(57)【要約】【課題】外部光源から放出される光の強度が秒〜分単位で変動する場合であっても、２次電池を用いることなく、光電変換素子の出力変動を抑制することが可能な蛍光集光発電モジュールを提供すること。【解決手段】蛍光集光発電モジュールは、光の強度が変動する外部光源から放出される前記光を１種又は２種以上の蓄光材料に蓄光し、前記蓄光材料から放出される蛍光を集光するための蛍光集光器と、前記蛍光集光器から放出される前記蛍光を受光し、前記蛍光を電力に変換する光電変換素子とを備えている。蓄光材料の発光寿命τは、５Ｔf（但し、Ｔfは、外部光源からの光の強度の変動に要する時間）以上が好ましい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の強度が変動する外部光源から放出される前記光を１種又は２種以上の蓄光材料に蓄光し、前記蓄光材料から放出される蛍光を集光するための蛍光集光器と、
前記蛍光集光器から放出される前記蛍光を受光し、前記蛍光を電力に変換する光電変換素子と
を備えた蛍光集光発電モジュール。
【請求項２】
前記蓄光材料の発光寿命τは、５Ｔf（但し、Ｔfは、前記外部光源からの光の強度の変動に要する時間）以上である請求項１に記載の蛍光集光発電モジュール。
【請求項３】
前記蓄光材料の発光寿命τは、５秒以上１時間以下である請求項１又は２に記載の蛍光集光発電モジュール。
【請求項４】
前記蛍光集光器は、
透光性材料からなる前記蛍光の導光板と、
前記導光板中に保持されている前記蓄光材料と
を備えている請求項１から３までのいずれか１項に記載の蛍光集光発電モジュール。
【請求項５】
前記外部光源は、前記外部光源からの光の強度の変動に要する時間Ｔfが１０分以下となる期間を含む前記光を放出するものである請求項１から４までのいずれか１項に記載の蛍光集光発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光集光発電モジュールに関し、さらに詳しくは、外部光源から放出される光を蓄光材料に蓄光し、蓄光材料から放出される蛍光を集光し、集光された蛍光を光電変換素子によって電力に変換する蛍光集光発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子とは、光量子のエネルギーを何らかの物理現象を介して電気エネルギーに変換（光電変換）することが可能な素子をいう。太陽電池は、光電変換素子の一種であり、太陽光線の光エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換することができる。
【０００３】
太陽電池は、集光型と非集光型に大別される。これらの内、集光型太陽電池は、太陽光を集光器（solar concentrator）で集光し、集光された光を太陽電池セルに照射することによって発電するものである。集光型太陽電池は、非集光型に比べて高い変換効率が得られるという利点がある。
【０００４】
しかしながら、集光型太陽電池は、直達光（direct light）を集光器に照射する必要があり、拡散光（diffuse light）を集光器に照射してもほとんど発電しない。また、太陽光の追尾装置（tracking system）が必要となり、システムが高コスト、複雑、かつ、かさ高くなる。そのため、従来の集光型太陽電池を都市環境で使用するのは困難である。
【０００５】
そこでこの問題を解決するために、蛍光集光器（Luminescent solar concentrator）が提案されている（非特許文献１、２）。「蛍光集光器」とは、導光板（wave-guiding plate）に蛍光材料を埋め込んだものである。蛍光集光器に光が入射すると、蛍光材料が光を吸収し、吸収波長よりも長い波長の光を放出する。放出された光の大部分は、導光板内で全反射を繰り返す。そのため、導光板の端面に光電変換素子を装荷すれば、全反射した蛍光をセルの受光面に照射することができる。
【０００６】
蛍光集光器は、直達光だけでなく拡散光も発電に利用でき、追尾装置も不要である。また、蛍光集光器は、色彩や形状の選択の自由度が大きい。そのため、蛍光集光器を建物の壁面に設置すること、すなわち、蛍光集光器を用いることによって建物一体型太陽電池（Building Integrated Photovoltaics）を構築することも容易となる。
【０００７】
太陽光発電の欠点の一つは、日射量の変動に伴って出力が変化することである。雨天、曇天のような一日単位の変動に対しては、詳細精密な天候予測に基づく発電計画と、なるべく広い範囲の地域にわたる発電システムのネットワーク化により対応することができる。また、時間単位の変動に対しては、固体高分子型燃料電池などの起動時間が短い発電装置を用いて、出力変動を抑制することが想定される（非特許文献３、４）。
【０００８】
一方、太陽が一時的に雲に隠れることによる秒〜分単位の日射変動に対しては、発電装置の出力調整では応答できない。そのため、２次電池、例えばＮａＳ電池の充放電による対応が必要である。しかしながら、２次電池の価格、重量及び体積に問題があるため、発電単価を押し上げる要因となっている。
【０００９】
上記従来技術とは別に、特許文献１には、放射性元素と組み合わせることによって常時蛍光を発する蛍光体（いわゆる、「自発光物質」）と太陽電池とを組み合わせた電源装置が開示されている。しかし、同文献に記載された電源装置は、コンピュータのバックアップ電源として使用するためのものであり、秒〜分単位で強度が変動する外部光源からの光を受光する機能を備えているものではない。
さらに、２次電池を用いることなく、秒〜分単位の日射変動に対応可能な出力調整手段を備えた太陽光発電システムが提案された例は、従来にはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実開昭６３−６７５６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】M. G. Debiji et al., Adv. Energy Mater. 2, 12(2012)
【非特許文献２】S. W. Leow et al., Journal of Applied Phisics 113, 214510(2013)
【非特許文献３】「新エネルギー等地域集中実証研究」事業評価（中間評価）報告書、http://www.nedo.go.jp/content/100097726.pdf
【非特許文献４】角田、「愛知万博における新エネルギーシステムとエネルギー制御システム」、http://www.uit.gr.jp/members/thesis/pdf/honb/86/86.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、外部光源から放出される光の強度が秒〜分単位で変動する場合であっても、２次電池を用いることなく、光電変換素子の出力変動を抑制することが可能な蛍光集光発電モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係る蛍光集光発電モジュールは、
光の強度が変動する外部光源から放出される前記光を１種又は２種以上の蓄光材料に蓄光し、前記蓄光材料から放出される蛍光を集光するための蛍光集光器と、
前記蛍光集光器から放出される前記蛍光を受光し、前記蛍光を電力に変換する光電変換素子と
を備えていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１４】
蛍光集光器において発光寿命τの短い蛍光材料に代えて発光寿命τの長い蓄光材料を用いると、外部光源からの光の強度が秒〜分単位で変動した場合であっても、蛍光集光器から放出される蛍光の強度が平準化される。そのため、短い時間間隔で光の強度が変動した場合であっても、光電変換素子の出力の変動を±数％程度に抑制することができる。従って、光電変換素子の出力を安定化させるために、２次電池を用いる必要がない。さらに、蓄光材料の発光寿命τを最適化すると、発光効率を著しく低下させることなく、蛍光の強度を平準化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】蛍光集光器の概略図である（非特許文献１より引用）。
【図２】日射量の変動モデルである。
【図３】τ＝Ｔp（図３（ａ））、τ＝２Ｔp（図３（ｂ））、又は、τ＝５Ｔp（図３（ｃ））である時の光電変換素子出力ＰPVのシミュレーション結果である。
【図４】τ＝１０Ｔp（図４（ａ））、τ＝２０Ｔp（図４（ｂ））、又は、τ＝５０Ｔp（図４（ｃ））である時の光電変換素子出力ＰPVのシミュレーション結果である。
【図５】光の強度変動の半周期Ｔpで規格化された発光寿命τ*（＝τ／Ｔp）と光電変換素子の出力変動との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  蛍光集光発電モジュール］
本発明に係る蛍光集光発電モジュールは、
光の強度が変動する外部光源から放出される前記光を１種又は２種以上の蓄光材料に蓄光し、前記蓄光材料から放出される蛍光を集光するための蛍光集光器と、
前記蛍光集光器から放出される前記蛍光を受光し、前記蛍光を電力に変換する光電変換素子と
を備えている。
【００１７】
［１．１．  外部光源］
本発明において、「外部光源」とは、蛍光集光器の外部に存在する光の放出源であって、作為的又は不作為的に光の強度が変動するものをいう。従って、例えば、放射性物質と蛍光体との組み合わせである自発光物質は、本願にいう「外部光源」には含まれない。
光の強度の変動に要する時間（Ｔf）は、特に限定されない。例えば、外部光源は、光の強度が一定の周期で作為的に変動するものでも良く、あるいは、不規則な周期で作為的又は不作為的に変動するものでも良い。
外部光源から放出される光の波長は、特に限定されるものではなく、蓄光材料の吸収波長及び蛍光波長、並びに光電変換素子の吸収波長に応じて最適な波長を選択することも可能である。
【００１８】
ここで、「光の強度の変動に要する時間（Ｔf）」とは、次の（Ａ）式により定義される時間Ｔdの最大値をいう。
１／Ｔd＝｛１／(Ｉmax−Ｉmin)｝×ｄＩ／ｄｔ    ・・・（Ａ）
但し、Ｉmax及びＩminは、それぞれ、光の強度の最大値及び最小値、
ｄＩ／ｄｔは、光の強度の時間微分。
例えば、光の強度の変動を三角波でモデル化した場合、Ｔfは、三角波の半周期に相当する。
【００１９】
一般に、Ｔfが長い場合、発電計画の調整や他の発電システム（火力発電所、固体高分子型燃料電池など）との組み合わせによって、出力を平準化することができる。しかしながら、Ｔfが短くなるほど、これらの方法による出力の平準化が困難となる。特に、Ｔfが１０分以下である場合、固体高分子型燃料電池による補償は困難であり、出力を平準化するには、２次電池が必要となる。
これに対し、光の強度が短い周期で、大きく変動する外部光源に対して本発明を適用すると、２次電池を用いることなく、出力を平準化することができる。特に、Ｔfが１０分以下、５分以下、あるいは、１分以下となる期間を含む光を放出する外部光源に対して本発明を適用すると、高い効果が得られる。
【００２０】
このような外部光源としては、例えば、
（１）太陽光、
（２）規則的又は不規則的に光の強度が変動する屋内照明又は屋外照明、
などがある。
なお、太陽の発光強度自体は安定しているが、地表に到達した光は、雲などの影響により強度が変動する。この地表に到達した太陽光を、太陽光発電システムにとっての「外部光源」と見なす。
【００２１】
［１．２．  蛍光集光器］
本発明において、「蛍光集光器」とは、光の強度が変動する外部光源から放出される前記光を１種又は２種以上の蓄光材料に蓄光し、前記蓄光材料から放出される蛍光を集光するためのものをいう。
具体的には、蛍光集光器は、
透光性材料からなる前記蛍光の導光板と、
前記導光板中に保持されている前記蓄光材料と
を備えている。
【００２２】
［１．２．１．  蓄光材料］
［Ａ．  定義］
本発明において、「蓄光材料」とは、外部光源からの光を吸収し、吸収されたエネルギーを蛍光として再放出することが可能な材料であって、発光寿命τが１ミリ秒を超えるものをいう。すなわち、本発明において「蓄光材料」というときは、発光寿命τが極めて短い「狭義の蛍光材料」を含まない。
このような機能を奏する限りにおいて、蓄光材料の組成は、特に限定されない。蓄光材料は、有機物であっても良く、あるいは、無機物であっても良い。
また、蛍光集光器は、１種類の蓄光材料を含むものでも良く、あるいは、吸収波長や蛍光波長が異なる２種以上の蓄光材料を含むものでも良い。
【００２３】
［Ｂ．  発光寿命］
最適な発光寿命τは、外部光源のＴfに応じて異なる。一般に、発光寿命τがＴfに対して相対的に長くなるほど、光電変換素子の出力の変動を抑制することができる。具体的には、発光寿命τが５Ｔf以上になると、光電変換素子の出力の変動を約５％以下にすることができる。また、発光寿命τが２５Ｔf以上になると、光電変換素子の出力の変動を約１％以下にすることができる。
一方、発光寿命τが過度に長くなると、出力の変動を抑制する効果が飽和するだけでなく、蓄光材料の発光効率が低下する。従って、発光寿命τは、１時間以下が好ましい。
【００２４】
ここで、「出力の変動」とは、次の（１）式で表される値をいう。
出力の変動（％）＝｛（Ｐmax−Ｐmin）／２｝×１００／Ｐave    ・・・（１）
但し、Ｐmaxは、光電変換素子の出力の最大値、
Ｐminは、光電変換素子の出力の最小値、
Ｐaveは、光電変換素子の出力の平均値。
【００２５】
例えば、Ｔf＝１秒である場合、発光寿命τは、５秒以上が好ましい。発光寿命τは、さらに好ましくは、２５秒以上、さらに好ましくは、３０秒以上である。
例えば、Ｔf＝１０分である場合、発光寿命τは、５０分以上が好ましい。
【００２６】
［Ｃ．  蓄光材料の具体例］
上述した条件を満たす蓄光材料としては、例えば、Ｙ3Ａｌ2Ｇａ3Ｏ12：Ｃｅ、Ｙ3Ａｌ2Ｇａ3Ｏ12：Ｃｅ−Ｃｒ、ＳｒＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ−Ｄｙ、ＧａＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ−Ｎｄ、ＺｎＧａ2Ｏ4：Ｃｒ−Ｂｉ、ＭｇＣｅＯ3：Ｍｎ、Ｂｉなどがある。これらは、いずれか１種を用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００２７】
［１．２．２．  導光板］
［Ａ．  透光性材料］
蛍光集光器の導光板は、透光性材料により構成される。導光板を構成する透光性材料は、外部光源からの光を導光板の内部に導入することができ、かつ、蓄光材料から放出される蛍光を導光板の内部に向かって全反射させることができるものであれば良い。
【００２８】
外部光源から入射した光の減衰を抑制するためには、透光性材料の光の透過率は、高いほど良い。
また、一般に、透光性材料の屈折率が大きくなるほど、蛍光が全反射される確率は高くなる。しかし、透光性材料の屈折率が大きくなるほど、入射光の表面反射損失が大きくなり、また、着色によって光の透過率が低下する。従って、透光性材料の屈折率は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。
【００２９】
導光板に適した透光性材料としては、例えば、
（１）ガラス、
（２）ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂、
などがある。
【００３０】
［Ｂ．  導光板の形状］
導光板の形状は、蛍光を光電変換素子の受光面に向かって集光することができる限りにおいて、特に限定されない。
導光板の形状としては、例えば、以下のようなものがある。
【００３１】
（１）平行平板状の導光板であって、平板の上面又は下面（面積の最も大きい面）が外部光源からの光の受光面となり、平板の端面に光電変換素子が装荷されるもの。
（２）テーパー付き平板状の導光板であって、平板の上面又は下面が外部光源からの光の受光面となり、テーパーの先端側（厚さの薄い側）の端面に光電変換素子が装荷されるもの。
（３）上面又は下面に凹凸が形成された平行平板状の導光板であって、凹凸が形成された面が外部光源からの光の受光面となり、平板の端面に光電変換素子が装荷されるもの。
（４）平行平板状の導光板であって、上面が外部光源からの光の受光面となり、下面に光電変換素子が装荷されるもの。
なお、柱状又は繊維状の透光性材料であって、側面が外部光源からの光の受光面となり、端面に光電変換素子が装荷されるものも、同様に機能する。
【００３２】
図１に、平行平板型の蛍光集光器の一例を示す（非特許文献１より引用）。蓄光材料を含んだ平行平板（導光板）からなる蛍光集光器の端面に光電変換素子が装荷されている。入射光は蓄光材料により吸収され、蛍光が放出される。蛍光の内、平板に垂直に近い方向へ出射された成分は外部へ漏れだしてしまうが、全反射臨界角よりも大きな入射角の成分は表面で全反射を繰り返し、端面の光電変換素子に到達する。従って、単なる平板でありながら、集光器として機能する。しかも、レンズや鏡を用いた集光器の場合と異なり、太陽を追尾することなしに、拡散光も含めて集光することができ、高価な光電変換素子の使用量を低減することができる。
他の形状を有する導光板も同様であり、蓄光材料から放出された蛍光の大部分が、導光板の内表面で全反射を繰り返しながら、光電変換素子の受光面に到達する。
【００３３】
［Ｃ．  蓄光材料の保持］
導光板には、蓄光材料が保持される。蓄光材料は、導光板中に均一に分散していても良く、あるいは、導光板中のいずれかの部分に偏在していても良い。
例えば、平板状の導光板において、光の入射面とは反対側の面に蓄光材料を偏在させても良い。蓄光材料の吸収波長と蛍光波長は、一部分重なり合っていることが多い。吸収波長と蛍光波長の重なりが大きくなるほど、蛍光が蓄光材料に再吸収されやすくなる。再吸収は、発光強度を低下させる原因となる。
これに対し、導光板内において蓄光材料を偏在させると、蛍光が再吸収される確率が小さくなり、発光強度の低下を抑制することができる。
【００３４】
また、例えば、外部光源からの光の入射方向に沿って、吸収波長及び／又は発光波長の異なる複数の蓄光材料を積層しても良い。この場合、入射光が導光板内を進むにつれて、特定の波長を持つ光が段階的に蓄光材料に吸収される。導光板内において異なる波長を持つ蛍光が混合される場合には、混合された光が光電変換素子に照射される。異なる蓄光材料を用いた複数の導光板を積層し、蛍光が各導光板内を伝搬し、各導光板端面に装荷された、各蛍光波長に適合した光電変換素子に照射されるようにすることもできる。
【００３５】
［１．３．  光電変換素子］
光電変換素子は、前記蛍光集光器から放出される前記蛍光を受光し、前記蛍光を電力に変換するためのものである。
本発明において、光電変換素子の構造、構成材料等は、特に限定されない。光電変換素子としては、例えば、
（１）シリコンを光吸収層に用いたシリコン太陽電池、
（２）各種化合物半導体を光吸収層に用いた薄膜太陽電池
などがある。
【００３６】
光電変換素子は、蛍光集光器の蛍光の放出端に装荷される。光電変換素子の装荷位置は、特に限定されるものではなく、蛍光集光器の構造に応じて最適な位置を選択する。装荷位置の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
【００３７】
［３．  作用］
従来の蛍光集光器は、反射板（鏡）や集光レンズを用いた太陽光追尾型の集光器の代替物として提案されており、蛍光集光器に用いられる蛍光材料は、太陽光に対する吸収特性と発光の量子効率の観点のみから選定されてきた。すなわち、一般に、蛍光材料の発光寿命τが長くなるほど、材料に蓄えられたエネルギーが発光以外の過程（非輻射過程）によって失われるために、蛍光材料の発光効率が低下する。そのため、従来の蛍光集光器には、発光寿命τが極めて短い（ミリ秒以下）蛍光材料が用いられている。
【００３８】
しかしながら、発光寿命τの短い蛍光材料が埋め込まれた蛍光集光器を用いた場合において、外部光源から放出される光の強度が秒〜分単位で変動したとき（例えば、太陽が一時的に雲に隠れたとき）には、光電変換素子の出力が大きく変動する。この場合、秒〜分単位の出力変動を補償するためには、２次電池の使用が必要であった。
【００３９】
一方、夜間、暗所での安全確保などのため、蓄光材料あるいは長残光材料と呼ばれる、発光寿命が数秒〜数時間にも及ぶ材料の開発が進められ、既に希土類添加酸化物材料が実用化されている（参考文献１、２）。更に、最近、有機物のスピン３重項からの発光を利用した、常温大気中で機能する蓄光材料が合成された（参考文献３）。このような蓄光材料に光を照射すると、入射光エネルギーが蓄光材料に蓄積され、徐々に放出される。そのため、これらの材料を蛍光集光器に用いれば、発光強度、すなわち集光器端面の光電変換素子への入射光強度は平準化され、その結果光電変換素子の出力も平滑化される。
［参考文献１］渡辺、窪田、軽金属  62、139(2012)
［参考文献２］上田、田部、FC Report 32、92(2014)
［参考文献３］平田、足立、渡辺、戸谷、高分子論文集  70、623(2013)
【００４０】
すなわち、蛍光集光器において発光寿命τの短い蛍光材料に代えて発光寿命τの長い蓄光材料を用いると、外部光源からの光の強度が秒〜分単位で変動した場合であっても、蛍光集光器から放出される蛍光の強度が平準化される。そのため、短い時間間隔で光の強度が変動した場合であっても、光電変換素子の出力の変動を±数％程度に抑制することができる。従って、光電変換素子の出力を安定化させるために、２次電池を用いる必要がない。さらに、蓄光材料の発光寿命τを最適化すると、発光効率を著しく低下させることなく、蛍光の強度を平準化することができる。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
［１．  太陽光発電出力平滑化のシミュレーション］
太陽光発電出力を平滑化させるために必要とされる発光寿命τを求めるためのシミュレーションを行った。
図２に示すように、変動する日射量Ｉsun(ｔ)を、半周期Ｔpの三角波でモデル化した。これが発光寿命τをもつ蓄光材料に照射されるときの発光強度と、これに比例する光電変換素子の出力ＰPV(ｔ）は、次の（２）式で表せる。（２）式を用いて、出力及び出力の変動を算出した。
【００４２】
【数１】
2016157716.tif 000003
【００４３】
［２．  結果］
図３に、τ＝Ｔp（図３（ａ））、τ＝２Ｔp（図３（ｂ））、又は、τ＝５Ｔp（図３（ｃ））である時の光電変換素子出力ＰPVのシミュレーション結果を示す。図４に、τ＝１０Ｔp（図４（ａ））、τ＝２０Ｔp（図４（ｂ））、又は、τ＝５０Ｔp（図４（ｃ））である時の光電変換素子出力ＰPVのシミュレーション結果を示す。さらに、図５に、光の強度変動の半周期Ｔpで規格化された発光寿命τ*（＝τ／Ｔp）と光電変換素子の出力変動との関係を示す。図３〜図５より、以下のことがわかる。
【００４４】
（１）τ＝Ｔpの場合、ＰPV(ｔ)は大きく変動した。しかし、τが大きくなるにつれて、ＰPV(ｔ)の変動が小さくなった。
（２）規格化された発光寿命τ*が５以上（即ち、発光寿命τが５Ｔp以上）になると、出力の変動は約５％以下となる。これは、Ｔp＝１秒の場合、発光寿命τ≧５秒に相当する。また、Ｔp＝１０分の場合、τ≧５０分に相当する。
（３）規格化された発光寿命τ*が２５以上（即ち、発光寿命τが２５Ｔp以上）になると、出力の変動は約１％以下となる。これは、Ｔp＝１秒の場合、発光寿命τ≧２５秒に相当する。
（４）実際の雲の移動による日射量の変動が秒〜分単位であるとすると、τが５秒から最長１時間程度、好ましくは１０秒から１時間程度の蓄光材料を用いれば、太陽光発電出力を平準化できる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る蛍光集光発電モジュールは、都市環境で使用する太陽光発電システムにも用いることができる。
【図１】
2016157716.tif 000004
【図２】
2016157716.tif 000005
【図３】
2016157716.tif 000006
【図４】
2016157716.tif 000007
【図５】
2016157716.tif 000008