JP2022062642A - 太陽光発電のための光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽光を集光して光電池セルに照射し、光電池セルにて太陽光発電を実行するよう構成された光電変換装置に於いて、太陽光から電力を得る際のエネルギーの損失をできるだけ低減する構成を提供する。【解決手段】光電変換装置１は、太陽光を吸収して蛍光を放出する蛍光物質が分散され且つ外部と屈折率が異なる材料から形成された板状構造を有し、その一方の面から太陽光が入射すると、蛍光物質から放出される蛍光が縁面に集光されて出射する蛍光導光板２と、蛍光導光板２の面上に載置されて太陽光の照射を受けて発電する第一の光電池セル３と、蛍光導光板２と第一の光電池セル３との上に重畳され、外表面から入射した光が第一の光電池セル３へ集光されるよう構成されたレンズ層４と、蛍光導光板２の縁面から出射した蛍光の照射を受けて発電する第二の光電池セル５と、光電池セルにて得られた電力を取り出すための電力出力手段１０ａ、１０ｂとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、光電池セルを基板上に担持する光電変換装置に係り、より詳細には、太陽光を集光して光電池セルへ照射するよう構成された光電変換装置に係る。
太陽光発電システムに於いて、太陽電池セルなどの光電池セル当たりの発電量を増大し、或いは、システムに於ける発電効率を向上しつつ、利用する光電池セルの数を少なくして、システムのコスト若しくは寸法の低減を図るために、そのままでは強度の低い太陽光を集光して光電池セルへ照射するための太陽電池モジュール或いは光電変換装置の構成が種々提案されている。例えば、特許文献１に於いては、集光レンズが太陽電池セルの受光面側に配置されて太陽光を集光するよう構成された集光型太陽光発電装置に於いて、集光レンズと太陽電池セルとの間に、太陽光を太陽電池セルの受光面に効率よく集光し、且つ、光の過度の集中を抑制するように構成された平面で象られた二次レンズを設けることが提案されている。特許文献２では、基板（後面基板）上に配置された太陽電池セルの太陽光の入射面から隔置して前面基板を配置し、前面基板と後面基板との間にて、それぞれの基板上で光が反射するようにして、光を閉じ込め、これにより、太陽電池セルの受光面に照射される光量を増大する構成や、前面基板に太陽光を集光して太陽電池セルへ照射するレンズを形成した構成が開示されている。特許文献３に於いては、蛍光物質を含有するガラス又はアクリル樹脂性の透光性基板の縁に太陽電池セルを密接した構造を形成し、透光性基板へ進入した太陽光の一部の波長成分は、そのまま透光性基板の表面にて全反射して透光性基板の縁へ集光され、別の一部の波長成分は、蛍光物質に吸収されて、その蛍光物質から放出された蛍光となって、透光性基板の表面にて全反射して透光性基板の縁へ集光され、太陽電池セルへ照射される構成が提案されている。更に、本発明の発明者等の一部による非特許文献１に於いては、太陽電池モジュールが車両などの移動体上に設置された場合に、太陽から直接にレンズへ到達する直射光成分だけではなく、雲や建物などに散乱された太陽光の散乱光成分をもレンズにて集光することを考慮して、年間を通して、高効率に太陽光を集光できるように構成された非球面－非対称レンズを、光電池セルへ照射する太陽光を集光するためのレンズとして採用することが提案されている。
特開２０１４－０１０２５１ 特開２０２０－５１３１５９ 特開昭５８－０４９８６０
Static concentrator photovoltaics for automotive applications, T.Masuda et.al.,Solar Energy 146 (2017) 523-531
上記の如き太陽光を集光して光電池セルに照射する太陽電池モジュールなどの光電変換装置に於いて、太陽光をレンズにより集光する構成の場合（例えば、特許文献１、２）には、太陽光のレンズへの入射角が変わると、レンズにより集められた光の照射位置又は範囲も変化するので、装置に到来する太陽光をできるだけ損失を少なく光電池セルへ当てるためには、太陽光の向きの変化に合わせてレンズと光電池セルの向きを高精度に変化させる太陽追尾機構が必要となる（レンズとセルの向きが固定される場合には、後の実施形態の欄にて説明される如く、レンズへの太陽光の入射角（レンズの光軸に対する太陽光の入射方向の角度）の増大と共に、光電池セルへの照射光量が低減し、入射角が或る角度を超えると、太陽電池セルへ光が照射されなくなってしまうこととなる（図５）。）。しかしながら、レンズとセルの向きを太陽光の向きに高精度に追尾させられる太陽追尾機構を設ける場合、構成が大掛かりなものとなり、装置の寸法が大きくなり、更に、コストも増大する可能性があるので、高精度の太陽追尾機構を設けなくとも、或いは、太陽追尾機構自体を設けることなく、できるだけ多くの太陽光エネルギーを電力に変換できるようになっていれば、有利である（非特許文献１に於いて、非球面－非対称レンズを用いることで、太陽追尾機構を用いずに、或る程度の範囲（概ね６０度以内）の入射角の光を光電池セルへ集光することが可能であるが、更に入射角が大きい範囲の光を光電池セルへ到達させることは困難となっている。）。一方、蛍光物質が分散された透光性基板（以下、「蛍光導光板」と称する。）の縁に太陽光から蛍光物質により変換された蛍光を集光する構成の場合（例えば、特許文献３など）、太陽追尾機構を用いずに基板の縁面の光電池セルへ集光できることになるが、光電池セルに与えられるエネルギーは、太陽光エネルギーが蛍光物質により変換されて得られる蛍光エネルギーとなるので、その変換過程に於いて、蛍光物質の量子収率や光の吸収波長と発光波長との差に依存してエネルギーの損失が生じ得る。従って、太陽光エネルギーの利用効率を高くするためには、太陽光はできるだけ蛍光への変換過程を経ずにそのまま光電池セルに吸収されるようになっていることが好ましい。
かくして、上記の如き従前の技術を鑑み、本発明の主な課題は、太陽光（又は太陽光エネルギー）を集光して光電池セルに照射し、光電池セルにて太陽光発電を実行するよう構成された光電変換装置に於いて、高精度の太陽追尾機構を用いなくとも、太陽光エネルギーの利用効率が更に向上され、或いは、太陽光から電力を得る際のエネルギーの損失をできるだけ低減することの可能な構成を提供することである。
本発明の一つの態様によれば、上記の課題は、光電変換装置であって、
第一の面と、第二の面と、前記第一及び第二の面の周縁を接続する縁面とから成る蛍光導光板にして、その内部又は前記第一若しくは第二の面上に太陽光の少なくとも一部の成分を吸収して蛍光を放出する蛍光物質が分散され且つ外部と屈折率が異なる材料から形成された板状構造を有し、前記第一の面から太陽光が入射すると、前記蛍光物質から放出される前記蛍光が前記縁面に集光されて出射する蛍光導光板と、
前記蛍光導光板の前記第一の面上に載置されて太陽光の照射を受けて発電する第一の光電池セルと、
前記蛍光導光板の前記第一の面と前記第一の光電池セルとの上に重畳されたレンズ層にして、その前記蛍光導光板の前記第一の面に対向する面とは反対の側の外表面から入射した光が前記第一の光電池セルへ集光されるよう構成されたレンズ層と、
前記蛍光導光板の前記縁面上に載置されて該縁面から出射した蛍光の照射を受けて発電する第二の光電池セルと、
前記第一の光電池セル及び前記第二の光電池セルのそれぞれにて得られた電力を取り出すための電力出力手段と
を含む装置
によって達成される。
上記の構成に於いて、「蛍光導光板」とは、板状構造の広い面（第一の面）から光が入射すると、内部に又は第一若しくは第二の面上に分散された蛍光物質が進入した光により励起されて蛍光を発し、その蛍光が板状構造の縁面へ導かれて集光されて出射するよう構成された板状部材である。蛍光物質から放出される蛍光は、放射方向に発せられるところ、板状構造を成す蛍光導光板の屈折率がその外部の屈折率と異なるときには、板状構造の広い面（第一の面、第二の面）と外部との界面に於いて、蛍光の一部は透過してしまうが、残りの蛍光は反射され（蛍光導光板の屈折率が外部の屈折率よりも高いときには、全反射によって相当量の蛍光が反射される。）、結果的に、板状構造の縁面へ集光し、そこから出射されることとなる。蛍光導光板を形成する材料に於いて分散される「蛍光物質」は、励起光が照射されると、その光を吸収して、蛍光を発する蛍光色素、量子ドットなどの任意の物質であってよい。なお、第一の面上又は第二の面上に蛍光物質を分散させる構成は、実施の態様に於いて、例えば、蛍光物質が分散された薄膜を第一の面上又は第二の面上に貼着又は形成することにより達成されてもよい。
「第一の光電池セル」は、太陽光に含まれる光成分を吸収して発電する任意の形式の光電池セル又は光電変換素子である。第一の光電池セルとしては、好適には、発電効率の優れたIII-V族多接合型太陽電池セルが有利に用いられるが、CIS太陽電池、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、ペロブスカイト太陽電池などのその他の光電池セルであってもよい。
「レンズ層」は、上記の如く、蛍光導光板の第一の面と第一の光電池セルとの上に重畳された透光性のある層であって、その外表面（蛍光導光板の第一の面と対向している面とは反対側の表面）から入射した光を蛍光導光板の第一の面とレンズ層との間に挟持された状態となっている第一の光電池セルへ集光されるよう構成されたレンズ部分の形成された層である。かかるレンズ層に形成されるレンズ部分は、入射光を集光することが可能であれば、任意の形状を有していてよく、球面レンズ、非球面レンズ、非球面－非対称レンズのいずれであってもよい。
「第二の光電池セル」は、蛍光導光板内の蛍光物質から発せられる蛍光成分を吸収して発電する任意の形式の光電池セル又は光電変換素子である。なお、更に太陽光に含まれる光成分を吸収して発電する素子であってもよい。第二の光電池セルとしては、例えば、CIS太陽電池、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、ペロブスカイト太陽電池などの光電池セルであってよい。
上記の本発明の装置の構成に於いては、後に詳細に説明される添付の図面からも理解される如く、装置のレンズ層の外表面から太陽光が入射されると、そのできるだけ多くの成分がレンズ層のレンズ部分の集光作用によって第一の光電池セルへ照射され、そこに於いて電力に変換される。一方、太陽光のうちで、レンズ部分から外れた成分や入射角が大きく第一の光電池セルへ当たらなかった成分は、蛍光導光板へ進入し、そこに於いて、蛍光物質に吸収され、蛍光として放出され、蛍光導光板の縁面に集光されて、第二の光電池セルへ照射され、そこに於いて電力に変換されることとなる。かかる構成によれば、まず、第一の光電池セルに於いては、レンズ層に入射し集光された太陽光がそのまま吸収されて電力に変換され、高効率での光電変換が達成されるので、できるだけ多くの太陽光成分が第一の光電池セルに照射されるようにすることで、太陽光エネルギーの損失をできるだけ抑制した態様での発電が期待される。しかしながら、太陽光のうち、レンズ部分から外れる成分やレンズ部分への入射角が大きい成分は、第一の光電池セルへ照射されず、レンズ層に照射された太陽光の全てをレンズ層の集光作用で第一の光電池セルに照射することは困難である。そこで、本発明の装置では、第一の光電池セルの基板として、上記の如き蛍光導光板を採用し、その蛍光導光板の縁面に第二の光電池セルを配置し、レンズ層に入射したが第一の光電池セルに当たらなかった太陽光成分を蛍光導光板へ導入し、そのエネルギーを第二の光電池セルにて捕集し発電に利用できる構造を構成し、これにより、装置に於いて、より多くの太陽光エネルギーが電力として収集することが可能となっている。換言すれば、本発明の装置に於いては、レンズ層と第一の光電池セルとの構成によって、より高効率な光電変換を達成すると共に、蛍光導光板と第二の光電池セルとの構成により、レンズ層に対する太陽光の入射角が種々変化しても、太陽光エネルギーを電力として収集できるようにして、光電変換装置としてのロバスト性（太陽光の入射角の変化による発電効率の低下を抑制できる性能）が向上されることとなる。
上記の構成に於いて、エネルギーの変換効率は、太陽光がそのまま第一の光電池セルに吸収されて電力に変換される場合に最も高くなるので、レンズ層は、入射される光のうちのできるだけ多くの成分を第一の光電池セルへ集光できるようになっていることが好ましい。具体的には、第一の光電池セル上のレンズ部分により集光された光の照射領域の面積に対するレンズ部分に於ける集光される光の入射する面（入射面）の面積の比（以下、「集光比」と称する。）が、その最大値に於いて、２以上、好適には、４以上となるように、レンズ層のレンズ部分の形状とレンズ部分に対する第一の光電池セルの配置が調整されてよい。また、レンズ層で集光された光は、そのできるだけ多くが第一の光電池セルの受光面に照射されるようになっていることが好ましいので、レンズ層は、その外表面へ入射する光の入射角が所定角を下回るときにレンズ層により集光された光が第一の光電池セルの受光面に照射されるよう構成されていてよい。典型的には、レンズ層は、その外表面に対して垂直の方向から光が入射するときにレンズ層のレンズ部分により集光された光の全てが第一の光電池セルの受光面に照射されるよう構成されていてよいが、これに限定されない。また、レンズ層の光の入射する面全体に対するレンズ部分の占有する面の割合は、大きいほど、好ましいところ、典型的には、例えば、７０％以上であってよい。特に、レンズ層と第一の光電池セルとの幾何学的構成としては、非特許文献１に例示された非球面－非対称レンズを用いた構成が有利に採用されるが（図５参照）、これに限定されない。
上記の本発明の装置の構成に於いて、複数の第一の光電池セルが、基板（蛍光導光板）上に載置される場合、レンズ層にてそこに入射する太陽光が集光されるので、第一の光電池セルは、太陽光の集光される部位に配置されればよく、従って、蛍光導光板の第一の面上に、複数個の第一の光電池セルが離隔して配置されていてよい。その際、蛍光導光板の第一の面上の第一の光電池セルの配置されていない領域に到達した太陽光は、蛍光導光板内に進入の後、上記の如く、蛍光に変換されて、第二の光電池セルへ供給されることとなり、レンズ層で集光された光の幾分かが第一の光電池セルから外れても蛍光導光板を介して電力として収集されることとなるので、レンズ層にて集光された光の全てが厳密に第一の光電池セルへ照射されるようになっていなくてもよく、従って、高精度の太陽追尾機構がなくても、或いは、太陽追尾機構自体がなくても、高い効率にて太陽光から電力が得られることが期待される。
上記の本発明の装置の実施の形態に於いて、蛍光導光板内へ進入した光とそこで放出された蛍光ができるだけ多く蛍光導光板内に閉じ込められ、その縁面に集光されるように種々の構成が適用されてよい。例えば、蛍光導光板の屈折率がレンズ層の屈折率よりも高ければ、蛍光導光板からの光が、レンズ層と蛍光導光板との界面に於いて、全反射により蛍光導光板へ閉じ込められるので、蛍光導光板の屈折率はレンズ層の屈折率よりも高くなるように、それぞれの材料が選択されてよい。また、レンズ層と蛍光導光板との接着が接着剤により達成される場合には、光ができるだけ蛍光導光板の内側から第一の面の外へ放出されないように、蛍光導光板とレンズ層とを接着する第一の接着層の屈折率が蛍光導光板の屈折率よりも低く、レンズ層の屈折率よりも高くなるように、それぞれの材料が選択されてよい。なお、蛍光導光板の第一の面上の第一の光電池セルが配置されている部位については、光はレンズ層から入射してこないので、その部位の接着層の屈折率は、レンズ層の屈折率よりも低くてもよく、むしろ、かかる部位の屈折率が低いほど、蛍光導光板内に光を閉じ込める作用が強くなる。従って、蛍光導光板と第一の光電池セルとの間を接着する第二の接着層の屈折率は第一の接着層の屈折率よりも低くなるように、材料が選択されてよい。なお、可能であれば、第二の接着層は、空隙であってもよい。更に、蛍光導光板内の光が蛍光導光板の第二の面（第一の面の裏側）から放射されないように、蛍光導光板の第二の面が光を実質的に透過させずに反射する反射ミラー層にて覆われていてもよい（「光を実質的に透過させず」とは、有意な量の太陽光又は蛍光を透光させないことを意味する。）。また更に、蛍光導光板の縁面に於いて、第二の光電池セルが載置されていない部分が在る場合には、その部分からの光の放出を防止するために、かかる部分が、光を実質的に透過させずに反射する反射ミラー層にて覆われていてよい。
上記の本発明の装置の蛍光導光板内の蛍光物質について、その種類によっては、蛍光の有意な再吸収が生じるため、その分、エネルギーの損失が大きくなり得る。そこで、蛍光導光板内に於いて、第一の光電池セルが配置されている部位の近傍など、太陽光が到達し難い領域に於いては、蛍光物質量を低減し、蛍光の再吸収が低減されるようになっていてよい。従って、上記の装置に於いて、蛍光導光板の内部に於いて、第一の面から入射する光が到達しない領域の蛍光物質の密度が第一の面から入射する光が到達する領域の蛍光物質の密度よりも低くなるように、蛍光導光板内の蛍光物質の分布が調整されていてよい。このことにより、蛍光の再吸収量が低減されるだけでなく、不要な蛍光物質量が低減され、蛍光物質の使用量の節約も達成される。
ところで、本発明の装置は、太陽光の入射角に対する光電変換効率のロバスト性の向上が期待されるので、移動体の屋根など、種々の形状の物体上に適用可能となることが期待される。その場合、物体の形状に合わせて、或る程度、変形できることが好ましい。従って、上記の本発明の装置に於いて、蛍光導光板とレンズ層が可撓性材料にて形成されていてよい。
かくして、上記の本発明によれば、太陽光を集光して光電池セルに照射し、光電池セルにて太陽光発電を実行する光電変換装置に於いて、レンズ層で集光した光の多くを第一の光電池セルにて吸収し、第一の光電池セルに到達しなかった光については、蛍光導光板を介して第二の光電池セルにてより吸収し、それぞれ、光電変換により発電が実効されるようになっているので、太陽光の入射角に対する発電効率について、ロバスト性を向上することが可能となる。従って、本発明の装置の構成を用いて、太陽光をそのまま吸収して発電する第一の光電池セルの効率の最大化を図ることにより、効率の最大化とロバスト性確保とが両立されることが期待される。更に、本発明によれば、光電変換装置のレンズ部分に於ける太陽光の入射角の変化によるロバスト性が向上されることから、レンズ部分に於ける太陽光の入射角に対して許容される範囲が広がるので、太陽追尾機構を用いなくとも要求される発電効率に達成できる場合が多くなることが期待され、或いは、太陽追尾機構を用いる場合でも、満たすべき追尾精度を有利に低減することが可能となる。
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
図１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、本発明による光電変換装置の一つの実施形態の模式的な上面図と断面図である。なお、（Ｂ）は、蛍光物質は、蛍光導光板の内部に分散されている例である。図１（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明による光電変換装置の蛍光導光板の別の実施形態であり、（Ｃ）は、蛍光導光板の上面（第一の面）上に蛍光物質が分散されている例であり、（Ｄ）は、蛍光導光板の下面（第二の面）上に蛍光物質が分散されている例である。 図２（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態による光電変換装置に入射する太陽光の進路を模式的に示した図である。（Ａ）は、太陽光がレンズ層及び第一の光電池セルの受光面に垂直な方向（入射角＝０°）から入射している状態を示しており、（Ｂ）は、太陽光がレンズ層及び第一の光電池セルの受光面に対して斜め方向（入射角＝θ）から入射している状態を示している。図２（Ｃ）は、本実施形態による光電変換装置の蛍光導光板に於いて蛍光物質から放出された蛍光の進路を模式的に示した図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本実施形態による光電変換装置の蛍光導光板内に蛍光を閉じ込めるための種々の構成の例を模式的に示した図である。（Ａ）は、レンズ層と蛍光導光板の間に接着層が介在し、蛍光導光板の下面（第二の面）上に反射ミラーが貼着された例であり、（Ｂ）は、第一の光電池セルと蛍光導光板の間にレンズ層と蛍光導光板の間とは異なる接着層が介在し、蛍光導光板の下面（第二の面）上に反射ミラーが貼着された例であり、（Ｃ）は、蛍光導光板の縁面の一部に第二の光電池セルが配置され、それ以外の部位には、反射ミラーが貼着された例である。 図４は、本実施形態による光電変換装置の蛍光導光板内に於いて、太陽光の到達しにくい部位の蛍光物質の分布を低減した例を模式的に示した図である。 図５は、シミュレーションにより算出した、太陽光をレンズにより集光して光電池セルに照射した場合の光電池セルの発電出力の太陽光の入射角に対する依存性を示している。図に於いて、球面レンズを用いた場合と、非球面－非対称レンズを用いた場合とが示されている（非特許文献１からの引用）。
１…光電変換装置
２…蛍光導光板
２ａ…蛍光導光板の上面（第一の面）
２ｂ…蛍光導光板の下面（第二の面）
２ｄ…蛍光物質層
２ｅ…蛍光導光板の縁面
３…光電池セル（第一の光電池セル）
４…レンズ層
４ａ…レンズ部分
４ｂ…接続部分
５…光電池セル（第二の光電池セル）
６…蛍光物質
７…接着層（第一の接着層）
７ａ…接着層（第二の接着層）
８、８ａ…反射ミラー（蛍光導光板の下面）
９…反射ミラー（蛍光導光板の縁面）
１０ａ、１０ｂ…電力線
ＳＬ…太陽光
ＦＬ…蛍光
光電変換装置の基本構成
図１（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本実施形態の光電変換装置１は、その基本構成に於いて、板状構造の蛍光導光板２と、その第一の面（図に於いて、上面）２ａ上に載置された光電池セル（第一の光電池セル）３と、蛍光導光板２の上面２ａ及び光電池セル３に重畳されるレンズ層４と、蛍光導光板２の縁面２ｅ上に配置された光電池セル（第二の光電池セル）５とを含む。なお、図示の如く、光電池セル３、５にてそれぞれ発電された電力は、電力線１０ａ、１０ｂにより外部に取り出されるようになっていてよい。
上記の光電変換装置１に於いて、蛍光導光板２は、図示の如く、太陽光を吸収して発電する光電池セル３の配置される基板として用いられると同時に、光電池セル３に照射されなかった光を受容して、その内部に分散された蛍光物質により蛍光に変換して、縁面に集光する機能を果たすよう構成される。蛍光導光板２の母材は、透明若しくは透光性を有する屈折率が空気よりも高い材料であり、例えば、高屈折ポリメタクリル酸メチル樹脂（屈折率1.60）、ポリカーボネート樹脂（屈折率1.59）、ポリエステル樹脂（屈折率1.60）アクリル樹脂（1.49～1.53）、シリコン樹脂（1.43）、石英ガラス（1.54～1.55）などであってよい。なお、後に説明される如く、光電変換装置１が任意の物体表面に適用できるように或る程度にて湾曲変形可能であると有利であるので、蛍光導光板２の母材としては、好ましくは、可撓性のある材料が選択されてよい。蛍光導光板２に分散される蛍光物質は、太陽光を吸収して、蛍光を放出する任意の物質であってよい。この点に関し、太陽光の波長帯域は、広範囲であるので、蛍光物質の吸収波長帯域もできるだけ広範囲であることが好ましい。蛍光物質としては、具体的には、例えば、Lumogen（登録商標）F Dyes Yellow083、Yellow170、Orange240、Red305などの蛍光色素や太陽光の波長成分を吸収する量子ドット（CsPbBrxI3－x）などが選択されてよい。なお、蛍光物質は、図１（Ｃ）の如く、蛍光導光板２の上面２ａに蛍光物質層２ｄとして貼着されてもよく、或いは、図１（Ｃ）の如く、蛍光導光板２の下面（第二の面）２ｂに蛍光物質層２ｄとして貼着されてもよい（これらの場合、蛍光導光板２の内部は、透明であってよい。）。
蛍光導光板２の上面２ａ上に載置される光電池セル３は、太陽光の光成分を吸収して発電する任意の形式の太陽電池セル又は光電変換素子であってよい。上記の如く、太陽光の波長帯域は広範囲であり、また、本実施形態に於いては、後に説明されるように、太陽光ＳＬをレンズ４ａにて集光して光電池セル３へ照射するので、吸収可能な波長帯域が広く、また、比較的高い光強度が照射されたときにも発電効率の高い光電池セルが有利に用いられる。具体的には、光電池セル３としては、III-V族多接合型太陽電池が選択されてよい。なお、その他の形式の光電池、例えば、CIS太陽電池、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、ペロブスカイト太陽電池も、光電池セル３として採用されてよい。
蛍光導光板２の上面２ａ及び光電池セル３に重畳されるレンズ層４は、後に詳細に説明される如く、光電池セル３の各々に対して太陽光を集光して照射するように形成されたレンズ部分４ａと、かかるレンズ部分４ａを接続する接続部分４ｂとを有する層状構造であってよい。レンズ層４は、透明若しくは透光性を有する屈折率が空気よりも高い材料にて形成されてよく、その材料としては、具体的には、シリコン樹脂(屈折率1.43)、低屈折ポリメタクリル酸メチル（屈折率1.40）、ソーダガラス（屈折率1.51）が採用されてよい。なお、後に説明される如く、蛍光導光板２へ進入した光及び蛍光導光板２にて放出された蛍光が蛍光導光板２内に閉じ込められるように、レンズ層４の材料には、好ましくは、その屈折率が蛍光導光板２の屈折率よりも低いものが選択されてよい。
また、レンズ層４に於いて、レンズ部分４ａは、その外表面（蛍光導光板２に対向又は近接した面とは反対側の面、図に於いて上面）に到来する光を光電池セル３上へ集光するように形成される。レンズ部分４ａの形状は、球面レンズであってもよいが、好適には、非特許文献１に記載されている如き、太陽光からの平行光として到来する直射光だけではなく、雲や空気で散乱された太陽光、或いは、建物などで反射又は散乱された太陽光も含めたレンズ表面上にて種々の入射角にて入射する光成分をできるだけ多く光電池セル３へ集光できるように調整された非球面－非対称レンズであってもよい。より具体的には、レンズ部分４ａは、光電池セル３の受光面積に対するレンズ部分４ａの受光面積の比（集光比）が少なくとも２倍、好適には４倍以上となるように、各々の光電池セル３の受光面の上方（蛍光導光板２に対向した面とは反対側）に形成されてよい。レンズ層の厚みは、例えば、５ｍｍ以下などであってよいが、これに限定されない。なお、上面図（図１（Ａ））に於いて、接続部分４ｂの面積は、小さいほど、レンズ部分４ａにて太陽光が集光されて光電池セル３に照射される光量が多くなるので、有利である。具体的には、レンズ層４の全体の受光面に於いて、レンズ部分４ａの占有面積は、少なくとも７０％確保されていることが好ましいが、これに限定されない。かかるレンズ部分４ａによって太陽光が集光されて局所的に光強度が高められて光電池セル３へ照射されることにより、レンズ層４の下で、光電池セル３は、集光された光の当たる部位に離隔的に配置されればよく、広い面積に敷き詰められなくてもよいので、太陽光の照射される単位面積当たりに使用する光電池セル３の数が節約できることとなる。
更に、本実施形態の装置に於いては、上記の如く、蛍光導光板２の縁面２ｅに於いて、その面から出射する蛍光（及び太陽光）を吸収して発電する光電池セル（第二の光電池セル）５が配置される。光電池セル５としては、主として、蛍光の波長帯域の光成分を吸収する任意の形式の太陽電池セル又は光電変換素子が採用されてよく、例えば、CIS太陽電池、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、ペロブスカイト太陽電池が選択されてよい（これらよりも高価なIII-V族多接合型太陽電池が用いられてもよい。）。図１（Ａ）に於いては、光電池セル５は、蛍光導光板２の縁面２ｅ全域に配置されているが、後に示すように（図３（Ｃ）参照）、蛍光導光板２の縁面２ｅの一部に配置されるようになっていてもよい（その場合、光電池セル５の配置されていない部分には、反射ミラー９などが配置されてよい。）。
上記の本実施形態の装置は、後に説明される如く、太陽光の入射角に対する光電変換効率のロバスト性の向上が期待されるので、移動体の屋根など、種々の形状の物体上に適用可能となることが期待される。従って、装置は、その設置場所の物体の形状に合わせて、或る程度、変形できることが好ましい。そこで、蛍光導光板とレンズ層とは、可撓性材料にて形成され、装置全体で湾曲可能となっていてよい。
光電変換装置の作動
本実施形態の光電変換装置に於いては、レンズ層４側から太陽光ＳＬが照射されると、まず、レンズ部分４ａに入射した光がレンズ作用により集光されながら、光電池セル３が配置されている蛍光導光板２へ向かって伝播し、光電池セル３は、その光を受けて発電することとなる。そこに於いて、典型的には、図２（Ａ）に模式的に描かれている如く、レンズ部分４ａの形状は、その光軸（レンズ部分４ａの中心部分の面に対して垂直の方向）に沿って入射してくる光線（太陽光）ＳＬ、即ち、入射角が略０°の光線が、光電池セル３の受光面（図に於いて上面）へ向かって屈折するように形成される。そして、レンズ部分４ａへ入射する光線の入射角θが増大するほど、レンズ部分４ａを通る光のうちで光電池セル３の受光面から外れる量が多くなる。
この点に関し、本実施形態の光電変換装置の如き発電装置を太陽光の下に載置して太陽光発電を行う場合に於いて、太陽光の入射方向は、太陽の方位と高度により変化すると共に、非特許文献１に於いても述べられているように、発電装置へ到来する太陽光は、太陽からの直射光（平行光）だけではなく、雲、空気中の水分や塵、建物などにより散乱された散乱光も大きな割合にて含まれる。従って、光電変換装置に於いて、できるだけ多くの太陽からの光を発電に利用するには、できるだけ広い範囲の入射角の光を光電池セルへ照射できるようにすることが好ましい。そこで、本発明の発明者等の一部は、非特許文献１に於いて記載されている研究に於いて、非球面－非対称レンズを用いることで、レンズへの光の入射角の変化に対する光電池セルへの照射量の変化を、通常使用される球面レンズを用いる場合よりも抑制できることを見出した。かかる研究に於いては、図２（Ａ）、（Ｂ）の如く、球面レンズと非球面－非対称レンズとの下方にそれぞれ光電池セルを配置した状態で、レンズに照射する光の入射角を変化させると、図５に示されている如く、球面レンズの場合では、入射角の増大と共に、光電池セルの出力が徐々に低減するのに対し、非球面－非対称レンズの場合では、入射角が増大しても、或る角度（図示の例では約６０°）まで、光電池セルの出力が概ね維持されることがシミュレーションにより示された。かくして、かかる非球面－非対称レンズを光電変換装置に於ける集光のためのレンズとして用いることにより、比較的広い角度範囲の光を光電池セルの発電に利用することが可能となった。
しかしながら、図５から理解される如く、集光レンズに球面レンズに用いた場合には、入射角の増大と共に光電池セルから外れる光の成分が増大し、非球面－非対称レンズの場合であっても、入射角が或る角度を超える光の成分は、光電池セルから外れてしまい、そのままでは、光電池セルから外れてしまった光の成分は、発電に利用されないこととなる。また、図２（Ａ）、（Ｂ）から理解される如く、レンズ層４に於いて、隣接するレンズ部分４ａの間の接続部分４ｂが在る場合には、それらの部分へ入射した光も光電池セル３には当たらず、発電に利用されないこととなる。そこで、本実施形態の装置では、光電池セルから外れてしまった光の成分をも発電に利用できるようにすべく、光電池セル３を載置する基板として、蛍光物質を担持する蛍光導光板２を用い、光電池セル３に照射されなかった光を蛍光に変換して集光し、発電に利用できるようにして、光電変換装置の発電効率の向上が図られる。
具体的には、図２（Ｃ）に模式的に描かれている如く、蛍光導光板２に於いては、既に述べた如く、その内部、上面又は下面に蛍光物質６が分散されており、かかる蛍光物質６が、光電池セル３から外れた後に蛍光導光板２に進入した太陽光ＳＬによって励起され、蛍光ＦＬを放出する。蛍光物質６からの蛍光ＦＬは、蛍光物質６から放射方向に放出されるところ、蛍光導光板２の屈折率がその外部よりも高い場合には、蛍光ＦＬのうちの一部（ＦＬｘｔ、ＦＬｘｂ）は、蛍光導光板２の表面２ａ、２ｂを透過するが、蛍光ＦＬのうちの多くの成分は、反射又は全反射により、蛍光導光板２の内部に閉じ込められ、縁面２ｅまで伝播し、縁面２ｅへ集光されて出射することとなる。そこで、縁面２ｅに光電池セル５を配置しておき、光電池セル５が縁面２ｅから出射する蛍光を吸収し、発電するよう構成される。なお、蛍光導光板２に進入した太陽光の一部は、蛍光に変換されないで、そのまま、縁面２ｅに集光されて光電池セル５に吸収され、電力に変換されてよい。
かくして、上記の本実施形態の光電変換装置に於いては、太陽光ＳＬの下に配置されると、まず、レンズ層４のレンズ部分４ａにて集光された光が光電池セル３へ照射され、そこに於いて、電力に変換されて電力線１０ａを通じて外部へ取り出される。そして、レンズ層４に入射した後に、光電池セル３に照射されなかった成分は、蛍光導光板２へ入射し、そこに於いて蛍光物質６により蛍光ＦＬに変換され、蛍光ＦＬは、蛍光導光板２の縁面２ｅへ集光され、光電池セル５へ照射され、そこに於いて、電力に変換されて電力線１０ｂを通じて外部へ取り出される。
上記の如き、光電池セル３の基板として蛍光導光板２を用い、光電池セル３に当たらなかった太陽光が蛍光導光板２にて蛍光に変換されて蛍光導光板２の縁面２ｅへ集光され、そこに於いて、光電池セル５により電力に変換されるという構成によれば、レンズ層４により集光される光線の一部が、光電池セル３から外れても、そのエネルギーは、蛍光導光板２を介して光電池セル５に於いて電力として取り出すことが可能となっているので、本実施形態の装置は、レンズ層４に入射する太陽光の入射角に対するロバスト性が向上されているということができる。更に、レンズ層４の隣接するレンズ部分４ａの間の接続部分４ｂがある場合には、それらの部分に進入した太陽光のエネルギーも電力に変換されるので、エネルギー変換効率が更に向上される。かくして、本実施形態の装置によれば、直射光として地上に到来する太陽光の成分だけではなく、散乱光として地上に到来する太陽光の成分についても電力として取り出すことが可能となる。また、太陽の位置の変化に対してレンズの向きを追従させる太陽追尾機構が設けられていなくても、従前に比して高いエネルギー変換効率が達成できることが期待され、或いは、太陽光の入射角に対するロバスト性が向上されていることから、太陽追尾機構を用いる場合でも、要求される太陽追尾の精度を低減することが可能となり、有利である。
光電変換装置の構成の更なる改良
（ｉ）蛍光導光板２に於ける光の閉じ込め作用の改善
図２（Ｃ）にも模式的に描かれている如く、蛍光導光板２に於ける蛍光物質６から放出された蛍光ＦＬのうち、蛍光導光板２の表面２ａ、２ｂに対する入射角が臨界角よりも小さい成分の一部ＦＬｘｔ、ＦＬｘｂは、既に述べた如く、表面２ａ、２ｂを透過することとなる。そのうち、レンズ層４に面した表面２ａから出射した蛍光ＦＬｘｔは、レンズ層４の外表面に入射したときに、レンズ層４の外部（通常は、空気）の屈折率が低いので、殆どが反射され、これにより、光電池セル３に入射するか、蛍光導光板２へ再度入射することが期待される。しかしながら、表面２ａ、２ｂを透過した蛍光成分の多くは、そのままでは、蛍光導光板２へ再入射せず、光電池セル５にも吸収されないこととなる。そこで、蛍光導光板２に於ける蛍光ＦＬの閉じ込め効果を改善すべく、蛍光導光板２について、以下の如き改良した構成が適用されてよい。
まず、図３（Ａ）を参照して、蛍光導光板２の下面２ｂからの蛍光（又は太陽光）の出射を防止するべく、蛍光導光板２の下面２ｂに於いて、光を反射する反射ミラー８が設けられてよい。反射ミラーとしては、例えば、アルミニウム膜（屈折率1.48）、銀膜（屈折率0.17）、ジュラルミン膜（屈折率1.48）が採用されていよい。なお、蛍光導光板２と反射ミラー８との界面に於ける光の透過をできるだけ低減するために、好ましくは、反射ミラー８の材料としては、その屈折率が蛍光導光板２の屈折率よりも低い材料が選択されてよい。
また、蛍光導光板２の上面２ａからの蛍光（又は太陽光）の出射を防止するために、好ましくは、レンズ層４の材料として、その屈折率が蛍光導光板２の屈折率よりも低い材料が選択されてよい。更に、蛍光導光板２にレンズ層４を接合する際に接着層７が適用される場合には、接着層７の材料としては、その屈折率が蛍光導光板２の屈折率よりも低く、レンズ層４の屈折率よりも高い材料が選択されてよい。これにより、レンズ層４の進入した光は、接着層７を経て蛍光導光板２へ透過しやすく、且つ、蛍光導光板２内の光が接着層７へ透過し難くなり、蛍光導光板２内に光を閉じ込める効果が改善されることとなる。接着層７の材料としては、低屈折エポキシ（屈折率1.50）、シアノアクリレート（屈折率1.43）、アクリル接着剤（屈折率1.49）などが利用されてよい。なお、図３（Ｂ）を参照して、光電池セル３と蛍光導光板２との界面に於いては、レンズ層４から光が到来しないので、光電池セル３と蛍光導光板２との間に接着層７ａが適用される場合には、レンズ層４の屈折率よりも低い屈折率を有する層が形成されてよい。これにより、蛍光導光板２から接着層７ａへ光をより透過し難くすることが可能となり、蛍光導光板２内に光を閉じ込める効果が更に改善されることとなる。
更にまた、図３（Ｃ）に例示されている如く、蛍光導光板２の縁面２ｅに於いて、その全域に光電池セル５が設置されていない場合、光電池セル５の設置していない部位からの光の出射を防ぐために、反射ミラー８と同様の反射ミラー９が配置されてよい。これにより、蛍光導光板２の縁面に於いて発電に利用されずに出射する光を低減することが可能となる。
（ii）蛍光物質による蛍光の再吸収量の低減
蛍光導光板２に分散されている蛍光物質６に於いては、通常、蛍光波長と吸収波長とが少なくとも一部に於いて重複しており、その場合、太陽光を吸収した蛍光物質６から放出された蛍光が別の蛍光物質に再吸収されることがあり、かかる再吸収によってエネルギーの損失が生ずる（電力に変換される光のエネルギーが低減する。）。この点に関して、蛍光導光板２内に於いて、太陽光が到達し得る部位には、蛍光物質６が必要であるが、太陽光が到達しない部位に、蛍光物質６が在っても、太陽光を吸収せず、専ら、他の蛍光物質６が放出した蛍光を吸収するだけとなり、無駄となる。そこで、蛍光導光板２に於いて、太陽光が到達しない部位の蛍光物質の濃度又は分散量が、太陽光が到達し得る部位よりも低減されてよい。例えば、図４に模式的に描かれている如く、蛍光導光板２に於いて、光電池セル３が配置した部分の下方には、太陽光が届き難いので、かかる領域の蛍光物質の濃度Ｌは、その他の領域の濃度Ｈよりも低減されてよい。これにより、太陽光を吸収しない蛍光物質による蛍光の再吸収量が低減され、エネルギーの損失を抑制することが可能となる。なお、蛍光物質の濃度の低い領域Ｌに於いては、太陽光が透過しやすいこととなるので、図４に模式的に描かれている如く、反射ミラー８ａが局所的に配置され、表面２ｂからの光の漏出が低減されてよい。
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (10)

  1. 光電変換装置であって、
    第一の面と、第二の面と、前記第一及び第二の面の周縁を接続する縁面とから成る蛍光導光板にして、その内部又は前記第一若しくは第二の面上に太陽光の少なくとも一部の成分を吸収して蛍光を放出する蛍光物質が分散され且つ外部と屈折率が異なる材料から形成された板状構造を有し、前記第一の面から太陽光が入射すると、前記蛍光物質から放出される前記蛍光が実質的に前記縁面に集光されて出射する蛍光導光板と、
    前記蛍光導光板の前記第一の面上に載置されて太陽光の照射を受けて発電する第一の光電池セルと、
    前記蛍光導光板の前記第一の面と前記第一の光電池セルとの上に重畳されたレンズ層にして、その前記蛍光導光板の前記第一の面に対向する面とは反対の側の外表面から入射した光が前記第一の光電池セルへ集光されるよう構成されたレンズ層と、
    前記蛍光導光板の前記縁面上に載置されて該縁面から出射した蛍光の照射を受けて発電する第二の光電池セルと、
    前記第一の光電池セル及び前記第二の光電池セルのそれぞれにて得られた電力を取り出すための電力出力手段と
    を含む装置。
  2. 請求項１の装置であって、前記蛍光導光板の前記第一の面上に、複数個の前記第一の光電池セルが離隔して配置されている装置。
  3. 請求項１又は２の装置であって、前記レンズ層が、その外表面へ入射する光の入射角が所定角を下回るときに前記レンズ層により集光された光が前記第一の光電池セルの受光面に照射されるよう構成されている装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の屈折率が前記レンズ層の屈折率よりも高い装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板と前記レンズ層とが第一の接着層を介して接着され、前記第一の接着層の屈折率が前記蛍光導光板の屈折率よりも低く、前記レンズ層の屈折率よりも高い装置
  6. 請求項５の装置であって、前記蛍光導光板と前記第一の光電池セルとの間を接着する第二の接着層の屈折率が前記第一の接着層の屈折率よりも低い装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の前記第二の面が光を実質的に透過させずに反射する反射ミラー層にて覆われている装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の前記縁面の前記第二の光電池セルが載置されていない部分が光を実質的に透過させずに反射する反射ミラー層にて覆われている装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の内部に於いて、前記第一の面から入射する光が到達しない領域の蛍光物質の密度が前記第一の面から入射する光が到達する領域の蛍光物質の密度よりも低い装置。
  10. 請求項１乃至９のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板と前記レンズ層が可撓性材料にて形成されている装置。
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