JP2014086490A - 発光発電モジュール、発光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換素子を発電および発光に用いた発光発電モジュールおよび発光発電装置を提供する。
【解決手段】実施の形態の発光発電モジュールは、発光と発電を行う光電変換素子と、光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発光発電モジュールおよび発光発電装置に関する。

電子機器や照明機器等における消費電力の削減や、再生可能エネルギーの利用の促進は、社会全体に課せられた重要な課題である。消費電力の削減のために、例えば、電子機器のディスプレイや照明機器には、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の消費電力の小さい光電変換素子が用いられる。

一方、特に、スマートフォンやタブレット端末のような携帯機器では、消費電力に対して電池容量が必ずしも十分ではないため充電頻度が高くなり、日常の通常使用に困難が生ずるという問題がある。このため、携帯機器に太陽電池を追加搭載するという試みがある。太陽電池を利用することで、携帯機器における再生可能エネルギーの利用が促進される。

特開２００２−２９６５９０号

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、光電変換素子を発電および発光に用いる発光発電モジュールおよび発光発電装置を提供することにある。

実施の形態の発光発電モジュールは、発光と発電を行う光電変換素子と、光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、を備える。

第１の実施の発光発電装置のブロック図である。 第１の実施の形態の発光発電装置の模式断面図である。 第１の実施の形態の光電変換素子の一例の模式断面図である。 第２の実施の形態の発光発電装置の模式図である。 第３の実施の形態の発光発電装置の模式図である。 第３の実施の発光発電装置のブロック図である。 第４の実施の形態の発光発電装置の模式図である。 第４の実施の発光発電装置のブロック図である。

なお、本明細書中、「光電変換素子」とは、電気エネルギーを光エネルギー、光エネルギーを電気エネルギーに変換可能な素子全般を意味する。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、太陽電池等である。

以下、図面を用いて実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の発光発電装置は、発光と発電を行う光電変換素子と、光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、を備える。そして、光電変換素子、発光制御部、発電制御部、および切替部を保護する筐体と、を備える。そして、光電変換素子、発光制御部、発電制御部、および、切替部が発光発電モジュールを構成する。

本実施の形態の発光発電装置は、同一の光電変換素子に、発光と発電の機能を担わせる。すなわち、同一の素子を、発光素子および発電素子として用いる。これにより、再生可能エネルギーを用い、省エネルギー型の発光発電装置を提供することが可能となる。

本実施の形態の発光発電装置は、例えば、スポットライト型の屋外照明装置である。以下、屋外照明装置を例に説明する。

図１は、本実施の形態の発光発電装置のブロック図である。発光発電装置１００は、発光発電モジュール１０２を備えている。

発光発電モジュール１０２は、光電変換素子１０、発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６を備えている。また、発光発電装置１００は、蓄電池１８を備えている。そして、発光発電装置１００は、例えば、外部電源２０に接続されている。

図２は、本実施の形態の発光発電装置の模式断面図である。光電変換素子１０は、例えば、少なくとも一部が透明の透明基板２２に実装される。そして、光電変換素子１０の、透明基板２２とは反対側に、反射面２４が形成されている。

発光発電装置１００は、回路基板３０と、蓄電池１８を備える。発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６は、例えば、回路基板３０上の回路として形成されている。蓄電池１８は、光電変換素子１０で変換された電力を蓄える。

そして、例えば、光電変換素子１０、透明基板２２、反射面２４、回路基板３０、蓄電池１８等を保護する筐体３２を備えている。発光発電装置１００は、例えば、筐体３２外で電源線３４により外部電源２０と接続される。

光電変換素子１０は、例えば、発光ダイオード構造を備える半導体素子である。図３は、本実施の形態の光電変換素子の一例の模式断面図である。

光電変換素子１０は、例えば、発光ダイオード構造を備えるＩｎＡｌＧａＮ系の半導体素子である。

光電変換素子１０は、ｐ側電極５０を備えている。ｐ側電極５０は、光電変換の際に、電流を入力または出力する端子である。ｐ側電極５０は、例えば金属電極であり、半導体層側から、Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）の積層構造を採用することが可能である。

光電変換素子１０は、ｐ側電極５０上に、ｐ^＋型ＧａＮ層５２が形成される。そして、ｐ^＋型ＧａＮ層５２上に、ｐ⁻型ＧａＮ層５４が形成される。ｐ^＋型ＧａＮ層５２およびｐ⁻型ＧａＮ層５４は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。

ｐ⁻型ＧａＮ層５４のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１×０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。また、ｐ^＋型ＧａＮ層５２のｐ型不純物濃度は、例えば、２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。

ｐ⁻型ＧａＮ層５４の上には、例えば、Ｉｎ_xＧａ_ｙＡｌ_ＺＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表記される組成を備える光電変換層５６が形成されている。光電変換層５６において、電気エネルギーが光エネルギーに、または、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。

光電変換層５６上には、ｎ⁻型ＧａＮ層５８が形成され、ｎ⁻型ＧａＮ層５８上には、ｎ^＋型ＧａＮ層６０が形成される。ｎ^＋型ＧａＮ層６０およびｎ⁻型ＧａＮ層５８は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。

ｎ^＋型ＧａＮ層６０のｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。ｎ⁻型ＧａＮ層５８のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１×０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。

ｎ^＋型ＧａＮ層６０上には、ｎ側電極６２が形成される。ｎ側電極６２は、光電変換の際に電流を入力または出力する端子である。ｎ側電極６２は、例えば光を透過する透明電極である。例えば、透明なＩＴＯ（酸化インジウムスズ）電極を適用することが可能である。

光電変換素子１０は、例えば、ｐ側電極５０側またはｎ側電極６２側のいずれか一方に、発光で生じた光を反射する反射層を備える構造であってもかまわない。

また、光電変換素子１０は、複数の異なるバンドギャップを備える光電変換層を備える構造であってもかまわない。この構造によれば、発光する光の波長領域や、受光して吸収する光の波長領域を広げることが可能となる。

なお、ｐ側電極５０とｎ側電極６２が、光電変換素子１０の異なる面に設けられる場合を例に説明したが、ｐ側電極５０と、ｎ側電極６２が光電変換素子１０に対して、同一面側に設けられる素子構造としてもかまわない。同一面側に設けられることにより基板への実装が容易になるという利点がある。

なお、発光ダイオード構造を備える光電変換素子１０の材料は、ＩｎＡｌＧａＮ系の半導体素子が、広いバンドギャップに対応でき、設計の自由度が増すため望ましい。しかし、ＩｎＧａＮ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓ系材料等を用いることも可能である。

光電変換素子１０の光電変換層５６のバンドギャップが、太陽光のエネルギーに対応する０．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下の範囲にあることが、発電効率を向上させる観点から望ましい。

また、光電変換素子１０は、必ずしも、発光ダイオード構造を備える半導体素子に限定されるものではない。発光機能と発電機能を同一の素子で発現できる素子であれば、例えば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、半導体レーザ等の素子であってもかまわない。

発光制御部１２は、光電変換素子１０の発光を制御する機能を備える。発光制御部１２は、例えば、夜間の照明装置の点灯時に、発光のための電力が蓄電池１８または外部電源２０から供給されるよう制御する。

一方、発電制御部１４は、光電変換素子１０の発電を制御する機能を備える。発電制御部１４は、例えば、昼間の照明装置の消灯時に、例えば、太陽光から変換され、発電された電力が蓄電池１８に充電されるよう制御する。また、例えば、発電される出力電力が最大となるようＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）を行う。

切替部１６は、発光状態と発電状態とを切り替える機能を備える。すなわち、発光発電装置１００の制御を、発光時の発光制御部１２による制御と、発電時の発電制御部１４による制御との間で切り替える機能を備える。例えば、屋外の照明装置であれば、時間帯あるいは周囲の明るさによって、切り替えタイミングを自動的に判断し、発光状態と発電状態を切り替える。切り替えは人為的な判断に行われてもかまわない。

図２に示すように、光電変換素子１０は、少なくとも一部が透明の透明基板２２に実装される。透明基板２２は、例えば、ガラス基板である。例えば、光電変換素子１０のｎ側電極６２が透明基板２２に対向するよう実装される。

透明基板２２上には配線層（図示せず）が形成される。配線層は、光を透過する透明材料で形成されることが望ましく、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）を適用することが可能である。

例えば、ｎ側電極６２が、バンプにより、透明基板２２上の配線層に接続される。また、例えば、ｐ側電極５０が、ボンディングワイヤにより透明基板２２上の配線層に接続される。

例えば、透明基板上には、発光制御用の配線と、発電制御用の配線とが別々に設けられる。例えば、ｐ側電極５０が、発光制御用の配線と、発電制御用の配線とのそれぞれに接続される。また、例えば、ｎ側電極６２が、発光制御用の配線と、発電制御用の配線とのそれぞれに接続される。

発光制御用の配線は、発光制御部１２に接続され、発電制御用の配線は、発電制御部１４に接続される。

光電変換素子１０が、透明基板２２上に実装されることで、光電変換素子１０が発光状態にある時に、発光した光（図２中実線矢印）を、透明基板２２を通過させて照射させることが可能となる。なお、上述のように、例えば、透明基板２２と反対側のｐ側電極５０側の光電変換素子１０内、例えば、ｐ側電極５０とにｐ^＋型ＧａＮ層５２との間に、例えば、銀（Ａｇ）の反射層を設けることで、さらに、効率良く発光した光を照射させることが可能となる。

反射面２４は、光電変換素子１０の透明基板２２と反対側に、光電変換素子１０と離間して設けられる。反射面２４は、光電変換素子１０が発する光（図２中実線矢印）を反射し、かつ、受光される光（図２中点線矢印）を効率良く光電変換素子１０に集光する。反射面２４を設けることで、発電時には受光素子として機能する光電変換素子１０のサイズが小さくとも、効率良く発電を行うことが可能となる。

反射面２４は、例えば、完全な半球状である。反射面２４は、半球鏡となっている。反射面２４の径は、光電変換素子１０の径の２倍以上であることが、集光効率を向上させ、発電時の発電効率を向上させる観点から望ましい。

例えば、光電変換素子１０の径（または１辺の長さ）が１ｍｍであり、反射面２４の径（直径）が１０ｃｍとすると、発電時の集光効率は、反射面２４がない場合に比べ約１００００倍となる。

光電変換素子１０が発光状態の時には、発光制御用の配線を介して、ｐ側電極５０およびｎ側電極６２から電流を注入する。これにより、光電変換素子１０が発光ダイオードとして駆動する。そして、例えば青色の発光が得られる。この際、光電変換素子１０から透明基板２２に出る光は大部分がそのまま透明基板２２を通過して、照明装置の照射希望方向に向かう。

一方、光電変換素子１０から反射面２４方向に射出された光は、反射面２４によって反射され、その後透明基板２２を通過して、同様に照明装置の照射希望方向に向かう。この原理は、一般的にヘッドライトや懐中電灯で配光性を制御する手法と同様である。反射面２４の曲率半径やサイズで、照射される光を所望の配光方向（照射角）に制御できる。

光電変換素子１０が発電状態に切り換えられた時には、電流注入を止め、発光ダイオードとしては停止ないし待機の状態となる。光電変換素子１０に、光電変換素子１０の光電変換層５６のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光、例えば、青色以下の波長域の光を、受光することで、光電変換素子１０は光を吸収してキャリアを生成、つまり発電する。この際、光電変換素子１０に接続してある発電制御用の配線で、この生成された電力を回収し、蓄電池１８に蓄電することができる。

発電状態においては、反射面２４によって、受光される光（図２中点線矢印）を効率良く光電変換素子１０に集光することで、発電効率が向上する。

なお、反射面２４は、光電変換素子１０の周囲に設けられる半球状であるが、反射面２４は、必ずしも半球状でなくとも良い。発光発電装置の用途に合わせて、四角錐や六角錐などの多角錐でも良いし、半球に類する形状等その他の形状であっても良い。

以上、本実施の形態によれば、再生可能エネルギーを用いて自ら効率良く発電するため、外部電源に依存する消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

ここでは、スポットライト型の屋外照明装置を例に説明したが、本実施の形態の構成を室内照明装置にも適用することが可能である。例えば、昼間は消灯して自然光で発電を行うことが可能になる。

あるいは、節電のために、複数ある屋内照明装置のうち、一部のみを点灯する場合、消灯している照明装置で、点灯している照明装置の発する光を受光して発電することが可能となる。この場合、例えば、同一構造の照明装置を用いるのであれば、発する光のエネルギーと、受光する光電変換素子の活性層のバンドギャップエネルギーが一致するため、極めて高い発電効率が実現することになる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の発光発電装置は、発光と発電を行う第１の光電変換素子と、発光と発電を行う第２の光電変換素子と、発光と発電を行う第３の光電変換素子と、第１、第２および第３の光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、第１、第２および第３の光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、第１、第２および第３の光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、第１、第２および第３の光電変換素子、発光制御部、発電制御部、切替部を保護する筐体と、を備える。そして、切替部が、第１、第２または第３の光電変換素子のいずれかが発光状態の時に、他の２つのいずれかが発電状態となるよう切り替える機能を備える。

本実施の形態の発光発電装置は、複数の光電変換素子を備え、例えば、ある光電変換素子が発光中に、発光しない他の光電変換素子が発電を行う。発光していない状態の素子を使って発電することで、外部供給に依存する消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

本実施の形態の発光発電装置は、例えば、赤色、青色、黄色の光を発する信号機である。以下、信号機を例に説明する。なお、第１の実施の形態と重複する内容については、一部記載を省略する。

図４は、本実施の形態の発光発電装置の模式図である。図４（ａ）は外観図、図４（ｂ）は模式断面図、図４（ｃ）はブロック図である。

図４（ａ）に示すように、発光発電装置２００は、赤色部７０ａ、黄色部７０ｂ、青色部７０ｃを備える信号機である。赤色部７０ａは、例えば、複数の赤色光を発する第１の光電変換素子、黄色部７０ｂは複数の黄色光を発する第２の光電変換素子、青色部７０ｃは複数の青色光を発する第３の光電変換素子で構成される。

発光発電装置２００は、図４（ｂ）に示すように、赤色部７０ａ、黄色部７０ｂ、青色部７０ｃに加え、回路基板３０、蓄電池１８を備えている。そして、赤色部７０ａ、黄色部７０ｂ、青色部７０ｃ、回路基板３０、および蓄電池１８を保護する、例えば、金属の筐体３２を備えている。

そして、図４（ｃ）に示すように、発光発電装置２００は、発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６を備えている。発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６は、例えば、回路基板３０上の回路として形成されている。

第１、第２および第３の光電変換素子は、例えば、第１の実施の形態同様の発光ダイオード構造を備える光電変換素子である。例えば、第１の実施の形態同様、反射層等を備えていてもかまわない。

発光制御部１２は、第１、第２および第３の光電変換素子の発光を制御する機能を備える。一方、発電制御部１４は、第１、第２および第３の光電変換素子の発電を制御する機能を備える。

切替部１６は、第１、第２または第３の光電変換素子のいずれかが発光状態の時に、他の２つのいずれか、または双方を発電状態となるよう切り替える機能を備える。切替部１６は、例えば、赤信号の時には、赤色部７０ａの第１の光電変換素子が発光状態に、黄色部７０ｂの第２の光電変換素子と、青色部７０ｃの第３の光電変換素子は発電状態になるよう制御する。

このように、本実施の形態の発光発電装置では、信号として点灯していない色の光電変換素子を用いて発電を行う。したがって、消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

なお、青、黄、赤の３色の信号機を例に説明したが、その他の色の信号機であってもかまわない。あるいは、３色に限られることなく、例えば、赤と青の２色の信号機であってもかまわない。さらに、信号機以外の多色を発する発光発電装置に、本実施の形態と同様の構成を適用することが可能である。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の発光発電装置は、発光発電モジュールとして、例えば、液晶ディスプレイのような画像表示部を備えることを特徴とする。第１または第２の実施の形態と重複する内容については、一部記載を省略する。

本実施の形態の発光発電装置は、装置の未使用中に光電変換素子が発電を行う。よって、外部電源に依存する消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

本実施の形態の発光発電装置は、例えば、液晶ディスプレイを備える携帯端末である。例えば、携帯電話、電子書籍、スマートフォンまたはタブレット端末である。以下、液晶ディスプレイを備える携帯端末を例に説明する。

図５は、本実施の形態の発光発電装置の模式図である。図５（ａ）は外観図、図５（ｂ）は模式断面図、図５（ｃ）は要部の拡大断面図である。

図５（ａ）に示すように発光発電装置３００は、液晶ディスプレイ７２を備える携帯端末である。

発光発電装置３００は、図５（ｂ）に示すように、液晶ディスプレイ７２に加え、回路基板３０、蓄電池１８を備えている。そして、液晶ディスプレイ７２、回路基板３０、および蓄電池１８を保護する、例えば、金属または樹脂の筐体３２を備えている。

さらに、液晶ディスプレイ７２は、光電変換層７４、光電変換層７４上の液晶層７６、液晶層７６上のカラーフィルタ層７８で構成される。光電変換層７４には、例えば、複数の光電変換素子がマトリックス状に配列されている。

光電変換層７４の光電変換素子は、例えば、青色光を発する発光ダイオード構造の光電変換素子を含む。そして、光電変換層素子は、例えば、黄色蛍光体を含有する蛍光体層を備えることで、白色光を発する。

ここでは黄色蛍光体を使用しているが、緑色、赤色など他の色域の蛍光体を別途、または組み合わせて使用してもよい。その場合にはディスプレイの再現色域が良好になる。また、光電変換素子として青色光を発する発光ダイオード構造を使用しているが、緑色、赤色など他の色域の光電変換素子を使用、または組み合わせて使用してもよい。この場合も同様にさまざまな波長域の蛍光体を使用してもよい。設計を最適化することで、ディスプレイの再現色域が良好になる。

カラーフィルタ層７８は、例えば、光電変換層素子によって異なる色を備える。例えば、青色、緑色、赤色のいずれかである。液晶層７６は、光電変換素子から出射される光、光電変換素子へ入射する光の通過と遮断を制御する。

図５（ｃ）に示すように、例えば、第１の実施の形態に示したのと同様に、光電変換層７４の光電変換素子１０は、少なくとも一部が透明の透明基板２２に実装される。透明基板２２は、例えば、ガラス基板である。この場合、透明基板２２上に液晶層７６が形成される。そして、光電変換素子１０の透明基板２２とは、反対側に、反射面２４が形成されている。

図６は、本実施の形態の発光発電装置のブロック図である。発光発電装置３００は、発光発電モジュール３０２を備えている。発光発電モジュール３０２は、例えば、液晶ディスプレイパネルである。

発光発電モジュール３０２は、液晶層７６、光電変換素子１０、発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６を備えている。また、発光発電装置３００は、蓄電池１８を備えている。そして、発光発電装置３００は、例えば、外部電源２０に接続されている。発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６は、例えば、回路基板３０上の回路として形成される。

発光制御部１２は、光電変換素子１０の発光を制御する機能を備える。発光制御部１２は、例えば、液晶ディスプレイ７２に所望の画像が表示されるよう、液晶層７６を制御し、光電変換素子１０から発せられる光の通過と遮断を制御する。また、例えば、発光のための電力が蓄電池１８または外部電源２０から供給されるよう制御する。

一方、発電制御部１４は、光電変換素子１０の発電を制御する機能を備える。発電制御部１４は、例えば、携帯端末を使用していない時、すなわち、液晶ディスプレイ７２に画像を表示していない状態の時に、光電変換素子１０で発電された電力が蓄電池１８に充電されるよう制御する。また、例えば、発電される出力電力が最大となるようＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）を行う。

また、発電中は外部からの光が光電変換素子１０に取り込まれることが必要となる。このため、発電制御部１４は、例えば、発電中に外部からの光が通過するよう液晶層７６を制御する。

切替部１６は、発光状態と発電状態とを切り替える機能を備える。すなわち、発光発電装置３００の制御を、発光時の発光制御部１２による制御と、発電時の発電制御部１４による制御との間で切り替える機能を備える。例えば、携帯端末使用時には、発光状態から発電状態に切り替える。例えば、切り替えは携帯端末の電源オンオフと連動させても良い。

なお、発光発電装置３００に外部から入射する光は、光電変換素子１０が備えるバンドギャップに対応する波長の光を含んでいれば、その種類は問わず、太陽光でも室内灯でも良い。ただし、光電変換素子１０が発光ダイオード構造であり、外部光が発光ダイオードから発せられる照明光であった場合、両者のバンドギャップが近い場合には、不要な光成分が少ないために光-電力変換効率が向上する。すなわち、発光ダイオードを光源とする液晶ディスプレイを、発光ダイオード照明の室内で使用する場合などには、本実施の形態は特に有効であるといえる。

本実施の形態の発光発電装置は、例えば、装置の未使用時に太陽光または照明光を用いて充電が可能となる。したがって、消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。よって、例えば、携帯端末の外部電源からの充電頻度を少なくすることが可能となり、携帯性に優れた携帯端末を提供することが可能となる。

液晶ディスプレイ７２について、各画素が個別に光電変換素子１０を備える形態を例に説明したが、例えば、ディスプレイを複数の区画に分け、区画毎に光電変換素子を備え制御する形式（ローカルディミング型）のディスプレイにも、本実施の形態は適用可能である。この場合には、制御を簡便にすることができる。

また、光源となる光電変換素子をディスプレイ端部に設置し、導光板を用いて液晶層７６やカラーフィルタ層７８に光を導く形態（エッジライト型）の液晶ディスプレイにも、本実施の形態は適用可能である。この場合には、光源が端部に設置されるために、ディスプレイの厚さを薄くすることができる。

なお、携帯端末のディスプレイを例に説明したが、本実施の形態を、さらに大型の装置、例えば、パーソナルコンピュータの液晶ディスプレイや、液晶テレビ等に適用することも可能である。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の発光発電装置は、発光と発電を行う第１の光電変換素子と、発光と発電を行う第２の光電変換素子と、発光と発電を行う第３の光電変換素子と、第１、第２および第３の光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、第１、第２および第３の光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、第１、第２および第３の光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、第１、第２および第３の光電変換素子、発光制御部、発電制御部、切替部を保護する筐体と、を備える。そして、第１の光電変換素子がピーク波長３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の青色光を発し、第２の光電変換素子がピーク波長５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光を発し、第３の光電変換素子がピーク波長５７０ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の赤色光を発する。第１ないし第３の実施の形態と重複する内容については、一部記載を省略する。

本実施の形態の発光発電装置は、装置の未使用中に光電変換素子が発電を行う。よって、外部供給に依存する消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

本実施の形態の発光発電装置は、例えば、ＲＧＢの光の３原色を１画素に備えるディスプレイを用いたテレビである。以下、このようなテレビを例に説明する。

図７は、本実施の形態の発光発電装置の模式図である。図７（ａ）は外観図、図７（ｂ）は模式断面図、図７（ｃ）は要部の拡大断面図である。

図７（ａ）に示すように発光発電装置４００は、発光ダイオードを備えるディスプレイ８２を備えるテレビである。ディスプレイ８２中、点線四角で囲まれる領域がディスプレイの１画素を示す。１画素の大きさは、例えば、１００μｍ□〜１ｍｍ□である。

発光発電装置４００は、図７（ｂ）に示すように、ディスプレイ８２に加え、回路基板３０、蓄電池１８を備えている。そして、ディスプレイ８２、回路基板３０、および蓄電池１８を保護する、例えば、金属または樹脂の筐体３２を備えている。

図７（ｃ）に示すように、各画素には、第１の光電変換素子１０ａ、第２の光電変換素子１０ｂ、第３の光電変換素子１０ｃが隣接して、少なくとも一部が透明の透明基板２２に実装される。第１の光電変換素子１０ａがピーク波長３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の青色光を発し、第２の光電変換素子１０ｂがピーク波長５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光を発し、第３の光電変換素子１０ｃがピーク波長５７０ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の赤色光を発する。

第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの大きさは、１画素の大きさとの兼ね合いで決まるが、例えば、１μｍ□〜１００μｍ□である。

透明基板２２は、例えば、ガラス基板である。そして、第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの透明基板２２とは、反対側に、反射面２４が形成されている。図７（ｃ）では、反射面２４の形状を半球状としているが、画素の配列を容易にするために、四角錐や六角錐などの多角錐形状を採用してもかまわない。

本実施の形態では、１画素を構成する第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが反射面２４で、隣接する画素の光電変換素子と隔てられている。したがって、画素間の光の混合が生じない。よって、高解像度、高コントラストの画像が実現できる。

図８は、本実施の形態の発光発電装置のブロック図である。発光発電装置４００は、発光発電モジュール４０２を備えている。発光発電モジュール４０２は、例えば、ディスプレイパネルである。

発光発電モジュール４０２は、第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６を備えている。また、発光発電装置４００は、蓄電池１８を備えている。そして、発光発電装置４００は、例えば、外部電源２０に接続されている。発光制御部１２、発電制御部１４、および、切替部１６は、例えば、回路基板３０上の回路として形成される。

発光制御部１２は、第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの発光を制御する機能を備える。発光制御部１２は、例えば、ディスプレイ８２に所望の画像が表示されるよう制御する。また、例えば、発光のための電力が蓄電池１８または外部電源２０から供給されるよう制御する。

一方、発電制御部１４は、第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの発電を制御する機能を備える。発電制御部１４は、例えば、テレビを使用していない時、すなわち、ディスプレイ８２に画像を表示していない状態の時に、光電変換素子１０で発電された電力が蓄電池１８に充電されるよう制御する。また、例えば、発電される出力電力が最大となるようＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）を行う。

切替部１６は、発光状態と発電状態とを切り替える機能を備える。すなわち、発光発電装置４００の制御を、発光時の発光制御部１２による制御と、発電時の発電制御部１４による制御との間で切り替える機能を備える。例えば、テレビ末使用時には、発光状態から発電状態に切り替える。切り替えを、例えば、テレビの電源オンオフと連動させても良い。

なお、発光発電装置４００に外部から入射する光は、第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが備えるバンドギャップに対応する波長の光を含んでいれば、その種類は問わず、太陽光でも室内灯でも良い。ただし、第１、第２および第３の光電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが発光ダイオード構造であり、外部光が発光ダイオードから発せられる照明光であった場合、両者のバンドギャップが近い場合には、不要な光成分が少ないために光-電力変換効率が向上する。すなわち、発光ダイオードを光源とするディスプレイを、発光ダイオード照明の室内で使用する場合などには、本実施の形態は特に有効であるといえる。

本実施の形態の発光発電装置は、例えば、装置の未使用時に太陽光または照明光を用いて充電が可能となる。したがって、消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

さらに、切替部１６が、第１、第２または第３の光電変換素子のいずれかが発光状態の時に、他の２つのいずれか、または双方を発電状態となるよう切り替える機能を備えることが望ましい。切替部１６は、例えば、ある画素が青を表示している時には、青色の第１の光電変換素子１０ａが発光状態に、緑色の第２の光電変換素子１０ｂと、赤色の第３の光電変換素子１０ｃは発電状態になるよう発光制御部１２および発電制御部１４に指令をだし制御する。

切替部１６が、このような制御を行うことにより、テレビの使用中にも充電をすることが可能となる。したがって、より消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

ディスプレイ８２について、各画素がＲＧＢの３色を発光する光電変換素子を備える形態を例に説明したが、例えば、ＲＧＢに限らず、その他の色を発光する光電変換素子を備えてもかまわない。また、３色に限らず、２色または４色以上であってもかまわない。

なお、テレビのディスプレイを例に説明したが、本実施の形態を、例えば、パーソナルコンピュータのディスプレイや、携帯端末のディスプレイ等に適用することも可能である。

本実施の形態の発光発電装置は、例えば、装置の未使用時に太陽光または照明光を用いて充電が可能となる。したがって、消費電力が抑制される発光発電装置を提供することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。

そして、実施の形態の説明においては、発光発電モジュール、発光発電装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる発光発電モジュール、発光発電装置に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての発光発電モジュール、発光発電装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０ 光電変換素子
１０ａ 第１の光電変換素子
１０ｂ 第２の光電変換素子
１０ｃ 第３の光電変換素子
１２ 発光制御部
１４ 発電制御部
１６ 切替部
１８ 蓄電池
２０ 外部電源
２２ 透明基板
２４ 反射層
３０ 回路基板
３２ 筐体
１００ 発光発電装置
１０２ 発光発電モジュール
２００ 発光発電装置
３００ 発光発電装置
３０２ 発光発電モジュール
４００ 発光発電装置
４０２ 発光発電モジュール

Claims (20)

1. 発光と発電を行う光電変換素子と、
   前記光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、
   前記光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、
   前記光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、
   を備えることを特徴とする発光発電モジュール。
2. 前記光電変換素子が実装され、少なくとも一部が透明の透明基板と、
   前記光電変換素子の前記透明基板と反対側に、前記光電変換素子と離間して設けられ、前記光電変換素子が発する光を反射し、かつ、前記光電変換素子に光を集光する反射面と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１記載の発光発電モジュール。
3. 前記反射面が半球状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光発電モジュール。
4. 前記光電変換素子が発光ダイオード構造であることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の発光発電モジュール。
5. 前記光電変換素子の光電変換層のバンドギャップが０．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の発光発電モジュール。
6. 発光と発電を行う第１の光電変換素子と、
   発光と発電を行う第２の光電変換素子と、
   前記第１および第２の光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、
   前記第１および第２の光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、
   前記第１および第２の光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、
   を備えることを特徴とする発光発電モジュール。
7. 前記第１および第２の光電変換素子が隣接して実装され、少なくとも一部が透明の透明基板と、
   前記第１および第２の光電変換素子の前記透明基板と反対側に、前記第１および第２の光電変換素子と離間して設けられ、前記第１および第２の光電変換素子が発する光を反射し、かつ、前記第１および第２の光電変換素子に光を集光する反射面と、
   をさらに有することを特徴とする請求項６記載の発光発電モジュール。
8. 前記切替部が、前記第１の光電変換素子が発光状態の時に、前記第２の光電変換素子が発電状態となるよう切り替える機能を備えることを特徴とする請求項６または請求項７記載の発光発電モジュール。
9. 発光と発電を行う第３の光電変換素子をさらに備え、
   前記第１の光電変換素子がピーク波長３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の青色光を発し、前記第２の光電変換素子がピーク波長５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光を発し、前記第３の光電変換素子がピーク波長５７０ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の赤色光を発することを特徴とする請求項６ないし請求項８いずれか一項記載の発光発電モジュール。
10. 前記第１および第２の光電変換素子が発光ダイオード構造であることを特徴とする請求項６ないし請求項８いずれか一項記載の発光発電モジュール。
11. 発光と発電を行う光電変換素子と、
    前記光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、
    前記光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、
    前記光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、
    前記光電変換素子、前記発光制御部、前記発電制御部、および前記切替部を保護する筐体と、
    を備えることを特徴とする発光発電装置。
12. 前記光電変換素子で変換された電力を蓄える蓄電池を、さらに備えることを特徴とする請求項１１記載の発光発電装置。
13. 前記光電変換素子が実装される透明基板と、
    前記光電変換素子の前記透明基板と反対側に、前記光電変換素子と離間して設けられ、前記光電変換素子が発する光を反射し、かつ、前記光電変換素子に光を集光する反射面と、
    をさらに有することを特徴とする請求項１１または請求項１２記載の発光発電装置。
14. 前記光電変換素子が発光ダイオード構造であることを特徴とする請求項１１ないし請求項１３いずれか一項記載の発光発電装置。
15. 前記光電変換素子の光電変換層のバンドギャップが０．３ｅＶ以上４．０ｅＶ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１１ないし請求項１４いずれか一項記載の発光発電装置。
16. 発光と発電を行う第１の光電変換素子と、
    発光と発電を行う第２の光電変換素子と、
    前記第１および第２の光電変換素子の発光を制御する発光制御部と、
    前記第１および第２の光電変換素子の発電を制御する発電制御部と、
    前記第１および第２の光電変換素子の発光状態と発電状態とを切り替える切替部と、
    前記第１および第２の光電変換素子、前記発光制御部、前記発電制御部、および前記切替部を保護する筐体と、
    を備えることを特徴とする発光発電装置。
17. 前記第１および第２の光電変換素子で変換された電力を蓄える蓄電池を、さらに備えることを特徴とする請求項１６記載の発光発電装置。
18. 前記切替部が、前記第１の光電変換素子が発光状態の時に、前記第２の光電変換素子が発電状態となるよう切り替える機能を備えることを特徴とする請求項１６または請求項１７記載の発光発電装置。
19. 前記第１および第２の光電変換素子が隣接して実装され、少なくとも一部が透明の透明基板と、
    前記第１および第２の光電変換素子の前記透明基板と反対側に、前記第１および第２の光電変換素子と離間して設けられ、前記第１および第２の光電変換素子が発する光を反射し、かつ、前記第１および第２の光電変換素子に光を集光する反射面と、
    をさらに有することを特徴とする請求項１６ないし請求項１８いずれか一項記載の発光発電装置。
20. 発光と発電を行う第３の光電変換素子をさらに備え、
    前記第１の光電変換素子がピーク波長３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の青色光を発し、前記第２の光電変換素子がピーク波長５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光を発し、前記第３の光電変換素子がピーク波長５７０ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の赤色光を発することを特徴とする請求項１６ないし請求項１９いずれか一項記載の発光発電装置。

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