JP2014086601A - 太陽電池装置 - Google Patents

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和志 平岡
Seiki Miura
清貴 三浦
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Abstract

【課題】光電変換効率を高くし得る太陽電池装置を提供する。
【解決手段】太陽光線を入射し集光するための大径の第１バイナリレンズ２と、この第１バイナリレンズ２にて集光された太陽光線を平行に揃える小径の第２バイナリレンズ３と、この第２バイナリレンズ３にて平行にされた太陽光線を入射して波長の長さに応じて左右両側に対称に分光させるとともに３段でもって配置された回折格子４１〜４３と、これら各回折格子４により分光された各光線（波長：λ１〜λ５）を入射し光電変換を行う太陽電池５と、この太陽電池５にて得られた電気を電気配線６を介して導き所定電圧に調整して出力するための電圧調整器７とから構成したもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブを用いた電池要素体を有する太陽電池装置に関するものである。
太陽電池は、単結晶、多結晶、アモルファスシリコンからなるシリコン系のものが主流であり、住宅や事業所などに普及しつつあるが、エネルギーの変換効率が低いという欠点がある。エネルギーの変換効率が低い要因の一つとして、通常の太陽電池は、バンドギャップが１つしかなく、バンドギャップ未満のエネルギーを有する長波長光線については光電変換できず、逆に、バンドギャップを超えるエネルギーを有する短波長光線については、バンドギャップ分のエネルギーしか光電変換できなかった。
このような欠点に対処するものとして、２つ以上の異なるバンドギャップを有する太陽電池装置が提案されている（特許文献１参照）。
この太陽電池装置には、それぞれ異なるバンドギャップを有するカーボンナノチューブが列状に配置されるとともに、太陽光をプリズムなどの分光器で波長に応じて分光させて、それぞれのカーボンナノチューブ列に入射させるようにしたものが開示されている。
特開２０１１−４４５１１号公報
上述した太陽電池の構成によると、分光器としてプリズムなどの光学系を用いているため、太陽電池装置が大型化するという問題があり、特に、複数の太陽電池を配置する場合には、大型化に加えて、生産性が悪く、製造コストが高くつくという問題も生じる。
そこで、本発明は、大型化を、延いては、製造コストの低減化を図り得る太陽電池装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る太陽電池装置は、太陽光を入射して所定範囲に集光するためのレンズ系と、このレンズ系にて集光された太陽光を入射するとともに波長の長さに応じて左右両側に対称に分光させる回折格子と、この回折格子により分光された各光を入射し光電変換を行う太陽電池とから構成し、
且つ上記太陽電池を、
透明電極と、この透明電極の表面に且つ当該表面に形成されたカーボンナノチューブと、このカーボンナノチューブの透明電極とは反対側に配置された金属電極とからなる電池要素体を複数具備させて構成させて構成するとともに、
上記複数の電池要素体を、それぞれにおけるカーボンナノチューブの直径が、入射される光の波長に応じて上記回折格子における０次光軸から左右の外側に向かって順次変化するように、当該０次光軸の左右に配置したものである。
また、請求項２に係る太陽電池装置は、請求項１に記載の太陽電池装置における回折格子を、その０次光軸上で複数段でもって配置したものである。
また、請求項３に係る太陽電池装置は、請求項１または２に記載の太陽電池装置における回折格子における０次光軸上に電池要素体または反射部材を配置したものである。
また、請求項４に係る太陽電池装置は、請求項３に記載の太陽電池装置における第１段目の回折格子にて反射した光を、再度、当該第１段目の回折格子に反射させる再帰反射板をその回折格子の周囲に配置したものである。
また、請求項５に係る太陽電池装置は、請求項１または２に記載の太陽電池装置における透明材料にレーザ光を照射して当該透明材料内にバイナリレンズおよび回折格子を一体に形成したものである。
また、請求項６に係る太陽電池装置は、請求項４に記載の太陽電池装置における透明材料にレーザ光を照射して当該透明材料内にバイナリレンズ、回折格子および再帰反射板を一体に形成したものである。
さらに、請求項７に係る太陽電池装置は、請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽電池装置における各電池要素体にて得られた電気を所定電圧に調整する電圧調整器を具備したものである。
上記太陽電池装置の構成によると、太陽光をバイナリレンズにより所定範囲に集めて回折格子に入力し、複数の波長領域でもって左右に分光させるとともに、この分光された光線の持つエネルギーを効率良く吸収し得るカーボンナノチューブを有する電池要素体に導くようにしたので、プリズムなどを用いた場合に比べて、装置の小型化を図ることができ、延いては、製造コストの低減化を図ることができる。
また、回折格子を複数段でもって配置することにより、より、高い光電変換効率が得られる。
また、中央に、０次回折光のエネルギーを回収し得る電池要素体を配置したので、より一層、高い光電変換効率が得られる。
さらに、レンズ系および回折格子を、超短パルスレーザにより一つの部材内に形成することにより、その製造および組立てを容易且つ安価に行い得るとともに、装置の小型化を一層図ることができる。
本発明の実施例１に係る太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。 同太陽電池装置の光学系の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例２に係る太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例３に係る太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例４に係る太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例５に係る太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例６に係る太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。
以下、本発明に係る太陽電池装置について説明する。
この太陽電池装置は、基本的には、太陽光を入射して所定範囲に集光するためのバイナリレンズと、このバイナリレンズにて集光された太陽光を入射するとともに波長の長さに応じて左右両側に対称に分光させる回折格子と、この回折格子により分光された各光を入射し光電変換を行う太陽電池とから構成し、
且つ上記太陽電池を、
透明電極と、この透明電極の表面に且つ当該表面に形成されたカーボンナノチューブと、このカーボンナノチューブの透明電極とは反対側に配置された金属電極とからなる電池要素体を複数具備するとともに、
上記複数の電池要素体を、それぞれにおけるカーボンナノチューブの直径が、入射される光の波長に応じて上記回折格子における０次光軸（回折格子の中心光軸）から左右の外側に向かって（言い換えれば、左右の１次回折光の分散による広がりに合わせて）順次変化するように、当該０次光軸の左右に配置したものである。
また上記回折格子をその０次光軸上で複数段でもって配置したものであり、
また０次光軸上に電池要素体または反射部材を配置したものであり、
さらに第１段目の回折格子にて回折または反射した太陽光を、再度、当該第１段目の回折格子に反射させる再帰反射板をその回折格子の周囲に、すなわちその上下面（表裏面）で且つ左右に配置したものである。
以下、上述した種々の実施例についてそれぞれ詳しく説明する。
まず、実施例１に係る太陽電池装置を、図１および図２に基づき説明する。
図１に示すように、実施例１に係る太陽電池装置１は、太陽光線（太陽光）を入射して所定範囲に集光するための大径の第１バイナリレンズ２と、この第１バイナリレンズ２にて集光された太陽光線を平行に揃える小径の第２バイナリレンズ３と、この第２バイナリレンズ３にて平行にされた太陽光線を入射するとともに、波長の長さに応じて、つまり光線の色に応じて左右両側に対称に分光させる複数個の回折格子（グレーティングともいう）４と、これら各回折格子４により分光された各光線を入射し光電変換を行う太陽電池５と、この太陽電池５にて得られた電気を電気配線６を介して導き所定電圧に調整して出力するための電圧調整器（電圧変換出力回路でもある）７とから構成されている。
上記回折格子４は太陽光線を複数に分光させるもので、例えば連続的に分光された光を５つの波長の領域に分けることができる。すなわち、中心から外側に向かって、紫色（紫外光も含むもので、以下、同じ）の波長領域λ１、青色の波長領域λ２、緑色の波長領域λ３、黄色の波長領域λ４、赤色（赤外光も含むもので、以下、同じ）の波長領域λ５に分けられる。
すなわち、回折格子４に入射した光の回折光は、下記（１）式にて示されるように、波長の長さλに応じて回折角θが変わるため、分光される。
（数１）
θ＝ｓｉｎ−１（λ／ｄ） ・・・（１）
但し、ｄは格子定数である。
また、各回折格子４の中心部においては、光は回折せずにそのまま通過し、０次回折光λ０として出力される。
ところで、上記回折格子４（４ｎ）は上述したように複数個、正確には複数段（ｎ段）でもって、例えば３段でもって配置されており、図１に示すように、第２バイナリレンズ３の直ぐ下方に配置される第１回折格子４１と、この第１回折格子４１の下方に順次所定距離でもって離れて配置される第２回折格子４２および第３回折格子４３とが設けられている。
なお、図１の右側に回折格子４による回折角θｎｋを示しておく。
但し、θの下付き添え字ｎは回折格子の段数（つまり、第ｎ回折格子）を表し、添え字ｋは分光に係る光線の波長領域［１（紫）〜５（赤）］を示している。
ところで、後述するが、上記各回折格子４で分光された各光線は、各波長（同一の色）ごとに、太陽電池５のほぼ同一位置（カーボンナノチューブに対応する位置）に入射するようにされている。これは、各回折格子４で分光された同一波長の光線を集めて発電効率を高めるためである。
すなわち、第ｎ回折格子４ｎにおける格子定数ｄｎは、下記（２）式にて示すような値にされる。但し、（２）式中、ｘ１は第１回折格子４１の中心（後述する０次光軸である）から紫色光線λ１の入射位置までの水平距離（図中、ｘ５は赤色光線λ５までの水平距離）を、またｚｎはその光線の太陽電池５における入射面から第ｎ回折格子までの高さ方向の距離を示す。
（数２）
ｄｎ＝λ１／（ｔａｎ−１（ｘ１／ｚｎ）） ・・・（２）
なお、回折格子の配置について少し説明すると、例えば回折格子が２段で配置されている場合、すなわち第１回折格子と第２回折格子とが設けられている場合、第２回折格子による分光位置（スペクトル分散位置ともいえる）は、第２回折格子の格子定数よりも第１回折格子の格子定数の方が大きいか、または両回折格子の距離が近いほど、第１回折格子による分光位置に近づく（つまり、一致性が良くなる）が、配置のためのスペース上、適度な値に設定する必要がある。したがって、第２回折格子で分光（回折）された長波長側の光線（スペクトル）は、第１回折格子で分光された光線よりも長波長側にシフトする場合もあるが、よりエネルギーの大きい光線が電池要素体（後述する）１１に入射し、光電変換に供されることになるため問題はない。
ところで、上記太陽電池５は、太陽光線の入射側に配置される透明電極１２と、この透明電極１２の入射側と反対側の表面（下面）に垂直方向で形成されたカーボンナノチューブ１３と、このカーボンナノチューブ１３の透明電極１２とは反対側端部（下端部）に配置された金属電極１４とからなる電池要素体（電池セルと呼ぶこともできる）１１が分光の数に応じて複数具備されたものであり、さらにこれら各電池要素体１１を、それぞれのカーボンナノチューブ１３の直径が、入射される光線の波長に応じて０次回折光の光軸（以下、０次光軸という）Ｒから左右の外側に向かって段階的（連続的であってもよい）に変化するように、当該０次光軸Ｒの左右に複数個ずつ配置したものである。すなわち、本実施例１では、０次光軸Ｒの左右に５つの波長領域に、つまり５つの色（紫色、青色、緑色、黄色、赤色）に対応された電池要素体１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｆ）が配置されるとともに、０次光軸Ｒ上にも所定の波長領域、例えば中間の波長領域（緑色）に対応された電池要素体１１Ｃが配置される。
このように、波長の長さに（色）対応して、直径が異なるカーボンナノチューブを配置した理由は以下の通りである。
すなわち、カーボンナノチューブのバンドギャップＶｇは下記（３）式で示すように、その直径ｄｔに応じて変化する。
（数３）
Ｖｇ＝０．８３５２／ｄｔ ・・・（３）
この（３）式から分かるように、カーボンナノチューブの直径が異なると、そのバンドギャップ幅が異なることになり、したがって分光された各光線が持つエネルギーを効率良く回収するためには、分光された波長（振動数がν）の光線が持っているエネルギー（ｈν）と等しいバンドギャップを持った直径のカーボンナノチューブをｐ型半導体（またはｎ型半導体）として作っておけばよいことになる。
例えば、バンドギャップの異なるカーボンナノチューブ（バンドギャップがＥｇ１〜Ｅｇｋ、但し、Ｅｇｋ−１＜Ｅｇｋ）がｋ個ある場合、Ｅｇ２より小さくＥｇ１以上のエネルギーを持った光はバンドギャップＥｇ１の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。また、Ｅｇ３より小さくＥｇ２以上のエネルギーを持った光については、バンドギャップＥｇ２の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。以下、同様に、バンドギャップＥｇｋを越え、紫外線までの最大エネルギーを有する光については、Ｅｇｋのバンドギャップを持った太陽電池で受光して光電変換が行われる。
ここで、電池要素体１１の構成について詳しく説明しておく。
すなわち、電池要素体１１における透明電極１２は、ガラス基板の表面にＩＴＯ膜、ＦＴ０膜、ＺｎＯ膜などの透明導電膜が配置されてｎ型半導体にされるとともに、この透明電極１２の表面に垂直方向で形成されるカーボンナノチューブ（正確にはカーボンナノチューブ群である）１３はｐ型半導体にされ、このｐｎ接合部で発電が行われる。上記カーボンナノチューブ１３の先端（下端）にはＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｐｄなどの金属電極１４が設けられる。なお、透明電極１２の上面には、保護用の窓部材１５が設けられている。
上記カーボンナノチューブ１３を形成する場合、透明電極１２の表面にスパッタリングなどにより鉄などの触媒微粒子を付着させた後、この触媒微粒子上に熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させればよい。このとき、カーボンナノチューブ１３の直径は、触媒微粒子の粒径により制御することができるので、各波長（各色）に応じたバンドギャップを有するように制御される。このカーボンナノチューブ１３の先端に設けられる金属電極１４は蒸着などにより形成される。
具体的には、多数のカーボンナノチューブからなる領域（カーボンナノチューブ群であり、以下、チューブ列ともいう）が左右にそれぞれ５つ並列に設けられる（並置される）とともに、これら各カーボンナノチューブの直径をチューブ列毎に段階的に変化させたもので、例えば太いもの（赤色側）から細いもの（紫色側）が順番に設けられる。また、回折格子４の中央には、つまり０次光軸Ｒ上には、上述したように、緑色に対応したカーボンナノチューブを有する電池要素体１１Ｃが配置される。
ところで、通常、熱ＣＶＤ法により形成される単層カーボンナノチューブは真性半導体またはバンドギャップが０eVの金属的性質を有するものであるが、半導体カーボンナノチューブにｐ型ドーパント（カーボンナノチューブより電気陰性度が大きい元素、例えばＮ，Ｏ，Ｆ，Ｃｌなどが用いられる）を付着させることによりｐ型半導体とすることができる。なお、カーボンナノチューブとしてｎ型半導体を用いる場合には、半導体カーボンナノチューブにｎ型ドーパント（カーボンナノチューブより電気陰性度が小さい元素、例えばＣｓ，Ｒｂ，Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇなどが用いられる）を真空蒸着またはスパッタリングなどにより付着させてｎ型半導体にすることができる。
上記電圧調整器７は各電池要素体１１の金属電極１４に電気配線６を介して接続されており、この電圧調整器７は、電池要素体１１に電気配線６を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ１６に電気配線１７を介して接続された電力加算部１８とから構成されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅから取り出される電圧が同一（所定電圧）となるように調整（変換）するためのものである。
ところで、上述の説明では、各バイナリレンズ２，３および回折格子４については、別体で設けられているように説明（図示）したが、本実施例では、一つの部材内に組み込んだものが用いられる（勿論、別体に設けられているものでもよい）。
この場合、図２に示すように、板状の石英ガラス材（透明部材すなわち透明材料の一例で、ＳｉＯ２の他、ＬｉＦ，ＭｇＯなどがある）Ｇに超短パルスレーザ（所謂、フェムト秒レーザ）ｒを射出することにより、当該石英ガラス材Ｇの内部に纏めて形成される。すなわち、発振装置から発射された超短パルスレーザｒは、図示しないが、光変調器、ミラー、および縮小光学系Ｓを介して石英ガラス材Ｇに導かれて、その内部に各バイナリレンズ２，３および回折格子４（４１，４２，４３）が形成される。
そして、この石英ガラス材Ｇにおける回折格子４の下方の表面（下面）に、上記太陽電池５を配置することにより、非常にコンパクトで且つ製造が容易な、すなわち安価な太陽電池装置１が得られる。
上記構成において、第１バイナリレンズ２に入射した太陽光線は、所定範囲内に絞られて第２バイナリレンズ３に入り平行な光線として出射される。そして、この光線は第１回折格子４１に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
また、第１回折格子４１をそのまま通過した太陽光線は第２回折格子４２に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
さらに、第２回折格子４２をそのまま通過した太陽光線については第３回折格子４３に入り、上記と同様に、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
一方、第３回折格子４３をそのまま通過した太陽光線、すなわち全ての回折格子４を通過した０次回折光λ０はそのまま中央に配置された電池要素体１１Ｃに入り、この電池要素体１１Ｃに対応する緑色より短波長の光線が有するエネルギーが回収される。なお、この中央に配置される電池要素体１１Ｃは、緑色以外の光線に対応するものであってもよい。
また、透明電極１２については、左右における各電池要素体１５おいて共通したものであってもよいが、勿論、各電池要素体１１ごとに分かれたものであってもよい。
そして、各電池要素体１１で発生した電気がＤＣ／ＤＣコンバータ１６に入力されて所定電圧に変換され、電力加算部１８を経て電力が出力される。
このように、太陽光線を第１バイナリレンズ２により所定範囲に集めるとともに第２バイナリレンズ３にて平行光線となし、この平行光線を複数の回折格子４に入力し、これら各回折格子４では左右に５つの波長領域（λ１〜λ５）でもって分光させるとともに、この分光された光線の持つエネルギーを効率良く吸収し得るカーボンナノチューブを有する電池要素体１１に導き発電を行うようにしたので、しかも複数の回折格子により太陽光線を分光させるようにしているので、プリズムを用いた場合に比べて、装置の小型化を図ることができ、延いては、製造コストの低減化を図ることができるとともに、より多くの発電を行うことができる。すなわち、高い光電変換効率が得られる。
また、中央に、０次回折光のエネルギーを回収し得る電池要素体１１Ｃを配置したので、より一層、高い光電変換効率が得られる。
また、少なくとも、第１バイナリレンズ２、第２バイナリレンズ３および回折格子４（４ｎ）を、超短パルスレーザにより一つの部材内に形成するようにしたので、その製造および組立てを容易且つ安価に行い得るとともに、装置の小型化も図ることができる。
なお、図１の右側には、上述したように、回折格子４で分光した際の回折角θｎｋが示されており、図１中、第１回折格子４１での回折角をθ１１（紫）〜θ１５（赤）で、第２回折格子４２での回折角をθ２１（紫）〜φ２５（赤）で、第３回折格子４３で回折角をθ３１（紫）〜θ３５（赤）を表す。
ところで、上記実施例１において、透明電極１２として、透明導電膜（単体としての）について説明したが、例えば透明部材に透明導電膜が形成されたもの、または櫛状若しくは網状の金属部材であってもよい。すなわち、この透明電極という言葉を言い換えれば、光を透過し得る電極と言うことができる（この記述は、以下に示す各実施例にも当てはまるものである）。
次に、本発明の実施例２に係る太陽電池装置を図３に基づき説明する。
上述の実施例１においては、０次回折光のエネルギーを利用（発電）するために、緑色の波長による光電変換を行う電池要素体を回折格子の中央、すなわち０次光軸上に配置したが、本実施例２の太陽電池装置では、電池要素体の代わりに、０次回折光を上方に反射させる反射部材を配置したものである。
すなわち、本実施例２に係る太陽電池装置と実施例１に係る太陽電池装置と異なる箇所は、０次光軸上に反射部材を配置した点であり、したがって本実施例２においては、その異なる部分に着目して説明するとともに、実施例１のものと同一の構成部材には同一の番号を付して簡単に説明する。
図３に示すように、本実施例２に係る太陽電池装置２１は、太陽光線（太陽光）を入射して所定範囲に集光するための大径の第１バイナリレンズ２と、この第１バイナリレンズ２にて集光された太陽光線を平行に揃える小径の第２バイナリレンズ３と、この第２バイナリレンズ３にて平行にされた太陽光線を入射するとともに、波長の長さに応じて、つまり光線の色に応じて左右両側に対称に分光させる複数個の回折格子（グレーティングともいう）４と、これら各回折格子４により分光された各光線を入射し光電変換を行う太陽電池２５と、この太陽電池２５にて得られた電気を電気配線６を介して導き所定電圧に調整して出力するための電圧調整器（電圧変換出力回路でもある）７とから構成されている。
上記回折格子４は太陽光線を複数に分光させるもので、例えば５つの波長の領域につまり５つの色に分光させるもので、中心から外側に向かって、紫色の波長領域λ１、青色の波長領域λ２、緑色の波長領域λ３、黄色の波長領域λ４、赤色の波長領域λ５に分けられる。
また、上記回折格子４（４ｎ）は上述したように複数個、正確には複数段（ｎ段）でもって、例えば３段でもって配置されており、第２バイナリレンズ３の直ぐ下方に配置される第１回折格子４１と、この第１回折格子４１の下方に順次所定距離でもって離れて配置される第２回折格子４２および第３回折格子４３とが設けられている。
また、上記太陽電池２５は、太陽光線の入射側に配置される透明電極１２と、この透明電極１２の入射側と反対側の表面（下面）に垂直方向で形成されたカーボンナノチューブ１３と、このカーボンナノチューブ１３の透明電極１２とは反対側端部（下端部）に配置された金属電極１４とからなる電池要素体（電池セルと呼ぶこともできる）１１が分光の数に応じて複数具備されたものであり、さらにこれら各電池要素体１１を、それぞれのカーボンナノチューブ１３の直径が、入射される光線の波長に応じて０次回折光の光軸（以下、０次光軸という）Ｒから左右の外側に向かって段階的（連続的であってもよい）に変化するように、当該０次光軸の左右に複数個ずつ配置したものである。すなわち、本実施例２では、０次光軸Ｒの左右に５つの波長領域に、つまり５つの色（紫色、青色、緑色、黄色、赤色）に対応された電池要素体１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｆ）が配置されるとともに、０次光軸Ｒ上には、０次回折光をそのまま上方に（つまり、１８０度反対方向に）反射させる反射部材（例えば、反射ミラー）２６が配置されている。なお、透明電極１２の上面には、保護用の窓部材１５が設けられている。
上記電圧調整器７は各電池要素体１１の金属電極１４に電気配線６を介して接続されており、この電圧調整器７は、電池要素体１１に電気配線６を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ１６に電気配線１７を介して接続された電力加算部１８とから構成されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅから取り出される電圧が同一（所定電圧）となるように調整（変換）するためのものである。
したがって、上記構成において、第１バイナリレンズ２に入射した太陽光線は、所定範囲内に絞られて第２バイナリレンズ３に入り平行な光線として出射される。そして、この光線は第１回折格子４１に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
また、第１回折格子４１をそのまま通過した太陽光線は第２回折格子４２に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
さらに、第２回折格子４２をそのまま通過した太陽光線（０次回折光）については第３回折格子４３に入り、上記と同様に、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
一方、第３回折格子４３をそのまま通過した太陽光線、すなわち全ての回折格子４を通過した０次回折光λ０は中央に配置された反射部材２２に到達して上方に反射する。この反射した０次回折光λ０は、今度は逆に、第３回折格子４３、第２回折格子４２および第１回折格子４１に戻ることになるが、各回折格子４３、４２、４１にて、それぞれの回折角θでもって下方に反射分光されて各電池要素体１１Ｃに入射され、それぞれの光エネルギーが回収される。
そして、各電池要素体１１で発生した電気がＤＣ／ＤＣコンバータ１６に入力されて所定電圧に変換され、電力加算部１８を経て電力が出力される。
なお、図３の右側に回折格子４による回折角θｎｋを示しておく。
但し、θの下付き添え字ｎは回折格子の段数（つまり、第ｎ回折格子）を表し、添え字ｋは分光に係る光線の波長領域［１（紫）〜５（赤）］を示している。また、反射した０次回折光λ０の回折光については破線にて示している。
このように、太陽光線を第１バイナリレンズ２により所定範囲に集めるとともに第２バイナリレンズ３にて平行光線となし、この平行光線を複数の回折格子４に入力し、これら各回折格子４では左右に５つの波長領域（λ１〜λ５）でもって分光させるとともに、この分光された光線の持つエネルギーを効率良く吸収し得るカーボンナノチューブを有する電池要素体１１に導き発電を行うようにしたので、プリズムを用いた場合に比べて、装置の小型化を図ることができ、延いては、製造コストの低減化を図ることができるとともに、より多くの発電を行うことができる。すなわち、高い光電変換効率が得られる。さらに、中央に、０次回折光λ０を上方に反射させる反射部材を配置したので、その反射した０次回折光λ０再度各回折格子４にてそれぞれ対応する電池要素体１１に入射されるので、実施例１の場合よりも、多くの電力が得られる。
次に、本発明の実施例３に係る太陽電池装置を図４に基づき説明する。
上述の実施例１においては、０次回折光のエネルギーを利用（発電）するために、緑色の波長による光電変換を行う電池要素体を回折格子の中央、すなわち０次光軸上に配置したが、本実施例２の太陽電池装置では、電池要素体の代わりに、０次回折光を上方に反射させる反射部材を配置するとともに第２バイナリレンズを不要としたものである。
すなわち、本実施例３に係る太陽電池装置と実施例１に係る太陽電池装置と異なる箇所は、０次光軸上に反射部材を配置するとともに、第２バイナリレンズを設けないようにした点であり、したがって本実施例２においては、その異なる部分に着目して説明するとともに、実施例１のものと同一の構成部材には同一の番号を付して簡単に説明する。
図４に示すように、本実施例２に係る太陽電池装置３１は、太陽光線（太陽光）を入射して所定範囲に集光するための大径の第１バイナリレンズ２と、この第１バイナリレンズ２から所定距離はなして設けられて当該第１バイナリレンズ２からの太陽光線を入射するとともに、波長の長さに応じて、つまり光線の色に応じて左右両側に対称に分光させる複数個の回折格子（グレーティングともいう）４と、これら各回折格子４により分光された各光線を入射し光電変換を行う太陽電池３５と、この太陽電池３５にて得られた電気を電気配線６を介して導き所定電圧に調整して出力するための電圧調整器（電圧変換出力回路でもある）７とから構成されている。
上記回折格子４は太陽光線を複数に分光させるもので、例えば５つの波長の領域につまり５つの色に分光させるもので、中心から外側に向かって、紫色の波長領域λ１、青色の波長領域λ２、緑色の波長領域λ３、黄色の波長領域λ４、赤色の波長領域λ５に分けられる。
また、上記回折格子４（４ｎ）は上述したように複数個、正確には複数段（ｎ段）でもって、例えば３段でもって配置されており、第２バイナリレンズ３の直ぐ下方に配置される第１回折格子４１と、この第１回折格子４１の下方に順次所定距離でもって離れて配置される第２回折格子４２および第３回折格子４３とが設けられている。
ところで、第２バイナリレンズ（小さいレンズ）を不要とし得るのは、大きいレンズである第１バイナリレンズ２の焦点距離が第１回折格子４（４１）の回折角に対して大きい場合である。本実施例３はこれに該当する場合を示している。
上記太陽電池３５は、太陽光線の入射側に配置される透明電極１２と、この透明電極１２の入射側と反対側の表面（下面）に垂直方向で形成されたカーボンナノチューブ１３と、このカーボンナノチューブ１３の透明電極１２とは反対側端部（下端部）に配置された金属電極１４とからなる電池要素体（電池セルと呼ぶこともできる）１１が分光の数に応じて複数具備されたものであり、さらにこれら各電池要素体１１を、それぞれのカーボンナノチューブ１３の直径が、入射される光線の波長に応じて０次回折光の光軸（以下、０次光軸という）Ｒから左右の外側に向かって段階的（連続的であってもよい）に変化するように、０次光軸Ｒの左右に複数個ずつ配置したものである。すなわち、本実施例３では、０次光軸Ｒの左右に５つの波長領域に、つまり５つの色（紫色、青色、緑色、黄色、赤色）に対応された電池要素体１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｆ）が配置されるとともに、０次光軸Ｒ上には、０次回折光をそのまま上方に（つまり、１８０度反対方向に）反射させる反射部材（例えば、反射ミラー）３６が配置されている。なお、透明電極１２の上面には、保護用の窓部材１５が設けられている。
上記電圧調整器７は各電池要素体１１の金属電極１４に電気配線６を介して接続されており、この電圧調整器７は、電池要素体１１に電気配線６を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ１６に電気配線１７を介して接続された電力加算部１８とから構成されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅから取り出される電圧が同一（所定電圧）となるように調整（変換）するためのものである。
したがって、上記構成において、第１バイナリレンズ２に入射した太陽光線は所定範囲内に絞られて第１回折格子４１に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
また、第１回折格子４１をそのまま通過した太陽光線は第２回折格子４２に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの領域に分割されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
さらに、第２回折格子４２をそのまま通過した太陽光線については第３回折格子４３に入り、上記と同様に、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
一方、第３回折格子４３をそのまま通過した太陽光線、すなわち全ての回折格子４を通過した０次回折光λ０は中央に配置された反射部材３２に到達して上方に反射する。この反射した０次回折光λ０は、今度は逆に、第３回折格子４３、第２回折格子４２および第１回折格子４１に戻ることになるが、各回折格子４３、４２、４１にて、それぞれの回折角θでもって下方に反射分光されて各電池要素体１１Ｃに入射され、それぞれの光エネルギーが吸収される。
そして、各電池要素体１１で発生した電気がＤＣ／ＤＣコンバータ１６に入力されて所定電圧に変換され、電力加算部１８を経て電力が出力される。
なお、図３の右側に回折格子４による回折角θｎｋを示しておく。
但し、θの下付き添え字ｎは回折格子の段数（つまり、第ｎ回折格子）を表し、添え字ｋは分光に係る光線の波長領域［１（紫）〜５（赤）］を示している。また、反射した０次回折光λ０の回折光については破線にて示すとともに、第２バイナリレンズを不要にすることによる回折光の拡がり範囲は、それぞれハッチング（斜線）にて示している。
このように、第１バイナリレンズ２により所定範囲に集められた太陽光線は複数段で設けられた回折格子４に入力し、これら各回折格子４では左右に５つの波長領域（λ１〜λ５）でもって分割させるとともに、この分割された光線の持つエネルギーを効率良く吸収し得るカーボンナノチューブを有する電池要素体１１に導き発電を行うようにしたので、プリズムを用いた場合に比べて、しかも複数の回折格子４により太陽光線を分光させるようにしているので、より多くの発電を行うことができる。すなわち、高い光電変換効率が得られる。勿論、プリズムを用いた場合に比べて、装置の小型化を図ることができ、延いては、製造コストの低減化を図ることができる。さらに、中央に、０次回折光λ０を上方に反射させる反射部材を配置したので、その反射した０次回折光λ０再度各回折格子４にてそれぞれ対応する電池要素体１１に入射されるので、実施例１の場合よりも、多くの電力が得られる。また、実施例２で説明した太陽電池装置のように、第２バイナリレンズを不要にしたので、装置の簡素化を図ることができる。
次に、本発明の実施例４に係る太陽電池装置を図５に基づき説明する。
上述の実施例１においては、０次回折光のエネルギーを利用（発電）するために、緑色の波長による光電変換を行う電池要素体を回折格子の中央、すなわち０次光軸上に配置したが、本実施例４の太陽電池装置では、電池要素体の代わりに、０次回折光を上方に反射させる反射部材を配置するとともに、回折格子による反射光線を、再度、回折格子に戻すようにしたものである。
すなわち、本実施例４に係る太陽電池装置と実施例１に係る太陽電池装置と異なる箇所は、０次光軸上に反射部材を配置するとともに第１回折格子の左右の上下に、当該第１回折格子による反射光線を戻すための再帰反射板を配置した点であり、したがって本実施例４においては、その異なる部分に着目して説明するとともに、実施例１のものと同一の構成部材には同一の番号を付して簡単に説明する。
図５に示すように、本実施例４に係る太陽電池装置４１は、太陽光線（太陽光）を入射して所定範囲に集光するための大径の第１バイナリレンズ２と、この第１バイナリレンズ２にて集光された太陽光線を平行に揃える小径の第２バイナリレンズ３と、この第２バイナリレンズ３にて平行にされた太陽光線を入射するとともに、波長の長さに応じて、つまり光線の色に応じて左右両側に対称に分光させる複数個の回折格子（グレーティングともいう）４と、これら各回折格子４により分光された各光線を入射し光電変換を行う太陽電池４５と、この太陽電池４５にて得られた電気を電気配線６を介して導き所定電圧に調整して出力するための電圧調整器（電圧変換出力回路でもある）７とから構成されている。
上記回折格子４は太陽光線を複数に分光させるもので、例えば分光された光を５つの波長の領域につまり５つの領域に分割できるもので、中心から外側に向かって、紫色の波長領域λ１、青色の波長領域λ２、緑色の波長領域λ３、黄色の波長領域λ４、赤色の波長領域λ５に分けられる。
また、上記回折格子４（４ｎ）は上述したように複数個、正確には複数段（ｎ段）でもって、例えば３段でもって配置されており、第２バイナリレンズ３の直ぐ下方に配置される第１回折格子４１と、この第１回折格子４１の下方に順次所定距離でもって離れて配置される第２回折格子４２および第３回折格子４３とが設けられている。
そして、上記第１回折格子４（４１）の周囲にすなわち上下位置（表裏面位置）で且つ左右位置で合計４箇所に、当該第１回折格子４（４１）にて反射した反射光線をそのまま第１回折格子４（４１）に戻す（反射させる）ための再帰反射板４７が配置されている。なお、この再帰反射板としては、例えば微小なコーナキューブが敷き詰められたものが用いられる。
また、上記太陽電池４５は、太陽光線の入射側に配置される透明電極１２と、この透明電極１２の入射側と反対側の表面（下面）に垂直方向で形成されたカーボンナノチューブ１３と、このカーボンナノチューブ１３の透明電極１２とは反対側端部（下端部）に配置された金属電極１４とからなる電池要素体（電池セルと呼ぶこともできる）１１が分光の数に応じて複数具備されたものであり、さらにこれら各電池要素体１１を、それぞれのカーボンナノチューブ１３の直径が、入射される光線の波長に応じて０次回折光λ０の光軸（以下、０次光軸という）Ｒから左右の外側に向かって段階的（連続的であってもよい）に変化するように、当該０次光軸Ｒの左右に複数個ずつ配置したものである。すなわち、本実施例２では、０次光軸Ｒの左右に５つの波長領域に、つまり５つの色（紫色、青色、緑色、黄色、赤色）に対応された電池要素体１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｆ）が配置されるとともに、０次光軸Ｒ上には、０次回折光λ０をそのまま上方に（つまり、１８０度反対方向に）反射させる反射部材（例えば、反射ミラー）２６が配置されている。なお、透明電極１２の上面には、保護用の窓部材１５が設けられている。
上記電圧調整器７は各電池要素体１１の金属電極１４に電気配線６を介して接続されており、この電圧調整器７は、電池要素体１１に電気配線６を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ１６に電気配線１７を介して接続された電力加算部１８とから構成されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅから取り出される電圧が同一（所定電圧）となるように調整（変換）するためのものである。
したがって、上記構成において、第１バイナリレンズ２に入射した太陽光線は、所定範囲内に絞られて第２バイナリレンズ３に入り平行な光線として出射される。そして、この光線は第１回折格子４１に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
そして、この第１回折格子４１にて、電池要素体１１以外の範囲に（つまり、電池範囲外に）回折した２次回折光は再帰反射板４７により反射されて、第１回折格子４１に入射される。この入射した２次回折光は、当該第１回折格子４１にて、０次回折光方向に分光される。
また、第１回折格子４１をそのまま通過した太陽光線は第２回折格子４２に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
そして、第２回折格子４２をそのまま通過した太陽光線については第３回折格子４３に入り、上記と同様に、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体１１Ａ〜１１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
一方、第３回折格子４３をそのまま通過した太陽光線、すなわち全ての回折格子４を通過した０次回折光λ０は中央に配置された反射部材４６に到達して上方に反射する。この反射した０次回折光λ０は、今度は逆に、第３回折格子４３、第２回折格子４２および第１回折格子４１に戻ることになるが、各回折格子４３、４２、４１にて、それぞれの回折角θでもって下方に反射分光されて各電池要素体１１Ｃに入射され、それぞれの光エネルギーが回収される。
そして、各電池要素体１１で発生した電気がＤＣ／ＤＣコンバータ１６に入力されて所定電圧に変換され、電力加算部１８を経て電力が出力される。
なお、図４の右側に回折格子４による回折角θｎｋおよび再帰反射板４７による光線の反射経路を示しておく。
但し、θの下付き添え字ｎは回折格子の段数（つまり、第ｎ回折格子）を表し、添え字ｋは分光に係る光線の波長領域［１（紫）〜５（赤）］を示している。また、反射した０次回折光λ０の回折光については破線にて示すとともに、再帰反射板４７による反射光線については二点鎖線にて示す。
このように、太陽光線を第１バイナリレンズ２により所定範囲に集めるとともに第２バイナリレンズ３にて平行光線となし、この平行光線を複数の回折格子４に入力し、これら各回折格子４では左右に５つの波長領域（λ１〜λ５）でもって分光させるとともに、この分光された光線の持つエネルギーを効率良く吸収し得るカーボンナノチューブを有する電池要素体１１に導き発電を行うようにしたので、プリズムを用いた場合に比べて、しかも複数の回折格子４により太陽光線を分光させるようにしているので、より多くの発電を行うことができる。すなわち、高い光電変換効率が得られる。勿論、プリズムを用いた場合に比べて、装置の小型化を図ることができ、延いては、製造コストの低減化を図ることこができる。また、中央に、０次回折光λ０を上方に反射させる反射部材を配置したので、その反射した０次回折光λ０再度各回折格子４にてそれぞれ対応する電池要素体１１に入射されるので、実施例１の場合よりも、多くの電力が得られる。
そして、さらに第１回折格子による２次回折光は、その左右の上下位置に配置された再帰反射板により第１回折格子に戻され、再度、第１回折格子により電池要素体側に回折されるため、より一層、太陽光線の持つエネルギーを電力に変換することができる。
以下、本発明の実施例５に係る太陽電池装置を図６に基づき説明する。
なお、上述の実施例１においては、回折格子を複数個配置したが、本実施例５では、回折格子が１個の場合について説明する。なお、ここでは、実施例１の説明と重複するが、再度、詳しく説明する。
図６に示すように、この実施例５に係る太陽電池装置５１は、太陽光線（太陽光）を入射して所定範囲に集光するための大径の第１バイナリレンズ５２と、この第１バイナリレンズ５２にて集光された太陽光線を平行に揃える小径の第２バイナリレンズ５３と、この第２バイナリレンズ５３にて平行にされた太陽光線を入射するとともに、波長の長さに応じて、つまり光線の色に応じて左右両側に対称に分光させる回折格子（グレーティングともいう）５４と、この回折格子５４により分光された各光線を入射し光電変換を行う太陽電池５５と、この太陽電池５５にて得られた電気を電気配線５６を介して導き所定電圧に調整して出力するための電圧調整器（電圧変換出力回路でもある）５７とから構成されている。
上記回折格子５４は太陽光線を複数に分光させるもので、例えば５つの波長の領域につまり５つの色に分光させるもので、中心から外側に向かって、紫色の波長領域λ１、青色の波長領域λ２、緑色の波長領域λ３、黄色の波長領域λ４、赤色の波長領域λ５に分けられる。
すなわち、回折格子５４に入射した光の１次回折光は下記（４）式にて示されるように、波長の長さλに応じて回折角θが変わるため、分光が行われる。
（数４）
θ＝ｓｉｎ−１（λ／ｄ） ・・・（４）
但し、ｄは格子定数である。
なお、図６の右側に回折格子５４による回折角θｋを示しておく。
但し、θの下付き添え字ｋは分光に係る光線の波長領域［１（紫）〜５（赤）］を示している。
また、回折格子５４の中心部においては、光は回折せずにそのまま通過し、０次回折光λ０として出力される。
なお、回折格子５４における格子定数ｄは、下記（５）式にて示すような値にされる。但し、（５）式中、ｘ１は回折格子５４の中心（後述する０次光軸である）から紫色光線λ１の入射位置までの水平距離（図中、ｘ５は赤色光線λ５までの水平距離）、ｚはその光線の太陽電池５５における入射面から回折格子までの高さ方向の距離を示す。
（数５）
ｄ＝λ１／（ｔａｎ−１（ｘ１／ｚ）） ・・・（５）
ところで、上記太陽電池５５は、太陽光線の入射側に配置される透明電極６２と、この透明電極６２の入射側と反対側の表面（下面）に垂直方向で形成されたカーボンナノチューブ６３と、このカーボンナノチューブ６３の透明電極６２とは反対側端部（下端部）に配置された金属電極６４とからなる電池要素体（電池セルと呼ぶこともできる）６１が分光の数に応じて複数具備されたものであり、さらにこれら各電池要素体６１を、それぞれのカーボンナノチューブ６３の直径が、入射される光線の波長に応じて０次回折光の光軸（以下、０次光軸という）Ｒから左右の外側に向かって段階的（連続的であってもよい）に変化するように、当該０次光軸Ｒの左右に複数個ずつ配置したものである。すなわち、本実施例５では、０次光軸Ｒの左右に５つの波長領域に、つまり５つの色（紫色、青色、緑色、黄色、赤色）に対応された電池要素体６１（６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ，６１Ｆ）が配置されるとともに、０次光軸Ｒ上にも所定の波長領域、例えば中間の波長領域（緑色）に対応された電池要素体６１Ｃが配置される。
このように、波長の長さ（色）に対応して、直径が異なるカーボンナノチューブを配置した理由は以下の通りである。
すなわち、カーボンナノチューブのバンドギャップＶｇは下記（６）式で示すように、その直径ｄｔに応じて変化する。
（数６）
Ｖｇ＝０．８３５２／ｄｔ ・・・（６）
この（６）式から分かるように、カーボンナノチューブの直径が異なると、そのバンドギャップ幅が異なることになり、したがって分光された各光線が持つエネルギーを効率良く吸収するためには、分光された波長（振動数がν）の光線が持っているエネルギー（ｈν）と等しいバンドギャップを持った直径のカーボンナノチューブをｐ型半導体（またはｎ型半導体）として作っておけばよいことになる。
例えば、バンドギャップの異なるカーボンナノチューブ（バンドギャップがＥｇ１〜Ｅｇｋ、但し、Ｅｇｋ−１＜Ｅｇｋ）がｋ個ある場合、Ｅｇ２より小さくＥｇ１以上のエネルギーを持った光はバンドギャップＥｇ１の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。また、Ｅｇ３より小さくＥｇ２以上のエネルギーを持った光については、バンドギャップＥｇ２の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。以下、同様に、バンドギャップＥｇｋを越え、紫外線までの最大エネルギーを有する光については、Ｅｇｋのバンドギャップを持った太陽電池で受光して光電変換が行われる。
ここで、電池要素体６１の構成について詳しく説明しておく。
すなわち、電池要素体６１における透明電極６２は、ガラス基板の表面にＩＴＯ膜、ＦＴ０膜、ＺｎＯ膜などの透明導電膜が配置されてｎ型半導体にされるとともに、この透明電極６２の表面に垂直方向で形成されるカーボンナノチューブ（正確にはカーボンナノチューブ群である）６３はｐ型半導体にされ、このｐｎ接合部で発電が行われる。上記カーボンナノチューブ６３の先端（下端）にはＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｐｄなどの金属電極６４が設けられる。なお、透明電極６２の上面には、保護用の窓部材６５が設けられている。
上記カーボンナノチューブ６３を形成する場合、透明電極６２の表面にスパッタリングなどにより鉄などの触媒微粒子を付着させた後、この触媒微粒子上に熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させればよい。このとき、カーボンナノチューブ６３の直径は、触媒微粒子の粒径により制御することができるので、各波長（各色）に応じたバンドギャップを有するように制御される。このカーボンナノチューブ６３の先端に設けられる金属電極６４は蒸着などにより形成される。
具体的には、多数のカーボンナノチューブからなる領域（カーボンナノチューブ群であり、以下、チューブ列ともいう）が左右にそれぞれ５つ並列に設けられる（並置される）とともに、これら各カーボンナノチューブの直径をチューブ列毎に段階的に変化させたもので、例えば太いもの（赤色側）から細いもの（紫色側）が順番に設けられる。また、回折格子６４の中央には、つまり０次光軸Ｒ上には、上述したように、緑色に対応したカーボンナノチューブを有する電池要素体６１Ｃが配置される。
ところで、通常、熱ＣＶＤ法により形成されるカーボンナノチューブはｐ型半導体であるが、半導体カーボンナノチューブにｐ型ドーパント（カーボンナノチューブより電気陰性度が大きい元素、例えばＮ，Ｏ，Ｆ，Ｃｌなどが用いられる）を吸着させることによりｐ型半導体にすることができる。なお、カーボンナノチューブとしてｎ型半導体を用いる場合には、半導体カーボンナノチューブにｎ型ドーパント（カーボンナノチューブより電気陰性度が小さい元素、例えばＣｓ，Ｒｂ，Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇなどが用いられる）が真空蒸着やスパッタリングで付着させてｎ型半導体にすることができる。
上記電圧調整器５７は各電池要素体６１の金属電極６４に電気配線５６を介して接続されており、この電圧調整器５７は、電池要素体６１に電気配線５６を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ６６と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ６６に電気配線６７を介して接続された電力加算部６８とから構成されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ６６は、各電池要素体６１Ａ〜６１Ｅから取り出される電圧が同一（所定電圧）となるように調整（変換）するためのものである。
ところで、上述の説明では、各バイナリレンズ５２，５３および回折格子５４については、別体で設けられているように説明したが、本実施例５では、一つの部材内に組み込んだものが用いられる（勿論、別体に設けられているものでもよい）。なお、この製造方法については、実施例１の場合と同様であるため、その説明を省略する。
上記構成において、第１バイナリレンズ５２に入射した太陽光線は、所定範囲内に絞られて第２バイナリレンズ５３に入り平行な光線として出射される。そして、この光線は回折格子５４に入り、左右にそれぞれ５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体６１Ａ〜６１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
一方、回折格子５４を通過した太陽光線、すなわち０次回折光λ０はそのまま中央に配置された電池要素体６１Ｃに入り、この電池要素体６１Ｃに対応する緑色の光線が有するエネルギーにより発電が行われる。なお、この中央に配置される電池要素体６１Ｃは、緑色以外の光線に対応するものであってもよい。
また、透明電極６２については、左右における各電池要素体６１おいて共通したものであってもよいが、勿論、各電池要素体６１毎に分かれたものであってもよい。
そして、各電池要素体６１で発生した電気がＤＣ／ＤＣコンバータ６６に入力されて所定電圧に変換され、電力加算部６８を経て電力が出力される。
このように、太陽光線を第１バイナリレンズ６２により所定範囲に集めるとともに第２バイナリレンズ６３にて平行光線となし、この平行光線を複数の回折格子５４に入力し、この回折格子５４では左右に５つの波長領域（λ１〜λ５）でもって分光させるとともに、この分光された光線の持つエネルギーを効率良く吸収し得るカーボンナノチューブを有する電池要素体６１に導き発電を行うようにしたので、プリズムを用いた場合に比べて、より多くの発電を行うことができる。すなわち、高い光電変換効率が得られる。勿論、プリズムを用いた場合に比べて、装置の小型化を図ることができ、延いては、製造コストの低減化を図ることができる。また、中央に、０次回折光のエネルギーを回収し得る電池要素体６１Ｃを配置したので、より一層、高い光電変換効率が得られる。
また、少なくとも、第１バイナリレンズ５２、第２バイナリレンズ５３および回折格子５４を、超短パルスレーザにより一つの部材内に形成するようにしたので、その製造および組立てを容易且つ安価に行い得るとともに、装置の小型化も図ることができる。
次に、本発明の実施例６に係る太陽電池装置を、図７に基づき説明する。
上述の実施例１においては、通常の回折格子を用いて太陽光を分光させたが、本実施例６の太陽電池装置では、ブレイズド回折格子（ブレイズドグレーティング）を用いて分光させるようにしたものである。なお、ブレイズド回折格子とは、溝の断面形状が鋸歯状の回折格子であり、したがってこの場合、分光方向は片側だけとなる。また、このブレイズド回折格子は、特定の次数と波長（所謂、ブレイズド波長である）とに対して、高い回折効率を示すものである。
すなわち、図７に示すように、本実施例７に係る太陽電池装置７１は、太陽光線（太陽光）を入射して所定範囲に集光するための大径の第１バイナリレンズ７２と、この第１バイナリレンズ７２にて集光された太陽光線を平行に揃える小径の第２バイナリレンズ７３と、この第２バイナリレンズ７３にて平行にされた太陽光線を入射するとともに、波長の長さに応じて、つまり光線の色に応じて分光させる複数個のブレイズド回折格子７４と、これら各ブレイズド回折格子４により分光された各光線を入射し光電変換を行う太陽電池７５と、この太陽電池７５にて得られた電気を電気配線７６を介して導き所定電圧に調整して出力するための電圧調整器（電圧変換出力回路でもある）７７とから構成されている。
上記ブレイズド回折格子７４は太陽光線を複数に分光させるもので、例えば連続的に分光された光を５つの波長の領域に分けることができる。すなわち、一端側（バイナリレンズ中心側であり、後述する０次光軸側でもある）から他端側（外側）に向かって、紫色（紫外光も含むもので、以下、同じ）の波長領域λ１、青色の波長領域λ２、緑色の波長領域λ３、黄色の波長領域λ４、赤色（赤外光も含むもので、以下、同じ）の波長領域λ５に分けられる。
すなわち、ブレイズド回折格子７４に入射した光の回折光は、下記（７）式にて示されるように、波長の長さλに応じて回折角θが変わるため、分光される。
（数７）
θ＝ｓｉｎ−１（λ／ｄ） ・・・（７）
但し、ｄは格子定数である。
また、各ブレイズド回折格子７４の一端部においては、光は回折せずにそのまま通過し、０次回折光λ０として出力される。
ところで、上記ブレイズド回折格子７４（７４ｎ）は上述したように複数個、正確には複数段（ｎ段）でもって、例えば４段でもって配置されており、図７に示すように、第２バイナリレンズ７３の直ぐ下方に配置される第１ブレイズド回折格子７４１と、この第１ブレイズド回折格子７４１の下方に順次所定距離でもって離れて配置される第２ブレイズド回折格子７４２および第３ブレイズド回折格子７４３とが設けられている。なお、各ブレイズド回折格子７４は、例えば層状の透明部材（その材料、すなわち透明材料としては、石英ガラス材、ＳｉＯ２の他、ＬｉＦ，ＭｇＯなどが用いられる）の上下面に形成されたもので、４段で配置される場合には、例えば２つの透明部材７４Ａ，７４Ｂが上下に配置されることになる。勿論、一つの透明部材内にフェムト秒レーザなどにより４つのブレイズド回折格子を形成することができる。
なお、図７の右側にブレイズド回折格子７４による回折角θｎｋを示しておく。
但し、θの下付き添え字ｎはブレイズド回折格子の段数（つまり、第ｎブレイズド回折格子）を表し、添え字ｋは分光に係る光線の波長領域［１（紫）〜５（赤）］を示している。
ところで、後述するが、上記各ブレイズド回折格子７４で分光された各光線は、各波長（同一の色）ごとに、太陽電池７５のほぼ同一位置（カーボンナノチューブに対応する位置）に入射するようにされている。これは、各ブレイズド回折格子７４で分光された同一波長の光線を集めて発電効率を高めるためである。
すなわち、第ｎブレイズド回折格子７４ｎにおける格子定数ｄｎは、下記（８）式にて示すような値にされる。但し、（８）式中、ｘ１は第１ブレイズド回折格子７４１の中心（後述する０次光軸である）から紫色光線λ１の入射位置までの水平距離（図中、ｘ５は赤色光線λ５までの水平距離）を、またｚｎはその光線の太陽電池７５における入射面から第ｎブレイズド回折格子までの高さ方向の距離を示す。
（数８）
ｄｎ＝λ１／（ｔａｎ−１（ｘ１／ｚｎ）） ・・・（８）
なお、ブレイズド回折格子の配置について少し説明すると、例えばブレイズド回折格子が２段で配置されている場合、すなわち第１ブレイズド回折格子と第２ブレイズド回折格子とが設けられている場合、第２ブレイズド回折格子による分光位置（スペクトル分散位置ともいえる）は、第２ブレイズド回折格子の格子定数よりも第１ブレイズド回折格子の格子定数の方が大きいか、または両ブレイズド回折格子の距離が近いほど、第１ブレイズド回折格子による分光位置に近づく（つまり、一致性が良くなる）が、配置のためのスペース上、適度な値に設定する必要がある。したがって、第２ブレイズド回折格子で分光（回折）された長波長側の光線（スペクトル）は、第１ブレイズド回折格子で分光された光線よりも長波長側にシフトする場合もあるが、よりエネルギーの大きい光線が電池要素体（後述する）８１に入射し、光電変換に供されることになるため問題はない。
ところで、上記太陽電池７５は、太陽光線の入射側に配置される透明電極８２と、この透明電極８２の入射側と反対側の表面（下面）に垂直方向で形成されたカーボンナノチューブ８３と、このカーボンナノチューブ８３の透明電極８２とは反対側端部（下端部）に配置された金属電極８４とからなる電池要素体（電池セルと呼ぶこともできる）８１が分光の数に応じて複数具備されたものであり、さらにこれら各電池要素体８１を、それぞれのカーボンナノチューブ８３の直径が、入射される光線の波長に応じて０次回折光の光軸（以下、０次光軸という）Ｒである中心から外側に向かって段階的（連続的であってもよい）に変化するように、当該０次光軸Ｒから外側に向かって順次配置したものである。すなわち、本実施例７では、図７に示すように、０次光軸Ｒの右側に５つの波長領域に、つまり５つの色（紫色、青色、緑色、黄色、赤色）に対応された電池要素体８１（８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃ，８１Ｄ，８１Ｅ）が配置されるとともに、０次光軸Ｒ上にも所定の波長領域、例えば中間の波長領域（緑色）に対応された電池要素体８１Ｃが配置される。
このように、波長の長さに（色）対応して、直径が異なるカーボンナノチューブを配置した理由は以下の通りである。
すなわち、カーボンナノチューブのバンドギャップＶｇは下記（９）式で示すように、その直径ｄｔに応じて変化する。
（数９）
Ｖｇ＝０．８３５２／ｄｔ ・・・（９）
この（９）式から分かるように、カーボンナノチューブの直径が異なると、そのバンドギャップ幅が異なることになり、したがって分光された各光線が持つエネルギーを効率良く回収するためには、分光された波長（振動数がν）の光線が持っているエネルギー（ｈν）と等しいバンドギャップを持った直径のカーボンナノチューブをｐ型半導体（またはｎ型半導体）として作っておけばよいことになる。
例えば、バンドギャップの異なるカーボンナノチューブ（バンドギャップがＥｇ１〜Ｅｇｋ、但し、Ｅｇｋ−１＜Ｅｇｋ）がｋ個ある場合、Ｅｇ２より小さくＥｇ１以上のエネルギーを持った光はバンドギャップＥｇ１の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。また、Ｅｇ３より小さくＥｇ２以上のエネルギーを持った光については、バンドギャップＥｇ２の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。以下、同様に、バンドギャップＥｇｋを越え、紫外線までの最大エネルギーを有する光については、Ｅｇｋのバンドギャップを持った太陽電池で受光して光電変換が行われる。
ここで、電池要素体８１の構成について詳しく説明しておく。
すなわち、電池要素体８１における透明電極８２は、ガラス基板の表面にＩＴＯ膜、ＦＴ０膜、ＺｎＯ膜などの透明導電膜が配置されてｎ型半導体にされるとともに、この透明電極８２の表面に垂直方向で形成されるカーボンナノチューブ（正確にはカーボンナノチューブ群である）８３はｐ型半導体にされ、このｐｎ接合部で発電が行われる。上記カーボンナノチューブ８３の先端（下端）にはＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｐｄなどの金属電極８４が設けられる。なお、透明電極８２の上面には、保護用の窓部材８５が設けられている。
上記カーボンナノチューブ８３を形成する場合、透明電極８２の表面にスパッタリングなどにより鉄などの触媒微粒子を付着させた後、この触媒微粒子上に熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させればよい。このとき、カーボンナノチューブ８３の直径は、触媒微粒子の粒径により制御することができるので、各波長（各色）に応じたバンドギャップを有するように制御される。このカーボンナノチューブ８３の先端に設けられる金属電極８４は蒸着などにより形成される。
具体的には、多数のカーボンナノチューブからなる領域（カーボンナノチューブ群であり、以下、チューブ列ともいう）が５つ並列に設けられる（並置される）とともに、これら各カーボンナノチューブの直径をチューブ列毎に段階的に変化させたもので、例えば太いもの（赤色側）から細いもの（紫色側）が順番に設けられる。また、ブレイズド回折格子７４の０次光軸Ｒ上には、上述したように、緑色に対応したカーボンナノチューブを有する電池要素体８１Ｃが配置される。
ところで、通常、熱ＣＶＤ法により形成される単層カーボンナノチューブは真性半導体またはバンドギャップが０eVの金属的性質を有するものであるが、半導体カーボンナノチューブにｐ型ドーパント（カーボンナノチューブより電気陰性度が大きい元素、例えばＮ，Ｏ，Ｆ，Ｃｌなどが用いられる）を付着させることによりｐ型半導体とすることができる。なお、カーボンナノチューブとしてｎ型半導体を用いる場合には、半導体カーボンナノチューブにｎ型ドーパント（カーボンナノチューブより電気陰性度が小さい元素、例えばＣｓ，Ｒｂ，Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇなどが用いられる）を真空蒸着またはスパッタリングなどにより付着させてｎ型半導体にすることができる。
上記電圧調整器７７は各電池要素体８１の金属電極８４に電気配線７６を介して接続されており、この電圧調整器７７は、電池要素体８１に電気配線７６を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ８６と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ８６に電気配線８７を介して接続された電力加算部８８とから構成されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ８６は、各電池要素体８１Ａ〜８１Ｅから取り出される電圧が同一（所定電圧）となるように調整（変換）するためのものである。
ところで、上述の説明では、各バイナリレンズ７２，７３およびブレイズド回折格子７４については、別体で設けられているように説明（図示）したが、本実施例では、一つの部材内に組み込んだものが用いられる（勿論、別体に設けられているものでもよい）。
この場合、実施例１の場合と同様に、板状の石英ガラス材（透明部材すなわち透明材料の一例で、ＳｉＯ２の他ｉ、ＬｉＦ，ＭｇＯなどがある）に超短パルスレーザ（所謂、フェムト秒レーザ）を射出することにより、当該石英ガラス材の内部に纏めて形成される。すなわち、発振装置から発射された超短パルスレーザは、光変調器、ミラー、および縮小光学系を介して石英ガラス材に導かれて、その内部に各バイナリレンズ７２，７３およびブレイズド回折格子７４（７４１，７４２，７４３，７４４）が形成される。
そして、この石英ガラス材におけるブレイズド回折格子７４の下方の表面（下面）に、上記太陽電池７５を配置することにより、非常にコンパクトで且つ製造が容易な、すなわち安価な太陽電池装置７１が得られる。
上記構成において、第１バイナリレンズ７２に入射した太陽光線は、所定範囲内に絞られて第２バイナリレンズ７３に入り平行な光線として出射される。そして、この光線は第１ブレイズド回折格子７４１に入り、一端側から他端側に向かって５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体８１Ａ〜８１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
また、第１ブレイズド回折格子７４１をそのまま通過した太陽光線は第２ブレイズド回折格子７４２に入り、５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体８１Ａ〜８１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
また、第２ブレイズド回折格子７４２をそのまま通過した太陽光線については第３ブレイズド回折格子７４３に入り、上記と同様に、５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体８１Ａ〜８１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
さらに、第３ブレイズド回折格子７４３をそのまま通過した太陽光線については第４ブレイズド回折格子７４４に入り、上記と同様に、５つの波長領域（λ１〜λ５）に、つまり５つの色に分光されて各電池要素体８１Ａ〜８１Ｅに入射され、それぞれの波長に応じたバンドギャップでもって光電変換が行われる。
一方、第４ブレイズド回折格子７４４をそのまま通過した太陽光線、すなわち全ての回折格子７４を通過した０次回折光λ０はそのまま中央に配置された電池要素体８１Ｃに入り、この電池要素体８１Ｃに対応する緑色より短波長の光線が有するエネルギーが回収される。なお、この中央に配置される電池要素体８１Ｃは、緑色以外の光線に対応するものであってもよい。
また、透明電極８２については、各電池要素体８５おいて共通したものであってもよいが、勿論、各電池要素体８１ごとに分かれたものであってもよい。
そして、各電池要素体８１で発生した電気がＤＣ／ＤＣコンバータ８６に入力されて所定電圧に変換され、電力加算部８８を経て電力が出力される。
このように、太陽光線を第１バイナリレンズ７２により所定範囲に集めるとともに第２バイナリレンズ７３にて平行光線となし、この平行光線を複数のブレイズド回折格子７４に入力し、これら各ブレイズド回折格子７４では５つの波長領域（λ１〜λ５）でもって分光させるとともに、この分光された光線の持つエネルギーを効率良く吸収し得るカーボンナノチューブを有する電池要素体８１に導き発電を行うようにしたので、しかも複数のブレイズド回折格子により太陽光線を分光させるようにしているので、プリズムを用いた場合に比べて、装置の小型化を図ることができ、延いては、製造コストの低減化を図ることができるとともに、より多くの発電を行うことができる。すなわち、高い光電変換効率が得られる。
また、中央に、０次回折光のエネルギーを回収し得る電池要素体８１Ｃを配置したので、より一層、高い光電変換効率が得られる。
また、少なくとも、第１バイナリレンズ７２、第２バイナリレンズ７３およびブレイズド回折格子７４（７４ｎ）を、超短パルスレーザにより一つの部材内に形成するようにしたので、その製造および組立てを容易且つ安価に行い得るとともに、装置の小型化も図ることができる。
なお、図７の右側には、上述したように、ブレイズド回折格子７４で分光した際の回折角θｎｋが示されており、図７中、第１ブレイズド回折格子７４１での回折角をθ１１（紫）〜θ１５（赤）で、第２ブレイズド回折格子７４２での回折角をθ２１（紫）〜φ２５（赤）で、第３ブレイズド回折格子７４３で回折角をθ３１（紫）〜θ３５（赤）で、第４ブレイズド回折格子７４４での回折角をθ４１（紫）〜θ４５（赤）で表す。
１ 太陽電池装置
２ 第１バイナリレンズ
３ 第２バイナリレンズ
４ 回折格子
５ 太陽電池
７ 電圧調整器
１１ 電池要素体
１２ 透明電極
１３ カーボンナノチューブ
１４ 金属電極
１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８ 電力加算部
２１ 太陽電池装置
２５ 太陽電池
２６ 反射部材
３１ 太陽電池装置
３５ 太陽電池
３６ 反射部材
４１ 太陽電池装置
４５ 太陽電池
４６ 反射部材
４７ 再帰反射板
５１ 太陽電池装置
５２ 第１バイナリレンズ
５３ 第２バイナリレンズ
５４ 回折格子
５５ 太陽電池
６１ 電池要素体
６２ 透明電極
６３ カーボンナノチューブ
６４ 金属電極
７１ 太陽電池装置
７２ 第１バイナリレンズ
７３ 第２バイナリレンズ
７４ ブレイズド回折格子
７５ 太陽電池
８１ 電池要素体
８２ 透明電極
８３ カーボンナノチューブ
８４ 金属電極

Claims (7)

  1. 太陽光を入射して所定範囲に集光するためのレンズ系と、
    このレンズ系にて集光された太陽光を入射するとともに波長の長さに応じて左右両側に対称に分光させる回折格子と、
    この回折格子により分光された各光を入射し光電変換を行う太陽電池とから構成し、
    且つ上記太陽電池を、
    透明電極と、この透明電極の表面に且つ当該表面に形成されたカーボンナノチューブと、このカーボンナノチューブの透明電極とは反対側に配置された金属電極とからなる電池要素体を複数具備させて構成するとともに、
    上記複数の電池要素体を、それぞれにおけるカーボンナノチューブの直径が、入射される光の波長に応じて上記回折格子における０次光軸から左右の外側に向かって順次変化するように、当該０次光軸の左右に配置したことを特徴とする太陽電池装置。
  2. 回折格子を、その０次光軸上で複数段でもって配置したことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池装置。
  3. 回折格子における０次光軸上に電池要素体または反射部材を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池装置。
  4. 第１段目の回折格子にて反射した光を、再度、当該第１段目の回折格子に反射させる再帰反射板をその回折格子の周囲に配置したことを特徴とする請求項３に記載の太陽電池装置。
  5. 透明材料にレーザ光を照射して当該透明材料内にバイナリレンズおよび回折格子を一体に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池装置。
  6. 透明材料にレーザ光を照射して当該透明材料内にバイナリレンズ、回折格子および再帰反射板を一体に形成したことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池装置。
  7. 各電池要素体にて得られた電気を所定電圧に調整する電圧調整器を具備したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の太陽電池装置。
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