4可由折射率高于空气的折射率的透明或透光材料形成。具体地，可以采用硅树脂(折射率1.43)、低折射率聚甲基丙烯酸甲酯(折射率1.40)或钠玻璃(折射率1.51)作为其材料。注意，如下文所述，优选地，选择折射率低于荧光导光板2的折射率的材料作为透镜层4的材料，以使得进入荧光导光板2的光和从荧光导光板2射出的荧光被限制在荧光导光板2中。
此外，透镜层4的透镜部4a被形成为将到达其外表面(与面向荧光导光板2或靠近荧光导光板2的面相反的面(图中的上面))的光会聚到光电池3。关于各个透镜部4a的形状，透镜部4a可以是球面透镜。然而，优选地，如用于汽车应用的静态聚光器光伏(T.Masuda等，《太阳能》，第146期(2017年)，第523-531页)所述，透镜部4a可以是非对称-非球面透镜，其被调整为能够将以各种入射角入射在透镜表面上的光成分尽可能地会聚到光电池3上，光成分除了包括作为来自阳光的平行光到达透镜的直射光之外，还包括在云层或空气中散射的阳光或被建筑物等处反射或散射的阳光。更具体地，透镜部4a可以被形成在光电池3的受光面上方(在与面向荧光导光板2的面相反的一侧)，以使得透镜部4a的受光面积与光电池3的受光面积的比(聚光比)至少为2，优选为4以上。例如，透镜层的厚度可以是5mm以下。但本发明不限于此。注意，在俯视图(图1A)中连接部4b的面积越小，由透镜部4a会聚并且用其照射光电池3的阳光量就越大，这是有利的。具体地，优选在透镜层4的整个受光面中，由透镜部4a占据的面积保持为至少70％。但本发明不限于此。由透镜部4a会聚阳光，并在光强度局部增强后用阳光照射光电池3。因此，在透镜层4下方，光电池3无需散布于大范围面积上，只要光电池3彼此分离地布置于会聚光到达的部分即可。因此，可以减少被阳光照射的每单位面积所使用的光电池3的数量。
此外，在本实施例的装置中，如上所述，在荧光导光板2的边缘面2e上，布置有吸收从边缘面射出的荧光(和阳光)以发电的光电池(第二光电池)5。作为光电池5，可以采用主要吸收荧光波段中的光成分的任何类型的太阳能电池或光电转换元件。例如，可以选择CIS太阳能电池、晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池或钙钛矿型太阳能电池作为光电池5(也可以使用比上述那些太阳能电池更昂贵的III-V多结太阳能电池)。在图1A中，光电池5布置于荧光导光板2的所有边缘面2e上。然而，如后文所述(参照图3C)，光电池5可以布置于荧光导光板2的边缘面2e的一部分上(在这种情况下，反射镜9等布置于未布置光电池5的部分处)。
如后文所述，本实施例的上述装置有望提高相对于阳光入射角的光电转换效率鲁棒性，因此期望其能够应用于具有不同形状的物体，例如移动体的屋顶。因此，优选该装置能够根据安装该装置的物体的形状在一定程度上变形。因此，荧光导光板和透镜层可以由柔性材料形成，以便整个装置可以弯曲。
光电转换装置的操作
在本实施例的光电转换装置中，在阳光SL从透镜层4侧照射的情况下，首先，入射到透镜部4a上的光通过透镜的作用而会聚，并且向布置有光电池3的荧光导光板2传播，并且光电池3接收该光以发电。典型地，如图2A中示意性示出的，各个透镜部4a的形状被形成为使得沿着其光轴(垂直于透镜部4a的中心部分的面的方向)入射到透镜部4a上的光线(阳光)SL(即，以大约0°的角度入射的光线)朝向光电池3的受光面(图中的上面)折射。另外，随着入射到透镜部4a上的光线的入射角θ增大，穿过透镜部4a但是偏离光电池3的受光面的光量越多。
关于这一点，在利用发电装置(例如本实施例的光电转换装置)进行太阳能光伏发电的情况下，将其置于阳光下，阳光的入射方向根据太阳的方向和高度而变化，并且如用于汽车应用的静态聚光器光伏(T.Masuda等，《太阳能》，第146期(2017年)，第523-531页)所描述的，到达发电装置的阳光除了包括来自太阳的直射光(平行光)外，还包括以高比例被云层、空气中的水分或灰尘、建筑物等散射的散射光。因此，为了在光电转换装置中尽可能多地利用来自太阳的光进行发电，优选能够照射光电池的光的入射角的范围尽可能宽。根据在用于汽车应用的静态聚光器光伏(T.Masuda等，《太阳能》，第146期(2017年)，第523-531页)中描述的研究，当使用非对称-非球面透镜时，与使用通常所使用的球面透镜的情况相比，可以抑制光电池的照射量相对于入射到透镜上的光的入射角的变化而变化。根据上述研究，模拟的结果表明，如图2A和2B所示，当在球面透镜和非对称-非球面透镜下方各自布置有光电池的情况下照射上述透镜的光的入射角被改变时，在球面透镜的情况下随着入射角增加，光电池的输出逐渐减小，而在非对称-非球面透镜的情况下，在入射角达到一定的角度(在示出的示例中约为60°)之前，即使入射角增加，光电池的输出也基本保持不变，如图5所示。因此，当非对称-非球面透镜用作光电转换装置中的聚光透镜时，可以使用相对宽角度范围的光用于光电池的发电。
然而，如从图5可以理解的，在球面透镜被用作聚光透镜的情况下，偏离光电池的光成分的量随着入射角的增加而增加，甚至在非对称-非球面透镜的情况下，其入射角超过一定角度的光成分也会偏离光电池，并且偏离光电池的光成分不能按原样用于发电。此外，如从图2A和2B中可以理解的，在透镜层4中彼此相邻的透镜部4a之间存在连接部4b的情况下，入射到连接部4b上的光也不照射光电池3并且不用于发电。因此，在本实施例的装置中，承载荧光物质的荧光导光板2用作安装光电池3的基板，以便偏离光电池的光成分也可用于发电，并且未能照射光电池3的光通过被转换为荧光而被会聚并可用于发电。因此，可以提高光电转换装置的发电效率。
具体地，如图2C中示意性地示出的，如上所述，荧光物质6散布于荧光导光板2内、荧光导光板2的上面上或者荧光导光板2的下面上，并且荧光物质6被偏离光电池3之后进入荧光导光板2的阳光SL所激发，并射出荧光FL。来自荧光物质6的荧光FL从荧光物质6沿径向射出。在荧光导光板2的折射率高于其外部的情况下，荧光FL的一部分(FLxt，FLxb)透过荧光导光板2的表面2a、2b，但是荧光FL的大部分成分由于反射或全反射而被限制在荧光导光板2内，传播到边缘面2e，并且通过会聚到边缘面2e而射出。因此，光电池5布置于边缘面2e上，并且光电池5被配置为吸收从边缘面2e射出的荧光以发电。进入荧光导光板2的一部分阳光可以会聚到边缘面2e并被光电池5吸收，以按原样被转换为电力而不被转换为荧光。
因此，在上述本实施例的光电转换装置的情况下，当光电转换装置布置于阳光SL下时，首先，利用在透镜层4的透镜部4a处会聚的光照射光电池3，并且在光电池3处光被转换为电力并通过电力线10a取出到外部。然后，入射到透镜层4上之后不照射光电池3的光成分入射到荧光导光板2上，并在荧光导光板2处被荧光物质6转换为荧光FL。荧光FL被会聚到荧光导光板2的边缘面2e处，光电池5被荧光FL照射，并且荧光FL在光电池5处被转换成电力并通过电力线10b被取出到外部。
如上所述，在将荧光导光板2用作光电池3的基板并且未照射光电池3的阳光在荧光导光板2处被转换为荧光，被会聚到荧光导光板2的边缘面2e且在边缘面2e处通过光电池5被转换为电力的配置的情况下，即使当被透镜层4会聚的一部分光线偏离光电池3时，其能量也可经由荧光导光板2在光电池5处被取出为电力。因此，可以说，本实施例中的装置提高了关于入射到透镜层4上的阳光的入射角的鲁棒性。此外，在透镜层4中彼此相邻的透镜部4a之间存在连接部4b的情况下，进入连接部4b的阳光的能量也被转换为电力，从而进一步提高了能量转换效率。因此，利用本实施例的装置，除了以直射光形式到达地面的阳光成分之外，还可以将以散射光形式到达地面的阳光成分取出作为电力。此外，有望即使在未设置使透镜的方向跟随太阳位置的变化的太阳跟踪机构的情况下也可以实现较现有技术更高的能量转换效率，并且由于提高了关于阳光入射角的鲁棒性，因此即使在使用了太阳跟踪机构的情况下也可以降低太阳跟踪精度的要求，这是有利的。
光电转换装置的配置的进一步改进
荧光导光板2中限光作用的改进
如图2C中示意性地示出的，从荧光导光板2中的荧光物质6射出的荧光FL的一部分成分(FLxt，FLxb)，如上所述透过表面2a、2b，其相对于荧光导光板2的表面2a、2b的入射角小于临界角。由于透镜层4的外部(通常为空气)的折射率低，所以当作为荧光FL的一部分的荧光FLxt入射到透镜层4的外表面上时，从面向透镜层4的表面2a射出的荧光FLxt的大部分被反射，因此预期入射到光电池3上或再次入射到荧光导光板2上。然而，透过表面2a、2b的大部分荧光成分不会再次入射到荧光导光板2上，也不会被光电池5吸收，因此，为了提高将荧光FL限制在荧光导光板2中的效果，如下改进的配置可以应用于荧光导光板2。
首先，参考图3A，可以在荧光导光板2的下面2b处设置对光进行反射的反射镜8，从而防止荧光(或阳光)从荧光导光板2的下面2b射出。例如可采用铝膜(折射率1.48)、银膜(折射率0.17)或硬铝膜(折射率1.48)作为反射镜。优选地，可以选择折射率低于荧光导光板2的折射率的材料作为反射镜8的材料，以便尽可能减少荧光导光板2和反射镜8之间的界面的光透过。
此外，优选地，可以选择折射率低于荧光导光板2的折射率的材料作为透镜层4的材料，以防止荧光(或阳光)从荧光导光板2的上面2a射出。此外，在将透镜层4接合到荧光导光板2时应用粘合剂层7的情况下，可以选择折射率低于荧光导光板2的折射率且高于透镜层4的折射率的材料作为粘合剂层7的材料。因此，进入透镜层4的光易于通过粘合剂层7传输到荧光导光板2，荧光导光板2中的光难以传输到粘合剂层7。因此提高了荧光导光板2中的限光效果。可以使用低折射率环氧树脂(折射率1.50)、氰基丙烯酸酯(折射率1.43)、丙烯酸粘合剂(折射率1.49)等作为粘合剂层7的材料。注意，参照图3B，由于来自透镜层4的光没有到达光电池3和荧光导光板2之间的界面，所以在将粘合剂层7a应用于光电池3和荧光导光板2之间的情况下可以形成折射率低于透镜层4的折射率的层。因此，使光更难从荧光导光板2传输到粘合剂层7a是可能的，从而进一步提高了荧光导光板2的限光效果。
此外，如图3C所示，在未在荧光导光板2的整个边缘面2e上安装光电池5的情况下，为防止光从没有安装光电池5的部分射出，可以布置与反射镜8类似的反射镜9。在这种情况下，可以减少在荧光导光板2的边缘面处射出的未用于发电的光。
减少荧光物质对荧光的再吸收量
关于散布于荧光导光板2中的荧光物质6，通常，荧光波长和吸收波长彼此至少部分地重叠，并且在这种情况下，从已经吸收了阳光的荧光物质6射出的荧光，在某些情况下被另一荧光物质再次吸收，并且由于再吸收而造成能量损失(转换为电力的光能减少)。针对此，荧光物质6需要设置在荧光导光板2中阳光可以到达的部分，并且即使在荧光物质6存在于阳光不能到达的部分的情况下，荧光物质6不吸收阳光而仅吸收从其他荧光物质6发出的荧光，这造成浪费。因此，在荧光导光板2中，荧光物质在阳光未到达的部分中散布的密度或量可以低于在阳光能够到达的部分中散布的密度或量。例如，如图4中示意性示出的，由于阳光不太可能到达荧光导光板2的布置有光电池3的部分的下方区域，因此上述区域中的荧光物质的密度L可以低于其他区域中的密度H。由此，由不吸收阳光的荧光物质进行的荧光的再吸收量减少，从而可以抑制能量损失。注意，由于阳光容易透过荧光物质的密度低的区域L，因此如图4中示意性示出的，可以局部地布置反射镜8a，以使得抑制从表面2b漏光。
尽管已经结合本发明的实施例进行了上述描述，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以容易地进行许多校正和修改，并且本发明不限于上述实施例，可以在不脱离本发明的构思的情况下应用于各种装置。

Claims (10)

1.一种光电转换装置，其特征在于包括：
荧光导光板，其包括第一面、第二面以及将所述第一面的外围边缘和所述第二面的外围边缘相互连接的边缘面，并且具有板状结构，其中吸收阳光的至少一部分成分并射出荧光的荧光物质散布于所述荧光导光板中或所述第一面或所述第二面上，并且其由折射率与外部的折射率不同的材料形成，所述荧光导光板被配置为使得当阳光从所述第一面入射时，从所述荧光物质射出的所述荧光会聚到所述边缘面以射出；
第一光电池，其被配置为通过被阳光照射而发电，所述第一光电池被安装于所述荧光导光板的所述第一面上；
透镜层，其被配置为使得从外表面入射的光会聚到所述第一光电池上，所述外表面位于与面向所述荧光导光板的所述第一面的面相反的一侧，所述透镜层与所述荧光导光板的所述第一面和所述第一光电池重叠；
第二光电池，其被配置为通过被从所述边缘面射出的所述荧光照射而发电，所述第二光电池被安装在所述荧光导光板的所述边缘面上；以及
电力输出单元，其被配置为取出在所述第一光电池和所述第二光电池的每一个中获得的电力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，多个所述第一光电池彼此分离地布置于所述荧光导光板的所述第一面上。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述透镜层被配置为使得当入射到所述透镜层的所述外表面上的光的入射角小于预定角度时，用由所述透镜层会聚的光照射所述第一光电池的受光面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述荧光导光板的折射率高于所述透镜层的折射率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：
所述荧光导光板和所述透镜层经由第一粘合剂层相互接合；并且
所述第一粘合剂层的折射率低于所述荧光导光板的折射率且高于所述透镜层的折射率。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，将所述荧光导光板和所述第一光电池相互接合的第二粘合剂层的折射率低于所述第一粘合剂层的所述折射率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述荧光导光板的所述第二面覆盖有反射镜层，所述反射镜层对光进行反射且不允许所述光透过所述反射镜层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述荧光导光板的所述边缘面的未安装所述第二光电池的部分覆盖有反射镜层，所述反射镜层对光进行反射且不允许所述光透过所述反射镜层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，在所述荧光导光板中，在从所述第一面入射的光未到达的区域中的所述荧光物质的密度低于在从所述第一面入射的所述光到达的区域中的所述荧光物质的密度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述荧光导光板和所述透镜层由柔性材料形成。
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