(57)【要約】【課題】  完全作動時の有効率が18〜18．7％に達する自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターを提供する。【解決手段】自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターは、発光スペクトラムを太陽放射ピーク値波長（λ＝470nm）と単結晶シリコンの光照に対する敏感性最高時の波長（λ＝860〜880nm）間を移動させ、自然光エネルギー電池の有効率は通常14〜16％を達成し、太陽短波及び可視光波の放射を深赤色と赤外線に移転させ、コンバーターの構造基礎はガーネット結晶体構造を備えるII，III，IV主族元素、酸化物を基質とする蛍光粉で、III （Ce+3）、IV（Cr+3）、VIII主族元素を刺激剤とし、蛍光粉の化学式は(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12：Meで、内、YとGd、MgとSiの比例関係は蛍光粉発光スペクトラムが535から780nm長波波長に移動し、均一に充填する蛍光粉顆粒の有機ポリマーで平均直径は0．5〜0．8μmである。【選択図】  図４
2007311806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に自然光エネルギー電池はシリコンウエハー、スペクトラムコンバーターからなり、
該シリコンウエハーはスペクトラムコンバーターを設置し、
該スペクトラムコンバーターはポリマー薄膜の構造に製造され、該ポリマー層内には無機蛍光粉を充填し、しかも該単結晶シリコンウエハーの外表層と相互に接触し、第一特定波長の自然光放射の吸収を強化可能で、さらに前記スペクトラムコンバーターによる第二特定波長を放射することを特徴とする自然光エネルギー電池。
【請求項２】
前記シリコンウエハーはр型単結晶シリコンウエハー、р型多結晶シリコンウエハー、ｎ型単結晶シリコンウエハー或いはｎ型多結晶シリコンウエハーであることを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項３】
前記無機発光粉は無機蛍光粉の再凝集を押えた分散顆粒であることを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項４】
前記第一特定波長の長さは300〜580nmで、該第二特定波長の長さは580〜760nmであることを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項５】
前記スペクトラムコンバーター中には、さらにエポキシ樹脂を充填することを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項６】
前記スペクトラムコンバーターはポリカーボネート及び／或いはポリシロキサン、及び／或いはアクリレートポリマーを基礎とし形成する酸素含有ポリマーで、該ポリマー中にはガーネット結晶体構造を備える元素週期表II，III，IV主族元素の酸化物を基質とする蛍光粉顆粒を充填し、該顆粒の直径はピーク値波長（d＜dλMax）より小さく、しかも該ポリマー中蛍光粉顆粒の含量は１〜５０％であることを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項７】
前記無機蛍光粉の基質は化学組成が(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xＯ12（x＝0〜3）のイットリウム  ガドリニウム  ガーネットで、Сe+3、Сr+3  或いはＦe+3を単独或いは二者共同で刺激剤として用い、可視光300〜580nm波長の黄、オレンジ、赤、暗赤色光により刺激され再放射し、半分の幅Δλ0.5＞110nmのブロードバンド放射及び／或いはΔλ＝20〜40nmのナローバンド放射を形成し、放射ピーク値は640〜760nm波長に移動し、放射は総濃度100〜300μmの単結晶シリコンウエハーのP層により強烈に吸収されることを特徴とする請求項３記載の自然光エネルギー電池。
【請求項８】
前記イットリウム  ガドリニウム  ガーネットが基質である無機蛍光粉中のイットリウムイオンとガドリニウムイオンの比例関係はY：Gd＝2．8：0．2〜1：2間で変化し、刺激イオンСe+3、Сr+3或いはＦe+3放射ピーク値の移動に従い増大し、これらイオンの該蛍光粉中での最適濃度は0．005〜0．05％であることを特徴とする請求項７記載の自然光エネルギー電池。
【請求項９】
前記イットリウム  ガドリニウム  ガーネット組成中マグネシウムの酸化物とシリコンの酸化物はMgO：SiO2＝1±0.02のモール関係で存在し、こうして該無機蛍光粉放射ピーク値は長波方向に向けて20〜40nm移動することを保証することを特徴とする請求項７記載の自然光エネルギー電池。
【請求項１０】
前記スペクトラムコンバーターの外表面はオレンジ色を呈し、300〜520nm波長の光に対する吸収率は６０％以上であることを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項１１】
前記スペクトラムコンバーターの量子放射率は７５〜９６％間で変化し、薄膜濃度が０.１〜０.５mm間で優化するに従い増大し、該薄膜の電池が受け取った自然光に対する全体反射率は４〜６％であることを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項１２】
前記ポリマー層は有機ポリマーで、内、平均ポリマー度はm＝100〜500で、分子質量は10000〜20000標準単位で、この他、該スペクトラムコンバーターは分子質量m＝12000標準の炭素単位のポリカーボネート薄膜により構成し、その内の該無機蛍光粉体積濃度は３０％で、その組成は(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12：Ce（2％）Cr（0．1％）Fe（0．05％）であることを特徴とする請求項１記載の自然光エネルギー電池。
【請求項１３】
主に自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーターの無機粉により製造するポリマー薄膜はシリコンウエハーの外表層と相互に接触し、第一特定波長の自然光放射の吸収を強化可能で、さらに第二特定波長を放射することを特徴とする自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項１４】
前記シリコンウエハーはр型単結晶シリコンウエハー、р型多結晶シリコンウエハー、n型単結晶シリコンウエハー或いはｎ型多結晶シリコンウエハーであることを特徴とする請求項１３記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項１５】
前記無機粉は無機蛍光粉の再凝集を押えた分散顆粒であることを特徴とする請求項１３記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項１６】
前記第一特定波長の長さは300〜580nmで、該第二特定波長の長さは580〜760nmであることを特徴とする請求項１３記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項１７】
前記ポリマーはポリカーボネート及び／或いはポリシロキサン、及び／或いはアクリレートポリマーを基礎とし形成する酸素含有ポリマーで、該ポリマー中にはガーネット結晶体構造を備える元素週期表II，III，IV主族元素の酸化物を基質とする蛍光粉顆粒を充填し、該顆粒の直径はピーク値波長（d＜dλMax）より小さく、しかも該ポリマー中の蛍光粉顆粒の含量は１〜５０％であることを特徴とする請求項１３記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項１８】
前記無機蛍光粉の基質の化学組成は(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12 （x＝0〜3）のイットリウム  ガドリニウム  ガーネットで、Се+3、Сr+3或いはFe+3単独或いは二者を共同で刺激剤として用い、可視光300〜580nm波長の黄、オレンジ、赤、暗赤色光により刺激され再放射し、半分の幅Δλ0.5＞110nmのブロードバンド放射及び／或いはΔλ＝20〜40nmのナローバンド放射を形成し、放射ピーク値は640〜760nm波長に移動し、放射は総濃度100〜300μmの単結晶シリコンウエハーのP層により強烈に吸収されることを特徴とする請求項１３記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項１９】
前記イットリウム  ガドリニウム  ガーネットが基質である無機蛍光粉中のイットリウムイオンとガドリニウムイオンの比例関係はY：Gd＝2．8：0．2〜1：2間において変化し、刺激イオンСe+3、Сr+3或いはＦe+3放射ピーク値の移動に従い増大し、これらイオンの該蛍光粉中での最適濃度は0．005〜0．05％であることを特徴とする請求項１３記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項２０】
前記イットリウム  ガドリニウム  ガーネット組成中マグネシウムの酸化物とシリコンの酸化物はMgO：SiO2＝1±0.02のモール関係で存在し、こうして該無機蛍光粉放射ピーク値は長波方向に向けて20〜40nm移動することを保証することを特徴とする請求項１３記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【請求項２１】
前記ポリマー層は有機ポリマーで、しかも該無機蛍光粉体積濃度は30％で、その組成は(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12：Ce（2％），Cr（0．1％），Fe0．05％）であることを特徴とする請求項１７記載の自然光エネルギー電池のスペクトラムコンバーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の自然光エネルギー電池（太陽電池）及びスペクトラムコンバーターに関する。特に一種の太陽短波及び可視光波を深赤色と赤外線に転換可能なスペクトラムコンバーターで、それが提供する自然光エネルギー電池の完全作動時の有効率は18〜18．7％に達する自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターに係る。
【背景技術】
【０００２】
単結晶シリコンにより太陽が放射するエネルギーを転化する自然光エネルギー装置の最も簡単な構造について以下に示す。
該自然光エネルギー電池は単結晶シリコンを基礎とし、通常はp型導電タイプの半導体単結晶シリコンウエハーを使用する。この種の導電タイプは単結晶シリコン中にボロンを加える混合物により実現される。通常は気相アンチモンの混合物はp型シリコン中において拡散し、シリコンウエハー表面においてp−nタイプ間の転化を形成する。導電タイプは電洞導電から電子導電に変化し、つまりn型導電である。シリコンウエハー表面のｎ型コーティング膜の濃度は0．5〜3μmである。該コーティング膜は通常は金属電極（金或いはその合金）と相互に接触する。シリコンウエハー背面は金属電極或いは銀コーティング膜により形成される電極により完全に覆われる。
【０００３】
以下に自然光エネルギー電池の作動の物理原理について説明する。該装置が自然光の照射或いは人工照明の放射により刺激されると、シリコン材料により吸収された光子はアンバランスな電子電洞ペアを生成する。この時、ｐ−ｎジャンクションに隣接するｐ層中の電子は該ジャンクションの境界に向けて移動し、その中に存在する電引力フィールドによりｎ型区域に吸入される。一方、シリコンウエハー表面ｎ層に存在する電洞キャリア（ｐ型キャリア）部分はシリコンウエハー内部、つまりシリコンウエハーｐ型区域に移転する。この種の拡散の結果によりｎ層は余分な負電荷を獲得し、ｐ層は余分な正電荷を獲得する。これにより半導体シリコンウエハーｐ層とｎ層間の接触ポテンシャル差は減小し、この時外部回路中には電圧を形成する。該半導体電源の負極はｎ層で、正極はｐ層である。
シリコンウエハーは光が照射される条件において発生する光電効果はボルトアンペア特性方程式により記述することができる。
Ｕ＝（ＫＴ／ｑ）×ｌｎ［（Ｉph−Ｉ）／ＩS＋Ｉz］
内、ISは供給電流で、Iphは光電流が半導体シリコンウエハー表面から１平方mm当たりの面積で得られる最大電力Ｉph×Ｕ＝Ｘ×ＩКЗ×ＵXXである。内、Ｘはボルトアンペア特性比例係数で、ＩКЗはショート電流で、ＵXXはフローティング電圧である。上記自然光エネルギー電池装置の最も簡単な構造の有効作動係数は１５〜１６％で、一個の半導体シリコンウエハー自然光エネルギー電池は４０Ｗに達する電力を転化し獲得することができる。
しかし、該自然光エネルギー電池装置構造の主要は欠陥は半導体シリコンウエハー表面ｐ層とｎ層濃度の不均一性である。この他、ｐ−ｎジャンクションとシリコンがよりアクティブである時のスペクトラム最大値は通常、太陽が放射するスペクトラム最大値と相互に符合しない。
【０００４】
以下に図表によりこの種の偏差について説明する。図１は公知の自然光エネルギー電池（太陽電池）の基本構造図である。内、符号1はｐ型単結晶シリコンウエハーで、符号2はｎ型導電層で、符号3は電極システムで、符号4は外層抗反射コーティング膜である。通常は自然光エネルギー電池シリコンウエハーはビニルアセテート或いはポリカーボネート類化合物により構成する防塵ハウジングにより包まれる。
中緯度（例えば、北緯48°）太陽と地平線が45°角を形成する時、測定される太陽放射エネルギースペクトラム図において、地球表面に到達する太陽放射エネルギーの最高の波長は290〜1060nmの間であることが明確に観察される。（ここで指摘すべき点は、自然光エネルギー電池が近宇宙環境中において作動する時、その完全なスペクトラム図中にはＵＶとＶＵＶ波長の短波放射と波長が1065nmより大きい赤外中波放射が出現することである。一方、地球表面において作動する時には、短波放射は大気中の酸素により吸収され、ＵＶ中波放射は水蒸気により強烈に吸収される）。
また、注意すべき点として、太陽放射スペクトラム図中ではエネルギーはアンバランスに分布することがある。太陽放射エネルギーの最大値は青色光λ＝470nm位置に出現する。可視光の主要波長500〜600nmにおいて太陽放射較最大値は20％減少し、λ＝720nmが対応する放射値は半分に減少する。λ＝1000nm＝1μm対応の放射値はわずかに最大値の1／5である。
【０００５】
図２は、太陽放射と相互に対応する各波長において測定された自然光エネルギー電池サンプル敏感度標準スペクトラム曲線である。太陽放射エネルギースペクトラム図中の数値データと図２中の数値データを比較したところ、λ＝400〜470nm太陽放射最大値区域内の単結晶シリコン敏感度の最大値は最高敏感度の20％を超えないことが分かった。スペクトラムのλ＝440〜880nm波長において、単結晶シリコン敏感度曲線は急激に上昇し、つまり単結晶シリコン自然光エネルギー電池の可視光と近紫外線波長に対する放射はより敏感であるが、IM125自然光エネルギー電池の敏感度最大値は950〜980nm波長に近い。単結晶シリコン自然光エネルギー電池の敏感度最大値は上記狭波長内にあり、単結晶シリコンのバンドギャップ構造により決定され、そのバンドギャップ幅はEg＝1．21evで、対応波長はλ＝950nmである。
【０００６】
以上の太陽放射スペクトラムと単結晶シリコンの自然光エネルギー電池スペクトラム敏感度に対する比較により以下の結論が導かれる。
１．太陽放射ピーク値と自然光エネルギー電池敏感度最大値が対応する波長の間の差はΔλ＝500nmで、対応するエネルギー間の差はΔE＝0．42evである。
２．太陽放射エネルギーのより高い380〜450nm波長が対応する単結晶シリコンの敏感度は非常に低い。
３．太陽放射ピーク値の波長は、ほとんど単結晶シリコンの敏感度最高時放射の光子の波長の２倍である。
【０００７】
これら重要な物理的な結論は、既存の単結晶シリコン自然光エネルギー電池の主要な欠陥を決定している。
１．この種の電池の有効係数は非常に低い。理論最大値は単結晶シリコンのスペクトラム敏感度と太陽が放射する積分関係により決定され、28〜30％を超えない。
２．太陽中波放射のピーク値はλ＝470〜620nm波長で、この時単結晶シリコン電池に対する刺激作用は非常に微弱である。太陽が放射する光子は自然光エネルギー電池材料により吸収された後、余分なエネルギーはフォノン放射を起こし、hν＝500cm-1（〜0．1ev）のフォノンを発生する。これにより自然光エネルギー電池材料の温度は上昇する。この過程においてシリコンのバンドギャップ幅は減小（0．01ev／℃）する。同時に、単結晶シリコン自然光エネルギー電池の敏感度最大値が対応する波長は980〜1020nm長波長に向かって移動し、この波長において水蒸気が太陽放射が大気層を通過する過程における影響は非常に大きい。
３．λ＝2．5〜3evの太陽短波放射のエネルギーは自然光エネルギー電池材料中に不可逆の欠陥を生じる。ウェーブノードに空位を生じ、及びウェーブノード間に原子を形成するため、自然光エネルギー電池ブロック層光の効果を必然的に低下させる。
【０００８】
この類の偏差により電池は上記の15〜16％の有効作動係数を達成することができなくなる。単結晶シリコン自然光エネルギー電池の研究者と生産者は上記の様々な欠陥と局限性を解決する方案の研究に取組んでいる。
Choprはその論文「薄膜自然光エネルギー電池」（世界出版社、1985年、378〜379頁）において解決方案を提出しており、これを我々は原型とする。
図３は、自然光エネルギー電池外表面において、一層の単結晶ルビーをコーティングする時、2．3ev〜3．2ev区域の太陽放射の吸収を強化可能であることを示す指示図である。
この方案の物理意義は以下の通りである。自然光エネルギー電池外表面において一層の単結晶ルビーをコーティングし、2．3ev〜3．2ev区域の太陽放射のエネルギーを吸収可能で、Cr+3を刺激しd−d遷移(transition)を発生し、ナローバンド発光を行う。ルビー内部Cr+3の放射ピーク値が対応する波長はλ＝695nmである。よって、太陽の直射放射線は長波長に向かい変化し、短波波長の放射は完全にλ＝700nmの放射区域に移動する。
【０００９】
図３中の「光子エネルギー─吸収光係数」座標図中において、曲線２は刺激されたCr+3吸収光の係数を示し、曲線１はこの種の単結晶ルビーの光刺激下における発光状態を示す。図中ではさらに単結晶シリコン電池がその表面に刺激され発光するルビーをコーティングする時のキャリアアッセンブリ係数（曲線３）を表示している。該係数はルビー層の存在の有無に応じて変化する。太陽放射が直接刺激する短波放射区域のキャリアアッセンブリ係数はルビーコンバーター作動に頼る発光装置のキャリアアッセンブリ係数より１０〜２０％程度高いことが分かる。
上記論文の作者はこれから、ルビーコンバーター作動に頼る単結晶シリコン自然光エネルギー電池の有効率は０.５〜２％まで向上させることができ、これは自然光エネルギー電池技術領域において実質的な進歩であるとの結論を導いている。
しかし、やはり以下の問題が存在している。
１．ルビーAl2O3・Crが刺激されて発光するスペクトラムと単結晶シリコン自然光エネルギー電池敏感度曲線とは完全には符合しない。
２．上記装置は単結晶ルビーを使用するため、コストが非常に高く、理想的ではない。
【特許文献１】特開２００７−８４６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする主要な課題は、自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターを提供し、それは８０％に近い可視光の吸収を強化することができる放射のブロードバンドスペクトラムコンバーターを採用する。
本発明が解決しようとする次なる課題は、自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターを提供し、そのスペクトラムコンバーターが放射するスペクトラムはナローバンドではなく、エネルギー集中λ＝580nmから760nm波長にある。
本発明が解決しようとする次なる課題は、自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターを提供し、そのスペクトラムコンバーターは比較的高い転化率を備え、光子放射は９６％に達するようにする。
本発明が解決しようとする次なる課題は、自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターを提供し、そのスペクトラムコンバーターは内部に無機蛍光粉の再凝集を押えた超分散顆粒のポリマー薄膜を充填し、薄膜とｐ型単結晶シリコンウエハーの外表面は直接接触するようにし、該技術方案の最も顕著な特徴は、１６％以上の自然光エネルギーを電気エネルギーに転化可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は下記の自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターを提供する。
本発明の自然光エネルギー電池は単結晶シリコンウエハー、スペクトラムコンバーターを含む。
該単結晶シリコンウエハーは該スペクトラムコンバーターを積載する。
該スペクトラムコンバーターはポリマー薄膜の形式に製造され、該ポリマー層内には無機蛍光粉を充填し、しかも該単結晶シリコンウエハーの外表層と相互に接触し、第一特定波長の自然光放射の吸収を強化可能で、さらに第二特定波長を放射する。
すなわち本発明のスペクトラムコンバーターにおいて、無機粉により製造するポリマー薄膜は単結晶シリコンウエハーの外表層と相互に接触し、第一特定波長の自然光放射の吸収を強化可能で、さらに第二特定波長を放射する。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように、本発明の自然光（太陽光）エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターは内部に無機蛍光粉の再凝集を押えた超分散顆粒のポリマー薄膜を充填し、薄膜とｐ型単結晶シリコンウエハーの外表面を直接接触させる。該技術方案の最も顕著な特徴は、１６％以上の自然光エネルギーを電気エネルギーに転化可能なことで、これにより公知の自然光エネルギー電池の欠点を確実に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
今日までに、自然光エネルギー電池（太陽電池）の最大有効率に関して、同等水準の数値データが発表されたことはないが、単結晶シリコンウエハーとスペクトラムコンバーター(spectrum converter)の基礎上に設置する自然光エネルギー電池はこの種の技術水準に到達することができる。
それは電池中の波長別のエネルギー強度の分布状態を移動させるスペクトラムコンバーターがポリカーボネート、或いは／及びポリシロキサン、或いは／及びアクリレートポリマーを基質とし構成するポリマーで、その内部にはII，III，IV主族元素の酸化物を基質とする蛍光粉顆粒を充填し、顆粒はガーネット結晶体構造を備え、直径は放射ピーク値波長より小さく、しかもポリマー中蛍光粉顆粒の充填量は１〜５０％の間である。
【００１４】
本発明の自然光エネルギー電池の構造指示図である図４に示すように、本発明の自然光エネルギー電池はシリコンウエハー10及びスペクトラムコンバーター20により組成する。
内、該シリコンウエハー10はр型単結晶シリコンウエハー、р型多結晶シリコンウエハー、ｎ型単結晶シリコンウエハー或いはｎ型多結晶シリコンウエハーを例とする（がこれに限定しない）。本実施例中ではр型単結晶シリコンウエハーを例とし説明するが、これに限定するものではない。しかも、本発明の電池は120mmを超えないシリコンウエハーにより平面組合せで構成する。総量は16〜20枚で、構成総電気抵抗は100Ω以下の並列回路である。
該スペクトラムコンバーター20はポリマー薄膜の構造に製造され、該ポリマー層内には無機蛍光粉21を充填する。無機蛍光粉は例えば、しかしこれに限定しない再凝集を押えた超分散顆粒で、しかも、該単結晶シリコンウエハー10の外表層と相互に接触し、手を加えていない自然光の第一特定波長の吸収を強化することができる。例えば、しかしこれに限定しない300〜580nmの自然光を放射し、さらに、スペクトラムコンバーター20により波長が移動した第二特定波長を放射する。例えば、しかしこれに限定しない580〜760nmである。内、該ポリマー層20は有機ポリマーで、その中の平均ポリマー度はm＝100〜500で、分子質量は10000〜20000標準単位である。この他、該スペクトラムコンバーター20はさらにエポキシ樹脂（epoxy）（図示なし）材料を備え、その波長を移動させる転光性の機能を増加させる。
【００１５】
該無機蛍光粉21の基質の化学組成は、例えば、しかしこれに限定しないが(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12（x＝0〜3）のイットリウム  ガドリニウム  ガーネットで、Сe+3、Сr+3或いはＦe+3単独或いは二者を共同で刺激剤として用い、可視光300〜580nm波長の黄、オレンジ、赤、暗赤色光により刺激され再放射し、半分の幅Δλ0.5＞110nmのブロードバンド放射及び／或いはΔλ＝20〜40nmのナローバンド放射を形成する。放射ピーク値は640〜760nm波長に移動し、放射は総濃度100〜300μmの単結晶シリコンウエハーのＰ層により強烈に吸収される。
【００１６】
内、該イットリウム  ガドリニウム  ガーネットが基質である無機蛍光粉21中イットリウムイオンとガドリニウムイオンの比例関係はY：Gd＝2．8：0．2〜1：2の間で変化し、刺激イオンСe+3、Сr+3或いはＦe+3の放射ピーク値の移動に従い増大し、これらイオンの該蛍光粉中での最適濃度は0．005〜0．05％である。該イットリウム  ガドリニウム  ガーネット組成中マグネシウムの酸化物とシリコンの酸化物は、MgO：SiO2＝1±0．02のモール関係で存在し、該無機蛍光粉21の放射ピーク値が長波方向に向かって20〜40nm移動することを保証する。
【００１７】
内、該スペクトラムコンバーター20はポリカーボネート及び／或いはポリシロキサン、及び／或いはアクリレートポリマーを基礎とし形成する酸素含有ポリマーで、該ポリマー中にはガーネット結晶体構造を備える元素週期表II、III或いはIV主族元素の酸化物を基質とする蛍光粉顆粒を充填する。該顆粒の直径はピーク値波長（d＜dλмах）より小さく、しかも該ポリマー中蛍光粉顆粒の含量は１〜５０％である。この他、該スペクトラムコンバーター20の外表面はオレンジ色を呈し、300〜520nm波長の光に対する吸収率は６０％以上である。この他、該スペクトラムコンバーター20の量子放射率は７５〜９６％の間で変化し、薄膜濃度が0．1〜0．5mmの間で優化するに従い増大し、該薄膜の電池が受け取った自然光に対する全体反射率は４〜６％である。
該スペクトラムコンバーター20は分子質量m＝12000標準の炭素単位のポリカーボネート薄膜により構成し、内、該無機蛍光粉21体積濃度は３０％で、その組成は(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12：Ce（2％）Cr（0．1％）Fe（0．05％）である。
【００１８】
以下は、本発明の自然光エネルギー電池の物理本質である。先ず、任意のポリマーではなく、ポリカーボネート及び／又はポリシロキサン、及び／又はアクリレートポリマーをスペクトラムコンバーター20の材料として選択する。上記ポリマーはλ＝400〜1200nmブロードバンド内において非常に高い透光性を備えるためである。この他、上記ポリマーの太陽短波放射の損壊に対する閾値は比較的高い。
上記スペクトラムコンバーター20の主要な特徴は、その組成中に含むII，III，IV主族元素の酸化物が構成する無機蛍光粉21顆粒により具現化される。しかも、これら酸化物組成は立方体結晶系のガーネット結晶体構造に属する。この他、無機蛍光粉21の直径はそれらを刺激し発光させる太陽が放射する波長より小さく、こうして蛍光粉顆粒21が発生する光散射の規律（この種の状況下で、Relei光散射定律はMi建立の規律に服従する）を完全に改変する。発光スペクトラムと太陽原始放射スペクトラムを相互に重ねようとするなら、スペクトラムコンバーター20中の蛍光粉顆粒21の充填量を１〜５０％の間とする。この種スペクトラムコンバーターの製作方法は、通常はポリマーをジクロロメタン或いはトリクロロエチレン等の有機溶剤中に溶解し、鋳造法を利用しポリマー薄膜を製造する。
【００１９】
散射或いは微量散射を発生しないため、上記ポリマースペクトラムコンバーター20は濃度が80〜100μm（ミクロン)時の透光率は８５％（直射時）に達し、透射の光中にはオレンジ色光が出現する。
この種の自然光エネルギー電池に用いられる新型スペクトラムコンバーター20は以上の特徴を備えるため、その化学基礎は鉄を含むイットリウム  ガドリニウム  ガーネットを基質とし生成する無機蛍光粉で、化学式は(Y，Gd)3（Al，Fe）3(Mg，Si)2 Ｏ12で、Ce+3，Cr+3，Fe+3により単独或いは共同で刺激する。これらイオンはその内部でd−d遷移(transition)を発生し、放射を生じる。
先ず、ガーネット立方体構造を備える蛍光粉を採用する。この種の構造とCe+3，Cr+3，Fe+3等のd−d遷移(transition)の活性中心は良好な互換性を備えるためである。本発明の実験中より、ガーネット結晶体構造の蛍光粉がCe+3，Cr+3，Fe+3により刺激され発光する最適輝度が対応する蛍光粉21充填濃度は1〜3％であることが分かった。ｄ−ｄ刺激元素の量に対応すれば、ガーネットタイプ同結晶構造の含量は既に非常に高い。
次に、上記化学式が提供する２種の蛍光粉21放射を長波方向に移動させる異なる方法について説明する。第一種方法は、Gdイオンを用いYイオンの一部に換え、この時Ce+3，Cr+3，Fe+3の放射は長波方向に移動し、それぞれ535〜590nm、695〜710nm，680〜780nmに対応する。第二種方法はMg+2とSi+4、或いはCa+2とGe+4、或いはSr+2とSn+4等の対を成すイオンを用い、マイナスイオン結晶ラチス中の部分Al+3と換えるものである。
第一種方法の作用効果は緩慢で、放射スペクトラムは徐々に長波方向に移動し、各１％のGdイオンを用い１％のYイオンに換え、ピーク値波長は１nm移動する。
第二種方法中では一対のMg+2とSi+4を用い一個Al+3に換える時、効果は急激である。無機蛍光粉21は被Ce+3に刺激されると、各一個のMg+2と一個のSi+4を用い２個のAl+3に換える時、ピーク値波長は35nm移動する。
【００２０】
この２種の短波放射を長波方向に移動させる方法に存在する以上の差異は、入れ替えられるイオン配位数の違いによるものである。Gdイオンの配位数は8〜12で、Alイオンの配位数は4〜6である。配位数の大きさの差異は配位数が大きいイオン周囲のイオン環境を非常に緩慢に変え、配位数が小さいAlイオンのマイナスイオン結晶ラチスに対して、その組成中に体積が比較的小さいMg+2とSi+4を加え、ガーネット結晶体構造タイプの蛍光粉基質内結晶ラチス内部力場の急激な変化を引き起こす。本発明の実験により、シリコンウエハー自然光エネルギー電池がスペクトラムコンバーターの放射吸収を強化可能であることが明らかである。スペクトラムコンバーターは自然光エネルギー電池表面が受け取った光に対する反射率は０.５〜１％を超えない。これは、本発明が研究開発した蛍光粉本質上の長所である。この種の蛍光粉は以下の特徴を備える。
すなわち、ガーネット結晶体構造のイットリウムガドリニウム化合物を基質とする。イットリウムイオンとガドリニウムイオンの比例関係はY：Gd＝2．8：0．2〜１：２間で変化する。刺激イオンCe+3及び／或いはCr+放射ピーク値の移動に従い変化し、それらの蛍光粉中の最適濃度は0．005〜0．05％である。
【００２１】
以下の化学式に基づき、アルミニウムイットリウム化合物蛍光粉中のMg+2とSi+4の濃度を改変する。
(Y，Gd)3Al5O12：Ce（Cr，Fe）
(Y，Gd)3Al4.5Mg0.25Si0.25Ｏ12：Ce（Cr，Fe）
(Y，Gd)3Al4Mg0.5Si0.5Ｏ12：Ce（Cr，Fe）
(Y，Gd)3Al3.5Mg0.75Si0.75Ｏ12：Ce（Cr，Fe）
(Y，Gd)3Al3.0Mg1.0Si1.0Ｏ12：Ce（Cr，Fe）
(Y，Gd)3Al2.0Mg1.5Si1.5Ｏ12：Ce（Cr，Fe）
Y，Gdとの間の同価入れ替えは異なり、Mg+2とSi+4によるAl+3の入れ替えは異価入れ替えである。Mg+2によるAl+3の入れ替えは（MgAl）′中心を形成し、帯びる負電荷はSi+4のAl+3入れ替えが形成する（SiAl）・中心の正電荷と相同で、つまり（MgAl）′＝（SiAl）・である。これは、ガーネット結晶体化学式中のMgとSiの原子数量を相同であるよう要求する。しかし、本発明は実験により、蛍光粉21基質の結晶体構造中のMg或いはSiの原子数量が別種の元素（すなわち、Si或いはMg）の原子数量に対して±0．02を超えない時、放射スペクトラムが長波方向に移動する距離は20〜40nm多いことを発見した。この基礎において改善した蛍光粉は以下の特徴を備える。すなわち、イットリウム  ガドリニウム  ガーネット結晶体構造中酸化マグネシウムと二酸化シリコンのモール質量関係はMgO：SiO2＝１±0．02で、これにより蛍光粉放射ピーク値の長波方向に移動する距離は前記より20〜40nm多い。
【００２２】
本発明が提供するAl，Siのイットリウム  ガドリニウム  ガーネット結晶体構造を含む新型蛍光粉21は、工業生産中に常用の高温、弱還元性環境中において、固体合成法製造を用いることができる。原料は純度99．99％の酸化イットリウム、純度99．95％の酸化ガドリニウム、酸化マグネシウム、シリコン、酸化アルミニウム、純度99．9％の酸化セリウム及び酸化クロム、酸化鉄を採用する。具体的な成分は表１に示す。
表1  スペクトラムコンバーター製造に用いる蛍光粉の特性
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上記２種のガーネット結晶ラチス中の主要イオンに対する入れ替えを行う（Y⇔Gd，Al→Mg＋Si）方案は、Cr+3を活性中心とする蛍光粉放射ピーク値が対応する波長を580〜780nm波長まで移動させる。この過程において、蛍光粉放射の光子は損耗しない。吸収スペクトラムは、すべての上記原料は可視光波の放射を強烈に吸収することができることを示す。これは混合粉末が黄色、オレンジ色、さらには微赤色を呈するためである。蛍光粉顆粒はこの種の鮮やかな色を備えるため、自然光エネルギー電池外表面の反光係数減少に常用され、こうして自然光エネルギー電池外部構造に対する要求を低下させる。現代の生産技術では通常、シリコンウエハー表面においてはSi3N4薄膜をコーティングし、その表面を発光させるが、この種の操作は技術の難度が高いため、コストが高く、自然光エネルギー電池全体の生産コストを高騰させてしまう。つまり、十分に着色された蛍光粉を使用することで、自然光エネルギー電池の商業コストを低下させることができる。
【００２３】
本発明のスペクトラムコンバーター20は以下の２種の異なる方法により製造する。
１．ポリマー懸濁液を単結晶シリコンウエハー10表面において鋳造する。この種の方法により得られるスペクトラムコンバーター20片側層のサイズは、シリコンウエハー10の幾何サイズと完全に符合する。ポリマー懸濁液中の蛍光粉顆粒21の濃度は5〜50％で、同時に、蛍光粉顆粒21の濃度がより低い時、ポリマー薄膜の濃度を増大させる必要があることを考慮する必要がある。蛍光粉の濃度が比較的高い時には、ポリマー薄膜の濃度は20〜60μmまで減少させることができる。この種の状況下で、スペクトラムコンバーター20は60〜90％その表面に照射する光を吸収することができ、比較的高い発光効率と光子放射率を保証する。自然光エネルギー電池がこの長所を備えるのは、スペクトラムコンバーター20外表面がオレンジ色を呈し、300〜520nm波長放射に対する吸収率が60％より大きいからである。同時に光子放射率は75〜96％で、ポリマー薄膜濃度が0．1〜0．5mmの間で優化するに従い増大し、スペクトラムコンバーター20はその表面に照射する光に対する反射率は4〜6％である。
【００２４】
この他、この種のスペクトラムコンバーター20はさらに以下の特徴を備える。
先ず、スペクトラムコンバーター20を構成する有機ポリマーの平均ポリマー度は100〜500に近く、こうしてその分子質量の10000〜20000個標準炭素単位への接近を保証する。ポリマー度が最小で、分子質量が最小である時に製造されたポリマー薄膜の硬度は過大で、可塑性が劣る。一方、ポリマー度を増大させると、ポリマーの透光性は低下し、自然光エネルギー電池の有効率を低下させてしまう。
この他、本発明は研究過程において、スペクトラムコンバーター20の最適製作方案は、ポリカーボネートをCH2Cl2中に溶解させ20％の溶液を製造し、次に鋳造し製造することを発見した。この時、ポリカーボネートの分子質量は12000個標準炭素単位である。化学組成は(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)x Ｏ12：Ce（2％）Fe（0．05％）Cr（0．1％）で、平均直径は0．6μmの蛍光粉顆粒21のポリマー中の最適充填濃度は20％である。シリコンウエハー表面に鋳造するスペクトラムコンバーターポリマー層の濃度は60±5μmである。続いて、若干のスペクトラムコンバーター20がコーティングする単結晶シリコンウエハー10を自然光エネルギー電池に組立てる。
上記鋳造法以外に、１９０℃の高温におけるポリエチレン材料のスペクトラムコンバーター20のプレス製造を試みた。プレス法により製造するポリエチレン薄膜の工業技術は前記特許文献中に詳細な説明があるため、ここでは説明しないが、薄膜中蛍光粉の濃度は18％で、具体的組成は低濃度ポリエチレン62％、ＥＶＡ20％、蛍光粉18％、ポリエチレン薄膜濃度は120±10μmで、非常に高い均質性と弾力性を備えることを記す。専用の接着剤を用い蛍光粉を含むポリエチレン薄膜をシリコンウエハー表面において接着する。
【００２５】
以下は自然光エネルギー電池（太陽電池）の全体構造に関する説明である。通常は、電池は一組の並列のシリコンウエハーにより構成され、一個の電池中のシリコンウエハーの数量は単結晶シリコンウエハー10の幾何の大きさにより決定する。
以下表2中に本発明が用いる単結晶シリコンウエハー10の規格パラメーターを示す。シリコン棒横断面仮正方形（四個の角が欠けている）の面積は125×125±0．5mmで、シリコンウエハーは標準濃度300±30μmを備える。この種のシリコンウエハーは、質量が比較的大きい（>25g）ため、一個のマルチ自然光エネルギー電池上で必要な単結晶シリコンウエハー10のコストを増大させる。よって、本発明の研究過程ではさらに薄いシリコンウエハー（濃度l＝240±25μm）の使用を試み、これによりシリコンウエハーのコストは20％低下した。同時に、電気抵抗の変動範囲は最小（±10％）となり、電池への装置に便利である。通常使用する自然光エネルギー電池の面積は0．25m2で、１６枚の単結晶シリコンウエハーにより組成する。使用を少数とする状況において、大型機器に設置するためには６４枚或いは１４４枚の単結晶シリコンウエハー10を使用する電池が必要である。
［表２］単結晶シリコンウエハーの規格パラメーター
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【００２６】
単結晶シリコンウエハー10を使用し自然光エネルギー電池に装置すると同時に、本発明は試験的に多結晶シリコンを用い自然光エネルギー電池サンプルを製造した。多結晶シリコン材料を薄膜に製造し、金属導体底台上に設置する。多結晶シリコンの物理特性は、その内部キャリアの活動性は単結晶シリコンより劣るが、多結晶シリコンを使用すれば、電池のコストを低下させることができる。
【００２７】
以下はスペクトラムコンバーター20を装置する自然光エネルギー電池の出力特性に関する。実験が用いた電池はすべて128枚のスペクトラムコンバーター20に覆われた単結晶シリコンウエハー10により組成する。シリコンウエハー10の各項パラメーターはすべて標準変動範囲内である。電池有効率の最大値は18．7％で、この時の出力電力は2．72ワットである。有効率最高のサンプルの最大出力電圧は0．620ボルトで、対応するショート電流は5．50アンペアである。同系列中の有効率最高の普通単結晶シリコン電池と比較すると、スペクトラムコンバーター20を装置する単結晶シリコン電池サンプルの最大有効率は1．2％高く、対応する出力電圧とショート電流は共に前者より高い。
【００２８】
本発明の実験中ではさらに、実験に参加したすべてのスペクトラムコンバーター20を装置する単結晶シリコン電池中で表現が最も劣ったサンプルの有効率は15％（普通自然光エネルギー電池の有効率約は13．5％）であることを発見した。この時の出力電圧は0．600ワットで、ショート電流は4．70アンペアである。以上の実験結果により、この種のスペクトラムコンバーター20を装置する自然光エネルギー電池と伝統的な自然光エネルギー電池を比較すると、明らかな長所があることが証明される。
すなわち、自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターは、発光スペクトラムを太陽放射ピーク値波長（λ＝470nm）と単結晶シリコンの光照に対する敏感性最高時の波長（λ＝860〜880nm）間を移動させ、これにより自然光エネルギー電池の有効率は通常14〜16％を達成する。本発明は太陽短波及び可視光波の放射を深赤色と赤外線に移転させるスペクトラムコンバーターを提供する。この種のスペクトラムコンバーターの構造基礎はガーネット結晶体構造を備えるII，III，IV主族元素、酸化物を基質とする蛍光粉で、III  （Ce+3）、IV（Cr+3）、VIII主族元素を刺激剤とする。蛍光粉の化学式は(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12：Meで、内、YとGd、MgとSiの比例関係は蛍光粉発光スペクトラムが535から780nm長波波長に移動する具体的位置を決定する。スペクトラムコンバーターは均一に充填する蛍光粉超細散顆粒の有機ポリマーにより構成し、蛍光粉顆粒の平均直径は0．5〜0．8μmである。本発明が提供する自然光エネルギー電池の完全作動時の有効率は18〜18．7％に達するものである。
本発明の自然光エネルギー電池及びスペクトラムコンバーターは太陽放射エネルギーが比較的高い380〜550nm波長において単結晶シリコンウエハーの転換性能を向上させることができるため、自然光エネルギー電池全体の転換性能を向上させることができる。よって、伝統的な自然光エネルギー電池に比べ明確に長所を備える。
本発明は最適実施例を上記に掲示したが、本発明を限定するものではない。該項技術の習熟者が本発明の精神と範囲を離脱せずに行ういささかの変動と潤飾は、本発明の保護範囲と見なし、特許申請の範囲を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】公知の自然光エネルギー電池の基本構造指示図である。
【図２】太陽放射と相互に対応する各波長において測定された自然光エネルギー電池サンプル敏感度標準スペクトラムの曲線指示図である。
【図３】自然光エネルギー電池外表面において一層の単結晶ルビーをコーティングした時、2．3ev〜3．2ev区域の太陽放射の吸収を強化可能であることを示す指示図である。
【図４】本発明の自然光エネルギー電池の構造指示図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ｐ型単結晶シリコンウエハー
２  ｎ型導電層
３  電極システム
４  外層抗反射コーティング膜
１０  単結晶シリコンウエハー
２０  スペクトラムコンバーター
２１  無機蛍光粉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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