JP2013525837A - 集光装置及びその製造方法並びに太陽電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、太陽エネルギー利用率が高い集光装置、太陽電池システム、及び製造プロセスが簡単でコストも低い集光装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】前記集光装置（１０）は、集光基板（１００）を備え、前記集光基板（１００）は、回転放物凹面（１０１）を備え、前記回転放物凹面（１０１）の上には、光子結晶体層（３００）が形成されており、前記光子結晶体層（３００）は、特定の周波数の光を反射し且つ全ての可視光線を全反射するので、太陽電池システムの光電変換効率を大幅に向上する。前記光子結晶体層（３００）の上には、上方変換層（２００）が形成されており、前記上方変換層（２００）は、スペクトルに対する上方変換機能を有する上方変換材料を備え、集光装置（１０）が太陽エネルギーに対する吸収率を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー技術分野に関し、特に集光装置、集光装置の製造方法及び太陽電池システムに関するものである。

二十一世紀に入って来てから、全世界的なエネルギー問題とそれに伴う環境汚染と気候温暖化などの問題がどんどん浮かび上がってきて且つ激化してきた。太陽エネルギーは、普遍的に且つ広く分布され、その資源とする量も多く、汚染がなく、清潔で、安全で、容易に獲得することができるという利点があるので、最も有望な再生可能なエネルギーの一つと思われる。

近年、太陽エネルギーを普遍的に利用するエネルギー技術、例えば太陽電池は、太陽エネルギーを直接に電気エネルギーに変換するので、太陽エネルギーを利用するのに、確実に実行可能な有効方法である。太陽電池は、半世紀の発展を経て、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する効率は、すでに４０％を超えた。しかし、これらの太陽電池は、その製造プロセスが複雑で、設備及び原材料に対する要求も厳しく、価格も高過ぎて、現在一般人に普及できる範囲を超えたため、太陽電池の使用範囲は、大きく制限された。一方、有機太陽電池は、軽くて、柔軟性を持ち、原材料の価格が安く、その製造プロセスも簡単で、塗布法や印刷などの方法にて大面積で製造できるという利点があるので、注目されている。建築、照明、発電などの多分野で大きな発展と応用の見込みがある。しかし、今まで、有機太陽電池は、光電変換効率が低く、実際的な応用ができない。その技術の向上が求められている。

太陽電池の光電変換効率を向上させる方法の一つは、集光装置を利用して、大面積の太陽電池に入射された太陽光を、小面積の太陽電池に集光させることによって、太陽電池の表面における太陽光の密度を増大し、光電変換効率を向上させる目的を達成する。しかし、従来の集光装置は、多くの問題点があるため、広く利用されることが制限される。例えば、透過式焦点集光装置においては、システムは、必ず太陽光追尾装置を設置しなければならない。また、もし太陽光追尾装置は、その集光面を太陽の入射光と垂直にすることを維持できないと、集光点が太陽電池から離れて、その出力が急激に降下する。反射式集光装置は、一般的に、凹面基板の上に、金属膜層または媒質膜層をメッキすることによって、光波を反射することが実現する。金属膜は、反射周波数帯域が広く、各角度から入射する特定周波数帯域内の光波を反射できるが、反射率が低く、光波のエネルギー損失が大きい。媒質膜層は、特定の角度から入射する光波しか反射できなく、膜層の反射周波数帯域も狭い。その他、集光装置を利用して、太陽光を太陽電池の表面に集光する時、一部の周波数帯域の光、例えば、赤外光のエネルギーは、熱量に変換されるので、太陽電池の温度が向上するため、太陽電池は、最適な温度で働けず、光電変換効率が降下する。

また、現在、大部分の太陽電池の吸収波長は、可視光領域しかカバーすることができず、他の周波数帯域の光、例えば、赤外光、を利用することが少ないので、太陽電池の光電変換効率が低い。

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、本発明は、構造が簡単で、太陽エネルギー利用率が高い集光装置と太陽電池システム、及び製造プロセスが簡単でコストも低い集光装置の製造方法を提供する。

本発明は、集光装置を提供する。前記集光装置は、集光基板を備え、前記集光基板は、回転放物凹面を備え、前記回転放物凹面には、光子結晶体層が形成されており、前記光子結晶体層には、上方変換層が形成されており、前記上方変換層は、スペクトルに対する上方変換機能を有する上方変換材料を備える。

また、本発明は、太陽電池システムを提供する。前記太陽電池システムは、前記集光装置と、太陽電池装置と、を備え、前記太陽電池装置は、前記集光装置の回転放物凹面が光を集合して形成された集光平面の上に設置される。

本発明は、更に集光装置の製造方法を提供する。前記集光装置の製造方法は、以下のステップを含む。

回転放物凹面を備える集光基板を選択する。

前記回転放物凹面に、光子結晶体層を形成する。

前記光子結晶体層に、上方変換層を形成し、前記上方変換層は、スペクトルに対する上方変換機能を有する上方変換材料を備える。

本発明に係る集光装置及び太陽エネルギーシステムは、上方変換層を設置し、上方変換材料のスペクトル変換機能を利用し、電池に充分に吸収されない光または長波長輻射を、短波長輻射に変換し、例えば、低エネルギーの赤外周波数帯域光子を高エネルギーの可視光周波数帯域光子に変換するによって、集光装置の太陽エネルギーに対する吸収利用率を向上することができる。また、前記上方変換層と前記集光基板との間に、前記光子結晶体層を設置し、前記光子結晶体層は、特定の周波数の光を反射でき、全ての可視光線を全反射できる。そして、このような層状構造は簡単で、複雑な付属品を配置する必要がない。本発明に係る集光装置の製造方法は、予定のステップで各層の構造を形成でき、製造プロセスは簡単で、コストも低く、広く応用されることが見込まれる。

以下、本発明を、図面及び実施例を参照しながら説明する。
本発明の実施例に係る集光装置の構造を示す図である。 本発明の実施例に係る集光装置を備える太陽電池システムの構造を示す図である。 本発明の実施例に係る集光装置の製造方法のフローチャートである。

以下、図面及び実施例を参照しながら、本発明を詳しく説明する。なお、以下の実施例はあくまで例示の目的であり、これらの実施例のみに限定されるものではない。

図1は、本発明の実施例に係る集光装置の構造を示す図である。本実施例の集光装置１０は、回転放物凹面１０１を持つ集光基板１００を備え、前記回転放物凹面１０１の上には、光子結晶体層３００が形成されており、前記光子結晶体層３００の上には、上方変換層２００が形成されており、前記上方変換層２００は、スペクトルに対する上方変換機能を有する上方変換材料を備える。

図面に示したように、前記集光基板１００は、厚さが均一である基板であってもよく、その厚さは、好ましくは１ｍｍ〜２０ｍｍである。他の実施例には、前記集光基板１００は、その一面（太陽と対向する面）が回転放物凹面１０１で、その他の面が平面であってもよい。即ち、受光面と反対する面は、曲面に限らず、必要に応じて選択すればよい。

集光基板１００の材質は、ガラス、有機ガラス、プラスチック、セラミックまたは金属などのいずれでもいいが、前記述べた材質に限定されない。光線を反射できる性能を有する材料であるのが望ましい。その中、ガラスは、特に限定されず、ケイ酸塩ガラス、高シリカガラス、ナトリウム・カルシウムガラスまたは石英ガラスなどであってもよい。有機ガラスは、特に限定されず、ポリメタクリル酸メチルなどであってもよい。プラスチックは、特に限定されず、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、またはポリ塩化ビニルなどであってもよい。セラミックは、特に限定されず、酸化アルミニウムセラミックまたは酸化ジルコニウムなどであってもよい。金属は、特に限定されず、アルミニウム、銅または表面にアルミニウムメッキ金属材料などであってもよい。前記回転放物凹面１０１が光を反射できる特性を持つので、集光基板１００に入射する光線は、回転放物凹面１０１によって反射され、比較的に小さい集光平面１０２に集光する。

光子結晶体層３００は、前記上方変換層２００と前記集光基板１００との間に設置される。前記光子結晶体層３００は、好ましくは、厚さが均一である薄膜層である。その厚さは、好ましくは、１００ｎｍ〜２０００ｎｍである。図示された実施例では、前記光子結晶体層３００と前記上方変換層２００とは、同じく前記回転放物凹面１０１に沿う凹面状を呈して、即ち、前記光子結晶体層３００と前記上方変換層２００とは、前記回転放物凹面状を呈する。これによって、光を反射し且つ前記小さい集光平面１０２に集合させるのに有利である。前記光子結晶体層３００は、例えば、真空イオンプレーティング、真空マグネトロンスパッタ、真空蒸着法、化学気相堆積法、ゾル・ゲル方法、自己集合法、自然堆積法、コーティング法、塗り法（ｐｌａｓｔｅｒｉｎｇ）、スプレー塗布法、またはナノインプリント法などの方法によって、前記回転放物凹面１０１上に形成される。

光子結晶体層３００の中の光子結晶体は、一次元結晶、二次元結晶または三次元結晶であってもよく、その材質は、無機材料、金属電媒質材料、有機小分子、高分子重合体材料または他の適する材料であってもよい。具体的には、無機材料は、特に限定されず、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、ＮｉＯ、ＭｏＯ_３、Ｖ_２Ｏ_５、ＷＯ_３またはＴｉＯ_２などであってもよい。金属電媒質材料は、特に限定されず、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓなどであってもよい。有機小分子は、特に限定されず、ピラゾリン、またはチオフェンなどであってもよい。高分子重合体材料は、特に限定されず、スチレンラテックス粒子または硬核軟殻構造を持つポリマーラテックス粒子、及びシリコーンゴム、メタクリル酸メチルなどであってもよい。

光子結晶体層３００は太陽光を反射する機能を持ち、特定の周波数の光を反射してもよく、全ての可視光線を全反射できるが、特に限定されない。光子結晶体は、屈折率が周期的に変化する媒質構造であるため、光子禁制帯を生じる。前記禁制帯の幅は、光子結晶体の材料及び構造によって決められる。本実施例には、少なくとも全ての可視光領域を含む禁制帯を採用する。例えば、３００ｎｍ〜８００ｎｍの禁制帯であれば、周波数が禁制帯内にある光波は、光子結晶体内で伝播できず、反射される。これによって、前記光子結晶体層３００は、光線を反射できる。光子結晶体の材料の屈折率及び構造を適切に選択し、組み合わせ、光子結晶体の禁制帯の幅を制御することによって、光子結晶体層３００は、特定の波長範囲内の光の反射及び全ての可視光領域の全反射を実現することができる。例えば、波長が紫外から可視光線までの周波数帯域にある光子結晶体を設計するために、以下のように設計できる。ＳｉＯ_２の屈折率をｎ１にして、その厚さをｄ１にする。ＴｉＯ_２の屈折率をｎ２にして、その厚さをｄ２にする。バンドギャップ（ｂａｎｄ ｇａｐ）の中心波長は、λである。ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とは、ｎ１・ｄ１＋ｎ２・ｄ２＝λ／２を満足する。バンドギャップの中心波長λは、４００ｎｍである一次元の紫外線から可視光線までの周波数帯域の光子結晶体を製作するには、厚さが１０ｎｍ〜９６ｎｍであるＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を選択することができる。これによって、一次元光子結晶体の光子バンドギャップは、７．９ｎｍ〜７５８．４ｎｍにあり、即ち、紫外線から可視光線までの周波数帯域である。同様に、他の材料及び他の周波数帯域は、所望の禁制帯の幅を得ることができるので、光子結晶体層３００が、特定の波長範囲内の光及び全ての可視光領域の反射又は全反射を実現することができる。

本実施例では、上方変換層２００は、有機材料及び有機材料中に分散された上方変換材料を含む薄膜、または酸化物薄膜で上方変換材料が被覆された複合構造を採用することが好ましい。なお、他の実施例には、上方変換層２００は、光子結晶体層３００の上に直接形成された上方変換材料薄膜であってもよい。上方変換材料は、粒状であってもよく、例えば、その平均径が８０ｎｍ〜１０００ｎｍである。上方変換層２００の厚さは、０．１μｍ〜２０μmｍであることが好ましい。

上方変換層２００の中に、分散用の有機材料は、トリエチルヘキシルリン酸、ラウリル硫酸ナトリウムなどの有機小分子基質であってもよく、シリコーンゴム、ポリエチレン、ポリメタクリル酸メチル又はポリウレタンなどの高分子有機基質であってもよい。被覆用の酸化物薄膜は、ＺｎＯ：Ａ１またはＳｎＯ_２：Ｓｂであってもよい。上記の分散または被覆することによって、厚さが均一で粘着性が強い薄膜と複合構造を形成でき、上方変換材料の安定性を確保できるので、上方変換機能の安定性と長期性を向上することができる。

上方変換層２００の上方変換材料は、一種類又は二種類の希土類イオンがドープされたハロゲン化物、酸化物、硫化物若しくはそれらの混合物であってもよい。ここで、前記ハロゲン化物は、弗化物であることが好ましい。前記酸化物は、希土類酸化物、酸化亜鉛、酸化ジルコニアまたは複合酸化物であってもよい。前記硫化物は、希土類硫化物であってもよい。具体的には、上方変換材料は、一種類または二種類の希土類イオンがドープされたＢａＹ_２Ｆ_８、ＫＺｎＦ_３、ＮａＹＦ_４、ＮａＹｂ（ＷＯ_４）_２、Ｇａ_２Ｓ_３−Ｌａ_２Ｏ_３、ＣａＳ、Ｃｓ_３Ｌｕ_２Ｂｒ_９、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＢａＴｉ０_３、ＺｒＦ_２−ＳｉＯ_２若しくはＺｎＯ−ＳｉＯ_２であってもよく、以上の物に限定されることはない。前記ドープする一種類または二種類の希土類イオンは、Ｅｒ^３＋、Ｈｏ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｐｒ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｈｏ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｔｍ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｐｒ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｅｒ^３＋或はＴｂ^３＋／Ｅｒ^３＋などであってもよく、以上の物に限定されることはない。その中、希土類イオンの全体の混合モル比率は、特に限定されず、具体的な必要に応じて決められる。例えば、基質（即ちハロゲン化物、酸化物、硫化物またはそれらの混合物）に対して、希土類イオンの全体の混合モル比率は、５％−６０％であってもよく、それに限定されることもない。

ドープする二種類の希土類イオンの中には、例えば、Ｙｂ^３＋／ＨＯ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｔｍ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｐｒ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｅｒ^３＋またはＴｂ^３＋／Ｅｒ^３＋の中には、二種類のイオンの混合モル比率は１：０．１〜１：１であるが、混合モル比率は、１：０．３〜１：０．５であることが好ましい。

前記上方変換層２００は、スペクトル調整機能を有し、太陽電池に十分吸収されない低エネルギー光線、例えば、赤外線、近赤外周波数帯域、遠赤外周波数帯域及び他の周波数帯域の光線という自然の光線の中の長波長輻射を、短波長輻射に変換し、例えば、低エネルギー近赤外周波数帯域光子を、可視光線のような高エネルギーの周波数帯域の光子に変換し、太陽光の吸収利用率を向上させる。これによって、前記上方変換層２００の光電変換性能を改善する。その他、具体的な応用に応じて、例えば、太陽エネルギーシステムに応用される場合、適当な上方変換材料を適切に選択し、波長が長い太陽光を、波長の短い太陽光に変換し、上方変換層２００を最大吸収周波数帯域に位置させ、太陽光を十分に利用する。これによって、太陽エネルギーシステムの光電変換効率を改善する。

図２は、集光装置１０を採用する太陽電池システム３０の構造を示す図である。太陽電池システム３０は、前記集光装置１０と前記太陽電池装置２０と、を備える。前記集光装置１０の構造は、上記の通りである。図２において、図１と同じ素子は、ほぼ同じ構造と組成を備えるため、説明は省略する。

前記太陽電池装置２０は、常用の太陽電池を採用し、例えば、各種類の珪素太陽電池、ヒ化ガリウムＩＩＩ−Ｖ化合物、硫化カドミウム、若しくは銅・インジウム・セレンなどの多元化合物のような無機塩を材料とする半導体太陽電池、薄膜太陽電池または有機太陽電池などを採用する。図に示したように、前記太陽電池装置２０は、前記集光装置１０の前記回転放物凹面１０１が光線を集合して形成された集光平面１０２に、設置される。前記太陽電池２０は、通常光活性層を備え、具体的に装着する時、前記光活性層を前記集光平面１０２内に位置させ、前記回転放物凹面１０１に正確に合わせることによって、集合した光線を十分吸収できる。具体的に装着する時、前記太陽電池装置２０は、例えば、支持部２２によって、前記集光装置１０の縁に支持され、即ち前記集光基板１００の縁に支持される。

集光装置１０は、主に、上方変換材料の波長変換機能、光子結晶体の光を反射する機能、凹面物体の光を集合する機能を結合する。具体的には、図２に示したように、太陽光線４０は、先ず、前記上方変換層２００に入射する。太陽光線４０の中の長波長の光は、前記上方変換層２００中の光変換材料によって吸収され、短波長の光線を発射する。残りの光変換材料に吸収されない光線は、上方変換層を透過する。前記発射光及び透過光の光線は、共に前記光子結晶体層３００の表面に到達し、前記光子結晶体層３００の光子結晶体に反射され、回転放物凹面によって集光された後、小さいまたは狭い集光平面１０２に集光する。この時、集光した光線の密度は、集光する前の光線の密度より高くなった。これによって、前記集光平面１０２に設置された太陽電池装置２０は、前記光線のエネルギーを吸収し、太陽電池の表面の光線の密度を増加させ、太陽電池の変換効率を大幅に向上させる。その他、太陽電池の光活性層が光を吸収できる範囲に基づいて、適当な上方変換材料を選択し、太陽光の中の赤外周波数帯域を光活性層の吸収範囲内に変換するによって、太陽電池装置２０の光活性層の太陽光線４０に対する吸収率を向上でき、太陽電池２０の光変換効率を向上できる。同時に、太陽光線４０の赤外部分が電池性能に対する悪影響を避けることもできる。

図３を参照して、本発明の実施例に係る集光装置の製造方法を説明する。前記集光装置製造方法は以下のステップを含む。

ステップＳ０１において、回転放物凹面を備える集光基板を選択する。

ステップＳ０２において、前記回転放物凹面の上には、光子結晶体層を形成する。

ステップＳ０３において、前記光子結晶体層の上に上方変換層を形成する。前記上方変換層は、スペクトルに対して上方変換機能を有する上方変換材料を備える。

前記各ステップにおける各層の構造と材料は、ぞれぞれ、上記の構造と構成に対応するので、説明は省略する。図１の構造を参照すると、前記集光装置１０を例とし、厚さが均一である集光基板１００を選択する（例えば、ガラス基板など）。ステップＳ０１において、前記集光基板１００に対して、洗浄と乾燥のような予備処理を行うことが好ましい。また、回転放物凹面１０１に対して、つや出しまたはメッキ（例えば、アルミニウムメッキ膜）などのような処理を行うことが好ましい。

ステップＳ０２において、光子結晶体層３００は、真空イオンプレーティング法、超高真空電子ビーム蒸着法、真空マグネトロンスパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ゾル・ゲル法、自己集合法、自然堆積法、コーティング法、塗り法、スプレー塗布法、またはナノインプリント法などによって、回転放物凹面１０１の上に形成された後、乾燥させる。具体的な方法は、光子結晶体の材質によって選択することができる。例えば、無機材料や金属電媒質材料などとしては、真空イオンプレーティング法、超高真空電子ビーム蒸着法、真空マグネトロンスパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法、自己集合法、自然堆積法、コーティング法、塗り法、またはスプレー塗布法などによって形成されることができる。有機小分子材料としては、スパッタリングまたはコーティング法などによって形成されることができる。高分子重合体材料などとしては、ゾル・ゲル法、コーティング法、塗り法、スプレー塗布法、自己集合法、またはナノインプリント法などによって形成されることができる。しかし、光子結晶体層３００を形成する方法は、以上の方法に限定されることはない。光子結晶体層３００の厚さは、１００ｎｍ−２０００ｎｍである。

ステップＳ０２において、上方変換層２００は、真空イオンプレーティング法、真空マグネトロンスパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法、コーティング法、塗り法、またはスプレー塗布法などによって、光子結晶体層３００の上に形成されることができるが、以上の方法に限定されることはない。上記のように、上方変換層２００は、二種類の構造形式がある。まず、有機材料の中に分散されている形式から見ると、上方変換層２００の形成方法は、以下のステップを含む。上方変換材料の中の各要素の源とする化合物を原材料として、ゾル・ゲル方法によって上方変換材料ナノ粒子を形成し、前記上方変換材料ナノ粒子を、有機材料の中に均一に分散し、均一に攪拌した後、上方変換材料ナノ粒子が分散された有機材料を光子結晶体層２００の表面に塗布し、次に、４０℃〜８０℃の温度で１０時間〜３０時間を硬化し膜形成し、所望の厚さを有する上方変換薄膜層を形成する。

もう一つの実施例において、上方変換層２００は、酸化物薄膜を採用し上方変換材料を被覆することによって、光子結晶体層３００の表面に形成することもできる。例えば、化学的均一相共沈法によって、前記一種類または二種類の希土類イオンがドープされたハロゲン化物、酸化物、硫化物またはそれらの混合物などの材料の表面に、ＺｎＯ：Ａ１などを被覆して、透明な上方変換層を形成することができる。

以下、実施例を挙げて、本発明の実施例に係る集光装置１０の構造及びその製造方法などについて説明する。

実施例１：
本実施例の集光装置の構造は、図１に示されるように、集光基板１００は、回転放物凹面１０１を有する凹面ガラスを採用する。光子結晶体層３００は、硬核・軟殻構造を有するポリマーラテックス粒子を採用し、粒子径は約５００ｎｍであり、光子結晶体層３００の厚さは、約１０００ｎｍである。上方変換層２００の上方変換材料は、Ｃｓ_３Ｌｕ_２Ｂｒ_９：Ｅｒ^３＋を採用し、上方変換層２００の厚さは、約０．１μｍである。

実施例の集光装置の具体的な製造ステップは、以下のとおりである。

ステップ（１）においては、凹面ガラスを集光基板として用意し、凹面ガラスを洗浄し乾燥させる。

ステップ（２）においては、出願番号が２００５１００１１２１９．１である中国特許に記載された調製方法によって、単分散指数が０．００５以下で、粒径が５００ｎｍで、硬核・軟殻構造を有する単分散ポリマーラテックス粒子の乳液を調製し、前記乳液を水に混合させ、均一に攪拌し、濃度が１０％の乳液を形成する。前記乳液を、ステップ（１）で処理された凹面ガラスに塗って、３６時間揮発させた後、厚さが約１０００ｎｍで、全ての可視光線を全反射できる光子結晶体薄膜を形成し、前記結晶体薄膜を乾燥させる。

ステップ（３）においては、１ｇのＥｒ^３＋：Ｃｓ_３Ｌｕ_２Ｂｒ_９ナノ粒子（粒子径が約５ｎｍである）を、１０ｇのポリメタクリル酸メチルの中に均一に分散し、均一に攪拌した後、ステップ（２）で製造した光子結晶体薄膜に被覆し、現場で８０℃にて１０時間硬化し、膜形成し、厚さが約０．１μｍである上方変換薄膜を形成する。前記上方変換薄膜は、９８０ｎｍの赤外光を、ピーク値が約５００ｎｍである可視光線に変換できる。その周波数帯域の光子は、高効率で有機太陽電池に吸収利用され、更に光子結晶体薄膜の反射及び凹面ガラスの太陽光を集光する機能によって、太陽電池の効率及び寿命を効果的に改善できる。

実施例２
本実施例の集光装置の構造は、図１に示されるように、集光基板１００は、回転放物凹面１０１を有する凹面有機ガラスを採用する。光子結晶体層３００は、硬核・軟殻構造を有するポリマーラテックス粒子を採用し、粒子径は約６５０ｎｍであり、光子結晶体層３００の厚さは、約１３００ｎｍである。上方変換層２００の上方変換材料は、ＣａＳ：Ｅｕ^３＋／Ｓｍ^３＋を採用し、上方変換層２００の厚さは、約２０μｍである。

前記実施例の集光装置の具体的な製造ステップは、以下のとおりである。

ステップ（１）において、凹面有機ガラスを集光基板として用意して、前記凹面有機ガラスを洗浄し乾燥させる。

ステップ（２）においては、出願番号が２００５１００１１２１９．１である中国特許に記載された調製方法によって、単分散指数が０．００５以下で、粒径が約６５０ｎｍで、硬核・軟殻構造を有する単分散ポリマーラテックス粒子の乳液を調製し、前記乳液を水に混合させ、均一に攪拌し、濃度が３０％の乳液を形成する。前記乳液をステップ（１）で処理された凹面有機ガラスに塗って、４８時間揮発させた後、厚さが約１３００ｎｍで、全ての可視光線を全反射できる光子結晶体薄膜を形成し、前記光子結晶体薄膜を乾燥させる。

ステップ（３）においては、２ｇのＣａＳ：Ｅｕ^３＋，Ｓｍ^３＋ナノ粒子（粒子径は約１０ｎｍである）を、１０ｇのポリウレタンの中に均一に分散し且つ均一に攪拌した後、ステップ（２）で調製した光子結晶体薄膜に塗り、現場で４０℃にて３０時間硬化し、膜形成し、厚さが約２０μｍである上方変換薄膜を形成する。前記上方変換薄膜は、８００ｎｍ〜１６００ｎｍの赤外光を、ピーク値が約６２５ｎｍである可視光線に変換できる。その周波数帯域の光子は、高効率で有機太陽電池に吸収・利用され、更に光子結晶体層の反射及び凹面有機ガラスの太陽光を集光する機能によって、太陽電池の効率及び寿命を効果的に改善できる。

実施例３

本実施例の集光装置の構造は、図１に示されるように、集光基板１００は、回転放物凹面１０１を有する凹面プラスチックを採用する。光子結晶体層３００は、ＳｉＯ_２及びＴｉＯ_２を採用する。光子結晶体層３００の厚さは、約４８０ｎｍである。上方変換層２００の上方変換材料は、ＢａＹ_２Ｆ_８：Ｙｂ^３＋／Ｈｏ^３＋を採用し、上方変換層２００の厚さは、約１０μｍである。

前記実施例の集光装置の具体的な製造ステップは、以下のとおりである。

ステップ（１）において、凹面プラスチックを集光基板として用意し、前記凹面プラスチックを洗浄し乾燥させる。

ステップ（２）においては、出願番号が２００４１００１８０８１である中国特許に記載された調製方法によって、超真空電子ビーム蒸着法を利用して、八つのＳｉＯ_２薄膜と八つのＴｉＯ_２薄膜を交互に形成する。前記ＳｉＯ_２薄膜及び前記ＴｉＯ_２薄膜の厚さは、何れも３０ｎｍにする。これによって、厚さが約４８０ｎｍで、全ての可視光線を全反射できる光子結晶体層を形成する。

ステップ（３）においては、３ｇのＢａＹ_２Ｆ_８：Ｙｂ^３＋／Ｅ^ｒ３＋ナノ粒子（粒子径は約１５ｎｍである）を、１０ｇのポリウレタンの中に均一に分散し、均一に攪拌した後、ステップ（２）で調製した光子結晶体層に塗り、現場で６０℃にて２４時間硬化し、膜形成し、厚さが約１０μｍである上方変換薄膜を形成する。前記上方変換薄膜は、９５０ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外光を、ピーク値が約５００ｎｍ〜５２０ｎｍである可視光線に変換できる。その周波数帯域の光子は、高効率で有機太陽電池に吸収・利用され、更に光子結晶体層の反射及び凹面有機ガラスの太陽光を集光する機能によって、太陽電池の効率及び寿命を効果的に改善できる。

実施例４
本実施例の集光装置の構造は、図１に示されるように、集光基板１００は、回転放物凹面１０１を有する凹面セラミックを採用する。光子結晶体層３００は、シリコーンゴムとＴｉＯ_２と、を採用する。光子結晶体層３００の厚さは、約５μｍである。上方変換層２００の上方変換材料は、ＺｒＦ_２−ＳｉＯ_２：Ｅｒ^３＋を採用し、上方変換層２００の厚さは、約１５μｍである。

前記実施例の集光装置の具体的な製造ステップは、以下のとおりである。

ステップ（１）において、凹面セラミックを集光基板として用意し、前記凹面セラミックを洗浄し乾燥させる。

ステップ（２）においては、出願番号が２００８１００１８３６０．９である中国特許に記載された調製方法によって、高分子重合体基体材料であるシリコーンゴムを集光基板の上に塗布する。それから、ナノインプリント方式で、粒子径が２００ｎｍである単分散コロイド粒子ＴｉＯ_２を、高分子重合体基体材料であるシリコーンゴムの中に詰めることによって、単分散コロイド粒子ＴｉＯ_２は、高分子重合体基体材料であるシリコーンゴムの中に、面心立方構造が形成される。これによって、厚さが約５μｍで、全ての可視光線を全反射できる光子結晶体層を形成し、光子結晶体層を乾燥させる。

ステップ（３）においては、１．５ｇのＺｒＦ_２−ＳｉＯ_２：Ｅｒ^３＋ナノ粒子（粒子径は約５０ｎｍである）を、２０ｇのポリメタクリル酸メチルの中に均一に分散し、均一に攪拌した後、ステップ（２）で調製した光子結晶体層にスプレー塗布し、現場で５０℃にて１６時間硬化し、膜形成し、厚さが約１５μｍである上方変換薄膜を形成する。前記上方変換薄膜は、９８０ｎｍの赤外光をピーク値が４０５ｎｍ、４４５ｎｍ及び５２５ｎｍ、５４８ｎｍである可視光線に変換できる。その周波数帯域の光子は、高効率で有機太陽電池に吸収・利用され、更に光子結晶体層の反射及び凹面有機ガラスの太陽光を集光する機能によって、太陽電池の効率及び寿命を効果的に改善できる。

実施例５
本実施例の集光装置の構造は、図１に示されるように、集光基板１００は、回転放物凹面１０１を有する凹面アルミニウム板を採用する。光子結晶体層３００は、ポリメタクリル酸メチルとＳｉＯ_２と、を採用する。光子結晶体層３００の厚さは、約１５００ｎｍである。上方変換層２００の上方変換材料は、ＣａＳ：Ｅｕ^３＋／Ｓｍ^３＋を採用し、上方変換層２００の厚さは、約１μｍである。

前記実施例の集光装置の具体的な製造ステップは、以下のとおりである。

ステップ（１）において、凹面アルミニウム板を集光基板として用意して、前記アルミニウム板を洗浄し乾燥させる。

ステップ（２）においては、出願番号が２００８１００１８３６０．９である中国特許に記載された調製方法によって、高分子重合体基体材料であるポリメタクリル酸メチルを集光基板に塗布する。それから、ナノインプリント方式で、粒径が３００ｎｍである単分散コロイド粒子ＳｉＯ_２を、高分子重合体基体材料であるポリメタクリル酸メチルの中に詰めることによって、単分散コロイド粒子は、高分子重合体基体材料の中に、面心立方構造が形成される。これによって、厚さが約１０ｎｍで、全ての可視光線を全反射できる光子結晶体層を形成し、それを乾燥させる。

ステップ（３）においては、２．５ｇのＣａＳ：Ｅｕ^３＋／Ｓｍ^３＋ナノ粒子（粒子径は約１００ｎｍである）を、２５ｇのポリメタクリル酸メチルの中に均一に分散し、均一に攪拌した後、ステップ（２）で調製した光子結晶体層にスプレー塗布し、現場で７０℃にて１２時間硬化し、膜形成し、厚さが約１μｍである上方変換薄膜を形成する。前記上方変換薄膜は、８００ｎｍ〜１６００ｎｍの赤外光をピーク値が約６２５ｎｍである可視光線に変換できる。その周波数帯域の光子は、高効率で有機太陽電池に吸収・利用され、更に光子結晶体層の反射及び凹面有機ガラスの太陽光を集光する機能によって、太陽電池の効率及び寿命を効果的に改善できる。

以上の実施例から分かるように、上方変換層は、異なる上方変換材料に基づいて、異なる周波数帯域の赤外光を特定の波長の可視光線に変換することによって、有機太陽電池に十分に吸収・利用され、太陽エネルギーの利用率を向上できる。一方、光子結晶体層は、特定の波長の光を反射でき、且つ全ての可視光線を全反射できるので、光子結晶体層の反射及び凹面有機ガラスの太陽光を集光する機能によって、太陽電池の効率及び寿命を効果的に改善できる。そして、このような層状構造は、簡単で、複雑な付属品を配置する必要がない。集光装置の製造方法は、予定のステップで各層の構造を形成できるため、製造プロセスが簡単で、コストも低く、広く応用される見込みがある。

上記の説明は、本発明の好適な実施例に関するものであり、本発明はそれに限定されず、本発明の主旨範囲内にある様々な修正や等価変換や変更などは、全て本発明の保護範囲内のものである。

１０ 集光装置
１００ 集光基板
１０１ 回転放物凹面
１０２ 集光平面
２０ 太陽電池装置
２２ 支持部
２００ 上方変換層
３０ 太陽電池システム
３００ 光子結晶体層
４０ 太陽光線

Claims (10)

1. 集光基板を備える集光装置であって、
   前記集光基板は、回転放物凹面を備え、
   前記回転放物凹面の上には、光子結晶体層が形成されており、
   前記光子結晶体層の上には、上方変換層が形成されており、
   前記上方変換層は、スペクトルに対する上方変換機能を有する上方変換材料を備えることを特徴とする集光装置。
2. 前記上方変換材料は、一種類または二種類の希土類イオンがドープされたハロゲン化物、酸化物、硫化物またはそれらの混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
3. 前記上方変換材料は、一種類または二種類の希土類イオンがドープされたＢａＹ_２Ｆ_８、ＫＺｎＦ_３、ＮａＹＦ_４、ＮａＹｂ（ＷＯ_４）_２、Ｇａ_２Ｓ_３−Ｌａ_２Ｏ_３、ＣａＳ、Ｃｓ_３Ｌｕ_２Ｂｒ_９、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＢａＴｉ０_３、ＺｒＦ_２−ＳｉＯ_２若しくはＺｎＯ−ＳｉＯ_２を含むことを特徴とする請求項１記載の集光装置。
4. 前記ドープする一種類又は二種類の希土類イオンは、Ｅｒ^３＋、Ｈｏ３^＋、Ｔｍ^３＋、Ｐｒ^３＋、Ｙｂ^３＋／ＨＯ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｔｍ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｐｒ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｅｒ^３＋またはＴｂ^３＋／Ｅｒ^３＋を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の集光装置。
5. 前記上方変換層は、有機材料及び有機材料の中に分散された前記上方変換材料を備える薄膜であり、または、酸化物薄膜で前記上方変換材料が被覆された複合構造を採用し、
   前記光子結晶体層及び前記上方変換層は、前記回転放物凹面に沿う凹面状を呈することを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
6. 前記光子結晶体層の厚さは、１００ｎｍ〜２０００ｎｍであり、
   前記上方変換層の厚さは、０．１μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
7. 集光装置の製造方法であって、
   回転放物凹面を備える集光基板を選択して、
   前記回転放物凹面の上に光子結晶体層を形成し、
   前記光子結晶体層の上に上方変換層を形成し、
   前記上方変換層は、スペクトルに対する上方変換機能を有する上方変換材料を備える集光装置の製造方法。
8. 前記上方変換材料は、一種類または二種類の希土類イオンがドープされたハロゲン化物、酸化物、硫化物またはそれらの混合物を含み、前記ドープする一種類または二種類の希土類イオンは、Ｅｒ^３＋、Ｈｏ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｐｒ^３＋、Ｙｂ^３＋／ＨＯ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｔｍ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｐｒ^３＋、Ｙｂ^３＋／Ｅｒ^３＋若しくはＴｂ^３＋／Ｅｒ^３＋を含むことを特徴とする請求項７に記載の集光装置の製造方法。
9. 前記上方変換層は、ゾル?ゲル法で形成された上方変換材料粒子を有機材料の中に分散させ、前記上方変換材料粒子が分散された有機材料を前記光子結晶体層の上に塗布されるか、又は、化学共沈法によって酸化物薄膜が上方変換材料に被覆され、前記光子結晶体層の上に形成されることを特徴とする請求項７に記載の集光装置の製造方法。
10. 太陽電池システムであって、
    前記太陽電池システムは、太陽電池と請求項１〜６のいずれか１項に記載の集光装置を備え、
    前記太陽電池は、前記集光装置の前記回転放物凹面が光線を集光して形成された集光平面に設置されることを特徴とする太陽電池システム。