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技術 太陽光集光装置

出願人 三菱樹脂株式会社
発明者 堤健智
出願日 2009年5月8日 (11年7ヶ月経過) 出願番号 2009-113573
公開日 2010年11月18日 (10年1ヶ月経過) 公開番号 2010-263115
状態 拒絶査定
技術分野 光起電力装置 光起電力装置
主要キーワード 格子間ピッチ 各樹脂板 集光性蛍光染料 高感度領域 波長選択性反射膜 鏡面反射特性 高屈折率ポリマー 多層積層膜
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年11月18日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

蛍光色素放射する光を高効率で端面へ集光させることのでき、蛍光色素によって低波長領域長波長領域へ変換することで、太陽光の低波長領域を光電変換に利用することのできる太陽光集光装置を提供すること。

解決手段

蛍光色素を含む透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の4端面のうちの少なくとも1端面以上に太陽電池設置部を形成した構成とする。

概要

背景

従来、高価な太陽電池を減らすことを目的として太陽光集光装置が研究されており、太陽光追尾による集光システム等が既に実用化されている。
しかし、集光による発熱放熱するヒートシンク太陽光追尾装置体積や重量が問題となっている。

一方で、ヒートシンクや太陽光追尾装置を必要としない太陽光集光装置として、蛍光型太陽光集光装置が以前から検討されている(例えば、非特許文献1参照)。また例えば、特許文献1では、薄膜光電変換領域を、蛍光体を含む絶縁基板光入射面に対し小面積の側面に直接被着せしめた光起電力装置が提案されている。また、特許文献2では、特定波長域の光を集光する染料を含有する樹脂薄板状に形成してなり、前記特定波長域を異ならせて少なくとも2個以上の複数層に重ねられた樹脂板部材と、前記重ねた各樹脂板部材の水平方向の4端面のうち少なくとも1端面以上に取り付けられ、各樹脂板部材で定められた特定波長の光のエネルギー電気エネルギーに変換する太陽電池と、前記重ねた各樹脂板部材の他の端面に取り付けられた反射層と、前記重ねた樹脂板部材の底面に装着され、前記重ねた樹脂板部材の上方から入射し前記各樹脂板部材の特定波長域を分離したのち透過した光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池とを備えた太陽電池パネルが提案されている。

これらの蛍光型太陽光集光装置は、主に透明性樹脂中に蛍光色素を混合したものであり、安価で製造が容易であることを特徴とする。また、蛍光色素は装置表面から入射した特定波長の太陽光を吸収し、吸収した光の波長よりも長波長の光を全方向へ放射する。このため透明性樹脂からなる導光板臨界角以上に放射された光は、全反射を繰り返して導光板端面に到達し、端面に設置された太陽電池での発電に寄与することができる。

概要

蛍光色素が放射する光を高効率で端面へ集光させることのでき、蛍光色素によって低波長領域長波長領域へ変換することで、太陽光の低波長領域を光電変換に利用することのできる太陽光集光装置を提供すること。蛍光色素を含む透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の4端面のうちの少なくとも1端面以上に太陽電池設置部を形成した構成とする。

目的

本発明は、上述した従来の蛍光型太陽光集光装置の欠点を解決するものであり、蛍光色素が放射する光を高効率で端面へ集光させることができ、蛍光色素によって低波長領域を長波長領域へ変換することで、太陽光の低波長領域を光電変換に利用することのできる太陽光集光装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
1件

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請求項1

蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の4端面のうちの少なくとも1端面以上に太陽電池設置部を形成したことを特徴とする太陽光集光装置

請求項2

前記蛍光集光板の4端面のうち、太陽電池設置部以外の端面に反射膜を形成したことを特徴とする請求項1記載の太陽光集光装置。

請求項3

前記蛍光色素が、波長300nm〜800nmの範囲に吸収スペクトルを有し、波長800nm〜900nmの範囲に発光スペクトルを有することを特徴とする請求項1又は2記載の太陽光集光装置。

請求項4

前記蛍光色素が、少なくとも2種類の異なる蛍光色素を含有してなり、これらのうち1つの蛍光色素の吸収領域が他の蛍光色素の発光領域と部分的に重複することを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載の太陽光集光装置。

請求項5

前記波長選択性反射膜が、波長800nm〜900nmの範囲の光を反射することを特徴とする請求項1〜4のいずれか記載の太陽光集光装置。

請求項6

前記波長選択性反射膜が、樹脂多層積層膜からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載の太陽光集光装置。

請求項7

前記請求項1〜6のいずれか記載の太陽光集光装置の太陽電池設置部に、多結晶シリコーン型太陽電池又は無機化合物型太陽電池を接続してなる太陽光集光型太陽電池。

技術分野

0001

本発明は、太陽光集光装置の改良に関し、より詳細には、波長選択性反射膜を備える蛍光型太陽光集光装置に関するものである。

背景技術

0002

従来、高価な太陽電池を減らすことを目的として太陽光集光装置が研究されており、太陽光追尾による集光システム等が既に実用化されている。
しかし、集光による発熱放熱するヒートシンク太陽光追尾装置体積や重量が問題となっている。

0003

一方で、ヒートシンクや太陽光追尾装置を必要としない太陽光集光装置として、蛍光型太陽光集光装置が以前から検討されている(例えば、非特許文献1参照)。また例えば、特許文献1では、薄膜光電変換領域を、蛍光体を含む絶縁基板光入射面に対し小面積の側面に直接被着せしめた光起電力装置が提案されている。また、特許文献2では、特定波長域の光を集光する染料を含有する樹脂薄板状に形成してなり、前記特定波長域を異ならせて少なくとも2個以上の複数層に重ねられた樹脂板部材と、前記重ねた各樹脂板部材の水平方向の4端面のうち少なくとも1端面以上に取り付けられ、各樹脂板部材で定められた特定波長の光のエネルギー電気エネルギーに変換する太陽電池と、前記重ねた各樹脂板部材の他の端面に取り付けられた反射層と、前記重ねた樹脂板部材の底面に装着され、前記重ねた樹脂板部材の上方から入射し前記各樹脂板部材の特定波長域を分離したのち透過した光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池とを備えた太陽電池パネルが提案されている。

0004

これらの蛍光型太陽光集光装置は、主に透明性樹脂中に蛍光色素を混合したものであり、安価で製造が容易であることを特徴とする。また、蛍光色素は装置表面から入射した特定波長の太陽光を吸収し、吸収した光の波長よりも長波長の光を全方向へ放射する。このため透明性樹脂からなる導光板臨界角以上に放射された光は、全反射を繰り返して導光板端面に到達し、端面に設置された太陽電池での発電に寄与することができる。

0005

特開昭58−32476号公報
特許第2917780号

先行技術

0006

J.S.Batchelder et alAPPLIED OPTICS Vol.18 No.18 (1979))

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、上述した従来の蛍光型太陽光集光装置では、蛍光色素から放射される光のうち導光板の臨界角以内に放射された光は導光板外へ放出されてしまい、これが蛍光型太陽光集光装置の欠点となる。

0008

そこで、本発明は、上述した従来の蛍光型太陽光集光装置の欠点を解決するものであり、蛍光色素が放射する光を高効率で端面へ集光させることができ、蛍光色素によって低波長領域長波長領域へ変換することで、太陽光の低波長領域を光電変換に利用することのできる太陽光集光装置を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明者は、これらの課題を解決するために鋭意検討した結果、蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の4端面のうちの少なくとも1端面以上に太陽電池設置部を形成した太陽光集光装置によって、吸収した光を全反射すると共に、蛍光色素によって変換された波長の光が、蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜により反射されることで極めて効率的に集光できることを見出し、本発明を完成するに至った。

0010

すなわち、第1の本発明は、蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の4端面のうちの少なくとも1端面以上に太陽電池設置部を形成したことを特徴とする太陽光集光装置である。

0011

第1の本発明において、前記蛍光集光板の4端面のうち、太陽電池設置部以外の端面には反射膜を形成することが好ましい。

0012

また第1の本発明において、蛍光色素は、波長300nm〜800nmの範囲に吸収スペクトルを有し、波長800nm〜900nmの範囲に発光スペクトルを有することが好ましい。

0013

また、第1の本発明において、前記蛍光色素は、少なくとも2種類の異なる蛍光色素を含有してなり、1つの蛍光色素の吸収領域が他の蛍光色素の発光領域と部分的に重複することが好ましい。

0014

第1の本発明において、前記波長選択性反射膜は、波長800nm〜900nmの光を反射することが好ましい。

0015

第1の本発明において、前記波長選択性反射膜は、樹脂多層積層膜からなることが好ましい。

0016

第2の本発明は、第1の本発明の太陽光集光装置の太陽電池設置部に、多結晶シリコーン型太陽電池又は無機化合物型太陽電池を接続してなる太陽光集光型太陽電池である。

発明の効果

0017

本発明の太陽集光装置は、蛍光集光板に入射した光を蛍光色素によって吸収・放射させたのち導光板内で全反射させ、導光板端面へ集光することができ、この結果、高い集光率を達成することができる。また、蛍光集光板の表面に波長選択性反射膜を設けたので、導光板外へ放出された光を再び導光板内へ導くことができる。この結果、従来に比べて集光効率を向上させることができる。

0018

また、蛍光集光板内に少なくとも2種類以上の蛍光色素を分散させることによって、幅広い領域の太陽光を吸収し、蛍光集光板の端面へ輸送することができる。特に多結晶シリコーン型太陽電池やCdS/CdTe型太陽電池が有効に利用できない500nm以下の太陽光も、前記太陽電池の高感度領域の波長へと変換し端面へ輸送することができ、この結果、蛍光集光板端面に設置した太陽電池において、効率の良い発電が望める。

図面の簡単な説明

0019

図1は、本発明に係る太陽光集光装置の一実施実態の斜視図である。
図2は、図1に示された太陽光集光装置の動作原理を説明する図である。
図3は、導光板外へ放出される光、及び波長選択性反射膜の作用を説明する図である。
図4は、導光板内の2つの蛍光色素7、8の分散状態の模式図である。
図5はAM1.5基準の太陽光スペクトルと多結晶シリコーン型太陽電池及びCdS/CdTe型太陽電池の吸収感度領域を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

0020

<太陽光集光装置>
第1の本発明である太陽光集光装置としては、蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の4端面のうちの少なくとも1端面以上に太陽電池設置部を形成したものであれば、特に制限されるものではなく、このような構成を備えることによって、蛍光集光板に入射した光を蛍光色素によって吸収・放射させたのち導光板内で全反射させ、導光板端面へ集光することができ、導光板外へ放出された光を再び導光板内へ導くことができるので、高い集光率を達成することができる。また、前記蛍光集光板の4端面のうち、太陽電池設置部以外の端面には反射膜を形成することが好ましく、反射膜の形成によって、より高い集光率を達成することができる。

0021

<太陽光集光装置の構成部材
(蛍光集光板)
太陽光集光装置を構成する構成部材である蛍光集光板としては、蛍光色素を含有する透明媒質からなるものであれば、特に制限されるものでない。

0022

(蛍光色素)
前記蛍光色素としては、必ずしも制限されるものではなく、具体的には以下に示したような蛍光色素を一種上用いればよい。

0023

上記蛍光色素を具体的に挙げれば、3−(2’−ベンゾチアゾリル)−7−ジエチルアミノクマリン(クマリン6)、3−(2’−ベンゾイミダゾリル)−7−N,N−ジエチルアミノクマリン(クマリン7)、3−(2’−N−メチルベンゾイミダゾリル)−7−N,N−ジエチルアミノクマリン(クマリン30)、2,3,5,6−1H,4H−テトラヒドロ−8−トリフルオロメチルキノリジン(9,9a,1−gh)クマリン(クマリン153)などのクマリン系色素や、クマリン色素系染料であるベーシックイエロー51や、ソルベントイエロー11、ソルベントイエロー116などのナフタルイミド色素や、ローダミンBローダミン6Gローダミン3B、ローダミン101、ローダミン110、スルホローダミンベーシックバイオレット11、ベーシックレッド2などのローダミン系色素、1−エチル−2−〔4−(p−ジメチルアミノフェニル)−1,3−ブタジエニルピリジニウムパークレート(ピリジン1)などのピリジン系色素、さらには、シアニン系色素、あるいはオキサジン系色素などを例示することができる。
また、BASF社製の各種集光性蛍光染料(Lumogen F Red305、Lumogen F Orange240、Lumogen F Yellow083)を使用することもできる。
さらに、特開昭57−125260号公報、特開昭58−40359号公報及び特開昭60−203650号公報などに記載のペルリン系蛍光色素を使用することもできる。さらに、各種染料(直接染料酸性染料塩基性染料分散染料など)も蛍光性があれば使用することができ、Cd/Se、PbSといった微小無機粒子や、各種有機金属錯体及び希土類錯体からなる蛍光体を使用することもできる。

0024

上述した蛍光色素の中でも、波長300nm〜800nmの範囲に吸収スペクトルを有し、波長800nm〜900nmの範囲に発光スペクトルを有する蛍光色素を一種以上用いることが好ましい。なお、前記において、吸収スペクトルと発光スペクトルの波長帯が重なり合う部分を有していても良い。また、これらの蛍光スペクトルは、通常市販されている分光蛍光光度計(例えば、株式会社日立製作所社製;F−3000)を用いて測定することができる。
太陽電池はその材質製法から、「シリコーン系」「化合物系」「有機系その他」に大別され、各々について「結晶系」、「薄膜系」「単結晶」、「多結晶」などに分類される。太陽電池はその材料によって半導体バンドギャップが異なり、したがって吸収できる太陽光の波長領域も異なっている。
一方、太陽光は300〜2000nm以上にわたる幅広い放射スペクトルを有しているのに対し、多結晶シリコーン型太陽電池は600nm〜900nmの波長領域に、CdS/CdTe型などの多結晶化合物型太陽電池は500nm〜850nmの波長領域に吸収ピークを持つ。
このために波長500nm以下の太陽光は、上記太陽電池での光電変換に有効に寄与しないが、上記蛍光色素を用いれば、低波長領域の光を吸収して長波長領域の光を発光するので、低波長領域の光を光電変換に利用することが可能となる。

0025

また、2つ以上の蛍光色素を含有してなり、1つの蛍光色素の吸収領域が他の蛍光色素の発光領域と部分的に重複するような組み合わせとすることがより好ましい。導光板内に含まれる2つの蛍光色素の組み合わせとしては、300nm〜500nmの波長の光を吸収し、550nm付近発光ピークを持つルブレンと、600nm付近に吸収ピーク、750nm付近に発光ピークをもつLDS765(Exiton社製)の組み合わせなどを挙げることができる。
このように複数の蛍光色素の組合せとすることによって、太陽光の幅広い波長領域(300nm〜700nm)を吸収して、図5に示すような多結晶シリコーン型太陽電池及び無機化合物型太陽電池の高感度領域内の波長光を太陽光設置部4へ輸送することができる。

0026

(透明媒質)
上記透明媒質としては、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透明樹脂の他にもガラスなど透明であれば、何ら制限なく用いることができる。

0027

(波長選択性反射膜)
上記波長選択性反射膜としては、前記蛍光色素の吸収光は透過し、かつ該蛍光色素が変換後に発光する光を反射するものを好適に例示することができ、具体的には波長選択性を有する樹脂多層積層膜を挙げることができる。このような波長選択性を有する樹脂多層積層膜は、米国特許第3773882号に例示されるような公知の樹脂多層積層膜を用いればよい。
屈折率の異なる2種類以上の樹脂を積層して構成した回折格子は特定の波長を反射することが知られている。
一般に、回折格子の格子間ピッチdと回折波長λは、入射角をθ、屈折率をnとすると、2ndsinθ=mλ(m=1,2,3・・・)で与えられる。
したがって、屈折率の高い層と低い層を交互に積層して回折格子を構成し、その際、格子間ピッチdの異なる層を数種類作製することにより、種々の波長の光を回折できるようにすることができ、1つの回折格子の回折波長範囲を広げることができる。
例えば、高屈折率ポリマー(nd =1.59)と低屈折率ポリマー(nd =1.41)の平均屈折率が1.5の場合、0.14μmの高屈折率ポリマー層1に同じ厚みの低屈折率ポリマー層2を積層した組を多数積層することにより、850nm付近の波長の光を回折する多層シートを得ることができる。ここで、ポリマー層の膜厚積層数屈折率差を変えることにより、回折波長範囲、回折効率を任意に設定することができる。

0028

(反射膜)
上記反射膜としては、光を反射する性質を有するものであれば、アルミニウム、銀等の金属被膜など材質は何ら制限なく用いることができる。この中でも、蛍光集光板の裏面側に位置する反射膜及び蛍光集光板の4端面に位置する反射膜は、鏡面反射特性を備えるものが好ましい。このような構成とすることによって、効果的に導光板端面へ集光することができる。

0029

(太陽電池設置部)
上記蛍光集光板の4端面のうちの少なくとも1端面以上に太陽電池設置部が形成され、この太陽電池設置部には各種太陽電池が接続される。太陽電池としては、単結晶シリコーン、多結晶シリコーン、アモルファスシリコン等の乾式の太陽電池の他、CdS/CdTeのような多結晶化合物型太陽電池や色素増感型湿式太陽電池が挙げられる。これらの中でも、多結晶シリコーン型太陽電池又はCdS/CdTe型などの多結晶化合物型太陽電池を用いることが好ましい。図5は、AM1.5基準の太陽光スペクトルと多結晶シリコーン型太陽電池及びCdS/CdTe型太陽電池の吸収感度領域を示す図である。本発明の構成による太陽光集光装置を用いれば、このような太陽電池を用いても500nm以下の太陽光を高感度領域の波長へと変換し端面へ輸送することができ、この結果、蛍光集光板端面に設置した太陽電池において、効率の良い発電が望める。

0030

(太陽光集光型太陽電池)
本発明の太陽光集光型太陽電池としては、第1の本発明である太陽光集光装置の太陽電池設置部に、多結晶シリコーン型太陽電池又は無機化合物型太陽電池を接続してなるものであれば、特に制限されるものではない。

0031

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて具体的に説明するが、本発明の範囲はこの実施形態に限定されるものではない。

0032

図1は、本発明に係る太陽光集光装置の一実施形態の斜視図である。図1において、本発明に係る太陽光集光装置を構成する蛍光集光板1は、ガラス又は樹脂のような透明媒質であり、内部には蛍光色素を含む。この蛍光集光板1の表面には波長選択性反射膜2が、裏面には反射膜3が設けられている。また蛍光集光板1の少なくとも1端面以上には太陽電池設置部4が設けられており、その他の端面には反射膜5が設けられている。反射膜3及び反射膜5は蛍光集光板1に対して光学的に結合しているが、波長選択性反射膜は光学的に結合していない(すなわち、反射膜と蛍光集光板の間に空気層が存在する。)。空気層が存在すると、臨界角以上の光は空気層と蛍光集光板の界面で全反射し、蛍光集光板と反射膜が光学的に結合している場合に比べて、臨界角以上の光がロスするのを抑えることができる。

0033

図2は、図1に示した太陽光集光装置の動作原理を説明する図である。図2において、太陽光6が蛍光集光板1に入射した場合、蛍光色素7はある波長領域の光を吸収し、吸収した光の波長よりも長波長の光を全方向へ放射する。透明媒質からなる導光板の臨界角θc以上に放射された光は、反射膜3及び5において全反射を繰り返し、導光板端面の太陽電池設置部4に到達する。

0034

図3は、導光板外へ放出される光、及び波長選択性反射膜の作用を説明する図である。図3において蛍光色素7から放出される光の放射角がθ1 (θ1>θc)の場合は、全反射によって光が導光板内に閉じ込められるが、放出される光の放射角がθ2(θ2<θc)の場合は、導光板外へ放出されてしまう。(例えば導光板の材質がアクリル樹脂である場合、蛍光色素から放出される光のうち、約26%は導光板外へ放出される。)
しかしながら、放出された光は、蛍光色素の放射する光を選択的に反射する、例えば米国特許第3773882号に記載されるような波長選択性反射膜2によって再び導光板内へ入射する。これにより蛍光色素から放出される光を全て太陽電池設置部4へ輸送することができる。

0035

以上のように、本発明の太陽光集光装置によれば、蛍光集光板に入射した光を蛍光色素によって吸収・放射させたのち導光板内で全反射させ、導光板端面へ集光することができ、導光板外へ放出された光を再び導光板内へ導くことができるので、高い集光率を達成することができると推察される。

0036

1:蛍光集光板
2:波長選択性反射膜
3:裏面反射
4:太陽電池設置部
5:端面反射膜
6:太陽光
7及び8:蛍光色素
9:太陽光集光装置

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