JP2008130922A - 太陽光励起発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる太陽光励起発電装置を得る。
【解決手段】太陽光励起発電装置１０は、太陽光励起によりレーザ発振を生じさせレーザ光を出力する太陽光励起レーザ装置１２と、入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する単色光太陽電池１４を含んで構成された発電部１６と、一端が太陽光励起レーザ装置１２のレーザ光出力端２４Ａに接続されると共に、他端が発電部１６へのレーザ光照射端２０Ｂとされた光ファイバ２０と、を備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を利用して発電を行う太陽光励起発電装置に関する。

太陽光を利用して発電を行う太陽電池が知られている。太陽電池としては、太陽光の広いスペクトルに対応してバンドギャップを広げ、効率を向上した広帯域太陽電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、太陽光励起レーザ装置から出力したレーザ光を太陽電池で電気エネルギに変換する技術（例えば、特許文献２参照）、太陽光励起レーザ装置から出力したレーザ光を水素・電気エネルギ発生ユニットに照射して水素、酸素、及び電子を得る技術（例えば、特許文献３参照）が知られている。
特開２００３−２９８１７６号公報 特開２００３−１３４７００号公報 特開２００２−２５５５０１号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、広帯域太陽電池を用いるもののエネルギ利用率が低く、特許文献２記載の技術では、宇宙空間に設置した太陽光励起レーザから地上に設置した太陽電池又は飛行船に設けた光ファイバの入力端までレーザ光を伝送するため、レーザ光の伝送ロスの低減には限界があった。同様に、特許文献３記載の技術では、宇宙空間に設置した太陽光励起レーザから地上に設置した波長可変手段を経由して水素・電気エネルギ発生ユニットまでレーザ光を伝送するため、レーザ光の伝送ロスの問題があった。

本発明は、上記事実を考慮して、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる太陽光励起発電装置を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子を含んで構成された発電部と、一端が前記レーザ装置のレーザ光出力端に接続されると共に、他端が前記発電部へのレーザ光の供給端とされた光ファイバと、を備えている。

請求項１記載の太陽光励起発電装置では、レーザ装置が太陽光励起によりレーザ発振させて得たレーザ光が、光ファイバにより伝送されて発電部に至る。発電部では、レーザ光が光電変換素子に入射され、該レーザ光のエネルギが電気エネルギに変換される。これにより、太陽光エネルギから電気エネルギ（電力）を得ることができる。ここで、光ファイバの一端がレーザ装置のレーザ光出力端に接続されると共に、該光ファイバの他端が発電部へのレーザ光の入力端とされているため、換言すれば、レーザ光の伝送経路のほぼ全てが光ファイバにて構成されているため、レーザ光の略全での伝送経路においてレーザ光の伝送ロスが少ない。

このように、請求項１記載の太陽光励起発電装置では、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。特に、レーザ装置として、光ファイバのコアに活性層を含む構造のファイバレーザを用いた構成とすれば、レーザ装置のレーザ光出力端と光ファイバとを単に接合すれば足り、これらの間に光学系を設ける必要がなくなる。

請求項２記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項１記載の太陽光励起発電装置において、前記発電部は、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を、該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段をさらに含んで構成されている。

請求項２記載の太陽光励起発電装置では、発電部において光電変換素子から反射されたレーザ光が、反射光再入射手段により元の光電変換素子又は他の光電変換素子に入射されて、光電変換に寄与する。このため、レーザ光の利用率が向上し、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。

請求項３記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段とを含んで構成された発電部と、を備えている。

請求項３記載の太陽光励起発電装置では、レーザ装置が太陽光励起によりレーザ発振させて得たレーザ光が発電部に至ると、この発電部では、レーザ光が光電変換素子に入射され、該レーザ光のエネルギが電気エネルギに変換される。これにより、太陽光エネルギから電気エネルギを得ることができる。ここで、発電部においては、光電変換素子から反射されたレーザ光が、反射光再入射手段により元の光電変換素子又は他の光電変換素子に入射されて、光電変換に寄与する。このため、レーザ光の利用率が向上し、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。

このように、請求項３記載の太陽光励起発電装置では、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。

請求項４記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項２又は請求項３記載の太陽光励起発電装置において、前記発電部は、前記光電変換素子におけるレーザ光の入射面に対する裏面側に設けられ、レーザ光を入射面側に反射させるための裏面反射手段をさらに含んで構成されている。

請求項４記載の太陽光励起発電装置では、発電部を構成する光電変換素子の裏面側に裏面反射手段が設けられているため、光電変換素子内に照射されたものの光電変換に寄与しなかったレーザ光が、裏面反射手段にて反射されて該光電変換素子の照射面側から出射され、反射光再入射手段にて元の光電変換素子又は他の光電変換素子に入射される。これにより、レーザ光が光電変換素子を透過してしまうことによるロスが抑制され、太陽光エネルギを一層効率良く電気エネルギに変換することができる。

請求項５記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項２乃至請求項４の何れか１項記載の太陽光励起発電装置において、前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子の入射面側に設けられ、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子に向けて反射させ得る反射部材を有して構成されている。

請求項５記載の太陽光励起発電装置では、光電変換素子をレーザ光の入射面側から覆うように配設された反射部材が、光電変換素子から反射された反射光を該光電変換素子に向けて反射することで、レーザ光をロスなく光電変換に利用することが可能となる。反射部材は、例えば光電変換素子を覆うドーム状（半球状）等に形成されることで、光電変換素子との間からのレーザ光の漏れを防止することができる。

請求項６記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項２乃至請求項５の何れか１項記載の太陽光励起発電装置において、前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子が反射したレーザ光が該光電変換素子の他の部分又は他の光電変換素子に向けて反射されるようにした光電変換素子の形状又は複数の光電変換素子の配置を含んで構成されている。

請求項６記載の太陽光励起発電装置では、例えば、複数の光電変換素子を筒状や渦巻状に配置したり、単一の光電変換素子を湾曲させたりすることで、光電変換素子が反射したレーザ光が他の光電変換素子、元の光電変換素子における他の部分に入射され、レーザ光をロスなく光電変換に利用することが可能となる。例えば、上記のような複数の光電変換素子の配置、又は、単一若しくは複数の光電変換素子の形状と、請求項４の反射部材とで、反射光再入射手段を構成しても良い。

請求項７記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の太陽光励起発電装置において、前記光電変換素子は、特定の波長でのみ光電変換効率が高くなるバンド構造を有する。

請求項７記載の太陽光励起発電装置では、発電部を構成する光電変換素子のバンド構造が特定の波長に特化しているため、広い波長範囲に対応した構成と比較して、所定波長のレーザ光のエネルギ（すなわち太陽光エネルギ）を有効利用して高い光電変換効率を得ることができる。

請求項８記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項７記載の太陽光励起発電装置において、前記レーザ装置は、出力するレーザ光の波長が、前記光電変換素子における内部量子効率が極大となる波長に一致するように設定されている。

請求項８記載の太陽光励起発電装置では、光電変換素子の内部量子効率を極大（最大）とする波長が上記した特定の波長に対応して決まっているので、該内部量子効率を最大とする波長のレーザ光を該光電変換素子に入射することで、効率の良い光電変換効果を得ることができる。特に、発電部が反射光再入射手段（及び裏面反射手段）を備えた構成では、量子効率が高い領域で光電変換素子の吸収係数が低下するのを入射回数や入射位置の変更により補うことができ、一層効率の良い光電変換効果を得ることができる。

請求項９記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項１乃至請求項８の何れか１項記載の太陽光励起発電装置において、前記レーザ装置のレーザ光が入射されて内部に定在波を生じるように全膜厚が設定されている。

請求項９記載の太陽光励起発電装置では、レーザ装置から所定波長のレーザ光が入射された光電変換素子には全膜厚に亘る定在波が生じるので、高い効率で光電変換を行うことが可能になる。

以上説明したように本発明に係る太陽光励起発電部は、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る発電部としての太陽光励起発電装置１０について、図１乃至図５に基づいて説明する。

図１には、太陽光励起発電装置１０の概略構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、太陽光励起発電装置１０は、レーザ装置としての太陽光励起レーザ装置１２と、光電変換素子としての単色光太陽電池１４を主発電部とする発電部１６と、発電部１６で発電された電気エネルギ（電力）を蓄える蓄電手段としての２次電池１８と、太陽光励起レーザ装置１２と発電部１６との間のレーザ光伝送路を構成する光ファイバ２０と、発電部１６と２次電池１８との間を導通（電気的に接続）する電線２２とを主要構成要素として構成されている。この実施形態では、２次電池１８は、単色光太陽電池１４の出力を効率よく取り出すための負荷制御装置１８Ａを含んで構成されている。

太陽光励起レーザ装置１２は、太陽光励起ファイバレーザ２４を備えている。図示は省略するが、太陽光励起ファイバレーザ２４は、クラッドに覆われたコアに活性物質（活性層）が含まれて構成されており、側面（周面）から太陽光を励起光として照射することで、レーザ発振が生じる構成とされている。コアに添加される活性物質としては、例えば、Ｎｄ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｅ等の少なくとも一部を用いることができ、太陽光を励起光とする太陽光励起ファイバレーザ２４では、上記Ｎｄを用いることができ、さらにＴｉ、Ｃｒ、Ｃｅ等を添加することが好ましい。また、太陽光励起レーザ装置１２は、太陽光励起ファイバレーザ２４の活性層に太陽光を集中的に照射するための集光系２６を備えている。

太陽光励起ファイバレーザ２４は、例えば同心状（渦巻状）や多段折り返し（千鳥）によるシート状等のスペース効率の良好な形状に形成されている。なお、太陽光励起ファイバレーザ２４は、その光ファイバの両端面を壁開したままで共振器として機能する構成とすることも可能であるが、例えば、光ファイバの両端に誘電体ミラーを形成したり、反射鏡（金属ミラー等）を取り付けたり、グレーティングを書き込んだりすることで共振器を構成することが好ましい。

以上説明した太陽光励起レーザ装置１２では、太陽光励起ファイバレーザ２４は、その一端がレーザ光出力端２４Ａとされ、レーザ光伝送用の光ファイバ２０の一端であるレーザ光入力端２０Ａに接続されている。この実施形態では、太陽光励起ファイバレーザ２４を構成する光ファイバと光ファイバ２０とを融着することで、レーザ光出力端２４Ａとレーザ光入力端２０Ａとが接続されている。図２に示される如く、光ファイバ２０の他端は、発電部１６の単色光太陽電池１４にレーザ光を照射するためのレーザ光照射端２０Ｂとされている。

発電部１６は、単色光太陽電池１４と、該単色光太陽電池１４が反射したレーザ光を該単色光太陽電池１４に向けてさらに反射する反射光再入射手段又は反射材としてのドーム型反射器２８と、単色光太陽電池１４におけるレーザ光の入射面１４Ａに対する裏面１４Ｂに設けられた裏面反射手段としての裏面反射部３０と、を主要構成要素として構成されている。

単色光太陽電池１４は、特定波長の光のエネルギを電気エネルギ（電力）に変換するものであり、例えば、Ｓｉ系の光電変換素子（単結晶、多結晶、アモルファス型）、化合物半導体系（ＩＩＩ−Ｖ族（ＧａＡｓ系、ＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓ等）、ＩＩ−ＶＩ族（ＣｄＳ／ＣｄＴｃ系、Ｃｕ_２Ｓ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等）、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族（ＣｕＩｎＳｅ_２系、ＡｇＩｎＳｅ_２、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｕＧａＳｅ_２等）の光電変換素子、有機半導体系の光電変換素子、色素増感型の光電変換素子等を採用することができる。

この実施形態では、単色光太陽電池１４は、特定波長λｇ（＝ｈｃ／Ｅｇ＝ｈν）でのみ光電変換効率が高くなるバンド構造（図４（Ａ）参照）を有する構成とされている。このような特定の波長に特化したバンド構造を構成する方法は、公知の技術であるので、説明を省略する。

ドーム型反射器２８は、単色光太陽電池１４側に開口端を向けたドーム状（略半球隔状）に形成されており、その内面が太陽光励起レーザ装置１２のレーザ光に合わせた誘電体反射膜や金属ミラー等にて構成された反射面２８Ａとされている。これにより、ドーム型反射器２８は、単色光太陽電池１４の入射面１４Ａ（ｐ層３２）側から入射された光を該入射面１４Ａ側に反射する構成とされている。この実施形態では、ドーム型反射器２８の頂部２８Ｂ（入射面１４Ａに対し面直方向に最も離間した部分）に、光ファイバ２０のレーザ光照射端２０Ｂが反射面２８Ａ側に露出した状態で取り付けられている。

そして、裏面反射部３０は、例えば太陽光励起レーザ装置１２のレーザ光の波長に合わせた誘電体反射膜とされ、図３（Ａ）に示される如く、入射面１４Ａから単色光太陽電池１４に入射され光電変換に寄与しなかった光を入射面１４Ａ側に反射する構成とされている。また、単色光太陽電池１４は、ｐ層３２（後述）の厚みが極力薄く設定され、該ｐ層３２での光の吸収が抑制されるようになっている。さらに、この実施形態では、ｐ層３２は、薄肉（薄膜）化したＳｉ基板に金属電極を積層して構成され、又は薄肉（薄膜）化したＳｉ基板に透明電極と反射膜（金属又は誘電体多層膜）を積層して構成されており、該ｐ層３２での光の吸収が一層抑制されている。前者の構成では金属電極が裏面反射部３０を兼ね、後者の構成では透明電極及び反射膜が裏面反射部３０を構成している。これらにより、単色光太陽電池１４では、裏面反射部３０による反射光量が確保されるようになっている。

またさらに、発電部１６では、単色光太陽電池１４の入射面１４Ａすなわちｎ層３４の表面には、反射防止膜（無反射コーティング）３８が設けられている。これにより、単色光太陽電池１４は、入射面１４Ａからのレーザ光の反射が防止されて利用効率が向上される一方、上記した通り光電変換に寄与しなかったレーザ光は、裏面反射部３０、ドーム型反射器２８の反射面２８Ａにて反射され、再び入射面１４Ａから入射される構成とされている。

以下、単色光太陽電池１４の構成について補足する。単色光太陽電池１４は、例えば図２に示される如く、Ｐ型基板（Ｐ層）に拡散プロセスにてｎ型電極（ｎ層）を作成することによって、ｐ層３２とｎ層３４との間に空乏層３６が形成されて構成されている。ここで、図３（Ｂ）に示される如くｐ層１０２が薄肉化されない以外の構成は単色光太陽電池１４と共通である比較例太陽電池１００について検討する。この比較例太陽電池１００では、極薄肉のｎ層３４で入射光量の数％から１０％の吸収が生じ、ｎ層３４よりも厚い空乏層３６で入射光量の数％から２０％、残余の入射光は厚肉のｐ層１０２にて吸収される。この光の吸収によってｐ層１０２における電子の拡散長以内の深さで発生した電子は、空乏層３６に達し、ｎ層３４に至ることで光電流となる。一方、ｐ層１０２における拡散長よりも深い部分で発生した電子は、空乏層３６に達することなく多数のキャリアと再結合して熱（損失）となる。

この知見に基づいて太陽光励起発電装置１０では、ｐ層３２の厚みを電子の拡散長以下に設定している。なお、この実施形態では、ｐ層３２の厚みは、ｎ層３４（略１μｍ）、空乏層３６（数μｍ）の厚みに対し十分に大きく設定されている。これにより、単色光太陽電池１４では、ｐ層３２にて吸収された光は光電変換に有効に寄与し、ｐ層３２にて吸収されなかった光は裏面反射部３０にて反射される構成である。また、ｐ層３２の厚みを薄くするには、例えば薄肉のＰ型基板（基板としての機能は３０等の他の部材が果たすようにしても良い）を用いたり、ｎ層３４の形成後にｐ型基板（例えば３００μｍ程度）を研磨したりすれば良い。

以上、単色光太陽電池１４がｐｎ接合構造をとる場合の例を説明したが、例えばアモルファスＳｉ太陽電池のようなｐｉｎ構造においても同様の知見に基づいて同様の構成することができる。

また、単色光太陽電池１４は、その主要構成材料（例えばＳｉ）の屈折率をｎとした場合に、その全膜厚ｔがｔ≒λｌ／（４×ｎ）を満たすように決められている。これにより、単色光太陽電池１４の空乏層３６では、波長λｌのレーザ光が入射されると定在波を生じる構成とされている。なお、全膜厚ｔ（ｎ層３４、空乏層３６、ｐ層３２の厚みの和）は、ｎ層３４、ｐ層３２の厚みが空乏層３６の厚み対し十分に薄い場合には、該空乏層３６の厚みとして把握（近似）することができる。すなわち、空乏層３６で定在波が生じるものとして設計可能となる。

以上説明した単色光太陽電池１４は、上記した特定の波長λｇよりも短い波長の（バンドギャップ（エネルギギャップ）Ｅｇよりもエネルギが高い）光が吸収されると、光電変換が生じるようになっている。また、単色光太陽電池１４では、図５（Ａ）に示される如く、波長λｇよりも短い波長の光に対し量子効率が極大となる量子効率−波長特性を呈する一方、図５（Ｂ）に示される如く、波長λｇに近づく（波長が長くなる）ほど吸収係数が低くなる吸収係数−波長特性を呈する。

そして、太陽光励起発電装置１０では、太陽光励起レーザ装置１２は、単色光太陽電池１４の量子効率がほぼ最大となる波長λｌのレーザ光を出力するように設定されている。すなわち、太陽光励起レーザ装置１２が出力するレーザ光の波長λｌは、単色光太陽電池１４のバンドギャップに対応する波長λｇよりもわずかに短く（高エネルギに）設定されている。一方、発電部１６は、波長λｌのレーザ光に対する単色光太陽電池１４の吸収係数の低さを、上記したドーム型反射器２８、裏面反射部３０によるレーザ光の繰り返し入射（入射タイミング、入射位置の分散）、無反射膜３８による入射促進にて補う構成とされている。

なお、例えば、波長λｇが４００ｎｍから７００ｎｍの帯域で光電変換効率が高い色素増感型の太陽電池を単色光太陽電池１４として採用した場合には、この色素増感型の太陽電池（の量子効率）に対応した波長λｌのレーザ光を出力するように太陽光励起ファイバレーザ２４を設定すれば、高効率な太陽光励起発電装置１０を構成することができる。他方、太陽光励起レーザ装置１２として長波長（例えば１．０μｍ帯域）のレーザを用いる構成では、活性部材としてコアにＮｄ、Ｃｒを共添加することにより、太陽光のスペクトルに対して吸収断面積が大きく、広いスペクトルを利用してレーザ効率を高めることが可能である。この場合、長波長の波長λｌに合わせた（波長λｌの光入射で量子効率が最大となる）単色光太陽電池１４を採用することで、高効率な太陽光励起発電装置１０を構成することができる。

また、太陽光励起発電装置１０では、電線２２を介して発電部１６に電気的に接続された２次電池１８は、該発電部１６が発生した電気エネルギを蓄えるようになっている。２次電池１８は、発電部１６の近傍に配置されることで、電線２２による電気エネルギの伝送ロスが抑制されるようになっている。この２次電池１８には、図示しない負荷に電気エネルギを供給可能に接続されても良く、充電後に電線２２から切り離されて負荷装置に装着される構成としても良い。前者の構成においては、発電部１６が発生した電気エネルギ（の少なくとも一部）を直接的に付加に供給し得る構成とすることも可能である。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の太陽光励起発電装置１０では、太陽光励起レーザ装置１２の集光系２６が太陽光励起ファイバレーザ２４の側面からコアの活性層に向けて、太陽光を集中的に照射させる。太陽光励起ファイバレーザ２４では、この太陽光を励起光としてレーザ発振が生じ、太陽光励起レーザ装置１２のレーザ光出力端２４Ａから光ファイバ２０を経由して発電部１６に波長λｌのレーザ光が伝送される。このレーザ光は、ドーム型反射器２８の頂部２８Ｂから単色光太陽電池１４の入射面１４Ａに向けて照射され、無反射膜３８によって入射面１４Ａからの反射が防止されることで、ほぼ全量が該入射面１４Ａから単色光太陽電池１４に入射される。

単色光太陽電池１４では、入射されたレーザ光により光電変換がなされ、電気エネルギが生じる。一方、単色光太陽電池１４を透過したレーザ光は、図３（Ａ）に示される如く裏面反射部３０にて反射され、入射面１４Ａから単色光太陽電池１４外に出射される。このレーザ光は、ドーム型反射器２８の反射面２８Ａで入射面１４Ａに向けて反射され、該入射面１４Ａから単色光太陽電池１４に再び入射される。そして、単色光太陽電池１４では、入射されたレーザ光により光電変換がなされ、電気エネルギが生じる。裏面反射部３０、ドーム型反射器２８による反射が繰り返されて、レーザ光は、時間的、空間（平面）的に分散されつつ全て単色光太陽電池１４に吸収される。

発電部１６で生じた電気エネルギは、電線２２を介して２次電池１８に供給され、該２次電池１８にて蓄えられる（２次電池１８が充電される）。

ここで、太陽光励起発電装置１０では、太陽光励起レーザ装置１２と発電部１６との間を、光ファイバ２０によってレーザ光の伝送可能に接続したので、レーザ光の伝送ロスが少ない。また、太陽光励起発電装置１０では、特定の波長λｇのみで効率良く光電変換を行うように設定された単色光太陽電池１４に対し、該波長λｇに対応して設定した所定の波長λｌのレーザ光を入射させる構成であるため、図１０に示される如く、広いスペクトルの太陽光を該広いスペクトルに対応したバンド構造を有する広帯域太陽電池１１０に照射する構成と比較して、太陽光エネルギを効率良く利用して発電を行うことが可能である。

具体的には、図４（Ｂ）に示される如く、比較例に係る広帯域太陽電池１１０では、太陽光のうちバンドギャップＥｇよりもエネルギが低い光（λｌ４）は、広帯域太陽電池１１０に吸収されずに透過してしまい、一方でバンドギャップＥｇよりもエネルギが高い光（λｌ１〜λｌ３）は、広帯域太陽電池１１０に吸収されるものの、バンドギャップＥｇとの差分のエネルギが熱として浪費させてしまい、ロスとなる。また、図１１に示される如く広帯域太陽電池１１０に対し太陽光励起レーザ装置１２のレーザ光を照射する例では、複数の異なるバンドギャップに単色光を照射するモデルと把握することができ、このモデルは図４（Ｂ）に示すバンド構造と等価である考えることができるので、図１０に示す例と同様の問題を生じ得る。

これらに対して太陽光励起発電装置１０では、図４（Ａ）に示される如く、単色光太陽電池１４の上記特定波長λｇよりもわずかに短い波長λｌすなわちバンドギャップＥｇよりもわずかに高いエネルギを該単色光太陽電池１４に入射するので、レーザ光が単色光太陽電池１４に吸収されないことが防止されると共に、バンドギャップＥｇとの差分のエネルギが熱として消費されることが防止される。したがって、上記したように、太陽光エネルギを効率良く利用して発電を行うことが可能である。

そして、太陽光励起発電装置１０では、発電部１６がドーム型反射器２８を有して構成されているため、単色光太陽電池１４から反射されたレーザ光を単色光太陽電池１４に再度入射することができる。しかも、太陽光励起発電装置１０では、ｐ層３２を薄くしているため、図３（Ｂ）に示される比較例太陽電池１００のように厚肉のｐ層１０２（光電変換効率が低い部分）にレーザ光が吸収されてしまうことが防止される。特に、発電部１６が裏面反射部３０を有するため、図３（Ｃ）に示される別の比較例太陽電池１０５の如く単に薄肉化したｐ層１０６からレーザ光が透過、出射してしまうことが防止されると共に、単色光太陽電池１４を透過したレーザ光を確実にドーム型反射器２８側に反射することができる。さらに、入射面１４Ａには無反射膜３８を設けているので、入射面１４Ａに照射されたレーザ光を単色光太陽電池１４に効率的に入射させることができる。

以上により、太陽光励起発電装置１０では、光ファイバ２０を経由して伝送されたレーザ光を、殆ど全てが単色光太陽電池１４に吸収されるまで、該単色光太陽電池１４に対し繰り返し、かつ速やかに入射させることができる。これにより、単色光太陽電池１４が太陽光励起レーザ装置１２のレーザ光の波長λｌにおいて吸収係数が比較的低いことが補われ、量子効率の高い波長λｌのレーザ光の入射によって効率良く光電変換を行うことが実現される。

さらに、太陽光励起発電装置１０では、単色光太陽電池１４の全膜厚ｔがｔ≒λｌ／（４×ｎ）であるため、波長λｌのレーザ光が入射されると単色光太陽電池１４の内部では定在波が生じ、一層効率的な光電変換を実現することができる。

このように、第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置１０では、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。そして、太陽光励起発電装置１０では、上記の通りレーザ光を単色光太陽電池１４に繰り返し入力することにより該レーザ光の利用率を向上しているため、単色光太陽電池１４の面積によって利用率を確保する構成と比較して、著しくコンパクトな単色光太陽電池１４（発電部１６）で大きな電気エネルギを得ることができる。

また、太陽光励起発電装置１０では、太陽光励起レーザ装置１２と単色光太陽電池１４とを光ファイバ２０にて接続しているため、２次電池１８や負荷の近くで発電部１６による発電を行うことができ、エネルギ伝送ロスが少ない。すなわち、太陽光励起レーザ装置１２の近傍でかつ２次電池１８から遠隔した位置に発電部１６を配置した構成では、電線２２による送電ロスが大きいが、太陽光励起発電装置１０では、光ファイバ２０にレーザ光を少ないロスで遠隔した発電部１６まで伝送することができ、太陽光エネルギを有効利用することができる。しかも、太陽光で励起、発振されて得られるレーザ光は、その波長帯域が光ファイバ２０にとっての低損失域であるため、太陽光エネルギのロスが一層効果的に抑制される（例えば、波長λｌ≒１．０μｍの帯域での損失は、０．１ｄＢ／ｋｍ程度である）。

（他の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部分等については、上記第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合がある。

（第２の実施形態）
図６には、本発明の第２の実施形態に係る太陽光励起発電装置４０が図１に対応するブロック図にて示されている。この図に示される如く、太陽光励起発電装置４０は、太陽光励起レーザ装置１２に代えて太陽光励起レーザ装置４２を備える点で、第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置１０とは異なる。

太陽光励起レーザ装置４２は、太陽光励起ファイバレーザ２４に代えて、活性物質を含むロッド状部材（図示省略）を有して構成された太陽光励起固体レーザ４４と、太陽光励起固体レーザ４４のロッド状部材に太陽光を集中的に照射するための集光系４６と、太陽光励起固体レーザ４４から出射されたレーザ光を結合させて光ファイバ２０のレーザ光入力端２０Ａに入力するための光学系４８とを主要構成要素としている。

太陽光励起固体レーザ４４は、太陽光励起ファイバレーザ２４と同様に側面（周面）に励起光としての太陽光を照射することで、レーザ発振が生じる構成とされている。太陽光励起発電装置４０の他の構成は、太陽光励起発電装置１０の対応する構成と同じである。

したがって、第２の実施形態に係る太陽光励起発電装置４０によっても、第１の実施形態に係る１０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図７には、本発明の第３の実施形態に係る太陽光励起発電装置５０を構成する発電部５２が斜視図にて示されている。この図に示される如く、発電部５２は、複数の単色光太陽電池１４が立体形状を成すように配置される一方、ドーム型反射器２８を備えない点で、発電部１６とは異なる。

具体的には、発電部５２を構成する複数の単色光太陽電池１４は、それぞれ略同寸法の矩形板状に形成されており、周方向に隣接する単色光太陽電池１４と互いの周方向端部を近接させて配置されることで、全体として多角形筒状（この実施形態では、略正十角形筒状）を形成している。この状態では、各単色光太陽電池１４は、それぞれの入射面１４Ａ（無反射膜３８）側が発電部５２の成す多角形筒状体の内側に向けられると共に、それぞれの裏面１４Ｂ（裏面反射部３０）が発電部５２の成す多角形筒状体の外側に向けられている。

この発電装置５２では、周方向に隣接する単色光太陽電池１４の成す角は、例えば図８に示す矢印Ａ方向からレーザ光が入射されると共に該レーザ光の一部が裏面反射部３０にて反射された場合に、周方向に隣接する単色光太陽電池１４に反射レーザ光が入射されるように設定されている。太陽光励起発電装置５０は、矢印Ａ方向から入射されたレーザ光が全て発電装置５２に吸収され、該発電装置５２から出射されないように、各単色光太陽電池１４の寸法、矢印Ａ方向が決められている。

太陽光励起発電装置５０の他の構成、すなわち発電部５２を除く部分は、基本的に第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置１０の対応する構成と同じである。

第３の実施形態に係る太陽光励起発電装置５０の作用について、太陽光励起発電装置１０の作用と異なる部分を説明する。上記構成の太陽光励起発電装置５０では、太陽光励起レーザ装置１２が出力したレーザ光は、光ファイバ２０のレーザ光照射端２０Ｂから図８に示す矢印Ａに沿って、発電部５２（複数の単色光太陽電池１４が形成する多角形筒状部材の内側）に供給される。レーザ光が入射された単色光太陽電池１４では、入射されたレーザ光のうちの一部により光電変換がなされ、吸収されなかったレーザ光は裏面反射部３０にて反射され、入射面１４Ａから出射される。この反射レーザ光は、隣接する単色光太陽電池１４に入射され、上記同様に一部が光電変換にて消費されると共に他の一部が反射光としてさらに隣接する単色光太陽電池１４に入射される。レーザ光が全て吸収されるまで、単色光太陽電池１４による吸収、該単色光太陽電池１４に隣接する単色光太陽電池１４への反射、吸収が繰り返される。

以上説明したように、太陽光励起発電装置５０によっても、太陽光励起レーザ装置１２のレーザ光が全て光電変換にて消費されるように吸収されるまで、発電部５２によってレーザ光の反射、吸収が繰り返されるので、発電部１６を備えた太陽光励起発電装置１０と同様の効果を得ることができる。すなわち、第２の実施形態に係る太陽光励起発電装置５０によっても、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。また、太陽光励起発電装置５０では、複数の単色光太陽電池１４で立体形状を成すため、入射面１４Ａを同じ向きにして配置した構成と比較して、発電部５２の設置面積（軸方向視の占有面積）をコンパクトにすることができる。

（第４の実施形態）
図９には、本発明の第４の実施形態に係る太陽光励起発電装置６０を構成する発電部６２が斜視図にて示されている。この図に示される如く、発電部６２は、複数の単色光太陽電池１４が多角錐筒状を成すように配置されている点で、複数の単色光太陽電池１４が多角形筒状を成すように配置されている発電部５２を備える太陽光励起発電装置５０とは異なる。

具体的には、発電部６２を構成する複数の単色光太陽電池１４は、それぞれ高さ方向に長手の台形状に形成されており、周方向に隣接する単色光太陽電池１４と互いの周方向端部を近接させて配置されることで、全体として上記の通り多角錐筒状（この実施形態では、十角錐筒状）を形成している。そして、発電部６２では、図９に示される如く、全体として成す多角錐筒状体における大きく開口した側から、太陽光励起レーザ装置１２（光ファイバ２０のレーザ光照射端２０Ｂ）のレーザ光が入射される構成とされている。太陽光励起発電装置６０の他の構成は、太陽光励起発電装置５０の対応する構成と同じである。

したがって、第４の実施形態に係る太陽光励起発電装置６０によっても、第３の実施形態に係る太陽光励起発電装置５０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、発電部６２では、多角錐筒状に形成されると共に大きく開口する側からレーザ光が入射されるので、換言すれば、各単色光太陽電池１４がレーザ光の入射側を向くように軸線に対し傾斜配置されているため、単色光太陽電池１４に吸収されてレーザ光の入射量が少なくなる側において、軸線方向に高密度でレーザ光が入射されることになる。これにより、単色光太陽電池１４の各部へのレーザ光の入射量が均一化され、発電部５２（複数の単色光太陽電池１４）の面積を有効利用することができる。したがって、太陽光励起発電装置６０では、発電部６２のスペース効率が良好である。

なお、上記第３及び第４の実施形態では、複数の単色光太陽電池１４が隣接する単色光太陽電池１４に向けて入射光の一部を反射するように配置された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、周方向に離間した単色光太陽電池１４に対し入射光の一部を反射するように、複数の単色光太陽電池１４を隙間を挟んで配置したり、他の単色光太陽電池１４を挟んで配置したりしても良く、また例えば、複数の単色光太陽電池１４を軸方向視で渦巻状を成すように配置して発電部５２、６２を構成しても良く、さらに例えば、湾曲されることで自ら反射した反射光を他の部分に入射させる単色光太陽電池１４を含んで発電部５２、６２を構成しても良い。

本発明の第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置の概略全体構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置を構成する発電部を示す断面図である。 （Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置を構成する単色光太陽電池の反射状態を模式的に示す断面図、（Ｂ）、（Ｃ）は、比較例に係る単色光太陽電池のレーザ光の吸収又は反射状態を示す断面図である。 （Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置を構成する単色光太陽電池のバンド構造を示す模式図、（Ｂ）は、比較例に係る単色光太陽電池のバンド構造を示す模式図である。 発明の第１の実施形態に係る太陽光励起発電装置を構成する単色光太陽電池の特性を示す図であって、（Ａ）は量子効率−波長特性を示す線図、（Ｂ）は吸収係数−波長特性を示す線図である。 本発明の第２の実施形態に係る太陽光励起発電装置の概略全体構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る太陽光励起発電装置を構成する発電装置を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る太陽光励起発電装置を構成する発電装置を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態に係る太陽光励起発電装置を構成する発電装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態との比較例に係る太陽光励起発電装置の模式図である。 本発明の実施形態との他の比較例に係る太陽光励起発電装置の模式図である。

符号の説明

１０ 太陽光励起発電装置
１２ 太陽光励起レーザ装置（レーザ装置）
１４ 単色光太陽電池（光電変換素子）
１６ 発電部
２０ 光ファイバ
２８ ドーム型反射器（反射光再入射手段、反射部材）
３０ 裏面反射部（裏面反射手段）
３６ 空乏層
４０・５０・６０ 太陽光励起発電装置
４２ 太陽光励起レーザ装置（レーザ装置）
５２・６２ 発電部

Claims (9)

1. 太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、
   入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子を含んで構成された発電部と、
   一端が前記レーザ装置のレーザ光出力端に接続されると共に、他端が前記発電部へのレーザ光の供給端とされた光ファイバと、
   を備えた太陽光励起発電装置。
2. 前記発電部は、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を、該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段をさらに含んで構成されている請求項１記載の太陽光励起発電装置。
3. 太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、
   入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段とを含んで構成された発電部と、
   を備えた太陽光励起発電装置。
4. 前記発電部は、前記光電変換素子におけるレーザ光の入射面に対する裏面側に設けられ、レーザ光を入射面側に反射させるための裏面反射手段をさらに含んで構成されている請求項２又は請求項３記載の太陽光励起発電装置。
5. 前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子の入射面側に設けられ、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子に向けて反射させ得る反射部材を有して構成されている請求項２乃至請求項４の何れか１項記載の太陽光励起発電装置。
6. 前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子が反射したレーザ光が該光電変換素子の他の部分又は他の光電変換素子に向けて反射されるようにした光電変換素子の形状又は複数の光電変換素子の配置を含んで構成されている請求項２乃至請求項５の何れか１項記載の太陽光励起発電装置。
7. 前記光電変換素子は、特定の波長でのみ光電変換効率が高くなるバンド構造を有する請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の太陽光励起発電装置。
8. 前記レーザ装置は、出力するレーザ光の波長が、前記光電変換素子における内部量子効率が極大となる波長に一致するように設定されている請求項７記載の太陽光励起発電装置。
9. 前記光電変換素子は、前記レーザ装置のレーザ光が入射されて内部に定在波を生じるように全膜厚が設定されている請求項１乃至請求項８の何れか１項記載の太陽光励起発電装置。

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