JP2010225692A - Solar cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Takeshi Hioki
毅 日置
Yutaka Nakai
豊 中井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar cell which can efficiently collect sunlight to an photoelectric conversion element at a low cost while reducing environmental load. <P>SOLUTION: The solar cell has a light guide, in which core is covered with a clad. In the inside of the core, directional light emission particles which are oriented to extending direction are distributed. External light is entered in the light emission fine particles from the external and directivity is given, and the light is ejected into the core. The light turned in the core is totally reflected off an interface between the core and the clad and is guided to a photoelectric conversion part which converts the light into electric power. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.

現在広く用いられている太陽電池においては、シリコン(Si)等の大面積の半導体基板、または、ガラス基板などの支持基板に化学的気相成長法(CVD)などにより成膜した例えばアモルファスシリコン(a−Si)等の半導体薄膜を用いて、光電変換層が形成されている構造が一般的である。しかしながら、このような太陽電池は、その半導体基板や半導体薄膜の製造過程において、例えば半導体基板製造時の溶融やCVDにおける高真空に関して、太陽電池に適した大面積での製造工程に非常に膨大なエネルギーを消費するという課題がある。これは、発電自体は太陽光の自然エネルギーを利用しているが、ライフサイクルアセスメントという点では、製造工程時の環境負荷低減を進めることが重要になっている。 In solar cells that are widely used at present, for example, amorphous silicon (CVD) formed on a large area semiconductor substrate such as silicon (Si) or a support substrate such as a glass substrate by chemical vapor deposition (CVD). A structure in which a photoelectric conversion layer is formed using a semiconductor thin film such as a-Si) is common. However, such a solar cell is extremely enormous in the manufacturing process of a large area suitable for the solar cell in the process of manufacturing the semiconductor substrate and the semiconductor thin film, for example, for melting at the time of manufacturing the semiconductor substrate and high vacuum in CVD. There is a problem of consuming energy. The power generation itself uses natural energy of sunlight, but it is important to reduce the environmental load during the manufacturing process in terms of life cycle assessment.

このような構造の太陽電池に対して、例えば、特許文献1に開示されるように、太陽光を導光して光電変換素子に集光する太陽電池の方式が提案されている。この方式の太陽電池は、個々の太陽電池セルの面積を大幅に削減することができる利点がある。従って、本方式による太陽電池においては、太陽電池セルに集光する構造体には、光電変換特性を与える必要がないため、製造時の負荷を低減できることを特徴として挙げることができる。   For the solar cell having such a structure, for example, as disclosed in Patent Document 1, a solar cell system that guides sunlight and focuses it on a photoelectric conversion element has been proposed. This type of solar cell has the advantage that the area of individual solar cells can be significantly reduced. Therefore, in the solar battery according to the present method, it is not necessary to give photoelectric conversion characteristics to the structure that condenses on the solar battery cells, so that it can be characterized as being able to reduce the load during manufacturing.

特開平11−340493JP-A-11-340493

しかしながら、特許文献1に示されるような太陽光の導光・集光方法では、プリズム作用を利用しているため、太陽光を集光するための導光板の作製には、比較的高度な加工技術が必要とされる。また、プリズム作用を利用する構造では、導光板に対して入射角度が一定な光線に対しては、効率的な導光を実現することができる。しかし、太陽光のように、その光源位置が経時的に変化される光源に対しては、導光角を制御することが難しいという課題がある。即ち、ある一定角の入射角については、光線を導光して集光可能であるが、一定角の入射角から逸脱するような入射角においては、導光することができずに効率を落としてしまう問題がある。この問題を回避する手法として、太陽の動きに合わせてプリズム位置を変化させて太陽を追尾する方法がある。しかし、この方法は、太陽電池ユニット自体に可動性を与える必要があることから、太陽電池の構造が複雑になるばかりでなく、追尾のための駆動エネルギーを必要とする問題がある。従って、この駆動エネルギーを含めた総合的な太陽電池の変換効率は、実質上低下する問題がある。   However, since the sunlight guiding / condensing method shown in Patent Document 1 uses a prism action, a relatively high-level process is required for producing a light guide plate for concentrating sunlight. Technology is needed. Further, in the structure using the prism action, efficient light guide can be realized for light rays having a constant incident angle with respect to the light guide plate. However, there is a problem that it is difficult to control the light guide angle for a light source whose light source position changes over time, such as sunlight. That is, for a certain angle of incidence, light can be guided and collected, but at an angle of incidence that deviates from the angle of incidence, light cannot be guided and efficiency is reduced. There is a problem. As a technique for avoiding this problem, there is a method of tracking the sun by changing the prism position in accordance with the movement of the sun. However, since this method needs to give mobility to the solar cell unit itself, not only the structure of the solar cell is complicated, but also there is a problem that driving energy for tracking is required. Therefore, there is a problem that the overall conversion efficiency of the solar cell including this driving energy is substantially lowered.

本発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、その目的は、太陽光を効率的に光電変換部に集光可能な太陽電池及びその製造方法を提供することにある。   This invention is made in order to solve the said problem, The objective is to provide the solar cell which can condense sunlight efficiently to a photoelectric conversion part, and its manufacturing method.

この発明によれば、
この発明によれば、
第1の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたこと、
を特徴とする太陽電池が提供される。
According to this invention,
According to this invention,
A core having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the core that converts light from the outside into guided light,
In a light guide comprising a clad having a second refractive index, which has a core and an interface, and the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface,
The photoelectric conversion unit is provided at an end of the light guide, and the directional light-emitting particles are arranged so that the guided light beam has directivity in the photoelectric conversion unit direction,
A solar cell is provided.

また、この発明によれば、
第1の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第3の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたこと、
ことを特徴とする太陽電池が提供される。
Moreover, according to this invention,
A portion having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the site for converting light from the outside into guided light, and
A core having an interface with the core and having a second refractive index determined so that the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface;
In the light guide made of a clad having a third refractive index that has the interface with the part or the core and the guided light beam satisfies the total reflection condition at the interface,
The photoelectric conversion unit is provided at an end of the light guide, and the directional light-emitting particles are arranged so that the guided light beam has directivity in the photoelectric conversion unit direction,
A solar cell is provided.

更に、この発明によれば、
第1の導光体及び第2の導光体であって、当該第1及び第2の導光体は、
第1の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するクラッドからなる構造、或いは、
第1の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第3の屈折率を有するクラッドからなる構造を
備え、前記第2の導光体は、前記第1の導光体の端部に配置され、かつ、前記第2の導光体端部に光電変換部を有し、
前記第1の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第1の導光体内を導波する光線を前記第2の導光体方向に指向性を持つように配置され、
前記第2の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第2の導光体内を導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池が提供される。
Furthermore, according to the present invention,
A first light guide and a second light guide, wherein the first and second light guides are:
A core having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the core that converts light from the outside into a guided light,
A structure comprising a clad having a core and an interface and having a second refractive index determined so that the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface; or
A portion having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the site for converting light from the outside into guided light, and
A core having an interface with the core and having a second refractive index determined so that the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface;
The second light guide has a structure including a clad having a third refractive index that has an interface with the portion or the core and the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface. A body is disposed at an end of the first light guide, and has a photoelectric conversion unit at the end of the second light guide;
The directional luminescent particles dispersed in the first light guide are arranged so that the light beam guided in the first light guide has directivity in the second light guide direction,
The directional luminescent particles dispersed in the second light guide are arranged so that the light beam guided in the second light guide has directivity in the photoelectric conversion unit direction. A solar cell is provided.

更にまた、この発明によれば、
前述した導光体における前記指向性発光粒子において、前記導波する光線は、前記外部からの光線とその波長が異なることを特徴とする太陽電池が提供される。
Furthermore, according to the present invention,
In the directional light emitting particle in the light guide described above, a solar cell is provided in which the guided light beam has a wavelength different from that of the external light beam.

加えて、この発明によれば、
前述した太陽電池において、前記導波する光線の指向性は、前記導光体形成時の延伸工程に起因する指向性発光粒子の配向を用いることを特徴とする太陽電池の製造方法が提供される。
In addition, according to the present invention,
In the above-described solar cell, there is provided a method for manufacturing a solar cell, wherein the directivity of the guided light beam uses orientation of directional light-emitting particles resulting from a stretching process when forming the light guide. .

この発明の太陽電池によれば、従来の導光及び集光作用を利用する太陽電池とは異なり、製造方法が比較的に容易で製造時のエネルギー消費が少なく、且つ、導光板に入射する太陽光線を効率的に、局所的に配置された光電変換素子に導光することができる。また、発光素子における波長変換特性を活用して光電変換素子に適合させた中心波長域の光線を集光可能である。また、局所的に配置された光電変換素子自体も小面積にすることができるため、光電変換特性に優れた単結晶基板で作られた光電変換素子を利用することができる。   According to the solar cell of the present invention, unlike the conventional solar cell using light guiding and condensing action, the manufacturing method is relatively easy, the energy consumption during the manufacturing is small, and the sun incident on the light guide plate The light beam can be efficiently guided to the locally arranged photoelectric conversion elements. Further, it is possible to collect light in the central wavelength region adapted to the photoelectric conversion element by utilizing the wavelength conversion characteristics of the light emitting element. In addition, since the locally disposed photoelectric conversion element itself can also have a small area, a photoelectric conversion element made of a single crystal substrate having excellent photoelectric conversion characteristics can be used.

この発明の第1の実施の形態に係る太陽電池を概略的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a solar cell according to a first embodiment of the present invention. 図1に示される平板状の導光部材を概略的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a flat light guide member shown in FIG. 1. 図1に示される平板状の導光部材を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the flat light guide member shown by FIG. 図1に示される平板状の導光部材のコアに分散される発光微粒子を概略的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing luminescent fine particles dispersed in a core of a flat light guide member shown in FIG. 1. 図1に示される平板状の導光部材を製造する過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the process in which the flat light guide member shown by FIG. 1 is manufactured. 図3に示される平板状の導光部材における光線軌跡を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the light ray locus | trajectory in the flat light guide member shown by FIG. (a)、(b)及び(c)は、図1に示される平板状の導光部材を製造する工程をより具体的に示す模式的断面図である。(A), (b) and (c) is typical sectional drawing which shows more specifically the process of manufacturing the flat light guide member shown by FIG. この発明の第2の実施の形態に係る太陽電池を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows roughly the solar cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. (a)及び(b)は、図8に示されるファイバ状の導光部材を導光部材の延出方向に沿って切断して概略的に示す縦断面図及び導光部材の延出方向に直交する面内で切断した概略的に示す縦断面図である。(A) And (b) is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnects the fiber-shaped light guide member shown by FIG. 8 along the extension direction of a light guide member, and the extension direction of a light guide member. It is the longitudinal cross-sectional view shown roughly cut | disconnected in the orthogonal plane. 図8に示すファイバ状の導光部材を製造する装置を概略的に示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows roughly the apparatus which manufactures the fiber-shaped light guide member shown in FIG. (a)及び(b)は、図8に示される導光部材における光線軌跡を概略的に示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows roughly the light ray locus | trajectory in the light guide member shown by FIG. 図8に示すファイバ状の導光部材を並列配置した導光構造を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the light guide structure which arranged the fiber-shaped light guide member shown in FIG. 8 in parallel. 図8に示すファイバ状の導光部材の変形例を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows roughly the modification of the fiber-shaped light guide member shown in FIG. (a)及び(b)は、図13に示されるファイバ状の導光部材を導光部材の延出方向に沿って切断して概略的に示す縦断面図及び導光部材の延出方向に直交する面内で切断した概略的に示す縦断面図である。(A) And (b) is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnects the fiber-shaped light guide member shown by FIG. 13 along the extension direction of a light guide member, and the extension direction of a light guide member. It is the longitudinal cross-sectional view shown roughly cut | disconnected in the orthogonal plane. 図8に示すファイバ状の直線状の複数の導光部材が湾曲して配置される構造を備えた導光構造を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the light guide structure provided with the structure where the some fiber-shaped linear light guide member shown in FIG. 8 is curved and arrange | positioned. 図15に示す導光構造の変形例を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the modification of the light guide structure shown in FIG. この発明の第3の実施の形態に係る太陽電池の導光部材を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the light guide member of the solar cell which concerns on 3rd Embodiment of this invention. (a)及び(b)は、図17に示されるファイバ状の導光部材を導光部材の延出方向に沿って切断して概略的に示す縦断面図及び導光部材の延出方向に直交する面内で切断した概略的に示す縦断面図である。(A) And (b) is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnects the fiber-shaped light guide member shown by FIG. 17 along the extension direction of a light guide member, and the extension direction of a light guide member. It is the longitudinal cross-sectional view shown roughly cut | disconnected in the orthogonal plane. (a)及び(b)は、図17に示される導光部材における光線軌跡を概略的に示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows roughly the light ray locus | trajectory in the light guide member shown by FIG. この発明の第4の実施の形態に係る太陽電池の導光部材を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the light guide member of the solar cell which concerns on 4th Embodiment of this invention. 図20に示される平板状の導光部材を概略的に示す斜視図である。FIG. 21 is a perspective view schematically showing a flat light guide member shown in FIG. 20.

以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る太陽電池を説明する。   Hereinafter, a solar cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as necessary.

図1は、この発明の第1の実施の形態に係る太陽電池を概略的に示す斜視図である。図1に示すように太陽電池は、入射した光線を電力Pwに変換して出力する光電変換素子(光電変換セル)28を備え、この光電変換素子28は、平板状の導光部材30の一方の側端面に配置固定されている。導光部材30の一方の側端面に対向する他方の側端面には、光反射電極(光反射層)27が設けられている。平板状の導光部材30は、太陽光線12に向けられる光入射面30Aを備え、図2及び図3に示すように多数の発光微粒子26が略均一に分散されたコア層24が一対のクラッド層22―1、22−2間に挟み込まれた構造に形成されている。ここで、発光微粒子26は、コア層のクラッド層に挟持された厚みと比較して極く小さい粒子であって、この観点から微粒子と称する。また、コア層24及びクラッド層22は、通常の光ファイバのコア及びクラッドと同様にコア層24内を伝播する光線がコア層24及びクラッド層22―1,22−2間の界面で全反射されるようにコア層24及びクラッド層22―1,22−2の屈折率が設定されている。また、導光部材30、特に入射面30Aの側のクラッド層22―1は、外部光線12がコア層24に進入できるのに十分な光透過性を有している。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a solar cell according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the solar cell includes a photoelectric conversion element (photoelectric conversion cell) 28 that converts incident light into electric power Pw and outputs the electric power Pw, and the photoelectric conversion element 28 is one of the flat light guide members 30. It is arranged and fixed on the side end face. A light reflecting electrode (light reflecting layer) 27 is provided on the other side end surface facing the one side end surface of the light guide member 30. The flat light guide member 30 includes a light incident surface 30A directed to the sunlight 12, and a core layer 24 in which a large number of light-emitting fine particles 26 are dispersed substantially uniformly as shown in FIGS. A structure sandwiched between the layers 22-1 and 22-2 is formed. Here, the light-emitting fine particles 26 are extremely small particles compared to the thickness sandwiched between the clad layers of the core layer, and are referred to as fine particles from this viewpoint. Further, the core layer 24 and the clad layer 22 are totally reflected at the interface between the core layer 24 and the clad layers 22-1 and 22-2 in the same manner as the core and clad of a normal optical fiber. As described above, the refractive indexes of the core layer 24 and the cladding layers 22-1 and 22-2 are set. In addition, the light guide member 30, particularly the clad layer 22-1 on the incident surface 30 </ b> A side, has sufficient light transmittance so that the external light beam 12 can enter the core layer 24.

発光微粒子26は、図4に模式的に示すように外部から入射した光線を、指向性を持って発光可能な粒子である。以下、これを指向性発光粒子と称する。ここで、この発光粒子の必要条件は、光線に指向性を与えることであり、また、この指向性発光粒子においては、指向性発光とともに波長変換を行うことも可能である。波長変換は、例えば、フォトルミネセンス(PL)発光により入射光線の波長を変換して入射光線の波長とは異なる波長を有する光線14を発光し、図4に示すように光線に指向性を与えてその端面26A,26Bから光線を外部に向ける略円柱形状の粒子である。波長変換は、一例として、発光微粒子26が650nmの中心波長域を有する光線14の発光が可能な場合に、これより短い波長の光線12がこの発光微粒子26によって650nm付近の光線14に変換される場合が相当する。また、フォトルミネセンス(PL)で発光する発光微粒子26として、例えば、微粒子径が数ナノメートルに制御されて作られた硫化鉛(PbS)があり、この硫化鉛(PbS)の発光微粒子26では、短波長側の光線12を吸収して、880nm付近の波長の光線14に変換して射出することが可能である。この発光微粒子26は、1.4eV付近のエネルギーを有する波長が変換効率に優れているとされている。太陽光は、紫外域から長波長側に連続的なスペクトル分布を有しているため、変換対象の波長として、例えば、1.4eV付近のエネルギーを有する波長として880nm程度の波長が該当する場合、紫外域から880nmまでの光線12が発光素子(波長変換と光の方向を制御可能な微粒子)26を用いて、光の波長変換及び方向制御を実施して、光電変換素子28に向けることにより、光電変換素子28は、変換効率に優れた均一な光線14が導入されることになる。   The light emitting fine particles 26 are particles capable of emitting light incident from the outside with directivity as schematically shown in FIG. Hereinafter, this is referred to as directional luminescent particles. Here, the necessary condition of the luminescent particles is to give directivity to the light beam, and the directional luminescent particles can also perform wavelength conversion together with the directional light emission. In the wavelength conversion, for example, the wavelength of incident light is converted by photoluminescence (PL) emission to emit light 14 having a wavelength different from that of the incident light, and directivity is given to the light as shown in FIG. It is a substantially cylindrical particle that directs light rays from its end faces 26A, 26B to the outside. For example, in the wavelength conversion, when the light emitting fine particles 26 can emit light 14 having a central wavelength region of 650 nm, the light rays 12 having a shorter wavelength are converted into light rays 14 near 650 nm by the light emitting fine particles 26. Case corresponds. Further, as the light emitting fine particles 26 that emit light by photoluminescence (PL), for example, there is lead sulfide (PbS) produced by controlling the fine particle diameter to several nanometers. In the light emitting fine particles 26 of this lead sulfide (PbS), It is possible to absorb the light 12 on the short wavelength side, convert it to a light 14 having a wavelength near 880 nm, and emit it. The light-emitting fine particles 26 are said to have excellent conversion efficiency at wavelengths having energy in the vicinity of 1.4 eV. Since sunlight has a continuous spectral distribution from the ultraviolet region to the long wavelength side, for example, when a wavelength of about 880 nm is applicable as a wavelength having energy near 1.4 eV, The light beam 12 from the ultraviolet region to 880 nm is subjected to light wavelength conversion and direction control using a light emitting element (fine particles capable of controlling wavelength conversion and light direction) 26, and directed to the photoelectric conversion element 28. The photoelectric conversion element 28 is introduced with a uniform light beam 14 having excellent conversion efficiency.

発光微粒子26は、図5に矢印Exで示されるような延伸工程によりその配向方向が揃えられて発光微粒子26の指向性をコア層24とクラッド層22―1,22−2の界面における全反射条件を満たす方向に設定することができる。即ち、図5の左側の領域に示されるように発光粒子の指向性については均一ではない。これに対して、発光微粒子26は、クラッド部材32−1、32−2及びコア部材34が図5に示されるように延伸工程において、クラッド層22−1、22−2及びコア層24が引き延ばされるに際して図5に示すように発光微粒子26の配向方向(長軸の方向)が延伸方向に揃えられ、発光微粒子26の端面26A、26Bが平板状の導光部材30の一方並びに他方の側端面に向けられるように配向される。このように延伸された導光部材30では、発光微粒子26からの光線は、光ファイバ内における光線と同様にコア層24とクラッド層22―1、22−2との界面にて全反射を繰り返しながら、コア層24内を導光され、光電変換微粒子26に導入される。   The orientation direction of the light emitting fine particles 26 is aligned by an extending process as indicated by an arrow Ex in FIG. 5 so that the directivity of the light emitting fine particles 26 is totally reflected at the interface between the core layer 24 and the cladding layers 22-1 and 22-2. It can be set in the direction that satisfies the condition. That is, as shown in the left region of FIG. 5, the directivity of the luminescent particles is not uniform. On the other hand, in the light emitting fine particles 26, the clad members 22-1, 22-2 and the core layer 24 are pulled in the stretching process as shown in FIG. When extending, as shown in FIG. 5, the orientation direction (long axis direction) of the light emitting fine particles 26 is aligned with the extending direction, and the end faces 26A and 26B of the light emitting fine particles 26 are arranged on one side and the other side of the flat light guide member 30. Oriented to face the end face. In the light guide member 30 thus stretched, the light rays from the light-emitting fine particles 26 are repeatedly totally reflected at the interface between the core layer 24 and the cladding layers 22-1 and 22-2 in the same manner as the light rays in the optical fiber. However, the light is guided through the core layer 24 and introduced into the photoelectric conversion fine particles 26.

図1に示される太陽電池では、太陽光線12が光入射面30Aを照射するように配置される場合には、光入射面30Aに照射された外部光線12は、板状導光部材30内において、図6に示すように発光微粒子26に入射され、この指向性発光微粒子26より波長変換され、変換された光線が指向性発光微粒子26の端面から射出される。射出された光線は、コア層24とクラッド層22との界面にて全反射を繰り返しながら、コア層24内を導光され、光入射面30Aに沿って板状導光部材30の一方の側端面に設けられた光電変換素子(光電変換セル)28に導かれる。また、板状導光部材30の他方の側端面に向けられた光線は、光反射電極(光反射層)27で反射されて板状導光部材30の一方の側端面に設けられた光電変換素子(光電変換セル)28に導かれる。光電変換素子28では、入射された光線が電力に変換されて電力Pwとして負荷(図示せず)に出力される。   In the solar cell shown in FIG. 1, when the solar rays 12 are arranged so as to irradiate the light incident surface 30 </ b> A, the external light rays 12 irradiated on the light incident surface 30 </ b> A are within the plate-shaped light guide member 30. As shown in FIG. 6, the light is incident on the luminescent particles 26, the wavelength is converted by the directional luminescent particles 26, and the converted light beam is emitted from the end face of the directional luminescent particles 26. The emitted light is guided through the core layer 24 while repeating total reflection at the interface between the core layer 24 and the clad layer 22, and one side of the plate-shaped light guide member 30 along the light incident surface 30 </ b> A. The light is guided to a photoelectric conversion element (photoelectric conversion cell) 28 provided on the end face. In addition, the light beam directed to the other side end surface of the plate-shaped light guide member 30 is reflected by the light reflecting electrode (light reflection layer) 27 and provided on one side end surface of the plate-shaped light guide member 30. The light is guided to an element (photoelectric conversion cell) 28. In the photoelectric conversion element 28, the incident light beam is converted into electric power and output as electric power Pw to a load (not shown).

上述したように、この発明の第1の実施の形態に係る太陽電池では、従来の導光及び集光作用を利用する太陽電池とは異なり、製造方法が比較的に容易で製造時のエネルギー消費が少なく、且つ、導光板に入射する太陽光線を効率的に、局所的に配置された光電変換素子28に導光することができる。また、発光素子における波長変換特性を活用して光電変換素子に適合させた中心波長域の光線を集光可能である。また、局所的に配置された光電変換素子自体も小面積にすることができるため、光電変換特性に優れた単結晶基板で作られた光電変換素子を利用することができる。   As described above, in the solar cell according to the first embodiment of the present invention, unlike the conventional solar cell using light guiding and condensing action, the manufacturing method is relatively easy and the energy consumption during manufacturing is In addition, it is possible to efficiently guide sunlight incident on the light guide plate to the photoelectric conversion elements 28 disposed locally. Further, it is possible to collect light in the central wavelength region adapted to the photoelectric conversion element by utilizing the wavelength conversion characteristics of the light emitting element. In addition, since the locally disposed photoelectric conversion element itself can also have a small area, a photoelectric conversion element made of a single crystal substrate having excellent photoelectric conversion characteristics can be used.

導光体(部材30)は、より具体的には、図7(a)〜(c)に示される工程を経て延伸されて製造される。初めに、図7(a)に示されるように指向性発光が可能な発光微粒子26が用意される。このとき、配向性発光粒子の配向性については無秩序である。コア層24に比べて大きな厚みを有する板状のコア部材34中に分散して混入される。次に、この板状のコア部材34の両面にクラッド層22となるクラッド部材32−1,32−2を形成する。クラッド部材32−1、32−2も同様に製造されるべきクラッド層22に比べて大きな厚みを有するように形成される。従って、図7(b)に示すように、板状のコア部材34が板状のクラッド部材32−1、32−2で被覆され、製造されるべき板状の導光部材30に比べて大きな厚みを有する板状構造体が用意されることとなる。ここでコア材料としては、例えばアクリル樹脂、クラッド材料としては、フッ素系樹脂などを用いることができる。この板状構造体は、コア層24及びクラッド層22―1,22−2の軟化点以上となるように加熱された状態で、図7(c)に示すように圧延ローラ37,39間に導かれ、圧延ローラ37,39によって加熱状態下で圧延される。この圧延工程では、コア層24は、延伸され、当初無配向に配置していた発光微粒子26は、延伸によって再配列され、発光微粒子26の配向方向(長軸の方向)が延伸方向に揃えられ、発光微粒子26の端面26A、26Bが平板状の導光部材30の一方並びに他方の側端面に向けられるように配向される。また、圧延時のロール40,42間のピッチを調整することにより、所望の板厚が板形状の導光体部材30に与えられる。   More specifically, the light guide (member 30) is manufactured by being stretched through the steps shown in FIGS. First, as shown in FIG. 7A, luminescent fine particles 26 capable of directional light emission are prepared. At this time, the orientation of the oriented luminescent particles is disordered. It is dispersed and mixed in a plate-like core member 34 having a thickness larger than that of the core layer 24. Next, clad members 32-1 and 32-2 to be the clad layer 22 are formed on both surfaces of the plate-like core member 34. The clad members 32-1 and 32-2 are also formed to have a larger thickness than the clad layer 22 to be manufactured in the same manner. Therefore, as shown in FIG. 7B, the plate-like core member 34 is covered with the plate-like clad members 32-1 and 32-2, and is larger than the plate-like light guide member 30 to be manufactured. A plate-like structure having a thickness is prepared. Here, for example, an acrylic resin can be used as the core material, and a fluorine-based resin can be used as the cladding material. The plate-like structure is heated between the rolling rollers 37 and 39 as shown in FIG. 7C in a state where the plate-like structure is heated so as to be equal to or higher than the softening points of the core layer 24 and the cladding layers 22-1 and 22-2. It is guided and rolled by the rolling rollers 37 and 39 under a heated state. In this rolling process, the core layer 24 is stretched, and the luminous particles 26 that are initially arranged in the non-oriented state are rearranged by stretching, and the orientation direction (major axis direction) of the luminous particles 26 is aligned with the stretching direction. The end surfaces 26A and 26B of the light emitting fine particles 26 are oriented so as to be directed to one side and the other side end surface of the flat light guide member 30. Moreover, a desired plate thickness is given to the plate-shaped light guide member 30 by adjusting the pitch between the rolls 40 and 42 during rolling.

図1に示される太陽電池においては、板形状の導光部材30の相対する端面の一方に反射電極27が設けられ、その反対側に光電変換素子28が取り付けられている。これは、図7(c)に示される製造時の圧延処理により、発光微粒子26は、その配向性について、板厚方向に対して直交する方向(例えば、長手方向)に配向されるだけでなく、延伸により面内方向についても延伸方向に配向され、光電変換素子28の端面から射出される光線の方向が特定される。従って、図7(c)における矢印Exが圧延方向に設定される場合、発光微粒子26は、面内方向についても矢印Exの方向に配向しやすいため、この矢印Exに直交する端面に向けて光線が伝播される。ここで、板形状導光部材30に入射した外部光線12は、コア層24内に分散されている指向性発光微粒子26によりコア層24内で、副次的に波長変換され、コア層24内の伝播方向に波長変換された光線として導光される。コア層24は、クラッド層22により狭持されていることから、クラッド層22に向けられた光線は、コア層24及びクラッド層22間の界面で全反射され、全反射を繰り返しながら、板形状導光部材30の端面に向けて導光される。換言すれば、板形状導光部材30の表面に面照射された外部光線12は、波長変換されて導光部材30の端面に向けて伝播されることになる。伝播された光線波長の光電変換に最適する光電変換素子28が端面に配置されることにより、この波長変換され、伝播された光線は、光電変換されて電流に変換されることとなる。このような太陽電池の構造では、外部光線12が照射される板形状導光板20の面の面積に対して、光電変換素子28の光照射面(入射面)の面積を十分に小さくすることができ、結果として、太陽電池の構造としては、製造工程における負荷を抑制することができ、しかも、大面積の入射面を備える太陽電池モジュールを製造することができる。   In the solar cell shown in FIG. 1, the reflective electrode 27 is provided on one of the opposing end faces of the plate-shaped light guide member 30, and the photoelectric conversion element 28 is attached to the opposite side. This is because the luminous fine particles 26 are not only oriented in the direction orthogonal to the plate thickness direction (for example, the longitudinal direction) by the rolling process at the time of manufacturing shown in FIG. The orientation of the light beam emitted from the end face of the photoelectric conversion element 28 is specified by the stretching in the in-plane direction. Accordingly, when the arrow Ex in FIG. 7C is set in the rolling direction, the luminescent fine particles 26 are easily oriented in the direction of the arrow Ex also in the in-plane direction, and thus the light beam is directed toward the end face perpendicular to the arrow Ex. Is propagated. Here, the external light beam 12 incident on the plate-shaped light guide member 30 is secondarily wavelength-converted in the core layer 24 by the directional light-emitting fine particles 26 dispersed in the core layer 24, so that the inside of the core layer 24. The light is guided as a wavelength-converted light beam in the propagation direction. Since the core layer 24 is sandwiched by the clad layer 22, the light beam directed to the clad layer 22 is totally reflected at the interface between the core layer 24 and the clad layer 22, and repeats the total reflection, so that the plate shape Light is guided toward the end surface of the light guide member 30. In other words, the external light beam 12 irradiated on the surface of the plate-shaped light guide member 30 undergoes wavelength conversion and propagates toward the end surface of the light guide member 30. The photoelectric conversion element 28 that is optimal for photoelectric conversion of the propagated light beam wavelength is disposed on the end face, so that the wavelength converted and propagated light beam is photoelectrically converted into a current. In such a solar cell structure, the area of the light irradiation surface (incident surface) of the photoelectric conversion element 28 can be made sufficiently smaller than the area of the surface of the plate-shaped light guide plate 20 to which the external light beam 12 is irradiated. As a result, as the structure of the solar cell, a load in the manufacturing process can be suppressed, and a solar cell module having a large area incident surface can be manufactured.

尚、第1の実施の形態では、板形状導光部材30の形状を直方体としているが、この形状に限定されるものではなく、他の形状に形成されても良い。また、光電変換素子28は、直方体の4つの端面の1つに設けているが、これに限定されるものではない。   In addition, in 1st Embodiment, although the shape of the plate-shaped light guide member 30 is made into a rectangular parallelepiped, it is not limited to this shape, You may form in another shape. Moreover, although the photoelectric conversion element 28 is provided in one of the four end surfaces of a rectangular parallelepiped, it is not limited to this.

図8並びに図9(a)及び(b)は、この発明の第2の実施の形態に係る太陽電池の導光部材40を示している。この図8並びに図9(a)及び(b)に示される第2の実施の形態においては、図1〜図7に示した第1の実施の形態とは異なり、平板状の導光部材30に代えてファイバ状の導光部材40が採用されている。   8 and 9 (a) and 9 (b) show a light guide member 40 of a solar cell according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment shown in FIG. 8 and FIGS. 9A and 9B, unlike the first embodiment shown in FIGS. 1 to 7, a flat light guide member 30 is used. Instead, a fiber-shaped light guide member 40 is employed.

図8並びに図9(a)及び(b)に示されるファイバ状の導光部材40は、通常の光ファイバと同様にコア42及びこのコア42を被覆するクラッド44から構成されている。コア42には、コア24と同様に指向性を与えた光線を発光可能な発光微粒子26が分散されている。発光微粒子26に関しては、図4に示される微粒子と同様であるので、第1の実施の形態における説明を参照されたい。また、コア42及びクラッド44は、通常の光ファイバと同様にコア42内を伝播する光線がコア42及びクラッド44の界面で全反射される条件を満たすような屈折率がコア42及びクラッド44に与えられている。即ち、コア42には、光線14の導波を可能にするため、クラッド44より屈折率が高く設定されている。   The fiber-shaped light guide member 40 shown in FIG. 8 and FIGS. 9A and 9B includes a core 42 and a clad 44 covering the core 42 in the same manner as a normal optical fiber. In the core 42, as in the core 24, luminous particles 26 that can emit light having directivity are dispersed. The luminescent fine particles 26 are the same as the fine particles shown in FIG. 4, so refer to the description in the first embodiment. Further, the core 42 and the clad 44 have a refractive index that satisfies the condition that the light beam propagating in the core 42 is totally reflected at the interface between the core 42 and the clad 44 as in the case of a normal optical fiber. Is given. In other words, the refractive index of the core 42 is set higher than that of the clad 44 so that the light beam 14 can be guided.

ファイバ状の導光部材40には、外部から光線が図6に示すと同様に照射されて外部光線の主たる波長域において透過性に優れたクラッド44を介してコア42内に入射される。コア42内では、入射光線が円柱形状に模式的に示される図4のような発光微粒子26に進入し、この発光微粒子26内で波長変換されて変換された光線が発光微粒子26の端面26A,26Bから発せられる。ここで、発光微粒子26の長軸が略コア42の延出方向に沿って配列されていることから、発光微粒子26の端面26A,26Bから射出された光線は、コア42及びクラッド44の界面で全反射を繰り返してコア42内を伝播されることとなる。   The fiber-shaped light guide member 40 is irradiated with light from the outside in the same manner as shown in FIG. 6 and is incident on the core 42 through the cladding 44 having excellent transparency in the main wavelength region of the external light. In the core 42, the incident light beam enters the light emitting fine particle 26 as schematically shown in FIG. 4 in a cylindrical shape, and the light beam converted by the wavelength conversion in the light emitting fine particle 26 is converted into the end faces 26A, 26A of the light emitting fine particle 26. From 26B. Here, since the long axes of the luminescent fine particles 26 are arranged substantially along the extending direction of the core 42, the light emitted from the end faces 26 A and 26 B of the luminescent fine particles 26 is at the interface between the core 42 and the clad 44. The total reflection is repeated and propagated through the core 42.

図8に示すファイバ状の導光部材40は、図10に示される製造方法を経て製造されて指向性発光が可能なように発光微粒子26がコア42内に配向される。即ち、初めに、発光微粒子26がコア42内に無配向に分散されてコア42の外周がクラッド44で被覆された柱状部材50が用意される。この柱状部材50が加熱炉52内で加熱されて軟化されてキャプスタン54に導かれる。この加熱軟化された柱状部材50は、キャプスタン54において巻き取りドラム56によって引っ張られて延伸され、所望のサイズ(径)が与えられてファイバ形状の導光部材40に成形される。キャプスタン54で成形されたファイバ形状の導光部材40は、巻き取りドラム56に巻き取られる。   The fiber-shaped light guide member 40 shown in FIG. 8 is manufactured through the manufacturing method shown in FIG. 10 and the luminescent particles 26 are oriented in the core 42 so that directional light emission is possible. That is, first, a columnar member 50 is prepared in which the luminous particles 26 are dispersed non-oriented in the core 42 and the outer periphery of the core 42 is covered with the clad 44. The columnar member 50 is heated and softened in the heating furnace 52 and guided to the capstan 54. The heat-softened columnar member 50 is stretched by being pulled by a take-up drum 56 in a capstan 54, given a desired size (diameter), and formed into a fiber-shaped light guide member 40. The fiber-shaped light guide member 40 formed by the capstan 54 is wound around a winding drum 56.

上述した成形過程で、コア42が延伸されるため、無配向に配置されている発光微粒子26は、延伸によって再配列されて長手方向(ファイバの延出方向)に沿って配向される。その結果、各発光微粒子26の端面26A,26Bがコア42の延出方向に向けられ、発光微粒子26の端面26A,26Bからは、波長変換された光線14がコア42及びクラッド44の界面で全反射されるように向けられる。   Since the core 42 is stretched in the molding process described above, the non-orientated luminescent particles 26 are rearranged by stretching and oriented along the longitudinal direction (fiber extending direction). As a result, the end faces 26A and 26B of the respective light emitting fine particles 26 are directed in the extending direction of the core 42, and the wavelength-converted light beam 14 is completely transmitted from the end faces 26A and 26B of the light emitting fine particles 26 at the interface between the core 42 and the clad 44. Directed to be reflected.

図11(a)及び(b)には、例えば、太陽光線のような外部光線12が図8に示されるようなファイバ形状の導光部材40に入射される際の、光線12、14の経路を模式的に示している。既に説明したように、ファイバ形状導光部材40に外部光線12が入射されると、コア42内に配向分散された発光微粒子26内で、例えば、フォトルミネセンスにより入射光線12が波長変換されて指向性を有する光線14に変換される。この波長変換とは、例えば、発光微粒子26が650nmの中心波長域を有する発光が可能な場合、これより短い波長光が650nm付近の光線14に変換されることをいう。また、発光微粒子26は、延伸工程によりその指向性が図11(a)におけるコア42内における全反射方向に射出されるため、発光微粒子26からの光線14は、光ファイバ内の光線と同様にコア42とクラッド44の界面にて全反射を繰り返しながら、コア42内を導かれる。   11 (a) and 11 (b), for example, the paths of the light beams 12 and 14 when the external light beam 12 such as sunlight is incident on the fiber-shaped light guide member 40 as shown in FIG. Is schematically shown. As already described, when the external light beam 12 is incident on the fiber-shaped light guide member 40, the wavelength of the incident light beam 12 is converted by, for example, photoluminescence in the light emitting fine particles 26 that are oriented and dispersed in the core 42. It is converted into a light beam 14 having directivity. This wavelength conversion means that, for example, when the luminescent fine particles 26 can emit light having a central wavelength region of 650 nm, light having a shorter wavelength is converted into a light beam 14 near 650 nm. Further, since the directivity of the light emitting fine particles 26 is emitted in the total reflection direction in the core 42 in FIG. 11A by the stretching process, the light rays 14 from the light emitting fine particles 26 are the same as the light rays in the optical fiber. The inside of the core 42 is guided while repeating total reflection at the interface between the core 42 and the clad 44.

図11(b)に示すように、ファイバ形状の導光部材40は、円形の断面形状を有するため、例えば、導光部材40の延出方向に直交するように入射する光線14は、クラッド44がレンズとして作用してコア42内に集光させることができる。従って、外光12が集中して発光微粒子26に向けられ、発光微粒子26における光線の変換効率を高めることができる。   As shown in FIG. 11B, since the fiber-shaped light guide member 40 has a circular cross-sectional shape, for example, the light ray 14 incident so as to be orthogonal to the extending direction of the light guide member 40 is the cladding 44. Acts as a lens and can be condensed in the core 42. Therefore, the outside light 12 is concentrated and directed to the light emitting fine particles 26, and the light conversion efficiency in the light emitting fine particles 26 can be increased.

図12に示されるようにファイバ形状の導光体部材40−1〜40−nが並列配置されている構造においては、より広い面積に亘って外光12を受光することができる。即ち、ファイバ形状の導光部材40であっても、並列配置された集積構造で、面展開された導光部材40を実現することができる。この構造では、隣接するクラッド44は、光線14の導波に寄与しない領域となっているが、クラッド44自体のレンズ作用(集光作用)によりコア42に外部光線12を集光することも可能である。   As shown in FIG. 12, in the structure in which the fiber-shaped light guide members 40-1 to 40-n are arranged in parallel, the external light 12 can be received over a wider area. That is, even if it is the fiber-shaped light guide member 40, the surface-expanded light guide member 40 can be realized with an integrated structure arranged in parallel. In this structure, the adjacent clad 44 is a region that does not contribute to the wave guide of the light beam 14, but it is also possible to collect the external light beam 12 on the core 42 by the lens action (condensing action) of the clad 44 itself. It is.

尚、外部光線12のレンズ作用(集光特性)をより向上するために、図13及び図14(a)及び(b)に示されるようにクラッド44の外周に、コア42に外部光線12を集光させる為の屈折率制御層48が設けられても良い。この屈折率制御層48によって、外光12をコア42に向けるように屈折させ、更に、屈折光線をクラッド44で更にコア42に向けて屈折し、導光部材40に入射された外部光線12の殆どをコア層42に誘導させるようにしても良い。この構造は、コア42の外周をクラッド44で被覆した構造では、コア42及びクラッド44の界面で光線14を全反射させる為にコア42及びクラッド44の屈折率に制約があり、十分な集光作用を与えることができない虞があるが、クラッド44外周に設ける屈折率制御層48には、屈折率に関して制限があるものの折率制御層48に十分なレンズ作用(集光作用)を与えることができる。従って、図13及び図14(a)及び(b)に示す構造によれば、より高効率の太陽電池を提供することができる。   In order to further improve the lens action (condensing characteristics) of the external light beam 12, the external light beam 12 is applied to the core 42 on the outer periphery of the clad 44 as shown in FIGS. 13 and 14A and 14B. A refractive index control layer 48 for condensing light may be provided. The refractive index control layer 48 refracts the external light 12 toward the core 42, and further refracts the refracted light beam toward the core 42 by the clad 44, and the external light beam 12 incident on the light guide member 40. Most of them may be guided to the core layer 42. In this structure, in the structure in which the outer periphery of the core 42 is covered with the clad 44, the refractive index of the core 42 and the clad 44 is limited in order to totally reflect the light beam 14 at the interface between the core 42 and the clad 44, so that sufficient condensing is possible. Although there is a possibility that the action cannot be given, the refractive index control layer 48 provided on the outer periphery of the clad 44 may give a sufficient lens action (light condensing action) to the refractive index control layer 48 although there is a limitation on the refractive index. it can. Therefore, according to the structure shown in FIG. 13 and FIGS. 14A and 14B, a more efficient solar cell can be provided.

直線状の複数の導光部材40が並列されて配置される場合に限らず、図15及び図16に示されるように1本の長い導光部材40が湾曲されて平面的に展開されて大面積の光入射面を有するように配置されても良い。この導光部材40の一方端の光射出面には、反射面27が設けられ、他方端の光射出面には、光電変換素子28が設けられても良い。図13及び図14(a)及び(b)に示す構造は、連続的に平面的にファイバ形状の導光部材40が展開されていることから、この構造によれば、大面積の太陽電池提供することができる。また、この構造においては、ファイバ形状の導光部材40が導光機能及び集光機能を有し、光電変換素子28は、外部光線12が照射される面積に比較して十分に小面積の受光部を有し、光電変換特性に優れた単結晶基板上に光電変換部が形成された光電変換素子28を用いることができる。例えば、ガリウム砒素基板上に3族と5族の元素からなる化合物半導体を成膜した太陽電池においては、Siから構成されているものと比較して高い変換効率を実現できる。従って、優れた光電変換効率を備えた高効率の太陽電池を提供することができる。   Not only the case where a plurality of linear light guide members 40 are arranged in parallel, but one long light guide member 40 is curved and unfolded in a plan view as shown in FIGS. You may arrange | position so that it may have the light incident surface of an area. A reflective surface 27 may be provided on the light exit surface at one end of the light guide member 40, and a photoelectric conversion element 28 may be provided on the light exit surface at the other end. In the structure shown in FIGS. 13 and 14A and 14B, since the fiber-shaped light guide member 40 is continuously developed in a plane, this structure provides a large-area solar cell. can do. Further, in this structure, the fiber-shaped light guide member 40 has a light guide function and a light collecting function, and the photoelectric conversion element 28 receives light having a sufficiently small area compared to the area irradiated with the external light beam 12. The photoelectric conversion element 28 in which a photoelectric conversion part is formed on a single crystal substrate that has an excellent photoelectric conversion characteristic can be used. For example, in a solar cell in which a compound semiconductor composed of Group 3 and Group 5 elements is formed on a gallium arsenide substrate, a higher conversion efficiency can be realized as compared with a structure composed of Si. Therefore, a high-efficiency solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency can be provided.

また、図16に示されるように、ファイバ形状導光部材40の他方端の光射出面と光電変換素子28の受光部との間が光導波特性に優れた光ファイバ49で光学的に連結され、導光部材40から光線14が光ファイバ49を介して光電変換素子28に導かれても良い。この図16に示される太陽電池によれば、光電変換素子28を比較的に自由に設置することができ、太陽電池の設置性の自由度を高めることができる。一例として太陽電池は、一般的に家屋或いはビル等の屋上に設置されるが、このような外部環境は、外気温変化或いは湿度変化が大きく、光電変換素子28にとっては好ましい設置ではないとされている。しかし、図16に示されるような構造によれば、光電変換素子28を厳しい外部環境下に置くことなく、温度調整された暗室等に設置可能であり、光電変換の効率低下を防ぐことができるとともに光電変換素子28が外部環境下で劣化されることを防止することができる。更に、光電変換素子28から光電変換により取り出される電力Pwも比較的に短い配線長で負荷に供給することが可能となり、配線での電力損出を低下させることが可能である。   In addition, as shown in FIG. 16, the light emitting surface at the other end of the fiber-shaped light guide member 40 and the light receiving portion of the photoelectric conversion element 28 are optically connected by an optical fiber 49 having excellent optical waveguide characteristics. The light beam 14 may be guided from the light guide member 40 to the photoelectric conversion element 28 via the optical fiber 49. According to the solar cell shown in FIG. 16, the photoelectric conversion element 28 can be installed relatively freely, and the degree of freedom of installation of the solar cell can be increased. As an example, a solar cell is generally installed on the roof of a house or a building. However, such an external environment has a large change in outside air temperature or a change in humidity, and is not preferable for the photoelectric conversion element 28. Yes. However, according to the structure shown in FIG. 16, the photoelectric conversion element 28 can be installed in a temperature-controlled dark room or the like without placing it in a harsh external environment, and a reduction in photoelectric conversion efficiency can be prevented. In addition, the photoelectric conversion element 28 can be prevented from being deteriorated in the external environment. Furthermore, the power Pw taken out from the photoelectric conversion element 28 by photoelectric conversion can be supplied to the load with a relatively short wiring length, and power loss in the wiring can be reduced.

図17〜図19は、この発明の第3の実施の形態に係る太陽電池の導光部材60及び導波光を示している。この第3の実施の形態に係る太陽電池では、第2の実施の形態と同様に導光部材60がファイバ形状に形成されているが、第2の実施の形態とは異なりコア42中ではなく第2のクラッド62中に発光微粒子26が導光部材60の延出方向に沿ってその発光の指光性が与えられると共に略均一に分散されている。即ち、図17並びに図18(a)及び(b)に示す導光部材60は、第1及び第2のクラッド44,62を備え、ファイバ状の第2のクラッド62がコア42によって被覆され、コア42が更に第1のクラッド44で被覆されている。第2のクラッド62には、指向性を与えた光線を発光可能な発光微粒子26が第2のクラッド62の延出方向に配向されるように均一に分散されている。ここで、発光微粒子26は、図4に示される微粒子と同様に指向性を与えた光線を発光する特性、例えば、フォトルミネセンスにより入射された外光12を波長変換して指向性ある光線14に変換する特性を有し、また、コア42並びに第1及び第2のクラッド44、62には、通常の光ファイバと同様にコア42内を伝播する光線がコア42及び第1のクラッド44の界面及びコア42及び第2のクラッド62の界面で全反射条件を満たすような屈折率が与えられている。即ち、コア42には、光線14の導波を可能にするため、第1のクラッド44と第2のクラッド62より屈折率が高く設定されている。   FIGS. 17-19 has shown the light guide member 60 and the waveguide light of the solar cell which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. In the solar cell according to the third embodiment, the light guide member 60 is formed in a fiber shape as in the second embodiment, but not in the core 42 unlike the second embodiment. In the second clad 62, the light emitting fine particles 26 are given a light emitting property of light emission along the extending direction of the light guide member 60 and are dispersed substantially uniformly. That is, the light guide member 60 shown in FIG. 17 and FIGS. 18A and 18B includes first and second clads 44 and 62, and the fiber-like second clad 62 is covered by the core 42. The core 42 is further covered with a first cladding 44. In the second clad 62, the light-emitting fine particles 26 capable of emitting light having a directivity are uniformly dispersed so as to be oriented in the extending direction of the second clad 62. Here, the luminescent fine particles 26 emit light having a directivity similar to the fine particles shown in FIG. 4, for example, the directional light 14 by converting the wavelength of the external light 12 incident by photoluminescence. In addition, the core 42 and the first and second claddings 44 and 62 have a light beam propagating through the core 42 in the same manner as a normal optical fiber. A refractive index that satisfies the total reflection condition is given at the interface and the interface between the core 42 and the second cladding 62. That is, the core 42 is set to have a higher refractive index than the first clad 44 and the second clad 62 so that the light beam 14 can be guided.

図19(a)及び(b)に示すように、ファイバ状の導光部材60には、外部から光線が照射されて透明な第1のクラッド44及びコア42を介して第2のクラッド62内に入射される。第2のクラッド62内では、入射光線が発光微粒子26に進入し、この発光微粒子26内でファイバ長手方向に指向性を有する光線14が発光微粒子26の端面26A,26Bから発せられる。ここで、光線14は、光線12に対して異なる波長に変換されても良い。れる。射出された光線14は、第2のクラッド62内を伝播されてコア42内に進入される。ここで、発光微粒子26の長軸が略コア42の延出方向に沿って配列されていることから、図4に模式的に示す発光微粒子26の端面26A,26Bから射出され、コア42内に進入して伝播される光線は、コアと第1のクラッドの界面、及び、コアと第2のクラッドの界面において全反射されて、コア内を導波することになる。   As shown in FIGS. 19A and 19B, the fiber-shaped light guide member 60 is irradiated with light from the outside, and the inside of the second cladding 62 passes through the transparent first cladding 44 and the core 42. Is incident on. In the second clad 62, incident light enters the light emitting fine particles 26, and light rays 14 having directivity in the longitudinal direction of the fiber are emitted from the end faces 26 A and 26 B of the light emitting fine particles 26. Here, the light beam 14 may be converted to a different wavelength with respect to the light beam 12. It is. The emitted light beam 14 propagates through the second cladding 62 and enters the core 42. Here, since the long axes of the light-emitting fine particles 26 are arranged substantially along the extending direction of the core 42, the light-emitting fine particles 26 are emitted from the end surfaces 26 A and 26 B of the light-emitting fine particles 26 schematically shown in FIG. The light beam that has entered and propagated is totally reflected at the interface between the core and the first cladding and at the interface between the core and the second cladding, and is guided in the core.

図17及び図18(a)並びに(b)に示される構造においては、第1或いは第2の実施の形態と異なり、光線を伝播するコア42内に発光微粒子26が分散されていないことから、光線14の伝播が発光微粒子26によって阻害されることなく、効率的にコア42内を導波されることとなる。   In the structure shown in FIGS. 17 and 18 (a) and (b), unlike the first or second embodiment, the luminous particles 26 are not dispersed in the core 42 that propagates the light beam. The propagation of the light beam 14 is efficiently guided in the core 42 without being inhibited by the light emitting fine particles 26.

第3の実施の形態に係る太陽電池では、第2の実施の形態と同様にファイバ形状の導光部材60に関して記述しているが、第1の実施形態と同様の形態に適応可能である。即ち、図2が図17に示される平板状導光部材の断面を示していると仮定すると、図2に示される形態となるように平板状の第2のクラッド62が平板状の2つのコア42間に狭持されるように配置され、更に、平板状の2つのコア42上に第1のクラッド44が形成されても良い。このような構造の太陽電池では、図19(a)及び(b)に示すと同様に外光12が発光微粒子26で波長変換され、外光14が発光微粒子から平板状の2つのコア42に導入され、この平板状の2つのコア42内を伝播されることとなる。   In the solar cell according to the third embodiment, the fiber-shaped light guide member 60 is described as in the second embodiment, but can be applied to the same form as in the first embodiment. That is, assuming that FIG. 2 shows a cross section of the flat light guide member shown in FIG. 17, the flat second clad 62 has two flat cores so as to have the form shown in FIG. The first clad 44 may be formed on the two flat cores 42 so as to be sandwiched between the two flat plates 42. In the solar cell having such a structure, as shown in FIGS. 19A and 19B, the wavelength of the external light 12 is converted by the luminescent fine particles 26, and the external light 14 is converted from the luminescent fine particles to the two flat cores 42. It is introduced and propagated through the two flat cores 42.

図20は、この発明の第4の実施の形態に係る太陽電池を示している。この図20に示される太陽電池は、図2に示される平板状の導光部材30と同様な構造を有する平板状の導光部材70を備え、この平板状の導光部材70の互いに対向される端面に図8、図13或いは図17に示される導光部材40、60と同様な構造を有するファイバ状の導光部材72−1,72−2の側面側が固定されている構造を有している。ファイバ状の導光部材72−1,72−2の延出方向の1端には、光電変換素子28−1、28−2が設けられ、延出方向の他端には、反射層(図示せず)或いは光電変換素子(図示せず)が設けられている。ファイバ状の導光部材72−1,72−2内を導波する光線は、反射層で反射されて光電変換素子28−1、28−2に向けられて光電変換素子28−1、28−2で受光されて電力に変換されて出力される。また、ファイバ状の導光部材72−1,72−2内を導波する光線は、導光部材72−1,72−2の両端に設けた光電変換素子28−1、28−2及び図示しない光電変換素子で受光されて電力Pw1,Pw2に変換されて出力される。   FIG. 20 shows a solar cell according to the fourth embodiment of the present invention. The solar cell shown in FIG. 20 includes a flat light guide member 70 having the same structure as the flat light guide member 30 shown in FIG. 2, and the flat light guide members 70 are opposed to each other. The side surfaces of fiber light guide members 72-1 and 72-2 having the same structure as the light guide members 40 and 60 shown in FIG. 8, FIG. 13 or FIG. ing. Photoelectric conversion elements 28-1 and 28-2 are provided at one end in the extending direction of the fiber light guide members 72-1 and 72-2, and a reflective layer (see FIG. (Not shown) or a photoelectric conversion element (not shown) is provided. The light beam guided in the fiber-shaped light guide members 72-1 and 72-2 is reflected by the reflection layer and directed to the photoelectric conversion elements 28-1 and 28-2, and the photoelectric conversion elements 28-1 and 28-. 2 is received, converted into electric power and output. The light beams guided in the fiber-shaped light guide members 72-1 and 72-2 are photoelectric conversion elements 28-1 and 28-2 provided at both ends of the light guide members 72-1 and 72-2, and illustrated. The light is received by the photoelectric conversion element that is not converted into electric power Pw1, Pw2, and output.

平板状の導光部材70は、図2及び図3に示すようにコア24をクラッド22−1,22−2で狭持した構造を有し、コア24内には、発光素子26が図21に示されるようにZ方向に沿って配向されるように均一に分散されている。この構造の平板状の導光部材70では、外部から入射される光線12、例えば、Y方向に沿って入射される光線12は、発光素子26で発光素子26の端面26A,26BからZ方向に向けて光線14として発せられる。この光線14は、コアとクラッドの界面において全反射条件を満たしながら導波して導光部材70の互いに対向する端面に向けられ、ファイバ状の導光部材72−1,72−2内に導入される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the flat light guide member 70 has a structure in which the core 24 is sandwiched between the clads 22-1 and 22-2. As shown in FIG. 4, the particles are uniformly dispersed so as to be oriented along the Z direction. In the planar light guide member 70 having this structure, the light beam 12 incident from the outside, for example, the light beam 12 incident along the Y direction, is emitted from the end faces 26A and 26B of the light emitting element 26 in the Z direction by the light emitting element 26. Emitted as a light beam 14. The light beam 14 is guided while satisfying the total reflection condition at the interface between the core and the clad, and is directed to the opposite end surfaces of the light guide member 70, and is introduced into the fiber-shaped light guide members 72-1 and 72-2. Is done.

ファイバ状の導光部材72−1,72−2では、例えば、図8(又は、図13或いは図17)に示す構造を採用した場合、最外周のクラッド44或いはクラッド44及び屈折率制御層48の組み合わせが集光作用(レンズ作用)を有することから、入射された光線14は、図9(a)及び(b)或いは図19(a)及び(b)に示されるようにコア42内に分散された発光素子26或いは図17に示すようにクラッド62内に分散された発光素子26に照射される。この光線は、コア42内の発光素子26或いはクラッド62内の発光素子26で指向性が与えられ、また、ファイバ状の導光部材72−1,72−2の長手方向に指向性が与えられてコア42内を導波される。コア24,44内を導波された光線は、ファイバ状の導光部材72−1,72−2の1端で夫々で反射され、1端に設けた光電変換素子28−1、28−2で電力Pw1、Pw2に変換される。   For example, when the structure shown in FIG. 8 (or FIG. 13 or FIG. 17) is adopted in the fiber light guide members 72-1 and 72-2, the outermost cladding 44 or the cladding 44 and the refractive index control layer 48 are used. Since the combination of the above has a condensing function (lens function), the incident light beam 14 enters the core 42 as shown in FIGS. 9A and 9B or FIGS. 19A and 19B. The dispersed light emitting elements 26 or the light emitting elements 26 dispersed in the clad 62 as shown in FIG. This light beam is given directivity by the light emitting element 26 in the core 42 or the light emitting element 26 in the clad 62, and directivity is given in the longitudinal direction of the fiber light guide members 72-1, 72-2. Is guided through the core 42. The light beams guided through the cores 24 and 44 are reflected at one end of the fiber light guide members 72-1 and 72-2, respectively, and the photoelectric conversion elements 28-1 and 28-2 provided at the one end. Is converted into electric power Pw1 and Pw2.

尚、図21に示すような平板状の導波部材70にあっては、光線が入射する面の側に対向する面に反射層74が設けられ、導波部材70を通過した光線12が再び導波部材70内に向けて反射層74で反射され、発光素子26がこの反射光線で照射されるようにしても良い。反射層74を設けることによってより、例えば、太陽光などの外部からの光線を発光素子26に向けることができ、粒子に吸収されずに透過する一部の成分については、再度、粒子を含む層に向けることができ、より光変換効率を向上させることができる。   In the flat waveguide member 70 as shown in FIG. 21, the reflection layer 74 is provided on the surface facing the light incident surface, and the light beam 12 that has passed through the waveguide member 70 is again transmitted. The light may be reflected by the reflective layer 74 toward the inside of the waveguide member 70 and the light emitting element 26 may be irradiated with the reflected light. By providing the reflective layer 74, for example, an external ray such as sunlight can be directed to the light emitting element 26, and some components that are transmitted without being absorbed by the particles are included in the layer containing the particles again. The light conversion efficiency can be further improved.

図20に示される太陽電池によれば、光電変換素子28は、ファイバ端部に設置すれば良いことから、光電変換素子28は、第1の実施の形態に係る太陽電池に比較して更に微小な面積の受光部を有する素子とすることができる。   According to the solar cell shown in FIG. 20, since the photoelectric conversion element 28 may be installed at the fiber end, the photoelectric conversion element 28 is much smaller than the solar cell according to the first embodiment. An element having a light receiving portion with a large area can be obtained.

尚、図20に示される太陽電池においては、板状の導光部材70における導光波長と、ファイバ形状の導光体における導光波長は同一でなくとも良い。一例として、670nmの波長域で光電変換特性に優れた光電変換素子28が用いられる場合、ファイバ形状の導光部材内においては、670nmの波長域において波長変換可能な指向性のある発光微粒子26を用いて、板状の導光体内においては、650nmの波長域において波長変換可能な指向性のある発光微粒子26を用いることもできる。   In the solar cell shown in FIG. 20, the light guide wavelength in the plate-shaped light guide member 70 and the light guide wavelength in the fiber-shaped light guide need not be the same. As an example, when the photoelectric conversion element 28 having excellent photoelectric conversion characteristics in the wavelength region of 670 nm is used, the directional light-emitting fine particles 26 capable of wavelength conversion in the wavelength region of 670 nm are used in the fiber-shaped light guide member. In the plate-shaped light guide, the luminescent fine particles 26 having directivity capable of wavelength conversion in the wavelength region of 650 nm can also be used.

上述した実施の形態では、太陽電池が平面的に展開されている構造のみに付いて説明しているが、入射する光線を有効利用するために図1、図15、図16及び図20が多層に積層されるように配置されても良く、各太陽電池に波長依存性を与えて波長域分割して各太陽電池で光電変換しても良い。   In the above-described embodiment, only the structure in which the solar cell is expanded in a plane is described, but FIG. 1, FIG. 15, FIG. 16, and FIG. Alternatively, the solar cells may be arranged so as to be laminated, and wavelength dependence may be given to each solar cell to perform wavelength conversion and photoelectric conversion may be performed by each solar cell.

太陽光を安価で環境負荷が少なく効率的に光電変換素子に集光可能な太陽電池が提供される。   There is provided a solar cell that is capable of concentrating sunlight efficiently on a photoelectric conversion element with low cost and low environmental load.

12...外部光、14...導波光線、22...クラッド、24...コア層、22−1、22−2...クラッド層、26...発光素子、26A、26B...端面、27...光反射電極、28、28−2,28−2...光電変換素子、30...導光部材、30A...光入射面、32−1,32−2...クラッド部材、34...コア部材、37,39...圧延ローラ、40、40−1〜40−n...導光部材、42...コア、44...クラッド、48...屈折率制御層、49...光ファイバ、50...柱状部材、52...加熱炉、54...キャプスタンス、56...巻き取りドラム、60...導光部材、62...クラッド、70、72−1,72−2...導光部材 12 . . External light, 14. . . Guided light, 22. . . Clad, 24. . . Core layer, 22-1, 22-2. . . Clad layer, 26. . . Light emitting element, 26A, 26B. . . End face, 27. . . Light reflecting electrode 28, 28-2, 28-2. . . Photoelectric conversion element 30. . . Light guide member, 30A. . . Light incident surface, 32-1, 32-2. . . Clad member, 34. . . Core member, 37, 39. . . Rolling roller, 40, 40-1 to 40-n. . . Light guide member, 42. . . Core, 44. . . Clad, 48. . . Refractive index control layer, 49. . . Optical fiber, 50. . . Columnar member, 52. . . Heating furnace, 54. . . Capstans, 56. . . Winding drum, 60. . . Light guiding member, 62. . . Cladding, 70, 72-1, 72-2. . . Light guide member

Claims (5)

第1の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池。
A core having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the core that converts light from the outside into guided light,
In a light guide comprising a clad having a second refractive index, which has a core and an interface, and the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface,
A solar cell comprising a photoelectric conversion unit at an end of the light guide, wherein the directional light emitting particles are arranged so that the guided light beam has directivity in the direction of the photoelectric conversion unit. .
第1の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第3の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池。
A portion having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the site for converting light from the outside into guided light, and
A core having an interface with the core and having a second refractive index determined so that the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface;
In the light guide made of a clad having a third refractive index having the interface with the part or the core, and the guided light beam satisfying the total reflection condition at the interface,
A solar cell comprising a photoelectric conversion unit at an end of the light guide, wherein the directional light-emitting particles are arranged so that the guided light beam has directivity in the direction of the photoelectric conversion unit. .
第1の導光体及び第2の導光体であって、当該第1及び第2の導光体は、
第1の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するクラッドからなる構造、或いは、
第1の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第2の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第3の屈折率を有するクラッドからなる構造を
備え、前記第2の導光体は、前記第1の導光体の端部に配置され、かつ、前記第2の導光体端部に光電変換部を有し、
前記第1の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第1の導光体内を導波する光線を前記第2の導光体方向に指向性を持つように配置され、
前記第2の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第2の導光体内を導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池。
A first light guide and a second light guide, wherein the first and second light guides are:
A core having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the core that converts light from the outside into guided light,
A structure comprising a clad having a core and an interface and having a second refractive index determined so that the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface; or
A portion having a first refractive index;
Directional luminescent particles dispersed in the site for converting light from the outside into guided light, and
A core having an interface with the core and having a second refractive index determined so that the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface;
The second light guide has a structure including a clad having a third refractive index that has an interface with the part or the core and the guided light beam satisfies a total reflection condition at the interface. A body is disposed at an end of the first light guide, and has a photoelectric conversion unit at the end of the second light guide;
The directional luminescent particles dispersed in the first light guide are arranged so that the light beam guided in the first light guide has directivity in the direction of the second light guide,
The directional light-emitting particles dispersed in the second light guide are arranged so that the light beam guided in the second light guide has directivity in the photoelectric conversion unit direction. Solar cell.
における前記指向性発光粒子において、前記導波する光線は、前記外部からの光線とその波長が異なることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の太陽電池。     4. The solar cell according to claim 1, wherein the guided light beam has a wavelength different from that of the external light beam. 5. 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の太陽電池において、前記導波する光線の指向性は、前記導光体形成時の延伸工程に起因する指向性発光粒子の配向を用いることを特徴とする太陽電池の製造方法。   5. The solar cell according to claim 1, wherein the directivity of the guided light beam uses orientation of directional light-emitting particles resulting from a stretching process when forming the light guide. A method for manufacturing a solar cell.
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