(57)【要約】  太陽放射の集中におけるエネルギー損失を減少させ、追跡要件を減少または省略しながら、太陽スペクトルの相当部分を利用する。ホログラフィック改良型太陽光発電ソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、１０'’’）は、互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第１の基板を備え、前記第１の基板は、光学的に透明な基板であり、かつ、前記光学的に透明な基板の前記内側主面に透過格子（１２）を有し、互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第２の基板を備え、前記第２の基板は、前記第２の基板の前記内側主面上に、反射格子（１４）を有し、前記透過格子と前記反射格子との間に配置され、それらに対して垂直に向けられた少なくとも１つの太陽電池と、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第１の基板を備え、前記第１の基板は、光学的に透明な基板であり、かつ、前記光学的に透明な基板の前記内側主面に透過格子ホログラム（１２）を有し、
互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第２の基板を備え、前記第２の基板は、前記第２の基板の前記内側主面上に、反射格子ホログラム（１４）を有し、
前記透過格子ホログラムと前記反射格子ホログラムとの間に配置され、それらに対して垂直に向けられた少なくとも１つの太陽電池（１８）を備えた、ホログラフィック改良型太陽光発電ソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、 １０’’’）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの太陽電池（１８）は、片面受光か両面受光のいずれかである、請求項１のソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、１０’’’）。
【請求項３】
円筒形レンズ（２８）が、前記太陽電池（１８）の少なくとも１つの面と連結している、請求項２のソーラー・モジュール（１０’’’）。
【請求項４】
前記第１の基板の前記内側面と前記第２の基板の前記内側面とは、約３〜２００ｍｍの範囲の距離ほど分離している、請求項１のソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、 １０’’’）。
【請求項５】
中心間分離距離が、約１２〜８００ｍｍの範囲内である複数の太陽電池（１８）を備えた、請求項１のソーラー・モジュール（１０、１０’、１０”、 １０’’’）。
【請求項６】
前記反射格子ホログラム（１４）の背後に銀メッキされた反射体表面をさらに備えた、請求項１のソーラー・モジュール（１０”）。
【請求項７】
前記第１の基板の前記外側面に太陽放射（１６）が入射するように向けられた、請求項１のソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、 １０’’’）。
【請求項８】
前記透過格子ホログラム（１２）上に形成された反射格子ホログラム（２２）をさらに備えた、請求項１のソーラー・モジュール（１０'）。
【請求項９】
前記透過格子ホログラム（１２）は、前記光学的に透明な基板の前記内側主面に支持されているか形成されている、請求項１のソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、 １０’’’）。
【請求項１０】
前記反射格子ホログラム（１４）は、前記第２の基板の前記内側主面に支持されているか形成されている、請求項１のソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、 １０’’’）。
【請求項１１】
互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第１の基板を設け、前記第１の基板は、光学的に透明な基板であり、かつ、前記光学的に透明な基板の前記内側主面に透過格子ホログラム（１２）を有し、
互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第２の基板を設け、前記第２の基板は、前記第２の基板の前記内側主面上に、反射格子ホログラム（１４）を有し、
前記少なくとも１つの太陽電池（１８）を前記透過格子ホログラムと前記反射格子ホログラムとの間に配置し、それらに対して垂直に向けること、
を含む、請求項１のホログラフィック改良型太陽光発電ソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、 １０’’’）を製造する方法。
【請求項１２】
前記透過型格子ホログラム（１２）は、感光性記録媒体（３２）の同じ面上に２つの異なる角度（θ１、θ２）で２つのレーザー光線（３０、３０’）を干渉させることによって作製される、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記反射型格子ホログラム（１４）は、感光性記録媒体（３２）の同じ面上に２つの異なる角度（θ１、θ２）で２つのレーザー光線（３０、３０’）を干渉させることによって作製される、請求項１１の方法。
【請求項１４】
請求項１の前記ホログラフィック改良型太陽光発電ソーラー・モジュール（１０、１０'、１０”、 １０’’’）を設けること、
前記第１の基板の前記外側主面上に前記太陽電池を組み込むこと、
を含む、少なくとも１つの太陽電池（１８）に太陽放射（１６）を向ける方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００７年４月１７日に出願された仮出願第６０／９２３，８６９号明細書に基づく優先権を主張するものである。その明細書では、２００５年４月１８日に出願された開示文書第５７５１９７号公報が参照される。
【背景技術】
【０００２】
発光式太陽集光器は、技術上公知であり、平面シートに分散された発光中心から光を捕捉して集光するように働く。発光式集光器は、発光中心から放射された光の一部を捕捉する導波管内の全内部反射を利用する。発光中心は、３６０度の立体角のうちより長い波長光を再放射し、従って、プレートの一端まで、または端部の小領域まで光を導くのに非効率的である。
【０００３】
技術上公知の太陽集光器の一例は、ホログラム、プリズム、またはプレートを利用する。例えば、Ａｆｉａｎらに発行された米国特許第４，８６３，２２４号明細書を参照。しかしながら、この太陽集光器は、太陽に対して整列配置されることを必要とし、いかなる受動的太陽追跡能力も与えることはない。
また、ホログラムと、単一の入射角で単色光を集光するための全反射面とを備えた光集光装置も技術上公知である。例えば、Andoらに発行された米国特許第５，２６８，９８５号明細書を参照。しかしながら、Andoらは、単一の入射角と単一の波長を使用し、従って、追跡機構を必要とし、太陽スペクトル全体を利用することはできない。
【０００４】
また、技術上公知の他の集光器は、電磁波集光器である、例えば、Ｔｒｅｍｂｌａｙに発行された米国特許第４，５０５，２６４号明細書を参照。電磁波集光器は、電磁エネルギーを集中させるマルチ誘電体ガイドプレートを利用する。この発明は、より価格効率のよい具体例の一部において、ガイドプレートにおける多様な反射損失、および高吸収損失という欠点を有する。この発明はまた、困難な光学的製作上の問題を有し、それ故、製作するのに費用がかかる。
【０００５】
１９９９年３月２日に発行された米国特許第５，８７７，８７４号明細書、および２００１年８月１４日に発行された米国特許第６，２７４，８６０号明細書は、太陽放射を集中させる装置を開示する。この装置は、光学的放射を集光して集中させるホログラフィック平面集光器（holographic planar concentrator:ＨＰＣ）を使用する。ＨＰＣは、平面の高透明なプレートと、その表面に取り付けられた少なくとも一つの多重化ホログラフィック光学フィルムとを備える。多重化ホログラフィック光学フィルムは、その中に、角度的およびスペクトル的に多重化された一つ以上の領域を有する複数の回析構造を記録している。領域のうちの２つ以上は、空間的多重化を与えるように構成され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許の教示は、その意図された目的に確実に役立つ一方、それに対する改良が求められる。本発明は、このような改良に相当する。
太陽放射の集中におけるエネルギー損失を減少させ、追跡要求を減少または省略しながら、太陽スペクトルの相当部分を利用する太陽集光器の必要性が残っている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】入射光が直角な、本発明の一態様に従った平面太陽集光器を示す側面図である。
【図２】光損失の原因を示していること以外は、図１と同様の図である。
【図３】光損失を減少する本発明の一態様に従った２つの反射ホログラムを有すること以外は、図２と同様の図である。
【図４】本発明の一態様に従って１つの反射ホログラムの背面を銀メッキされた２つの反射ホログラムを有すること以外は、図３と同様の図である。
【図５】太陽電池に関連する円筒形レンズを有する本発明の他の態様に従った平面太陽集光器を示す側面図である。
【図６】透過格子によって小さく回析された帯域を示す、図１と同様の図である。
【図７】反射型格子によって、小さく回析された帯域を示すこと以外は、図６と同様の図である。
【図８】急角度で回折する光から生じる高いフレネル反射を示す、図１と同様の図である。
【図９】入射光が直角でないこと以外は、図１と同様の図である。
【図１０】入射光が極端なオフセット角であること以外は、図９と同様の図である。
【図１１】体積透過ホログラムの記録を示す。
【図１２】体積透過ホログラムの再生を示す。
【図１３】体積透過ホログラムの再生を示す。
【図１４】基板内にホログラムを構築するステップを示す。
【図１５】基板内にホログラムを構築するステップを示す。
【図１６】基板内にホログラムを構築するステップを示す。
【図１７】基板内にホログラムを構築するステップを示す。
【図１８】基板内にホログラムを構築するステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ．平面太陽集光器の一例
本発明では、我々は、軽量、高効率、及び、低価格の平面太陽集光器を開示する。
図１は、本発明の平面太陽集光器１０の一実施例を示す。図１に示すように、その上面（太陽に近い面）の透過格子１２、および、底面または対向する面上の第１の反射格子１４を用い、片面または両面受光太陽電池１８上に太陽光１６を集中させる。格子および太陽電池を支持するために剛構造（図示せず）がある。
【０００９】
ホログラフィック改良型太陽光発電ソーラー・モジュールは、互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第１の基板を備える。第１の基板は、光学的に透明であり、光学的に透明な基板の内側主面上に透過格子を有する。ソーラー・モジュールはさらに、互いにほぼ平行な外側主面と内側主面とを有する第２の基板を備える。第２の基板は、第２の基板の内部主面上に反射格子を有する。少なくとも１つの太陽電池が、透過格子と反射格子との間に配置され、それらに対して直角方向に向けられている。
【００１０】
幾つかの実施例では、２つの基板は、互いに０度で平行である。他の実施例では、２つの基板は、互いに１５度であり平行ではない。「実質的に平行な」によって、２つの基板は、０〜１５度の範囲内にあることを意味する。
幾つかの実施例では、透過格子１２と第１の反射格子１４とは、ホログラフィック・フィルムで製作され、それら自身が格子であるよりもより薄く、より軽量である。従って、語句「格子」および「ホログラム」は、本明細書においては、相互に交換可能に用いられることもある。
【００１１】
本明細書で用いられている格子（透過および反射）は、格子として働く基板上に支持されたホログラフィック材料のフィルムを備える。このような格子の形成は、以下に説明する。また、格子は、基板自体の表面に形成された格子またはホログラムを備えることができる。
格子ホログラムは、重クロム酸ゼラチン（ＤＣＧ）、ハロゲン化銀、ゾルゲル、フォトポリマーのような異なる種類の媒体中で製造され、プラスチック上でエンボス加工されることができる。
【００１２】
角度が急でない光回析に対しては、そのフレネル反射は低く、図２の２０に示すように、光は、透過ホログラムに存在することができる。
光が透過ホログラムを存在させないよう、我々は、透過ホログラム１２の次の構造１０'に第２の反射ホログラム２２を追加して、光を空洞２４に戻すことができる。第２の反射ホログラム２２は、より急な角度で光を空洞に戻すことができる。反射ホログラム２２の追加を、図３に示す。
【００１３】
我々はまた、第１の反射ホログラム１４の背後に銀メッキされたミラー２６を配置し、光が第１の反射ホログラム１４に存在しないようにすることができる。基板１０”を形成するために銀メッキされたミラー２６の追加を、図４に示す。
円筒形レンズ２８は、各太陽電池１８の片面または両面上で、各太陽電池１８と連結して配置され、図５に示すように、構造１０’’’内の太陽電池上に光１６をさらに集中させる。
【００１４】
Ｂ．垂直入射における太陽光についての検討
透過格子１２に入射する太陽光１６は、異なる色で異なる角度に分散する。赤光（より長い波長）は、その垂直な表面に対してより大きい角度で回析し、紫光（より短い波長）は、より小さい角度で回析される。正確な角度は、以下の式１に与えられた格子方程式によって計算される。
【００１５】
特に、光が垂直入射で透過ホログラム１２に入ると、回析される光の帯域幅Δλのみである。回析光の角度が急であればあるほど、帯域幅は小さくなる。格子方程式を満たすこれらの波長のみが、回析される。その結果を図６に示す。この場合、光１６の回析は、透過ホログラム１２から生じる。
透過ホログラム１２によって回析されない入射光１６のこれらの部分に対しては、それらは、反射ホログラム１４上の透過ホログラムを通ってまっすぐ通過する。図６と同様の図７は、反射ホログラム１８からの光の回析を示す。光のスペクトルは、図６の位置から反転されているようにみえる。
【００１６】
反射ホログラムは、太陽電池１８の方向に光を回析するように製造される（図６および７には示さず、例えば、図１に示す）。反射ホログラム１４は、光がより急勾配に回析されると、帯域幅がより狭くなるという点で、透過ホログラム１２と同じ特性を有する。図８に示すように、急な角度で回析される光は、透過ホログラム１２に到達すると、高いフレネル反射を経験する。
【００１７】
以下により詳細に説明する両面受光太陽電池１８は、格子フィルム１２，１４間に垂直に配置される。図１を参照。両面受光電池１８に近い透過格子１２の領域に当たる太陽光１６は、太陽電池上で直接回析される。両面受光電池１８からさらに離れて当たる太陽光１６は、底部ホログラム（反射ホログラム１４）上で回析される。底部のホログラム１４は、反射格子であり、両面受光太陽電池１８上に当たる光を回析する。我々は、この光が単一の跳ね返りで太陽電池１８に到達するように、格子１４を設計している。他の実施例においては、光の複数の跳ね返りが用いられる。
【００１８】
上側格子１２と下側格子１４との間の距離は、約３〜２００ｍｍの範囲内にあり、一般的な距離は、約０．５インチ（１２．７ｍｍ）である。両面受光電池１８間の距離が算出され、厳密結合波方法（rigorous coupled-wave method）を用いてコンピュータ・シミュレートされて、可能な最高効率を決定する。一例として、複数の太陽電池１８を含むソーラー・モジュール１０、１０'、１０”、 １０’’’によって、センター間の分離距離は、約１２〜８００ｍｍの範囲内にある。
【００１９】
Ｃ．非垂直入射における太陽光の検討
太陽光１６が垂直入射でない場合、異なる色に対して回析角は変動する。格子方程式によると、両面受光式電池１８の左に回析された角度は全て、入射光の方向に移動する。入射太陽光は、今、両面受光式電池からさらに離れ、電池上で依然として直接回析している透過格子の領域に光を照らすことができる。
両面受光式電池１８の右側には、逆の効果が発生する。電池１８上で直接回析する光に対して、入射太陽光１６は、今、両面受光式電池に近い透過回析１２の領域に光を照らさなければならない。というのは、回析角は、垂直表面に対してそれほど大きくないからです。これは、図９に示されている。
【００２０】
Ｄ．極端なオフセット角における太陽光の検討
太陽が極端なオフセット角でホログラム上に入射する場合、透過格子１２は、Ｂａｇｇ上にはなく、太陽光を回析しない。太陽光が両面受光式電池に対して十分急峻な角度でかつ十分近接していれば、光は、直接その上に当たる。
図１０は、図１と同様の図であり、入射光１６が通常の（図１に示すように）角度よりもこのような極端なオフセット角である場合に、太陽電池１８によって生じる光の捕捉を示す。
太陽光がさらに離れると、銀メッキされた裏張りを有する格子上に当たる。格子は、Ｂｒａｇｇ上にはなく、入射光を異なる色に分散することもない。しかしながら、格子は銀メッキされた裏張りを有するので、光は、両面受光式電池上で入射角と同じ角度で反射する。
【００２１】
Ｅ．ホログラムの構成
体積透過ホログラム１２は、図１１に示すように、感光性記録媒体３２の同じ面上に、２つの異なる角度θ１およびθ２で、２つのレーザー光線３０、３０’を空気中で干渉させることによって製造される。レーザーは、λの波長を有する。
レーザー光線３０、３０’が感光性媒体３２に入った後、それらは、スネルの法則に従って回析する。媒体内での２つのレーザー光線の干渉は、縞模様を生成し、格子方程式によって説明される。
【００２２】
n sinθ1+n sinθ2=mλ/Λx                 式 1
ここで、ｎは媒体の屈折率であり、θ１，θ２は記録角度であり、ｍは回析される順番であり、λは記録波長であり、Λｘは格子周期のｘ成分である。縞模様の傾斜は、θ１とθ２との間の角度の二等分線で決定される。格子方程式は、回析角度を、格子周期、波長、および入射角の関数として予測する。
【００２３】
格子方程式は、回析された光の量を予測するものではない。いわゆる厳密結合波方法と呼ばれている数値解析法は、回析された光の量を予測するために用いられる。記録媒体３２は、フォトポリマー、銀のハロゲン化物、または重クロム酸ゼラチンのような体積型材料よりなる。媒体３２が、銀のハロゲン化物または重クロム酸ゼラチンである場合、媒体３２は露光後に化学処理されることを必要とする。より高い露光を受けるフィルムの領域は、高い屈折率を有し、より低い露光を受ける領域は、より低い屈折率を有する。
【００２４】
ホログラム１２の再生の際、光１６が角度θ１でホログラムに入射すると、回析される光は、他の記録角度θ２である。この状況は、図１２に示される。
角度θ２は、＋１次回析波であると定義され、まっすぐ透過された光は、０次回析波である。光が角度θ２でホログラムに入射すると、回析される光は、θ２である。この状況は、図１３に示される。
【００２５】
表面レリーフ格子４０は、フォトレジスト材料４２、あるいは、金属、ガラス、または厚さの変動を支えることができる他の材料などの基板４４上に堆積される他の感光材料を用いて製造される。その構造を、図１４に示す。
異なる波長に対して感知できる異なる種類のフォトレジストがある。図１１を参照して上述したように、干渉図的に体積ホログラムを露光するような２つのレーザー光線によって干渉図的にフォトレジストを露出させる。その結果生成された構造を、図１５に示す。
露光後、構造４０は、フォトレジスト４２の露出されていない部分を除去するように、エッチャントに浸漬され、その結果、基板４４の部分が露出される。その結果生成された構造を、図１６に示す。
【００２６】
次に、図１７に示すように、構造４０は、露出された基板４４の部分を除去するように化学エッチャント内の特定の深さまで配置される。
最後に、フォトレジスト４２は、他のエッチャントによって取り除かれ、図１８に示すように、表面レリーフ格子４６が形成される。表面レリーフ格子４６は、金属箔または他の圧縮性材料上で多くの格子を複製する原盤として用いられることができる。このようにして、透過格子１２は、光学的に透明な基板内で形成され、反射格子１４は、基板内に形成されることができる。
【００２７】
格子を形成するホログラフィック記録の例は、例えば、米国特許第５，８７７，８７４号明細書および第６，２７４，８６０号明細書に示され、その内容は、本願明細書に含まれるものとする。
本願明細書において開示されたホログラフィック改良型太陽光ソーラー・モジュールは、限定されることはなく、窓および天窓としての建造物における種々の用途を発見することができる。
【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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【国際調査報告】
2010525578.tif 000021
2010525578.tif 000022