(57)【要約】本発明は、ルミネセンスシート１０４及び光エネルギ変換器１０３を含んで構成される温室用のウィンドウを提供する。前記ルミネセンスシートは、太陽光のピーク波長を吸収して、電力へ変換されるかあるいは植物生産を向上させる波長６００〜６９０ｎｍの光子を放射する１以上の蛍光物質を含む。前記ルミネセンスシートは、植物成長及び開花に必要な太陽スペクトルの青色及び赤色部分の波長に対して透過性を有する。植物成長及び発電をさらに向上させるために、追加的なポリマー層を、ルミネセンス層、拡散層及び／またはＩＲ反射層として追加することもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物成長及び発電の両方のために設計されたルミネセンス太陽光集光器であって、
ルミネセンスシートと、
前記ルミネセンスシートに光学的に結合された光エネルギ変換器とを含み、
前記ルミネセンスシートが、単一または複数の種類の蛍光物質を分散して含有するポリマー材料を含んでなり、
前記蛍光物質が、波長５００〜６００ｎｍの太陽光子を５０％を超えて吸収し、波長４１０〜４９０ｎｍの太陽光子の７０％未満を吸収し、かつ波長６２０〜６８０ｎｍの太陽光子の５０％未満を吸収し、
前記蛍光物質からの放射光が、前記ポリマー材料から前記光エネルギ変換器へ伝達されるように構成したことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項２】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
波長４００〜７００ｎｍの光を透過する基板をさらに含み、
前記基板が前記ルミネセンスシートに光学的に結合されていることを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項３】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記ポリマー材料が、ポリメタクリル酸アルキル、ポリカーボネート、フッ素化ポリマー、またはそれらの誘導体若しくは組み合わせを含む材料からなることを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項４】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記蛍光物質から放射される光子の少なくとも５０％が波長６００〜６９０ｎｍの光子となるように構成したことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項５】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記波長４１０〜４９０ｎｍの太陽光子が前記蛍光物質に吸収される割合が、前記波長５００〜６００ｎｍの太陽光子が前記蛍光物質に吸収される割合よりも小さくなり、かつ
前記波長６２０〜６８０ｎｍの太陽光子が前記蛍光物質に吸収される割合が、前記波長５００〜６００ｎｍの太陽光子が前記蛍光物質に吸収される割合よりも小さくなるように構成したことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項６】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記ポリマー材料に含有される前記蛍光物質の濃度（重量パーセント）に前記ルミネセンスシートの厚さ（ｍｍ）を乗じて得た値が０．００５〜０．０５になるように構成したことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項７】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記光エネルギ変換器の光活性面が、前記ルミネセンスシートの面に対して略平行に配置されていることを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項８】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記光エネルギ変換器の裏面を支持する支持フレームをさらに含むことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項９】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記光エネルギ変換器の活性面積の前記ルミネセンスシートの活性面積に対する割合が５〜３５％になるように構成したことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項１０】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記光エネルギ変換器が、シリコン太陽電池、ヒ化ガリウム太陽電池、セレン化ガリウムインジウム銅太陽電池、またはテルル化カドミウム太陽電池であることを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項１１】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
保護目的のために前記光エネルギ変換器の裏側に配置される追加的な透明シートをさらに含むことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項１２】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
波長６２０〜６８０ｎｍの太陽光子の５０％未満を吸収する第２の蛍光物質を含有する第２のルミネセンスシートをさらに含み、
前記第２のルミネセンスシートが前記光エネルギ変換器に光学的に結合されていることを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項１３】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
光拡散体、ＩＲ吸収体、ＩＲ反射体、またはそれらの組み合わせを含む追加的な単一または複数の非ルミネセンスシートをさらに含むことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項１４】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
前記ルミネセンスシートが、該シートに伝達された光を拡散させるべくテクスチャード加工されていることを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項１５】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
波長６２０〜６８０ｎｍの赤色光の透過率の波長４１０〜４９０ｎｍの青色光の透過率に対する比率が１よりも大きくなるように構成したことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【請求項１６】
請求項１に記載のルミネセンス太陽光集光器であって、
波長７００〜９００ｎｍの遠赤領域の光を３０％を超えて吸収するように構成したことを特徴とするルミネセンス太陽光集光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ルミネセンス太陽光集光器及び建造物一体型太陽光発電ウィンドウに関する。
【背景技術】
【０００２】
ルミネセンス太陽光集光器（Luminescent solar collector：ＬＳＣ）は、電力への変換を目的とした太陽エネルギの捕集に有益である。ＬＳＣはルミネセンスシートを含んでおり、該シートには、太陽からの太陽放射を吸収して、光ルミネセンスまたは蛍光発光過程を通じてより長い波長の光子を放射する蛍光物質が含まれている。前記過程を通じて放射された光すなわち光子は、ルミネセンスシートに結合された、光を電力へ変換する太陽電池セルへ導波される（全内部反射によって）。ＬＳＣの現在の取り組みはＬＳＣの電力変換効率を最大化することに重点が置かれており、この技術を、植物成長が重要とされる温室及び関連構造体用の建造物一体型太陽光発電（ＰＶ）ウィンドウとして適用することは軽視されている。
【０００３】
光のスペクトルまたは色を調節することが、野菜の成長、開花及び結実などの特定の植物機能にとって有益であることが知られている。
【０００４】
したがって、当該技術分野では、植物成長に悪影響を与えることなく電力を生成することができるルミネセンス太陽光集光器が求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の様々な実施形態では、温室、アトリウム、日光浴室、天窓及び農業用被覆材を含む、ＬＳＣを備えたウィンドウ下での植物栽培に関する用途における、発電及び植物成長の両方に関して最適な吸光率を有するように光学的に設計されたルミネセンス太陽光集光器が開示されている。例として、植物成長に悪影響を及ぼさないようにするために、スペクトルの青／緑／赤の各部分におけるルミネセンスシートの相対的吸光率が具体的に決定された。
【０００６】
例示的な実施形態では、本発明のルミネセンス太陽光集光器は、ルミネセンスシートと、光エネルギ変換器とを含む。ルミネセンスシートは、蛍光物質を分散して含有するポリマー材料であるか、または前記ポリマー材料を含んで構成される。前記蛍光物質は、波長５００〜６００ｎｍの太陽光子を４０％を超えて吸収し、波長４１０〜４９０ｎｍの太陽光子の７０％未満を吸収し、波長６２０〜６８０ｎｍの太陽光子の４０％未満を吸収する。各帯域での吸収率は、光合成及び植物成長が最適になるように選択される。前記ポリマー層（ルミネセンスシート）は、前記蛍光物質から放射された放射光を光エネルギ変換器へ伝達するように設計されている。光エネルギ変換器は、ルミネセンスシートに光学的に結合されている。ルミネセンスシートに、ガラス、アクリルまたはポリカーボネートベースの追加的な基板を取り付けてもよく、その際は、前記基板はルミネセンスシートに光学的に結合されるようにする。ルミネセンスシートの吸光率は、ルミネセンス色素及び／またはその濃度の選択により調節することができる。上記の波長帯域での吸光率が高すぎるルミネセンスシートは、植物の成長に悪影響を及ぼすことになる。しかし、上記の波長帯域での吸光率が低すぎるルミネセンスシートは、発電に関する利益はあまり得られないであろう。
【０００７】
別の実施形態では、ポリマー材料に含有される蛍光物質の濃度（重量％）にルミネセンスシートの厚さ（ｍｍ）を乗じて得た値が０．００５〜０．０５になるように構成することにより、上記の波長帯域における光学密度（吸光率）を実現することができる。
【０００８】
さらなる実施形態では、前記蛍光物質は、蛍光色素、共役ポリマーまたは量子ドットとして選択される。前記蛍光色素は、ペリレン、テリレンまたはローダミンに基づくものである。前記共役ポリマーは、ポリフルオレン、ポリチオフェンまたはポリフェニレンビニレンである。前記量子ドットは、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＳｉまたはＧｅからなる。光エネルギ変換器は、活性吸収層としてシリコン、ヒ化ガリウム、セレン化ガリウムインジウム銅またはテルル化カドミウムを含む太陽電池である。
【０００９】
別の実施形態では、光エネルギ変換器（ＰＶセル）の活性表面は、ルミネセンスシートの表面に平行に取り付けられ、ＰＶセルの裏面は、追加的なポリマー層で被覆されるか、または温室の構造フレームに取り付けられる。光エネルギ変換器の活性面積は、ルミネセンスシートの活性面積の５〜２５％である。
【００１０】
別の実施形態では、冷却コストを削減するとともに、発電効率及び植物成長をさらに向上させるために、ＩＲ放射材料、光拡散体、及び／またはＩＲ吸収体／反射体を含む追加的なシートが追加される。
【００１１】
例示的な実施形態を参照して、本発明のルミネセンスエネルギ変換温室を説明する。以下の説明を読んで理解すれば、様々な修正及び変更を行うことができるであろう。そのような修正及び変更の全ては、本発明またはその均等物の範囲に入る限り、例示的な実施形態に含まれるものとする。本発明の例示的な実施形態は、限定されることなく、以下の説明により要約することができる。
【００１２】
一例では、本発明は、植物成長及び発電に関して最適化された吸光率を有するルミネセンス太陽光集光器であって、ルミネセンスシートと、光エネルギ変換器とを含むルミネセンス太陽光集光器に関する。前記ルミネセンスシートは、単一または複数の種類の蛍光物質を分散して含有するポリマー材料を含んでなる。前記蛍光物質は、波長５００〜６００ｎｍの太陽光子を５０％を超えて吸収し、波長４１０〜４９０ｎｍの太陽光子の７０％未満を吸収し、波長６２０〜６８０ｎｍの太陽光子の５０％未満を吸収し、かつ植物成長にとって理想的な光を放射する。前記ポリマー層（ルミネセンスシート）は、前記蛍光物質からの放射光が光エネルギ変換器へ伝達されるように設計されている。光エネルギ変換器は、前記ルミネセンスシートに光学的に結合されている。
【００１３】
別の例では、本発明のルミネセンス太陽光集光器は、波長４００〜７００ｎｍの光を透過する基板をさらに含み、前記基板が前記ルミネセンスシートに光学的に結合されるように構成されている。
【００１４】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、前記ポリマー材料は、ポリメタクリル酸アルキル、ポリカーボネート、フッ素化ポリマー、またはそれらの誘導体若しくは組み合わせを含む材料からなる。
【００１５】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、前記蛍光物質から放射される光子の少なくとも５０％が波長６００〜６９０ｎｍの光子となるように構成されている。
【００１６】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、直物成長を最適化するために、前記波長４１０〜４９０ｎｍの太陽光子または前記波長６２０〜６８０ｎｍの太陽光子が前記蛍光物質に吸収される割合が、前記波長５００〜６００ｎｍの太陽光子が前記蛍光物質に吸収される割合よりも小さくなるように構成されている。
【００１７】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、前記ポリマー材料に含有される前記蛍光物質の濃度（重量パーセント）に前記ルミネセンスシートの厚さ（ｍｍ）を乗じて得た値が０．００５〜０．０５になるように構成されている。
【００１８】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、前記光エネルギ変換器の光活性面が、前記ルミネセンスシートの平面に対して略平行に配置されるように構成されている。
【００１９】
さらなる別の例では、本発明のルミネセンス太陽光集光器は、前記光エネルギ変換器の裏面を支持する支持フレームをさらに含む。
【００２０】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、前記光エネルギ変換器の活性面積の前記ルミネセンスシートの活性面積に対する割合が５〜３５％になるように構成されている。
【００２１】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、前記光エネルギ変換器は、シリコン太陽電池、ヒ化ガリウム太陽電池、セレン化ガリウムインジウム銅太陽電池、またはテルル化カドミウム太陽電池である。
【００２２】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、保護目的のために前記光エネルギ変換器の裏側に配置される追加的な透明シートをさらに含む。
【００２３】
さらなる別の例では、本発明のルミネセンス太陽光集光器は、波長６２０〜６８０ｎｍの太陽光子の５０％未満を吸収する第２の蛍光物質を含有する第２のルミネセンスシートをさらに含み、前記第２のルミネセンスシートが前記光エネルギ変換器に光学的に結合されるように構成されている。
【００２４】
本発明のルミネセンス太陽光集光器のさらなる別の例では、前記ルミネセンスシートは、透過光を拡散させるべくテクスチャード加工されている。
【００２５】
さらなる別の例では、本発明のルミネセンス太陽光集光器は、光拡散体、ＩＲ吸収体、ＩＲ反射体、またはそれらの組み合わせを含む追加的な単一または複類の非ルミネセンスシートをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本発明及びその目的及び利点は、添付図面を参照して以下の説明を読むことによって理解されるであろう。
【００２７】
【図１】本発明の例示的な実施形態の概略図であり、ＬＳＣ構造体の代表例（ａ）及び（ｂ）を示している。１０１はガラスまたはプラスチック製の透明基板であり、１０２は１以上の接着剤であり、１０３は、太陽電池（ＰＶ）セルなどの光エネルギ変換器であり、１０４はルミネセンスシートである。
【図２】本発明の例示的な実施形態の概略図であり、ＬＳＣ構造体の代表例を示す。この実施形態では、ＰＶセルは、不透明の剛性フレームに取り付けられている。２０２は１以上の接着剤であり、２０３は、ＰＶセルなどの光エネルギ変換器であり、２０４はルミネセンスシートであり、２０５は剛性フレームである。
【図３】本発明の例示的な実施形態の概略図であり、発電及び直物成長用に最適化された代表的なルミネセンス色素（ＢＡＳＦ社製のルモゲン３０５）の吸光度及び光ルミネセンスを示す。曲線３００は吸光度を示し、曲線３１０は光ルミネセンス（Ｐ．Ｌ．）を示す。
【図４】本発明の例示的な実施形態の概略図であり、トマトに関する光合成データを示す。可視スペクトルについての吸光率が植物成長に関して最適化されていないルミネセンス色素濃度の、光化学系ＩＩの効率（上側のグラフ）及び電子伝達率（下側のグラフ）に対しての悪影響を示す。前記濃度は、効率的な植物成長に必要とされる赤色及び青色波長に対して、非常に高い吸光率を有している。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、吸光率（％）と波長との関係を示すグラフであり、ルモゲンレッド３０５についての、発電効率及び直物成長の両方に関して最適化された吸光率の範囲を示す。真ん中の濃度２５０Ｆが、望ましい吸光率を示す。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、電流と電圧との関係を示すグラフであり、植物成長に関して最適化され、かつ約４％の発電効率を有する、完全に組み立てられたＬＳＣウィンドウについての代表的なＩ−Ｖ曲線を示す。曲線６００は、ベアセルを示し、６０２は、１３ｃｍ間隔で配置されたセルを有するＬＳＣを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
装置の構造
【００２９】
図１及び２を参照して、本発明のＬＳＣ装置の概略を説明する。ルミネセンスシートは、アクリルまたはポリカーボネートに関連する材料から一般的に構成されるプラスチックシートにルミネセンス色素が直接埋め込まれるように、鋳造法、射出成形法、インフレーションフィルム法（blown films）及び関連する方法により製造される。ルミネセンスシートは、グラビア印刷、フレキソ印刷、スクリーン印刷、スロットコーティングまたはバーコーティングなどの印刷ベースの方法を用いて、ルミネセンス色素、プラスチック及び適切な溶媒を含んでいる溶媒溶液を堆積させることにより形成してもよい。前記ルミネセンス材料は、一般的に、波長３８０〜７８０ｎｍの範囲の植物のＰＡＲ（光活性反応）スペクトルにおいて透明な透明基板上に印刷されるかまたは積層させられる。代表的な基板には、（これらに限定しないが）ガラス、ポリカーボネート、ポリエチレン及びアクリルなどの、温室に使用される全てのウィンドウ材料が含まれる。例えば低鉄ガラスやアクリルなどの、波長６００〜７００ｎｍにおいてより高い透過率を有する基板が好ましい。結果として得られるルミネセンスシート及び基板の厚さは一般的に１〜６ｍｍであるが、フレキシブルなルミネセンスシートにするために１００μｍよりも薄くなるようにしてもよい。光エネルギ変換器セルは、透明な接着剤またはラミネート材を用いて、ルミネセンスシートに光学的に結合される。発電効率または植物成長を向上させるために、あるいは保護目的のために、複数の他のシートを追加することもできる（詳細については後述する）。生成された電力を外部へ伝達することができるように、光エネルギ変換器にコネクタが接続される。
【００３０】
ルミネセンスシート、並びに、発電効率及び直物活性への影響
【００３１】
ルミネセンスシートにとって理想的な蛍光物質は、５０％を超える量子収率を有し、かつ該蛍光物質から放射される光子の大部分が、クロロフィルａ及びｂが最も活性化する波長６００〜６９０ｎｍの光子である蛍光色素である。蛍光色素はまた、吸光スペクトル及び蛍光スペクトル間の重なりが最小になり、クロロフィルａ及びｂに吸収される光（波長４１０〜４９０ｎｍ及び波長６２０〜６８０ｎｍ）の吸光度が最小になり、かつ太陽スペクトルの残りの部分の吸光率が最大になるように選択される。ペリレン及びローダミンファミリー由来の赤色発光物質が、上記の基準の多くに適合する。特に、赤色発光ルモゲン（Lumogen）色素のシリーズ（例えばＬＲ３０５など）には、この用途のためのより有望な候補が含まれる。また、未発見のものを含む他の物質を用いることにより、より良い全体的性能が得られることもあり得る。図３に示すように、ＬＲ３０５は、６００ｎｍ付近で吸光及び発光が重なり合い、かつ波長４１０〜４９０ｎｍで相当な吸収を有している。このＬＲ３０５は、発電効率を高めるために、あるいは、青色吸収がより少ないことが必要とされる種における植物生長を促進するために、改善の余地がある。
【００３２】
蛍光色素は、光ルミネセンス効率または量子収率を最大にするために、ポリマーホスト中に分散して含有させることができる。ポリマーホストは、ＰＡＲスペクトル（すなわち、波長３８０〜７８０ｎｍ）に対して高透過性を有し、かつ蛍光物質に対して化学的適合性を有するように選択される。溶液を堆積させてフィルムを形成する場合、ポリマーホスト及び蛍光物質は相溶性溶媒中に溶解させるべきである。多くの蛍光色素は、ポリマーホスト中の濃度が０．５％を超えると、光ルミネセンス消光が生じる。本願発明者は、ルミネセンス色素ルモゲン３０５の最適な濃度が０．００１〜０．２％であることを見出した。なお、前記最適な濃度は、前記ルミネセンス色素の吸収係数及びルミネセンスシートの厚さの両方に依存する。一般的に、ルミネセンス色素は、ポリマー材料に、表面光ルミネセンスが最大になるように加えられる。このようにすると、９０％を超えるピーク吸光率が得られ、太陽光子をできるだけ多く捕集することが可能になる。しかしながら、このような高吸光率は、植物の光合成作用の減少をもたらす。植物の光合成への影響が図４に示されている。この影響は、通常はクロロフィルＩＩによって吸収されて植物成長に貢献する青色光子（波長４１０〜４９０ｎｍ）の吸収率が非常に高いことに起因する。青色光子の吸光率が５０％未満であるルミネセンスシートが、植物の光合成への影響がより少ないこと、及び場合によっては植物成長に有益であることが示されている（Novaplansky）。
【００３３】
一般的に、発電及び植物成長の両方を最適化するためのルミネセンスルモゲン３０５色素の最適な吸光率の上側、下側及び近傍が、図５及び表１に示されている。これらの結果は、厚さ３ｍｍのアクリル基板（ＰＭＭＡ）中に、色素（ＬＲ３０５）を、０．００３２％（２６５Ｆ）〜０．００８６％（２３８Ｆ）範囲の濃度で分散して含有させた例についてのものである。同様の結果が、厚さ５００μｍのルミネセンスシート及び厚さ１００μｍ未満のルミネセンスシートにおいて得られた。濃度は、ベールの法則（Beer's law）に従って求めた。吸収率が最大の場合（すなわち２３８Ｆ）は、高濃度では自己吸収が大きくなることに起因して、ＬＳＣの発電は最大にならない。一方、吸収率が十分に低い場合（すなわち２６５Ｆ）は、低濃度では吸光率が非常に低くなることに起因して、電流減少が生じ、そのために電力損失が生じる。
【００３４】
全体としては、本願発明者は、ほとんどの蛍光物質について、ポリマー材料中の蛍光色素の濃度（重量パーセント）にルミネセンスシートの厚さ（ミリメートル）を乗じて得た値が０．００５〜０．０５になるようにすべきだということを見出した。ただし、異常に高いまたは低い吸収係数を有する人工的に作製された蛍光物質は、上記の範囲から外れる。さらに、上記に定義したように、青色光子（波長４１０〜４９０ｎｍ）の吸収率は７０％未満であるべきであり、緑色光子（波長５００〜６００ｎｍ）の吸収率は５０％より大きくあるべきであり、赤色光子（波長６２０〜６８０ｎｍ）の吸収率は５０％未満であるべきであり、かつ、全体として、青色光子及び赤色光子の吸収率が緑色光子の吸収率よりも小さくなるようにすべきである。最適なフィルムは、一般的に、５０％未満の青色吸光率、７０％を超える緑色吸光率、及び１０％未満の赤色吸光率を有する。本願発明者は、吸収された光子の比率は、上記のスペクトル範囲においてルミネセンスシートに吸収された光子の数を上記のスペクトル範囲においてルミネセンスシートに入射した太陽光子の総数で割って得た値をパーセントに変換した値と定義した。最終的に、光ルミネセンス安定性を向上させるために、ＵＶ安定剤及び酸素／Ｈ２Ｏ捕捉剤をルミネセンスシートに加えることができる。
【００３５】
ここに示した結果は、有機小分子である蛍光物質に焦点を合わせているが、このことは限定として解釈されるべきではない。量子ドット及び半導体ポリマーも、この用途のためのルミネセンス物質として使用することができる（Sholin）。特に、ポリスピロレッドは、ＬＲ３０５と同様の吸光／発光及びＬＲ３０５よりも大きなストークシフトを有しており、有望な適切な代替物質である。また、蛍光物質には、吸光率が互いに異なるが、放射される光の大部分が互いに同じ波長（すなわち波長６００〜６９０ｎｍ）を有する２以上の蛍光物質の組み合わせが含まれ得る。
【００３６】
光エネルギ変換器
【００３７】
光エネルギ変換器は、全内部反射を用いてルミネセンスシートから導波されたルミネセンス光を吸収し、それを電力に変換する。光エネルギ変換器は、一般的に、太陽電池（ＰＶ）である。ＰＶは、蛍光光の大部分が放射される波長６００〜６９０ｎｍで、高い量子効率（＞６０％）を有するべきである。ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化ガリウムインジウム銅（ＣＩＧＳ）などのシリコン（ｓｉ）ベースの多くの太陽電池や、まだ市販品として現れていない太陽電池技術が、前記基準に適合する。太陽電池は、ルミネセンスシート（標準的なＬＳＣ構造体）の端部に取り付け可能なストリップ、またはルミネセンスシートに対して垂直に取り付け可能なストリップに切断される。前記端部に取り付ける場合、前記ストリップは、ルミネセンスシートと同じ厚さまたはほぼ同じ厚さになるように切断される。ルミネセンスシートの表面に取り付ける場合、前記ストリップは、ルミネセンスシートの厚さの２〜２０倍の厚さになるように切断される。このとき、ストリップの厚さをより薄くすると、ルミネセンスシートの総発電効率への貢献がより大きくなる。製造コストが低くなるため、及び、電力をＰＶ自体から直接収集することができて発電効率が高まるので、図１及び図２に示したような表面取り付け構造が好ましい配置である。ＰＶセルは、ＬＳＣから得られる電力及び総発電効率を最適化するために、ルミネセンス物質の表面と交わるように配置される。温室用途のためには、ＰＶセルの面積は、ルミネセンスシートの総面積の５〜３５％になるようにすべきである。ＰＶセルの面積の割合をより大きくすると（＞３５％）、発電効率はより高くなるが、植物を遮る影がより大きくなるため直物の成長が妨げられる。また製造コストも高くなる。ＰＶセルの面積の割合をより低くすると（＜５％）、植物を遮る影はより小さくなるが、発電効率及びコストはより低くなる。ＰＶセルの被覆率が１０〜２０％の場合に、製造コスト、植物成長及び発電効率間の良好なバランスが提供される。
【００３８】
太陽電池セルの個々のストリップは、接続を容易にするために、ＬＳＣパッケージから引き出されるワイヤに対して直列または並列に配線される。ルミネセンス物質を有するかまたは有さない温室ウィンドウについての一般的なＩ−Ｖ曲線を図６に示す。ルミネセンス物質ＬＲ３０５は、ＰＶセルの被覆率が５〜３５％の場合、ＰＶセル及びＬＲ３０５濃度に応じて、ＰＶセルの電力出力を１．２５〜３倍増加させることができる。
【００３９】
追加的なポリマーフィルム
【００４０】
発電効率を向上させるため及び温室の温度上昇を減少させるために、追加的なＩＲ放射ルミネセンス物質を、ルミネセンスシートの上側または下側に追加することができる。このＩＲ放射ルミネセンス物質は、２０％を超える光ルミネセンス量子収率を有するべきであり、単一または多結晶Ｓｉの光エネルギ変換器の場合は７００〜９５０ｎｍの波長を放射するべきであり（他の形態のＳｉ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ及びＧａＡｓ光エネルギ変換器の場合は７００〜８５０ｎｍ）、かつ波長６２０〜６８０ｎｍの光子が植物へ確実に伝達されるように該波長の光子を５０％未満の割合で吸収するべきである。ＩＲ放射ルミネセンス物質は、光エネルギ変換器に光学的に接続されなければならない。ＩＲ放射ルミネセンス物質は、太陽光が、第１のルミネセンスフィルムに入射した後に該ＩＲ放射ルミネセンスフィルムに入射するように、通常は、第１のルミネセンスフィルムの下側に配置される。
【００４１】
また、温室の温度上昇を減少させるために、非ルミネセンスＩＲ吸収または反射フィルムを追加することができる。このＩＲ反射フィルムは、ＰＶセルまたはルミネセンスシートに光学的に結合させる必要はなく、追加的な保護を提供するためにＰＶセルの裏面に積層させられる。一般的に、ＩＲ反射フィルムは、ルミネセンスシートの下側に配置される。しかし、その逆の構成が望ましい場合もあり得る。
【００４２】
温室構造体内のより均一な照明を提供するために、光拡散層を、ルミネセンスシートの内部または下側に追加することもできる。光拡散フィルム（層）は、ルミネセンスシート内に配された白色散乱粒子またはテクスチャを含み得る。前記散乱粒子等は、前記ガラスを通じて伝達された光の進行方向をわずかに変更し、それにより、植物により均一な光が提供されるようにする。この光拡散フィルムはまた、一部の光を散乱させてルミネセンスシートへ戻し、それにより、前記伝達された光を吸収して電力へ変換する追加的なチャンスを提供する。
【００４３】
表１：図５に示したルミネセンスシートについての様々な波長範囲での相対的電流出力及び光子吸収率を示す。２５０Ｆのサンプルにおいて、出力密度及び植物成長が最適となる。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
装置の例
【００４６】
以下の説明は本発明による装置の１以上の例を含むが、これらの例は、すでに説明した設計を排除することを意図するものではない。
【００４７】
例１
【００４８】
厚さ３ｍｍのルミネセンスシートであり、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を含んでなり、該シート（ＰＭＭＡ）中に蛍光色素であるルモゲン３０５を０．００６％の濃度（重量％）で含有している。このアクリル基板（ＰＭＭＡ）にシリコンＰＶセルが、８５℃以上で熱的安定性を有しかつ互いに異なる熱膨張率を許容可能な光学的に透明な接着剤を用いて直接的に取り付けられている。保護目的のために、薄いプラスチック製シートが前記基板の裏面に積層されている。ＰＶの面積はルミネセンスシートの面積の１６％であり、発電効率は約４％であった。このルミネセンスシートは、４１０〜４９０ｎｍの光子の６０％未満を吸収し、６２０〜６８０ｎｍの光子の１０％未満を吸収し、かつ５００〜６００ｎｍの光子の約７０％を吸収する。
【００４９】
例２
【００５０】
厚さ０．５ｍｍのルミネセンスシートであり、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を含んでなり、該シート（ＰＭＭＡ）中に蛍光色素であるルモゲン３０５を０．００３％の濃度（重量％）で含有している。このフィルム（ルミネセンスシート）及びシリコンＰＶセルが、厚さ３ｍｍのガラスまたはアクリル製シートに、ＥＶＡ接着剤を用いて積層されている。保護目的のために、薄いガラスシートが前記基板の裏面にＥＶＡ接着剤を用いて積層されている。ＰＶの面積のルミネセンスシートの面積に対する割合（被覆率）は１６％であり、発電効率は約４．５％であった。このルミネセンスシートは、４１０〜４９０ｎｍの光子の６０％未満を吸収し、６００〜６９０ｎｍの光子の１０％未満を吸収し、５００〜６００ｎｍの光子の約７０％吸収する。
【００５１】
例３
【００５２】
厚さ０．２ｍｍのルミネセンスシートであり、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を含んでなり、該シート中に蛍光色素であるルモゲン３０５を０．１％の濃度（重量％）で含有している。支持フレームにシリコンＰＶセルが取り付けられており、シリコンＰＶにルミネセンスシートが光学的に透明な接着剤を用いて取り付けられている。ＰＶの面積のルミネセンスシートの面積に対する割合（被覆率）は１０％であり、発電効率は約３％であった。このルミネセンスシートは、４１０〜４９０ｎｍの光子の５０％未満を吸収し、６００〜６９０ｎｍの光子の１０％未満を吸収し、５００〜６００ｎｍの光子の約６０％を吸収する。
【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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【国際調査報告】
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