JP4834877B2 - テレメータ電源用光電変換器とそれに用いる光導波路の製法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光が届かない場所、または日照に恵まれない曇天や、夕方から朝に掛けての太陽光未発生時間帯及び離島など商用電気が供給されない場所で、ある程度の可視範囲の距離がある場所に設置するテレメータ（遠隔測定）の電源機器に必要な電力を供給するものとして利用できるものである。

テレメータ（遠隔測定）は、遠隔地点の計器類、センサ類を通信を利用して自動的に計測するシステムとして脚光を浴びているが、テレメータの電源の供給には、太陽光を利用した太陽電池や、マイクロ波または電池電源を利用した方法があるが、いずれも効率が悪く、不安定な電源が多く、また狭空間へ設置しなければならないことや、電源の供給手段が全く無い場合も存在した。

レーザを利用して送電するものとしては、不活性ヘリウムを希釈媒体とし、１乃至２気圧の圧力で、５０００度Ｆの電気アークに通し、生成する高温ガスを別のチェンバーに導き、ここで６弗化硫黄と混合し、混合域を経由して、小口径ノズル列をくぐり抜け、レーザ発振室に入り、ここで再び小口径ノズルで水素ガスをこの混合気体に噴射し、ノズルから約８インチ離したところで水素と弗素（６弗化硫黄から分離）が統合して強力な赤外線を放出する。こうした大出力レーザを空間を通して伝送するという研究も進められてきたが、真空でない大気圏においては直進性を維持するのが問題とされていた。

太陽電池としては、単結晶シリコンのｐ型半導体とｎ型半導体を接合したｐｎ接合を利用したものがあるが、コストが高くなっていた。そのために多結晶リボン結晶シリコンやアモルファスシリコンという非結晶性の非常に悪いシリコンを利用したり、硫化カドミウム、硫化テルルを用いた印刷技術を利用して太陽電池が開発されてきた。その中でアモルファスシリコンは、ガス状になったシリコンを放電させて、ガラスやその他ステンレス、有機フイルム上に数ミクロン程度堆積させている。単結晶シリコンは、１，０００℃以上の高温で作られるが、アモルファスシリコンは２５０℃程度でよいことになっていて、ｐ層とｎ層との間にｉ層と呼ぶ抵抗の高い薄い層がサンドウィッチされており、光に対して感度が高く、単結晶シリコンの太陽電池は８０００オングストローム付近の光に対してもっとも感度が高いが、太陽光は５０００オングストローム付近の波長がもっともエネルギーが強く、アモルファスシリコンのｐｉｎ太陽電池は光に対する特性が単結晶と異なり、６０００オングストロ−ム付近の波長の光に感度が高い。

本発明は、見通しのある遠隔地点に設置したテレメータ（遠隔測定）の電源機器などに必要な電力を供給することを目的にし、単位面積あたりのエネルギーが極めて大きいレーザ光を利用して、効率よく電力変換するための方式を提案するものである。

従来、レーザ光は指向性が高く、かつ、波長が一定な単色性で、さらにレーザ同士を重ね合わせると、きれいに山同士・谷同士が強め合い、干渉縞が現われるコヒーレンス（可干渉性）の特徴を生かし、情報通信（長距離信号電送）・距離の測定や、エネルギーの集中性から材料切断加工のほか、化学分析などの用途が数多くあるが、発電力を利用する目的とした変換装置を開発するには技術上難があった。

なぜならば、エネルギーが狭い範囲に集中する特性から光電受光面が熱で破損したり、小面積集中のために、発電効率が低く利用ができないなど、また、光のスペクトルの巾が狭く、効率が悪いなどがある。

測定対象から遠く離れた場所に測定データを送るテレメータ（遠隔測定）は、人の勤務が難渋する僻地や、不確定な発生場所の大気汚染の発生予測箇所や、水位の測定を常時監視制御する必要のある橋の欄干の下などに設置するなど、汚染管理、気象観測、医療用監視などのほか、配電線開閉器の状態、変圧器のタップ位置、遠隔地変電所における電圧、無効電力、電流、電力の自動検針などの電力系統など、ある程度の距離がある場所に設置する電源として多彩に利用されることが広がってきているが、中断することのない電力供給を必要としている。

本発明は、テレメータ電源用光電変換機とそれに用いる光導波路の製法であって、テレメータ電源用光電変換器は、筒体１５，１６，１７，１８で端末に反射膜７，８を設けた光導波路形状の光ファイバの円周壁面に、金属イオン溶液や溶融、真空蒸着等で、半導体ＰＮ接合光電膜９、あるいは半導体ＰＮ接合分離膜１０を形成し、光ファイバガラス材質中に適当な光散乱を起こさせるための結晶化操作、不純物の強制混入、光学的屈折処理、界面反射などの物理的性質を付与し、筒体１５，１６，１７，１８にリード線１１，１２，１３，１４を配設し、一端面の光ファイバ中心部２，４，５，６から入射する高強度の光エネルギーを損失の少ない媒質の中で、光入射光を進行方向へ距離を延長させ，一端面から入射する高強度の光ファイバ構造線の距離長を利用し、光エネルギーを電力に変換し、光エネルギーが線路を透過、または通過して発電するテレメータ電源用光電変換器である。

テレメータ電源用光電変換器に用いる光導波路１，３の製法としては、耐高温の石英ガラスファイバをベースに、光成分がＰＮ接合面に容易に到達し、減衰しない程度の薄膜で、光ファイバ表面にメッキ、または表面に真空蒸着を行い、これを一方の極とし、さらにその表面をもう一方の極であるＰまたはＮとなす金属として珪素などを一般的に、または溶融液中をくぐらせてアモルファス状に被覆するものとし、あるいは無機ガラスまたは樹脂を用いた光ファイバにおいて、真空中で連続的に半導体となすための薄膜を、シリコンばかりか、その他の金属間化合物、または周期律表のＩＩＩーＶ族やＩＩ−ＶＩ族などを必要に応じて選択し、蒸着により表面に被覆した後、ＰＮ接合を作るための金属原子を一定量蒸着拡散させることを特徴とするテレメータ電源用光電変換器に用いる光導波路１，３の製法である。

本発明においては、レーザ光線の光学特性からあまり拡散せず、受光面も光学レンズで小面積に集光できるからテレメータ電源への対応ができる利点があり、発電利用の新分野に多岐の応用範囲がある。

光導波路形状の光ファイバであるため、集中する高強度のレーザ光を損失の少ない媒質の中で光入射光を進行方向に距離を延長させ、媒質の特性を利用して少しづつ光を拡散、電力変換を行う光損失が低い特性の線路のため、発熱も小さく、かつ、長さ方向に分散するが、ガラスの中に高強度の光エネルギーを導いて光入射光を進行方向に距離を延長させ、また、距離長の選定は入射エネルギーの大きさにより、自由に延長設定できるから導波路の単位体積あたりの損失によるエネルギー集中は避けることができる。

入射光量のほぼすべては、光導波路１，３の材質によって微少な散乱材料により平均に反射拡散し、順次壁面から円周方向へ漏洩し、壁面に設置した太陽電池である半導体ＰＮ接合光電膜９に光量を渡しながら次第に減衰し、距離長に対し一定量を漏洩させる生産制御方法として、入射光を太陽電池である半導体ＰＮ接合光電膜９に渡し、目的とした発電変換を行うもので、光エネルギーは単位長さに対し、電界エネルギーと磁界エネルギーを一緒に持った波束である光子の一定量ずつ利用し電力変換を行うので、過度のエネルギー集中により光ファイバが熱破壊することはない。

本発明の目的は発電であることから、「半導体ＰＮ接合」の光発電接合膜特性が重要であり、膜のバンドギャップに対応する光の波長とが発電効率に密接に関係している。

本発明においては、無機ガラスによって作られた円筒状で長さのある光ファイバ線路内へ導いて媒質の特性を利用して一定量の光エネルギーを発散拡散、進行光電力変換を行う光導波路形状であれば光損失が低い特性をもった光線路のため、発熱も小さく、かつ、長さ方向に光エネルギーが分散し、また、距離長の選定は入射エネルギーによる発熱量の大きさにより、長さである距離を自由に設定できるから導波路の単位体積あたりの固有な損失によるエネルギー集中は避けることができる。

本発明は、レーザ光線を多モード光ファイバのガラス状媒質（例えば石英）の中に導き体積中の組成、構造による散乱を利用して壁面から単位距離あたり一定量漏洩する光を順次距離や円周の区分毎におかれた太陽電池型光ファイバ側壁面からの起電力を区切って利用し光電変換することにしている。

図面に従って詳細に説明すると、図１は本発明の光電変換器用光導波路１の第１実施例の概略図で、図２は光電変換器用光導波路１の第１実施例の鉛直面の概略図で、図３は光電変換器用光導波路３の第２実施例の概略図で、図４は光電変換器用光導波路３の第２実施例の鉛直面の概略図で、光導波路１，３は石英ガラスの平板内部に作り込まれた光ファイバの様なもので、図１の光電変換器に用いる光導波路１としては、耐高温の石英ガラスファイバをベースにＰＮ接合をなすいずれかの金属を、光成分がＰＮ接合面に容易に通過し、減衰しない程度の薄膜で、光ファイバ表面にメッキ、または表面に真空蒸着を行い、これを一方の極とし、さらにその表面をもう一方の極であるＰまたはＮとなす金属として珪素などを一般的に、または溶融液中をくぐらせてアモルファス状に被覆するものとし、あるいは無機ガラスまたは樹脂を用いた光ファイバにおいて、真空中で連続的に半導体となすための薄膜を、シリコンばかりか、その他の金属間化合物、または周期率表のＩＩＩ−Ｖ族やＩＩ−ＶＩ族などを必要に応じて選択し、蒸着により表面に被覆したのち、さらに、その上にＰＮ接合を作るための金属原子を一定量蒸着拡散させることを特徴とするテレメータ電源用光電変換器に用いる光導波路１，３である。

アモルファスシリコン太陽電池としては、基板上にアモルファスシリコン発電層、透明電導膜及び金属電極からなる電極部を含む構成とし、絶縁保護層は、酸化膜、窒化膜などの絶縁膜及びアモルファスシリコン膜からなり、変換効率が高いことで知られている。

シリコンなどのＩＶ族の半導体は、高純度シリコン単結晶に、Ｖ族のりんなどを注入すると、自由電子リッチのｎ型半導体になり、ＩＩＩ族のほう素などを注入すると、正孔リッチのｐ型半導体になり、さらにＳｉを酸化して酸化シリコンにすると絶縁体になる。このＳｉ結晶のｐ層、ｉ層、ｎ層の接合層に太陽光が照射されると、ＰＮ層間にエネルギーギャップに相当する電位差を発生する。

シリコンには光電効果があり、光を電気に変換できることが知られ、照射された光子の光エネルギーは、まずｉ層（中性層）で、正の電荷（正孔）と負の電荷（電子）の対を発生、光を電気に変換できることになっている。さらに、正の電荷（正孔）はｐ型の層に溜まり、負の電荷（電子）はｎ型の層に溜まり、ｐとｎ層をリード線で結ぶことによって電流が流れることになっている。

光ファイバの材質（屈折率）によっては、入射光に対する反射損失や透過光が大きく減衰しエネルギー損失となるので適切な選択加工「透過膜の蒸着や材質の屈折率」の選択の必要がある。

レーザ光線の波長選定は光ファイバ材質や半導体膜の性質を加味して決定し、半導体膜の材料としてシリコンなど周期率表の第４属並びに金属間化合物である。

１構成単位の太陽電池の起電力は、およそ１Ｖ以下で負荷とする電子機器の操作電源としては不足であるから、セル同士の起電力を直列に接続し、必要な電圧に昇圧して取り出すことができる。

入射光量のほぼすべては、光導波路１，３の材質、この場合光学ガラスに加えた加工手段によって微少な散乱材料により平均に反射拡散し、順次壁面から円周方向へ漏洩し、壁面に設置した光電変換膜、太陽電池である半導体ＰＮ接合光電膜９に光量を渡しながら次第に減衰し、距離長に対し一定量を漏洩させる生産制御方法として、たとえばファイバ材質中の散乱状態を物理的に制御することによって入射光を光電変換膜、太陽電池である半導体ＰＮ接合光電膜９に渡し、目的とした発電変換を行うものである。

光エネルギーは単位長さに対し、電界エネルギーと磁界エネルギーを一緒に持った波束である光子の一定量ずつ利用し電力変換を行うので過度のエネルギー集中により光ファイバが熱破壊することはない。

入射光面積以外の端面は、光電変換効率の向上を目的として完全反射の鏡面に加工する反射膜７，８となっている。

光ファイバ壁面は透過光により電子の対を発生す「ＰＮ半導体薄膜」の長さ方向に幾つかに分割した単位としてのセル（一般には太陽電池と称する。）が、円筒上に沿って一様に作られており、１個のセルは必要とする長さの組み合わせ、または入射光軸に対し、円周方向の均等分割によって形成されたセルの端子から電力を取出すことになる。

光導波路１、３の外部から光導波路１、３の中心２、４に向かってレーザ光を入射させるが、レーザ光は、光導波路１、３の部材中で、中心２、４から円周方向へ散乱を繰り返し、筒体１５，１６、１７、１８に達している。

さらに進んで筒体１５，１６、１７，１８の端面に達し、反射膜７，８の作用で入射方向に戻る方向に進んで部材中を散乱進行し、減衰していくことになっている。

筒体１５，１６、１７、１８に達した光は均一に作られた半導体ＰＮ接合光電膜９で吸収され、発電され、長さ方向で分割した半導体ＰＮ接合光電膜９から電気的に絶縁した電力を得て、接続方法による倍電圧または倍電力として利用するものである。

図３に示す光電変換器用光導波路３の第２実施例では、円周方向に電気的に絶縁し分割した半導体ＰＮ接合分割膜１０を示している。分割数は自由で、出力電圧は電気的接続の方法により何倍でも大きくすることができるようになっている。

図中、円周外に示したバネ状の線はＰＮ接合光電膜９、ＰＮ接合分離膜１０から引き出された電線１１，１２，１３，１４を示している。

発電量については、利用する金属のエネルギーギャップにより定まっており、シリコンを利用する場合は１セル当たり約０．４ボルトの発電量である

本発明については、電力利用としてではないが、光電膜の組成、製作方法により半導体薄膜のバンドキャップは連続して可変が可能であるため、入射微弱光のスペクトルに対する発電傾向を調べれば、媒質の透過率との兼ね合いがあるが、発生している光の対象を調べることもできる。

また、レーザ光線の光学特性として拡散せず、受光面も光学レンズで小面積に集光できる点を活かし、発電利用を目的とする新分野に多岐の応用範囲が期待されている。

本発明の光電変換器用光導波路の第１実施例の概略図 本発明の光電変換器用光導波路の第１実施例の鉛直面の概略図 本発明の光電変換器用光導波路の第２実施例の概略図 本発明の光電変換器用光導波路の第２実施例の鉛直面の概略図

符号の説明

１、３ ： 光導波路
２、４、５、６ ： 光ファイバ中心部
７、８ ： 反射膜
９ ： 半導体ＰＮ接合光電膜
１０ ： 半導体ＰＮ接合分離膜
１１、１２、１３、１４ ： リード線
１５，１６，１７，１８ ： 筒 体

Claims (2)

1. 筒体で端末に反射膜を設けた光導波路形状の光ファイバの円周壁面に、金属イオン溶液や、溶融、真空蒸着等で、半導体ＰＮ接合光電膜、あるいは半導体ＰＮ接合分離膜を形成し、光ファイバガラス材質中に、適当な光散乱を起こさせるための結晶化操作、不純物の強制混入、光学的屈折処理、界面反射などの物理的性質を付与し、筒体にリード線を配設し、一端面のファイバ中心部から入射する高強度の光エネルギーを損失の少ない媒質の中で、光入射光を進行方向へ距離を延長させ、一端面から入射する高強度の光をファイバ構造線の距離長を利用して光エネルギーを電力に変換し、光エネルギーが線路を透過または散乱して発電するテレメータ電源用光電変換器。
2. 耐高温の石英ガラスファイバを基礎材料に、光ファイバ表面にメッキ、または真空中で表面に蒸着を行い、光減衰の小さい導電膜を被覆、電極の一方としその外側に半導体ＰＮ接合面を側壁に沿って構築し、入射した光がファイバ中を乱反射しながら一様にＰＮ接合面に衝突することで物質中の電子の電離を求め、もう一方の電極である金属材料を最外面へ被覆した光ファイバ型テレメータ電源用光電変換器とし，半導体ＰＮ接合面は無機ガラスまたは樹脂を用いた光ファイバにおいて、真空中で連続的に半導体となすための薄膜シリコンばかりか、その他の金属間化合物、または周期律表のＩＩＩーＶ族接合やＩＩ−ＶＩ族接合それらの複合材料を必要に応じて選択し、蒸着またはメッキ加工により表面に被覆したのち、ＰＮ接合を作るための金属原子を一定量蒸着拡散させることを特徴とするテレメータ電源用光電変換器に用いる光導波路の製法。

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