JPS6141154B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに転
換するための装置に関する。本発明による装置を
用いると、太陽エネルギーを有効且つ安価に電気
エネルギーに転換することができる。さらに本発
明は、蛍光部を埋め込んだ透明な固形物質もしく
は液状物質の薄い層から成り、太陽電池と協働し
て太陽エネルギーを電気エネルギーに転換するた
めの光コンセントレータに関するものでもある。

太陽電池によるエネルギー生成に関し、従来希
望するような成果が得られなかつたのは、次のよ
うな物理学的及び技術的問題があつたからであ
る。

１ 品質の優れた太陽電池を用いて大きな面を覆
うためには、太陽電池のコストが高すぎるこ
と。

２ 太陽電池の効率が低く、非常に優れた珪素太
陽電池でも12％の効率しかない。GaAs太陽電
池は最高で18％の効率を有しているが、極めて
高価であること。

従来技術に関しては、特に従来のコンセントレ
ータの概要及びその経済性に関しては、“Jounal
of Vacuum Science and Techology 12，Sep／
0ct.1975.”に発表された“ソーラーエネルギー
のためのフイルムに関するシンポジウム”に記載
されている。

本発明は、従来の上記問題点を解消することを
目的とするものである。本発明は、表示システム
に適用される集光原理を基礎にしている。

次に、本発明の実施例を添付の図面を用いて説
明する。

第１図で光線２は、透明な基礎材料（例えばプ
レキシガラス）から成る数ミリメーター厚のプラ
スチツクプレート１内で、このなかに埋め込まれ
た蛍光部により狭い波長範囲に集光される。蛍光
３は、大部分全反射によつてプラスチツクプレー
トのなかに留まる。全反射しなかつた量Ｖは で表される。ここで、ｎはプラスチツク基礎材料
の屈折率で、プレキシガラスにたいしてはｎ＝
1.49，Ｖ＝25％である。

プレートは端面４を鏡化されていて、光線は出
ることができない。鏡化されたノツチ５等の適当
な構造部で光線を転向させることにより、光線を
所望の位置で取りだすことができる。第１図で符
号６は、制御可能な光門部として作用する表示シ
ステムである。

本発明は、このような光コンセントレータを太
陽電池と組合せることを提案するものであるが、
これには著しい利点が伴なう。理論的にも実験的
にも、入射する光線の約75％をプレート１の任意
の位置に集光させ、取りだすことが可能である。

この場合、プレート１の長さを蛍光光線の吸収
長さ以下にすることが必要である。簡単な実施例
を第２図に示す。太陽電池２は光コンセントレー
タ１０のなかへ吸収され、ほぼ100％の量子効率
で蛍光光線３に転換されるとともに、鏡化された
ノツチ５で転向される。その結果、プレートを去
つて太陽電池７に突き当たり、ここで電気エネル
ギーに転換される。第３図は、非常に有利な他の
実施例を示す。プレート状の光コンセントレータ
１０は、２つの端面４において鏡化されており、
残りの２つの端面は鏡化されていない。蛍光光線
は、鏡化されていない端面から出て、太陽電池７
に突き当たる。

このようなコンセントレータを使用することに
よつて、第１にエネルギー転換システム全体のコ
ストがかなり安価になる。というのも、太陽電池
の面積がエネルギー捕集面の面積よりも10ないし
2000フアクターだけ小さいからである。プラスチ
ツクプレートは太陽電池よりもかなり安価なの
で、高効率の最適な太陽電池が得られる。

本発明による光コンセントレータには、以下に
述べるような物理学的、技術的な利点があるの
で、通常の太陽電池の効率よりも転換効率が得ら
れる。

(1) 狭い波長範囲に対する太陽電池の最適化 蛍光光線が狭い波長範囲（典型的な半値幅は40
ナノメータ）で提供されるので、太陽電池の構造
をこの狭い波長範囲に合わせて設計し、太陽電池
の最適化を計ることができる。これは、Ｐ―Ｎ接
合部の深さ及び反射防止に関連し、特に半導体の
禁制帯の幅に関連している。また太陽電池の最適
化は、太陽電池の伝導帯構造部とコンセントレー
タの光捕集部とを幾何学的に適合させることによ
つても得られる。半導体の薄い表面層はドーピン
グが高いにもかかわらず、導電率が十分でないの
で、太陽電池の表面に伝導帯を設けなければなら
ない。この金属化される面は、光の捕集の用は成
さない。第８図によると、伝導帯に光が照射され
ないようにすることができる。このために、光コ
ンセントレータの蛍光光線放出面上に、太陽電池
７の伝導帯構造部８に正確に対応するような鏡化
部分９が設けられる。この場合、蛍光光線放出面
と太陽電池とは、伝導帯構造部８と鏡化部分９と
が互いに覆われるように、適当なフイルム１１を
介して接触している。

(2) 散乱性の昼光に対する有効性 本発明によるコンセントレータは、散乱光線に
対しても極めて敏感である。例えば、日光を鏡に
よつて効率の高い太陽電池に集光させる装置が公
知であるが、この場合鏡を絶えず太陽電池に向け
ていなければならないので、この原理は空が晴れ
ているときだけ有効である。また、入射光線が散
乱し空が曇つている場合にはエネルギー投射の減
少が極めてわずかであるが、投射方向に指向性が
ないことも知られている。本発明による装置は、
散乱性の光に対しても完全に有効であり、しかも
フオローアツプ（保守）の必要がない。

(3) 日光のエネルギーの効果的な利用 従来の太陽電池には、光量子の全エネルギーを
完全に利用できないという欠点があつた。これ
は、光子が半導体材料の禁制帯のエネルギーより
も高いエネルギーを持つている場合には過剰エネ
ルギーが電気エネルギーに転換されず、熱として
失われるからである。例えば珪素は1.1eVの禁制
帯幅を有するが、日光の最大禁制帯幅は2.58eV
である。光子１個あたり、その本来のエネルギー
とは無関係に約1eVだけ転換される。これは量的
には、珪素セルの中ではエネルギーの約40％がこ
の方法では利用されないことを意味している。効
率を高めるため、エネルギーギヤツプが可変な太
陽電池を使用すること、ヘテロ接合を適用するこ
と、或いは種々のエネルギーギヤツプを有する太
陽電池を積層させることが提案された。しかし、
これらの提案はこれまで何ら効を奏さなかつた。
技術的に実現が困難であり、高いコストを要する
からである。

本発明によるコンセントレータを用いると、日
光の種々のエネルギーを非常に簡単な方法で利用
することができる。第４図は、捕集された光の大
部分が太陽電池に当たるようにコンセントレータ
と太陽電池とを連結したコンセントレータ・太陽
電池組み合わせ体を、コンセントレータよりも屈
折率が小さな媒質（例えばガス）を中間接続して
複数個積層した３層構造を示したものである。コ
ンセントレータ１０は、紫外線を含む太陽光線２
の比較的高いエネルギー成分が、即ち比較的波長
が短い光線が、同じく波長の短い蛍光光線に転換
されるように設置されている。太陽電池７ａは、
この蛍光光線の波長に適合しており、即ちエネル
ギーギヤツプが大きな半導体材料から成つてい
る。コンセントレータ１０のなかに埋め込まれた
蛍光部は、短い波長だけを吸収するので、この波
長よりも長い波長の光線は支障なく通過してコン
セントレータ１２に達し、このコンセントレータ
１２は、より波長の長い光線を蛍光光線に転換し
て太陽電池７ｂに供給する。太陽電池７ｂはこれ
に対応して構成されており、即ち太陽電池７ｂ
は、太陽電池７ａよりもエネルギーギヤツプが小
さな半導体材料から成つている。コンセントレー
タ１３と太陽電池７ｃは、長い波長部分に適合し
ている。第４図はもちろん１例だけを示したにす
ぎず、４層以上を、また２層だけを利用すること
もできる。対応する太陽電池を備えた複数個のコ
ンセントレータを積層することによつて、従来の
最良の太陽電池よりも高い効率をもつシステムが
得られる。

太陽電池自体では光線を支障なく透過させるこ
とはほとんどできないので、積層させることは本
発明によるコンセントレータシステムによつての
み可能である。太陽電池は電気的接点と高ドーピ
ングゾーンを含んでおり、両者共高い吸収性を有
している。コンセントレータの基礎材料は透明な
ので、半導体の場合よりも反射損失が少ない。コ
ンセントレータを積層させることによつて境界面
に反射損失が生じるが、透明度が高いので損失は
わずかである。他方、全反射角度以外の角度で下
方へ放射される蛍光光線が次のコンセントレータ
によつて吸収され、そこに埋め込まれている蛍光
部によつて再び活用されることによつても、効率
の増大が計れる。従つて、損失はほぼ半分にな
る。

コンセントレータの透明度が高いので、太陽電
池によつては転換不能な熱放射線の転換も可能に
なる。第９図は、赤外線１４がコンセントレータ
10，12を貫通して赤外線吸収体１５に至り、この
赤外線吸収体が残余の赤外線を熱に転換する様子
を示したものである。

(4) 特殊な実施例 コンセントレータは幾何学的に種々に形成さ
れ、特に光線の捕集を最適化することができる。
第１，２，４図に示すような、コンセントレータ
の中心に太陽電池を配置した実施例は、１つの可
能性にすぎない。太陽電池をコンセントレータの
縁に配置し、且つ第５図に示すように面を完全に
利用することもできる。この場合太陽電池７は、
光コンセントレータ１０の鏡化されていない端面
に取付けられている。光コンセントレータの他の
実施例を第６図に示す。この実施例においては、
光コンセントレータ１０は対向する縁に、光線を
90゜転向させるための屈曲部１６を有する。屈曲
部１６の表面は、光線損失を避るため、鏡化層１
７を有している。７は太陽電池である。このよう
な構成においては、必ずしも太陽電池の上に反射
防止層を設ける必要はない。なぜなら反射した光
線はシステム中に留まり、失われないからであ
る。

第６図の構成は、多層構造に対しても適してい
る。第７ａ図は２層構造の平面図であり、第７ｂ
図はその横断面図である。図中１０は、付属の太
陽電池７ａを備えた上部コンセントレータで、１
２は付属の太陽電池７ｂを備えた下部コンセント
レータである。短い波長に対して選択的に感光す
る太陽電池は、集光性が比較的高い場合には高い
効率をもつが、高温に対しは不敏感である。従つ
て、種々の波長範囲に対して集光率を種々に選択
することができる。これを、第１０図に２層構造
に対して図示した。より短い波長を吸収する付属
の太陽電池７ａを備えた上部コンセントレータ１
０の集光率は、より長い波長範囲の光を転換する
付属電池７ｂを備えた下部コンセントレータ１２
の集光率よりも高い。

太陽電池の中では光エネルーのほとんどが熱に
転換される。この熱を利用し、且つ太陽電池を有
利な温度に保持するため、太陽電池の熱放散のた
め冷却装置上に取付けるのが好ましい。

他の実施例として、既述の種類の光コンセント
レータ太陽電池と、また表示システムと同時に組
み合わせることもできる。これは、集光された周
辺光線の一部を表示システムの照明のために利用
し、他の部分を表示の電気的制御のための電気エ
ネルギー生成用の太陽電池に供給することを意味
する。エネルギー蓄積体としての蓄電池と連結す
れば、エネルギー需要を随時完全に周辺光線によ
つてカバーする表示装置が得られる。

光コンセントレータの特に有利な実施例では、
蛍光部を備えた液状の透明の溶液を含んでいる平
らな層、有利にはガラス製の平らな層が利用され
る。第１２図は、蛍光部を有する溶液１９を含ん
でいる平らなガラス層１８から成る光コンセント
レータの２層構造の横断面図である。集光率を高
くするためには薄壁のガラス層を使用するのが有
利であるので、ガラス壁の距離保持のため、及び
構造全体の機械的安定のため、蝋付けされたガラ
ス球２０から成る支持部が設けられている。光線
損失を避けるためガラス層１８、溶液１９、及び
ガラス球２０が同じ屈折率をもつている必要があ
る。この実施例の最も重要な利点は、長期間稼動
の場合化学的または光化学的に不安定な蛍光物質
を容易に交換できることである。溶液は回収する
ことができる。ガラス層は寿命が長く、しかも蛍
光物質の寿命を著しく縮める水とガラスを排斥す
る。数種の蛍光物質に対して同時に最適な集光性
を可能にする混合液は、無制限に組み合わせて任
意に選定可能である。また、静的誘電率が比較的
高い液体を用いれば（有機性液体を用いることも
しばしばある）、溶解されている蛍光部の吸収ス
ペクトルと輻射スペクトルの重畳を著しく減少さ
せ、集光効果を著しく高めることができる。即
ち、特に蛍光分子の内部構造に依存する（基底状
態と励起状態のポテンシヤルエネルギー曲線の形
状と相対的位置：内部の回転可能性）吸収マキシ
マムと輻射マキシマムとの間の波数差Δγは、蛍
光分子の及びその周囲（溶液の分子）の誘電特性
によつても影響を受ける。溶液の静的誘電率が大
であり、他方蛍光分子の基底状態と励起状態の双
極子モーメントの差異が可能な限り大であれば、
Δγが大きくなることは公知である（例えば
Landolt−Boernstein，Neue Serie／３，第285
頁，有機物質のルミネセンス，Berlin 1967参
照）。

光コンセントレータを形成するための前記の均
質な混合液の他に、場合によつては透明な固形ま
たは液状の埋込物質と蛍光を発する粒子（例えば
蛍光部の固溶体から成る）との不均質な混合物
（例えばサスペンシヨン）から成る層も有利であ
る。この場合蛍光光線が粒子によつて散乱されな
いようにするため、埋込物質と蛍光を発する粒子
との屈折率は相互に適合していなければならな
い。このような混合物は、例えば化学的に相互融
和しない複数の蛍光物質を１つのコンセントレー
タ層のなかで併用したい場合に有利である。

第１１図は、平らなガラス層の中に含まれた液
状の交換可能な蛍光溶液と冷却された太陽電池と
を備えた幾何学的に有利な構造をもつ光コンセン
トレータの１例である。ガラス層１８は二等辺三
角形に形成され、鏡化された端面２１を有してい
るが、これは蛍光光線の移動距離が最適に短かく
なるという利点をもつている。第３の鏡化されて
いない側には太陽電池２３があり、この太陽電池
は、蛍光光線を最適に捕集するため、光学的接触
媒体フイルムを介してガラス層と連結されてい
る。接触媒体としては例えば、シンチレータと光
倍率器との光学的接触において優れた機能を発揮
する、定常温度で10⁶センチストークスの粘度を
有し且つ化学的安定性が高いシリコンオイルが特
に適している。これによつて、熱膨張の違いに起
因する問題点が解決される。太陽電池２３の背面
は、冷却媒体導管２５と熱的に好都合に接触して
いる。冷却媒体導管の上方または下方に溶液交換
導管２６があり、必要な場合には蛍光溶液を交換
できるようになつている。ガラス層はすべてこれ
らの導管に平行に接続されている。

第１３図は、１つの溶液中に２種類の蛍光物質
が含まれる実施例に関連したグラフである。この
場合、ハツチングで示した第１の蛍光物質の輻射
帯域e₁は第２の蛍光物質の吸収帯域a₂とほぼ重な
つている。このような場合、吸収帯域a₁とa₂に吸
収された光を第２の蛍光物質の輻射帯域e₂に転換
することができる。このような組合せを以下では
簡単に２段式蛍光物質カスケードと呼ぶことにす
る。この種のカスケードは種々の利点を有する。
このカスケードによると、全反射されない光の割
合を比較的小に保持することができ、損失は倍増
されない。というのも蛍光光線の大部分は、層の
境界に達する前に第２の蛍光物質の輻射帯域e₁の
中に吸収されるからである。蛍光物質濃度が高い
場合には、一方の蛍光物質分子から他種類の蛍光
物質分子への励起エネルギーは放射されず、輻射
帯域e₂にある後者の蛍光物質分子から放射される
ことも起こりうる。このようなカスケードの段数
を小さくするには、蛍光物質の選択性を過度に狭
く制限しないようにするため、量子効率は約80％
でなければならない。カスケードのその他の利点
を活用するには、以下の実施例が有利である。

第14図は、光コンセントレータの２層構造２
８，２９における吸収帯域及び輻射帯域３０の状
態と分布とを最適にするための１実施例である。
これは特に珪素太陽電池に適している。第１４図
では、吸収帯域A₁ないしA₄が第１３図の２段式
蛍光物質カスケードによつて実現されている。輻
射帯域はE₁ないしE₄で表わされている。

上記のカスケードによると、第１３図による重
畳によつて、輻射帯域幅に対してエネルギー論上
ほぼ２倍の幅の吸収帯域を得ることができる。こ
れは、前記のコンセントレータを用いて太陽エネ
ルギーを効果的に利用するに際し重要な次の条件
を同時に充足するものである。即ちその条件とは (1) 光を伝導させるため同じ層のなかに設けられ
ている蛍光光線輻射帯域と、隣接する吸収帯域
との重畳ができるだけ少ないこと、 (2) 異なる層の吸収帯域が、完全に重なることで
ある。

珪素太陽電池の場合でも、珪素に対する吸収係
数が波長２７の増大につれて減少するという事実
は、単層コンセントレータの構造が不利であるこ
とを物語つている。従つて、日光のすべての光子
を多段式の“蛍光物質カスケード”を介して赤外
線に近い範囲に転換することは不利である。

第１４図に示したスペクトル分布は、主要点だ
けを説明するためのものである。コンセントレー
タの２層構造において、各コンセントレータ層２
８，２９のなかにそれぞれ１個の２段式蛍光物質
カスケードを使用し、これに対応して幅広の吸収
帯域をもつ蛍光物質を使用すると、珪素太陽電池
によつて利用可能な日光のほとんどを利用するこ
とができた。

蛍光物質の輻射帯域と吸収帯域との重畳に基づ
く自己吸収によつて光損失を低減させるため、蛍
光物質を適当に高い濃度で光コンセントレータの
薄い縁層のなかに設けることもできる。例えば固
形溶媒の場合には、蛍光物質を固形溶媒のなかで
拡散させる。また、固形溶媒を不均質に混合させ
る場合には、蛍光を発する粒子を、屈折率が同じ
固形または液状埋込物質のなかへ埋め込むか、も
しくは堆積させる。

本発明による装置の最後の実施例によれば、光
コンセントレータの原理と表示装置とが関連づけ
られる。この場合、太陽エネルギーを最適に利用
するため、同時に太陽電池を使用することができ
る。即ち表示装置は、青から緑または黄までを対
象として、人間の眼のスペクトル感度を利用す
る。従つて、太陽スペクトルの上部部分を第１の
コンセントレータ層で捕集して、表示の照明のた
めに利用するとともに、残りのスペクトル範囲
を、第１のコンセントレータ層の後方にある第２
のコンセントレータ層で捕集して太陽電池に供給
し、表示装置給電用の電気的エネルギーを生成さ
せるのが有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は表示システムに使用するための集光装
置の横断面図、第２図は太陽電池に使用するため
の集光装置の横断面図、第３図は鏡化されていな
い端面で光を捕集するようにした太陽電池用光コ
ンセントレータを示す図、第４図は相前後して設
置されるコンセントレータと太陽電池とを備えた
光コンセントレータの多層構造を示す図、第５図
は鏡化されていない端面で光を捕集し且つコンセ
ントレータの面全部を完全に利用するようにした
光コンセントレータを示す図、第６図は光を約90
゜転向させるための屈曲部を介して光を捕集する
ようにした光コンンセントレータを示す図、第第
７ａ図は２層構造の光コンセントレータの平面
図、第７ｂ図は第７ａ図の光コンセントレータの
横断面図、第８図は屈曲部を介しての光の捕集
と、太陽電池の伝導帯構造部に対する光捕集部と
を説明するための図、第９図は赤外線のための付
加的な集光層を備えた光コンセントレータの２層
構造を示す図、第１０図は集光率が異なる光コン
セントレータの２層構造を示す図、第１１図は冷
却される太陽電池を備えた光コンセントレータの
幾何学的に有利な構造の１例を示す図、第１２図
は蛍光部を有する溶液を含んだガラス層から成る
光コンセントレータの２層構造の横断面図、第１
３図は２段式蛍光物質カスケードの吸収曲線と輻
射曲線を示す図、第１４図は２層構造の光コンセ
ントレータにおける吸収帯域と輻射帯域との最適
な状態及び分布を得るための、特に珪素太陽電池
に適した実施例に関連したグラフである。 ７……太陽電池、８……伝導帯構造部、９……
鏡化部分、１０，１２，１３……コンセントレー
タ、１４……熱放射線、１８……ガラス層、１９
……蛍光部、２３……太陽電池、２５……冷却媒
体導管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 屈折率が周囲の媒質の屈折率よりも大きく且
   つ蛍光部を含有している透明な層（以下コンセン
   トレータと呼ぶ）のなかに光を捕集して太陽電池
   に供給するようにした、光エネルギーを電気エネ
   ルギーに転換するための装置に於て、捕集された
   光の大部分が太陽電池に当たるようにコンセント
   レータと太陽電池とを連結したコンセントレー
   タ・太陽電池組み合わせ体を、コンセントレータ
   よりも屈折率が小さな媒質を中間接続して複数個
   積層し、積層されたコンセントレータ・太陽電池
   組み合わせ体の光入射側から順次、波長吸収範囲
   が短かいほうから長いほうへずれるようにコンセ
   ントレータの波長特性が選定され、且つ半導体材
   料のエネルギーギヤツプがしだいに小さくなるよ
   うに太陽電池が選定されていることを特徴とする
   装置。 ２ 最後のコンセントレータの後に、なお通過す
   る熱放射線１４を吸収し利用するための装置１５
   が設けられていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の装置。 ３ 短い波長用のコンセントレータ１０の集光率
   は、長い波長用のコンセントレータ１２の集光率
   よりも高いことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の装置。 ４ コンセントレータの光捕集面上にある鏡化さ
   れた部分９が、太陽電池の伝導帯構造部８に対し
   て、伝導帯に光線が照射されないように適合して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項から
   第３項までのいずれか１つに記載の装置。 ５ 中間接続した前記媒質は屈折率１（例えばガ
   ス）を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の装置。 ６ 光コンセントレータが、蛍光部１９を備えた
   液状の透明な溶液を含んでいる平らなガラス層１
   ８から成つていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第５項までのいずれか１つに記載の
   装置。 ７ ガラス層１８、溶液１９及び透明な支持部２
   ０が同じ屈折率を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第６項に記載の装置。 ８ 溶液１９が、数種の蛍光部に対して同時に最
   適な集光を可能にするため、液体混合物から成つ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第６項ま
   たは第７項に記載の装置。 ９ 溶液１９が、５と100の間の静的誘電率を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第６項から
   第８項までのいずれか１つに記載の装置。 １０ 光コンセントレータが、蛍光を発する粒子
   を埋め込んだ透明な固形物質または液状物質を不
   均質に混合させてつくられる複数個の層から成つ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の装置。 １１ 透明な埋込物質と蛍光を発する粒子が、同
   じ屈折率を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１０項に記載の装置。 １２ 蛍光を発する粒子が、蛍光部の固溶体から
   成つていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   ０項または第１１項に記載の装置。 １３ 光コンセントレータが二等辺三角形に形成
   され、長さが等しい端面２１が鏡化され、且つ太
   陽電池が鏡化されていない第３の三角辺に配置さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の装置。 １４ 三角形の光コンセントレータが平行に延在
   する冷却媒体導管２５の間に配置されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載の装
   置。