JP7136440B2

JP7136440B2 - レーザ装置及び発電装置

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Publication number: JP7136440B2
Application number: JP2018137625A
Authority: JP
Inventors: 一郎庄司
Original assignee: Chuo University
Current assignee: Chuo University
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: JP2020017563A

Description

本発明は、レーザ装置及び発電装置に関する。

太陽光を受光して、光エネルギーを電力に変換する太陽電池が知られている。従来、シリコンを用いた太陽電池が知られているが、近年、ペロブスカイト半導体を用いた太陽電池も注目されている。

シリコンを用いた太陽電池、又は、ペロブスカイト半導体を用いた太陽電池のいずれにおいても、エネルギー変換効率は徐々に向上してきている。しかしながら、さらなるエネルギー変換効率の向上が望まれている。

エネルギー変換効率を従来の太陽電池よりも向上させる方法として、太陽光を一旦レーザ光に変換し、太陽光から変換されたレーザ光を光起電力素子に照射して、レーザ光を電力に変換する方法が検討されている。

レーザ光を励起光として用いるレーザ装置において、励起光を効率的にレーザ発振光に変換する発明は、例えば、特許文献１などにおいて検討されている。

特開平１０－１９００９７号公報

太陽光を励起光として用いて、太陽光をレーザ光に変換するレーザ装置としては、例えば、クロム共添加ネオジムＹＡＧレーザ（Ｃｒ共添加Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）が、従来検討されている。

しかしながら、クロム共添加ネオジムＹＡＧレーザは、太陽光をレーザ光に変換する変換効率が低いため、レンズを用いて太陽光を集光する必要があるなど、装置を小型化することが困難であった。

かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、太陽光を高い効率でレーザ光に変換することができるレーザ装置、及び、該レーザ装置を用いた発電装置を提供することにある。

本発明に係るレーザ装置は、太陽光によって励起可能なレーザ装置である。前記レーザ装置は、ペロブスカイト半導体を含む導波路を備える。前記導波路は、渦巻き状の形状、又は、複数回折り返された形状の部分を含む。ここで、「ペロブスカイト半導体」とは、ハロゲン化金属ペロブスカイト型化合物のことを意味する。

また、本発明に係るレーザ装置において、基板をさらに備え、前記導波路は、前記基板上に配置されていることが好ましい。

また、本発明に係るレーザ装置において、前記基板は透明であることが好ましい。

また、本発明に係るレーザ装置において、前記基板はガラスであることが好ましい。

また、本発明に係るレーザ装置において、レーザ光を反射する反射部材をさらに備え、前記導波路の一方の端部が前記反射部材で覆われていることが好ましい。

また、本発明に係るレーザ装置において、ペロブスカイト半導体を含む他の導波路をさらに備え、前記他の導波路は、前記導波路の上方に位置し、前記導波路の上方から見て、前記導波路からずれた位置に配置されていることが好ましい。

また、本発明に係る発電装置は、太陽光によって励起可能なレーザ装置と、光起電力素子と、を備える。前記レーザ装置は、ペロブスカイト半導体を含む導波路を備える。前記導波路は、渦巻き状の形状、又は、複数回折り返された形状の部分を含む。前記光起電力素子は、前記レーザ装置から受光したレーザ光を電力に変換する。

本発明によれば、太陽光を高い効率でレーザ光に変換することができるレーザ装置、及び、該レーザ装置を用いた発電装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す上面図である。図１に示すレーザ装置のＡ－Ａ線に沿った断面図である。導波路の端部の概略構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す上面図である。図１に示すレーザ装置のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。本発明の一実施形態に係る発電装置の概略構成を示す図である。本発明の変形例に係る発電装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［レーザ装置の第１実施形態］
図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置１０の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置１０の概略構成を示す上面図である。図２は、図１に示すレーザ装置１０のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

レーザ装置１０は、太陽光を励起光として用いて、太陽光によって励起可能なレーザ装置である。図２に示すように、励起光としての太陽光は、上方（Ｚ軸の正方向）からレーザ装置１０に照射される。図１及び図２に示すように、レーザ装置１０は、基板１１と、導波路１２とを備えている。

基板１１は、表面上に導波路１２を形成可能な部材である。基板１１は、例えば透明な材質で構成されてよい。透明な材質で構成すると、基板１１は、太陽光を透過することができる。透明な材質として、基板１１は、例えばガラス、サファイア、ダイヤモンド又は透明セラミックスなどで構成されてよい。

基板１１は、図１に示すように、上方（Ｚ軸の正方向）から見て、導波路１２がちょうど収まるくらいのサイズであってよい。これにより、複数個のレーザ装置１０が並べて敷き詰められた場合、複数個のレーザ装置１０は、太陽光を無駄なく吸収でき、高効率で発電することができる。

導波路１２は、図１に示すように、上方（Ｚ軸の正方向）から見て、渦巻き状の形状である。また、導波路１２の断面は、図２に示すように、略矩形の形状である。導波路１２は、図２に示すように、基板１１上に形成される。

図１に示す導波路１２の渦巻き状の形状は、直径Ｄが１ｍｍ～１０ｃｍ程度の範囲の大きさであってよい。図２に示す導波路１２の幅Ｗは、１０ｎｍ～１ｍｍ程度であってよい。図２に示す導波路１２の厚さＨは、１０ｎｍ～１ｍｍ程度であってよい。

導波路１２は、レーザ媒質として、ペロブスカイト半導体を含む。ペロブスカイト半導体は、クロム共添加ネオジムＹＡＧよりも太陽光の吸収効率が高い。導波路１２は、ペロブスカイト半導体として、例えば、メチルアンモニウムヨウ化鉛（CH₃NH₃PbI₃）、メチルアンモニウム塩化鉛（CH₃NH₃PbCl₃）又はメチルアンモニウム臭化鉛（CH₃NH₃PbBr₃）などを含んでよい。

メチルアンモニウムヨウ化鉛は黒色であるため、導波路１２がレーザ媒質としてメチルアンモニウムヨウ化鉛を含むと、導波路１２は、高効率で太陽光を吸収することができる。

導波路１２は、例えば、ペロブスカイト半導体の薄膜を基板１１上に形成した後、渦巻き状の形状を残して薄膜をエッチングすることにより形成することができる。または、導波路１２は、例えば、エッチングの代わりにレーザ照射で薄膜を除去することにより形成することもできる。ペロブスカイト半導体は、太陽光の吸収効率が高いため、このように薄膜化して形成しても、太陽光からレーザ光を生成することが可能である。

導波路１２は、図２に示すようにＺ軸の正方向から太陽光が照射されている場合、Ｚ軸の正方向を向いている面で、太陽光を受光する。導波路１２は、渦巻き状の形状であることにより、小面積においても導波路長を大きくすることができる。従って、導波路１２は、小面積においてもＺ軸の正方向を向いている面の面積が大きい。そのため、導波路１２は、小面積においても、高効率で太陽光を吸収することができる。

導波路１２は、端部１２Ａ及び端部１２Ｂを有する。端部１２Ａは、渦巻き状の形状の内側の端部であり、端部１２Ｂは、渦巻き状の形状の外側の端部である。

導波路１２は、太陽光を受光して発生させたレーザ光を端部１２Ｂから出力する。端部１２Ａは、図３に示すように、反射部材１３で覆われてよい。導波路１２の端部１２Ａが反射部材１３で覆われていると、導波路１２内で発生したレーザ光は、反射部材１３によって反射されて導波路１２内に戻る。反射部材１３によって反射されたレーザ光は、導波路１２内においてさらなるレーザ光の発生を引き起こすため、反射部材１３を設けることにより、導波路１２におけるレーザ光の発光を増加させることができる。

反射部材１３は、例えば、金属で構成されてよい。反射部材１３は、例えば、アルミニウムであってよい。また、他の例として、反射部材１３は、誘電体多層膜又はファイバーブラッグ回折格子などで構成されてもよい。

なお、本実施形態において、導波路１２は渦巻き状の形状であるものとして説明したが、導波路１２の形状はこれに限定されない。導波路１２は、複数回折り返された形状などであってもよい。導波路１２は、小面積においても大きい導波路長を有する形状であればよい。また、渦巻き状の形状は、図１に示したような形状に限らず、楕円状の渦巻き状の形状であってもよいし、渦巻きが歪んだ形状であってもよい。また、導波路１２は、渦巻き状の形状、又は、複数回折り返された形状を部分として含み、他に、直線上の部分を含む形状であってもよい。

このように、本実施形態によれば、レーザ装置１０は、ペロブスカイト半導体を含む導波路１２を備え、導波路１２は、渦巻き状の形状、又は、複数回折り返された形状の部分を含む。ペロブスカイト半導体は太陽光の吸収効率が高い。また、導波路１２は、渦巻き状の形状、又は、複数回折り返された形状の部分を含むことにより、小面積においても大きい導波路長を有する。これにより、本実施形態に係るレーザ装置１０は、太陽光を高い効率でレーザ光に変換することができる。本実施形態に係るレーザ装置１０は、太陽光を高い効率でレーザ光に変換することができるため、小型化することができる。

［レーザ装置の第２実施形態］
図４及び図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るレーザ装置２０の構成について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係るレーザ装置２０の概略構成を示す上面図である。図５は、図４に示すレーザ装置２０のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。

レーザ装置２０は、第１実施形態に係るレーザ装置１０と同様に、太陽光を励起光として用いて、太陽光によって励起可能なレーザ装置である。

図４及び図５に示すように、レーザ装置２０は、基板１１－１及び基板１１－２と、導波路１２－１及び導波路１２－２とを備えている。

基板１１－１は、図１及び図２を参照して説明した第１実施形態に係る基板１１に対応する。導波路１２－１は、図１及び図２を参照して説明した第１実施形態に係る導波路１２に対応する。

基板１１－２は、図５に示すように、導波路１２－１上に配置される。基板１１－２は、第１実施形態に係る基板１１と同様に、例えば透明な材質で構成されてよい。透明な材質で構成すると、基板１１－２は、太陽光を透過することができる。透明な材質として、基板１１－２は、例えばガラス、サファイア、ダイヤモンド又は透明セラミックスなどで構成されてよい。

導波路１２－２は、図５に示すように、基板１１－２上に形成される。導波路１２－２は、第１実施形態に係る導波路１２と同様に、レーザ媒質としてペロブスカイト半導体を含む。

導波路１２－２は、図４に示すように、上方（Ｚ軸の正方向）から見て、渦巻き状の形状である。導波路１２－２は、図４に示すように、上方から見て、導波路１２－１からずれた位置に配置されている。導波路１２－２は、第１実施形態に係る導波路１２と同様に、渦巻き状の形状の内側の端部を反射部材１３で覆われてよい。反射部材１３は、例えば、金属で構成されてよい。反射部材１３は、例えば、アルミニウムであってよい。また、他の例として、反射部材１３は、誘電体多層膜又はファイバーブラッグ回折格子などで構成されてもよい。

導波路１２－１及び導波路１２－２は、図５に示すようにＺ軸の正方向から太陽光が照射されている場合、Ｚ軸の正方向を向いている面で、太陽光を受光する。導波路１２－２は、太陽光を直接受光することができる。また、基板１１－２が透明な材質で構成されていると、太陽光は基板１１－２を透過するため、導波路１２－１は、基板１１－２を透過した太陽光を受光することができる。

導波路１２－２は、上方から見て、導波路１２－１からずれた位置に配置されているため、図４に示すように、導波路１２－１及び導波路１２－２は、合わせて、第１実施形態に係る導波路１２よりもＺ軸の正方向を向いている面を多く有する。従って、導波路１２－１及び導波路１２－２を備えるレーザ装置２０は、小面積においても、高効率で太陽光を吸収することができる。

このように、本実施形態によれば、レーザ装置２０は、導波路１２－１の上方に位置する導波路１２－２を備え、導波路１２－２は、上方から見て、導波路１２－１からずれた位置に配置されている。これにより、本実施形態に係るレーザ装置２０は、第１実施形態に係るレーザ装置１０に比べて、２倍程度の効率で、太陽光をレーザ光に変換することができる。

なお、本実施形態においては、導波路１２－１及び導波路１２－２を２段に重ねる構成を示したが、導波路１２が３段以上重なる構成としてもよい。また、本実施形態においては、２つの導波路１２－１及び導波路１２－２が渦巻き状の形状である場合について説明したが、導波路１２－１及び導波路１２－２は複数回折り返された形状であってもよい。

［発電装置］
図６は、本発明の一実施形態に係る発電装置１００の概略構成を示す図である。発電装置１００は、基板１１と、導波路１２と、光起電力素子３０とを備えている。

発電装置１００は、光起電力素子３０を備えている点、及び、導波路１２の外側の端部１２Ｂが光起電力素子３０に接続している点で、図１及び図２を参照して説明した第１実施形態に係るレーザ装置１０と相違する。

光起電力素子３０は、基板１１上に配置される。光起電力素子３０は、導波路１２の端部１２Ｂに接続し、導波路１２からレーザ光を受光する。

光起電力素子３０は、レーザ光を受光して、電力に変換する。光起電力素子３０は、例えば、シリコン又はペロブスカイト半導体を材料とする太陽電池であってよい。

光起電力素子３０は、導波路１２が出力するレーザ光の波長に対応する光を効率的に電力に変換する素子であってよい。これにより、光起電力素子３０は、幅広いスペクトルを含む太陽光から直接電力に変換するよりも、効率的に光エネルギーを電力に変換することができる。

このように、本実施形態によれば、発電装置１００は、導波路１２と、光起電力素子３０とを備える。光起電力素子３０は、導波路１２によって太陽光から生成されたレーザ光を受光して、レーザ光を電力に変換する。これにより、本実施形態に係る発電装置１００は、特定波長に対する適切な光起電力素子３０を用いることにより、太陽光を電力に直接変換する従来の太陽電池を上回るエネルギー変換効率で、太陽光から発電することができる。

［発電装置の変形例］
図７は、変形例に係る発電装置２００の概略構成を示す図である。発電装置２００は、Ｎ台のレーザ装置１０－１～１０－Ｎと、光起電力素子３０とを備えている。レーザ装置１０－１～１０－Ｎの台数は、１以上の任意の台数であってよい。

レーザ装置１０－１～１０－Ｎは、それぞれ、第１実施形態に係るレーザ装置１０に対応する。以後、特に区別する必要がない場合は、レーザ装置１０－１～１０－Ｎは、単にレーザ装置１０とも記載する。

図６に示す発電装置１００においては、光起電力素子３０は、基板１１上に配置されていたが、変形例に係る発電装置２００においては、光起電力素子３０は、レーザ装置１０の外部に配置されている。

図７に示すように、レーザ装置１０－１～１０－Ｎは、それぞれ、光ファイバ４０を介して、光起電力素子３０に接続されている。光ファイバ４０は、レーザ装置１０の導波路１２の端部１２Ｂと接続されている。

図７に示すように、光ファイバ４０を介して、レーザ装置１０と光起電力素子３０とを接続することにより、光起電力素子３０の配置に自由度を持たせることができる。また、複数のレーザ装置１０－１～１０－Ｎを光起電力素子３０に接続すれば、光起電力素子３０は、複数のレーザ光を受光することができるため、発電電力を増大させることができる。

このように、変形例に係る発電装置２００によれば、光起電力素子３０は、複数のレーザ装置１０－１～１０－Ｎからレーザ光を受光することができる。これにより、変形例に係る発電装置２００は、レーザ光から変換する電力を増大させることができる。

本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１０、２０レーザ装置
１１、１１－１、１１－２基板
１２、１２－１、１２－２導波路
１２Ａ、１２Ｂ端部
１３反射部材
３０光起電力素子
４０光ファイバ
１００、２００発電装置

Claims

太陽光によって励起可能なレーザ装置であって、
第１の基板と、
前記第１の基板上に配置され、ペロブスカイト半導体を含む第１の導波路と、
前記第１の導波路上に配置されている第２の基板と、
前記第２の基板上に配置され、ペロブスカイト半導体を含む第２の導波路と、を備え、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、渦巻き状の形状、又は、複数回折り返された形状の部分を含み、
上方から見て、前記第１の導波路の上面と前記第２の導波路の上面とは重なっていない、レーザ装置。
請求項１に記載のレーザ装置において、
前記第１基板及び前記第２基板は透明である、レーザ装置。
請求項１又は２に記載のレーザ装置において、
前記第１基板及び前記第２基板はガラスである、レーザ装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置において、
前記第１の導波路の一方の端部及び前記第２の導波路の一方の端部が、レーザ光を反射する反射部材で覆われている、レーザ装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置と、光起電力素子と、を備える発電装置であって、
前記光起電力素子は、前記レーザ装置から受光したレーザ光を電力に変換する、発電装置。