(57)【要約】【課題】太陽光を高い効率でレーザ光に変換する。【解決手段】本発明に係るレーザ装置１０は、太陽光によって励起可能である。レーザ装置１０は、ペロブスカイト半導体を含む導波路１２を備える。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。【選択図】図１
2020017563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光によって励起可能なレーザ装置であって、
ペロブスカイト半導体を含む導波路を備え、
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、レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の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、レーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ装置において、
前記基板は透明である、レーザ装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ装置において、
前記基板はガラスである、レーザ装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の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、レーザ装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の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、レーザ装置。
【請求項７】
請求項１から６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置及び発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１９００９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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２】図１に示すレーザ装置のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】導波路の端部の概略構成を示す図である。
【図４】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５】図１に示すレーザ装置のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
［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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
［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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。  
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
［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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
［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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【符号の説明】
【００５９】
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
【図１】
2020017563.tif 000003
【図２】
2020017563.tif 000004
【図３】
2020017563.tif 000005
【図４】
2020017563.tif 000006
【図５】
2020017563.tif 000007
【図６】
2020017563.tif 000008
【図７】
2020017563.tif 000009