JP2015092568A - 光発電装置及び光発電装置で使用する導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】発光性の光発電装置及びかかる光発電装置に使用する導波路に関する。
【解決手段】光発電装置１は、光発電電池４と、透明マトリックス２を含む導波路であって、前記透明マトリックスが、（ｉ）マトリックス中に分散された無機発光材料及び／又は（ｉｉ）マトリックスの少なくとも一方側に設けられた無機発光材料を含む、透明マトリックスを含む導波路を含む。本導波路は、無機発光材料から放射される光の一部が光発電電池４を通って前記電池に電圧を生じるように関連付けされる。本無機発光材料は線発光体であり、前記発光が前記材料中からの禁止電子遷移によるものである。前記無機発光材料は、無機燐光材料、無機蛍光材料及び量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル系から選択され得る。光発電装置１は、表面積当たりの電力収量が不十分であるこれまで知られた光発電装置の代替又は改良である。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、光発電装置及び光発電装置で使用する導波路に関する。

光発電装置は、光りから電気を発生する装置である。これまで数年に亘って、光発電装置の効率を上げる努力がなされてきた。従来のソーラーパネルは太陽電池の配列を持ち、いまや商品化が広く行われるまでになった。しかしながらこの従来のパネルは欠点も有している。例えば、電力収量を最大にするために、空を横断する太陽に追随するように適合されねばならない。さらに、従来のパネルは、入射光が拡散する場合、例えば曇日では、電力を特に十分に発生しない。

従来のパネルに付随するいくつかの問題を解決するひとつの努力において、環境光が拡散するような場合にも、安定した状態で使用でき、またより効率的に実施されることができる光発電装置の開発に研究が向けられてきた。開発されたひとつの光発電装置は、発光性光発電装置である。このタイプの装置は、光発電セル及びそれに伴う発光部を含む。該装置は通常、入射光が前記発光部を通過し、少なくとも一部の入射光が吸収されて発光して前記光発電装置へ通過しそこで光りが電気を発生する。前記光の発光放射は通常全方向であり、理想的には、発光光の損失を最小化してできるだけ多くに発光光を前記光発電セルに案内するように、適切な反射板を前記発光部の回りに設けるべきである。理論的には有望であるが、発光性光発電装置は商業的に使用され得るための効率に到達する必要がある。発光性光発電装置の効率を改良するべき不断の要求が存在する。
当該分野において、最近の研究は、有機発光材料の使用に焦点があてられてきた。これについては、Ｃｕｒｒｉｅ等による、Ｓｃｉｅｎｃｅ，１１ Ｊｕｌｙ ２００８，Ｖｏｌ．３２１．ｎｏ．５８８６，ｐｐ．２２６−２２８の，タイトルＨｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓに例示されている。当該論文は、太陽電池と共に電気を発生させるために使用する発光性太陽光集光装置を開示する。この太陽光集光装置は、表面に有機顔料の薄膜を持つガラス基板を含む。２つの種類の有機顔料が使用された：蛍光顔料である４−（ジシアノメチレン）−２−ｔ−ブチル−６−（１、１、７、７−テトラメチルジュロリジル−９−エニル）−４Ｈ−ピラン（ＤＣＪＴＢ）及び燐光顔料である白金テトラフェニルテトラベンゾポルフィリン［Ｐｔ（ＴＰＢＰ）］である。

Ｃｕｒｒｉｅ等による前記論文で開示された有機発光性太陽光集光装置は、大抵の有機発光材料に共通の非常に広い発光スペクトルを持つ。かかる材料と共に、前記集光装置の発光部の外側には反射板が必要であり、これにより全てではないがほとんどの発光光を反射させることができる。光が入射する側の前記装置の側部上で、前記反射板は、適切な波長の入射光を前記発光性材料中に通過させて光が吸収されるようにしなければならない。しかし、前記反射板は、前記発光性材料から発光する光が前記反射板を通過することを抑制しなければならず、むしろこの光を反射して前記太陽電池に到達させなければならない。そのような反射板は、光又は波長フィルタとされている。広い範囲の波長に亘り反射する光フィルタを設けることは費用がかかるという可能性がある。

有機発光材料はまた、ある程度の長期の使用期間で分解するという問題、特に入射ＵＶ光により分解するという問題がある。

本発明は、前記従来技術で開示された光発電装置に対して、異なる光発電装置又は効率及び／又は製造費用の点で改良された光発電装置を提供する。

第一の側面において、本発明は光発電装置に使用する導波路を提供する。該装置は、透明マトリックスを含み、前記マトリックスは、（ｉ）前記マトリックスに分散された無機発光材料及び／又は（ｉｉ）前記マトリックスの少なくともひとつの側に設けられている無機発光材料を含み、前記無機発光材料が、前記ＵＶ領域、前記可視領域及び前記赤外領域内で最大吸収ピークを持ち、吸収線幅が５０ｎｍ以上であり、発光線幅が２０ｎｍ以下であり、及びストークスシフトが５０ｎｍ以上である。
第二の側面において、本発明は、光発電装置を提供する。前記光発電装置は、光発電電池と、導波路を含み、前記導波路は、透明マトリックスを含み、前記マトリックスは、（ｉ）前記マトリックスに分散された無機発光材料及び／又は（ｉｉ）前記マトリックスの少なくともひとつの側に設けられている無機発光材料を含む。ここで前記導波路は、使用に際し、前記発光性材料からの発光光の少なくとも一部が前記光発電電池へ至り前記電池で電圧を発生するように、前記光発電電池と関連され、前記無機発光材料が、前記ＵＶ領域、前記可視領域及び前記赤外領域内で最大吸収ピークを持ち、吸収線幅が５０ｎｍ以上であり、発光線幅が２０ｎｍ以下であり、及びストークスシフトが５０ｎｍ以上である。

無機発光材料は、有機発光材料に比べて好ましいということが見出されている。というのは、無機発光材料は、長期間の使用期間に亘り分解する傾向がないからである。さらに、無機発光材料は、エネルギ移動及び／又は希土類元素又は遷移金属でドープされた無機材料に基づいて、実質的に発光消光がなく大きなストークスシフトを可能とする。さらに、以下説明するとおり、本発明の特定の実施態様は、特に励起波長及び発光波長間の波長差が大きくかつ発光線幅が小さい場合に製造に容易な干渉フィルタと共に使用することができる。以下実施例において説明されるように、光安定性量子粒子、例えば量子ドット、量子ロッド又はコアシェルシステム等は、前記無機発光材料中で又は無機発光材料として使用されることができる。再吸収は、間接的発光遷移を持つ小さな量子粒子及び大きな量子粒子を用いて最小化することができる。エネルギが小さな量子粒子から大きな量子粒子へ変換される場合において、前記大きな量子粒子は、前記大きな量子粒子による再吸収を回避するために少量のみ存在する。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、吸収線幅１００ｎｍ又はそれより大きく、発光線幅は１０ｎｍ又はそれより小さく、かつストークスシフトは１００ｎｍ又はそれより大きい。

ひとつの実施態様において、前記導波路はさらに、少なくとも透明マトリックスの少なくともひとつの側部に適合された干渉フィルタを含み、前記干渉フィルタは、（ｉ）前記無機発光材料により吸収される前記電磁波領域内の導波路内に光を通過させ、（ｉｉ）前記無機発光材料から放射される前記電磁波領域内の光を選択的に反射する。

ひとつの実施態様において、前記透明マトリックスは、非結晶性材料を含み、前記無機発光材料は結晶性材料を含む。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域の光を吸収する第一の種と前記第一の種が吸収するよりも大きい波長の光を発光する第二の種とを含み、エネルギ移動が前記第一及び第二の種間で起こり、前記無機発光材料が３００ｎｍから１４２０ｎｍで光を吸収し、それより長い波長で発光し、前記より大きな波長の光が前記光発電電池で電圧を発生するために適切なエネルギである。３００ｎｍから１４２０ｎｍで光を吸収する種としては、領域３００ｎｍから１４２０ｎｍの少なくとも一部の光を吸収する種であり、当該領域全域で吸収する必要はない。前記第一種の最大吸収の波長が、３００ｎｍから１４２０ｎｍ領域内にあればよい。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、高波長吸収限界λ^ａを持つ。ここでλ^ａは、前記光発電電池でのバンドギャプのエネルギよりも２０％又はそれより大きいエネルギに対応する波長である。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、異なる波長で吸収する複数のタイプの第一の種と、ある特定の波長で発光する単一タイプの第二の種を含み、かつ前記発光性材料が好ましくは線発光体である。かかる利点は、前記材料が広い吸収領域を持つが、狭いバンド幅を持つ単一波長でのみ発光することができるからである。複数の異なる無機発光材料が前記装置に使用可能である。複数の異なる無機発光材料は、お互いに異なる吸収波長上で吸収を有するが、お互いに同一か又は実質的同じ（例えば約２０ｎｍ以内）発光ピークを有する。好ましくは前記複数の無機発光材料は線発光体である。以下説明されるように、これにより、使用されるべき発光波長のみを選択的に反射する相対的に安価な干渉フィルタの使用を可能とする。このことは前記光発電装置の製造費用を節約することとなる。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は無機蛍光体を含む。前記無機発光材料は複数のタイプの無機蛍光体を含むことができる。

ひとつの実施態様において、前記無機蛍光体は第一及び第二の種を含む無機ホスト材料を含み、前記第一の種は、Ｃｅ^３＋、Ｅｕ^２＋又はＹｂ^２＋から選択されるイオンであり、前記第二の種は、希土類イオン及び遷移金属イオンから選択されるイオンである。

ひとつの実施態様において、前記無機蛍光体はＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２；Ｃｅ，Ｃｒを含み。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、第一及び第二の種を含む無機ホスト材料を含み、前記無機ホスト材料中の前記第一の種の濃度は、前記第二の種の濃度よりも大きく、及び前記第二の種の濃度は前記ホスト材料中に０．５又はそれより小さいモル％である。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、ＣａＡｌＳｉＮ_３；Ｃｅ，Ｅｕを含む。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、ここで記載されるように量子粒子を含む。ひとつの実施態様において、前記第一及び第二の種は、独立に、量子粒子を含み、これは、量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子から選択される。

図１ａは、本発明の光発電装置のひとつの実施態様を示す。ここで、無機発光材料の粒子が透明マトリックスに分散されている。 図１ｂは、本発明の光発電装置のひとつの実施態様を示す。ここで、無機発光材料の粒子が透明マトリックスに分散されている。 図２ａは、本発明の光発電装置を示す。ここで無機発光材料を含む層が前記透明マトリックスの一方の側部に設けられている。 図２ｂは、本発明の光発電装置を示す。ここで無機発光材料を含む層が前記透明マトリックスの一方の側部に設けられている。 図３は、本発明の光発電装置を示し、複数の透明マトリックス及び平行に隣接する光発電電池を含む。無機発光材料を含む層が、前記透明マトリックスの一方側部に設けられている。 図中で参照される類似の番号は類似又は同じコンポーネントを意味する。

本発明は、光発電装置に使用する導波路を提供し、及び上で説明された光発電装置を提供する。

導波路及び光発電電池に使用する材料
上記のとおり、前記透明マトリックスは、（ｉ）前記マトリックス中に分散された無機発光材料を含む粒子及び／又は（ｉｉ）前記透明マトリックスの少なくとも一方側に設けられる無機発光材料を含む。前記透明マトリックスがその中に分散された無機発光材料及び前記透明マトリックスの少なくとも一方側に設けられる無機発光材料を含む場合、前記粒子の前記無機発光材料及び、前記透明マトリックスの少なくとも一方側に設けられる無機発光材料は、同じ材料であってもよく、又は異なる材料であってもよく、ここで記載されるものであってもよい。前記粒子は無機発光材料からなるか、本質的に無機発光材料からなっていてもよい。前記粒子が本質的に前記無機発光材料からなる場合、他の材料は、前記粒子の、好ましくは５重量％より少ない量、より好ましくは２重量％より少ない量、最も好ましくは１重量％よりも少ない量で存在する。

前記無機発光材料は好ましくは、電磁波スペクトル（場合により前記電磁波のうちＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域から選択される）の領域の光を吸収し、より大きな波長の光を発光する。前記大きな波長の光は、前記光発電電池で電圧を生成する適切なエネルギである。前記無機発光材料は好ましくは、３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域の光を吸収する。好ましくは、最大吸収ピークは、前記電磁波の前記ＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域内であり、好ましくは、３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域内である。好ましくは、前記吸収ピークの線幅は５０ｎｍ又はそれより大きく、好ましくは１００ｎｍ又はそれより大きく、より好ましくは１５０ｎｍ又はそれより大きく、最も好ましくは２００ｎｍ又はそれより大きい。線幅とは、２５℃で測定した吸収線のｎｍでの半値幅である。より大きい波長は、好ましくは、前記光発電電池のバンドギャップエネルギの少なくとも１．０５倍のエネルギに対応する。好ましくは、前記吸収スペクトル及び前記無機発光材料の発光スペクトルが重ならないか実質的に重ならないことである。これにより前記無機発光材料により放射される光子の再吸収を減少させることが見出されている。好ましくは、前記無機発光材料のストークスシフトは、５０ｎｍ又はそれより大きい、より好ましくは約８０ｎｍ又はそれより大きいか、さらにより好ましくは、１００ｎｍ又はそれより大きい。

前記透明マトリックスは、当該技術分野の熟練者に知られたいかなる物であってよい。例えば透明マトリックスは、ガラス及び透明ポリマーから選択される材料を含むことができる。前記透明ポリマーは、ポリ（メチルメタクリレート）ポリマー（ＰＭＭＡ、通常、屈折率約１．４９）及びポリカーボネートポリマー（通常、屈折率約１．５８）から選択される。ガラスは、全ての知られた透明無機アモルファス材料から選択されることができ、例えば、限定されるものではないが、二酸化ケイ素を含むガラス等を含み、さらにアルバイトタイプ、クラウンタイプ及びフリントタイプから選択されるガラスを含む。異なるガラスは、異なる屈折率を有し、望む場合には、ガラスはその屈折率に基づいて選択されてもよい。例えばアルバイトタイプガラスでは屈折率は約１．５２である。クラウンタイプガラスは屈折率約１．４９から１．５２である。フリントタイプガラスでは、屈折率は約１．５８から約１．８９であり、これは密度及び成分により相違し、これについてはこの技術分野の熟練者にとって理解できることである。

本発明の前記透明マトリックスには、限定されないが、前記無機発光材料が吸収する光の電磁波領域の少なくとも一部の光を透過させ、及び前記無機発光材料が放射する光の電磁波領域の少なくとも一部の光を透過させることができる材料を含む。好ましくは、前記透明マトリックスは、３００ｎｍから２０００ｎｍ領域の少なくとも一部に亘り（場合により領域全体に亘り）、光を透過させることができる。場合により前記無機発光材料の屈折率は、前記透明マトリックスの屈折率の９３％から１０７％、場合により９５％から１０５％、場合により９８％から１０２％の屈折率である。本発明の発明者は、前記発光粒子の屈折率が前記透明マトリックスの屈折率と同じか又は実質的に同じである場合に効率が改良されるということを見出した。これにより、前記粒子と前記マトリックスとの間の光散乱を回避する。前記透明マトリックス中で又は前記透明マトリックスとして使用する、ある範囲の屈折を持つ率透明材料は知られており、適切な材料の選択は当該技術分野の熟練者の持つ技術の範囲内である。

ひとつの実施態様において、前記透明マトリックスは、非結晶性材料を含むか又は非結晶性材料である。ガラスが発光性無機イオンでドープされ、例えば前記イオンがアモルファス環境にある場合、前記イオンは通常効率的な発光を示さない、ということが見出された。本発明においては、無機結晶性材料が、発光効率が非結晶性材料よりも一般的により高いものであることから、前記発光材料として好ましいということを見出した。非結晶性の材料を含む前記透明マトリックス（例えばガラスやポリマーであって、その中に結晶性材料の粒子が分散可能である）の利点は、前記導波路が、透明結晶性材料に比べて、高い発光効率を有しながら、一般的により効果的に製造され得るということである。

前記無機発光材料の粒子は、立方対称であってよい。前記無機発光材料の粒子は、全ての適切なサイズであり得る。前記粒子は容積平均直径が例えば１０ｎｍから２ｍｍである。前記無機発光材料の屈折率は、分散される前記マトリックスと同じか実質的に同じであってよく、粒子サイズは限定されない。前記マトリックス中の前記無機粒子は容積平均直径が約１００ｎｍまで、好ましくは容積平均直径が約５０ｎｍまでである。これは、前記粒子が立方体対称を有さない場合及び／又は前記透明マトリックスと同じ又は実質的に同じ屈折率を有さない場合に特に好ましい。なぜなら、これにより光散乱が減少されるからである。前記無機発光材料の容積平均直径は、当該技術分野の熟練者に知られた確立された方法及び装置で決定される。例えば電子顕微鏡技術又はＭａｌｖｅｒｎ Ｎａｎｏｓｉｚｅｒ装置（市販）を用いることができる。

前記無機発光材料の粒子は、前記透明マトリックスに全ての適切な方法で分散させることができる。例えば、前記透明マトリックスへ液体前駆体を準備し、前記液体前駆体内に前記粒子を分散させて、前記液体前駆体を硬化させて、その中に無機発光材料の粒子が分散された固体の透明マトリックスが形成される。前記液体前駆体は、例えば前記固体の透明マトリックスを含むか、又はその溶融形であってよい。前記無機発光材料粒子は溶融形中に分散されていてもよく、これはその後硬化され、前記無機発光材料の粒子が分散された前記透明マトリックスを形成する。前記液体前駆体は、前記透明マトリックスの材料及び無機発光材料の粒子を含む液体キャリアを含むことができる。この液体キャリアは除去されて、前記無機発光材料の粒子が分散された前記透明マトリックスを形成することができる。ここで、前記透明マトリックスの材料及び前記無機発光材料の粒子は、例えば溶液及び／又は懸濁液として前記キャリア中に存在し得る。または、前記透明マトリックスがポリマーを含む場合、前記液体キャリアは、前記ポリマーへの重合前又は不完全重合の前駆体及び前記無機発光材料の粒子含む液体であり得る。かかる重合前又は不完全重合の前駆体は、重合されるか又はさらに重合されて前記無機発光材料の粒子が分散された前記透明マトリックスを形成する。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は線発光体を含むか、又は線発光体である。線発光体とは、非常に狭い発光線幅を有する光を放射する種である。線発光体は、限定されるものではないが、発光線幅が２０ｎｍ又はそれより小さいか、好ましくは１０ｎｍ又はそれより小さいか、最も好ましくは５ｎｍ又はそれより小さいかである。線幅は、２５℃で測定された発光線のｎｍでの半値幅である。

または、前記線発光体は波長λ^１で発光し、前記光発電装置がさらに、前記透明マトリックスの一方の側部に光フィルタを含む。前記フィルタを通って光は前記透明マトリックスに入り、前記光フィルタは波長λ^１の発光光を選択的に反射して前記発光材料及び／又は前記光発電装置に戻し、しかし好ましくは、光が前記発光材料により吸収される波長の光が通過することを許容するものである。かかる波長フィルタは好ましくは干渉フィルタである。線発光体を使用することで、干渉フィルタを使用することができ、これは相対的に安価であり、従って前記光発電装置の製造費用を節約することができる。

前記無機発光材料は無機蛍光材料又は無機燐光材料を含み、無機燐光材料が好ましい。無機燐光材料は当該技術分野の熟練者に知られている。これには、ある特定の波長の光を吸収し、量子力学的に禁止される電子遷移、例えばスピン又はパリティ禁止遷移を通じて再び他の波長で発光する、無機発光材料が含まれる。燐光材料の発光持続時間は一般的に約１μ秒又はそれより長い。特定の材料、例えばＥｕ^２＋及び／又はＹｂ^２＋でドープされた多くの材料で、発光が許容光学遷移であるにもかかわらず、発光がまた遅いものがある。いくつかの燐光材料では、発光は数秒又は数分でさえ持続する。

燐光材料は蛍光材料よりも好ましい。というのは、吸収及び発光スペクトルがほぼ近い蛍光材料に比べて、燐光材料は、発光した光子を再吸収することがほとんどありえないからである。これにより前記光発電装置の効率を増加させることができる。

前記無機燐光体は、前記材料中の同じイオンで吸収と発光が起こる無機材料であり得る。前記無機燐光体は、遷移金属及び／又は希土類金属イオンを含む及び／又はドープした無機材料である得る。好ましくは、吸収及び発光が生じる遷移金属はｄ^３イオンであり、即ち、外殻ｄ−軌道に３つの電子を有するイオンである。ｄ^３イオンの例として、限定されないが、Ｖ^２＋、Ｃｒ^３＋、Ｍｎ^４＋及びＦｅ^５＋が挙げられる。前記無機燐光体は、無機ホスト材料を含んでいてよい。これはそこで発光及び吸収が起こるイオン、通常発光及び吸収が起こる単一のタイプのイオンでドープされている。かかる材料は、限定されるものではないが、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ及びＭｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎが挙げられる。ここでＡｌ_２Ｏ_３及びＭｇ_２ＴｉＯ_４が前記ホスト材料であり、Ｃｒ^３＋及びＭｎ^４＋が発光及び吸収の起こるイオンである。好ましくは、これらの発光イオンに作用する結晶場が小さすぎないことである。そうでないとブロードな発光スペクトルとなるからである。

又は、前記発光イオンがホスト材料内である場合、発光イオンのＤｑ／Ｂは、Ｃ／Ｂ値が２．５の時少なくとも約２．１である。ここでＤｑは結晶場強度パラメータであり、Ｂ及びＣは前記ホスト材料中の発光イオンのラカー（Ｒａｃａｈ）パラメータである。ホスト材料中の発光イオンのＤｑ、Ｂ及びＣ値は通常文献から利用可能であり及び／又は知られた方法で測定可能である。

上で説明した無機燐光体は有利であることが見出された。というのは、それらが相対的に広い範囲の波長の光を吸収でき、非常に狭い範囲（即ち、狭い線幅を持つ）のより長波長の光を発光できるからである。加えて、ｄ^３イオンについて、吸収バンドは、それがドープされているホスト材料に依存して変化するが、発光バンドはホスト材料にはほとんど依存しない。このことは、当該技術分野の熟練者がそれに応じて前記装置を適合させ、望ましい吸収範囲に応じてホスト材料を選択することを可能とする。前記ホスト材料中の前記遷移金属イオン及び／又は希土類金属イオンの量（モル分率）は、通常約０．１から１０モル％である。前記イオンが他のイオンと交換するために材料にドープされる場合、０．１から１０モル％の交換されるイオンが遷移金属イオン及び／又は希土類金属イオンである。
前記無機発光材料は、吸収及び発光が前記材料中での異なる種で起こる無機材料も含む。前記無機発光材料は、第一の種を含み、これは電磁波のＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）を吸収し、さらに第二の種を含み、これは第一の種が吸収した波長よりも長い波長の光を発光し、かつ前記第一及び前記第二の種の間にエネルギ移動が生じ、従って、前記材料が電磁波のＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）を吸収し、より長波長の光を発光し、前記より長波長の光は前記光発電電池の電圧生成に適切なエネルギである。

前記無機発光材料は、吸収及び発光が前記材料中での異なるイオンで起こる無機材料も含む。前記無機発光材料は、無機ホスト材料を含み、そこで吸収が起こる第一のイオン及びそこで発光が起こる第二のイオンを含む。かかる材料において、前記第一のイオンから前記第二のイオンへのエネルギ移動が、前記第一のイオンにより入射光が吸収された後で起こり、それにより前記第二のイオンが励起され光を放射することができるようになる。前記第一のイオンは好ましくは、電磁波のＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）を吸収する。前記第一のイオンは、Ｃｅ^３＋、Ｅｕ^２＋及びＹｂ^２＋から選択され得る。前記第二のイオンは、希土類金属イオンであってよく、Ｐｒ^３＋、Ｅｒ^３＋、Ｎｄ^３＋、Ｈｏ^３＋，Ｙｂ^３＋，Ｔｍ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｄｙ^３＋、Ｍｎ^２＋、Ｙｂ^２＋及びＥｕ^２＋が挙げられる。前記第二のイオンは、遷移金属イオンであってよく、限定されるものではないが、ｄ^３遷移金属イオンである、Ｖ^２＋、Ｃｒ^３＋、Ｍｎ^４＋及びＦｅ^５＋から選択され得る。

前記第二のイオンでの発光は上で説明したように禁止遷移である。吸収が起こる第一のイオン及び発光が起こる第二のイオンでドープされた無機ホスト材料を含む前記無機発光材料は、無機燐光材料であってよい。かかる燐光性無機材料には、限定されないが、Ｇｄ_３ＧａＯ_１２；Ｃｅ，Ｃｒが挙げられる。ここでＧｄ_３ＧａＯ_１２がホスト材料であり、Ｃｅはそのカチオン形で第一のイオンであり、Ｃｒはそのカチオン形で第二のイオンである。この材料は、３００ｎｍから５００ｎｍの範囲で吸収し（Ｃｅ^３＋による許容光学吸収）、かつ７３０ｎｍで発光する（Ｃｒ^３＋への移動を経て、この遷移は量子力学的に禁止遷移である）。このような材料は有利である。なぜなら発光された光子の再吸収は減少されるからである。

前記無機燐光材料中の前記第一及び第二のイオンは、吸収及び発光の望ましいレベルに応じて、全ての適切な量で存在し得る。前記第一のイオンは、前記無機ホスト材料中に０．５から５モル％で存在し得る。前記第二のイオンは、前記無機ホスト材料中に０．５から５モル％で存在し得る。

前記第二のイオンでの光放射は許容電子遷移による。吸収が起こる第一のイオンでドープされた無機ホスト材料と、発光が生じる第二のイオンを含む前記無機発光材料は、無機蛍光材料であってよい。前記第二のイオンは、Ｅｕ^２＋及びＹｂ^２＋から選択されてよい。適切な材料は、限定されないが、ＣａＡｌＳｉＮ_３；Ｃｅ，Ｅｕが挙げられ、ここで、ＣａＡｌＳｉＮ_３が前記ホスト材料であり、Ｃｅ^３＋が前記第一のイオン、Ｅｕ^２＋が前記第二のイオンである。該材料は、青緑色のスペクトルを吸収し、６３０から６５５ｎｍの範囲で発光する。

前記無機蛍光材料中の前記第一及び第二のイオンは、吸収及び／又は発光の望ましいレベルに応じて全ての量で存在し得る。前記第一のイオンは、前記無機ホスト材料中に０．５から５モル％で存在し得る。前記第二のイオンは、前記無機ホスト材料中に０．５モル％以下、好ましくは０．２モル％以下、より好ましくは０．１モル％以下で存在し得る。前記第二のイオンは、前記無機蛍光材料中に、０．０１モル％以上存在する。本発明者は、前記第二のイオンの量をここで示したレベルに下げることで、前記発光光子の吸収が減少し、従って前記光発電電池の効率を増加させることを見いだした。

前記無機発光材料は、発光に適するサイズである粒子を含む半導体を含んでいてよい。かかる半導体含有粒子は、ここでは量子粒子ということとする。前記無機発光材料は、量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子を含むことができる。量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子は、発光に適するサイズである粒子を含む半導体であってよい。量子ロッドとは、細長い形状の粒子である。量子コア／シェル粒子は、さらに他の材料でコーティングされた半導体材料コアを有する粒子であり、場合により前記コア全体にコーティングされていてよい。前記さらなる材料には、半導体材料及び／又は誘電体材料であってよい。前記粒子は通常、１から５０ｎｍのサイズの直径を有する。前記粒子が発光する発光波長は、前記半導体材料の性質と前記粒子のサイズと形状及び個々の粒子を囲むシェル／コーティングの存在に依存する。粒子が大きいほど、前記粒子が発光する際の光放出エネルギは低くなる。前記発光材料は好ましくは半導体を含む粒子を含み、発光の際、前記光発電電池のバンドギャップより大きい光子エネルギを持つ光を放射する。例えば、量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子などが有利であることが見いだされた。というのは、これらは通常ブロードな吸収スペクトルを有し、かつ狭い発光スペクトルを有するからである。

半導体含有粒子は以下に挙げる半導体を含む粒子であってよい。即ち、例えばシリコン（Ｓｉ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）等のＩＶ属元素半導体；例えばシリコンゲルマニウム化物（ＳｉＧｅ）などのＩＶ属化合物半導体；例えばアルミニウムアンチモン化物（ＡｌＳｂ），アルミニウムヒ素化物（ＡｌＡｓ），アルミニウムリン化物（ＡｌＰ），ホウ素リン化物（ＢＰ），ホウ素ヒ素化物（ＢＡｓ），ガリウムアンチモン化物（ＧａＳｂ），ガリウムヒ素化物（ＧａＡｓ），ガリウムリン化物（ＧａＰ），インジウムアンチモン化物（ＩｎＳｂ），インジウムヒ素化物（ＩｎＡｓ），インジウム窒化物（ＩｎＮ），インジウムリン化物（ＩｎＰ）などのＩＩＩ−Ｖ属半導体；例えば、アルミニウムガリウムヒ素化物（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ），インジウムガリウムヒ素化物（ＩｎＧａＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ），インジウムガリウムリン化物（ＩｎＧａＰ），アルミニウムインジウムヒ素化物（ＡｌＩｎＡｓ），アルミニウムインジウムアンチモン化物（ＡｌＩｎＳｂ），ガリウムヒ素窒化物（ＧａＡｓＮ），ガリウムヒ素リン化物（ＧａＡｓＰ），アルミニウムガリウムリン化物（ＡｌＧａＰ），インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ），インジウムヒ素アンチモン化物（ＩｎＡｓＳｂ），インジウムガリウムアンチモン化物（ＩｎＧａＳｂ）などのＩＩＩ−Ｖ属三元半導体合金；例えば、アルミニウムガリウムインジウムリン化物（ＡｌＧａＩｎＰ，又ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＧａＡｌＰ，ＡｌＩｎＧａＰ），アルミニウムガリウムヒ素リン化物（ＡｌＧａＡｓＰ），インジウムガリウムヒ素りん化物（ＩｎＧａＡｓＰ），アルミニウムインジウムヒ素リン化物（ＡｌＩｎＡｓＰ），アルミニウムガリウムヒ素窒化物（ＡｌＧａＡｓＮ），インジウムガリウムヒ素窒化物（ＩｎＧａＡｓＮ），インジウムアルミニウムヒ素窒化物（ＩｎＡｌＡｓＮ），ガリウムヒ素アンチモン窒化物（ＧａＡｓＳｂＮ）などのＩＩＩ−Ｖ属四元半導体合金；例えば、ガリウムインジウム窒素ヒ素アンチモン化物（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ），ガリウムインジウムヒ素アンチモンリン化物（ＧａＩｎＡｓＳｂＰ）などのＩＩＩ−Ｖ五元半導体合金；例えば、カドミウムヒ素化物（ＣｄＳｅ），カドミウム硫化物（ＣｄＳ），カドミウムテルル化物（ＣｄＴｅ），亜鉛セレン化物（ＺｎＳｅ），亜鉛硫化物（ＺｎＳ），亜鉛テルル化物（ＺｎＴｅ）などのＩＩ−Ｖ半導体；例えば、カドミウム亜鉛テルル化物（ＣｄＺｎＴｅ，ＣＺＴ），水銀カドミウムテルル化物（ＨｇＣｄＴｅ），水銀亜鉛テルル化物（ＨｇＺｎＴｅ），水銀亜鉛セレン化物（ＨｇＺｎＳｅ）などのＩＩ−Ｖ三元合金半導体；例えば銅塩化物（ＣｕＣｌ）等のＩ−ＶＩＩ属半導体；例えば鉛セレン化物（ＰｂＳｅ），鉛硫化物（ＰｂＳ），鉛テルル化物（ＰｂＴｅ），スズ硫化物（ＳｎＳ），スズテルル化物（ＳｎＴｅ）などのＩＶ−ＶＩ半導体；例えば、鉛スズテルル化物（ＰｂＳｎＴｅ），タリウムスズテルル化物（Ｔｌ_２ＳｎＴｅ_５），タリウムゲルマニウムテルル化物（Ｔｌ_２ＧｅＴｅ_５）などのＩＶ−ＶＩ属三元半導体；例えば、ビスマステルル化物（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）などのＶ−ＶＩ属半導体；例えば、カドミウムリン化物（Ｃｄ３Ｐ２），カドミウムヒ素（Ｃｄ_３Ａｓ_２），カドミウムアンチモン化物（Ｃｄ_３Ｓｂ_２），亜鉛リン化物（Ｚｎ_３Ｐ_２），亜鉛ヒ素化物（Ｚｎ_３Ａｓ_２），亜鉛アンチモン化物（Ｚｎ_３Ｓｂ_２）などのＩＩ−Ｖ属半導体；及び他の半導体であって、鉛（ＩＩ）ヨウ化物（ＰｂＩ_２），ガリウムセレン化物（ＧａＳｅ），スズ硫化物（ＳｎＳ），ビスマス硫化物（Ｂｉ_２Ｓ_３）；銅インジウムガリウムセレン化物（ＣＩＧＳ）；白金ケイ素化物（ＰｔＳｉ），ビスマス（ＩＩＩ）ヨウ化物（ＢｉＩ_３），水銀（ＩＩ）ヨウ化物（ＨｇＩ_２），タリウム（Ｉ）臭化物（ＴｌＢｒ），ウラニウム二酸化物（ＵＯ_２）及びウラニウム三酸化物（ＵＯ_３）、である。

ひとつの好ましい実施態様において、例えば量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子などの前記量子粒子は、例えば、限定されないがＳｉ及びＧａＰなどを含む、間接的バンドギャップを持つ半導体材料を含む。該材料は放射された光子を再吸収する傾向が小さいことが見いだされた。

例えば量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子などの発光可能なサイズを有する半導体を含有する粒子は、例えば、限定されるものではないが、湿式化学的方法、（ＭＯ）ＣＶＤ法及びレーザーアブレーション法などの、当技術分野の熟練者に知られた方法で製造することができる。

他の好ましい実施態様においては、量子コア／シェル粒子が使用される。上で説明したように、量子コア／シェル粒子は、半導体材料のコアを持ち、該コアがさらなる材料でコーティングされている（場合により前記コアの全表面がコーティングされていてもよい）。前記さらなる材料は、半導体材料及び／又は絶縁材料であり得る。前記さらなる材料が半導体材料を含む場合、かかる半導体材料はここで記載したものであってよい。発光は前記コア及び前記コーティングの境界を介して生じ、前記コアのひとつの種類の荷電及び前記シェルの他の種類の荷電を伴うものであり、その結果大きなストークスシフトを与える。ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅ量子コア／シェル粒子がこの効果を示す。従って量子コア／シェル粒子は、ＣｄＳｅがコーティングされたＣｄＴｅコアを含む粒子を含んでいてよい。

ひとつの実施態様において、前記量子コア／シェル粒子は細長い形状であってよく、量子ロッドを含んでいてよい。ＣｄＳｅ／ＣｄＳ量子ロッドは球状系に比べてスペクトルの重なりがより少ない。このことは、再吸収損失を減少することから有利である。従って、前記量子コア／シェル粒子は、細長い形状粒子（場合により量子ロッド）であって、ＣｄＳでコーティングされたＣｄＳｅコアを含む粒子を含んでいてよい。

前記無機発光材料は、電磁波スペクトルのＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）の光を吸収する第一の種と、前記第一の種が吸収する光の波長に比べてより長波長の光を放する第二の種を有し、前記第一の種と前記第二の種の間でエネルギ移動が生じて、前記材料が、電磁波スペクトルのＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）の光を吸収し、かつより長波長の光を放射する。該より長波長の光は前記光発電電池で電圧を生じさせる適切なエネルギ状態である。前記第一及び第二の種は、独立して、量子粒子を含み、前記量子粒子は、場合により、量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子から選択される。

前記無機発光材料は、電磁波スペクトルのＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）の光を吸収する量子粒子の第一の組と、前記量子粒子の第一の組が吸収する光の波長に比べてより長波長の光を放する量子粒子の第二の組を有し、前記第一前記第二の量子粒子の組の間でエネルギ移動が生じて、前記材料が、電磁波スペクトルのＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）の光を吸収し、かつより長波長の光を放射する。該より長波長の光は前記光発電電池で電圧を生じさせる適切なエネルギ状態である。

前記無機発光材料は、例えば異なるサイズ、形状を持つ及び／又は異なる材料を含むなどの、量子粒子の混合物を含むことができる。前記無機発光材料は、例えば、大きなサイズと小さなサイズを持つ量子粒子の混合物（場合により、量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子から選択される）であってもよい。例えば、前記無機発光材料は、電磁波スペクトルのＵＶ及び／又は可視及び／又は赤外領域（場合により３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域）の光を吸収するために適切なサイズの第一の量子粒子の組と、第二の量子粒子の組を含むか又はそれらから形成されてよい。前記第二の量子粒子の組は、前記第一の量子粒子の組が吸収する光の波長よりも長い波長の光を放射するための適切なサイズを有し、前記第一及び第二の量子粒子の組の間にエネルギ移動が生じる。好ましくは、前記第一の量子粒子の組は、前記第二の量子粒子の組に比べてより小さい容量平均直径を有し、前記無機発光材料中の前記第一の量子粒子は前記第二の量子粒子の組に比べてずっと大きい比率で存在するものである。第一及び第二の量子粒子の組を含む前記無機発光材料は、５０ｎｍ以上、好ましくは８０ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍ以上のストークスシフトを持つことが可能である。

ひとつの好ましい実施態様では、前記第二の量子粒子の組は、これらの粒子が作られている半導体のエキサイトンのボーア半径以上の容量平均直径を持ち、前記第一の量子粒子の組は、これらの粒子が作られている半導体のエキサイトンのボーア半径よりも小さい容量平均直径を持つ。前記粒子サイズ及び容量平均直径は、例えば、ＸＲＤピーク幅を用いて、電子顕微鏡を用いて、又はＭａｌｖｅｒｎナノサイザ装置を用いて測定され得る。半導体材料でのエキサイトンのボーア半径は、具体的な材料に依存し、通常１及び１００ｎｍの間である。これは、前記半導体での荷電キャリアの有効質量及び前記半導体の誘電率により決められる。

前記発光材料中の容積比（第二の量子粒子の組の容積：全ての量子粒子の容積）は、好ましくは１：１００以下であり、好ましくは１：２００以下である。前記吸収量子粒子に比べて、発光量子粒子が少ないことは、発光光子の再吸収が減少することが見いだされていることから有利である。

他の実施態様において、２又はそれ以上異なる粒子ドット及び／又は量子ロッド及び／又はコア／シェル系が使用される。前記光発電電池により受け取られるべき放射を生成する量子ユニットは、上で特定した少ない量で存在しなければならない。

前記量子粒子は前記透明マトリックスに全ての知られた技術で分散されることができる。例えば上で説明した液体前駆体を用いることができる。好ましい実施態様において、前記液体前駆体は、ポリマーへは未重合又は不完全に重合された前駆体と前記量子粒子を含む液体である。前記ポリマーへは未重合又は不完全に重合された前駆体は、ポリマーへ重合され、又はポリマーへ完全に重合され、前記量子粒子が分散された前記透明マトリックスを形成する。例えば、前記ポリマーはＰＭＭＡを含んでいてよく、前記液体先駆体は、溶媒、ＭＭＡ及び前記量子粒子を含んでいてよい。

ＰＭＭＡ中の量子粒子の分散物は次のように作られ得る。激しい攪拌条件下で、適切な量の量子粒子コロイド溶液（前記ナノ粒子は場合により、ＴＯＰ／ＴＯＰＯ手順でキャップされており、溶媒は場合によりトルエンである）を蒸留ＭＭＡ（メチルメタクリレート）及び適切なラジカル開始剤（例えばアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を０．０５から０．２重量％）に添加され得る。得られたＭＭＡ／量子粒子分散物は、前記分散物がキャストに適切な粘度となるまで、例えばサーモスタット付きウオータバス中で、約９０℃で２０分間加熱される（プレポリマー化される）。その後前記分散物は適切な型にキャストされる。前記型はさらに、後重合のために例えば６０℃の加熱炉中で加熱して、ＰＭＭＡ中の量子粒子の分散物を形成する。得られた板は平坦化して研磨することができる。

本発明者は、前記光発電電池の効率は次のいくつかの因子のバランスに依存することを見いだした。即ち、限定するものではないが、前記発光材料の吸収及び発光波長、前記発光材料で生じる再吸収の程度及び前記光発電電池のバンドギャップである。前記無機発光材料は、好ましくは、前記光発電電池のバンドギャップエネルギの少なくとも１．０５倍のエネルギ（最大発光強度で）を持つ光を放射する。効率を最大にするために、前記発光材料は好ましくは広い波長に亘り吸収するべきである。約３００ｎｍよりも上の波長で吸収すべきであることが見いだされた。太陽光の光子束は、約１ｅＶの上のエネルギ（約１４２０ｎｍ）を持つ光子は急激に減少するので、前記無機材料は約１４２０ｎｍ波長までのみ吸収する必要がある。しかし、再吸収を最小にするためには、吸収スペクトルと発光スペクトルの重なりできるだけ小さくしなければならない。これにより一般的に大きなストークスシフトに対応する。好ましくは、前記無機発光材料は高波長吸収限界λ^ａを持ち、λ^ａは、前記光発電電池のバンドギャップよりも２０％以上大きいエネルギに対応する波長である（共にエネルギは例えばｅＶとして測定される）。

表１には、前記光発電電池で使用され得る半導体の範囲、それらのバンドギャップ（ｎｍで）、前記半導体材料と共に用いられる前記発光材料の好ましい吸収及び発光領域、及び前記半導体材料と共に用いられる好ましい発光イオンが示されている。

高エネルギバンドギャップを有する半導体材料は、一般的に、低エネルギバンドギャップを有するものと比べてより高い電圧を生じる一方で、共に用いる発光材料で使用可能な吸収スペクトルの幅が、低エネルギバンドギャップ半導体材料に比べてより小さい、という不利点がある。言い換えると、高エネルギギャップを有する半導体材料においては、前記発光材料で吸収のために用いられる電磁波スペクトルの程度が、低エネルギバンドギャップを有する半導体材料に比べてより小さいということであり、従って入射光光子が電気に変換される効率がより小さく、効率が減少するであろう。表１から次のことが分かる。ＣｄＴｅ及びＧａＩｎＰはここで示される他の半導体材料よりも大きなバンドギャップを持つ（これは、他の材料に比べてより短いバンドギャップ波長に対応する）が、ＣｄＴｅ及びＧａＩｎＰと共に使用可能な関連する発光材料の吸収スペクトルの幅は、他の物に比べて相対的に小さい。本発明者は、前記光発電電池の材料のバンドギャップが好ましくは少なくとも７５０ｎｍ（又は、最大バンドギャップエネルギが約１．６５ｅＶ）である、ということを見いだした。従って、前記光発電電池は好ましくは、Ｇｅ、ＧａＩｎＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ_２、Ｓｉ及びＧａＡｓから選択される。

上表１には、通常ひとつのタイプの発光材料及び／又は発光種を含む導波路のための装置の効率を増加させる半導体材料及び発光イオンの組合せを示す。

光発電装置の製造
本発明は、光発電電池及び透明マトリックスを含む導波路を含む光発電装置を提供するものである。前記透明マトリックスには、（ｉ）無機発光材料の粒子が分散され及び／又は（ｉｉ）無機発光材料がその少なくとも一方の側に設けられ、前記導波路が前記光発電電池と、使用の際に、前記発光材料から放射される光の少なくともいくらかを前記光発電電池を通過させて前記電池に電圧を生じさせるように関連付けされている。

前記導波路及び／又は前記透明マトリックスは、複数の側面部を持つ。ひとつの実施態様において、光発電電池は前記導波路の少なくとも一側面に設けられる。好ましくは、少なくともひとつの光発電電池は、前記導波路の２つの側面部にそれぞれに設けられる。前記透明マトリックスは光が前記透明マトリックスに入る第一の側面部及び前記第一の側面部と対抗する側面部を有し、前記透明マトリックスの残りの側面部は横向き側面部とする。好ましくはひとつ又はそれ以上の光発電電池が前記横向き側面部に位置する。
ひとつの実施態様において、光フィルタが前記導波路又は前記透明マトリックスの少なくともひとつの側面部に設けられる。前記光フィルタは、好ましくは、前記発光材料により吸収されるべき光を透過させることができるものであるが、しかし前記発光材料により放射される光は反射することができるものである。適切なフィルタは、干渉フィルタである。かかるフィルタは、当該技術分野の熟練者にとって知られたものであり、屈折率の大きい値と小さい値を交互に有する材料の層からなっている。好ましい干渉フィルタには、限定されるものではないが、ＳｉＯ_２（屈折率＝１．４６）とＴｉＯ_２（屈折率＝２．４２）の交互層を含むフィルタ又は低屈折率と高屈折率の交互の有機層からなるフィルタが挙げられる。

好ましくは、吸収されるべき光と放射された光の両方を反射する反射材料が、前記光発電電池が設けられ及び光が前記透明マトリックスを通過する側、又は一部の側以外の前記導波路の側面部又は側面部の一部に、設けられる。前記反射材料は、例えば白色反射材料及び／又は鏡などであってよい。前記白色反射材料には、例えばＴｉＯ_２粒子を含む白色顆粒を含んでいてよい。適切な材料は当該技術分野の熟練者にとって知られたものである。

ひとつの実施態様において、前記無機発光材料の粒子は、前記透明マトリックス中に分散され、及び前記透明マトリックスは複数の側面部を含み、前記マトリックスの少なくとも一方の側面部に光発電電池が設けられ、少なくとも一方の側面部に光フィルタが設けられ、残りの側面部には、吸収されるべき及び前記無機発光材料により放射される光の両方の光を反射する反射材料が設けられている。
ひとつの実施態様において、前記無機発光材料は、前記透明マトリックスの一方の側面部に設けられる。前記無機発光材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る層が、前記透明マトリックスの一方側面部に設けられてもよい。前記層が本質的に前記無機発光材料から成る場合、前記層中の他の材料は、好ましくは５重量％より少なく、より好ましくは２重量％よりも少なく、最も好ましくは１重量％よりも少ない。前記無機発光材料は、前記透明マトリックス上に設けられ、場合により層として、又は層又はフィルム中に設けられる。前記発光材料が設けられる前記透明マトリックスの側面部は、好ましくは、光が前記導波路に入る側と対抗する側であり、好ましくは、ひとつ又はそれ以上の光発電電池が前記横向き側面部のひとつ又はそれ以上の側に設けられている。前記無機発光材料の層は、好ましくは、前記無機発光材料の放射光子の少なくとも９０％が前記導波路に戻されるために十分な厚さを持つ。反射材料は前記無機発光材料の外側面部に設けられ、放射光子を反射して戻すことを補助する。

ひとつの実施態様において、前記光発電電池はさらに、光を異なる波長に分離する回折部材を含むことができる。回折部材は前記導波路と共に用いられ、前記光が回折部材に入射して前記導波路に入る前に異なる波長に分離する。これは、ひとつより多い種類の光発電電池を用いる場合に有利である。この方法により、前記光の光子エネルギは使用される前記光発電電池に最適化され得る。より高い光子エネルギを持つ光は、前記対応する光発電電池によりより高い電圧を生じる結果となる。

ひとつの実施対応において、前記装置は、タンデム太陽電池システムを含むことができ、それは一連の異なる太陽電池が前記装置に含まれる。異なる太陽電池は、好ましくは異なるバンドギャップを持つ材料を含んでいてよい。前記異なる太陽電池は、好ましくは前記装置の横向き側に設けられ、光が進行する方向に、即ち前記導波路に入る側から離れる方向へ、前記太陽電池のバンドギャップが減少するように設けられる。

前記導波路及び／又は前記透明マトリックスは、一般に立方形状であってよい。それは、光を受け入れる表面（場合によりその上に光フィルタを設ける）、前記光を受け入れる表面に対抗する表面、及び残りの横向き側面部を持つ表面である。光を受け入れる表面とそれに対抗する表面の距離は好ましくは、対抗する横向き側面部間の距離のいずれよりも短い。光フィルタは、好ましくは、光を受け入れる表面に設けられる。好ましくは、ひとつ又はそれ以上の光発電電池が前記横向き側面のひとつ又はそれ以上に設けられる。吸収されるべき光と放射された光を共に反射する反射材料は好ましくは前記導波路の残りの面に設けられる。
図１ａ及び１ｂは、本発明の光発電装置１のひとつの実施態様を示す。当該実施態様の前記導波路の透明マトリックス２は立方形状であり、上面、４つの横向き面、及び底面を持つ。図１ａは、前記光発電装置の上面図であり、図１ｂは前記光発電装置の側面図である。無機発光材料の粒子（図示されていない）は前記導波路２の前記透明マトリックス中に分散されている。干渉フィルタ３（図１ａには示されていない、図１ｂに示される）は、前記透明マトリックスの上表面に設けられている。さらに光発電電池４が前記導波路の２つの対抗する横向き表面に設けられる。白色反射材料５は、前記導波路の残りの面に設けられる。

図２ａ及び２ｂは、本発明の光発電装置１のひとつの実施態様を示す。当該実施対応における前記導波路は、立方形状であり、上面、４つの横向き面、及び底面を持つ。図２ａは、前記光発電装置の上面図であり、図２ｂは前記光発電装置の側面図である。無機発光材料の層６が前記透明マトリックスの底面に設けられている、干渉フィルタ３（図２ａには示されていない、図２ｂに示される）が、前記透明導波路の上表面に設けられ、光発電電池４が前記導波路の対抗する横向き表面に設けられる。白色反射材料５が前記導波路の残りの面に設けられる。

図３は、本発明のタンデム光発電電池のひとつの実施態様を示す。前記装置は立方形状であり、上面と４つの横向き表面と底表面を持つ。

図３は、前記光発電装置の上面図である。前記発電装置は、平行に置かれるいくつかの光発電電池を含み、それぞれの電池の組の間に透明マトリックス２が設けられる。それぞれの透明マトリックスの底表面には無機発光材料の層（図示されていない）が設けられる。干渉フィルタ（図示されていない）がそれぞれの透明マトリックスの上表面に設けられる。白色反射材料が、前記透明マトリックスの残りの表面に設けられる。

Claims (12)

1. 光発電電池を有する光発電装置で用いられる導波路であり：
   当該導波路は透明マトリックスを有し、
   前記透明マトリックスが、（ｉ）前記マトリックス中に分散された無機発光材料の粒子及び／又は（ｉｉ）前記マトリックスの少なくとも一方側に設けられた無機発光材料を含み、
   前記無機発光材料が、３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域内の光を吸収する第一の種と、前記第一の種の吸収よりも大きな波長で光を放射する第二の種を含み、エネルギ移動が、前記無機発光材料が３００ｎｍから１４２０ｎｍの領域内の光を吸収し、かつ前記第一の種の吸収よりも大きな波長で発光することで再吸収を抑制するように、前記第一の種と前記第二の種との間で生じ、前記第一の種の吸収よりも大きな波長の光は、前記光発電電池に電圧を生じさせるのに適切なエネルギーであり、
   前記第一の種は量子粒子を含む第1組の半導体によって生成され、
   前記第二の種は量子粒子を含む第2組の半導体によって生成され、
   前記第2組の量子粒子は、該第2組の量子粒子が作られる半導体材料内での励起子のボーア半径以上の体積平均直径を有し、
   前記第１組の量子粒子は、該第1組の量子粒子が作られる半導体材料内での励起子のボーア半径未満の体積平均直径を有し、
   前記無機発光材料は、５０ｎｍ以上の吸収線幅、２０ｎｍ以下の発光線幅、及び５０ｎｍ以上のストークスシフトを有する、
   導波路。
2. 請求項１に記載の導波路であり、前記無機発光材料が、１００ｎｍ以上の吸収線幅と、１０ｎｍ以下の発光線幅及び１００ｎｍ以上のストークスシフトを持つ、導波路。
3. 請求項１又は２に記載の導波路であり、前記導波路がさらに、前記透明マトリックスの少なくとも一方側に設けられる干渉フィルタを含み、前記干渉フィルタが、（ｉ）前記無機発光材料により吸収される電磁波領域内の光を前記導波路内に透過し、及び（ｉｉ）前記無機発光材料から放射される前記電磁波領域内の光を選択的に反射する、導波路。
4. 請求項１に記載の導波路であり、前記透明マトリックスが非結晶性材料を含み、及び前記無機発光材料が結晶性材料を含む、導波路。
5. 請求項１に記載の導波路であり、前記無機発光材料が無機燐光材料を含む、導波路。
6. 請求項５に記載の導波路であり、前記無機燐光材料が、第一の及び第二の種を含む無機ホスト材料を含み、前記第一の種が、Ｃｅ^３＋、Ｅｕ^２＋及びＹｂ^２＋から選択されるイオンであり、前記第二の種が、希土類金属及び遷移金属イオンから選択されるイオンである、導波路。
7. 請求項６に記載の導波路であり、前記無機燐光材料がＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２；Ｃｅ，Ｃｒを含む、導波路。
8. 請求項１に記載の導波路であり、前記無機発光材料が、無機蛍光材料を含む、導波路。
9. 請求項８に記載の導波路であり、前記無機蛍光材料が、第一の種と第二の種を含む無機ホスト材料を含み、前記無機ホスト材料中の前記第一の種の濃度が、前記第二の種の濃度よりも大きく、かつ前記第二の種が前記無機ホスト材料中に０．５モル％以下である、導波路。
10. 請求項８に記載の導波路であり、前記無機蛍光材料がＣａＡｌＳｉＮ_３；Ｃｅ，Ｅｕを含む、導波路。
11. 請求項１に記載の導波路であり、前記第一及び第二の種が、独立して、量子ドット、量子ロッド及び量子コア／シェル粒子から選択される種を含む、導波路。
12. 光発電電池及び請求項1乃至11のうちいずれか一項に記載の導波路を有する光発電装置であって、
    前記導波路が前記光発電電池と、使用の際に、前記無機発光材料から放射される光の少なくとも一部が前記光発電電池に入り前記電池に電圧を生じるように関連付けされる、光発電装置。

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