JP2013503318A - 新しい構造を有する発光型の太陽エネルギ集中装置 - Google Patents

Abstract

太陽光用の発光型集光器が提供されている。当該発光型集光器は波長選択性のフィルタと、エネルギ集中エリアと、発光性の材料とを有する。波長選択性フィルタは、太陽光を通過させ且つ発光性材料により発された光を反射するよう適応される。更に、太陽光を集中させるための方法が提供されている。当該方法は、（a） 入射した太陽光を、発光性材料上へ向かうよう波長選択性フィルタ及びエネルギ集中エリアを通過させるステップと、（b） 前記発光性の材料に入射した太陽光を、前記波長選択性フィルタが反射可能な波長をもつ光へと変換するステップと、を含む。本方法は更に、（c） 前記変換光を、前記波長選択性フィルタと前記発光性材料との間にある所定のエリアに集中させるステップ、を含む。

Description

本発明は発光型集光器に関する。例えば太陽エネルギに関連して、当該発光型集光器は入射した太陽光を、後に続く光起電システムでの変換のために集める目的で使用される。

光起電システムにおける太陽エネルギ生成のコストを減じるために、システムで最も高価な部分、即ち光起電セルの効率的な利用をする（例えば、より多くの光束を用いて大きな電流を発生させる）ことが望まれる。従来から、これは大きな光集束型の太陽光集中装置を用いて成されている。

この技術分野では、例えば発光型の太陽光集中装置が導波管と共に用いられている。基本的に、これらの発光型集光器は蛍光色素分子をドーピングした大きなガラス板から構成されている。当該蛍光色素は、同装置に入射した太陽光から特定の波長の光を吸収し、より長い波長で光を全方向に再出射する。この光の一部が、担持している導波管の臨界角の範囲内に発され、全て内部反射されて光起電システムの光起電モジュールへと搬送される。

しかしながら現在これらの発光型集光器は、発された光が高い割合で再吸収されることと、導波管へ向かう出射光の低い効率と、光を導波管中に保つ際の低い効率とから生じる低い効率を示す。

現在、発光型の太陽エネルギ集中装置の改善を扱っている大規模な世界的な研究活動がある。現在の斯様な光集中装置は通常、発光性の材料が添加されているマトリックスから成る。入射した太陽光は、同光が発光性材料に到達するや否や発光プロセスでダウンコンバートされ、次に光起電モジュールで使うことができる。

しかしながら、ここでも、変換された光の再吸収が、これらの発光型集光器におけるエネルギ損失を顕著に招く。達成可能な光利得係数（入射した光の強度と、光起電モジュールに入力された光の強度との比率）が、これらの再吸収作用により限定される。現在の発光型集光器では再吸収作用は発光性材料中で起き、加えてマトリックスそのものも、マトリックス内の光吸収によって光利得係数に負の影響を及ぼす。

これゆえ本発明の目的は、光起電システム用の発光型集光器における再吸収による損失を減じた発光型集光器を提供することである。

本発明は、フィルタを通過した太陽光を変換する発光型集光器を提供することによって上記の課題を解決する。光は発光性の材料中で変換され、フィルタと発光性材料との間にあるエリアに集められる。

本発明によれば、太陽光用の発光型集光器が提供される。当該発光型集光器は波長選択性をもつフィルタと、エネルギを集中させるエリアと、発光性の材料と、を有する。波長選択性フィルタは太陽光を通過させ、発光性材料により発された光を反射するよう適応される。

波長選択性フィルタは多層の干渉フィルタでもよく、又は光学的な帯域消去フィルタでもよい。例えば波長選択性フィルタは、入射光の特定の波長では透明で、他の波長では反射する鏡（ミラー）であり、オプションで偏光選択性を備えてもよい。特に、波長選択性フィルタは入射した太陽光を通過させることができるが、発光性材料から発された変換された光は、これら2種類の光の異なる波長に起因して反射する。例えば、発光性材料から変換された/発された光の波長は、同フィルタを通過した変換前の入射太陽光の波長よりも長い。波長選択性のあるミラーは、例えば米国特許公開公報US 2009/0044861 Alに更に記載されている。

エネルギ集中エリアは空隙でもよいし、又は真空を有してもよいし、又はエネルギ集中エリアを通過する（変換された）光の集光に（基本的に及び/又は著しく）影響を及ぼさない何らかの他の材料であってもよく、若しくは何らかの他の材料から構成されていてもよい。例えばエネルギ集中エリアは、入射光を（例えば著しく）吸収する材料を含んではいないか又は同材料から構成されてはいない。換言すれば、エネルギ集中エリアは基本的に何も無い（即ち（例えばエネルギ集中エリアに存在する光の少なくとも一部を吸収することによって）光の集中及び/又は反射に負の影響を及ぼす材料/コンポーネント/構成をもたない）。特定の実施例では当該エリアは、エネルギ集中エリアの下に配置された発光性材料と同じ（又はより大きくてもよい）厚さを備えている。

光を吸収する材料を含まないか又は同材料から構成されてはいない、エネルギを集中させる隙間の存在に起因して、エネルギ集中エリア内に集められた変換された光のエネルギ損失が減じられるか又は最小にさえされる。このように発光型集光器は、エネルギ集中エリアに結合された太陽電池/光起電デバイスの全体出力を好都合にも強化することができる。

発光性の材料は、光の吸収か又は他の充分な量子エネルギの放射があると光を発するよう適応されており、蛍光及び燐光の両方を網羅している。例えば、発光性材料は複数の発光染料の分子を含む。特定の実施例では、発光性材料が（重合）マトリックス内に埋め込まれるのではなく、発光性材料は基板上へ、例えば後述するように反射構造部の上へ直接蒸着されるか又はスパッタリングされる。

発光性材料が固定される何らかのマトリックスを省略すると、光がフィルタと発光性材料との間にあるエネルギ集中エリアに集められるので、入射光及び/又はマトリックスにより変換された光の何らかの更なる再吸収が好都合にも回避できる。これにより、幾らかのエネルギ損失が更に減じられる。

特定の実施例では発光性の材料は、発光ピークのスペクトル幅が狭い、好ましくは30 nm以下の線状の発光材（即ち蛍光材又は燐光材）を有する。エネルギ集中エリア内での非常に広範囲な角度での反射が可能であるので、斯様な線状の発光材の使用は好都合である。

特定の実施例では、発光性材料は発光層である。

発光性材料の「層」は、均一な厚さと平面状の表面とを提供できる。例えば発光層の厚さは100μm未満であり、好ましくは20μm未満である。

特定の実施例では、発光層は反射構造部の上に配置される層である。

反射構造部は、入射した太陽光を反射するよう適応された構造部である。具体的には反射構造部は、入射光の少なくとも75％、好ましくは少なくとも90％、更に好ましくは少なくとも95％、又は非常に好ましくは少なくとも99％も反射する。当該反射構造部は例えばアルミニウム若しくは銀で作られた金属ミラーか、又は例えばBaSO₄又はTiO₂を含む拡散反射器でもよく、及び/又は反射効果を提供するために、反射性をもたない構造部が金属材料又は拡散材料などのコーティングによって覆われてもよい。しかしながら、反射効果を構造部に提供する限り、及びUV（紫外線）光、VIS（可視）光、又はIR（赤外）光による長期にわたる曝露の下で光学的特性が（著しく）変化しない限りは、他のどのような材料が使われてもよい。

特定の実施例では、上記のように発光層が反射構造部の上に蒸着される。例えば、発光層は薄い発光性のフィルムでもよい。

発光層の蒸着が蒸着チャンバ、例えばパルスレーザ蒸着（PLD）チャンバにおいて行われてもよいし、又は蒸着がスパッタリング技術を用いて行われてもよい。パルスレーザ蒸着は薄膜の蒸着技術、例えば物理的気相成長PVD技術であり、高出力なパルスレーザビームが真空チャンバ内部で焦束され、基板上に蒸着されるのと同じ組成をもつターゲットの方へと導かれる（この場合、上記のように基板が反射構造部でもよい）。

発光性材料の蒸着は好都合である。何故ならば蒸着技術は、基板上（例えば反射構造部）へ蒸着される組成物に関して正確に決められた組成を溶発させることと、正確な密度とを可能にするからである。これ故、発光性材料の高度で明確な品質が、入射した太陽光の吸収及び変換を向上させる。

特定の実施例では、発光層は蛍光材料若しくは燐光材料が分散された懸濁液のコーティングによって、又は前記材料が溶解されるか若しくは分散された溶液のコーティングによって形成されることができる。斯様な懸濁液若しくは溶液は、例えばブレード・コーティングによって、又はスプレィ・コーティングによって塗料のように塗布されることができる。懸濁液又は溶液が高分子バインダを含んでいてもよい。蒸発可能な溶媒も含んでいてもよい。

特定の実施例では、発光層が燐の合成物を含んでいてもよい。

燐材料は特に興味の対象となる。なぜならば同材料は入射した光線により刺激され、この結果、燐材料中に（例えば光の吸収に起因して）これまでに蓄えられていたエネルギが発光により放出されるからである。加えて、再吸収効果が小さい。

特定の実施例では、発光型集光器は、波長選択性フィルタと発光性材料との間に機械的な支持構造物を有する。

例えば機械的な支持構造物は支柱及び/又はスペーサ・ボールを有し、さもなければフィルタ及び/又は発光性材料を機械的に補強するよう適応された他の何らかの幾何学的な構造又は材料を有する。特定の実施例では、機械的な支持構造物が上記の反射構造部と同一の材料で作られてもよく、及び/又は反射構造部と波長選択性フィルタとの間に当該支持構造物が配置されてもよい。例えば機械的な支持構造物は、フィルタから発光性材料を通過して反射構造部まで延在する支柱でもよい。

特定の実施例では、機械的な支持構造物は反射性の材料、例えばBaSO₄などの白い反射材を有する。機械的な支持構造物、例えば支柱及び/又はスペーサ・ボールが当該反射材で覆われていてもよい。

機械的な支持構造物上に反射コーティングをすることは、エネルギ集中エリア内の変換光の集光を更に強化することができ、したがって、エネルギ集中エリアに結合された光起電デバイスの全体出力を更に増すことができる。

特定の実施例では、機械的な支持構造物がエネルギ集中エリアに配置され、同構造物はいかなる光も（著しく/基本的に）吸収することはない。

特定の実施例では発光型集光器は、エネルギ集中エリアに結合された光起電デバイスを更に有する。

当該光起電デバイスは光起電モジュール若しくは光起電アレイ（光起電セルがパックされ相互接続されたアセンブリ）でもよいし、又は単一の光起電セル/太陽電池でさえもよい。太陽電池は太陽からの光エネルギ（光子）を「光起電効果」を通じて電力を発生させるために使用する。例えば太陽電池は、結晶シリコン又はアモルファス・シリコンのウェーハ又は薄膜から作られる。

発光型集光器を光起電デバイスへと結合することによって、上記のように入射した太陽光が、発光型集光器によって集められた発光性の光へと変換され、次に、電力へ変換するための光起電デバイスへと導かれる。こうすることにより、上記のように入射光の集中に起因してシステムの全体出力を増した発光型集光器と光起電デバイスとをもつ好都合な光起電システムが提供される。

特定の実施例では、発光型集光器の光起電デバイスへの結合を光学的に行うための特別な手段（例えば屈折率適合タイプの接着剤）が、発光型集光器と光起電デバイスとの間に使用されることはない。

本発明によれば、太陽光を集中させるための方法が提供される。当該方法は、（a） 発光性の材料上へ向けて、入射した太陽光を波長選択性フィルタ及びエネルギ集中エリアを通過させるステップと、（b） 発光性材料中に入射した太陽光を、波長選択性フィルタが反射可能な波長をもつ光へ変換するステップと、を含む。当該方法は更に、（c） 変換された光を波長選択性フィルタと発光性材料との間に配置された所定のエリアに集中させるステップ、を含む。

特定の実施例では、波長選択性フィルタ、エネルギ集中エリア、及び発光性材料は、本発明の発光型集光器に関連して上で説明されたのと同じ特徴をもっている。これは、発光型集光器に関して言及された特徴及び当該特徴の説明が本発明の方法にも適用され、逆もまた同様であることを意味している。

特定の実施例では、前記所定のエリアはエネルギ集中エリアである。

例えば、入射した太陽光は波長選択性フィルタ及びエネルギ集中エリアを発光性材料へと向かって通過し、変換され、次に、集められるようエネルギ集中エリアへと戻されて、例えば光起電デバイスへと導かれる。

特定の実施例では、上で説明したように、所定のエリアは空隙でもよいし又は真空を有してもよい。

特定の実施例では、変換光を集めるステップは、波長選択性フィルタと、発光性材料の所定のエリアに対して反対側に配置された反射構造部との間で変換光を反射させるステップ（c1）を含む。

特定の実施例では本方法は更に、集められた変換光を光起電デバイスへと/の方向へと導くステップ（d）を含む。

本発明による発光型の太陽エネルギ集中装置の実施例の一般的な構成を概観的に示す。 本発明による安定化構造物を備えた発光型の太陽エネルギ集中装置の実施例を概観的に示す。

図1は、発光型集光器10の実施例の構成を概観的に示す。発光型集光器10は、波長選択性フィルタ12と、発光性の材料14と、両者の間にあるエネルギ集中エリア18、例えば空隙と、を有する。本実施例では入射した太陽光20がフィルタ12に最適に到達できるよう、フィルタ12は光集中装置10の最上部に配置される。入射した太陽光の一部22はフィルタ12を通過し、発光性の材料14上に向かって及び/又は同材料内へと向かってエリア18を通過する。この太陽光の一部22が発光性材料14により吸収され、変換光24へと変換される。変換光24が太陽光22よりも長い波長を提供するよう、例えば吸収される光22と発された/変換された光24との間に大きなストークス・シフトが与えられる。変換光24は次に、フィルタ12と発光性材料14との間にあるエリア18に集められる。特に、エリア18内での光24の集中を提供するために、反射構造部16が発光性材料14の下で光集中装置10の下部又は底部に設けられており、光集中装置10の上部/頂部にあるフィルタ12も、前に同フィルタ12を通過した入射光20よりも長い波長をもつ変換光24を反射するよう適応される。これ故エリア18は、多重反射を用いて変換光24を光起電デバイス30へと導く光導波路として機能する。

図2は、発光型集光器10の別の実施例を概観的に示す。発光型集光器10は、図1を引用して説明した発光型集光器10と同じ特徴を備えているが、しかしこれに加え、フィルタ12と発光性の材料14との間のエリア18に支持構造物としてスペーサ・ボール及び/又は支柱17を有する。上記図1の実施例と同様に、発光型集光器10は、波長選択性フィルタ12と、発光性の材料14と、両者の間にある集中エリア18と、を有する。フィルタ12及びエリア18を通過した太陽光21は発光性の材料14により吸収され、フィルタを通過した太陽光22よりも長い波長をもつ光24へと変換される。変換された光24は次に、エリア18内に集められる。光集中装置10の底部にある反射構造部16が発光材料14の下に配置され、光集中装置10の最上部にあるフィルタ12と共に、エリア18内での光24の集中に役立つ。フィルタ12は波長選択性フィルタであり、変換光24を反射するよう適応されており、一方、入射光20及び変換光24の種々異なる波長に応じて、入射光20の一部22がフィルタ12を通過できる。最終的に変換光24は、光24を電力へと変換するための光起電デバイス30へと導かれる。本発明の一つの基本的な特徴は、発光型集光器10の一部として光を光起電デバイス30へと案内するための、従来技術の文書に記載されているような導波管が省略されていることを理解されたい。従来技術の導波管は光を吸収してしまうので、本発明の特徴はより高い光効率をもつという長所を示す。従来技術の代わりに本発明では、説明され図示されているように、光は波長選択性フィルタ12と発光性材料14とにより案内され且つ反射される。導波管は更に、光を案内することは別にして、従来技術では機械的な支持構造物としても使用されている。これ故、本発明の例として発光型集光器10内に機械的な支持構造物17を備えることは、説明された発光型集光器10の安定性にとって好都合である。

本発明が図面及びこれまでの説明で詳細に例示され且つ説明されたが、斯様な例示及び説明は例示目的又は説明目的であるとみなされ、限定目的ではない。即ち、本発明が開示された実施例に限定されることはない。図面、開示物、及び添付の請求項の学習から、開示された実施例に対するバリエーションが当業者により理解されることができ且つ遂行されることができる。請求項において、単語「有する」が他のエレメント又はステップを除外することはなく、不定冠詞「a」又は「an」が複数を除外することはない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項において詳述された複数の項目の機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項において再引用されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われることができないことを示してはいない。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして考慮されてはならない。

Claims (15)

1. 太陽光用の発光型集光器であって、
   （a） 波長選択性のあるフィルタと、
   （b） エネルギ集中エリアと、
   （c） 発光体と、
   を有し、
   前記波長選択性フィルタが、太陽光を通過させ且つ前記発光体により発された光を反射するよう適応されている、発光型集光器。
2. 前記エネルギ集中エリアには基本的に何も無い、請求項１に記載の発光型集光器。
3. 前記エネルギ集中エリアが空隙である、請求項１に記載の発光型集光器。
4. 前記エネルギ集中エリアが真空を有する、請求項１に記載の発光型集光器。
5. 前記発光性の材料が発光層である、請求項１に記載の発光型集光器。
6. 前記発光層が反射構造部の上に配置された層である、請求項５に記載の発光型集光器。
7. 前記発光層が燐の合成物を有する、請求項５に記載の発光型集光器。
8. 前記波長選択性フィルタが光学的な帯域消去フィルタ、例えば多層の干渉フィルタである、請求項１に記載の発光型集光器。
9. 前記発光型集光器が、前記波長選択性フィルタと前記発光体との間に機械的な支持構造物を有する、請求項１に記載の発光型集光器。
10. 前記機械的な支持構造物が、好ましくは反射性の材料を有する支柱及び/又はスペーサ・ボールを有する、請求項９に記載の発光型集光器。
11. 前記エネルギ集中エリアに結合された光起電デバイスを更に有する、請求項１に記載の発光型集光器。
12. 太陽光を集中させるための方法であって、
    （a） 入射した太陽光を、波長選択性フィルタ及びエネルギ集中エリアを通って発光体まで通過させるステップと、
    （b） 前記発光体に入射した太陽光を、前記波長選択性フィルタによって反射可能な波長をもつ光へと変換するステップと、
    （c） 前記変換光を、前記波長選択性フィルタ及び前記発光性材料の間にある所定のエリアに集めるステップと、
    を含む、方法。
13. 前記所定のエリアが空隙であるか、又は真空を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記変換光を集めるステップが、
    （c1） 前記波長選択性フィルタと、前記所定のエリアに対して反対側にある前記発光体の前記反射構造部との間で前記変換光を反射させるステップ、
    を含む、請求項１２に記載の方法。
15. （d） 集められた前記変換光を光起電デバイスへと導くステップ、
    を更に含む、請求項１２の内の一つに記載の方法。

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