(57)【要約】  導光体は、外光が入射する光入射面と、光入射面から入射した外光の一部を吸収する１又は複数の外光吸収用の光機能材料と、１又は複数の外光吸収用の光機能材料で吸収された光のエネルギーによって励起され、当該光とは異なる光を放射する導光用の光機能材料と、導光用の光機能材料から放射された光が射出される、光入射面よりも面積の小さい光射出面と、を備え、導光用の光機能材料の混合比率が、１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち少なくとも最も大きな混合比率で混合された光機能材料の混合比率よりも小さい。
2013077323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外光が入射する光入射面と、
前記光入射面から入射した外光の一部を吸収する１又は複数の外光吸収用の光機能材料と、
前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料で吸収された光のエネルギーによって励起され、当該光とは異なる光を放射する導光用の光機能材料と、
前記導光用の光機能材料から放射された光が射出される、前記光入射面よりも面積の小さい光射出面と、を備え、
前記導光用の光機能材料の混合比率が、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち少なくとも最も大きな混合比率で混合された光機能材料の混合比率よりも小さい導光体。
【請求項２】
前記導光用の光機能材料の混合比率が、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の混合比率よりも小さい請求項１に記載の導光体。
【請求項３】
前記導光用の光機能材料の混合比率は、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち最も混合比率の大きい光機能材料の混合比率の１０％以下である請求項１又は２に記載の導光体。
【請求項４】
前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料の中には、蛍光量子収率が８０％以下の１又は複数の光機能材料が含まれている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の導光体。
【請求項５】
前記導光用の光機能材料の蛍光量子収率は、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち少なくとも最も小さな光機能材料の蛍光量子収率よりも大きい請求項４に記載の導光体。
【請求項６】
前記導光用の光機能材料の蛍光量子収率は、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の蛍光量子収率よりも大きい請求項５に記載の導光体。
【請求項７】
前記光射出面に近い部分と遠い部分とで、含有される前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料の種類および混合比率のうちの少なくとも一方が異なっている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の導光体。
【請求項８】
前記光射出面から射出される光のスペクトルと前記光入射面から射出される光のスペクトルとが異なっている請求項７に記載の導光体。
【請求項９】
前記外光吸収用の光機能材料として１つの光機能材料のみが用いられている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の導光体。
【請求項１０】
前記外光吸収用の光機能材料として複数の光機能材料が用いられている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の導光体。
【請求項１１】
前記複数の外光吸収用の光機能材料によって可視光領域の全ての光が吸収され、前記導光用の光機能材料から放射される光は赤外光である請求項１０に記載の導光体。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の導光体と、
前記導光体の光射出面から射出された光を受光する太陽電池素子と、を備え、
前記導光体に備えられた導光用の光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度は、前記導光体に備えられた１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度よりも大きい太陽電池モジュール。
【請求項１３】
前記導光体の光入射面は平坦な面である請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１４】
前記導光体は、平坦な板状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光する請求項１３に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１５】
前記導光体の光入射面の少なくとも一部は屈曲又は湾曲した面である請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１６】
前記導光体は、湾曲した板状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の湾曲した端面から射出された前記光を受光する請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１７】
前記導光体は、筒状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光する請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１８】
前記導光体は、柱状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光する請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１９】
前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが紐状の連結部材で互いに柔軟に連結されている請求項１８に記載の太陽電池モジュール。
【請求項２０】
前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが互いに間隔を空けて連結されている請求項１８に記載の太陽電池モジュール。
【請求項２１】
請求項１２ないし２０のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを備えている太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光体、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置に関する。
本願は、２０１１年１１月２４日に、日本に出願された特願２０１１−２５６２０７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
導光体の端面に太陽電池素子を設置し、導光体の内部を伝播した光を太陽電池素子に入射させて発電を行う太陽光発電装置として、特許文献１に記載の太陽光発電装置が知られている。特許文献１の太陽光発電装置は、導光体の内部に分散された蛍光によって太陽光を吸収し、導光体の内部を伝播した蛍光を導光体の端面に集光して発電するものである。
発電の効率を上げるために、特許文献２では、導光体を複数積層する構造が提案されている。また、蛍光を導光体の端面に集光する際の蛍光体による自己吸収を防ぐために、非特許文献１では、導光体の内部にルブレンを添加し、近接場エネルギー移動を利用して蛍光体の励起エネルギーを移動させる方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−４９８６０号公報
【特許文献２】特開昭６３−１５９８１２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】SCIENCE Vol. 321, p.226, JULY, 2008, “High-Efficiency Organic Solar Concentrators for Photovoltaics”, Michael J. Currie, et al.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の太陽光発電装置では、蛍光体の励起に用いられる太陽光は、導光体に入射する太陽光のうちのごく僅かである。導光体に入射した太陽光の大部分は導光体を透過し、発電に寄与しない。よって、発電効率の高い太陽光発電装置を提供することができない。【０００６】
本発明の目的の一つは、外光を効率よく吸収して光射出面に光を集光させることが可能な導光体、並びに、かかる導光体を備えた発電効率の高い太陽電池モジュールおよびこれを用いた太陽光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】
【０００７】
本発明の一態様に係る導光体は、外光が入射する光入射面と、前記光入射面から入射した外光の一部を吸収する１又は複数の外光吸収用の光機能材料と、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料で吸収された光のエネルギーによって励起され、当該光とは異なる光を放射する導光用の光機能材料と、前記導光用の光機能材料から放射された光が射出される、前記光入射面よりも面積の小さい光射出面と、を備え、前記導光用の光機能材料の混合比率が、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち少なくとも最も大きな混合比率で混合された光機能材料の混合比率よりも小さい。【０００８】
前記導光用の光機能材料の混合比率が、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の混合比率よりも小さくてもよい。【０００９】
前記導光用の光機能材料の混合比率は、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち最も混合比率の大きい光機能材料の混合比率の１０％以下であってもよい。【００１０】
前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料の中には、蛍光量子収率が８０％以下の１又は複数の光機能材料が含まれていてもよい。【００１１】
前記導光用の光機能材料の蛍光量子収率は、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち少なくとも最も小さな蛍光量子収率を有する光機能材料の蛍光量子収率よりも大きくてもよい。【００１２】
前記導光用の光機能材料の蛍光量子収率は、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の蛍光量子収率よりも大きくてもよい。【００１３】
前記光射出面に近い部分と遠い部分とで、含有される前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料の種類および混合比率のうちの少なくとも一方が異なっていてもよい。【００１４】
前記光射出面から射出される光のスペクトルと前記光入射面から射出される光のスペクトルとが異なっていてもよい。【００１５】
前記外光吸収用の光機能材料として１つの光機能材料のみが用いられていてもよい。【００１６】
前記外光吸収用の光機能材料として複数の光機能材料が用いられていてもよい。【００１７】
前記複数の外光吸収用の光機能材料によって可視光領域の全ての光が吸収され、前記導光用の光機能材料から放射される光は赤外光であってもよい。【００１８】
本発明の他の一態様に係る太陽電池モジュールは、本発明の導光体と、前記導光体の光射出面から射出された光を受光する太陽電池素子と、を備え、前記導光体に備えられた導光用の光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度は、前記導光体に備えられた１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度よりも大きい。【００１９】
前記導光体の光入射面は平坦な面であってもよい。【００２０】
前記導光体は、平坦な板状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光してもよい。【００２１】
前記導光体の光入射面の少なくとも一部は屈曲又は湾曲した面であってもよい。【００２２】
前記導光体は、湾曲した板状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の湾曲した端面から射出された前記光を受光してもよい。【００２３】
前記導光体は、筒状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光してもよい。【００２４】
前記導光体は、柱状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光してもよい。【００２５】
前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが紐状の連結部材で互いに柔軟に連結されていてもよい。【００２６】
前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが互いに間隔を空けて連結されていてもよい。【００２７】
本発明の他の一態様に係る太陽光発電装置は、本発明の太陽電池モジュールを備えている。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の態様によれば、外光を効率よく吸収して光射出面に光を集光させることが可能な導光体、並びに、かかる導光体を備えた発電効率の高い太陽電池モジュールおよびこれを用いた太陽光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態の太陽電池モジュールの概略斜視図である。
【図２】太陽電池モジュールの断面図である。
【図３】外光吸収用の光機能材料の吸収特性を示す図である。
【図４】外光吸収用の光機能材料の吸収特性を示す図である。
【図５】外光吸収用の光機能材料の発光特性を示す図である。
【図６】外光吸収用の光機能材料の発光特性を示す図である。
【図７】導光用の光機能材料の発光特性および吸収特性を外光吸収用の光機能材料の発光特性とともに示す図である。
【図８】外光吸収用の光機能材料と導光用の光機能材料とを混合した系の発光特性および吸収特性を示す図である。
【図９Ａ】フェルスター機構の説明図である。
【図９Ｂ】フェルスター機構の説明図である。
【図１０Ａ】フェルスター機構の説明図である。
【図１０Ｂ】フェルスター機構の説明図である。
【図１１】導光体の大きさと導光体の端面からの光の取り出し効率との関係を示す図である。
【図１２】種々の太陽電池のエネルギー変換効率を示す図である。
【図１３】第２実施形態の太陽電池モジュールで用いられる外光吸収用の光機能材料の吸収特性を示す図である。
【図１４】導光体を透過した後の太陽光のスペクトルを示す図である。
【図１５】導光用の光機能材料の発光特性および吸収特性を外光吸収用の光機能材料の発光特性とともに示す図である。
【図１６】外光吸収用の光機能材料と導光用の光機能材料とを混合した系の発光特性および吸収特性を示す図である。
【図１７】第５実施形態の太陽電池モジュールに適用される導光体を光入射面の法線方向から見た平面図である。
【図１８】第６実施形態の太陽電池モジュールの模式図である。
【図１９】第７実施形態の太陽電池モジュールの模式図である。
【図２０】第８実施形態の太陽電池モジュールの模式図である。
【図２１】太陽光発電装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の太陽電池モジュール１の概略斜視図である。
【００３１】
太陽電池モジュール１は、導光体４（蛍光導光体）と、導光体４の第１端面４ｃから射出された光を受光する太陽電池素子６と、導光体４と太陽電池素子６とを一体に保持する枠体１０と、を備えている。
【００３２】
導光体４は、光入射面である第１主面４ａと、第１主面４ａと対向する第２主面４ｂと、光射出面である第１端面４ｃと、を備えている。
【００３３】
導光体４は、Ｚ軸に垂直な（ＸＹ平面と平行な）第１主面４ａ及び第２主面４ｂを有する略矩形の板状部材である。導光体４は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料もしくは無機材料からなる基材（透明基板）の内部に、複数の光機能材料を分散させたものである。光機能材料としては、例えば、紫外光又は可視光を吸収して可視光又は赤外光を放射する蛍光体、または、紫外光又は可視光を吸収して励起されるが、光を放射せずに失活する非発光体が含まれている。複数の光機能材料のうち少なくとも１つの光機能材料は蛍光体である。蛍光体から放射された光は、導光体４の内部を伝播して第１端面４ｃから射出され、太陽電池素子６で発電に利用される。
【００３４】
なお、可視光は３８０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光であり、紫外光は３８０ｎｍ未満の波長領域の光であり、赤外光は７５０ｎｍよりも大きい波長領域の光である。
【００３５】
外光を有効に取り込めるように、導光体４の基材（透明基板）の材料は４００ｎｍ以下の波長に対して透過性を有することが望ましい。例えば、３６０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長領域の光に対して９０％以上、より好ましくは９３％以上の透過率を有するものが好適である。例えば、シリコン樹脂基板や石英基板、或いは、ＰＭＭＡ樹脂基板においては三菱レイヨン社製の「アクリライト」（登録商標）は、広い波長領域に光に対して高い透明性を有することから、好適である。
【００３６】
導光体４の第１主面４ａ及び第２主面４ｂは概ねＸＹ平面と平行な平坦な面である。導光体４の第１端面４ｃ以外の端面には、導光体４の内部から導光体４の外部に向けて進行する光（蛍光体から放射された光）を導光体４の内部に向けて反射する反射層９が、当該端面に空気層を介して又は当該端面に空気層を介さずに直接接触して設けられている。導光体４の第２主面４ｂには、導光体４の内部から導光体４の外部に向けて進行する光（蛍光体から放射された光）または第１主面４ａから入射したが光機能材料に吸収されずに第２主面４ｂから射出した光を導光体４の内部に向けて反射する反射層７が、第２主面４ｂに空気層を介して又は第２主面４ｂに空気層を介さずに直接接触して設けられている。
【００３７】
反射層７および反射層９としては、銀やアルミニウムなどの金属膜からなる反射層や、ＥＳＲ（Enhanced Specular Reflector）反射フィルム（３Ｍ社製）などの誘電体多層膜からなる反射層などを用いることができる。反射層７および反射層９は、入射した光を鏡面反射する鏡面反射層でもよいし、入射した光を散乱反射する散乱反射層でもよい。反射層７に散乱反射層を用いた場合には、太陽電池素子６の方向に直接向かう光の光量が増えるため、太陽電池素子６への集光効率が高まり、発電量が増加する。また、反射光が散乱されるため、時間や季節による発電量の変化が平均化される。なお、散乱反射層としては、マイクロ発砲ＰＥＴ（ポリエチレン−テレフタレート）（古河電工社製）などを用いることができる。
【００３８】
太陽電池素子６は、受光面を導光体４の第１端面４ｃと対向させて配置されている。太陽電池素子６は、第１端面４ｃと光学接着されていることが好ましい。太陽電池素子６としては、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機系太陽電池などの公知の太陽電池を使用することができる。中でも、化合物半導体を用いた化合物系太陽電池は、高効率な発電が可能であることから、太陽電池素子６として好適である。
【００３９】
図１では、太陽電池素子６を導光体４の１つの端面のみに設置した例を示したが、太陽電池素子６は導光体４の複数の端面に設置してもよい。太陽電池素子６を導光体４の一部の端面（１辺、２辺または３辺）に設置する場合には、太陽電池素子が設置されていない端面には反射層９を設置することが好ましい。
【００４０】
枠体１０は、導光体４の第１主面４ａと対向する面に光Ｌを透過する透過面１０ａを備えている。透過面１０ａは枠体１０の開口部であってもよく、枠体１０の開口部に嵌め込まれたガラス等の透明部材であってもよい。枠体１０の透過面１０ａとＺ方向から見て重なる部分の導光体４の第１主面４ａが、導光体４の光入射面である。また、導光体４の第１端面４ｃが導光体４の光射出面である。
【００４１】
図２は、太陽電池モジュール１の断面図である。
【００４２】
本実施形態の場合、導光体４の内部には、光機能材料として、互いに吸収波長域の異なる複数種類の蛍光体（図２では例えば第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ及び第４蛍光体８ｄ）が分散されている。第１蛍光体８ａは、紫外光を吸収して青色の蛍光を放射し、第２蛍光体８ｂは、青色光を吸収して緑色の蛍光を放射し、第３蛍光体８ｃは、緑色光を吸収して橙色の蛍光を放射し、第４蛍光体８ｄは、橙色光を吸収して赤色の蛍光を放射する。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ及び第４蛍光体８ｄは、例えば、ＰＭＭＡ樹脂を成型する際に混入される。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ及び第４蛍光体８ｄの混合比率は以下の通りである。なお、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ及び第４蛍光体８ｄの混合比率は、導光体４を構成するＰＭＭＡ樹脂に対する体積比率で示している。
【００４３】
第１蛍光体８ａ：（Blue）BASF社製Lumogen 078（商品名）  ０．１％
第２蛍光体８ｂ：（Green）BASF社製Lumogen（商品名）  ０．１％
第３蛍光体８ｃ：（Orange）BASF社製Lumogen（商品名）  ０．２％
第４蛍光体８ｄ：（Red）BASF社製Lumogen（商品名）  ０．００５％
【００４４】
導光体４に含まれる複数種類の蛍光体のうち、発光スペクトルのピーク波長が最も大きい第４蛍光体８ｄの混合比率（導光体４における含有量）は、他の蛍光体（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃ）の混合比率に比べて非常に小さい。導光体４では、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃが、外光を吸収する外光吸収用の光機能材料となっており、第４蛍光体８ｄが、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃからフェルスター機構によりエネルギー移動を受けて蛍光を放射する導光用の光機能材料となっている。第４蛍光体８ｄでも外光を吸収するが、混合比率が非常に小さいので、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃに比べて外光の吸収に対する寄与が小さく、実質的に外光吸収用の光機能材料として機能しない。導光体４では、外光吸収用の光機能材料と導光用の機能材料とを機能分離し、導光用の光機能材料の混合比率を可能な範囲で極力小さくすることで、導光用の光機能材料による導光時の自己吸収を抑制している。
【００４５】
導光用の光機能材料の混合比率は、外光吸収用の光機能材料のうち少なくとも最も大きな混合比率で混合された光機能材料の混合比率よりも小さく、本実施形態の場合、導光用の光機能材料の混合比率は、外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の混合比率よりも小さくなっている。
【００４６】
なお、「外光吸収用の光機能材料」とは、導光体４の光入射面４ａから入射した光の一部を吸収して発電に寄与させる発光若しくは非発光の光機能材料をいう。外光吸収用の光機能材料は、外光を十分に吸収させるために、導光体４の内部に大きな混合比率で混入されており、例えばその混合比率は０．０２％よりも大きいものとされている。「導光用の光機能材料」とは、外光吸収用の光機能材料で吸収された光のエネルギーによって励起され、当該光とは異なる光を放射する光機能材料（例えば、外光吸収用の光機能材料から放射された蛍光を吸収して励起され、その励起エネルギーを蛍光に変換して放射する光機能材料、または、外光吸収用の光機能材料からフェルスター機能によってエネルギー移動を受けて励起され、その励起エネルギーを蛍光に変換して放射する光機能材料）であって、外光吸収用の光機能材料のように外光を吸収して発電量を増やすといった機能を実質的に持たないものをいう。導光用の光機能材料は、導光時の自己吸収を抑制するために、導光体４の内部に非常に小さい混合比率で混入されており、例えばその混合比率は０．０２％以下とされている。
【００４７】
図３ないし図６は、外光吸収用の光機能材料である第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの発光特性及び吸収特性を示す図である。図３において、「第１蛍光体」は、第１蛍光体８ａによって紫外光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示し、「第２蛍光体」は、第２蛍光体８ｂによって青色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示し、「第３蛍光体」は、第３蛍光体８ｃによって緑色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示す。図４において、「第１蛍光体＋第２蛍光体＋第３蛍光体」は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃによって紫外光、青色光及び緑色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示す。図５において、「第１蛍光体」は、第１蛍光体８ａの発光スペクトルであり、「第２蛍光体」は、第２蛍光体８ｂの発光スペクトルであり、「第３蛍光体」は、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルである。図６において、「第１蛍光体＋第２蛍光体＋第３蛍光体」は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの３種類の蛍光体を混合した系から射出される光のスペクトルである。
【００４８】
図３及び図４に示すように、第１蛍光体８ａは、概ね４００ｎｍ以下の波長の光を吸収し、第２蛍光体８ｂは、概ね４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の波長の光を吸収し、第３蛍光体８ｃは、概ね４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長の光を吸収する。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃによって、導光体に入射した太陽光のうち５５０ｎｍ以下の波長の光が概ね全て吸収される。太陽光のスペクトルにおいて波長が５５０ｎｍ以下の光の割合は３２％程度である。よって、導光体の光入射面に入射した光のうち３２％は導光体に含まれる第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃに吸収される。
【００４９】
図５に示すように、第１蛍光体８ａの発光スペクトルは、４３０ｎｍにピーク波長を有し、第２蛍光体８ｂの発光スペクトルは、４９０ｎｍにピーク波長を有し、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルは、５４０ｎｍにピーク波長を有する。しかしながら、図６に示すように、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの３種類の蛍光体を混合した系から射出される光のスペクトルは、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長（５４０ｎｍ）に対応する波長にのみピーク波長を有し、第１蛍光体８ａの発光スペクトルのピーク波長（４３０ｎｍ）及び第２蛍光体８ｂの発光スペクトルのピーク波長（４９０ｎｍ）に対応する波長にはピーク波長を有しない。
【００５０】
第１蛍光体８ａに対応する発光スペクトルのピーク及び第２蛍光体８ｂに対応する発光スペクトルのピークが消失した原因は、フォトルミネッセンス（Photoluminescence ;PL）による蛍光体間のエネルギー移動や、フェルスター機構（蛍光共鳴エネルギー移動）による蛍光体間のエネルギー移動などが挙げられる。フォトルミネッセンスによるエネルギー移動は、一の蛍光体から放射された蛍光が他の蛍光体の励起エネルギーとして利用されることにより生じるものである。フェルスター機構は、このような光の発光及び吸収のプロセスを経ずに、近接した２つの蛍光体の間で励起エネルギーが電子の共鳴により直接移動するものである。フェルスター機構による蛍光体間のエネルギー移動は、光の発光及び吸収のプロセスを介さずに行われるため、最適条件ではエネルギーのロスが小さい。よって、太陽電池モジュールの発電効率の向上に寄与する。本実施形態では、エネルギーロスを抑制して効率よく発電を行うために、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの密度を高くし、蛍光体間でフェルスター機構によるエネルギー移動が行われるようにしている。なお、エネルギー移動は必ずしも完璧である必要はない。完全にエネルギー移動したほうが高効率で発電を行うことができるが、完全でなくても電池としては機能する。フェルスター機構を用いない発光、吸収過程を伴うエネルギー移動が部分的に生じていたとしても、多少効率は下がるが、高い効率で発電を行うことができる。
【００５１】
図７は、導光用の光機能材料である第４蛍光体８ｄの発光特性および吸収特性を第３蛍光体８ｃの発光特性とともに示す図である。図８は、外光吸収用の光機能材料と導光用の光機能材料とを混合した系の発光特性および吸収特性を示す図である。
【００５２】
図７に示すように、第４蛍光体８ｄは、概ね５８０ｎｍ以下の波長の光を吸収し、概ね６１０ｎｍにピーク波長を有する光を発光する。第４蛍光体８ｄの吸収スペクトルのピーク波長と第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長は非常に近い位置に配置されている。第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長は概ね６１０ｎｍであり、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長は概ね５４０ｎｍである。しかしながら、図８に示すように、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ及び第４蛍光体８ｄを含む導光体の第１端面から射出される光のスペクトルは、第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長（６１０ｎｍ）に対応する波長にのみピーク波長を有し、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長（５４０ｎｍ）に対応する波長にはピーク波長を有しない。
【００５３】
第３蛍光体８ｃに対応する発光スペクトルのピークが消失した原因は、前述したフェルスター機構による蛍光体間のエネルギー移動である。第４蛍光体８ｄは、他の蛍光体（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃ）に比べて混合比率が非常に小さいが、フェルスター機構においては、エネルギーの受け手（アクセプター）の蛍光体の濃度はエネルギーの供給元（ドナー）の蛍光体の僅か、一般的には数％でエネルギー移動が完結することが多い。よって、第４蛍光体８ｄの混合比率が非常に小さくても、フェルスター機構により、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの励起エネルギーが概ね１００％第４蛍光体８ｄに移動し、第４蛍光体８ｄから非常に強い光が放射される。
【００５４】
一方、図８の第４蛍光体８ｄの吸収スペクトルが示すように、第４蛍光体８ｄによる吸収量は、第４蛍光体８ｄから放射される光の量に比べて非常に小さい。これは、第４蛍光体８ｄの混合比率が非常に小さいためである。よって、導光体の内部を光が伝播する際の自己吸収による光のロスが少なくなり、効率のよい発電が可能となる。
【００５５】
本実施形態の場合、入射した太陽光スペクトルの３２％が第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃによって吸収され、その励起エネルギーは無駄なく第４蛍光体８ｄに移動する。第４蛍光体８ｄは、導光体に含まれる全ての蛍光体の中で最も蛍光量子収率が大きく、その蛍光量子収率は９５％である。よって、第４蛍光体８ｄに移動した励起エネルギーは、第４蛍光体４ｄにおいて、９５％の高い蛍光量子収率で光に変換される。第４蛍光体８ｄから放射された光は全方向に均一に伝播し、そのうち、導光体と空気層との屈折率差による取り出しロス（導光体の第１主面および第２主面から射出される光の割合）が２５％、第２主面に設置された反射層での反射時のロスが４％程度あるので、太陽電池素子に到達するエネルギーは、入射した太陽光の２２％程度となる。この２２％のエネルギーは、導光時の自己吸収が殆ど起こらないので、そのまま太陽電池素子の発電に利用できる。
【００５６】
ここで、図９Ａから図１０Ｂを用いてフェルスター機構について説明する。図９Ａは、フォトルミネッセンスによるエネルギー移動を示す図であり、図９Ｂは、フェルスター機構によるエネルギー移動を示す図である。図１０Ａは、フェルスター機構によるエネルギー移動の発生機構を説明するための図であり、図１０Ｂは、フェルスター機構によるエネルギー移動を示す図である。
【００５７】
図９Ｂに示すように、有機分子や無機ナノ粒子の蛍光体では、励起状態にある分子Ａから基底状態の分子Ｂに対してフェルスター機構によってエネルギー移動が生じることがある。蛍光体では、分子Ａが励起されたときに、分子Ｂにエネルギー移動を起こすと、分子Ｂが発光する。このエネルギー移動は、分子間の距離と分子Ａの発光スペクトルと分子Ｂの吸収スペクトルに依存する。分子Ａをホスト分子、分子Ｂをゲスト分子とするとき、エネルギー移動するときの速度定数ｋH→G（移動確率）は式（１）のようになる。
【００５８】
［数１］
2013077323.tif 000003
【００５９】
なお、式（１）において、νは振動数、ｆ′Ｈ（ν）はホスト分子Ａの発光スペクトル、ε（ν）はゲスト分子Ｂの吸収スペクトル、Ｎはアボガドロ定数、ｎは屈折率、τ０はホスト分子Ａの蛍光寿命、Ｒは分子間距離、Ｋ２は遷移双極子モーメント（ランダム時２／３）である。
【００６０】
速度定数が大きいと、蛍光体間でエネルギー移動が生じやすくなる。大きな速度定数を得るためには、以下の条件が満たされることが望ましい。
［１］ホスト分子Ａの発光スペクトルとゲスト分子の吸収スペクトルの重なりが大きい。
［２］ゲスト分子Ｂの吸光係数が大きい。
［３］ホスト分子Ａとゲスト分子Ｂとの間の距離が小さい。
【００６１】
上記［１］は、近接した２つの蛍光体間での共鳴のし易さを表すものである。例えば、図１０Ａに示すように、ホスト分子Ａの発光スペクトルのピーク波長とゲスト分子Ｂの吸収スペクトルのピーク波長とが近いと、フェルスター機構によるエネルギー移動が生じやすくなる。図１０Ｂに示すように、励起状態のホスト分子Ａの近くに基底状態のゲスト分子Ｂが存在すると、共鳴的性質によりゲスト分子Ａの波動関数が変化し、基底状態のホスト分子Ａと励起状態のゲスト分子Ｂができる。これにより、ホスト分子Ａとゲスト分子Ｂとの間でエネルギー移動が生じ、ゲスト分子Ｂが発光する。
【００６２】
上記［３］において、フェルスター機構によるエネルギー移動が起こる分子間距離は、通常、１０ｎｍ程度である。条件が合えば、分子間距離が２０ｎｍ程度であってもエネルギー移動は起きる。上述した第１蛍光体、第２蛍光体及び第３蛍光体の混合比率であれば、蛍光体間の距離は２０ｎｍよりも短くなる。よって、フェルスター機構によるエネルギー移動は十分に生じうる。また、図３ないし図７に示した第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体および第４蛍光体の発光スペクトル及び吸収スペクトルは、上記［１］の条件を十分に満たしている。よって、第１蛍光体から第２蛍光体へのエネルギー移動、第２蛍光体から第３蛍光体へのエネルギー移動、及び、第３蛍光体から第４蛍光体へのエネルギー移動が生じ、第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体の順にカスケード型のエネルギー移動が生じる。
【００６３】
導光体では、４つの異なる発光スペクトルを有する蛍光体（第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体）を混入しているにもかかわらず、フェルスター機構によるエネルギー移動により、実質的には第４蛍光体の発光のみが生じる。第４蛍光体の蛍光量子収率は例えば９５％である。よって、導光体に第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体及び第４蛍光体を混入することで、５５０ｎｍまでの波長領域の光を吸収し、９５％の効率でピーク波長が６１０ｎｍの赤色の発光を生じさせることができる。
【００６４】
このようなエネルギー移動現象は、有機の蛍光体に特有の現象で、一般的に無機の蛍光体では起こらないとされているが、量子ドットなどのいくつかの無機ナノ粒子の蛍光体においてはフェルスター機構により、無機材料間、或いは、無機材料と有機材料との間でエネルギー移動を生じるものが知られている。
【００６５】
例えば、ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯコア・シェル構造の２種類の異なったサイズの量子ドットの間でエネルギー移動が起こる。１：√２の寸法比を持つ量子ドットは共鳴する励起子準位を持つため、例えば半径３ｎｍ（発光スペクトルのピーク波長：３５０ｎｍ）と半径４．５ｎｍ（発光スペクトルのピーク波長：３５７ｎｍ）の２種類の量子ドットの間では、小さい量子ドットから大きい量子ドットへエネルギー移動が起こる。またＣｄＳｅ／ＺｎＳコア・シェル構造の２種類の異なったサイズの量子ドットの間でもエネルギー移動が起こる。また、直径８ｎｍないし９ｎｍのＭｎ２＋ドープＺｎＳｅ量子ドットは、４５０ｎｍと５８０ｎｍに発光ピークを持ち、色素分子である1’,3’-dihydro-1’,3’,3’-trimethyl-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2’-(2H)-indole] に紫外線を照射して得られる開環型のSpiropyran分子（SPO open; Merocynanine form）の光吸収スペクトルとよく一致し、量子ドットから色素分子へのエネルギー移動が起こる。一般に、無機の蛍光体は、有機の蛍光体に比べて耐光性が優れるため、長期間使用する場合に有利である。
【００６６】
通常、２種類の蛍光体を混入した場合には、図９Ａのように、まず蛍光体Ａがある効率で発光し、蛍光体Ｂに入射し、蛍光体Ｂで光の吸収及び発光のプロセスを経ることによって、蛍光体Ｂから光が放射される。このようなフォトルミネッセンスによるエネルギー移動は、蛍光体Ａにおける光の発光プロセス及び蛍光体Ｂにおける光の吸収プロセスでエネルギーのロスが生じ、エネルギー移動効率が小さい。
【００６７】
一方、図９Ｂに示したフェルスター機構によるエネルギー移動は、蛍光体間でダイレクトにエネルギーのみが移動するので、エネルギー移動効率はほぼ１００％にすることが可能であり、高効率にエネルギー移動を生じさせることができる。
【００６８】
また、フェルスター機構によるエネルギー移動は、蛍光体のような発光材料だけでなく、外光によって励起されるが、光を発生せずに失活する非発光体においても生じる。最終的な発電量は、ゲスト分子の蛍光量子収率によって決まり、ホスト分子の蛍光量子収率には依存しない。よって、ゲスト分子のみを蛍光量子収率の高い蛍光体で構成し、ホスト分子を蛍光量子収率の低い蛍光体又は蛍光を発しない非発光体で構成しても、同じ発電量が得られる。よって、フォトルミネッセンスによりエネルギー移動を行う場合のように、全ての蛍光体に対して高い蛍光量子収率が求められる場合に比べて、ホスト分子の材料選択の幅が広がる。
【００６９】
ここで、本実施形態の第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃおよび第４蛍光体８ｄにおいてエネルギー移動を行うことができる分子間距離と濃度との関係について説明する。エネルギー移動を行うことのできる分子間距離は最大で１５ｎｍ〜２０ｎｍであり、望ましい距離は１０ｎｍ以下である。導光体としてＰＭＭＡ樹脂を用いた場合、そのバインダー樹脂の密度は１．１７〜１．４であるので、最大の分子間距離（２０ｎｍ）に対応したホスト分子の濃度は、第１蛍光体８ａが０．０３Ｗｔ％、第２蛍光体８ｂが０．０５Ｗｔ％、第３蛍光体８ｃが０．０７Ｗｔ％、第４蛍光体８ｄが０．１Ｗｔ％である。また、望ましい分子間距離（１０ｎｍ）に対応したホスト分子の濃度は、第１蛍光体８ａが０．０４Ｗｔ％、第２蛍光体８ｂが０．０７Ｗｔ％、第３蛍光体８ｃが０．１０Ｗｔ％、第４蛍光体８ｄが０．１５Ｗｔ％である。よって、ここに示した濃度以上の濃度を混入すれば、フェルスター機構によるエネルギー移動がスムーズに行われる。
【００７０】
なお、ゲスト分子の割合がホスト分子に対して１０％〜２％程度であっても、フェルスター機構によるエネルギー移動は概ね１００％生じる。例えば、導光用の光機能材料である第４蛍光体の混合比率を、外光吸収用の光機能材料である第１蛍光体、第２蛍光体および第３蛍光体のうち少なくとも最も混合比率の大きい光機能材料の混合比率の１０％以下、若しくは、外光吸収用の光機能材料である第１蛍光体、第２蛍光体および第３蛍光体のうち最も混合比率の小さい光機能材料の混合比率の１０％以下で混合しても、フェルスター機構によるエネルギー移動を概ね１００％生じさせることができる。
【００７１】
光機能材料である第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体および第４蛍光体の濃度は、小さければ小さいほど自己吸収が少なくなるので好ましい。例えば、各蛍光体の濃度が０．３Ｗｔ％以下であれば、自己吸収を良好に抑えることができる。
【００７２】
図１１は、導光体の大きさ（導光体内部を伝播する光の伝播光路長）と導光体の端面からの光の取り出し効率との関係を示す図である。図１１において「第４蛍光体」は、導光体の内部に第４蛍光体のみを高い混合比率で混入し、第４蛍光体を導光用としてだけでなく外光吸収用としても利用するものである。「第１蛍光体＋第２蛍光体＋第３蛍光体＋第４蛍光体」は、導光体の内部に第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体および第４蛍光体を前述の混合比率で混入し、第４蛍光体を導光用に特化した形で利用するものである。
【００７３】
図１１に示すように、導光体の内部に１種類の蛍光体のみを混入したものは、導光体の大きさが大きくなるに従って光の取り出し効率が大きく低下する。これは、蛍光体の自己吸収によるものである。一方、導光体の内部に導光用に特化した蛍光体を混入したものは、導光体の大きさが大きくなっても光の取り出し効率は殆ど変化しない。
【００７４】
図１２は、太陽電池素子６として利用可能な種々の太陽電池のエネルギー変換効率ηλを示す図である。図１２において、「ｃ−Ｓｉ」は単結晶シリコン太陽電池であり、「ａ−Ｓｉ」はアモルファスシリコン太陽電池であり、「ＧａＡｓ」はガリウムヒ素太陽電池であり、「ＣｄＴｅ」はカドミウムテルル太陽電池である。
【００７５】
太陽電池の光電変換効率は、用いる太陽電池の分光感度によって波長依存性があることが知られている。通常用いられる変換効率は太陽光全波長に対しての平均の変換効率であるので、本実施形態のように第１端面から射出される光が特定波長に限定される場合には、射出光の波長に応じた変換効率で発電される。本実施形態の場合、第１端面から射出される光は６１０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域の光であるので、この領域での変換効率で発電されることになる。
【００７６】
図１２に示した太陽電池では、最も発光スペクトルのピーク波長が大きい第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長（６１０ｎｍ）における太陽電池の分光感度およびエネルギー変換効率は、導光体４に備えられた他のいずれの蛍光体（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池の分光感度およびエネルギー変換効率よりも大きい。そのため、太陽電池素子６として、これらの太陽電池を用いれば、高い効率で発電を行うことができる。
【００７７】
図１２は、太陽電池素子６として利用可能な太陽電池の一例であり、これ以外の太陽電池を用いることも勿論可能である。太陽電池素子６としては、色素増感型太陽電池や有機系太陽電池など、太陽光の全波長領域に対しては高い分光感度を有することはできないが、特定の狭い波長領域の光に対しては非常に高い分光感度を有するような太陽電池を積極的に使用することも可能である。
【００７８】
表１は、本実施形態の導光体（蛍光導光体）と図１２に示した各太陽電池とを組み合わせたときの変換効率、発電量及びワット単価を示している。
【００７９】
表１において、「蛍光導光体を使用した場合」とは、本実施形態の構成を有する５０ｃｍ角の正方形の蛍光導光体の端面に太陽電池を設置して発電を行う場合を意味しており、「蛍光導光体を使用しない場合」とは、蛍光導光体を用いずに蛍光導光体と同面積（５０ｃｍ角）の太陽電池を用いて発電を行う場合を意味している。蛍光導光体を使用する場合には、太陽電池の変換効率は、導光用の光機能材料の発光波長に対応した変換効率となるが、蛍光導光体を使用しない場合には、太陽電池の変換効率は、太陽光スペクトルの全波長域における平均の変換効率となる。
【００８０】
［表１］
2013077323.tif 000004
【００８１】
表１に示すように、蛍光導光体を使用した場合には、太陽光を太陽電池の分光感度に適した波長の光に変換して太陽電池に入射させているので、いずれの太陽電池においても、蛍光導光体を使用しない場合と比較して変換効率が高くなる。実際には、蛍光導光体の光入射面に入射した光の２２％程度しか蛍光導光体の端面に導光することはできないので、蛍光導光体を使用しない場合と比べて発電量自体は小さくなるが、単位面積当たりの太陽電池モジュールの設置コストを考えれば、ワット単価は１３０円／Ｗ〜１７５円／Ｗと少なくなり、コストに見合った発電量が得られる。
【００８２】
本実施形態では、３種類の外光吸収用の蛍光体を用いて太陽光の３２％を蛍光に変換しているが、蛍光体の種類を増やせば太陽光の略全てを蛍光に変換することも原理的には可能となる。その場合、導光時のロス（蛍光導光体と空気層との屈折率差による取り出しロスや、蛍光導光体の第２主面に設置された反射層での反射時のロス）を考慮しても、太陽光の７０％程度を蛍光に変換することが可能となるため、変換効率の優位性を考慮すれば、発電量の大きさも、蛍光導光体を使用しない場合と比較して遜色のないものとなる。
【００８３】
なお、表１は、５０ｃｍ角の蛍光導光体を使用した場合を示したが、蛍光導光体のサイズを大きくすれば、ワット単価はさらに低減される。通常は、蛍光導光体のサイズを大きくすると、蛍光導光体の内部を光が伝播する際の自己吸収によるロスが大きくなるので、ワット単価は期待したほど少なくならないが、本実施形態では、導光用の光機能材料の濃度を非常に低くしているので、自己吸収によるロスが少なく、概ね蛍光導光体のサイズに反比例してワット単価が少なくなる。
【００８４】
以上のように、本実施形態の導光体４では、光入射面４ａに入射した外光Ｌの一部を複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ、第４蛍光体８ｄ）によって吸収し、複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料（第４蛍光体８ｄ）から放射された光Ｌ１を導光体４の第１端面４ｃに集光させて太陽電池素子６に入射させている。そのため、太陽電池素子６として、限定された狭い波長範囲において非常に高い分光感度を有する太陽電池を用いることができる。
【００８５】
本実施形態の太陽電池モジュール１では、導光体４に備えられた複数の蛍光体のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子６の分光感度は、導光体４に備えられた他のいずれの蛍光体（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子６の分光感度よりも大きい。そのため、高い効率で発電を行うことができる。
また、導光体４の内部の第４蛍光体８ｄの含有量が他のいずれの光機能材料の含有量よりも少ないので、第４蛍光体８ｄから放射された光Ｌ１が導光体４の内部を伝播する際に、第４蛍光体８ｄによる自己吸収が生じにくくなる。よって、さらに効率のよい発電が可能となる。
【００８６】
［第２実施形態］
図１３および図１４は、第２実施形態の太陽電池モジュールで用いられる外光吸収用の光機能材料の吸収特性を示す図である。
【００８７】
本実施形態において第１実施形態と異なる点は、外光吸収用の光機能材料として、前述した第４蛍光体を用い、導光用の光機能材料として、第５蛍光体を用いている点である。第１実施形態では、第４蛍光体の混合比率（導光体を構成するＰＭＭＡ樹脂に対する体積比率）が非常に小さかったので、第４蛍光体は外光吸収用の光機能材料として実質的に機能せず、導光用の光機能材料としてのみ機能していた。これに対して、本実施形態では、第４蛍光体を高濃度で導光体の内部に分散させ、第４蛍光体を外光吸収用の光機能材料として用いている。
【００８８】
図１３に示すように、第４蛍光体の混合比率が０．０２％、厚みが２ｍｍ厚の導光体の吸収スペクトルをみると、メインピークの５７０ｎｍ付近の吸光度は３を超えており太陽光を十分に吸収できる。一方、第４蛍光体は、このメインピーク以外にも、４５０ｎｍを中心としたブロードな吸収ピークを有する。混合比率が０．０２％では太陽光を十分に吸収することは難しいが、混合比率を０．０５％に高めた場合には、４５０ｎｍのピークの吸光度は２を超えるため、９９％以上の光は吸収できることになる。つまり、第４蛍光体は単独でも６００ｎｍまでのかなりの光を吸収することができる。
【００８９】
図１４は、導光体を透過した後の太陽光のスペクトルを示す図である。図１４のスペクトルによれば、第４蛍光体の混合比率が０．０２％の場合には、５２０ｎｍ〜６００ｎｍの波長域の光は十分に吸収されるが、５００ｎｍ以下の波長域では、十分な光の吸収を行うことができない。一方、第４蛍光体の混合比率が０．０５％の場合には、３００ｎｍ〜６００ｎｍの波長域において十分な光の吸収が行われている。よって、第４蛍光体の混合比率が０．０５％以上であれば、第４蛍光体を外光吸収用の光機能材料として十分に利用することができる。
【００９０】
図１５は、本実施形態で用いられる導光用の光機能材料の発光特性および吸収特性を第４蛍光体の発光特性とともに示す図である。図１６は、外光吸収用の光機能材料と導光用の光機能材料とを混合した系の発光特性および吸収特性を示す図である。
【００９１】
本実施形態では、導光用の光機能材料として、第５蛍光体を用いている。第５蛍光体は、ペリレンの誘導体であり、例えば、化学構造式（ｉ）や化学構造式（ｉｉ）に示される化学構造を有する蛍光体である。化学構造式（ｉ）の置換基Ｘや化学構造式（ｉｉ）の置換基Ｒを変えることで、発光特性や吸収特性が制御されている。
【００９２】
［化１］
2013077323.tif 000005
【００９３】
［化２］
2013077323.tif 000006
【００９４】
図１５に示すように、第５蛍光体は、概ね６００ｎｍ〜６７０ｎｍの波長域の光を吸収し、概ね７００ｎｍにピーク波長を有する光を発光する。第５蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長と第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長は非常に近い位置に配置されている。よって、第４蛍光体から第５蛍光体へは効率よくエネルギー移動が起こる。
【００９５】
本実施形態では、第４蛍光体の混合比率は０．２％であり、第５蛍光体の混合比率は０．００５％である。第５蛍光体の割合は、第４蛍光体に対して２．５％程度であり、第５蛍光体の混入量は、導光体のバインダー樹脂に対して０．００２５％しか含まれていない。そのため、第５蛍光体は、外光吸収用の光機能材料としては実質的に機能せず、導光用の光機能材料としてのみ機能する。
【００９６】
図１６に示すように、第５蛍光体では、第４蛍光体からのエネルギー移動を受けて非常に強い光が放射されるが、第５蛍光体による光の吸収量はごく僅かである。これは、第５蛍光体の発光量が第４蛍光体からの励起エネルギーの移動によって増幅されるのに対し、第５蛍光体の吸収量は第５蛍光体の混合比率によって決まるからである。よって、第５蛍光体から放射された光は、導光中に殆ど自己吸収されることなく導光体の第１端面に集光される。
【００９７】
本実施形態の場合、入射した太陽光スペクトルの３０％が第４蛍光体によって吸収され、その励起エネルギーは無駄なく第５蛍光体に移動する。第５蛍光体の蛍光量子収率は９０％であるため、第５蛍光体に移動した励起エネルギーは、第５蛍光体において、９０％の高い蛍光量子収率で光に変換される。第５蛍光体から放射された光は全方向に均一に伝播し、そのうち、導光体と空気層との屈折率差による取り出しロス（導光体の第１主面および第２主面から射出される光の割合）が２５％、第２主面に設置された反射層での反射時のロスが４％程度あるので、太陽電池素子に到達するエネルギーは、入射した太陽光の２０％程度となる。この２０％のエネルギーは、導光時の自己吸収が殆ど起こらないので、そのまま太陽電池素子の発電に利用できる。
【００９８】
表２は、本実施形態の導光体（蛍光導光体）と図１２に示した各太陽電池とを組み合わせたときの変換効率、発電量及びワット単価を示している。表２において、「蛍光導光体を使用した場合」「蛍光導光体を使用しない場合」の意味は、表１で説明したものと同じである。
【００９９】
［表２］
2013077323.tif 000007
【０１００】
表２に示すように、本実施形態でも、蛍光導光体を使用した場合には、蛍光導光体を使用しない場合に比べて高い変換効率が得られる。また、導光時の自己吸収によるロスも少ないので、高い発電効率が得られ、ワット単価も少なくなる。
【０１０１】
本実施形態では、外光吸収用の光機能材料として単一の蛍光体を用いている。第１実施形態のように外交吸収用の光機能材料を複数種類用いて吸収波長を広げることもできるが、エネルギー移動が完全でなかったり、全ての蛍光体の間で効率よくエネルギー移動を生じさせることが難しかったりする場合もある。このような場合、単一の蛍光体である程度吸収波長に広がりのある蛍光体を使って、その混合比率を調整し、吸収量を調整できれば、このような不具合を抑制することができる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、外光吸収用の蛍光体として第４蛍光体のみを用いた。しかし、第１実施形態に比べて吸収量の低い領域も存在するため、第４蛍光体の吸収の弱い領域に他の蛍光体を混ぜて、発電量を増やすことも可能である。例えば、本実施形態の構成に、前述した第１蛍光体を０．０２％混入すれば、第４蛍光体のみでは僅かに吸収できなかった３００ｎｍ〜４１０ｎｍの太陽光を全て吸収することができる。この場合、導光体の第１端面からの光の取り出し効率がわずかに向上し、シミュレーション上では、発電量は６６Ｗ／ｍ２となった。
【０１０３】
本実施形態の構成に、第５蛍光体の誘導体である第６蛍光体を０．００５％混入してもよい。第６蛍光体は、前述した化学構造式（ｉ）や化学構造式（ｉｉ）に示される化学構造を有する蛍光体である。化学構造式（ｉ）の置換基Ｘや化学構造式（ｉｉ）の置換基Ｒを変えることで、第６蛍光体の発光特性と吸収特性が、第４蛍光体と第５蛍光体の中間の特性を持つように制御されている。
【０１０４】
第６蛍光体は、微量しか混入されていないため、外光吸収用の光機能材料としては実質的に機能しない。第６蛍光体を混入する理由は、第４蛍光体から第５蛍光体へのエネルギー移動をアシストさせるためである。スペクトルのずれや、樹脂内の不均一性のために、第４蛍光体から第５蛍光体へうまくエネルギー移動しなかった場合に、第４蛍光体と第５蛍光体の中間の特性を持つ第６蛍光体を介在させることで、第４蛍光体、第６蛍光体、第５蛍光体の順にエネルギー移動をスムーズに生じさせることができる。この場合、シミュレーション上では、発電量は６６Ｗ／ｍ２となった。
【０１０５】
［第３実施形態］
本実施形態において第１実施形態と異なる点は、外光吸収用の光機能材料として、第７蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体の３種類の蛍光体を用いている点である。第２蛍光体および第３蛍光体は、前述したものである。
【０１０６】
第７蛍光体は、化学構造式（ｉｉｉ）に示される化学構造を有する蛍光体（N,N'-Bis-(1-naphthalenyl)-N,N'-bis-phenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine；NPB）である。第７蛍光体は、前述した第１蛍光体と発光特性や吸収特性が似通っており、第７蛍光体から第２蛍光体へはフェルスター機構によりエネルギー移動が生じる。しかし、第７蛍光体の蛍光量子収率は４２％であり、第１蛍光体の９５％に比べて小さい。また、第７蛍光体は、第１蛍光体に比べて赤外光に対する耐性が高いことが特徴となっている。
【０１０７】
［化３］
2013077323.tif 000008
【０１０８】
第７蛍光体は蛍光量子収率が第１蛍光体に比べて小さい。しかしながら、フェルスター機構によるエネルギー移動の過程では、ホストの蛍光体の発光が起こる前にゲスト蛍光体にエネルギー移動が生じるので、ホストの蛍光体の蛍光量子収率の高い低いにかかわらず、効率のよいエネルギー移動が行われる。よって、外光吸収用の光機能材料として第７蛍光体を用いても第１蛍光体を用いても、同じように効率よく第２蛍光体へエネルギー移動が起こり、発電量も第７蛍光体を用いた場合と第１蛍光体を用いた場合で殆ど変わらない。
【０１０９】
本実施形態では、第７蛍光体の蛍光量子収率は４２％と非常に小さいが、フェルスター機構によるエネルギー移動では、最終的な発電量は、ゲスト分子の蛍光量子収率によって決まり、ホスト分子の蛍光量子収率には依存しない。よって、ゲスト分子のみを蛍光量子収率の高い蛍光体で構成すれば、ホスト分子を蛍光量子収率の低い蛍光体で構成しても、同じ発電量が得られる。
【０１１０】
一般に、蛍光体は発光体として利用されるので、蛍光量子収率の低い蛍光体は使用することができないが、本実施形態のように、発光させずにエネルギーのみをダイレクトに移動させる場合には、蛍光量子収率が低くても、最終的な発電量は変わらないので、使用することが可能となる。一般に、蛍光量子収率の高い蛍光体は、価格が高く、耐光性が低く、寿命の短いものが多いので、保守の費用が高くなるが、蛍光量子収率の低い蛍光体は、価格が低く、材料も豊富で、耐光性が高く、寿命の長いものが多いので、保守の費用を少なくすることができる。
【０１１１】
第７蛍光体としては、蛍光量子収率が９０％未満のもの、より好ましくは、蛍光量子収率が８０％以下のものを用いることが好ましい。一般に、太陽電池の寿命は変換効率が初期値の９０％になるまでの時間とされていることから、導光体においても蛍光体の発光強度が１０％落ちるまでの時間を寿命とみなすことができる。蛍光体は、通常、発光体としての利用が前提となるので、蛍光量子収率としては、１００％〜９０％の高い蛍光量子収率が求められる。よって、蛍光体の寿命は、蛍光量子収率が初期値から１０％落ちるまでの時間、すなわち、蛍光量子収率が９０％〜８１％になるまでの時間とみなすことができる。よって、蛍光量子収率が８０％以下の蛍光体は、通常は使用されることはなく、このような蛍光体が存在したとしても、性能の悪い蛍光体として安価に入手することができる。よって、このような蛍光量子収率の低い蛍光体を用いれば、発電効率の高い太陽電池モジュールを安価に提供することができる。
【０１１２】
また、第７蛍光体を用いた太陽電池モジュールと第１蛍光体を用いた太陽電池モジュールについて耐光性テストを実施すると、第７蛍光体を用いた太陽電池モジュールの方が耐光性が高く、長期間の使用でも発電力を維持できることが分かった。これは、第１蛍光体と第７蛍光体の耐光性の差が原因である。本実施形態の太陽電池モジュールでは、導光体に含まれる蛍光体が劣化すると、変換効率や発電量などの特性が劣化する。導光体には複数の蛍光体が含まれているので、いずれかの蛍光体が劣化すると、単一蛍光体を用いている場合に比べて、エネルギー移動のバランスでも、太陽光の吸収効率についても、全体に与える影響が大きく、劣化が促進される惧れがある。そのため、耐光性の高い蛍光体を用いることが重要である。
【０１１３】
一方で、エネルギー移動では、スペクトルの重なりが重要で、各蛍光体の量子収率は関係なく、極端にいえば、発光する必要もない。最終的には、導光用の光機能材料のみが効率よく発光すればよい。本実施形態のように、耐光性の高い材料を選択することで、太陽電池モジュールの寿命を高めることができる。
【０１１４】
上述のように、外光吸収用の光機能材料として複数の蛍光体を用いる場合には、複数の蛍光体全てもしくは一部について蛍光量子収率は低くてもよい。少なくとも導光用の光機能材料の蛍光量子収率が高ければよく、複数の外光吸収用の光機能材料の中に蛍光量子収率が８０％以下の１又は複数の光機能材料が含まれていても問題ない。本実施形態の場合、導光用の光機能材料の蛍光量子収率は、外光吸収用の光機能材料のうちのいずれの光機能材料の蛍光量子収率よりも大きいが、導光用の光機能材料の蛍光量子収率は、前記１又は複数の外光吸収用の光機能材料のうち少なくとも最も小さな光機能材料の蛍光量子収率よりも大きければよい。外光吸収用の光機能材料の蛍光量子収率が低くてもよいという特徴は、材料選定の上でも選択範囲を広げることができる。特に、太陽光の吸収波長を広くとるために、多くの蛍光体を組み合わせる場合には、スペクトルをうまく一致させることが難しくなるが、蛍光量子収率が低くてもよいという条件があれば、材料の選択の幅は大きくなる。また、耐久性や材料のコストの点で有利な材料を選択することも可能となり、低コストで高耐光性で発電力の高い太陽電池モジュールを提供することができる。
【０１１５】
なお、本実施形態では、蛍光量子収率は小さいが本実施形態の導光体に適用可能な光機能材料の一例としてＮＰＢを示した。しかし、本実施形態の導光体に適用可能な光機能材料はこれに限定されない。他の材料としては、N,N’-bis(3-methylphenyl)-N,N’-diphenyl- [1,1’-biphenyl]-4,4’-diamine (TPD)、4,4’-bis-[N-(1-naphthyl)-N-phenylamino]-biphenyl) (a-NPD)、4,4’-bis-[N-(9-phenanthyl)-N-phenylamino]-biphenyl (PPD)、N,N,N’,N’-tetra-tolyl-1,1’-cyclohexyl-4,4’-diamine (TPAC)、1,1,4,4-tetraphenyl-1,3-butadiene（TPB）、TACP, Poly(N-vinylcarbazole) (PVK)、4,4',4''-tri(N-carbazolyl)triphenylamine (TCTA)、1,3,5-tris[4-(3-methylphenylphenylamino)phenyl]benzene (m-MTDAPB)、1,3,5-tris[N-(4-diphenylaminophenyl)phenylamino]benzene (p-DPA-TDAB)、4,4,4''-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine (m-MTDATA)、4,4',4''-tris(1-naphthylphenylamino)triphenylamine (1-TNATA)、4,4',4''-tris(2-naphthylphenylamino)triphenylamine (2-TNATA)、1,3,5-tris(4-tert-butylphenyl-1,3,4-oxadiazolyl)benzene (TPOB)、tri(p-terphenyl-4-yl)amine (p-TTA)、bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}oligothiophene (BMA-nT)、2,5-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}thiophene (BMA-1T)、5,5''-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}-2,2'-bithiophene (BMA-2T)、5,5''-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}-2,2':5',2''-terthiophene (BMA-3T)、5,5'''-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}-2,2':5',2'':5'',2''-quaterthiophene (BMA-4T)、2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole (PBD)、2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP)、4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (Bphen)、2,9-bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (NBphen)、1,3-bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene (OXD-7)、3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole (TAZ)、4,4'-bis(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)biphenyl (BTB)、2,5-Bis(1-naphthyl)-1,3,4-oxadiazole (BND)、4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP)、2,2',7,7'-tetrakis(carbazol-9-yl)-9,9-spirobifluorene (Spiro-CBP)、1,3,5-tris(carbazol-9-yl)benzene (TCP), 1,3-bis(carbazol-9-yl)benzene (MCP)、4,4'-di(triphenylsilyl)-biphenyl (BSB)、1,4-bis(triphenylsilyl)benzene (UGH-2)、1,3-bis(triphenylsilyl)benzene (UGH-3)などの有機蛍光体や、ZnO、CdSe、 ZnSe、 AlN, GaN, InN, InP, GaP, GaAs, ZnS, CdSなどで構成される量子ドットからなる無機蛍光体などが挙げられるが、これらに限定されるものでもない。
【０１１６】
［第４実施形態］
本実施形態において第１実施形態と異なる点は、外光吸収用の光機能材料として、前述した第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体および第５蛍光体を用い、導光用の光機能材料として、第８蛍光体を用いている点である。
【０１１７】
第８蛍光体は、前述した化学構造式（ｉ）や化学構造式（ｉｉ）に示される化学構造を有する蛍光体である。化学構造式（ｉ）の置換基Ｘや化学構造式（ｉｉ）の置換基Ｒを変えることで、第８蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長が概ね７００ｎｍ、発光スペクトルのピーク波長が概ね８００ｎｍとなるように制御されている。第８蛍光体の蛍光量子収率は９０％である。
【０１１８】
外光吸収用の光機能材料である第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体および第５蛍光体の混合比率（導光体を構成するＰＭＭＡ樹脂に対する体積比率）は、いずれも０．０２％である。導光用の光機能材料である第８蛍光体の混合比率は、外光吸収用の光機能材料に対して５％の割合、すなわち、０．００１％である。本実施形態でも、第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体、第５蛍光体、第８蛍光体の順にカスケード状にエネルギー移動が起こり、実質的に第８蛍光体のみが発光する。
【０１１９】
本実施形態の場合、７００ｎｍまでの太陽光を吸収することができる。入射した太陽光スペクトルの５０％が第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体、第４蛍光体および第５蛍光体によって吸収され、その励起エネルギーは無駄なく第８蛍光体に移動する。第８蛍光体の蛍光量子収率は９０％であるため、第８蛍光体に移動した励起エネルギーは、第８蛍光体において、９０％の高い蛍光量子収率で光に変換される。第８蛍光体から放射された光は全方向に均一に伝播し、そのうち、導光体と空気層との屈折率差による取り出しロス（導光体の第１主面および第２主面から射出される光の割合）が２５％、第２主面に設置された反射層での反射時のロスが４％程度あるので、太陽電池素子に到達するエネルギーは、入射した太陽光の３２％程度となる。この３２％のエネルギーは、導光時の自己吸収が殆ど起こらないので、そのまま太陽電池素子の発電に利用できる。
【０１２０】
本実施形態の場合、導光用の光機能材料の発光波長は８００ｎｍである。導光時に導光体の光入射面から漏れ出す８００ｎｍの光は可視光領域より長波長になっているので、観察者にとっては、ほとんど光っているようには見えない。また、可視光の波長域はほぼ全て吸収されるので、見た目には、スモークガラスのように見える。第１実施形態や第２実施形態の例では、導光体の光入社面から漏れ出す光は、赤色であり、見た目には赤い板のように見える。太陽電池モジュールの機能と色とは関係ないが、太陽電池モジュールを屋根、窓、壁などに設置する場合には、赤色は必ずしも好まれる色ではない。一方で、本実施形態では導光体はスモークガラスのような色であるため、太陽電池モジュールを屋根、窓、壁などの人目に触れる場所に違和感なく設置することができる。すなわち、太陽電池モジュールを設置できるスペースが広がるという利点がある。
【０１２１】
表３は、本実施形態の導光体（蛍光導光体）と図１２に示した各太陽電池とを組み合わせたときの変換効率、発電量及びワット単価を示している。表３において、「蛍光導光体を使用した場合」「蛍光導光体を使用しない場合」の意味は、表１で説明したものと同じである。
【０１２２】
［表３］
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【０１２３】
表３に示すように、本実施形態でも、蛍光導光体を使用した場合には、蛍光導光体を使用しない場合に比べて高い変換効率が得られる。また、導光時の自己吸収によるロスも少ないので、高い発電効率が得られ、ワット単価も少なくなる。
【０１２４】
本実施形態では、ＧａＡｓ単層の太陽電池のＭＡＸの効率５２％を使うことができる。蛍光導光体の第１端面に３２％の光を集められるので、１６０Ｗ／ｍ２の発電力を持ち、ワット単価も非常に低い、高効率で低コストな太陽電池モジュールとなる。一方でα−Ｓｉ太陽電池では、分光感度が０になってしまい、太陽電池として機能しない。よって、太陽電池素子に入射させる蛍光のスペクトルと太陽電池素子の分光感度とを適切に組み合わせることが、効率よく発電を行う場合に重要となる。
【０１２５】
［第５実施形態］
図１７は、第５実施形態の太陽電池モジュールに適用される導光体２０を光入射面の法線方向から見た平面図である。
【０１２６】
本実施形態において第１実施形態と異なる点は、導光体２０の光射出面（第１端面２０ｃ）に近い部分と遠い部分とで、含有される外光吸収用の光機能材料の種類および混合比率のうちの少なくとも一方が異なっている点である。
【０１２７】
本実施形態の場合、導光体２０の中央部の第１導光部２１には、前述した第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体および第４蛍光体が混入され、導光体２０の周縁部の第２導光部２２には、第３蛍光体および第４蛍光体が混入されている。導光体の第１導光部２１に混入されている第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体および第４蛍光体の混合比率（導光体２０を構成するＰＭＭＡ樹脂に対する体積比率）は、それぞれ０．１％、０．５％、０．１％、０．００５％である。導光体２０の第２導光部２２に混入されている第３蛍光体および第４蛍光体の混合比率は、それぞれ０．１％、０．００５％である。導光体２０は、例えば、ＰＭＭＡ樹脂で構成された５０ｃｍ角の正方形の導光体であり、その中央４５ｃｍ角の正方形の領域が第１導光部２１とされ、その外側を囲む幅５ｃｍの枠状の領域が第２導光部２２とされている。
【０１２８】
本実施形態では、第１導光部２１において敢えてエネルギー移動のバランスを崩し、第１導光部２１から緑の発光が多く出るようにしている。よって、第１導光体２１の内部を伝播する光は、すべて第４蛍光体の発光色になるわけでなく、多く混入した第２蛍光体も第１導光部２１から射出される。
【０１２９】
この場合、第１導光部２１から取り出される光は第４蛍光体と第２蛍光体の発光色が混ざった光、具体的にはオレンジ色の光となる。第２蛍光体から放射された光がそのまま導光体２０の第１端面２０ｃから太陽電池素子に入射すると、高い変換効率で発電を行うことはできない。例えば、ＧａＡｓ太陽電池では、第４蛍光体の発光スペクトルでは３２％の変換効率が得られるが、第２蛍光体の発光スペクトルでは２２％程度の変換効率しか得られない。本実施形態のように第１導光部２１の周囲を第３蛍光体および第４蛍光体のみが混入された第２導光部２２で囲めば、第２蛍光体から放射された光を太陽電池素子において高い変換効率で光電変換を行うことのできる光に変換して射出することができる。
【０１３０】
本実施形態では、第１導光部２１は、光入射面から入射した外光の一部を第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体および第４蛍光体で吸収し、第２蛍光体および第４蛍光体から放射された光を光射出面２０ｃに向けて伝播させる導光部として機能する。また、第２導光部２２は、第１導光部２１から入射した光を、当該光よりも光射出面２０ｃに設置される太陽電池素子（図示略）において分光感度の高い光（第４蛍光体から放射される光）に変換して太陽電池素子に入射させる変換部として機能する。第１導光部２１から第２導光部２２に入射した第２蛍光体からの光は、第２導光部２２の第３蛍光体で吸収され、その励起エネルギーはフェルスター機構により第２導光部２２の第４蛍光体にエネルギー移動する。よって、第２導光体２２から射出される光（すなわち、導光体２０の光射出面から射出される光）は、実質的に第４蛍光体から放射された光のみとなる。よって、光射出面２０ｃに設置する太陽電池素子として図１２に示したものを用いれば、太陽電池素子において高い効率で発電を行うことができる。
【０１３１】
例えば、導光体２０をＧａＡｓ太陽電池と組み合わせた場合の発電量を計算すると、約１６Ｗであり、第２導光部２２を設けずに導光体全体を第１導光部２１の構成とした場合の発電量を計算すると、約１４Ｗである。よって、第１導光体２１と太陽電池素子との間に第２導光部２２を設けることで、高い発電量が得られることがわかる。
【０１３２】
なお、第１導光部２１の第２蛍光体の混合比率を小さくし、第１導光部２１および第２導光部２２に混入する光機能材料の種類および混合比率を第１実施形態と同じ構成とした場合には、発電量は１７．５Ｗとなり、本実施形態のほうが１０％ほど発電量が小さくなる。これは、第１導光部２１から第２導光部２２に入射した第２蛍光体からの光が発光、吸収のプロセスを経て第２導光部２２の第３蛍光体に吸収されるため、その際のエネルギーのロスが８％程度生じることと、第２導光部２２には第１蛍光体と第２蛍光体が混入されていないため、その分太陽光の吸収量が減り、エネルギー換算で２％程度のエネルギーのロスが発生すること、とが原因である。
【０１３３】
しかし、本実施形態のように第１導光部２１に混入する光機能材料の種類や混合比率を調整し、導光体２０の光射出面２０ｃから射出される光のスペクトルと導光体２０の光入射面２０ａから射出される光のスペクトルとを異ならせるようにした場合には、導光体２０の概観の色を好みの色に調節できるので、デザイン性に優れた太陽電池モジュールとすることができる。本実施形態では、導光体２０の概観の色を変えるために、第１導光部２１に混入する第２蛍光体の混合比率を意図的に大きくしているが、それによって生じる変換効率の低下は、第２導光部２２で色変換を行うことによって抑制している。そのため、デザイン性と発電効率の双方を兼ね備えた太陽電池モジュールを提供することができる。
【０１３４】
なお、本実施形態では、複数の蛍光体の混合比率を意図的に変えることで、光入射面２０ａから第２蛍光体の発光が漏れ出るようにしたが、複数の蛍光体の混合比率を意図的に変えない場合であっても、複数の蛍光体の発光特性および吸収特性によっては、複数の蛍光体の間でエネルギー移動が１００％完全にうまくいかない組み合わせもある。その場合でも、本実施形態のように導光体２０の周縁部に光の色を調節可能な変換部を設けることで、導光体２０の光射出面２０ｃに設置する太陽電池素子に対して変換効率のよい単一の光（最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料から放射された光）を入射させることができる。
【０１３５】
［第６実施形態］
図１８は、第６実施形態の太陽電池モジュール３２の模式図である。太陽電池モジュール３２では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
【０１３６】
太陽電池モジュール３２では、導光体３０は、湾曲した板状の部材として構成され、太陽電池素子３１は、光射出面である導光体３０の湾曲した第１端面３０ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３０は、例えば、厚みが一定の板状の部材をＹ軸と平行な軸の回りに湾曲させた形状を有する。導光体３０の第１主面３０ａと第２主面３０ｂのうち、外側に凸状に湾曲した第１主面３０ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
【０１３７】
光入射面３０ａに入射した光Ｌは、導光体３０の内部に分散された図示略の複数の光機能材料によって吸収される。そして、複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動が生じ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料から放射された光が、光入射面３０ａよりも面積の小さい光射出面３０ｃに集光して射出される。導光体３０の内部に分散される複数の光機能材料としては、例えば、図２ないし図８に示した第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃおよび第４蛍光体８ｄが用いられている。
【０１３８】
太陽電池素子３１としては、例えば、ＧａＡｓ太陽電池が用いられている。太陽電池素子３１は、受光面を導光体３０の第１端面３０ｃと対向させて配置されている。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃおよび第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３１の分光感度を比較すると、複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ、第４蛍光体８ｄ）のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料（第４蛍光体８ｄ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３１の分光感度は、導光体３０に備えられた他のいずれの光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３１の分光感度よりも大きい。これにより、発電効率の高い太陽電池モジュール３２が提供される。
【０１３９】
太陽電池モジュール３２では、導光体３０の光入射面３０ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３０の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。通常、太陽電池で発電を行う場合には、太陽電池の受光面が光の入射方向を向くように、追尾装置を設けて太陽電池の角度を２軸方向で制御することが行われるが、本実施形態のように、導光体３０の光入射面３０ａが様々な方向を向くように湾曲した形状となっている場合には、そのような追尾装置を設ける必要がない。仮に追尾装置を設ける場合でも、湾曲方向と直交する方向の角度制御のみでよいため、２軸方向で角度制御を行う場合に比べて追尾装置の構成を簡素化することができる。本実施形態の場合、導光体３０は一方向に湾曲した形状とされているが、導光体３０の形状はこれに限らない。例えば半球状や釣鐘状などのドーム形状とすることもできる。その場合には、追尾装置は不要になる。
【０１４０】
太陽電池モジュール３２では、導光体３０が湾曲しているため、導光体３０を、曲面形状に形成された建物の壁面や屋根に設置することができる。本実施形態の場合、導光体３０は一方向に湾曲した形状とされているが、導光体３０の形状はこのような単純な形状に限らない。例えば、瓦状の形状や波状の形状など、自由な形状に設計することができる。
導光体３０を設置する場所に応じて、湾曲形状だけでなく、稜線を有して屈曲した屈曲形状を有していてもよい。湾曲した面や屈曲した面は、光入射面の少なくとも一部に設けられていればよく、それにより、上述した効果が得られる。
【０１４１】
［第７実施形態］
図１９は、第７実施形態の太陽電池モジュール３５の模式図である。太陽電池モジュール３５では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
【０１４２】
太陽電池モジュール３５では、導光体３３は、Ｙ軸と平行な軸を中心軸とする筒状の部材として構成され、太陽電池素子３４は、光射出面である導光体３３の第１端面３３ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３３は、例えば、厚みが一定の円筒状の形状を有する。導光体３３の外周面が第１主面３３ａであり、導光体３３の内周面が第２主面３３ｂである。導光体３３の第１主面３３ａと第２主面３３ｂのうち、外側に凸状に湾曲した第１主面３３ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
【０１４３】
光入射面３３ａに入射した光Ｌは、導光体３３の内部に分散された図示略の複数の光機能材料によって吸収される。そして、複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動が生じ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料から放射された光が、光入射面３３ａよりも面積の小さい光射出面３３ｃに集光して射出される。導光体３３の内部に分散される複数の光機能材料としては、例えば、図２ないし図８に示した第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃおよび第４蛍光体８ｄが用いられている。
【０１４４】
太陽電池素子３４としては、例えば、ＧａＡｓ太陽電池が用いられている。太陽電池素子３４は、受光面を導光体３３の第１端面３３ｃと対向させて配置されている。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃおよび第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３４の分光感度を比較すると、複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ、第４蛍光体８ｄ）のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料（第４蛍光体８ｄ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３４の分光感度は、導光体３３に備えられた他のいずれの光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３４の分光感度よりも大きい。これにより、発電効率の高い太陽電池モジュール３５が提供される。
【０１４５】
太陽電池モジュール３５では、導光体３３の光入射面３３ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３３の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。また、導光体３３が筒状に形成されているため、導光体３３を建物の柱や電柱などに設置することができる。本実施形態の場合、導光体３３は円筒状に形成されているが、導光体３３の形状はこのような形状に限らす、ＸＺ平面と平行な平面で切った断面が楕円や多角形など、導光体３３を設置する場所に応じて自由な形状に設計することができる。
【０１４６】
［第８実施形態］
図２０は、第８実施形態の太陽電池モジュール３８の模式図である。太陽電池モジュール３８では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３６と太陽電池素子３７の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３６と太陽電池素子３７の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
【０１４７】
太陽電池モジュール３８では、導光体３６は、Ｙ方向に延びる柱状の部材として構成され、太陽電池素子３７は、光射出面である導光体３６の第１端面３６ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３６は、例えば、Ｙ軸と平行な軸を中心軸とする円柱状の形状を有する。導光体３６の外周面が第１主面３６ａであり、該第１主面３６ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
【０１４８】
太陽電池素子３７としては、例えば、ＧａＡｓ太陽電池が用いられている。太陽電池素子３７は、受光面を導光体３６の第１端面３６ｃと対向させて配置されている。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃおよび第４蛍光体８ｄの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３７の分光感度を比較すると、複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ、第４蛍光体８ｄ）のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料（第４蛍光体８ｄ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３７の分光感度は、導光体３６に備えられた他のいずれの光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３７の分光感度よりも大きい。これにより、発電効率の高い太陽電池モジュール３８が提供される。
【０１４９】
図２０では、導光体３６と太陽電池素子３７とを１組とする単位ユニット３９がＸ方向に互いに隣接して８組設置されているが、単位ユニット３９の数はこれに限定されない。単位ユニット３９の数は１組でもよいし、８組以外の複数組でもよい。単位ユニット３９を複数組設けた場合には、平面への設置が可能となる。複数組の単位ユニット３９を紐状の連結部材４０で柔軟に連結した場合には、平面でない曲面などに自由に形を変えて設置することができとともに、簾のように必要なときに展開し、必要でないときに巻き取って収納するなどの調整が可能となる。また、複数組の単位ユニット３９を硬い棒状の連結部材４０などで互いに間隔を空けて連結した場合には、導光体３６間の空間を風が通るため、風圧を緩和することができ、太陽電池モジュールの架台の設置が簡単になる。
【０１５０】
なお、本実施形態の場合、導光体３６は円柱状に形成されているが、導光体３６の形状はこのような形状に限らす、ＸＺ平面と平行な平面で切った断面が楕円や多角形など、導光体３６を設置する場所に応じて自由な形状に設計することができる。
【０１５１】
太陽電池モジュール３８では、導光体３６の光入射面３６ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３６の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。また、導光体３６が柱状に形成されているため、複数の導光体３６を並べて柔軟に連結することにより、平面上のみならず曲面上への設置が可能となり、また、簾のように展開／巻き取りが可能な構成を実現することができる。
【０１５２】
［太陽光発電装置］
図２１は、太陽光発電装置１０００の概略構成図である。
【０１５３】
太陽光発電装置１０００は、太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽電池モジュール１００１と、太陽電池モジュール１００１から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ（直流／交流変換器）１００４と、太陽電池モジュール１００１から出力された直流電力を蓄える蓄電池１００５と、を備えている。
【０１５４】
太陽電池モジュール１００１は、太陽光を集光する導光体１００２と、導光体１００２によって集光された太陽光によって発電を行う太陽電池素子１００３と、を備えている。太陽電池モジュール１００１としては、例えば、第１実施形態ないし第８実施形態で説明した太陽電池モジュールが用いられる。
【０１５５】
太陽光発電装置１０００は外部の電子機器１００６に対して電力を供給する。電子機器１００６には、必要に応じて補助電力源１００７から電力が供給される。
【０１５６】
太陽光発電装置１０００は、上述した本発明に係る太陽電池モジュールを備えているため、発電効率の高い太陽光発電装置となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明は、導光体、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１    太陽電池モジュール
４    導光体
４ａ    光入射面
４ｃ    光射出面
６    太陽電池素子
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ    蛍光体（光機能材料）
２０    導光体
３０    導光体
３０    光入射面
３０ｃ    光射出面
３１    太陽電池素子
３２    太陽電池モジュール
３３    導光体
３３ａ    光入射面
３３ｃ    光射出面
３４    太陽電池素子
３５    太陽電池モジュール
３６    導光体
３６ａ    光入射面
３６ｃ    光射出面
３７    太陽電池素子
３８    太陽電池モジュール
３９    単位ユニット
４０    連結部材
１０００    太陽光発電装置
Ｌ，Ｌ１    光
【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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