JP2024023065A - 太陽光発電のための光電変換装置 - Google Patents

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光電変換装置に於いて、太陽光からできるだけ多くの電力の得られる構成を提供すること。【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、蛍光導光板の上面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、外部より屈折率の高い透光性の材料からなり、蛍光導光板の上方にて、蛍光導光板の側に凸状に湾曲し、蛍光導光板に接触しないよう配置され、外表面から入射した光が第一の光電池セルへ集光されるよう構成された集光層４と、蛍光導光板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、本願出願人による特許文献１に於いては、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として、図７（Ａ）～（Ｃ）に例示されている如く、太陽光ＳＬを吸収して蛍光ＦＬを放出する蛍光物質６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ＳＬが入射すると、蛍光物質６から放出される蛍光ＦＬが縁面２ｅ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ＳＬ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２ｅから出射した蛍光ＦＬの照射を受けて発電する第二の光電池セル５とを含む装置１が開示されている。かかる光電変換装置１では、レンズ層４’によりそのレンズ面４’ａに照射される太陽光ＳＬを第一の光電池セル３の受光面へ集光すると共に、第一の光電池セル３の受光面から外れた光を蛍光導光板２にて蛍光物質６で吸収して蛍光ＦＬに変換し、その蛍光ＦＬを蛍光導光板２の縁面２ｅに配置された第二の光電池セル５へ集光し、これにより、太陽光ＳＬの向きが変化しても、できるだけ多くの太陽光エネルギーが回収されるようになっている。

特開２０２２－０６２６４２

Srikanth Madala, Robert F. Boehm, "Effect of reflection losses on stationary dielectric-filled nonimaging concentrators," J. Photon. Energy 6(4), 047002 (2016), doi: 10.1117/1.JPE.6.047002.

図７（Ａ）～（Ｃ）に記載されている光電変換装置１に於いて、上記の如く、第一の光電池セル３の上方に載置されたレンズ層４’の上面から入射した光のうち、第一の光電池セル３から外れた光線は、蛍光導光板２に進入し、そこに於いて、蛍光物質６に吸収され、蛍光ＦＬとして蛍光物質６から全方位に放出される。かかる蛍光ＦＬのうち、蛍光導光板２の上面２ａ（レンズ層４’との界面）及び底面２ｂへ向かう方向の光線は、上面２ａと底面２ｂとにて反射を繰り返して、縁面２ｅに到達することとなる。この点に関し、底面２ｂに於いては、蛍光導光板２の外部は、通常、空気であるので、蛍光導光板２内に対して屈折率が十分に低く、全反射が発生しやすく、また、底面２ｂでは、光を透過させる必要がないので、全ての光線が反射されるように反射ミラーを貼付することも可能である。これに対し、上面２ａに於いては、レンズ層４’から太陽光を受光する必要が有ると共に、かかる界面に於ける屈折率差が、空気の場合よりも小さく、臨界角が比較的大きいので、全反射が発生しにくく、その分、光線が板外へ逃げ易くなっており、太陽光エネルギーの回収量も低減することとなる。そこで、もし上記の如く蛍光導光板２の上面２ａに載置された光電池セル３へレンズ層４’により照射光を集光する構成の光電変換装置に於いて、蛍光導光板２の上面２ａに於ける板の内外の屈折率差をより大きくできれば、太陽光エネルギーの回収量をより増大することができ、有利である。

かくして、本発明の主な課題は、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でき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ことである。

また、本発明の更なる課題は、上記の如き光電変換装置にして、太陽光などの照射光を蛍光導光板の上面に載置された光電池セルへ集光すると共に、光電池セルから外れた照射光を蛍光導光板へ進入させて蛍光に変換して、更なる光電池セルの配置された蛍光導光板の縁面に集光する構成の光電変換装置に於いて、蛍光導光板の内側から上面へ向かう光の反射率を増大して、光電池セルにて回収できる光エネルギーを増大することである。

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照射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、前記第一の面から照射光が入射すると、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照射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側にて前記第一の光電池セルの上方に配置された集光層にして、その外部より屈折率の高い透光性の材料からなり、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集光層と、
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
を含み、
前記集光層に於ける集光をする部分が、前記蛍光導光板の前記第一の面に対向する面側に凸状に湾曲した形状を有し、前記集光層が前記蛍光導光板の前記第一の面に接触していない装置
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。「照射光」とは、典型的には、太陽光であるが、これに限定されず、任意の光であってよい。

「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（InGaP/GaAs/InGaAsなど）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。

「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。

「集光層」とは、上記の如く、蛍光導光板の第一の面側にて、第一の光電池セルの上方に配置された層であって、その外部より屈折率の高い透光性の材料からなり、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）から入射した光が蛍光導光板の第一の面上に載置された第一の光電池セルへ集光されるよう構成された層であり、特許文献１の構成に於けるレンズ層に相当する。しかしながら、特に、本発明に於いては、かかる集光層に於ける集光をする部分（集光部分）が、蛍光導光板の第一の面に対向する面側に凸状に湾曲した形状を有し、集光層が蛍光導光板の第一の面に接触しないように配置される。具体的には、集光部分は、球面レンズ、非球面レンズ、非球面－非対称レンズ、自由曲面レンズ、複合放物面型集光器（Compound Parabolic Concentrator）、複合楕円面型集光器（Compound Elliptical Concentrator）、複合双曲面型集光器（Compound Hyperbolic Concentrator）又はＶトラフ型集光器（V-trough Concentrator）のいずれかの形状に形成されていてよい。

上記の本発明の装置の基本的な構成に於いては、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、装置の集光層の外表面から太陽光などの照射光が入射されると、そのできるだけ多くの光線が集光層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、照射光のうちで、集光部分から外れた光線や、入射角（外表面の法線から計った光線の方向の角度）が大きく、第一の光電池セルへ当たらなかった光線は、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、特許文献１の場合と同様に、まず、第一の光電池セルに於いては、集光層に入射し集光された照射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、できるだけ多くの照射光の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、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。また、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することにより、集光部分から外れる光線や集光部分への入射角が大きく、第一の光電池セルへ当たらない光線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ようにし、これにより、装置に於いて、より多くの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、集光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、集光層に対する太陽光の入射角が種々変化しても、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。

そして、上記の如き光電変換装置の構成に於いて、本発明の場合には、特に、集光層に於ける集光部分が、上記の如く、蛍光導光板の第一の面に対向する面側に凸状に湾曲した形状を有していることから、蛍光導光板の第一の面の外側が集光層に接触しないようにできることとなる。そうすると、蛍光導光板の第一の面の外側の空間の屈折率を低くすることができ、これにより、蛍光導光板の第一の面に於いて、板の内側から外側へ向かう光線が全反射する臨界角がより小さくすることが可能となるので、蛍光導光板の内部で蛍光物質から放出された蛍光のうちで第一の面を透過してしまう光線量をより低減することができ、その分、より多くの光エネルギーを第二の光電池セルにて電気エネルギーに変換して回収することが可能となる。蛍光導光板の第一の面と集光層との間の空間は、典型的には、空気層であってよいが、これに限定されない。

上記の本発明の構成に於いて、集光層に於ける集光部分は、好適には、複合放物面型集光器、複合楕円面型集光器、複合双曲面型集光器又はＶトラフ型集光器の構成を有し、その出射面の各々が第一の光電池セルの受光面に接するよう構成されていてよい。複合放物面型集光器、複合楕円面型集光器、複合双曲面型集光器、又は、Ｖトラフ型集光器とは、透光性の、典型的には、誘電体材料から形成され、一方の端面の面積が他方の面積よりも大きい管状形状の部材であり、面積の大きい端面（入射面）から、管状形状の中心軸線から計った角度が所定角度以内の入射角にて入射する光線が集光されて面積の小さい端面（出射面）から出射するよう構成された部材である（例えば、非特許文献１参照）。従って、集光部分に、上記の如き複合放物面型集光器、複合楕円面型集光器、複合双曲面型集光器、又は、Ｖトラフ型集光器が用いられる場合には、入射面が集光層の外表面となり、出射面が第一の光電池セルの受光面に接触するよう配置される。かかる構成によれば、集光層の外表面から入射して第一の光電池セルの受光面へ到達する光線は、その途中で空気層などの屈折率の低い領域を通ることがなく、従って、第一の光電池セルの受光面に届く光量の損失が低く抑えられることとなり、有利である。なお、上記の一連の集光器のうち、複合放物面型集光器の集光率（入射面から入射した光量のうちで出射面から出射する光量の割合）が最も大きいので、集光層に於ける集光部分は、より好適には、複合放物面型集光器の構成を有していてよい。

実施の形態に於いては、蛍光導光板の第一の面上にて複数の第一の光電池セルが間隔を置いて並置され、各第一の光電池セルの受光面に対して、集光層の集光部分の出射面が整合するように、集光部分が並置されてよい。その場合、集光層は、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集光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。また、集光層は、その外表面に入射した光線のうち、集光部分を通らなかった光線或いは集光部分に於ける入射角が所定角を上回り、出射面から出射しなかった光線などの第一の光電池セルの受光面から外れた光線が、蛍光導光板へ進入するように構成されていてよい。

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。

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であって、集光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行される構成に於いて、集光層として、蛍光導光板の第一の面に対向する面側に凸状に湾曲した形状を有し、蛍光導光板の第一の面に接触していない構成のものを採用しているので、蛍光導光板の第一の面に於ける第一の光電池セルが載置されていない領域は、空気層などの低屈折率の媒質に接するようにできることとなる。これにより、本発明の装置では、蛍光導光板の内部で放出される蛍光のうちで、蛍光導光板の第一の面から透過してしまう光線を低減することができ、かくして、第二の光電池セルの配置された蛍光導光板の縁面へ集光される光量をより多く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、本実施形態による光電変換装置の一つの態様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２は、図１の装置の模式的な分解図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態による光電変換装置の別の態様の模式的な断面図であり、（Ａ）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、（Ｂ）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４は、本実施形態による光電変換装置の更に別の態様の模式的な断面図であり、集光層の集光部分に球面レンズを用いた例である。 図５は、本実施形態による光電変換装置の更に別の態様の模式的な上面図であり、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６（Ａ）は、光電変換装置の内部の状態を模式的に表わした図であり、蛍光導光板内での蛍光の閉じ込め作用を説明する図である。図６（Ｂ）は、複合型放物面型集光器に於ける光線の進路を模式的に説明する図である。図６（Ｃ）は、本実施形態による光電変換装置の一つの態様に於いて、照射光の入射角を変化させたときの複合型放物面型集光器の出射面（ＣＰＣ）と蛍光導光板の縁面（ＬＳＣ）とに於いて計測された集光率の変化を示すグラフ図である。 図７（Ａ）、（Ｂ）は、従来の光電変換装置の一つの態様の模式的な上面図、断面図であり、図７（Ｃ）は、従来の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。

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）
３ａ…保護層
４…集光層
４ａ…入射面
４ｂ…出射面
４ｃ…集光部分
４’…レンズ層
４’ａ…レンズ部分
５…光電池セル（第二の光電池セル）
６…蛍光物質
８…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
ａ…空隙層

光電変換装置の基本構成
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２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と光電池セル３との上方に配置される集光層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、太陽光などの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）、フッ素樹脂（1.33～）、石英ガラス（1.54～1.55）などであってよい。なお、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、可撓性のある材料が選択されてもよい。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（CsPbBr_xI_3－x）などが選択されてよい。なお、蛍光物質は、図３（Ａ）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３（Ｂ）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を集光層４の集光部分４ｃ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（化合物3接合型太陽電池（InGaP/GaAs/InGaAs)など）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。図２に模式的に描かれている如く、光電池セル３は、電池素子の保護の目的で、保護層３ａが重畳されていてよい。保護層３ａは、その屈折率が蛍光導光板２の屈折率と同等若しくはそれよりも低い任意の透光性の材料（例えば、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）にて形成されてよい。

蛍光導光板２の上面２ａ及び光電池セル３の上方に配置される集光層４は、光電池セル３の各々に対して、入射面４ａから入射した太陽光などの照射光を集光して出射面４ｂから出射するよう形成された集光部分４ｃが配列された構造を有する。集光層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。

また、本実施形態の場合、特に、集光層４の集光部分４ｃは、図示の如く、光線を屈折して集光作用を与える形状として、蛍光導光板２及び光電池セル３に対向した面側に凸状の形状に形成され、蛍光導光板の上面２ａに接触しないように配置される。この構成によれば、後に詳細に説明される如く、蛍光導光板の上面２ａと集光層４との間の空隙層ａは、空気などの任意の媒質の層とすることが可能となるので、かかる空隙層ａの屈折率をできるだけ低くすることができ、これにより、蛍光導光板２内に光を閉じ込め易くなることとなる。

上記の如く、蛍光導光板２及び光電池セル３に対向した面側に凸状の形状を有する集光部分４ｃとしては、好適には、複合放物面型集光器、複合楕円面型集光器、複合双曲面型集光器又はＶトラフ型集光器のいずれかが有利に用いられる。これらの集光器は、端的に述べれば、透光性の、典型的には、誘電体材料から形成され、一方の端面の面積が他方の面積よりも大きい管状形状の部材であり、面積の大きい入射面４ａから、管状形状の中心軸線から計った角度が所定角度以内の入射角にて入射する光線が集光されて面積の小さい出射面４ｂから出射するよう構成された部材である（例えば、非特許文献１参照）。従って、かかる集光器の場合、その出射面４ｂに於いて、光線が集光されているので、出射面４ｂを光電池セル３の受光面に接触させて（保護層を介していてもよい。）出射面から出射する光線の全てを光電池セル３へ向かわせることが可能となる。そして、かかる構成の場合には、集光器４ｃの出射面４ｂと光電池セル３との間に屈折率の低い空気層などを設ける必要がないので、出射面からの光線は、出射面４ｂに於いて実質的に全反射することなく、出射面４ｂを透過して、光電池セル３の受光面に照射されることとなる。なお、上記の集光器のうちで、複合放物面型集光器が、集光率が最も高いので、集光部分４ｃとして、より好適には、複合放物面型集光器が採用されてよい。

ところで、図４に模式的に描かれている如く、集光部分４ｃは、蛍光導光板２及び光電池セル３に対向した面側に凸状の形状を有する球面レンズ或いは非球面－非対称レンズであってもよい（図示の如く、平凸レンズであってもよいが、両凸レンズであってもよい。）。かかる構成の場合にも、蛍光導光板の上面２ａが集光層４に接しておらず、空隙層ａの媒質は、空気などの任意の屈折率の低い媒質にすることができるので、蛍光導光板２内に光を閉じ込め易くなる効果が得られる。

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、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く、その場合、光電池セル５の配置されていない部分には、光の出射を防ぐために、反射ミラー９などが配置されてよい。

蛍光導光板２の下面２ｂに於いては、そこからの蛍光（又は照射光）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。

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
作動に於いて、本実施形態の光電変換装置では、特許文献１の場合と同様に、集光層４側から太陽光などの照射光ＳＬが照射されると、まず、入射面４ａから集光部分４ｃへ入射し、そこに於いて、屈折作用又は反射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。この点に関し、特に、集光部分４ｃとして、上記の如く、複合放物面型集光器、複合楕円面型集光器、複合双曲面型集光器、或いは、Ｖトラフ型集光器の形状が用いられる場合、その入射面４ａの法線（光軸）から測って所定の角度以内（集光器の形状と材質に依存して決定される。）の方向から入射した光線の殆ど（典型的には、９０％以上）が、図６（Ｂ）に模式的に描かれている如く、入射面４ａから集光部分４ｃ内へ入射した光線の殆どが反射と屈折を繰返して、入射面４ａよりも面積の小さい出射面４ｂに集められるので（入射した光線Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、出射面４ｂの焦点ｆ１、ｆ２に集められる。）、かかる出射面４ｂに光電池セル３の受光面を整合して配置することで、入射面４ａからの光線ＳＬが光電池セル３へ照射されることとなる。また、図４の如きレンズを集光部分４ｃとして用いている場合には、その光軸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の受光面へ向かって屈折するように形成される。

しかしながら、集光部分４ｃが複合放物面型集光器、複合楕円面型集光器、複合双曲面型集光器若しくはＶトラフ型集光器の形状である場合には、入射角θ（光軸から図った光線の方向の角度）が所定の角度を上回るとき、或いは、集光部分４ｃがレンズである場合には、入射角θが増大するほど、集光部分４ｃに進入した光線のうちで光電池セル３の受光面から外れる光線の量が増大することとなる。また、集光層４に於いて集光部分４ｃから外れた領域に進入した光線も光電池セル３の受光面から外れることとなる。

そこで、本実施形態の装置１は、そのような集光層４に入射した光線のうちで光電池セル３から外れた光線が蛍光導光板２へ進入するよう構成される。そうすると、図６（Ａ）に描かれている如く、蛍光導光板２に於いて、そこに分散されている蛍光物質６が、入射してきた照射光ＳＬを吸収し、各蛍光物質６から蛍光ＦＬが全方向に放出されることとなる。そして、かかる蛍光ＦＬのうち、縁面２ｅへ向かう光線は、そのまま、縁面２ｅに到達し、蛍光導光板２の上面２ａ又は下面２ｂに向かう光線は、上面２ａ又は下面２ｂにて反射を繰り返しながら、縁面２ｅに到達することで、蛍光ＦＬは、縁面２ｅに集光され、かくして、縁面２ｅに配置された光電池セル５が、縁面２ｅから出射した蛍光ＦＬを受けて発電することとなる。

上記の作動に於いて、本実施形態の装置１の場合には、図６（Ａ）の如く、集光層４が蛍光導光板２の上面２ａに対向する面側に凸状に湾曲した形状を有し、光導光板２の上面２ａに接触しない形状となっているので、蛍光導光板２の上面２ａに於いて、光電池セル３の配置されていない領域の上方の空間ａは、空気などの任意の屈折率の十分低い媒質の層とすることができる。そうすると、蛍光導光板２の上面２ａに於ける板の内側から外側への屈折率の低下幅を大きくなり、図７（Ｃ）の如く蛍光導光板２の上面２ａがレンズ層４’に接している場合よりも、板の内側から外側への向かう光線の臨界角が小さくなるので、かかる光線の全反射が起き易くなり、これにより、蛍光導光板２の上面２ａを外方へ透過する蛍光ＦＬｘｔの光線量が低下し、縁面２ｅから出射する光線量を増大することが可能となる。

図６（Ｃ）は、図１及び図２に記載の本実施形態の装置１の構成に於いて、集光層４の入射面４ａに入射する光線の入射角（入射面４ａの法線から計った光線の入射方向の角度）を変化させたときの、集光層４の出射面４ｂに於いて計測された集光率（ＣＰＣ－実線）と、蛍光導光板２の縁面２ｅに於いて計測された集光率（ＬＳＣ－点線）との変化を示している。集光率とは、入射面４ａに照射した光の強度に対する出射面４ｂ又は縁面２ｅに於ける光強度の比率（％）である。集光層４の集光部分４ｃは、シリコン樹脂（屈折率1.43）から成る複合型放物面型集光器の形状（出射面の寸法：2.5×2.5mm²、出射面から入射面までの高さ：5.4mm、入射面と出射面との面積比：３倍）とした。蛍光導光板２の母材には、フッ素樹脂［ルミフロン（登録商標）］を用い、蛍光導光板２内に分散した蛍光物質には、ペロブスカイト量子ドットを用いた。各部位の光強度は、パワーメーターを用いて測定した。

同図を参照して理解される如く、入射角が０°から３０°～４０°の範囲に於いては、集光部分４ｃの出射面４ｂに於いて、高い集光率が得られるところ、入射角が４０°を超えると、集光部分４ｃの出射面４ｂの集光率が急激に低下した。しかしながら、集光部分４ｃの出射面４ｂの集光率の低下と入れ替わりに、蛍光導光板２の縁面２ｅの集光率が増大することが観察された。この結果から、入射角が大きくなり、照射光が集光部分４ｃの出射面４ｂから外れたときには、照射光のエネルギーが蛍光導光板２へ進入し、蛍光に変換されて、蛍光導光板２の縁面２ｅにて回収できることが確認された。［入射角が５０°近傍を超えたときに、蛍光導光板２の縁面２ｅでの集光率が低下するのは、入射面から集光部分へ実際に入射する光線量が低下するためである。］

かくして、上記の本実施形態の構成に於いては、蛍光導光板上に載置された光電池セルへ照射光を集光する集光層として、蛍光導光板の側に凸状に湾曲した形状のものを用い、蛍光導光板上の光電池セルの載置されていない上面が集光層と接触しないようにすることで、蛍光導光板の上面に於いて透過する光の量を低減し、蛍光導光板に於ける光の閉じ込め作用を高くして、蛍光導光板の縁面から出射する光量の増大が図られる。また、かかる構成によれば、蛍光導光板と集光層とは、直接に接触しないので、
空隙層の屈折率＜蛍光導光板の屈折率
空隙層の屈折率＜集光層の屈折率
の関係が成立していれば、蛍光導光板と集光層との間の屈折率の大小を気にせずに、蛍光導光板と集光層の材料の選択ができ、材料選択の幅が広がる点でも有利である。

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 (7)

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照射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側にて前記第一の光電池セルの上方に配置された集光層にして、その外部より屈折率の高い透光性の材料からなり、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集光層と、
   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
   を含み、
   前記集光層に於ける集光をする部分が、前記蛍光導光板の前記第一の面に対向する面側に凸状に湾曲した形状を有し、前記集光層が前記蛍光導光板の前記第一の面に接触していない装置。
2. 請求項１の装置であって、前記集光層に於ける集光する部分が、複合放物面型集光器、複合楕円面型集光器、複合双曲面型集光器又はＶトラフ型集光器の構成を有し、その出射面の各々が前記第一の光電池セルの受光面に接している装置。
3. 請求項１の装置であって、前記集光層と前記蛍光導光板の前記第一の面との
   間が空気層である装置。
4. 請求項１の装置であって、前記集光層が、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集光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。
5. 請求項１の装置であって、前記集光層の外表面から入射して前記第一の光電池セルの受光面から外れた光線が前記蛍光導光板へ進入するよう構成されている装置。
6. 請求項１乃至５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。
7. 請求項１乃至５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。

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