(57)【要約】太陽電池を液体中で動作させると、二つの物理的な現象により、エネルギー変換効率が増大する。第一は、単に太陽電池が液体に濡れると、太陽電池の出力が増大する。第二は、液体と液体を保持する透明な容器からなるシステムが屈折と内部反射により集光器としての機能を持ち、太陽電池上により多量の光を集光する。誘電性液体はｎ-ｐ接合型太陽電池の変換効率を増大し、加えて集光器のすぐれた媒体である事が見出された。誘電性液体の性質は、集光器の機能を持つ太陽電池パネルを造ることを可能にする。
2004531902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽エネルギー変換器であって、
誘電液体と、
前記誘電液体に接触する一つまたは複数個の太陽電池と、
前記誘電液体と前記一つまたは複数個の太陽電池とを収容するパネル容器であって、各太陽電池の前面及び背面が前記誘電液体に接触し得るように前記誘電液体を支持する概ね平らな基底を有し、太陽光を太陽エネルギーに変換させることができるように前記基底に結合された透明な上蓋と透明な側壁を有することを特徴とする太陽エネルギー変換器。
【請求項２】
一つまたは複数個のｎ−ｐ接合型太陽電池と、
前記太陽電池を濡潤させることによって前記ｎ−ｐ接合型太陽電池からの出力電流を増加させ、液内での光の屈折および内部反射により集光を向上させるような誘電液体とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項３】
前記誘電液体が前記各太陽電池の前記背面を濡潤し得るように前記太陽電池の下に空間または溜めを設けて前記一つまたは複数個の太陽電池を支持するような基底を有するパネル外装容器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項４】
内部空間に太陽光を導入するための透明な上蓋と、前記一つまたは複数個の太陽電池に前記誘電液体を通して入射太陽光を集光するレンズを形成するような透明な側面パネル壁とを有するパネル外装容器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項５】
前記外装容器が、前記側壁の面積を増加させるべく前記一つまたは複数個の太陽電池の占める総表面積より著しく広い基底および上蓋面積を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項６】
前記外装容器が低身の筒型構造をなし、前記筒型構造の第１端部が概ね平らなパネル皿で覆われ、前記筒型構造の第２端部がパネル蓋で覆われ、前記筒型構造の断面幾何学形状が、円形、楕円形、卵形、三角形、矩形、または正方形で、対称形または非対称形であることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項７】
比較的高い屈折率を有する有機誘電性液体より選ばれる誘電液体を更に有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項８】
プロピレングリコールやカーギル社製浸潤液コード#1160等の安全であるか或いは危険性の低い液体より選ばれる有機誘電性液体を更に有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項９】
季節の天候や使用環境に従い、太陽エネルギーシステムのための様々な液体の融点および沸点に基づいて選ばれる有機誘電性液体を更に有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１０】
太陽エネルギー変換器であって、
液体と、
前記液体に接するように設けられた一つまたは複数個の太陽電池と、
前記一つまたは複数個の太陽電池の背面に接するように前記液体を集められるような空間を前記太陽電池の下に提供する太陽電池取付台と、
前記液体と前記太陽電池取付台に取り付けられた前記一つまたは複数個の太陽電池とを内包する外装容器とを含み、
前記外装容器が、概ね平らな基底を有し、
前記外装容器が、前記一つまたは複数個の太陽電池に前記液体を通して入射太陽光を集光するレンズを形成するような、前記基底に接続される透明な側面パネル壁を有し、
前記パネル壁が、自身及び前記液体を通過する光の集光を向上させ、且つ前記一つまたは複数個の太陽電池に太陽エネルギーを光学的に集中させることを特徴とする太陽エネルギー変換器。
【請求項１１】
前記液体を介して直射日光照射を集める透明なカバーを有する外装容器を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１２】
前記液体を介して、太陽エネルギーに変換するべく、太陽光ビームを広範囲にわたって前記一つまたは複数個の太陽電池に集めるようなレンズを形成する透明な側面壁を有する外装容器を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１３】
一部または全体が透明なガラスまたはプラスチック材料で構成される側壁と上蓋を有する外装容器を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１４】
前記外装容器が、前記一つまたは複数個の太陽電池の占める総表面積より著しく広い基底および上蓋面積を有することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１５】
前記外装容器が低身の筒型構造をなし、前記筒型構造の第１端部が平らなパネル皿で覆われ、前記筒型構造の第２端部がパネル蓋で覆われ、前記筒型構造の断面幾何学形状が、円形、楕円形、卵形、三角形、矩形、または正方形で、対称形または非対称形であることを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１６】
前記液体が、地球上の最低温度から最高温度環境の範囲で液体の状態を維持し得るような高屈折性誘電液体を含むことを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１７】
プロピレングリコールおよびカーギル社製浸潤液#1160を含む、安全であるか或いは危険性の低い液体より選ばれる有機誘電性液体を更に有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１８】
太陽エネルギー変換器であって、
液体と、
前記液体に接するように設けられた一つまたは複数個の太陽電池と、
前記一つまたは複数個の太陽電池の背面に接するように前記液体の溜めが接したままであるような空間を前記太陽電池の下に提供する太陽電池取付台と、
前記液体と、前記太陽電池取付台と、前記一つまたは複数個の太陽電池とを内包する外装容器とを含み、
前記外装容器が、概ね平らな基底と、前記外装容器の内部空間に太陽光の直射光線または散乱線を伝達する透明なカバーまたは上蓋とを有し、
前記外装容器が、太陽光の直射光線または散乱線を前記外装容器に導入するような窓を形成するべく前記基底に結合された透明な壁を有することを特徴とする太陽エネルギー変換器。
【請求項１９】
前記外装容器が、前記一つまたは複数個の太陽電池からなる太陽電池アレイの占める総表面積より少し広い基底および上蓋面積を有することを特徴とする請求項１８に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項２０】
前記外装容器が低身のドームまたは筒型構造をなし、前記筒型構造の第１端部が概ね平らな皿で緊密に覆われ、前記筒型構造の第２端部がパネルカバーまたは蓋で緊密に覆われ、前記筒型構造の断面幾何学形状が、円形、楕円形、長円形、卵形、矩形、または三角形で、対称形または非対称形であることを特徴とする請求項１８に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項２１】
季節の天候の変化および使用環境に対して液体の状態を維持し得るために十分低い融点および十分高い沸点を有する比較的高い屈折率有機誘電性液体である液体を更に有することを特徴とする請求項１８に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項２２】
前記液体が、プロピレングリコールやカーギル社製浸潤液コード#1160等の安全であるか或いは危険性の低い有機誘電性液体より選ばれることを特徴とする請求項１８に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項２３】
太陽エネルギー変換器であって、
誘電液体と、
前記液体に接するように設けられた太陽電池のアレイと、
前記太陽電池の前面および背面の双方に接するように前記太陽電池のアレイを支持する太陽電池取付台と、
前記誘電液体と前記取付台に取り付けられた前記太陽電池のアレイとを内包する外装容器とを含み、
前記外装容器が、前記取付台を支持する平らな基底と、前記誘電液体と組み合わせてレンズを形成し、全ての角度から集光し、前記太陽電池のアレイに方向付けする透明なドーム蓋とを有することを特徴とする太陽エネルギー変換器。
【請求項２４】
前記誘電液体が、高屈折性誘電液体を含み、プロピレングリコールやカーギル社製浸潤液#1160等の安全であるか或いは危険性の低い材料より選ばれることを特徴とする請求項２３に記載の太陽エネルギー変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関するものであり、特に、誘電性液体を用いた太陽エネルギー変換器に関するものである。
【０００２】
本出願は、2001年6月22日に出願した米国特許出願第09/887,416号「液体集光器を用いた太陽エネルギー変換器」の継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
各種の太陽エネルギー装置が、電気あるいは熱を供給する為、既に数十年に亘り使用されてきた。多種多様なエネルギー装置の設計者達はその出力および効率の改善にたゆみない努力を続けている。現行の太陽電池エネルギー変換器の一つの問題は、低価格の電力を効率よく取り出すことにある。光起電力電池（太陽電池）の変換効率とは、当該電池によって変換された出力電気エネルギーの入射太陽光エネルギーに対する割合である。太陽エネルギーを化石燃料および原子力と云うような従来のエネルギー資源と競合できる変換装置を造りだす為には、太陽電池の変換効率の改善はきわめて重要である。太陽光エネルギーの電気エネルギーへの変換効率は、光起電力装置（太陽電池）の黎明期においては全太陽光入射エネルギーの１〜２％程度であった。現今では、通常の市販の太陽電池で、７〜１７％の変換効率を持っている。
【０００４】
先ず最初に必要なものは、太陽電池を用いて効率よくエネルギーを変換させる方法とシステムである。その為には、光エネルギーを電気エネルギーに、廉価で効率よく変換させる太陽電池の材料や構造、そしてその製造工程が重要である。更に、大きな出力を取り出すために、太陽光エネルギーを高密度に集光させる機能を持つ構造も重要である。
【発明の開示】
【発明の効果】
【０００５】
太陽電池を液体の中で動作させると、二つの独立した物理現象によって、見かけ上の変換効率が増大する。一つは、太陽電池が液体に接して濡れることによって起こる当該太陽電池の変換効率の増大である。他の一つは、液体を保持する容器（透明）の側面への入射光線の屈折と内部反射による集光効果が起こす太陽電池の出力の増大である。即ち、本発明は、誘電性液体が、ｎ-ｐ接合型太陽電池と接触することによって当該太陽電池の変換効率を増大させる事と、当該太陽電池を収納する透明容器と誘電性液体からなるシステムの構造が、集光装置の機能を持ち、当該太陽電池の出力を増大させる事を見出した。すなわち、太陽電池の誘電性液体による濡れ効果と誘電性液体を収納する透明容器の集光性を利用して、著しく高い変換効率をそなえた太陽電池パネルが可能になる。
【０００６】
一つまたは複数個の太陽電池を有機誘電性液体に浸すと、当該太陽電池のエネルギー変換効率が増大する。また、有機誘電性液体は集光装置の媒体として優れている。太陽電池と有機誘電性液体とを組み合わせると廉価な集光器をそなえた高変換効率のエネルギー変換器が得られる。
【０００７】
本発明における最も重要な点は、太陽電池の表面が誘電性液体で濡れると、当該太陽電池のエネルギー変換効率が増大することである。
【０００８】
本発明における第二に重要な点は、光起電力電池と有機誘電性液体を収納する外容器によって構成される太陽電池パネルでは、太陽電池あるいは光起電力電池の出力が増大する。太陽エネルギーパネルが、誘電性液体を通過した屈折光が、出力を増大させるような適当な、幾何学的構造を持っている場合、例えば、パネル側壁が集光器の機能をもつような透明ならば、集光器を通過した光は、誘電性液体の境界面で屈折し太陽電池上に集光して光電効果を高める。
【０００９】
さらに本発明の重要な点は、太陽電池の有機誘電性液体による濡れ効果と誘電性液体を収納するパネル外容器の集光効果とを組み合わせて太陽電池の出力を著しく増大して、太陽電池の出力電力のコストを低価格にすることである。
【００１０】
さらに、本発明の具体的な実験例において、太陽電池パネルの外装は低いドーム型あるいは扁平状で、上下壁と側壁からなる筒型である。パネル外装の側面壁と上面壁は集光器としての機能を持たせるために、透明な材料であることを要する。この筒型パネルの水平断面は円形、楕円形、卵形、矩形、三角形、正方形等々どのような形も可能であり、その形状は対称でも非対称でもよい。
【００１１】
太陽電池パネルに充填される有機誘電性液体は、有極性あるいは無極性に関わりなく使用可能である。際立って大きなエネルギー変換効率は、有極性で、かつより大きな屈折率を持つ液体で得られる。当該太陽電池パネルに用いられる誘電性液体の選択は、パネルが設置される場所の地理的季節の気候あるいは気温の変化に対応した凝固点および沸点を持つ液体であることがのぞましい。すなわち、当該太陽電池パネルが、実際に使用される場所の季節による最高及び最低気温を考慮して、高い屈折率、充分に低い凝固点、充分に高い沸点を持ち、かつ安全な有機誘電性液体を選ばねばならない。
【００１２】
本発明の示唆によれば、ｐ−ｎ接合型太陽電池の出力の増大は、太陽電池の表面に垂直なｐ側からｎ側に向く方向に、双極子を分極した状態で固体誘電体膜を堆積することによっても可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図1に、エネルギー変換効率を増大させるのに適した外形をもつ太陽電池パネル100の例を概略図によって示す。太陽電池パネル100 は、パネルの下部の底面をなすパネル基盤あるいは皿102と、パネル100の全側面を囲む側壁面104から成っている。太陽電池パネル100はいかなる形でもよい。一つの適切な例は、太陽電池パネル100はパネルの底部を覆う底皿102と、筒の上端部を蓋う上蓋112を持つ扁平な筒状の形をもつ。パネルの側壁104の一部または全面及び上部蓋112は集光機能を充分に活用するために透明であることを要する。扁平筒形のパネル100の水平断面は、適当ないかなる幾何学的形状を持つことが出来る。例えば、円形、楕円形、卵形、矩形、三角形、正方形のいずれでもよく、対称、非対称も問わない。簡単な形状を持つ太陽電池パネルは概して低廉である。
【００１４】
太陽電池パネルの側壁104は、二つの意味で太陽電池パネルの効率を高める。第一の意味は、極めて当然の事であるが、パネル側壁104はパネル100の内部に有機誘電性液体110を保持するのに必要であり、太陽電池106はこの有機誘電性液体110で濡れるとその出力変換効率が増大する。第二の意味は、側壁104を集光器として機能させるべく透明な材料を用いる事によって太陽電池の出力を更に増大させる事ができる。パネルの側壁104は屈折性の液体を内包して、太陽電池の出力を増大させる効果をより効果的にするよう、レンズの機能を持つような幾何学的外形をもつことができる。例えば、パネル壁104は太陽電池106上に太陽エネルギーを集光するよう曲面の形状をもつことが出来る。
【００１５】
一般的には、太陽電池パネル100は立方体で、従って四面の側壁104を持つ。平面、曲面、あるいは平面と曲面を組み合わせた多面側壁を持つ形状も可能である。パネル壁104とパネル皿102の接合部は液体の漏洩を回避するよう密封されなければならない。
【００１６】
太陽電池パネル100は、太陽電池106と有機誘電性液体110とを内蔵する外装容器とで構成されている。外形は有機誘電性液体110を通して屈折光が有効に太陽電池の出力を増大せしめるような幾何学的構造を持つものとする。パネル側壁104は集光装置として機能するよう透明である事が望ましい。集光器としての側壁104に入射した光線は、有機誘電性液体110との界面で屈折して太陽電池106の光起電力効果を増大する。
【００１７】
パネル皿102内には一つあるいは複数個の太陽電池106が夫々の前面と裏面が誘電性液体で濡れるように配列される。すなわち、太陽電池パネル100は一般的には複数個の太陽電池106を有する。電力の取り出し線108は太陽電池106と外部負荷（図示せず）とを接続する。太陽電池106はパネル皿102内にパネル壁104に対して遠隔あるいは近接した位置に適当に配列される。
【００１８】
ある実施例では、外装容器は太陽電池の占める面積よりも大きなパネル皿102とパネル蓋112を有する。この事によってパネル側壁104の面積が大きくなり、より大量の太陽光を集光して、電力に変換する事が出来る。
【００１９】
太陽電池パネルに用いられる太陽電池106はシリコン接合型太陽電池でもよい。ガリウム砒素（ＧaAs）などの金属間化合物太陽電池でもよい。
【００２０】
パネル皿102は有機誘電性液体110を保持し、その中に一つまたは複数個の太陽電池106が浸潤されている。有機誘電性液体110は接合型太陽電池106に接触すると、太陽電池106の変換効率を増大する。更に、有機誘電性液体110は集光装置に適した性質をもつ媒体である。接合型半導体太陽電池106と有機誘電性液体110との組み合わせは低価格高効率の光発電機として動作する。
【００２１】
特定の有機誘電性液体110を使用上の諸条件によって選ぶことが出来る。接合型半導体太陽電池106の出力は太陽電池106の表面が電気的に高抵抗の誘電性液体例えば水で濡れる事によって増大する。濡れる事による太陽電池106の出力電力の増大は、有極性か無極性か、屈折率の大小等々、液体特有の性質に依存する。出力電力の増大は、太陽電池の一面（背面）のみが濡れても惹起される。
【００２２】
図２は、太陽電池パネル100に使用されるｎ-ｐ接合型太陽電池106の例を図示している。接合型半導体太陽電池106はｎ型半導体層210とｐ型半導体層212からなる半導体の複合層からできている。ｎ-ｐ接合の半導体構造即ち太陽電池106に太陽光が照射されると電流を発生する。半導体層構造には単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、単結晶シリコン薄膜、多結晶シリコン薄膜、あるいはガリウム砒素（ＧaAs）、ガリウムインジウム−燐（ＧaInP）、ガリウムインジウム−砒素（ＧaInAs）等々多種類の材料が用いられる。太陽電池106は半導体のｎ-ｐ層構造に加えて、その表面上のグリッド状金属電極214と裏面上の電極216から成っており、励起された電子を半導体から取り出し、電流を外部負荷に導く。完成された太陽電池106の最上面は、ガラスまたはプラスチックの透明な保護膜218で太陽電池を密閉している。太陽電池106の最上面上には太陽電池からの光222の反射を防止するために反射防止膜220がある。透明な接着層224は、透明な保護膜218を太陽電池106に固定している。
【００２３】
図３は、市販の二つの異なったシリコン太陽電池を4400Ｌｘ．の光強度の曇天下で動作させた場合の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示している。同図において、Ｉ−Ｖ曲線312及びＩ−Ｖ曲線322は浅い広口のパネル皿（ペトリ皿）102内に設置された太陽電池Ａ310とＢ320の正常動作（空気中）の光起電力効果の振る舞いを示している。本実施例に用いられた太陽電池Ａ310は正方形状で5ｍｍｘ5ｍｍの有効表面積をもつ。太陽電池Ｂ320は矩形状で10ｍｍｘ20ｍｍの有効表面積をもつ。
【００２４】
前記の正常動作においては、液体はパネル皿内に注入されていない。同図３におけるＩ−Ｖ曲線314とＩ−Ｖ曲線324は、有機誘電性液体110に浸潤された太陽電池106の動作における、太陽電池Ａ310と太陽電池Ｂ320の場合を示す。本実施例は、太陽電池Ａ310とＢ320がそれぞれ太陽電池の表面よりわずかに高い準位までグリセリンを充填した場合である。太陽電池106の出力の増加はＩ−Ｖ曲線312と314、およびＩ−Ｖ曲線322と324を比較すればよい。太陽電池Ａ310の閉回路電流Iscの増加分316は約40％であり、太陽電池Ｂ320の閉回路電流Iscの増加分326は約３６％である。太陽電池Ｂ320は、グリセリンに浸潤して動作させると、出力電力は負荷抵抗200Ωで約47%増加する。
【００２５】
同じ照明条件の下で、太陽電池の性能は、太陽電池106を有機誘電性液体110に部分的または完全に浸潤する事によって著しく改善される。太陽電池の出力の増加は液体の成分や太陽電池に対する液体の深さ等々諸々の原因よって変化する。
【００２６】
図４は、市販のシリコン太陽電池Ａ310を晴天下の空気質量AM1.5の太陽光の下で動作させた場合の光起電力効果のＩ−Ｖ曲線を示す。同図における曲線401は空気中における動作のＩ−Ｖ曲線である。曲線402はエチルアルコールに浸潤して動作させた場合のＩ−Ｖ曲線である。当該太陽電池の閉回路電流Isc及び開回路電圧 Voc の増加分は、夫々約３８％と１０％である。出力電力の増加分は負荷抵抗250Ωで約６２％、また負荷抵抗1000Ωでは約２３％である。
【００２７】
図５は、500Ｗ／5500Ｋの色温度の反射電球の光源を用いて、10000Ｌｘの照度下で、有機誘電性液体110の深さを変えた場合の太陽電池のＩ−Ｖ曲線を示す。この例において、太陽電池106は太陽電池Ｂ320であり、有機誘電性液体110はトリクロロエチレンである。同図において、曲線500は液体の無い正常条件でのＩ−Ｖ曲線である。曲線501はパネル皿102の底に最も接近した太陽電池Ｂ320の面（太陽電池の裏面）がトリクロロエチレンで濡れた場合のＩ−Ｖ曲線である。エネルギー変換効率は太陽電池106の裏面が濡れただけでも増大する。太陽電池106を完全に液体に浸潤して、液体の深さを増すと、エネルギー変換効率も増大する。曲線502は液体の深さが太陽電池106の上表面の上 1mm の時のＩ−Ｖ曲線である。当該実施例において、太陽電池Ｂ320に対して最適のトリクロロエチレンの深さは、曲線503が示す如く、太陽電池の上表面の上 7 mm である。液体の深さを更に増すと、Ｉ−Ｖ曲線504及び505が示す如く太陽電池Ｂ320のエネルギー変換効率は減少する。Ｉ−Ｖ曲線504は、太陽電池Ｂ320の表面がトリクロロエチレンの表面より 10 mm の深さにある場合である。曲線505は、太陽電池Ｂ320の表面が 15 mm の深さのトリクロロエチレンで覆われた場合である。
【００２８】
同様の測定が、トルエン、イソプロピルアルコール、およびグリセリン等々の有機誘電性液体110に太陽電池106を浸潤して行われた。上記の有機誘電性液体110の深さが、太陽電池の表面上7±1 mm の時、電力出力の最大値が観測された。最大出力を得るための、最適深さは使用される誘電性液体110の性質、パネル皿の大きさなどの他の条件によって変わる。
【００２９】
有機誘電性液体110の最適深さは、パネル皿102内に設置された太陽電池106の位置での光学的理由による。
【００３０】
500Ｗ／5500Ｋの色温度の電球光源の下で、グリセリン、イソプロピルアルコール、トルエン及びトリクロロエチレンなどの有機誘電性液体110の濡れ効果による太陽電池106の最大出力の測定結果を表１に示す。表１は、太陽電池 B320 の閉回路電流の最大の変化率 (ΔIsc/Isc)max が、液体の深さDで起こる事を示す。各液体の比重ｐと屈折率Nも示す。これらの有機誘電性液体のうち、グリセリンは無極性であり、他のイソプロピルアルコール、トルエン、トリクロロエチレンは有極性である。
【００３１】
【表１】
2004531902.tif 000003
【００３２】
表１によれば、濡れ効果によって接合型半導体太陽電池の出力を増大させるのには、有極性で屈折率の大きな誘電性液体が適している。
【００３３】
誘電性液体を用いた時の、出力電力の増加は、液体の誘電率或いは屈折率の大きさに関係している。太陽電池を覆う誘電性液体として適切な二つの液体材料を選定した。これらの液体は、屈折率1.43以上、凝固点−40℃以下、沸点200℃以上の誘電性液体である。従って、上述の特性を持つ誘電性液体は、極地から熱帯地に至る地球上の、広い地域で用いることが出来る。選定においては、塩素、沃素、或いは臭素のような有毒元素を含む物を除外して、災害に際しての安全性を考慮した。その一つは、プロピレングリコール(N=1.434)で太陽電池を覆うと、入射角45°の太陽光で42%の出力増加が得られた。プロピレングリコールは自動車の不凍液として用いられており、本発明の実施に用いるのに安全である事が知られている。例えば、燃焼時の副産物は一酸化炭素と二酸化炭素である。
【００３４】
他の一つはカーギル社製の光学用誘電製液体で、入射角45°の太陽光下で太陽電池の出力を63％増加した。カーギル社の仕様書によるとこの液体はレーザー用浸漬液に分類されており、屈折率は1.535、凝固点−45℃、沸点370℃である。なお燃焼時の副産物は二酸化炭素であり、太陽光線下で10年間安定である。図８のＡとＢは、前述の二つの有機誘電性液体内で、太陽電池を動作させた実験に用いた容器と太陽電池を示す。容器８１はセラミックスで、その内側壁に３Ｍスコッチテープ８５を付着した。図８の上面図と側面図に示しているように、スコッチテープはセラミックス容器の内側面を覆っている（内側面からの反射を防止する為）。太陽電池８２はエポキシ製の支持台８４上に約 1 mm の隙間を置いて支えられている。太陽電池８２は二本の電力取り出しリード線８２ａ，８２ｂをエポキシ支持台８４にエポキシ８６ａと８６ｂで固定して支えられている。例えば、屈折率1.535を持つカーギル社製浸潤液コード#1160を用いた場合、正常動作の最大出力に対する、コード#1160液に浸潤した場合の最大出力比、Ｐ(1160)／Ｐ(normal)＝1.626で約63％の出力増加が観測された。この液体は、Ｒ.Ｐ.カーギル・ラボラトリーズ社（R.P.Cargille Laboratories Inc., 55 Commerce Road, Ceder Grove, New Jersey 07009）によって製造されている。その特性は、同社による材料安全データシート(material safety data sheet)に示されている。
【００３５】
太陽電池を電気的に高抵抗で、光学的に透明な液体内で動作させると、その出力効率が増大する。一般的に、電気的に高抵抗で、波長が3000Åから20000Åの範囲で透明な液体であればよい。有極性、無極性を問わず、有機誘電性液体は太陽電池パネルに用いられる。より大きなエネルギー変換効率は、例えばトルエンやトリクロロエチレンのような屈折率の大きな有極性有機誘電性液体で得られる。実用的には、太陽電池パネルが使用される地域の季節による気候の変化を考慮して、沸点及び凝固点の適当な有機誘電性液体を選ばなくてはならない。適切な液体は、これらに限定するものではないが、エチレングリコール、エチレンメルカプタン、ｏ−エチルアニリンなどが挙げられる。一般的に、凝固点が低く、沸点が高い有機誘電体性液体110は厳寒下の凍結、あるいは、酷暑下で沸騰が無く、広い温度範囲で安定した液体状態を維持して、太陽電池のエネルギー変換効率の高揚を維持する事が出来る。
【００３６】
本発明の初期の実験例では、液体110は有機誘電性液体に限るものではなく、電気的に高抵抗で、光学的に透明な誘電性液体であれば、例えば、高純度の水でも、接合型半導体太陽電池の出力を増大させる事を観測した。
【００３７】
図６は、太陽電池106の出力と、その上に入射する光の入射角との関係を示す。当該実験では、太陽電池パネル100の側壁104をも考慮にいれて、パネル100の表面へ入射する太陽光の入射角の函数として、太陽電池の最大出力を測定した。測定は晴天下の自然太陽光を用いて、太陽電池106が空気中と有機誘電性液体中の場合について行われた。太陽位置の仰角の変化に従って、コントロール曲線601上の点を空気中で測定した。各仰角ごとに、曲線601上の点の測定直後に、太陽電池106が設置されている直径10cm のペトリ皿に、本実験ではエチルアルコールを太陽電池106の表面より7 mm の深さまで注入して、誘電液体中の最大出力曲線602を測定した。引き通ずき、ペトリ皿の側壁104を遮蔽板114で覆い、側壁104を通して集光する光を遮断した場合の曲線603上の点を測定した。図６において、曲線603とコントロール曲線601の差は、太陽電池106が有機誘電性液体110によって濡れたことによって誘起された出力の増加分である。同様に、曲線602と曲線603の差は、ペトリ皿の側壁を通して集光された屈折光による出力の増加分である。
【００３８】
当該実験は、太陽電池106を囲むエチルアルコールの存在が、太陽電池106の出力を、終日で曲線603と601の差すなわち約33％増加する事を示している。また、ペトリ皿の側壁に入射して、太陽電池106上に集光された太陽光が終日で、曲線602と603の差の分、すなわち35％の出力の増加を惹起することを示している。即ち、終日で太陽電池の出力は約68％増加する。
【００３９】
図７の曲線701は、図６におけるペトリ皿にエチルアルコールを充填した場合の太陽電池106の最大出力曲線602の、空気中での出力曲線601に対する比を、太陽光の入射角の函数として示している。同図の曲線702は、曲線701と同様な測定をベンゼンを用いて行った場合の最大出力比を示す。透明な蓋112、透明な側壁104、及び誘電性液体110からなり、側壁への入射光を太陽電池上に集光する構造を持つ太陽電池パネル100は太陽電池106の出力電力を著しく増大する。
【００４０】
上述の構造と誘電性液体をもつ太陽電池パネル100は、太陽位置の追跡装置無しでも、終日に亘って太陽電池の出力を増大する。終日中の太陽光の最小入射角を10°、最大入射角を75°と仮定すれば、曲線701はエチルアルコールに浸潤された太陽電池では、一日に出力が約 70％ 増大する事をしめす。また、曲線702は、ベンゼンに浸潤した場合には、太陽電池の出力が約 120 ％増大する事を示している。
【００４１】
一年を通して、季節の変化に伴い、正午時における太ψの地点ではψ± 23.5°の間を変動する。図６及び図７は、地球上の緯度により太陽電池パネルの側壁を有効に使用するよう設置角度を選ばねばなら無い事を示している。
【００４２】
太陽光の入射角が傾いた場合、パネルの側壁と誘電性液体を通しての集光が太陽電池出力を増大する。しかしながら、太陽の直射光の無い場合でも、濡れ効果によって、大きなエネルギー変換効率の増加がある。図３と同様な実験で、約4800Lxの曇天下において、エチルアルコールに浸潤された太陽電池の効率が約50％増加するのが観測された。
【００４３】
パネルに内包された液体に浸潤された太陽電池の構造は、太陽エネルギーの多様な付加的な抽出を可能にする。例えば、太陽電池パネルに液体の循環装置を設置すれば、温度上昇による太陽電池の変換効率低下を軽減し、加えて熱交換装置を設置すれば、太陽熱エネルギーをも利用することができる。
【００４４】
本発明より付加的に次の事が類推される。即ち、双極子がｐ−ｎ接合を横切って生じる電界に沿って整列する様に、太陽電池の表面に固体の誘電体薄膜を堆積した場合、誘電性液体と同様な効果が期待される。
【００４５】
太陽電池においてエネルギー変換効率が低いのは、主として、ｐ−ｎ接合を横切る間の再結合工程による光励起電子および光励起孔（photo-exited electrons and holes）の損失に起因すると考えられる。結果として得られる照明下での太陽電池から負荷への電流は、次式で表される。
【００４６】
Ｉ＝Ｉsc−Ｉo[exp(-βＶ)−１]          （１）
ここで、β＝ｅ／ｋＴであり、ｅは電子の電荷、ｋはボルツマン定数、Ｔは太陽電池の絶対温度である。式（１）の第１項のIscは短絡回路電流であり、ｐ領域からｎ領域への光励起電子の流れとｎ領域からｐ領域への光励起孔の流れに起因する。この電子と孔の流れは、接合自体を横切って順方向バイアス電圧Ｖを誘発するが、Ｖは式（１）の第２項に表れている。しかし、全ての電子と孔がIscに寄与するのではない。元の光励起電子Ｎphoと光励起孔Ｐphoには再結合工程で再結合するものもあり、生き残った光励起電子Ｎsurと光励起孔Ｐsurのみが太陽電池の終点まで辿り着くことができる。導電性材料における電流の概念と同様に、Iscは次式で表すことができる。
【００４７】
Ｉsc＝Ｎsurｅｖ*el＋Ｐsurｅｖ*hol
＝Ｎpho（１−ｇel）ｅｖ*el＋Ｐpho（１−ｇhol）ｅｖ*hol    （２）
（ｇel，ｇhol＜１）
ここで、ｇelおよびｇholは各々光励起電子と光励起孔の再結合速度または確率である。式（１）の第２項は、Iscの結果として誘導されるｐ−ｎ接合ダイオード電流である。式（１）および（２）によれば、式（２）のｇelおよびｇholを最小にすることによって式（１）の左辺の電流Ｉが最大になる。こうすることで、太陽電池の変換効率が向上する。実施例においては、太陽電池の周囲に誘電液体が存在することによって、太陽電池の短絡回路電流または出力が増加する。この事実は、太陽電池と誘電液体の間に相互作用があることの有力な証拠である。照明下では、上述のように、接合を横切って順方向バイアス方向に自己バイアス電圧が誘導され、電界フラックスは太陽電池の表面に垂直にｐ領域からｎ領域へ向けられる。他方、誘電液体は流動性のある電気双極子である分子からなる。図９に示すように、このような双極子の陰極を太陽電池のｎ型側の表面に配し、陽極をｐ型側の表面に配することにより、双極子は容易に電界方向に整列する。
【００４８】
ｎ型領域の再結合中心は正電荷を有し、ｐ型領域の再結合中心は負電荷を有する。そのような環境下では、クーロン相互作用が、双極子の陰極（陽極）と太陽電池のｎ型（ｐ型）領域で正（負）に帯電した再結合中心との間に発生し、太陽電池の再結合中心をクエンチ（フリーズ）する。このモデルは、上記で主として説明された濡れ効果をよく説明しており、濡れ効果によって所与の光度に対して太陽電池が生成する出力が増加する。
【００４９】
図５によれば、曲線501は太陽電池1010の裏面1014が誘電性液体1016に濡れた結果を示している。本実施例では、曲線501の曲線500に対する閉回路電流Iscの比が、例えばトリクロロエチレンで太陽電池の裏面を濡らすことによって、約11％増加することを示している。太陽電池の裏面が濡れるような太陽電池の固定台の構造は多様に考える事が出来るが、図１０に太陽電池固定台1002の一例を示す。
【００５０】
図１０のＡおよびＢは、太陽電池の固定台1002を含む、太陽電池パネルの外装容器1000の側面図および上面図を示す。外装容器1000は透明な上蓋1004、底皿1006および透明な側面壁1008よりなる。外装容器1000は孔1012を持つ固定台1002上に配列された太陽電池1010を内蔵する。固定台1002上の孔1012は、太陽電池1010の裏面1014の下に間隔を供するためのものである。間隔1018は、太陽電池の裏面1014が濡れるように当該裏面に接する誘電性液体1016を保持するためのものである。例えば、間隔1018は１mm以下ではない。
【００５１】
上記の如く、本発明は多くの具体的な実験例を用いて説明された。これら実験例は明確であり、本発明の規模はこれらの例に限られ無いことは明白である。記述された具体例には多くの変形、改造あるいは改善が可能である。例えば、ここに記述された構造や方法を実施するのには技術的には通常の手段でよいが、材料、寸法や数値などは例として記述されたものであり、望ましい構造あるいは本発明の規模以内での改善がなされる為に変更される事は理解される。ここに記述された具体例の変更及び改良は、下記の特許請求の範囲の中に記述された本発明の規模と精神から逸脱する事無く、本発明の記述に基づいて行われる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図1は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池パネルの形状を示す分解組み立て図である。
【図２】図２は、太陽光パネルに用いる太陽電池の構造を示す概要図である。
【図３】図３は、二つの異なった市販のシリコン太陽電池を曇天下の自然光のもとで動作させた場合の電流−電圧特性を示す。
【図４】図４は、晴天下、太陽からの自然光(AM=1.5)の照射を用いて、シリコン太陽電池を動作させた場合の電流−電圧特性を示している。
【図５】図５は、シリコン太陽電池を有機誘電性液体に浸潤して、動作させた場合の電流−電圧特性の液体の深さ依存性を示す。
【図６】図６は、空気中及び有機誘電性液体中で太陽電池を動作させ、最大出力の太陽光入射角度依存性を比較する図である。
【図７】図７は、太陽電池の出力を、空気中と有機誘電性液体中で測定し、有機誘電性液体中での最大出力の空気中での最大出力に対する比の太陽光入射角依存性を示す。
【図８】図８は、ＡおよびＢからなり、太陽電池の濡れ効果の測定に用いた液体容器と太陽電池の固定方法を示す側面図及び上面図である。
【図９】図９は、本発明の動作の一理論を説明する図である。
【図１０】図１０は、ＡおよびＢからなり、本発明におけるパネル外装容器と太陽電池取付台の一実施例を示す側面図及び上面図である。
【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９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年6月11日(2003.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽エネルギー変換器であって、
二次元の平らな基底と、低い側壁と、前記低い側壁により前記基底より隔離された透明な上蓋とを含む薄型パネル外装容器であって、前記低い側壁が前記二次元の基底寸法のいずれよりも際立って小さい深さをもつ空房を内包するような、該薄型パネル外装容器と、
前記薄型パネル容器内に含まれて、前面及び背面を持つ、一つまたは複数個の太陽電池と、
前記薄型パネル容器内に含まれて、前記一つまたは複数個の太陽電池を前記外装容器の前記基底および前記上蓋より隔離して保持する支持台と、
前記薄型パネル容器内に含まれて、前記前面及び前記背面が濡潤するように前記一つまたは複数個の太陽電池を濡潤するような液体の薄い層とを含むことを特徴とする太陽エネルギー変換器。
【請求項２】
前記支持台が、前記一つまたは複数個の太陽電池を前記基底より1 mm 以上の間隔をもって保持することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項３】
前記液体が、前記一つまたは複数個の太陽電池の前記前面を 15 mm 以下の深さで覆うことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項４】
前記液体の薄い層が液体群より選ばれ、前記液体群が、水と、電気的に非伝導で光学的に透明な誘電性液体と、極性有機誘電性液体と、無極性有機誘電性液体と、屈折率1.43以上且つ凝固点−40℃以下且つ沸点200℃以上の誘電性液体と、屈折率1.535且つ凝固点−45℃以下且つ沸点370℃以上のレーザー用浸漬液とを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項５】
前記支持台が、太陽電池の取付台であることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項６】
前記低い側壁が、透明または不透明な壁から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項７】
前記薄型パネル外装容器が外装容器群より選ばれ、前記外装容器群が、
液体を循環させて前記太陽電池を冷却することが可能な循環装置を更に持つ外装容器と、
液体を循環させる装置を持たず、液体による冷却を必要としない高効率の前記一つまたは複数個の太陽電池の前記前面と前記背面を浸潤する液体を封入した外装容器とを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項８】
太陽エネルギー変換器であって、
内部に空房を有する薄型パネル外装容器と、
前記薄型パネル外装容器内に配列され、自身の前面および背面が前記薄型パネル外装容器の内壁に接しない一つまたは複数個の太陽電池と、
前記薄型パネル外装容器内に封入され、前記一つまたは複数個の太陽電池を浸潤し、前記太陽電池の前記前面および前記背面の両面を濡潤し、前記太陽電池の前記前面を15 mm以下の深さで覆う液体の薄い層とを含むことを特徴とする太陽エネルギー変換器。
【請求項９】
前記液体の薄い層が液体群より選ばれ、前記液体群が、水と、電気的に非伝導で光学的に透明な誘電性液体と、極性有機誘電性液体と、無極性有機誘電性液体と、屈折率1.43以上且つ凝固点−40℃以下且つ沸点200℃以上の誘電性液体と、屈折率1.535且つ凝固点−45℃以下且つ沸点370℃以上のレーザー用浸漬液とを含むことを特徴とする請求項８に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１０】
太陽エネルギー変換器であって、
液体と、
一つまたは複数個の太陽電池であって、該太陽電池の前面と背面が前記液体に接するように、ｎ−ｐ接合を形成するようなｎ型半導体層とｐ型半導体層とが設けられた前記太陽電池と、
前記液体と前記一つまたは複数個の太陽電池とを内包する外装容器とを含み、
前記外装容器が、前記一つまたは複数個の太陽電池を固定する平らな基底を有し、
前記外装容器が、前記一つまたは複数個の太陽電池に前記液体を通して入射太陽光を集光するレンズを形成するような、前記基底に接続される透明な側面パネル壁を有し、
前記パネル壁が、自身及び前記液体を通過する光の集光を向上させ、且つ前記一つまたは複数個の太陽電池に太陽エネルギーを光学的に集中させ、前記液体が前記一つまたは複数個の太陽電池の前記前面を15 mm以下の深さで覆うことを特徴とする太陽エネルギー変換器。
【請求項１１】
前記液体が、有極性および無極性誘電性液体より選択される有機誘電性液体であることを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１２】
前記外装容器が、入射太陽光が前記液体を通過するよう透明な上蓋を有することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１３】
前記外装容器が筒型構造をなし、前記筒型構造の第１端部が平らなパネル皿で覆われ、前記筒型構造の第２端部がパネル蓋で覆われることを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１４】
前記外装容器が、一部または全体が透明なガラスまたはプラスチック材料で構成される側壁と上蓋を有することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１５】
前記外装容器が、前記一つまたは複数個の太陽電池の占める総表面積より広い基底および上蓋面積を有することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１６】
前記外装容器が筒型構造をなし、前記筒型構造の第１端部が平らなパネル皿で覆われ、前記筒型構造の第２端部がパネル蓋で覆われ、前記筒型構造の断面幾何学形状が、円形、楕円形、卵形、三角形、矩形、または正方形で、対称形または非対称形であることを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１７】
前記外装容器が薄型パネル外装容器であり、該薄型容器が二次元の平らな基底と、低い側壁を有する側面パネル壁と、前記低い側壁により前記基底より隔離された透明な上蓋とを含み、前記低い側壁が前記二次元の基底寸法のいずれよりも際立って小さい深さをもつ空房を内包することを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【請求項１８】
前記液体が液体群より選ばれ、前記液体群が、水と、電気的に非伝導で光学的に透明な誘電性液体と、極性有機誘電性液体と、無極性有機誘電性液体と、エタノールと、ベンゼンと、トルエンと、トリクロロエチレンと、プロピレングリコールと、屈折率1.43以上且つ凝固点−40℃以下且つ沸点200℃以上の誘電性液体と、屈折率1.535且つ凝固点−45℃以下且つ沸点370℃以上のレーザー用浸漬液とを含むことを特徴とする請求項１０に記載の太陽エネルギー変換器。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
図５によれば、曲線501は太陽電池1010の裏面1014が誘電性液体1016に濡れた結果を示している。本実施例では、曲線501の曲線500に対する閉回路電流Iscの比が、例えばトリクロロエチレンで太陽電池の裏面を濡らすことによって、約11％増加することを示している。太陽電池の裏面が濡れるような太陽電池の固定台の構造は多様に考える事が出来るが、図９に太陽電池固定台1002の一例を示す。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
図９のＡおよびＢは、太陽電池の固定台1002を含む、太陽電池パネルの外装容器1000の側面図および上面図を示す。外装容器1000は透明な上蓋1004、底皿1006および透明な側面壁1008よりなる。外装容器1000は孔1012を持つ固定台1002上に配列された太陽電池1010を内蔵する。固定台1002上の孔1012は、太陽電池1010の裏面1014の下に間隔を供するためのものである。間隔1018は、太陽電池の裏面1014が濡れるように当該裏面に接する誘電性液体1016を保持するためのものである。例えば、間隔1018は１mm以下ではない。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
【図１】図１は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池パネルの形状を示す分解組み立て図である。
【図２】図２は、太陽光パネルに用いる太陽電池の構造を示す概要図である。
【図３】図３は、二つの異なった市販のシリコン太陽電池を曇天下の自然光のもとで動作させた場合の電流−電圧特性を示す。
【図４】図４は、晴天下、太陽からの自然光(AM=1.5)の照射を用いて、シリコン太陽電池を動作させた場合の電流−電圧特性を示している。
【図５】図５は、シリコン太陽電池を有機誘電性液体に浸潤して、動作させた場合の電流−電圧特性の液体の深さ依存性を示す。
【図６】図６は、空気中及び有機誘電性液体中で太陽電池を動作させ、最大出力の太陽光入射角度依存性を比較する図である。
【図７】図７は、太陽電池の出力を、空気中と有機誘電性液体中で測定し、有機誘電性液体中での最大出力の空気中での最大出力に対する比の太陽光入射角依存性を示す。
【図８】図８は、ＡおよびＢからなり、太陽電池の濡れ効果の測定に用いた液体容器と太陽電池の固定方法を示す側面図及び上面図である。
【図９】図９は、ＡおよびＢからなり、本発明におけるパネル外装容器と太陽電池取付台の一実施例を示す側面図及び上面図である。




【国際調査報告】
2004531902.tif 000044