(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のルミネッセンス粒子と、焦点を有する第１の光導波路と、を含むルミネッセンスシートであって、前記複数のルミネッセンス粒子の少なくとも幾つかは、吸収周波数の少なくとも第１スペクトルの太陽光を吸収することによって励起状態になることができ、励起状態になると、放出周波数の少なくとも第１スペクトルの光を誘導放出することができる、ルミネッセンスシートと、
少なくとも１つの光源であって、一部が前記放出周波数の第１スペクトル内のスペクトルであるポンプ光を発生し、第１の進行方向に進行している前記ポンプ光が、前記吸収周波数の第１スペクトルの太陽光を吸収した励起状態の前記ルミネッセンス粒子の少なくとも１つを刺激したときに、前記励起状態のルミネッセンス粒子が、前記放出周波数の第１スペクトル内のスペクトルを有する放出光を前記ポンプ光の前記第１の進行方向に放出する、光源と、を具備し、
前記第１の光導波路は、前記放出光と前記ポンプ光とを、内部全反射させることにより、前記焦点またはその近傍にある光収集領域に集光させることをアシストする、誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項２】
前記ルミネッセンスシートの形状が、１つの前記焦点を有する概して円形ディスクの形状である場合、前記光源および前記光収集領域がいずれも前記焦点の近傍にあり、
前記ルミネッセンスシートの形状が、２つの前記焦点を有する概して楕円形ディスクの形状である場合、前記光源が前記焦点の一方にあり、前記光収集領域が前記焦点のもう一方にあり、
前記ルミネッセンスシートの形状が、概して、楕円形ディスクの一部分からなる形状であり、前記楕円形ディスクの前記一部分が、その縁部に２つの前記焦点を有する場合、前記光源が前記焦点の一方にあり、前記光収集領域が前記焦点のもう一方にあり、
前記ルミネッセンスシートの形状が、概して、多くの反射小面からなる反射縁部を形成する楕円形ディスクの複数の部分からなる形状であり、前記楕円形ディスクの複数の部分のそれぞれが、前記複数の部分の他の部分と共通する２つの共通の前記焦点を有する場合、前記光源が前記共通の焦点の一方にあり、前記光収集領域が前記共通の焦点のもう一方にある、請求項１に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項３】
前記光収集領域および前記少なくとも１つの光源の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの二次光学部品をさらに備える、請求項１または２に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項４】
前記少なくとも１つの二次光学部品が、隣接する材料と異なる材料で作られている、請求項３に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項５】
更に、前記ルミネッセンスシートの端部に位置する第一の反射器を具備し、前記第一の反射器は、前記光収集領域に光を反射する、請求項１から４のいずれか１項に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項６】
更に、前記ルミネッセンスシートに光学的に結合された第２の光導波路を具備し、前記第２の光導波路が、少なくとも前記ルミネッセンスシートから受けた光を前記光収集領域に導き、
前記ルミネッセンスシートと前記第２の光導波路とが交互に積み重ねられ、前記ルミネッセンスシートおよび前記第２の光導波路の双方よりも屈折率が低い第１の材料によって互いに分離されており、
前記ルミネッセンスシート内の光の巨視的進行方向と、前記第２の光導波路内の光の巨視的進行方向とが概して互いに反対である、請求項１から５のいずれか１項に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項７】
前記ルミネッセンスシートが、透明基板から構成され、前記ルミネッセンス粒子が、前記基板中に含浸されたルミネッセンス色素である、請求項１から６のいずれか１項に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項８】
前記ルミネッセンス粒子が、前記第一の光導波路に隣接するとともに前記第一の光導波路と光学的に結合されたルミネッセンス層内にある、請求項１から７のいずれか１項に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器と、前記集光器の前記光収集領域に配置された少なくとも１つの光起電力セルとを備える、太陽エネルギーコレクタ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光源と、前記少なくとも１つの光起電力セルが、単一の回路基板上に配置されている、請求項９に記載の太陽エネルギーコレクタ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光源が、前記少なくとも１つの光起電力セルからのエネルギーによって電力を供給される、請求項９または１０に記載の太陽エネルギーコレクタ。
【請求項１２】
互いに隣接するとともに光学的に結合された、請求項１から８のいずれか１項に記載の少なくとも２つの誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器と、
前記少なくとも２つの集光器の前記光収集領域のそれぞれに配された少なくとも１つの光起電力セルと、を具備し、
前記少なくとも２つの集光器のそれぞれの前記ルミネッセンス粒子が、他方の集光器と少なくとも部分的に異なる、吸収周波数のスペクトル内の太陽光を吸収することによって励起状態になることができ、励起状態になると、他方の集光器と少なくとも部分的に異なる、放出周波数のスペクトルの光を誘導放出することができる、太陽エネルギーコレクタ。
【請求項１３】
前記誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器の前記ルミネッセンスシートの少なくとも２つが、前記少なくとも２つのルミネッセンスシートよりも屈折率が低い第２の材料によって互いに分離されている、請求項１２に記載の太陽エネルギーコレクタ。
【請求項１４】
請求項１から８のいずれか１項に記載の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器の複数を具備し、前記集光器の少なくとも２つの光源が、中心光源と光学的に連絡して前記中心光源によって生成されるポンプ光を放出する、太陽エネルギーコレクタアセンブリ。
【請求項１５】
（ｉ）複数のルミネッセンス粒子と焦点を有する少なくとも１つの光導波路とを有する少なくとも１つのルミネッセンスシートを太陽光に暴露して、吸収周波数の少なくとも第１スペクトル内の太陽光を吸収させることによって前記ルミネッセンス粒子を励起状態にするステップであって、前記励起状態のルミネッセンス粒子が、放出周波数の少なくとも第１スペクトル内の放出光を誘導放出することができるステップと、
（ii）一部が前記放出周波数の少なくとも第１スペクトル内のスペクトルを有するとともに、第１の方向に進行するポンプ光によって前記励起状態のルミネッセンス粒子を刺激して、前記励起状態のルミネッセンス粒子に、前記放出周波数の少なくとも第１スペクトル内のスペクトルを有する放出光を、前記ポンプ光の前記第１の進行方向に放出させるステップと、
（iii）前記少なくとも１つの光導波路内に、前記放出光および前記ポンプ光を閉じ込
めるステップと、
（iv）前記放出光および前記ポンプ光が、前記少なくとも１つの光導波路内を内部全反射によって前記焦点またはその近傍にある光収集領域まで伝搬して、集光されるステップと、を含む、太陽光を集光する方法。
【請求項１６】
前記ルミネッセンスシートの形状が、１つの前記焦点を有する概して円形ディスクの形状である場合、前記光源および前記光収集領域がいずれも前記焦点の近傍にあり、
前記ルミネッセンスシートの形状が、２つの前記焦点を有する概して楕円形ディスクの形状である場合、前記光源が前記焦点の一方にあり、前記光収集領域が前記焦点のもう一方にあり、
前記ルミネッセンスシートの形状が、概して、楕円形ディスクの一部分からなる形状であり、前記楕円形ディスクの前記一部分が、その縁部に２つの前記焦点を有する場合、前記光源が前記焦点の一方にあり、前記光収集領域が前記焦点のもう一方にあり、
前記ルミネッセンスシートの形状が、概して、多くの反射小面からなる反射縁部を形成する楕円形ディスクの複数の部分からなる形状であり、前記楕円形ディスクの複数の部分のそれぞれが、前記複数の部分の他の部分と共通する２つの共通の前記焦点を有する場合、前記光源が前記共通の焦点の一方にあり、前記光収集領域が前記共通の焦点のもう一方にある、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００９年３月１２日に出願された誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器という名称のカナダ特許出願第２，６５８，１９３号、および２０１０年１月２６日に出願された誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器という名称の米国特許仮出願６１／２９８，４６０号の優先権を主張する。これら両文献の全体を参照により本明細書に組み込む。
【技術分野】
【０００２】
本発明はルミネッセンス太陽光集光器に関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽エネルギーの取り込みは、太陽光を電気に変換する多数の異なる技術が関連する分野である。これまで、どの技術も従来の発電手段に取って代わるのに十分なほどコストが低くなっておらず、その結果、太陽エネルギーも、全世界の電力需要に対してごくわずかに貢献するにとどまっている。太陽エネルギーシステムの主要なコスト推進要因は、光を電気に変換する半導体接合物である光起電力（ＰＶ）セルのコストが高いことである。
【０００４】
太陽エネルギーによって生成される電気のコストを低減するための、調査されている多くの手段のうちの１つは、「集光型太陽光発電」またはＣＰＶと呼ばれる。ＣＰＶの背後にある基本的な考え方は、一般にはフレネルレンズまたは他の集束光学部品である、ある種の光学部品を使用して太陽光を非常に小さい高効率ＰＶセルの上に集光することである。使用されるＰＶセルは、スタックの形で複数の接合物を備えた複合半導体セルであり、直列で電気的に接続されている。ＣＰＶで最も典型的な従来のセルは、すべてが直列に配置されたリン化インジウムガリウム、ヒ化インジウムガリウムおよびゲルマニウムセルを使用する３接合セルである。これらのセルのそれぞれが、太陽光スペクトルの一部分を電気に変換する。これらのシステムは非常にエネルギー生産性が高いが、その光学部品が機能するように常に太陽に面するようにシステムを配向する追尾装置が必要であるという大きな欠点を有する。この追尾装置の必要性により、これらのシステムはソーラファームで使用することが実用的とされ、この場合には、大型の、支柱に取り付けられた追尾装置が地上に設置される。しかし、建物との一体化、および（太陽電池市場の巨大な部分である）屋根への設置を意図したシステムでは、追尾装置は実用的でない。ＣＰＶシステムは２０００ｓｕｎもの高い太陽光集光を用い、これは、従来の非集光型ＰＶシステムと比べて非常に少量の光電池材料しか必要としないことを意味する。
【０００５】
集光の別の手法は、ルミネッセンス太陽光集光器を使用することである。これらのデバイスは、ルミネッセンス粒子の層を含む、またはルミネッセンス粒子をガラス全体にわたって含浸させた、ガラスのシートからなる。ルミネッセンス粒子は、光を広い帯域の周波数にわたって吸収し、低い周波数の光を狭い帯域にわたって放出する。ルミネッセンス粒子の例には、有機色素、レーザ色素、およびナノ結晶がある。
【０００６】
これらのルミネッセンス粒子が光を放出すると、放出された光はランダムな方向に進む。光はガラスの内部からあらゆる方向に均等に放出されるので、ガラスシートの底面の上部に当たり、かつガラスシートの垂直の面に対する入射角が内部全反射の臨界角よりも大きい放出放射光はどれも、内部全反射によってガラスシート内に閉じ込められることになる。（ガラスが１．５の屈折率を有し、周囲の媒体が空気であれば、臨界角は約４１．８度になる。）実際のところ、ガラス内部に閉じ込められない光は、上部および底部のガラス面の垂線を中心とする底角が８３．６度の２つの円錐のうちの１つの円錐内で放出される光である。
【０００７】
こうして閉じ込められた光は、ガラス内部であらゆる方向に進んでガラスの４つの縁部に達し、ここで、光起電力セルによってエネルギー生成のために取り込むことができる。放出光の周波数が比較的狭いので、この場合、単一接合セルが適正なバンドギャップを有しているならば、単一接合セルを非常に効率的に使用することが可能である。原理上、２つの基本的な制限、すなわちガラス内での吸収、およびルミネッセンス粒子による再吸収があることを除いて、この方法で無限の集光を達成することが可能である。第１のガラス自体の内部吸収により、実際的な光路長が制限され、したがってガラスシートのサイズおよび集光が制限される。再吸収および放出もまた、実際的な集光を制限する。これまで、この手段による最善の予測集光は、１５０ｓｕｎ程度である。これは、上記のＣＰＶによって達成可能な集光よりもはるかに少ない。したがって、追尾装置がないことによって実現されるルミネッセンス集光システムのコスト節減が、光起電力セル材料を数倍多く必要とすることの追加コストによって台無しになる。したがって、これまでルミネッセンス集光システムは、広く商業的に利用されておらず、上記の本来の利点を考えると、この技術を改善することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、従来技術の少なくとも一部と比べて改善されたルミネッセンス太陽光集光器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、一観点では、本明細書で具体化され広く説明されているように、本発明は誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器を提供する。この集光器は、複数のルミネッセンス粒子を有するルミネッセンス層を備える。ルミネッセンス粒子は、少なくとも第１の吸収周波数の太陽光を吸収することによって励起状態になることができる。励起状態になると、ルミネッセンス粒子は、少なくとも第１の放出周波数でルミネッセンス光を誘導放出することができる。集光器はまた、少なくとも第１の放出周波数のポンプ光を発生する光源であって、第１の進行方向に進行しているポンプ光が、第１の吸収周波数で太陽光を吸収したルミネッセンス粒子の少なくとも１つを刺激したときに、ルミネッセンス粒子の少なくとも１つが、少なくとも第１の放出周波数でポンプ光の第１の進行方向にルミネッセンス光を放出し、ポンプ光を強めるように、太陽光を吸収した励起状態のルミネッセンス粒子の少なくとも１つを刺激する光源を備える。集光器はまた、ルミネッセンス層に隣接しこれに光学的に結合する第１の光導波路を備える。第１の光導波路は、強められたポンプ光を内部全反射によって光収集領域まで導く助けとなるものである。
【００１０】
本発明のこの観点の諸実施形態は、改善されたルミネッセンス太陽光集光器であり、従来のルミネッセンス太陽光集光器よりも数桁大きく光を集光することができる。これは、光を従来のようにランダムな方向にではなく、ルミネッセンス粒子に光を規定の方向に放出させることによって実現される。ルミネッセンス粒子の放出は、誘導放出の原理を用いて強制的に行われる。誘導放出は、励起状態の電子が通過光子によって摂動されるときに起こる。この誘導が起こるには、刺激する光子は、放出される光子の周波数と等しい周波数を有する必要がある。誘導が起きたとき、電子は基底状態に落ち、放出された光子は、刺激する光子と同相で同じ方向に進行する。この誘導放出の原理は、レーザの動作原理である。したがって、本発明のこの観点のいくつかの実施形態では、発光ダイオードなどの、ルミネッセンス放出と同じ周波数の狭帯域光源が、規定の方向に放出を誘導するために使用される。この誘導は、（望ましい場合に）すべての光が一点に収束し、非常に高い程度に集光され、そこにＰＶセルを配置できるように行うことができる。いくつかの実施形態では、ダイオードで必要とする電力はセルで生成することができる。発光ダイオードからの光および捕捉された日光の両方をＰＶセルで吸収して、電気の正味の増大を生じさせることができる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、ルミネッセンス粒子は、吸収周波数の少なくとも第１のスペクトル内の太陽光を吸収し、放出周波数の少なくとも第１のスペクトル内のルミネッセンス光を放出することができる。いくつかの実施形態では、ルミネッセンス粒子の一部は、少なくとも第１の吸収周波数の太陽光を吸収し、少なくとも第１の放出周波数でルミネッセンス光を放出することができ、他のルミネッセンス粒子は、第１の吸収周波数と異なる少なくとも第２の吸収周波数の太陽光を吸収し、第１の放出周波数と異なる少なくとも第２の放出周波数でルミネッセンス光を放出することができる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ルミネッセンス層と第１の光導波路層は、一体型光学活性構造体を、強められたポンプ光が少なくとも一体型光学活性構造体内で光収集領域まで内部全反射によって導かれるように形成する。いくつかの実施形態では、強められたポンプ光は、一体型光学活性構造体内で光収集領域まで内部全反射だけで導かれる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、集光器は概してディスクの形状である。いくつかのこのような実施形態では、集光器は、１つの焦点を有する概して円形ディスクの形状であり、光源および光収集領域がその焦点にある。他のこのような実施形態では、集光器は、２つの焦点を有する概して楕円形ディスクの形状であり、光源がこれら焦点の一方にあり、光収集領域がこれら焦点のもう一方にある。
【００１４】
いくつかの実施形態では、集光器は概して、楕円形ディスクの一部分からなる形状である。楕円形ディスクの一部分は、その縁部に２つの焦点を有する。光源はこれら焦点の一方にあり、光収集領域はこれら焦点のもう一方にある。
【００１５】
いくつかの実施形態では、集光器は概して、多くの反射小面からなる反射縁部を形成する楕円形ディスクの複数の部分からなる形状である。楕円形ディスクの複数の部分のそれぞれは、反射縁部の反対側の縁部に２つの共通焦点を有する。光源は、これら共通焦点の一方にあり、光収集領域は、これら共通焦点のもう一方にある。いくつかのこのような実施形態では、光源と光収集領域は、互いに隣接して縁部に配置される。本発明の別の観点では、複数のこのような誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器からなるアセンブリがあり、隣り合う個々の太陽光集光器の各側面縁部が接している。
【００１６】
本発明の前述の第１の観点に戻ると、いくつかの実施形態では、集光器は概して、反射する縁部がある多くの小面からなる反射縁部を持つ正方形ディスクの形状である。各小面の反射縁部は楕円形ディスクの複数の部分を含み、楕円形ディスクのこれらの部分それぞれが共通の２つの焦点を有する。光源は、これら焦点の一方にあり、光収集領域は、これら焦点のもう一方にある。
【００１７】
いくつかの実施形態では、光源に隣接する第１の二次光学部品がある。いくつかのこのような実施形態では、第１の二次光学部品は、熱から保護するために、隣接する材料と異なる材料で作られている。
【００１８】
いくつかの実施形態では、光収集領域に隣接する第２の二次光学部品がある。いくつかのこのような実施形態では、第２の二次光学部品は、熱から保護するために、隣接する材料と異なる材料で作られている。
【００１９】
いくつかの実施形態では、光を光収集領域に向けて一体型光学活性構造体の中へ反射するように、光収集領域の反対側の縁部に配置された第１の反射器がある。
【００２０】
いくつかの実施形態では、一体型光学活性構造体に光学的に結合された第２の光導波路層がある。第２の光導波路層は、少なくとも一体型光学活性構造体から受光した光を光収集領域まで導くためのものである。
【００２１】
いくつかのこのような実施形態では、第２の光導波路層は、一体型光学活性構造体に少なくとも第２の反射器を介して結合される。いくつかのこのような実施形態では、第２の反射器は、内部全反射によって機能する。いくつかのこのような実施形態では、第２の反射器は鏡である。
【００２２】
いくつかのこのような実施形態では、集光器は概してディスクの形状である。いくつかのこのような実施形態では、一体型光学活性および第２の光導波路のそれぞれは、概してディスクの形状である。いくつかのこのような実施形態では、一体型光学活性と第２の光導波路は交互に積み重ねられ、一体型光学活性および第２の光導波路の双方よりも屈折率が低い第１の材料によって互いに分離される。いくつかのこのような実施形態では、第１の材料は空気である。
【００２３】
いくつかのこのような実施形態では、一体型光学活性構造体内の光の巨視的進行方向と、第２の光導波路内の光の巨視的進行方向とは、概して互いに反対である。
【００２４】
いくつかのこのような実施形態では、光源と光収集領域は、互いに隣接して配置される。いくつかのこのような実施形態では、光源と光収集領域は、交互に上に重ねて配置される。
【００２５】
いくつかのこのような実施形態では、第２の光導波路と光収集領域との間の光学的中間に第３の二次光学部品がある。いくつかのこのような実施形態では、第３の二次光学部品が、熱から保護するために、隣接する材料と異なる材料で作られる。
【００２６】
いくつかのこのような実施形態では、第２の光導波路と光収集領域との間の光学的中間に第４の二次光学部品がある。いくつかのこのような実施形態では、第４の二次光学部品は、熱から保護するために、隣接する材料と異なる材料で作られる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、ルミネッセンス層は透明基板から構成され、ルミネッセンス粒子は、この基板中に含浸されたルミネッセンス色素である。
【００２８】
いくつかの実施形態では、光源は点光源である。いくつかのこのような実施形態では、光源は発光ダイオードである。いくつかの実施形態では、光源は複数の光源である。いくつかのこのような実施形態では、光源は複数の発光ダイオードである。
【００２９】
別の観点では、本発明は、上述の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器と、集光器の光収集領域に配置された少なくとも１つの光起電力セルとを備える太陽エネルギーコレクタを提供する。本発明のこの観点のいくつかの実施形態では、集光器の光源は、少なくとも１つの光起電力セルからのエネルギーによって電力を供給される。いくつかの実施形態では、光源および少なくとも１つの光起電力セルは、単一の回路基板上に配置される。
【００３０】
別の観点では、本発明は、上述の太陽エネルギーコレクタのアレイを備える太陽エネルギーコレクタアセンブリを提供する。この観点のいくつかの実施形態では、太陽エネルギーコレクタのアレイの光学的背後に第３の反射器がある。いくつかの実施形態では、アレイの誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器のそれぞれの光源は、単一のエネルギー源によって電力を供給される。
【００３１】
第１の観点に戻ると、いくつかの実施形態では、ルミネッセンス層は第１のルミネッセンス層であり、複数のルミネッセンス粒子は第１の複数の粒子であり、光源は第１の光源であり、ポンプ光は第１のポンプ光であり、光収集領域は第１の光収集領域である。集光器はさらに、第１の光導波路層に隣接する第２のルミネッセンス層を備える。第２のルミネッセンス層は、第２の複数のルミネッセンス粒子を有する。第２の複数のルミネッセンス粒子は、吸収周波数の第１のスペクトルと少なくとも部分的に異なる、吸収周波数の少なくとも第２のスペクトルの範囲内の太陽光を吸収することによって励起状態になることができる。励起状態になると、第２の複数のルミネッセンス粒子は、放出周波数の第１のスペクトルと少なくとも部分的に異なる、放出周波数の少なくとも第２のスペクトルの範囲内のルミネッセンス光を誘導放出することができる。集光器はまた、放出周波数の少なくとも第２のスペクトル内の第２のポンプ光を発する第２の光源であって、第２の進行方向に進行している第２のポンプ光が、吸収周波数の第２のスペクトルで太陽光を吸収した第２の複数のルミネッセンス粒子の少なくとも１つをシミュレーションしたときに、第２の複数のルミネッセンス粒子の少なくとも１つが、放出周波数の少なくとも第２のスペクトルで第２のポンプ光の第２の進行方向にルミネッセンス光を放出し、第２のポンプ光を強めるように、太陽光を吸収した第２の複数のルミネッセンス粒子の少なくとも１つの励起状態の粒子を刺激する第２の光源を備える。集光器はさらに、第２のルミネッセンス層に隣接しこれに光学的に結合する第３の光導波路層を備える。第３の光導波路は、強められた第２のポンプ光を内部全反射によって第２の光収集領域まで導く助けとなるものである。いくつかのこのような実施形態では、第１の光導波路と第２のルミネッセンス層は、第１の光導波路および第２のルミネッセンス層の双方よりも屈折率が低い第２の材料によって互いに分離される。
【００３２】
いくつかの実施形態では、集光器はさらに、第３の光導波路層に隣接する第３のルミネッセンス層を備える。第３のルミネッセンス層は、第３の複数のルミネッセンス粒子を有する。第３の複数のルミネッセンス粒子は、吸収周波数の第１のスペクトルおよび第２のスペクトルと少なくとも部分的に異なる、吸収周波数の少なくとも第３のスペクトルの範囲内の太陽光を吸収することによって励起状態になることができる。励起状態になると、第３の複数の粒子は、放出周波数の第１のスペクトルおよび第２のスペクトルと少なくとも部分的に異なる、放出周波数の少なくとも第３のスペクトルの範囲内のルミネッセンス光を誘導放出することができる。集光器はさらに、放出周波数の少なくとも第３のスペクトル内の第３のポンプ光を発生する第３の光源であって、第３の進行方向に進行している第３のポンプ光が、吸収周波数の第３のスペクトルで太陽光を吸収した第３の複数のルミネッセンス粒子の少なくとも１つを刺激したときに、第３の複数のルミネッセンス粒子の少なくとも１つが、放出周波数の少なくとも第３のスペクトル内で第３のポンプ光の第３の進行方向にルミネッセンス光を放出し、第３のポンプ光を強めるように、太陽光を吸収した第３の複数のルミネッセンス粒子の少なくとも１つの励起状態の粒子を刺激する第３の光源を備える。この集光器はさらに、第３のルミネッセンス層に隣接しこれに光学的に結合する第４の光導波路層を備える。第４の光導波路は、強められた第３のポンプ光を内部全反射によって第３の光収集領域まで導く助けとなるものである。いくつかのこのような実施形態では、第３の光導波路と第３のルミネッセンス層は、第３の光導波路および第３のルミネッセンス層の双方よりも屈折率が低い第３の材料によって互いに分離される。
【００３３】
別の観点では、本発明は、上述の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器と、集光器の第１の光収集領域、第２の光収集領域および第３の光収集領域のそれぞれに配置された少なくとも１つの光起電力セルとを備える太陽エネルギーコレクタを提供する。いくつかの実施形態では、第１の光源、第２の光源および第３の光源は、光起電力セルの少なくとも１つから電力を供給される。いくつかの実施形態では、光源のそれぞれ、および光起電力セルのそれぞれはすべて、単一の回路基板上に配置される。
【００３４】
別の観点では、本明細書で具体化され広く説明されているように、本発明は、（ｉ）複数のルミネッセンス粒子を有する材料からなるルミネッセンス層を太陽光に暴露して、少なくとも第１の吸収周波数の太陽光を吸収させることによってルミネッセンス粒子を励起状態にするステップであって、励起状態のルミネッセンス粒子が、少なくとも第１の放出周波数でルミネッセンス光を誘導放出することができるステップ、（ii）少なくとも第１の放出周波数で第１の方向に進行するポンプ光によって励起状態のルミネッセンス粒子を刺激して、励起状態のルミネッセンス粒子に、少なくとも第１の放出周波数でポンプ光の第１の進行方向にルミネッセンス光を放出させ、ポンプ光を強めるステップ、（iii）ルミネッセンス層によって一部形成され、かつルミネッセンス層に隣接しこれに光学的に結合された追加材料によって一部形成された光導波路内に、強められたポンプ光を閉じ込めるステップ、および（iv）強められたポンプ光が、光導波路内を内部全反射によって光収集領域まで伝搬できるようにするステップとを含む、太陽光を集光する方法を提供する。
【００３５】
どれか特定の要素に関連する第１、第２、第３などの記述語を使用することは、どれか特定の実施形態にその要素の番号が存在することを（ありうるとはいえ）必ずしも意味しないことを理解されたい。これらの単語は一般に、類似の名称を有するそれぞれ異なる要素を単に区別するために、本明細書全体を通して使用されている。
【００３６】
本発明の諸実施形態はそれぞれ、上記の目的および／または観点の少なくとも１つを有するが、必ずしもそれらのすべてを有するとは限らない。上記の目的を達成しようとしてもたらされた本発明のいくつかの観点は、これらの目的を満たさないことがあり、かつ／または、本明細書に具体的に列挙されていない他の目的を満たすことがあることを理解されたい。
【００３７】
本発明の諸実施形態の追加および／または代替の特徴、観点および利点は、以下の説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲により明らかになろう。
次に、本発明の諸実施形態について、単に例示的に、添付の図を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ルミネッセンスシステムの簡単な概略図である。
【図２】典型的な色素の吸収放出スペクトルを示す図である。
【図３】一実施形態の誘導放出ルミネッセンス太陽光集光器の断面図である。
【図４】太陽光を取り込むための誘導放出ルミネッセンスシートを示す図である。
【図５】太陽光を取り込み集光するための誘導放出ルミネッセンスシートを示す図である。
【図６】太陽光を取り込み集光するための楕円形誘導放出ルミネッセンスシートを示す図である。
【図７】太陽光を取り込み集光するための半楕円形誘導放出ルミネッセンスシートを示す図である。
【図８】太陽光を取り込み集光するためのくさび形誘導放出ルミネッセンスシートを示す図である。
【図９】機能的性能を変えずに誘導放出ルミネッセンスシートの外形を変更する方法を示す図である。
【図１０】二層誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器を示す図である。
【図１１】二次光学部品を備えた二層誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器の別の実施形態を示す図である。
【図１２】照光されている図１１の実施形態が二面であることを示す図である。
【図１３】二層誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器の中で、光起電力セルと光源の両方を同じ回路基板上にどのように装着するかを示す図である。
【図１４】薄いルミネッセンスシートを備えた二層誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器を示す図である。
【図１５】多くの別々の光学部品でできている誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器モジュールの可能な配置を示す図である。
【図１６】光ファイバケーブル布線を用いて中心光源からモジュール内の多数の光学部品まで光をどのように導くことができるかを示す図である。
【図１７】誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器の初期コンピュータモデリングによるいくつかの予備段階の結果を示す図である。
【図１８】ルミネッセンス材料の例示的な吸収および放出スペクトルを示す図である。
【図１９】複数のルミネッセンス材料の例示的な一組の吸収および放出スペクトルを示す図である。
【図２０】複数の層を備えた誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器の側面図である。
【図２１】複数の層を備えた誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器を示す図である。
【図２２】誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器でできているモジュールの可能な構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
誘導放出ルミネッセンス太陽光集光器では、ルミネッセンスシートが日光に暴露され、レーザ、ダイオードなどの光源、または他の光源によってポンピングされる。図１Ａ〜１Ｇは、その過程中の電子のエネルギー状態を示す。図１Ａで、日光１００からの入射光子がルミネッセンス粒子に吸収され、電子１０２を基底状態１０４（Ｅ0と表示）から高い状態１０６（ＥHと表示）へ励起する。図１Ｂで、電子１０２が低いエネルギー状態１０８（Ｅ1と表示）まで減衰し、その過程でいくらかのエネルギーを光子または熱１１０として解放する。本明細書では、低いエネルギー状態１０８をルミネッセンス状態と呼ぶ。電子が単独で十分に長い時間ルミネッセンス状態のままにしておかれた場合、電子は減衰して基底状態に戻り、ルミネッセンス周波数と呼ばれる周波数を有する光子を解放し、この光子はランダムな方向に進む。ルミネッセンス周波数は、元の吸収された光子１００の周波数よりも低く、これは、放出された光子が有するエネルギーが、吸収された光子よりも少ないことを意味する。図１Ｃに、ルミネッセンス周波数と等しい周波数を有する通過光子１１２が示されている。図１Ｄに示されるように、この光子１１２は、ルミネッセンス状態１０８にある電子１０２を摂動（刺激）し、電子１０２を基底状態１０４まで減衰させ、それによって光子１１４が放出される。放出光子１１４は、誘導光子１１２と同じ周波数で、同相であり、同じ方向に進む。
【００４０】
図１Ｅに外観図が示されている。日光１１６がルミネッセンス粒子１２０（１つまたは複数の分子）のクラスタに当たる。ルミネッセンスと同じ周波数を有する通過ポンプビーム１１８が放出を誘導し、同様に継続して伝搬するポンプビーム１１８と平行で同じ周波数を有するビーム１２２を、ルミネッセンス粒子に放出させる。
【００４１】
上述のルミネッセンス状態は、ルミネッセンス粒子の一例にすぎず、実際には、その状況がもっと複雑になることがあり、また不連続状態ではなく連続的または疑似連続的なエネルギーバンドが伴いうる。その場合、ダイオードからの放出光は、ルミネッセンス放出光と同じスペクトルを有する。これは、問題の光が厳密な特定の周波数にあるのではなく狭い帯域にわたって周波数が変化してあるスペクトルを画定することを除いて、上記で説明したのと同じである。
【００４２】
ルミネッセンスシステムもまた、上記よりも多いエネルギー状態を伴いうる。複数の光子が励起段階に関わることがあり、またルミネッセンス放出段階の前に複数の減衰段階がありうる。本発明は、エネルギー状態の数に関係なく、いかなるルミネッセンスシステムも包含する。加えて、ルミネッセンス粒子の中には、１つの粒子の放出光が他の粒子に吸収される異なる吸収および放出スペクトルを有する、複数のルミネッセンス粒子を含むものがある。本発明は、これらのルミネッセンスシステムも同様に包含する。
【００４３】
上記に示した説明は、幅広い読者に容易に理解されることを意図している。次の節は、より技術的な説明になる。本明細書で「色素」という語は、それだけには限らないが、有機色素および無機色素、ドープしたガラスおよび結晶（例えば、ＹＡＧまたはガラス中のＮｄ3+、サファイヤ中のＴｉ）、ならびに量子ドットを含むルミネッセンス材料を指すことに留意されたい。また、本出願では、ルミネッセンスはフォトルミネッセンスを含むことにも留意されたい。
【００４４】
ルミネッセンスシートは、ルミネッセンス色素を基板全体に均等に含浸させた、または表面に薄い膜として付着させたガラス、シリコーン、ポリマーなどの透明基板からなる。色素は、入ってくる太陽放射光の一部分を吸収して、色素分子を励起状態に促進する。色素は、低いエネルギーレベルまで速い内部緩和を受け、その後、低いエネルギーの光子を自然に放出することができ、その吸収プロファイルと放出プロファイルのピーク間のエネルギーの差はストークスシフトと呼ばれる。大きいストークスシフトは、それがルミネッセンス色素による放出光子の再吸収を抑制するので、望ましいといえる。図２は、放出と吸収のスペクトルの間のストークスシフトを示す。
【００４５】
レーザまたはＬＥＤである明るい狭帯域の光源（ポンプ）が追加され、この光源は光をルミネッセンスシート面の中に投射するが、この光は内部全反射によってシートに閉じ込められる。このポンプ光源は、その波長が色素の放出スペクトルの範囲内になるように選ばれる。ポンプ光源によって照光された励起色素分子は、ポンプ光源と同じ光子を誘導放出により放出するという可能性を有するが、この放出は光子の自然放出と競合する。誘導放出により生じた光子は、集光シート中を進み、光起電力セルに集められる。自然放出により生じる光子は、ランダムな方向に放出され、その光子の一部分（シート面に対して４５度より大きい角度を有するもの）がシートの外で結合される。自然放出された光子は集められない。
【００４６】
励起色素分子が誘導放出により崩壊する確率は、誘導放出の速度と全緩和速度の比によって与えられる。
Ｐstim＝Ｒstim／（Ｒstim＋Ｒsp）
ここで、Ｐstimは誘導放出の確率、Ｒstimは誘導放出の速度、Ｒspは自然放出の速度である。誘導放出の速度は次式で与えられる。
Ｒstim＝σeＩ／ｈν
ここで、σeはポンプ波長における誘導放出断面積、Ｉは入射光の強度、ｈはプランク定数、νは光の周波数である。自然放出の速度Ｒspは、蛍光状態寿命τspの逆数によって次式の通り与えられる。
Ｒsp＝１／τsp
【００４７】
色素分子は、非放射性機構ならびに放射性機構によって崩壊し、その結果、１未満の蛍光量子効率（ＱＹ）が得られる。非放射性機構は、初期の緩和時の高エネルギー一重項状態からの、放射性経路を通るある確率ＱＹ、および非放射性経路を通る確率１−ＱＹによる、各経路の間での確率的な分裂であるとしてよい。あるいは、非放射性機構は、放射性経路と競合し、非放射性緩和速度Ｒnrによって特徴付けられる、ルミネッセンス状態からの緩和過程であるとしてもよく、量子効率がＱＹ＝Ｒsp／（Ｒsp＋Ｒnr）で与えられる。
【００４８】
高励起状態からの非放射性経路に関する第１の場合には、誘導放出の確率は次式に代えられる。
Ｐstim＝ＱＹ×Ｒstim／（Ｒstim＋Ｒsp）
第２の場合には、誘導放出の確率は次式に代えられる。
Ｐstim＝Ｒstim／（Ｒstim＋Ｒsp＋Ｒnr）
【００４９】
色素は、大きい誘導放出断面積、および高い量子効率を有するように選択される。
【００５０】
図３に示されるものなど、誘導放出ルミネッセンス光導波路集光器は、ルミネッセンスシート１２４、光源１２６、および光起電力（ＰＶ）セル１２８を使用して作製される。前述のように、ルミネッセンスシートは、ルミネッセンス粒子の薄い層１３０をガラスシート１３２の側面に付着させることによって作製することができる。ルミネッセンス粒子は、ＰＭＭＡ、ウレタン、透明シリコーンなど別の材料のマトリクス中に懸濁させることができ、あるいは、２つのガラスシートの間に封止されるエタノールなどの溶媒中にさえも懸濁させることができる。別法として、ルミネッセンスシートは、ガラスシートにルミネッセンス粒子を含浸させることによって作製することもできる。ガラスシート１３２上のルミネッセンス層１３０は、入射日光１１６を吸収する。吸収された日光は、前に論じたように、電子をルミネッセンス状態に励起させる。光源１２６は、ガラスシート中に光１３４を放射し、それが内部全反射によってシート内に閉じ込められる。この光はポンプ光と呼ばれ、ルミネッセンス放出スペクトルと同等のスペクトルを有する。ポンプ光１３４が、１３６と表示された位置などでルミネッセンス状態の励起電子に遭遇した場合は必ず、その電子は基底状態まで減衰して光を放出し、この光はポンプ光１３４と平行に進み、それによってその強度が増大する。ますます多くの放出光がポンプ光に付加されるにつれて、ポンプ光はさらなる強度を徐々に累積する。さらに、上流でポンプ光によって放出が誘導された光は、下流で放出を誘導することができる。その結果、強められたポンプ光１３８は、ガラスシートの中に閉じ込められたままになり、ＰＶセル１２８に向かって伝わることになる。
【００５１】
図３は、一実施形態の誘導放出ルミネッセンス太陽光集光器の断面図である。この図から、閉じ込められた日光によって元のビームが増大されるにつれて、左側から右側へと集光器内部の光の強度が増大し、その結果、ビームは光源１２６のすぐそばで最小強度であり、ＰＶセル１２８のところで最大強度になることが明らかである。
【００５２】
次に、点光源として機能する小さな光源を使用する三次元設計について説明する。光源１２６は、図４に示されるように、円形ルミネッセンスシート１４０の中心にある点光源である。光源からの放出光１３４により、日光１１６が位置１３６でルミネッセンス粒子に吸収され、次に、誘導放出が引き起こされて、強められた光１３８が外側縁部１４２に向けて生成される。図４Ａは、このシステムの断面図である。図４Ｂは、このシステムの三次元図である。図４Ｃは、このシステムの上面図である。（この図、および後に続く各図で、光線は直線として示されているが、これは単に図を簡単にするためである。本明細書を読んでいる当業者には理解されるように、光は、図３で述べたジグザグの経路をたどる。）
【００５３】
図５に示されるように、ディスクの外側縁部が、光を反射するように鏡１４４でコーティングされている場合、反射光１４６は、ディスクの中心に集束する。ディスクの中心に集められる光は、その進路に沿って日光を収集しているので、光源１２６が最初にディスク中に放射した光よりも強度がはるかにまさることになる。反射光１４６は、ディスクの中心に集束すると、さらに誘導を引き起こして、光をさらに強めることができる。光起電力セルなどの太陽エネルギーコレクタを光源１２６と同じ空間を占めるようにすると、このデバイスは、ディスクの中心に収束する太陽エネルギーを電気に変換することができる。この電気は、光源に電力を供給することができ、また、どこか他の場所の用途に利用される使用可能な電流を送出する。エネルギー保存の法則が守られ、光源からのポンプ光は、光起電力セル上の光によって電力を供給され、ポンプ光は、捕捉された太陽放射光を刺激し、それを光起電力セル上に集束させるために使用される。一定した日光の供給源がシステムから除かれた場合、システムはただちに機能することを停止し、デバイスは、日光または他の光源が再び利用されるまで動作を停止することになる。
【００５４】
太陽エネルギーコレクタと光源を同じ場所にすることが困難である場合には、ディスクを楕円形に作ることができる。ディスクが楕円形に作られている場合には、光は一方の焦点から出て広がり他方に収束する。これは図６に示されている。光源１２６は、楕円形プレート１５０の第１の焦点１４８に配置されている。光は、前記のように放出され、鏡付き縁１４４で反射する。反射光１４６は、太陽エネルギーコレクタ１５４がある第２の焦点１５２に収束する。前記のように、太陽エネルギーコレクタ１５４に収束する光は、ずっと強くなり、光源１２６に電力を供給するために使用された電力よりも大きいパワーを有する。ポンプ光１３４は、入射日光１１６を吸収したルミネッセンス粒子を通過するときに光の放出を誘導するので、強度が増大する。この強められた光は、次に、誘導放出をさらに引き起こして、強度およびパワーを第２の焦点１５２で最大まで増大させるカスケード効果をもたらし、第２の焦点１５２では、非常に高い集光率で光が電気に変換される。光源１２６と太陽エネルギーコレクタ１５４は、それらが互いに比較的近接している場合には、便宜上、単一の回路基板上に配置することができる。楕円形は、光源と太陽エネルギーコレクタの間の離隔距離を増大または低減するように変えることができる。
【００５５】
図７は、完全な楕円プレートの代わりに半楕円プレート１５６をどのように使用できるかを示す。こうすることにより、光源１２６および光起電力セル１５４をそれぞれ、プレート１５６の縁部１５８の焦点１４８および１５２に取り付けることが可能になる。縁部取付けは、前に示したようにプレートの中心に取り付けるよりも都合がよいことがある。
【００５６】
図８は、図７の設計に基づく別の変形物を示す。楕円形プレートは、くさび形部分１６０になるようにスライスされている。この楕円は、２つの焦点１６２と１６４が共に接近するようにおおよそ円形になっている。光源１２６および光起電力セル１５４は、面１６６に縁部で取り付けられている。この設計は、光源と光起電力セルの両方が円の中心から外れているならば、楕円からのくさびではなく円形ディスクの一部分でも同様に実現することができる。楕円形部分を用いてより完全な集束を実現することができ、これにより集光度を向上することができるが、応用例によっては、円形部分を用いても集光度は十分に高くなりうる。
【００５７】
図９は、くさび形ルミネッセンス集光器１６８と再び非常に類似した実施形態を示す。しかし、ここでは複数の反射小面１７０が、前には単一の楕円弧であった反射縁部１４４に取って代わる。図９Ａには、小面１７０が３つだけ示されている。実際には、小面はもっと小さくなり、小面によって画定される面はもっと平坦になりうる。図９Ｂは、微細な小面（図示せず）の集合からなる面１７４を有するくさび形ルミネッセンス集光器１７２を示し、これらの小面は、光１２６からの入射放射光を方向転換して光起電力セル１５４に向ける。図９Ｂの設計の利点は、図９Ｃに示されるように、非常に密集したパッキングが可能になることである。図９Ｄは、湾曲面をより平坦な一連の小面に分割するというこの方法を、どんな湾曲部に対しても行うことが可能なことを示す。このようにして正方形ルミネッセンス太陽光集光器１７６に変形されたディスクが示されている。小面１７８のそれぞれが、中心からの光を反射して中心の方へと戻す。反射された光線１８０は、図を分かりやすくするために微小な角度を付けて示してあるが、実際には、球の中心から来る光線１８２と完全に重なる。湾曲鏡面を平坦な一連の小さな湾曲小面に分割するというこのアイデアは、本明細書に記載のすべての実施形態に広く適用することができる。大まかには、各小面は、円または楕円などの単一の曲線で示されるが、上述のようにすべて四角にすることもできる。
【００５８】
ルミネッセンスシートで光を閉じ込めてもシートが過度の集光にはさらされないシステムを考案することが可能である。上記で示したすべての設計では、太陽エネルギーコレクタが取り付けられたルミネッセンスシート内部に閉じ込められた光を集光した。集光器シートである第２のシートが導入された場合、ルミネッセンスシート内部の光束密度（強度）は、光源自体のところの集光度を超える必要がない。図１０に、ディスクの縁のまわりの鏡１４４を備えた図４および図５と同じルミネッセンスシート１４０が示されている。ただし、ここではルミネッセンスシートの下に第２のシート１８４がある。鏡１４４に反射する光は、わずかに下向きに反射され、ルミネッセンスシートに入るのではなく、代わりに集光器シート１８４（これは光導波路の役割を果たす）に結合して入る。この光は、光起電力セル１８６まで伝搬する。この実施形態では、光起電力セルは、集光器シート１８４の中心にある正方形孔１８８の中に配置されている。ルミネッセンスシート１４０と集光器シート１８４の間にエアギャップ１９０がある。このエアギャップは、ルミネッセンスシート内の光がルミネッセンスシートを出て集光器シートに入るようにするために、鏡のところまでは延びていない。エアギャップは、内部全反射によって光を集光器シート内に閉じ込めたままにするために必要である。全体として、実施形態１９２は二層ルミネッセンス太陽光集光器と呼ばれる。二層ルミネッセンス太陽光集光器のさらにいくつかの実施形態を次の節で概説するが、まず、二層設計の利点のいくつかに注意を向ける。
【００５９】
図１０Ｃに、上から見たルミネッセンス層１４０が示されており、光の波面１９４が層内で外向きに広がっている。図１０Ｄのグラフは、波面がディスクの中心から外側に移動するときに捕捉されるパワー、および強度を示す。捕捉されるパワーは、光の波面がディスク全体にわたって広がるにつれて増大する。強度は、同じ距離にわたってわずかに低下することが示されている。個々の色素および利用可能な日光の量に応じて、強度は減少するか、増加するか、または一定である。図１０Ｅは集光器１８４を示し、同じ波面１９４がディスクの縁で反射し、ここで光起電力セル１８６が配置されているディスクの中心で、崩壊している。図１０Ｆは、図１０Ｄと同じグラフを示すが、ルミネッセンスシートではなく集光器シートについてのものである。捕捉されるパワーは、光が中心に収束するにつれてわずかに減少する。これは、バルク内の散乱機構および吸収による。集光器層の中で新たに捕捉される日光は無い。一方で強度は、光がディスクの中心で崩壊するときに劇的に増大する。セルは、光が大いに集光される高強度の点に配置される。
【００６０】
二層ルミネッセンス太陽光集光器を使用することの利点は、最も高い集光が、ルミネッセンス色素から離れた集光器シート内だけで行われることである。集光器シートは、ガラスのような弾性材料から作ることができ、実現可能な集光度は非常に高く、１０００、２０００、５０００または１００００ｓｕｎにもなりうる。このような超高集光度では、色素を損傷するおそれがあるが、二層設計を用いると、高集光に伴う強い光束を受けることから色素が保護される。
【００６１】
二層設計は、前に概説した楕円形設計およびくさび形設計にも同様に適用可能である。ルミネッセンスシートと集光器シートの間の結合の構成および手段が、図１１から１４の主題になる。図１１から１４は、すべてディスク形光学部品の断面図であるが、その概念は、前述の楕円形およびくさび形光学部品に対して同様に適用可能である。
【００６２】
図１１は、集光器シート１８４の上に配置されたルミネッセンスシート１４０を示し、これらのシートの間にエアギャップ１９０がある。それらの縁部で、これら２つのシートは半円形部品１９５によって結合されている。外部反射器１９６がこの部品を覆って配置されている（部品を直接ミラーコーティングすることもできる）。捕捉された光１３８が半円形部品１９５に入る。この光の一部は、１９８などにおいて内部全反射によって方向を変えられる。一部の光は、半円形部品を出て鏡の代わりに反射する。いずれにしても、すべての光が反射され（１４６）、集光器シート１８４内の光起電力セル上に収束する。前記のように正方形孔の中に４つのセルがあるのではなく、湾曲小面２０２を備えた二次光学部品２０１が使用されて、光を下方に方向転換してセルの上に向ける。この小面は、曲率が同じ湾曲鏡挿入物２０４を有する（２０２もまた、直接ミラーコーティングすることができる）。湾曲小面は光を、ルミネッセンスシートおよび集光器シートと同じ面にある光起電力セル２０６の上に向けて、下方に方向転換する。光起電力セル２０６は、回路基板２０８の上に置かれており、光学接着剤２０９を使用して二次光学部品２０１に接着されている。鏡付き面は、２１０に示されているような光起電力セル２０６以外の要素での吸収による損失を防ぐために、回路基板２０８の上面に付けることができる。回路基板の後面に取り付けられた、集光器セルに特有であるバイパスダイオード２１２が示されている。
【００６３】
図１２は、上下が逆であることを除いて図１１と全く同じシステムを示す。言い換えると、太陽は、デバイスの反対側を照らしている。集光器シートは、中心にコレクタがあるガラスのディスクにすぎないので、光は妨げられずに通過し、前記のようにルミネッセンスシートによって集めることができる。その境界面にいくらかの小さなフレネル損失があるが、これは反射防止コーティングによって軽減することができる。このデバイスには二面があり、どちら側からの光でも動作する。
【００６４】
図１３は、光起電力セル２０６が集光器シート１８４の下ではなく上に置かれるように二次光学部品２０１が上下に反転されていることを除いて、図１１と同じシステムを示す。これにより、光起電力セル２０６を搭載する同じ回路基板２０８を、光源１２６を搭載するためにも使用する機会が与えられる。
【００６５】
図１４は、図１２と類似のシステムを示す。この図は、再び上下逆で光学部品の二面性を示している。ここでの変更は、ルミネッセンスシート１４０が集光器シート１８４と比べて非常に薄く作られていることである。薄いルミネッセンスシートには２つの利点がある。このシートは、誘導放出の確率を高く保つためにルミネッセンスシート内で相対的に高い光束を維持する。このシートはまた、ミラーコーティングされた構成要素１９６を不要にする。半円形部品１９５に入る光は内部全反射され、集光シートに結合して入る。集光器シートに入った後、光は、前記のように集束して光起電力セル２０６に達する。
【００６６】
このような誘導放射ルミネッセンス太陽光集光器でモジュールを作ることが、円形または楕円形、あるいはくさび形の要素をアレイとして密にパッキングすることによって可能である。これらの要素はまた、長方形のモジュールとして最適にパッキングするために、前述のように四角形にすることもできる。しかし、この光学部品の二面性を利用して、より広い領域を少ない光学部品でカバーすることができる。図１５は、光学部品２１４をどのように間隔をあけて配列し、高散乱反射器２１６の上に配置できるかを示す。シート２１６に当たった光２１８は、散乱して上方に戻り、光学部品２１４に裏側から当たる。これは、円形の部品で行うことができ、あるいは前に論じた他の形の誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器のいずれかで行うことも可能である。
【００６７】
ここまでずっと、各光源は、電力供給されるある種の光源であると想定してきた。図１６は、中心光２２０を使用して光を光ファイバケーブル２２２の中に供給することができ、次に、この光ファイバケーブルが光を各光学部品のルミネッセンスシート１４０まで導くことを示す。図１６Ｂは、側面放出器を製作するために、光ファイバ２２２の端部２２４をどのようにして簡単な逆三角形で構成できるのかを示す。光ファイバからの光は、ダイオードからの光と全く同じように使用することができ、またこの光は、各モジュールが複数ではなく１つしか中心光源を必要としないという利点を有する。これはコストが低く、故障しにくい。
【００６８】
シミュレーション
【００６９】
ルミネッセンスシート内のエネルギー収集をモデル化するために、有限要素モデルが作成される。吸収最高値が４３０ｎｍおよび６１５ｎｍにあり、放出ピークが７７２ｎｍにあるリン光色素Ｐｔ−（ＴＰＢＰ）（白金−ポルフィリン誘導体）を使用して、簡単な単一色素システムがモデル化される。円形シートが一連の環状リングに分割されて、ポンプとして機能する放射光源がその中心に導入される。高いポンプ光強度を維持するために１００ｍｍのシート厚が使用される。各リングでは、吸収された太陽光パワーが、誘導放出および再吸収の確率と併せて決定される。
Ｐn＝Ｐn-1＋Ｐsolar,nＰstim−Ｐabs,n
Ｐn  −  リングｎ内のパワー
Ｐsolar,n  −  リングｎ内の吸収太陽光パワー
Ｐstim  −  誘導放出の確率
Ｐabs,n  −  リングｎ内の再吸収で失われたパワー
【００７０】
この一次モデルは、損失を高く見積もりすぎているので、ルミネッセンスシートから取り出すことができるパワーの下限を示している。このモデルでは、色素に吸収される光子を取り込むことができずに失われるものとみなしているが、実際には、再吸収により色素分子は励起され、励起された色素分子は自然放出または誘導放出によって再度緩和状態となる。また、確率１−Ｐstimで発生する自然放出によって失われるエネルギーは過大に見積もられている。シートに対して大きい角度で放出される自然放出光子はシステムから失われるが、シート内にとどまる自然放出光子は最終的に再吸収され、その再吸収により再度誘導放出される可能性がある。
【００７１】
図１７ａは、累積の吸収太陽光パワー、およびポンプモードに誘導されるパワーを半径の関数として、３．０ｍｍの内径から、外へ１０ｃｍのところにあるルミネッセンスプレートの縁部まで位置を変えて示す。図１７ｂは、誘導放出の確率を中心からの距離の関数として、初期ポンプ強度が５３０ｋＷ／ｃｍ2の場合で示す。誘導放出の確率は、（元のポンプおよび誘導放出からの）ポンプ光によって照光される面積が半径と共に増大するので、中心からの距離が増大するにつれて低下する。
【００７２】
初期のポンプ強度パワーの要件を少なくし、日光捕捉効率を改善するには、異なる色素および幾何形状を使用することができる。しかし、一次モデルは、このように日光を捕捉することによってパワーの正味の増大を実現することが可能であることを示す。
【００７３】
様々な実施形態についての議論に戻ると、複数のルミネッセンス材料が使用され、そのそれぞれが太陽光スペクトルの別々の部分に対して反応する場合には、誘導放出ルミネッセンス光導波路太陽光集光器で、より高い効率を得ることができる。例えば、図１８は、吸収ピーク３００および放出ピーク３０２を有する単一ルミネッセンス材料を示す。図１９は、それぞれ異なる線種で示された３組の別個の吸収ピークおよび放出ピークを示し、これらは、３つの異なるルミネッセンス材料のルミネッセンス特性を表す。その対応する対は、第１のルミネッセンス材料の吸収ピーク３００と放出ピーク３０２、第２のルミネッセンス材料の吸収ピーク３０４と放出ピーク３０６、ならびに第３のルミネッセンス材料の吸収ピーク３０８と放出ピーク３１０である。図で、第１のルミネッセンス材料は、吸収が約３７５ナノメートルでピークに達する傾向があり、第２の材料は約４７５ナノメートルにピーク吸収があり、第３の材料は約５７５ナノメートルにピーク吸収がある。これらの波長および吸収放出曲線は、単に例示のために使用されており、実際には、任意の数のルミネッセンス材料または色素を紫外帯域、可視スペクトル、近赤外スペクトルまたは赤外スペクトル、あるいはこれらの組合せで吸収スペクトルおよび放出スペクトルとともに使用することができる。この後の各例で分かりやすいように、後の例では３つのルミネッセンス材料を使用し、各材料がスペクトルは異なっているが関連した部分で作用することを示すために、これらの材料を短波長材料、中波長材料、および長波長材料と呼ぶ。これらのスペクトルの各部分は、例えば青、緑、および赤でありうるが、スペクトルの他の区域も同様に適用可能である。
【００７４】
図２０ａおよび図２０ｂに示されるように、異なるルミネッセンス材料の複数の層を単一のデバイス内で組み合わせることができる。短波長ルミネッセンス層３１２、中波長ルミネッセンス層３１４、および長波長ルミネッセンス層３１６の３層が積層され、これらを被覆層３１８で分離している。各層は、発光デバイス（３２０、３２２、および３２４）と光起電力セル（３２６、３２８、および３３０）を備えた個別のルミネッセンス太陽光集光器として設計されている。発光ダイオードとすることができる発光デバイスは、それらの対応する層が放出を誘導するために必要なスペクトルを放出するように作られる。光起電力セルは、それらの対応する層内で放出されているスペクトルの部分を効率的に変換するように作られる。光起電力セルおよび発光デバイスは、基板３３２および３３４の上に装着することができる。被覆は、それにより分離する層よりも低い屈折率を有し、光線３３６、３３８、および３４０などの閉じ込められた光が一方の層を出て他方の層に入ることを防止する。被覆は、例えばフッ化エチレンプロピレン、または他の低屈折率材料から作ることができる。各層は、ガラスまたはポリマーから作ることができる。
【００７５】
図２１ａ〜２１ｄは、楕円形反射器３４４を有する３層誘導放出ルミネッセンス太陽光集光器３４２を示す。各層は、短波長層３１４、中波長層３１６、および長波長層３１８である。３つの発光デバイス（３２０、３２２、および３２４）と光起電力セル（３２６、３２８、および３３０）は、それぞれが完全に楕円の焦点にあるように、図２１ａに示されたように垂直に並べるか、あるいは図２１ｂに示されたように少しずらすことができる。発光デバイスと光起電力セルの両方を焦点から少し離すように移動すると、基板３４６に配線および装着をするためのより広い空間を得ることができる。単一の基板３４６を使用して、すべての発光デバイスおよび光起電力セルを装着することができる。
【００７６】
図２２は、誘導放出ルミネッセンス太陽光集光器をどのようにしてパネルとして構成することができるかを示す。個々の集光器４００が、それぞれルミネッセンス層、光源、および光起電力セルを備え、図示のようにアレイとして配列され、密にパッキングされている。
【００７７】
本発明の上記実施形態の修正および改善は、当業者には明らかなものになろう。以上の説明は、限定するものではなく例示的なものである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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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２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２２】
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