(57)【要約】【課題】太陽光を安価で環境負荷が少なく効率的に光電変換素子に集光可能な太陽電池を提供するにある。【解決手段】太陽電池は、導光体を備え、この導光体は、コアがクラッドで被覆され、このコア内には、延出方向に配向された指向性発光粒子が分散されている。外部から外部光線が発光微粒子に入射されて指向性が与えられてコア内に射出される。コア内に向けられた光線は、コアとクラッドの界面で全反射されて光線を電力に変換する光電変換部に導波される。【選択図】図１
2010225692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
第１の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第３の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池。
【請求項３】
第１の導光体及び第２の導光体であって、当該第１及び第２の導光体は、
第１の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するクラッドからなる構造、或いは、
第１の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第３の屈折率を有するクラッドからなる構造を
備え、前記第２の導光体は、前記第１の導光体の端部に配置され、かつ、前記第２の導光体端部に光電変換部を有し、
前記第１の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第１の導光体内を導波する光線を前記第２の導光体方向に指向性を持つように配置され、
前記第２の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第２の導光体内を導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池。
【請求項４】
における前記指向性発光粒子において、前記導波する光線は、前記外部からの光線とその波長が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の太陽電池において、前記導波する光線の指向性は、前記導光体形成時の延伸工程に起因する指向性発光粒子の配向を用いることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在広く用いられている太陽電池においては、シリコン（Ｓｉ）等の大面積の半導体基板、または、ガラス基板などの支持基板に化学的気相成長法（ＣＶＤ）などにより成膜した例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）等の半導体薄膜を用いて、光電変換層が形成されている構造が一般的である。しかしながら、このような太陽電池は、その半導体基板や半導体薄膜の製造過程において、例えば半導体基板製造時の溶融やＣＶＤにおける高真空に関して、太陽電池に適した大面積での製造工程に非常に膨大なエネルギーを消費するという課題がある。これは、発電自体は太陽光の自然エネルギーを利用しているが、ライフサイクルアセスメントという点では、製造工程時の環境負荷低減を進めることが重要になっている。
【０００３】
このような構造の太陽電池に対して、例えば、特許文献１に開示されるように、太陽光を導光して光電変換素子に集光する太陽電池の方式が提案されている。この方式の太陽電池は、個々の太陽電池セルの面積を大幅に削減することができる利点がある。従って、本方式による太陽電池においては、太陽電池セルに集光する構造体には、光電変換特性を与える必要がないため、製造時の負荷を低減できることを特徴として挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３４０４９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示されるような太陽光の導光・集光方法では、プリズム作用を利用しているため、太陽光を集光するための導光板の作製には、比較的高度な加工技術が必要とされる。また、プリズム作用を利用する構造では、導光板に対して入射角度が一定な光線に対しては、効率的な導光を実現することができる。しかし、太陽光のように、その光源位置が経時的に変化される光源に対しては、導光角を制御することが難しいという課題がある。即ち、ある一定角の入射角については、光線を導光して集光可能であるが、一定角の入射角から逸脱するような入射角においては、導光することができずに効率を落としてしまう問題がある。この問題を回避する手法として、太陽の動きに合わせてプリズム位置を変化させて太陽を追尾する方法がある。しかし、この方法は、太陽電池ユニット自体に可動性を与える必要があることから、太陽電池の構造が複雑になるばかりでなく、追尾のための駆動エネルギーを必要とする問題がある。従って、この駆動エネルギーを含めた総合的な太陽電池の変換効率は、実質上低下する問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、その目的は、太陽光を効率的に光電変換部に集光可能な太陽電池及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
この発明によれば、
この発明によれば、
第１の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたこと、
を特徴とする太陽電池が提供される。
【０００８】
また、この発明によれば、
第１の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第３の屈折率を有するクラッドからなる導光体において、
前記導光体の端部に光電変換部を有し、前記指向性発光粒子は、前記導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたこと、
ことを特徴とする太陽電池が提供される。
【０００９】
更に、この発明によれば、
第１の導光体及び第２の導光体であって、当該第１及び第２の導光体は、
第１の屈折率を有するコアと、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記コア内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するクラッドからなる構造、或いは、
第１の屈折率を有する部位と、
外部からの光線を導波する光線に変換する前記部位内に分散された指向性発光粒子と、
前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第２の屈折率を有するコアと、
前記部位または前記コアと界面を有し、前記導波する光線が前記界面において全反射条件を満たすように定められた第３の屈折率を有するクラッドからなる構造を
備え、前記第２の導光体は、前記第１の導光体の端部に配置され、かつ、前記第２の導光体端部に光電変換部を有し、
前記第１の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第１の導光体内を導波する光線を前記第２の導光体方向に指向性を持つように配置され、
前記第２の導光体に分散された指向性発光粒子は、前記第２の導光体内を導波する光線を前記光電変換部方向に指向性を持つように配置されたことを特徴とする太陽電池が提供される。
【００１０】
更にまた、この発明によれば、
前述した導光体における前記指向性発光粒子において、前記導波する光線は、前記外部からの光線とその波長が異なることを特徴とする太陽電池が提供される。
【００１１】
加えて、この発明によれば、
前述した太陽電池において、前記導波する光線の指向性は、前記導光体形成時の延伸工程に起因する指向性発光粒子の配向を用いることを特徴とする太陽電池の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の太陽電池によれば、従来の導光及び集光作用を利用する太陽電池とは異なり、製造方法が比較的に容易で製造時のエネルギー消費が少なく、且つ、導光板に入射する太陽光線を効率的に、局所的に配置された光電変換素子に導光することができる。また、発光素子における波長変換特性を活用して光電変換素子に適合させた中心波長域の光線を集光可能である。また、局所的に配置された光電変換素子自体も小面積にすることができるため、光電変換特性に優れた単結晶基板で作られた光電変換素子を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る太陽電池を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示される平板状の導光部材を概略的に示す斜視図である。
【図３】図１に示される平板状の導光部材を概略的に示す断面図である。
【図４】図１に示される平板状の導光部材のコアに分散される発光微粒子を概略的に示す斜視図である。
【図５】図１に示される平板状の導光部材を製造する過程を概略的に示す断面図である。
【図６】図３に示される平板状の導光部材における光線軌跡を概略的に示す断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図１に示される平板状の導光部材を製造する工程をより具体的に示す模式的断面図である。
【図８】この発明の第２の実施の形態に係る太陽電池を概略的に示す斜視図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、図８に示されるファイバ状の導光部材を導光部材の延出方向に沿って切断して概略的に示す縦断面図及び導光部材の延出方向に直交する面内で切断した概略的に示す縦断面図である。
【図１０】図８に示すファイバ状の導光部材を製造する装置を概略的に示す模式断面図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、図８に示される導光部材における光線軌跡を概略的に示す断面図である。
【図１２】図８に示すファイバ状の導光部材を並列配置した導光構造を概略的に示す断面図である。
【図１３】図８に示すファイバ状の導光部材の変形例を概略的に示す斜視図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、図１３に示されるファイバ状の導光部材を導光部材の延出方向に沿って切断して概略的に示す縦断面図及び導光部材の延出方向に直交する面内で切断した概略的に示す縦断面図である。
【図１５】図８に示すファイバ状の直線状の複数の導光部材が湾曲して配置される構造を備えた導光構造を概略的に示す平面図である。
【図１６】図１５に示す導光構造の変形例を概略的に示す平面図である。
【図１７】この発明の第３の実施の形態に係る太陽電池の導光部材を概略的に示す断面図である。
【図１８】（ａ）及び（ｂ）は、図１７に示されるファイバ状の導光部材を導光部材の延出方向に沿って切断して概略的に示す縦断面図及び導光部材の延出方向に直交する面内で切断した概略的に示す縦断面図である。
【図１９】（ａ）及び（ｂ）は、図１７に示される導光部材における光線軌跡を概略的に示す断面図である。
【図２０】この発明の第４の実施の形態に係る太陽電池の導光部材を概略的に示す断面図である。
【図２１】図２０に示される平板状の導光部材を概略的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る太陽電池を説明する。
【００１５】
図１は、この発明の第１の実施の形態に係る太陽電池を概略的に示す斜視図である。図１に示すように太陽電池は、入射した光線を電力Ｐｗに変換して出力する光電変換素子（光電変換セル）２８を備え、この光電変換素子２８は、平板状の導光部材３０の一方の側端面に配置固定されている。導光部材３０の一方の側端面に対向する他方の側端面には、光反射電極(光反射層）２７が設けられている。平板状の導光部材３０は、太陽光線１２に向けられる光入射面３０Ａを備え、図２及び図３に示すように多数の発光微粒子２６が略均一に分散されたコア層２４が一対のクラッド層２２―１、２２−２間に挟み込まれた構造に形成されている。ここで、発光微粒子２６は、コア層のクラッド層に挟持された厚みと比較して極く小さい粒子であって、この観点から微粒子と称する。また、コア層２４及びクラッド層２２は、通常の光ファイバのコア及びクラッドと同様にコア層２４内を伝播する光線がコア層２４及びクラッド層２２―１，２２−２間の界面で全反射されるようにコア層２４及びクラッド層２２―１，２２−２の屈折率が設定されている。また、導光部材３０、特に入射面３０Ａの側のクラッド層２２―１は、外部光線１２がコア層２４に進入できるのに十分な光透過性を有している。
【００１６】
発光微粒子２６は、図４に模式的に示すように外部から入射した光線を、指向性を持って発光可能な粒子である。以下、これを指向性発光粒子と称する。ここで、この発光粒子の必要条件は、光線に指向性を与えることであり、また、この指向性発光粒子においては、指向性発光とともに波長変換を行うことも可能である。波長変換は、例えば、フォトルミネセンス（ＰＬ）発光により入射光線の波長を変換して入射光線の波長とは異なる波長を有する光線１４を発光し、図４に示すように光線に指向性を与えてその端面２６Ａ，２６Ｂから光線を外部に向ける略円柱形状の粒子である。波長変換は、一例として、発光微粒子２６が６５０ｎｍの中心波長域を有する光線１４の発光が可能な場合に、これより短い波長の光線１２がこの発光微粒子２６によって６５０ｎｍ付近の光線１４に変換される場合が相当する。また、フォトルミネセンス（ＰＬ）で発光する発光微粒子２６として、例えば、微粒子径が数ナノメートルに制御されて作られた硫化鉛（ＰｂＳ）があり、この硫化鉛（ＰｂＳ）の発光微粒子２６では、短波長側の光線１２を吸収して、８８０ｎｍ付近の波長の光線１４に変換して射出することが可能である。この発光微粒子２６は、１．４ｅＶ付近のエネルギーを有する波長が変換効率に優れているとされている。太陽光は、紫外域から長波長側に連続的なスペクトル分布を有しているため、変換対象の波長として、例えば、１．４ｅＶ付近のエネルギーを有する波長として８８０ｎｍ程度の波長が該当する場合、紫外域から８８０ｎｍまでの光線１２が発光素子（波長変換と光の方向を制御可能な微粒子）２６を用いて、光の波長変換及び方向制御を実施して、光電変換素子２８に向けることにより、光電変換素子２８は、変換効率に優れた均一な光線１４が導入されることになる。
【００１７】
発光微粒子２６は、図５に矢印Ｅｘで示されるような延伸工程によりその配向方向が揃えられて発光微粒子２６の指向性をコア層２４とクラッド層２２―１，２２−２の界面における全反射条件を満たす方向に設定することができる。即ち、図５の左側の領域に示されるように発光粒子の指向性については均一ではない。これに対して、発光微粒子２６は、クラッド部材３２−１、３２−２及びコア部材３４が図５に示されるように延伸工程において、クラッド層２２−１、２２−２及びコア層２４が引き延ばされるに際して図５に示すように発光微粒子２６の配向方向（長軸の方向）が延伸方向に揃えられ、発光微粒子２６の端面２６Ａ、２６Ｂが平板状の導光部材３０の一方並びに他方の側端面に向けられるように配向される。このように延伸された導光部材３０では、発光微粒子２６からの光線は、光ファイバ内における光線と同様にコア層２４とクラッド層２２―１、２２−２との界面にて全反射を繰り返しながら、コア層２４内を導光され、光電変換微粒子２６に導入される。
【００１８】
図１に示される太陽電池では、太陽光線１２が光入射面３０Ａを照射するように配置される場合には、光入射面３０Ａに照射された外部光線１２は、板状導光部材３０内において、図６に示すように発光微粒子２６に入射され、この指向性発光微粒子２６より波長変換され、変換された光線が指向性発光微粒子２６の端面から射出される。射出された光線は、コア層２４とクラッド層２２との界面にて全反射を繰り返しながら、コア層２４内を導光され、光入射面３０Ａに沿って板状導光部材３０の一方の側端面に設けられた光電変換素子（光電変換セル）２８に導かれる。また、板状導光部材３０の他方の側端面に向けられた光線は、光反射電極(光反射層）２７で反射されて板状導光部材３０の一方の側端面に設けられた光電変換素子（光電変換セル）２８に導かれる。光電変換素子２８では、入射された光線が電力に変換されて電力Ｐｗとして負荷(図示せず）に出力される。
【００１９】
上述したように、この発明の第１の実施の形態に係る太陽電池では、従来の導光及び集光作用を利用する太陽電池とは異なり、製造方法が比較的に容易で製造時のエネルギー消費が少なく、且つ、導光板に入射する太陽光線を効率的に、局所的に配置された光電変換素子２８に導光することができる。また、発光素子における波長変換特性を活用して光電変換素子に適合させた中心波長域の光線を集光可能である。また、局所的に配置された光電変換素子自体も小面積にすることができるため、光電変換特性に優れた単結晶基板で作られた光電変換素子を利用することができる。
【００２０】
導光体（部材３０）は、より具体的には、図７（ａ）〜（ｃ）に示される工程を経て延伸されて製造される。初めに、図７（ａ）に示されるように指向性発光が可能な発光微粒子２６が用意される。このとき、配向性発光粒子の配向性については無秩序である。コア層２４に比べて大きな厚みを有する板状のコア部材３４中に分散して混入される。次に、この板状のコア部材３４の両面にクラッド層２２となるクラッド部材３２−１，３２−２を形成する。クラッド部材３２−１、３２−２も同様に製造されるべきクラッド層２２に比べて大きな厚みを有するように形成される。従って、図７（ｂ）に示すように、板状のコア部材３４が板状のクラッド部材３２−１、３２−２で被覆され、製造されるべき板状の導光部材３０に比べて大きな厚みを有する板状構造体が用意されることとなる。ここでコア材料としては、例えばアクリル樹脂、クラッド材料としては、フッ素系樹脂などを用いることができる。この板状構造体は、コア層２４及びクラッド層２２―１，２２−２の軟化点以上となるように加熱された状態で、図７（ｃ）に示すように圧延ローラ３７，３９間に導かれ、圧延ローラ３７，３９によって加熱状態下で圧延される。この圧延工程では、コア層２４は、延伸され、当初無配向に配置していた発光微粒子２６は、延伸によって再配列され、発光微粒子２６の配向方向（長軸の方向）が延伸方向に揃えられ、発光微粒子２６の端面２６Ａ、２６Ｂが平板状の導光部材３０の一方並びに他方の側端面に向けられるように配向される。また、圧延時のロール４０，４２間のピッチを調整することにより、所望の板厚が板形状の導光体部材３０に与えられる。
【００２１】
図１に示される太陽電池においては、板形状の導光部材３０の相対する端面の一方に反射電極２７が設けられ、その反対側に光電変換素子２８が取り付けられている。これは、図７（ｃ）に示される製造時の圧延処理により、発光微粒子２６は、その配向性について、板厚方向に対して直交する方向（例えば、長手方向）に配向されるだけでなく、延伸により面内方向についても延伸方向に配向され、光電変換素子２８の端面から射出される光線の方向が特定される。従って、図７（ｃ）における矢印Ｅｘが圧延方向に設定される場合、発光微粒子２６は、面内方向についても矢印Ｅｘの方向に配向しやすいため、この矢印Ｅｘに直交する端面に向けて光線が伝播される。ここで、板形状導光部材３０に入射した外部光線１２は、コア層２４内に分散されている指向性発光微粒子２６によりコア層２４内で、副次的に波長変換され、コア層２４内の伝播方向に波長変換された光線として導光される。コア層２４は、クラッド層２２により狭持されていることから、クラッド層２２に向けられた光線は、コア層２４及びクラッド層２２間の界面で全反射され、全反射を繰り返しながら、板形状導光部材３０の端面に向けて導光される。換言すれば、板形状導光部材３０の表面に面照射された外部光線１２は、波長変換されて導光部材３０の端面に向けて伝播されることになる。伝播された光線波長の光電変換に最適する光電変換素子２８が端面に配置されることにより、この波長変換され、伝播された光線は、光電変換されて電流に変換されることとなる。このような太陽電池の構造では、外部光線１２が照射される板形状導光板２０の面の面積に対して、光電変換素子２８の光照射面(入射面）の面積を十分に小さくすることができ、結果として、太陽電池の構造としては、製造工程における負荷を抑制することができ、しかも、大面積の入射面を備える太陽電池モジュールを製造することができる。
【００２２】
尚、第１の実施の形態では、板形状導光部材３０の形状を直方体としているが、この形状に限定されるものではなく、他の形状に形成されても良い。また、光電変換素子２８は、直方体の４つの端面の１つに設けているが、これに限定されるものではない。
【００２３】
図８並びに図９（ａ）及び（ｂ）は、この発明の第２の実施の形態に係る太陽電池の導光部材４０を示している。この図８並びに図９（ａ）及び（ｂ）に示される第２の実施の形態においては、図１〜図７に示した第１の実施の形態とは異なり、平板状の導光部材３０に代えてファイバ状の導光部材４０が採用されている。
【００２４】
図８並びに図９（ａ）及び（ｂ）に示されるファイバ状の導光部材４０は、通常の光ファイバと同様にコア４２及びこのコア４２を被覆するクラッド４４から構成されている。コア４２には、コア２４と同様に指向性を与えた光線を発光可能な発光微粒子２６が分散されている。発光微粒子２６に関しては、図４に示される微粒子と同様であるので、第１の実施の形態における説明を参照されたい。また、コア４２及びクラッド４４は、通常の光ファイバと同様にコア４２内を伝播する光線がコア４２及びクラッド４４の界面で全反射される条件を満たすような屈折率がコア４２及びクラッド４４に与えられている。即ち、コア４２には、光線１４の導波を可能にするため、クラッド４４より屈折率が高く設定されている。
【００２５】
ファイバ状の導光部材４０には、外部から光線が図６に示すと同様に照射されて外部光線の主たる波長域において透過性に優れたクラッド４４を介してコア４２内に入射される。コア４２内では、入射光線が円柱形状に模式的に示される図４のような発光微粒子２６に進入し、この発光微粒子２６内で波長変換されて変換された光線が発光微粒子２６の端面２６Ａ，２６Ｂから発せられる。ここで、発光微粒子２６の長軸が略コア４２の延出方向に沿って配列されていることから、発光微粒子２６の端面２６Ａ，２６Ｂから射出された光線は、コア４２及びクラッド４４の界面で全反射を繰り返してコア４２内を伝播されることとなる。
【００２６】
図８に示すファイバ状の導光部材４０は、図１０に示される製造方法を経て製造されて指向性発光が可能なように発光微粒子２６がコア４２内に配向される。即ち、初めに、発光微粒子２６がコア４２内に無配向に分散されてコア４２の外周がクラッド４４で被覆された柱状部材５０が用意される。この柱状部材５０が加熱炉５２内で加熱されて軟化されてキャプスタン５４に導かれる。この加熱軟化された柱状部材５０は、キャプスタン５４において巻き取りドラム５６によって引っ張られて延伸され、所望のサイズ（径）が与えられてファイバ形状の導光部材４０に成形される。キャプスタン５４で成形されたファイバ形状の導光部材４０は、巻き取りドラム５６に巻き取られる。
【００２７】
上述した成形過程で、コア４２が延伸されるため、無配向に配置されている発光微粒子２６は、延伸によって再配列されて長手方向（ファイバの延出方向）に沿って配向される。その結果、各発光微粒子２６の端面２６Ａ，２６Ｂがコア４２の延出方向に向けられ、発光微粒子２６の端面２６Ａ，２６Ｂからは、波長変換された光線１４がコア４２及びクラッド４４の界面で全反射されるように向けられる。
【００２８】
図１１（ａ）及び（ｂ）には、例えば、太陽光線のような外部光線１２が図８に示されるようなファイバ形状の導光部材４０に入射される際の、光線１２、１４の経路を模式的に示している。既に説明したように、ファイバ形状導光部材４０に外部光線１２が入射されると、コア４２内に配向分散された発光微粒子２６内で、例えば、フォトルミネセンスにより入射光線１２が波長変換されて指向性を有する光線１４に変換される。この波長変換とは、例えば、発光微粒子２６が６５０ｎｍの中心波長域を有する発光が可能な場合、これより短い波長光が６５０ｎｍ付近の光線１４に変換されることをいう。また、発光微粒子２６は、延伸工程によりその指向性が図１１（ａ）におけるコア４２内における全反射方向に射出されるため、発光微粒子２６からの光線１４は、光ファイバ内の光線と同様にコア４２とクラッド４４の界面にて全反射を繰り返しながら、コア４２内を導かれる。
【００２９】
図１１（ｂ）に示すように、ファイバ形状の導光部材４０は、円形の断面形状を有するため、例えば、導光部材４０の延出方向に直交するように入射する光線１４は、クラッド４４がレンズとして作用してコア４２内に集光させることができる。従って、外光１２が集中して発光微粒子２６に向けられ、発光微粒子２６における光線の変換効率を高めることができる。
【００３０】
図１２に示されるようにファイバ形状の導光体部材４０−１〜４０−ｎが並列配置されている構造においては、より広い面積に亘って外光１２を受光することができる。即ち、ファイバ形状の導光部材４０であっても、並列配置された集積構造で、面展開された導光部材４０を実現することができる。この構造では、隣接するクラッド４４は、光線１４の導波に寄与しない領域となっているが、クラッド４４自体のレンズ作用（集光作用）によりコア４２に外部光線１２を集光することも可能である。
【００３１】
尚、外部光線１２のレンズ作用（集光特性）をより向上するために、図１３及び図１４（ａ）及び（ｂ）に示されるようにクラッド４４の外周に、コア４２に外部光線１２を集光させる為の屈折率制御層４８が設けられても良い。この屈折率制御層４８によって、外光１２をコア４２に向けるように屈折させ、更に、屈折光線をクラッド４４で更にコア４２に向けて屈折し、導光部材４０に入射された外部光線１２の殆どをコア層４２に誘導させるようにしても良い。この構造は、コア４２の外周をクラッド４４で被覆した構造では、コア４２及びクラッド４４の界面で光線１４を全反射させる為にコア４２及びクラッド４４の屈折率に制約があり、十分な集光作用を与えることができない虞があるが、クラッド４４外周に設ける屈折率制御層４８には、屈折率に関して制限があるものの折率制御層４８に十分なレンズ作用（集光作用）を与えることができる。従って、図１３及び図１４（ａ）及び（ｂ）に示す構造によれば、より高効率の太陽電池を提供することができる。
【００３２】
直線状の複数の導光部材４０が並列されて配置される場合に限らず、図１５及び図１６に示されるように1本の長い導光部材４０が湾曲されて平面的に展開されて大面積の光入射面を有するように配置されても良い。この導光部材４０の一方端の光射出面には、反射面２７が設けられ、他方端の光射出面には、光電変換素子２８が設けられても良い。図１３及び図１４（ａ）及び（ｂ）に示す構造は、連続的に平面的にファイバ形状の導光部材４０が展開されていることから、この構造によれば、大面積の太陽電池提供することができる。また、この構造においては、ファイバ形状の導光部材４０が導光機能及び集光機能を有し、光電変換素子２８は、外部光線１２が照射される面積に比較して十分に小面積の受光部を有し、光電変換特性に優れた単結晶基板上に光電変換部が形成された光電変換素子２８を用いることができる。例えば、ガリウム砒素基板上に３族と５族の元素からなる化合物半導体を成膜した太陽電池においては、Ｓｉから構成されているものと比較して高い変換効率を実現できる。従って、優れた光電変換効率を備えた高効率の太陽電池を提供することができる。
【００３３】
また、図１６に示されるように、ファイバ形状導光部材４０の他方端の光射出面と光電変換素子２８の受光部との間が光導波特性に優れた光ファイバ４９で光学的に連結され、導光部材４０から光線１４が光ファイバ４９を介して光電変換素子２８に導かれても良い。この図１６に示される太陽電池によれば、光電変換素子２８を比較的に自由に設置することができ、太陽電池の設置性の自由度を高めることができる。一例として太陽電池は、一般的に家屋或いはビル等の屋上に設置されるが、このような外部環境は、外気温変化或いは湿度変化が大きく、光電変換素子２８にとっては好ましい設置ではないとされている。しかし、図１６に示されるような構造によれば、光電変換素子２８を厳しい外部環境下に置くことなく、温度調整された暗室等に設置可能であり、光電変換の効率低下を防ぐことができるとともに光電変換素子２８が外部環境下で劣化されることを防止することができる。更に、光電変換素子２８から光電変換により取り出される電力Pｗも比較的に短い配線長で負荷に供給することが可能となり、配線での電力損出を低下させることが可能である。
【００３４】
図１７〜図１９は、この発明の第３の実施の形態に係る太陽電池の導光部材６０及び導波光を示している。この第３の実施の形態に係る太陽電池では、第２の実施の形態と同様に導光部材６０がファイバ形状に形成されているが、第２の実施の形態とは異なりコア４２中ではなく第２のクラッド６２中に発光微粒子２６が導光部材６０の延出方向に沿ってその発光の指光性が与えられると共に略均一に分散されている。即ち、図１７並びに図１８（ａ）及び（ｂ）に示す導光部材６０は、第１及び第２のクラッド４４，６２を備え、ファイバ状の第２のクラッド６２がコア４２によって被覆され、コア４２が更に第１のクラッド４４で被覆されている。第２のクラッド６２には、指向性を与えた光線を発光可能な発光微粒子２６が第２のクラッド６２の延出方向に配向されるように均一に分散されている。ここで、発光微粒子２６は、図４に示される微粒子と同様に指向性を与えた光線を発光する特性、例えば、フォトルミネセンスにより入射された外光１２を波長変換して指向性ある光線１４に変換する特性を有し、また、コア４２並びに第１及び第２のクラッド４４、６２には、通常の光ファイバと同様にコア４２内を伝播する光線がコア４２及び第１のクラッド４４の界面及びコア４２及び第２のクラッド６２の界面で全反射条件を満たすような屈折率が与えられている。即ち、コア４２には、光線１４の導波を可能にするため、第１のクラッド４４と第２のクラッド６２より屈折率が高く設定されている。
【００３５】
図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、ファイバ状の導光部材６０には、外部から光線が照射されて透明な第１のクラッド４４及びコア４２を介して第２のクラッド６２内に入射される。第２のクラッド６２内では、入射光線が発光微粒子２６に進入し、この発光微粒子２６内でファイバ長手方向に指向性を有する光線１４が発光微粒子２６の端面２６Ａ，２６Ｂから発せられる。ここで、光線１４は、光線１２に対して異なる波長に変換されても良い。れる。射出された光線１４は、第２のクラッド６２内を伝播されてコア４２内に進入される。ここで、発光微粒子２６の長軸が略コア４２の延出方向に沿って配列されていることから、図４に模式的に示す発光微粒子２６の端面２６Ａ，２６Ｂから射出され、コア４２内に進入して伝播される光線は、コアと第１のクラッドの界面、及び、コアと第２のクラッドの界面において全反射されて、コア内を導波することになる。
【００３６】
図１７及び図１８（ａ）並びに（ｂ）に示される構造においては、第１或いは第２の実施の形態と異なり、光線を伝播するコア４２内に発光微粒子２６が分散されていないことから、光線１４の伝播が発光微粒子２６によって阻害されることなく、効率的にコア４２内を導波されることとなる。
【００３７】
第３の実施の形態に係る太陽電池では、第２の実施の形態と同様にファイバ形状の導光部材６０に関して記述しているが、第１の実施形態と同様の形態に適応可能である。即ち、図２が図１７に示される平板状導光部材の断面を示していると仮定すると、図２に示される形態となるように平板状の第２のクラッド６２が平板状の２つのコア４２間に狭持されるように配置され、更に、平板状の２つのコア４２上に第１のクラッド４４が形成されても良い。このような構造の太陽電池では、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すと同様に外光１２が発光微粒子２６で波長変換され、外光１４が発光微粒子から平板状の２つのコア４２に導入され、この平板状の２つのコア４２内を伝播されることとなる。
【００３８】
図２０は、この発明の第４の実施の形態に係る太陽電池を示している。この図２０に示される太陽電池は、図２に示される平板状の導光部材３０と同様な構造を有する平板状の導光部材７０を備え、この平板状の導光部材７０の互いに対向される端面に図８、図１３或いは図１７に示される導光部材４０、６０と同様な構造を有するファイバ状の導光部材７２−１，７２−２の側面側が固定されている構造を有している。ファイバ状の導光部材７２−１，７２−２の延出方向の１端には、光電変換素子２８−１、２８−２が設けられ、延出方向の他端には、反射層（図示せず）或いは光電変換素子（図示せず）が設けられている。ファイバ状の導光部材７２−１，７２−２内を導波する光線は、反射層で反射されて光電変換素子２８−１、２８−２に向けられて光電変換素子２８−１、２８−２で受光されて電力に変換されて出力される。また、ファイバ状の導光部材７２−１，７２−２内を導波する光線は、導光部材７２−１，７２−２の両端に設けた光電変換素子２８−１、２８−２及び図示しない光電変換素子で受光されて電力Ｐｗ１，Ｐｗ２に変換されて出力される。
【００３９】
平板状の導光部材７０は、図２及び図３に示すようにコア２４をクラッド２２−１，２２−２で狭持した構造を有し、コア２４内には、発光素子２６が図２１に示されるようにＺ方向に沿って配向されるように均一に分散されている。この構造の平板状の導光部材７０では、外部から入射される光線１２、例えば、Ｙ方向に沿って入射される光線１２は、発光素子２６で発光素子２６の端面２６Ａ，２６ＢからＺ方向に向けて光線１４として発せられる。この光線１４は、コアとクラッドの界面において全反射条件を満たしながら導波して導光部材７０の互いに対向する端面に向けられ、ファイバ状の導光部材７２−１，７２−２内に導入される。
【００４０】
ファイバ状の導光部材７２−１，７２−２では、例えば、図８（又は、図１３或いは図１７）に示す構造を採用した場合、最外周のクラッド４４或いはクラッド４４及び屈折率制御層４８の組み合わせが集光作用（レンズ作用）を有することから、入射された光線１４は、図９（ａ）及び（ｂ）或いは図１９（ａ）及び（ｂ）に示されるようにコア４２内に分散された発光素子２６或いは図１７に示すようにクラッド６２内に分散された発光素子２６に照射される。この光線は、コア４２内の発光素子２６或いはクラッド６２内の発光素子２６で指向性が与えられ、また、ファイバ状の導光部材７２−１，７２−２の長手方向に指向性が与えられてコア４２内を導波される。コア２４，４４内を導波された光線は、ファイバ状の導光部材７２−１，７２−２の１端で夫々で反射され、１端に設けた光電変換素子２８−１、２８−２で電力Ｐｗ１、Ｐｗ２に変換される。
【００４１】
尚、図２１に示すような平板状の導波部材７０にあっては、光線が入射する面の側に対向する面に反射層７４が設けられ、導波部材７０を通過した光線１２が再び導波部材７０内に向けて反射層７４で反射され、発光素子２６がこの反射光線で照射されるようにしても良い。反射層７４を設けることによってより、例えば、太陽光などの外部からの光線を発光素子２６に向けることができ、粒子に吸収されずに透過する一部の成分については、再度、粒子を含む層に向けることができ、より光変換効率を向上させることができる。
【００４２】
図２０に示される太陽電池によれば、光電変換素子２８は、ファイバ端部に設置すれば良いことから、光電変換素子２８は、第１の実施の形態に係る太陽電池に比較して更に微小な面積の受光部を有する素子とすることができる。
【００４３】
尚、図２０に示される太陽電池においては、板状の導光部材７０における導光波長と、ファイバ形状の導光体における導光波長は同一でなくとも良い。一例として、６７０ｎｍの波長域で光電変換特性に優れた光電変換素子２８が用いられる場合、ファイバ形状の導光部材内においては、６７０ｎｍの波長域において波長変換可能な指向性のある発光微粒子２６を用いて、板状の導光体内においては、６５０ｎｍの波長域において波長変換可能な指向性のある発光微粒子２６を用いることもできる。
【００４４】
上述した実施の形態では、太陽電池が平面的に展開されている構造のみに付いて説明しているが、入射する光線を有効利用するために図１、図１５、図１６及び図２０が多層に積層されるように配置されても良く、各太陽電池に波長依存性を与えて波長域分割して各太陽電池で光電変換しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
太陽光を安価で環境負荷が少なく効率的に光電変換素子に集光可能な太陽電池が提供される。
【符号の説明】
【００４６】
１２．．．外部光、１４．．．導波光線、２２．．．クラッド、２４．．．コア層、２２−１、２２−２．．．クラッド層、２６．．．発光素子、２６Ａ、２６Ｂ．．．端面、２７．．．光反射電極、２８、２８−２，２８−２．．．光電変換素子、３０．．．導光部材、３０Ａ．．．光入射面、３２−１，３２−２．．．クラッド部材、３４．．．コア部材、３７，３９．．．圧延ローラ、４０、４０−１〜４０−ｎ．．．導光部材、４２．．．コア、４４．．．クラッド、４８．．．屈折率制御層、４９．．．光ファイバ、５０．．．柱状部材、５２．．．加熱炉、５４．．．キャプスタンス、５６．．．巻き取りドラム、６０．．．導光部材、６２．．．クラッド、７０、７２−１，７２−２．．．導光部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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