JP2009195000A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電効果によるエミッタからの電子の放出を活発に行わせながら、その電子を効率よくエミッタに捕獲させて、発電効率を高めることができると共に小型で簡素な構成とすることができる光電変換装置を提供する。
【解決手段】エミッタ９の入射面９ａが真空容器７の透明部７ａと間隔を存して透明部７ａに対面し、且つ、エミッタ９の入射面９ａと真空容器７の透明部７ａとの間にエミッタ９の入射面９ａと間隔を存して透明導電部材からなるコレクタ１１が介在するように、エミッタ９およびコレクタ１１が真空容器７の内部に配置される。真空容器７の外部から透明部７ａおよびコレクタ１１を介してエミッタ９の入射面９ａに光を照射することによって、エミッタ９を加熱しつつ、エミッタ９の入射面９ａでの光電効果を発生させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に関する。

太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置としては、例えば特許文献１〜４に見られる技術が知られている。

特許文献１、２には、熱電子を利用する光電変換装置が開示されている。これらの装置では、集光した太陽光によって真空容器内のエミッタを高温に加熱することで、該エミッタから熱電子を放出させると共に、その熱電子をコレクタで捕獲することによって、該エミッタとコレクタとの間に起電力を発生させるようにしている。

特許文献３には、光電効果を利用する光電変換装置が開示されている。この装置では、光電効果を生じる複数の電極を、互いにほぼ平行になるように真空容器内に配列している。そして、互いに隣り合う電極と電極との間の隙間から、一方の電極の表面に太陽光を入射することによって、その一方の電極（エミッタ）の表面から光電効果によって電子を放出させ、その放出電子を他方の電極（コレクタ）で捕獲し、それらの電極間に起電力を発生させるようにしている。

特許文献４には、熱電子と光電効果とを利用する光電変換装置が開示されている。この装置では、低圧セシウム封入型熱電子発電管内に、メッシュ状のコレクタとエミッタとを配置し、集光した太陽光などの強い光をメッシュ状のコレクタを通してエミッタに照射して、該エミッタを加熱しながら、該エミッタから熱電子や光電効果による電子を放出させ、それをメッシュ状のコレクタで捕獲することで、エミッタとコレクタとの間に起電力を発生させるようにしている。この場合、コレクタとエミッタとの間に存在するセシウム原子（アルカリ金属原子）を短波長域の光で励起・電離させることによって、エミッタとコレクタとの間の負電荷を中和し、エミッタからコレクタに流れる電子を増やすようにしている。
特許第３４４９６２３号公報 特開２００５−３５４７５２号公報 特公昭６１−４８３４９号公報 特開２００２−７８３６４号公報

前記特許文献１、２、４に見られるように、集光した太陽光などによってエミッタを加熱して、該エミッタから熱電子を放出させる光電変換装置では、一般に、該エミッタからの熱電子の放出量を多くするために、該エミッタを極めて高温に加熱する必要がある。そのため、エミッタやその周辺の部材に高い耐熱性が要求され、それらが高価なものとなりやすいと共に、集光装置も大型で高価なものとなりやすい。また、エミッタなどの熱膨張や熱変形を生じやすいことから、エミッタとコレクタとの短絡を防止するために、該エミッタとコレクタとの間隔を十分に小さくすることが困難である。そのため、エミッタから放出される熱電子を効率よくコレクタに捕獲させることが難しい。そして、熱電子をコレクタに効率よく捕獲させるためには、特許文献１に見られるように外部電界もしくは外部磁界を発生させる装置を備えて、エミッタから放出される熱電子を強制的にコレクタに向かわせたり、あるいは、特許文献４に見られるようにエミッタおよびコレクタを収容する容器内にセシウムなどのアルカリ金属原子を封入する必要がある。この結果、光電変換装置の全体が大型化したり、高価なものとなるという不都合がある。

一方、特許文献３に見られるように光電効果を利用するものでは、エミッタの温度が、熱電子放出の場合ほど、高温でなくても光電効果による電子放出を発生させることができる。しかるに、特許文献３のもののように、エミッタとコレクタとの間の隙間から太陽光をエミッタの表面（コレクタ側の面）に照射するものでは、エミッタとコレクタとの間の間隔が小さ過ぎると、エミッタの表面の全体に十分な量の光を照射することができない。このため、エミッタとコレクタとの間隔を十分に小さくすることができず、ひいては、エミッタの表面から光電効果によって放出される電子を効率よくコレクタに捕獲させることが困難となる。

他方、特許文献４に見られるように、メッシュ状に形成したコレクタを使用し、該コレクタを介してエミッタに光を照射するようにした場合には、コレクタとエミッタとの間隔によらずに、エミッタに十分な量の光を照射することは可能である。しかるに、この場合、コレクタがメッシュ状であるために、エミッタから放出される電子のうち、コレクタに捕獲されずに該コレクタを通過してしまう電子も多くなる。このため、特許文献４に見られるようにコレクタをメッシュ状に形成した場合には、コレクタとエミッタとの間隔を十分に小さくしても、光電効果によりエミッタから放出される電子を効率よくコレクタで捕獲することは困難である。また、エミッタからの放出電子がコレクタに捕獲されやすくするために、コレクタの貫通穴の面積を小さくしたり、貫通穴の個数を少なくすると、エミッタに十分な量の光を照射することが困難となる。その結果、光電効果による放出電子を主体として十分な起電力をエミッタとコレクタとの間に発生させることが難しく、特許文献４に見られる如く、エミッタから光電効果による電子だけでなく、熱電子をも積極的に放出させて、電子の総放出量を多くしたり、あるいは、アルカリ金属を容器内に封入することが必要となっていた。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、光電効果によるエミッタからの電子の放出を活発に行わせながら、その電子を効率よくエミッタに捕獲させて、発電効率を高めることができると共に小型で簡素な構成とすることができる光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の光電変換装置は、かかる目的を達成するために、光の入射面を有し、該入射面での光電効果によって電子を放出可能なエミッタと、該エミッタの入射面から放出された電子を捕獲するコレクタとを真空容器の内部に備え、該エミッタとコレクタとの間に発生する起電力を出力する光電変換装置であって、前記真空容器は少なくともその一部に透明部を有する容器であると共に、前記コレクタは透明導電部材により構成されており、前記エミッタの入射面が前記真空容器の透明部と間隔を存して該透明部に対面し、且つ、該エミッタの入射面と真空容器の透明部との間に該エミッタの入射面と間隔を存して前記コレクタが介在するように、該エミッタおよびコレクタが前記真空容器の内部に配置され、前記真空容器の外部から前記透明部およびコレクタを介して前記エミッタの入射面に光を照射することによって、該エミッタの入射面を加熱しつつ、該入射面での光電効果を発生させるようにしたことを特徴とする（第１発明）。

この第１発明によれば、前記コレクタを透明導電部材により構成しているので、前記真空容器内のエミッタの入射面に、該真空容器の外部から、該真空容器の透明部とコレクタとを介して十分な量の光を照射することができる。このため、その光によって、エミッタを加熱しながら、該エミッタの入射面で光電効果を発生させることができる。

ここで、本願発明者の各種実験・検討によれば、エミッタを適度な温度に加熱することによって、光電効果による電子放出が活発に行われるようになる。このように光電効果による電子放出が活発に行われるエミッタの温度は、該エミッタからの熱電子の放出が活発に行われるような高温である必要はなく、それよりも低い温度（２００〜７００°Ｃ程度の温度）で十分である。そして、そのような温度にエミッタを加熱することは、高価な集光手段や、ヒータを必要とすることなく、安価な光学系を使用したエミッタへの光の照射によって容易に実現できる。

また、エミッタをさほど高温に加熱せずとも、光電効果による電子放出を活発に発生させることができることから、エミッタやコレクタ、真空容器などの熱膨張や熱変形が抑制され、エミッタとコレクタとの間の間隔を小さくすることができる。また、エミッタからの赤外光などの放射や熱伝導に伴うエネルギー損失を低減できる。ひいては、エミッタの入射面での光電効果を効率よく発生させながら、該光電効果によって放出される電子を効率よくコレクタで捕獲して、該エミッタとコレクタとの間に発生する起電力を高めることができる。同時に、真空容器なども小型なもので済む。

従って、第１発明の光電変換装置によれば、光電効果によるエミッタからの電子の放出を効率よく活発に行わせながら、その電子を効率よくエミッタに捕獲させて、発電効率を高めることができると共に小型で簡素な構成とすることができる。

かかる第１発明では、種々様々の光源を利用することが可能であるが、太陽光を集光して、前記透明部に入射する集光手段を前記真空容器の外部に備えることが好適である（第２発明）。

この第２発明によれば、太陽光の光エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。

そして、第２発明においては、前記集光手段は、フレネルレンズであることが好ましい（第３発明）。

このように、フレネルレンズによって集光手段を構成することによって、該集光手段を安価に構成できる。

また、前記第１〜第３発明では、前記エミッタは、前記真空容器の内部に、該真空容器の内面と非接触状態で配置されていると共に、該エミッタの入射面以外の部位から前記真空容器の壁部に延設された複数の支持部材を介して該真空容器に支持されていることが好ましい（第４発明）。

この第４発明によれば、エミッタから真空容器への放熱を少なくできるため、該エミッタを、これに照射する光によって、効率よく加熱することができる。また、該エミッタの放熱によるエネルギー損失を少なくすることができる。

この第４発明では、前記複数の支持部材のうちの少なくとも一つの支持部材は、導電材料により構成されて前記エミッタに電気的に導通されていると共に、前記真空容器の壁部を貫通して該真空容器の外部に突出されていることが好ましい（第５発明）。

この第５発明によれば、導電材料により構成した前記支持部材を、エミッタとコレクタとの間に発生する起電力を外部に出力するための出力端子（正極側の出力端子）として利用することができる。

また、前記第１〜第５発明では、前記コレクタは、前記真空容器の透明部の内面に成膜された透明導電膜により構成されていることが好ましい（第６発明）。

この第６発明によれば、コレクタでの光の吸収を小さくできると共に、該コレクタの真空容器への組み付けを容易に行うことができる。

さらに、前記第１〜第６発明では、前記コレクタの周縁部に接合されて該コレクタに電気的に導通された複数の導電部材が前記真空容器の壁部を貫通して該真空容器の外部に突出されていると共に、該複数の導電部材が前記真空容器の外部で相互に電気的に導通されていることが好ましい（第７発明）。

この第７発明によれば、前記複数の導電部材が、エミッタとコレクタとの間に発生する起電力を外部に出力するための出力端子（負極側の出力端子）として機能する。この場合、コレクタの各局所部にエミッタから到達した電子は、前記複数の導電部材のうち、該局所部との間の抵抗値が最も小さくなる導電部材を経由して流れるので、該コレクタでの抵抗によるエネルギー損失を小さく抑制することができる。

本発明の第１実施形態を図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施形態の光電変換装置の全体構成を示す図、図２は該光電変換装置の起電力発生部の縦断面図、図３は図１の矢印Ａの方向で見た起電力発生部の平面図である。

図１に示すように、本実施形態の光電変換装置１は、太陽光を集光する集光手段としての光学レンズ３と、この光学レンズ３で集光された太陽光を照射する起電力発生部５とを備える。光学レンズ３は、本実施形態ではフレネルレンズであり、ガラスや、アクリル、ポリカーボネートなどの透明材料により構成されている。この場合、光学レンズ３がフレネルレンズであるので、その厚さを比較的薄いものとしつつ、太陽光を十分に集光することができる。このため、集光手段を低コストに構成することができる。

起電力発生部５は、図２および図３に示すように、内部がほぼ真空状態に密封された真空容器７と、この真空容器７の内部に収容されたエミッタ９およびコレクタ１１とを備える。

真空容器７は、本実施形態では直方体形状（四角柱形状）の容器であり、その全体がガラスなどの透明な絶縁材料により構成されている。該真空容器７の真空度は例えば１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度である。また、真空容器７の外形寸法は、例えば３０ｍｍ×３０ｍｍ×４ｍｍである。以降の説明では、この真空容器７の壁部のうち、該真空容器７の高さ方向（図１および図２の上下方向）の上端側の壁部を天井部７ａ、下端側の壁部を底部７ｂ、これらの天井部７ａおよび底部７ｂの間で高さ方向に起立する壁部を側壁部７ｃという。

真空容器７は、図１に示す如く、該真空容器７の平坦な一つの透明部としての天井部７ａが光学レンズ３の軸心に垂直な姿勢で該光学レンズ３に対向するように配置されており、光学レンズ３で集光された太陽光が天井部７ａを介して真空容器７の内部に入射するようになっている。

補足すると、真空容器７は、その全体が透明である必要はなく、真空容器７の壁部のうちの一部、例えば天井部７ａだけが透明であってもよい。また、真空容器７の形状は直方体形状（四角柱形状）に限らず、例えば円柱形状、三角柱形状、六角柱形状などの形状であってもよい。

また、本実施形態では、光学レンズ３および真空容器７は、光学レンズ３（フレネルレンズ）の入射面３ａに垂直な方向（光学レンズ３の軸心方向）から太陽光が入射したときに、該太陽光が真空容器７の内部のエミッタ９の付近に集光するような位置関係で配置されている。そのため、光学レンズ３と真空容器７との位置関係を保ちながら、常時、光学レンズ３の軸心を太陽に向けるように該光学レンズ３および真空容器７を一体に動かす機構を備えるようにして、太陽光が、常時、光学レンズ３の軸心方向で光学レンズ３に入射するようにすることが好ましい。

エミッタ９は、太陽光の照射時に光電効果によって電子を放出可能な導電材料により薄い平板状（本実施形態では方形板状）に形成されており、真空容器７の天井部７ａおよび底部７ｂに平行な姿勢で、且つ、該真空容器７の内表面と非接触状態で、該真空容器７の内部に配置されている。このエミッタ９の厚さは例えば０．２ｍｍである。なお、エミッタ９の形状は、方形板状に限らず、例えば円板形状などであってもよい。

本実施形態では、エミッタ９を構成する導電材料として、例えばカーボンが使用されている。そして、このエミッタ９の厚み方向の両面９ａ，９ｂのうち、真空容器７の天井部７ａ側の面９ａが太陽光の入射面とされ、該入射面９ａが、真空容器７の天井部７ａと一定の間隔を存して該天井部７ａに対面している。この場合、この入射面９ａには、酸化セシウムから成る皮膜層（図示省略）が形成されている。該皮膜層は、エミッタ９の入射面９ａの仕事関数を低下させ（入射面９ａからの電子の放出に必要なエネルギーを小さくする）、該入射面９ａからの電子の放出を容易にするためのものである。

なお、上記皮膜層の構成材料として、酸化セシウムの代わりに、酸化バリウムや酸化カルシウムなどを使用してもよい。また、該皮膜層は、必ずしも必要ではなく、省略するようにしてもよい。また、エミッタ９の構成材料として、例えばチタンやニッケルを使用してもよい。

エミッタ９は、その厚み方向の両面９ａ，９ｂのうちの入射面９ａと反対側の面９ｂ（以下、裏面９ｂという）に接合された複数のピン状の支持部材１３を介して真空容器７に支持されている。より詳しくは、本実施形態では、４個の支持部材１３を備え、これらの支持部材１３が、エミッタ９の裏面９ｂの４個の隅部から、それぞれ真空容器７の底部７ｂに向かって延設されている。そして、各支持部材１３が真空容器７の底部７ｂを気密に貫通するように該底部７ｂに取り付けられている。これにより、エミッタ９が４個の支持部材１３を介して真空容器７の底部７ｂに支持されている。

なお、支持部材１３の個数は４個に限らず、例えば、３個であってもよく、あるいは、５個以上であってもよい。

本実施形態では、各支持部材１３は、金属などの導電材料により構成され、エミッタ９に電気的に導通（短絡）されている。この場合、各支持部材１３は、溶接や、ろう付け、あるいは、導電性の接着剤などによってエミッタ９に接合されている。そして、本実施形態では、支持部材１３のうちの一つの支持部材１３が、後述するようにエミッタ９とコレクタ１１との間で発生する起電力を外部に出力するための出力端子（正極側の出力端子）として用いられ、当該一つの支持部材１３の先端部（真空容器７の外部に突出した端部）に、真空容器７の外部に配設される電力供給用の導線１５が接続されている。

なお、本実施形態では、全ての支持部材１３が導電材料により構成されているので、いずれの支持部材１３を出力端子として使用してもよい。そして、支持部材１３のうちの２つ以上の支持部材１３に、それらを互いに導通（短絡）させるように導線１５を接続するようにしてもよい。

ここで、各支持部材１３の構成材料に関して補足する。各支持部材１３の熱膨張係数が、真空容器７と大きく異なると、各支持部材１３と真空容器７との接触箇所などで真空容器７にクラックが発生して、真空容器７の気密性が損なわれる恐れがある。そのため、各支持部材１３の構成材料は、真空容器７の構成材料の熱膨張係数にできるだけ近い熱膨張係数を有する材料であることが好ましい。このようなことから、本実施形態では、例えば真空容器７の構成材料として、コバールガラスを使用し、各支持部材１３の構成材料としてコバールを使用している。

なお、本実施形態では、全ての支持部材１３を導電材料により構成したが、必ずしもそのようにする必要はない。例えば、一つの支持部材１３だけを導電材料により構成し、他の支持部材１３を絶縁材料もしくは導電性の低い材料（好ましくは、エミッタ９および真空容器７に接合しやすい材料）により構成してもよい。この場合、導電材料により構成された支持部材１３以外の支持部材１３については、真空容器７の外部に突出させる必要はない。また、複数の支持部材１３を導電材料により構成した場合において、その導電材料からなる支持部材１３の全てを真空容器７の外部に突出させる必要もなく、導電材料により構成されたいずれか一つの支持部材１３だけを真空容器７の外部に突出させるようにしてもよい。また、支持部材１３とは別に、エミッタ９に電気的に導通させた導線もしくは金属箔などの箔状の導電部材を、真空容器７の内部から外部に導出させるようにしてもよい。この場合には、全ての支持部材１３を導電材料以外の材料により構成したり、全ての支持部材１３を真空容器７の外部に突出させないようにしてもよい。

前記コレクタ１１は、膜状（本実施形態では方形膜状）に形成された透明導電部材、すなわち透明導電膜により構成され、真空容器７の天井部７ａの内面に固着されている。従って、該コレクタ１１は、エミッタ９の入射面９ａと一定間隔を存して、真空容器７の天井部７ａとエミッタ９の入射面９ａとの間に介在されている。このコレクタ１１とエミッタ９との間隔は、例えば約１ｍｍである。なお、コレクタ１１の形状は、方形状に限らず、例えば円形状などであってもよい。

本実施形態では、コレクタ１１を構成する透明導電膜は、例えば酸化インジウムに酸化スズを添加したもの（所謂、ＩＴＯ膜）である。そして、このコレクタ１１は、真空容器７の天井部７ａの内面に、スパッタリング法や、電子ビーム蒸着法などの手法によって成膜されている。

なお、コレクタ１１は、ＩＴＯ膜以外の透明導電部材（例えば酸化亜鉛に酸化アルミニウムや酸化ガリウムを添加したものなど）で構成してもよい。コレクタ１１を構成する透明導電部材は、できるだけ抵抗率が小さく、且つ、太陽光の透過率が高いものが望ましい。また、必ずしも、コレクタ１１を真空容器７の壁部の内面に直接的に成膜する必要はない。例えば、コレクタ１１を真空容器７とは別の透明なガラス基板に成膜しておき、このガラス基板を真空容器７の天井部７ａなどの壁部に固着もしくは支持させるようにしてもよい。

コレクタ１１の周縁部には、真空容器７の天井部７ａを気密に貫通するようにして該天井部７ａに取り付けられた複数のピン状の導電部材１７の端部（真空容器７の内部側の端部）が導通されている。本実施形態では、２つの導電部材１７を備え、これらの導電部材１７が、コレクタ１１の一辺の中央付近の部位と、その一辺の対辺の中央付近の部位との２つの部位に各々導通されている。この場合、これらの２つの導電部材１７を真空容器７の天井部７ａに取り付けた状態で、該天井部７ａの内面（各導電部材１７の取り付け箇所を含む）にコレクタ１１を成膜することによって、各導電部材１７とコレクタ１１との接合・導通がなされている。

なお、導電部材１７の構成材料は、前記支持部材１３と同様の理由によって、真空容器７の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料であることが好ましい。このため、本実施形態では、導電部材１７の構成材料として、前記支持部材１３と同じ構成材料（コバール）を使用している。ただし、導電部材１７の構成材料を必ずしも支持部材１３と同じする必要はない。

これらの導電部材１７は、エミッタ９とコレクタ１１との間で発生する起電力を外部に出力するための出力端子（負極側の出力端子）として機能する部材であり、各導電部材１７の先端部（真空容器７の外部側の端部）に、真空容器７の外部に配設される電力供給用の導線１９が接続されている。この場合、各導電部材１７に接続される導線１９は互いに接続・導通されており、該導線１９を介して導電部材１７が互いに導通（短絡）されている。

ここで、複数の導電部材１７をコレクタ１１側の出力端子（負極側の出力端子）として使用するのは、次の理由による。すなわち、ＩＴＯ膜などの透明導電部材は、導電性を有するものの、一般には銅などの金属導体に比して、抵抗率が高い。そのため、仮に、１つの導電部材だけをコレクタ１１の周縁部の一箇所に導通させるようにすると、コレクタ１１の各局所部のうち、導電部材から離れた局所部と該導電部材との間の抵抗値が大きくなり、ひいては、起電力を外部に出力するとき（エミッタ９からコレクタ１１に到達した電子が導電部材を経由して外部に流れるとき）のエネルギー損失が大きくなる。また、導電部材とコレクタ１１の各局所部との距離が大きくならないようにするために、該導電部材をコレクタ１１の中央部に導通させるようにすると、該コレクタ１１の中央部に入射する太陽光が導電部材によって遮られ、エミッタ９に入射する光束が少なくなってしまう。そこで、本実施形態では、複数の導電部材１７を、コレクタ１１の周縁部の複数部位のそれぞれに導通させ、それらの導電部材１７を真空容器７の外部で互いに導通（短絡）させるようにした。このようにすることで、起電力を外部に出力する際に、エミッタ９からコレクタ１１の各局所部に到達した電子が、複数の導電部材１７のうち、該局所部との間の抵抗値が最も小さい導電部材１７を経由して流れるため、その抵抗によるエネルギー損失を小さく抑えることができる。

なお、本実施形態では、エミッタ９の抵抗率はコレクタ１１に比べて十分に小さいので、前記支持部材１３のうちのいずれか一つだけを起電力の出力端子として使用しても、該支持部材１３とエミッタ９の各局所部との間の抵抗値は、十分に小さなものとなる。また、本実施形態では、コレクタ１１の周縁部の２つの部位に導電部材１７と導通させるようにしたが、コレクタ１１の周縁部のより多くの部位に、それぞれ導電部材を導通させるようにしてもよい。この場合、コレクタ１１の各局所部とその局所部に最も近い導電部材との間の距離（ひいては、それらの間の抵抗値）ができるだけ小さくなるように導電部材を配列することが望ましい。

また、起電力発生部５の正極側の出力端子としての支持部材１３（前記導線１５を接続した支持部材１３）と、負極側の出力端子としての各導電部材１７とは、それぞれ前記導線１５，１９を介して電力の供給対象である電気負荷（図示省略）などに接続される。この場合、導線１５，１９を直接的に電気負荷に接続してもよいが、電圧変換を行う電力調整回路などを介して電気負荷に接続してもよい。また、導線１５，１９は、図３に示す如く、光学レンズ３から真空容器７の天井部７ａに至る光路をできるだけ遮らないように配設される。

なお、導線１５，１９は、その全部を一般的なリード線で構成してもよいが、その全部または一部を基板の回路パターンや、導体板などで構成してもよい。

次に本実施形態の光電変換装置１の発電動作を説明する。

太陽光が前記光学レンズ３により集光され、真空容器７の内部に天井部７ａを介して入射する。この太陽光は、透明導電膜であるコレクタ１１を透過して、エミッタ９の入射面９ａに入射する。このとき、エミッタ９の入射面９ａは、その付近で集光する太陽光により加熱されながら、光電効果を発生し、該入射面９ａから電子が放出される。そして、その放出された電子が、コレクタ１１で捕獲される。このため、エミッタ９が正電位、コレクタ１１が負電位となり、該エミッタ９とコレクタ１１との間に起電力が発生する。そして、この起電力が、前記導線１５，１９を介して外部に出力される。

このような起電力の発生時において、本実施形態では、エミッタ９の温度が、２００〜７００°Ｃ程度の範囲内の温度になるように、光学レンズ３（フレネルレンズ）の寸法や、光学レンズ３と真空容器７との間の距離などが設定されている。この温度範囲は、エミッタ９の入射面９ａでの光電効果による電子放出が活発に発生し、また、熱によるコレクタ１１の損傷や劣化を防止する上で、適切な温度範囲である。すなわち、本願発明者の各種実験によれば、エミッタ９の温度が２００°Ｃよりも低い場合には、光電効果による電子放出が少な過ぎで十分な起電力が発生しない。また、エミッタ９の温度が７００°Ｃを超える高温になるようにエミッタ９の付近の集光量を高めると、熱によるコレクタ１１の損傷、劣化が早期に発生し易いことが観察された。

なお、２００°Ｃ〜７００°Ｃ程度の温度では、エミッタ９からの熱電子の放出はさほど発生せず、エミッタ９の入射面９ａからの電子の放出は、主として、光電効果によるものである。

この場合、本実施形態では、エミッタ９とコレクタ１１との間の間隔は１ｍｍ程度の微小なものであるが、エミッタ９の温度を、７００°Ｃを超えるような高温にする必要がないので、エミッタ９の熱変形や熱膨張によって、エミッタ９とコレクタ１１とが短絡するような事態を回避することができる。また、透明導電膜であるコレクタ１１が高温の熱によって損傷を受けるのも防止することができる。

そして、エミッタ９とコレクタ１１との間隔を小さくできることから、エミッタ９の入射面９ａから放出される電子を効率よく、コレクタ１１で捕獲することができる。また、太陽光によってエミッタ９を２００°Ｃ以上に加熱するので、光電効果を活発に発生させて、該光電効果による電子放出量を多くすることができる。このとき、加熱されるエミッタ９が真空容器７の内面に直接的には接触していないと共に、エミッタ９の周囲が真空状態であるので、エミッタ９から真空容器７などへの放熱量を小さくすることができ、該エミッタ９を、太陽光によって、光電効果の発生に適した温度に効率よく加熱することができる。さらに、エミッタ９の温度がさほど高温でないことから、エミッタ９からの赤外光などの放射や熱伝導に伴うエネルギー損失を少なくできる。

この結果、本実施形態の光電変換装置１によれば、エネルギー損失を少なくしつつ、効率よく太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、該光電変換装置１の発電効率を高めることができる。

次に、本発明の第２実施形態を図４および図５を参照して説明する。図４は本実施形態の光電変換装置の起電力発生部の縦断面図、図４の矢印Ｂの方向で見た起電力発生部の平面図である。なお、本実施形態において、前記第１実施形態と同一の構成要素については、第１実施形態と同一の参照符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の光電変換装置は、起電力発生部２１のコレクタ１１に導通する導電部材２３のみが、第１実施形態と相違するものである。さらに詳細には、本実施形態では、金属箔によりそれぞれ構成された４個の導電部材２３を備える。この各導電部材２３は、その一端部が、コレクタ１１の表面（コレクタ１１の厚み方向の両面のうちのエミッタ９側の面）の４隅のそれぞれに重ね合わせて接合され、コレクタ１１に電気的に導通されている。そして、各導電部材２３は、コレクタ１１の表面の４隅のそれぞれから、真空容器７の側壁７ｃに向かってコレクタ１１とほぼ平行に延設され、該真空容器７の側壁７ｃを気密に貫通するようにして、該側壁７ｃに取り付けられている。

これらの導電部材２３は、第１実施形態における導電部材１７と同様に、エミッタ９とコレクタ１１との間で発生する起電力を外部に出力するための出力端子（負極側の出力端子）として機能する部材である。そして、図５に示す如く、各導電部材２３の先端部（真空容器７の外部側の端部）に、第１実施形態と同様に、電力供給用の導線１９が接続され、この導線１９を介して導電部材２３が相互に導通（短絡）されている。

以上説明した以外の構成は、前記第１実施形態と同じである。

かかる本実施形態の光電変換装置においても、前記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、本実施形態では、各導電部材２３が金属箔であって、該コレクタ１１から該コレクタ１１とほぼ平行に延設されるため、該導電部材２３がエミッタ９に接触しないようにしつつ、該エミッタ９とコレクタ１１と間の間隔をより狭めることができる。ひいては、エミッタ９から放出される電子をより効率よくコレクタ１１で捕獲することが可能となる。さらに、各導電部材２３とコレクタ１１との接触面積を比較的大きくすることができることから、各導電部材２３とコレクタ１１との導通状態の信頼性を高めることができる。

次に本発明の第３実施形態を図６を参照して説明する。図６は本実施形態の光電変換装置の起電力発生部の縦断面図である。なお、本実施形態において、前記第１実施形態もしくは第２実施形態と同一の構成要素については、第１実施形態もしくは第２実施形態と同一の参照符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の光電変換装置は、起電力発生部２５のエミッタ９を真空容器７に支持させる支持部材１７だけが前記第２実施形態と相違するものである。さらに詳細には、本実施形態では、導電材料により薄い方形板状に構成された４個の支持部材２７を備える。各支持部材２７は、その一端部が、エミッタ９の裏面９ｂの４隅のそれぞれに重ね合わせて接合され、エミッタ９に電気的に導通されている。そして、各支持部材２７は、エミッタ９の裏面９ｂの４隅のそれぞれから、真空容器７の側壁７ｃに向かってエミッタ９とほぼ平行に延設され、該真空容器７の側壁７ｃを気密に貫通するようにして、該側壁７ｃに取り付けられている。これにより、エミッタ９が４個の支持部材２７を介して真空容器７の側壁部７ｃに支持されている。なお、各支持部材２７の厚さは、エミッタ９を安定に支え得る程度の厚さでよい。また、各支持部材２７は、板状である必要はなく、前記第１実施形態および第２実施形態と同様のピン状のものであってもよい。また、支持部材２７の個数は、４個でなくてもよく、２個や３個、あるいは５個以上であってもよい。

そして、第１実施形態および第２実施形態と同様に、支持部材２７のうちの一つの支持部材２７がエミッタ９とコレクタ１１との間で発生する起電力を外部に出力するための出力端子（正極側の出力端子）として使用され、当該一つの支持部材２７の先端部（真空容器７の外部側の端部）に、電力供給用の導線１５が接続されている。

以上説明した以外の構成は、第２実施形態と同じである。

かかる本実施形態の光電変換装置においても、前記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、本実施形態では、各支持部材２７が板状であるので、該支持部材２７とエミッタ９との接触面積を比較的大きくすることができ、該支持部材２７とエミッタ９との導通状態の信頼性を高めることができる。

なお、第１実施形態の場合と同様に、全ての支持部材２７を導電材料により構成する必要はなく、また、全ての支持部材２７を真空容器の外部に突出させる必要もない。さらに、支持部材２７とは別に、エミッタ９に電気的に導通させた導線もしくは金属箔などの箔状の導電部材を、真空容器７の内部から外部に導出させるようにして、全ての支持部材２７を導電材料以外の材料により構成したり、全ての支持部材２７を真空容器７の外部に突出させないようにしてもよい。

また、前記各実施形態では、エミッタ９に照射する光として太陽光を用いたが、人工的な光源光を利用してもよい。

本発明の第１実施形態の光電変換装置の全体構成を示す図。 第１実施形態の光電変換装置の起電力発生部の縦断面図。 図１の矢印Ａの方向で見た起電力発生部の平面図・ 本発明の第２実施形態の光電変換装置の起電力発生部の縦断面図。 図４の矢印Ｂの方向で見た起電力発生部の平面図。 本発明の第３実施形態の光電変換装置の起電力発生部の縦断面図。

符号の説明

１…光電変化装置、３…集光手段（フレネルレンズ）、７…真空容器、７ａ…真空容器７の天板部（透明部）、９…エミッタ、９ａ…エミッタの入射面、１１…コレクタ、１３，２７…支持部材、１７，２３…導電部材。

Claims (7)

1. 光の入射面を有し、該入射面での光電効果によって電子を放出可能なエミッタと、該エミッタの入射面から放出された電子を捕獲するコレクタとを真空容器の内部に備え、該エミッタとコレクタとの間に発生する起電力を出力する光電変換装置であって、
   前記真空容器は少なくともその一部に透明部を有する容器であると共に、前記コレクタは透明導電部材により構成されており、
   前記エミッタの入射面が前記真空容器の透明部と間隔を存して該透明部に対面し、且つ、該エミッタの入射面と真空容器の透明部との間に該エミッタの入射面と間隔を存して前記コレクタが介在するように、該エミッタおよびコレクタが前記真空容器の内部に配置され、
   前記真空容器の外部から前記透明部およびコレクタを介して前記エミッタの入射面に光を照射することによって、該エミッタの入射面を加熱しつつ、該入射面での光電効果を発生させるようにしたことを特徴とする光電変換装置。
2. 請求項１記載の光電変換装置において、太陽光を集光して、前記透明部に入射する集光手段を前記真空容器の外部に備えることを特徴とする光電変換装置。
3. 請求項２記載の光電変換装置において、前記集光手段は、フレネルレンズであることを特徴とする光電変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置において、前記エミッタは、前記真空容器の内部に、該真空容器の内面と非接触状態で配置されていると共に、該エミッタの入射面以外の部位から前記真空容器の壁部に延設された複数の支持部材を介して該真空容器に支持されていることを特徴とする光電変換装置。
5. 請求項４記載の光電変換装置において、前記複数の支持部材のうちの少なくとも一つの支持部材は、導電材料により構成されて前記エミッタに電気的に導通されていると共に、前記真空容器の壁部を貫通して該真空容器の外部に突出されていることを特徴とする光電変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置において、前記コレクタは、前記真空容器の透明部の内面に成膜された透明導電膜により構成されていることを特徴とする光電変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換装置において、前記コレクタの周縁部に接合されて該コレクタに電気的に導通された複数の導電部材が前記真空容器の壁部を貫通して該真空容器の外部に突出されていると共に、該複数の導電部材が前記真空容器の外部で相互に電気的に導通されていることを特徴とする光電変換装置。

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