JP2008130922A - 太陽光励起発電装置 - Google Patents
太陽光励起発電装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008130922A JP2008130922A JP2006315902A JP2006315902A JP2008130922A JP 2008130922 A JP2008130922 A JP 2008130922A JP 2006315902 A JP2006315902 A JP 2006315902A JP 2006315902 A JP2006315902 A JP 2006315902A JP 2008130922 A JP2008130922 A JP 2008130922A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photoelectric conversion
- solar
- power generation
- light
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
【課題】太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる太陽光励起発電装置を得る。
【解決手段】太陽光励起発電装置10は、太陽光励起によりレーザ発振を生じさせレーザ光を出力する太陽光励起レーザ装置12と、入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する単色光太陽電池14を含んで構成された発電部16と、一端が太陽光励起レーザ装置12のレーザ光出力端24Aに接続されると共に、他端が発電部16へのレーザ光照射端20Bとされた光ファイバ20と、を備えて構成されている。
【選択図】図1
【解決手段】太陽光励起発電装置10は、太陽光励起によりレーザ発振を生じさせレーザ光を出力する太陽光励起レーザ装置12と、入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する単色光太陽電池14を含んで構成された発電部16と、一端が太陽光励起レーザ装置12のレーザ光出力端24Aに接続されると共に、他端が発電部16へのレーザ光照射端20Bとされた光ファイバ20と、を備えて構成されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、太陽光を利用して発電を行う太陽光励起発電装置に関する。
太陽光を利用して発電を行う太陽電池が知られている。太陽電池としては、太陽光の広いスペクトルに対応してバンドギャップを広げ、効率を向上した広帯域太陽電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、太陽光励起レーザ装置から出力したレーザ光を太陽電池で電気エネルギに変換する技術(例えば、特許文献2参照)、太陽光励起レーザ装置から出力したレーザ光を水素・電気エネルギ発生ユニットに照射して水素、酸素、及び電子を得る技術(例えば、特許文献3参照)が知られている。
特開2003−298176号公報
特開2003−134700号公報
特開2002−255501号公報
しかしながら、特許文献1記載の技術では、広帯域太陽電池を用いるもののエネルギ利用率が低く、特許文献2記載の技術では、宇宙空間に設置した太陽光励起レーザから地上に設置した太陽電池又は飛行船に設けた光ファイバの入力端までレーザ光を伝送するため、レーザ光の伝送ロスの低減には限界があった。同様に、特許文献3記載の技術では、宇宙空間に設置した太陽光励起レーザから地上に設置した波長可変手段を経由して水素・電気エネルギ発生ユニットまでレーザ光を伝送するため、レーザ光の伝送ロスの問題があった。
本発明は、上記事実を考慮して、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる太陽光励起発電装置を得ることが目的である。
請求項1記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子を含んで構成された発電部と、一端が前記レーザ装置のレーザ光出力端に接続されると共に、他端が前記発電部へのレーザ光の供給端とされた光ファイバと、を備えている。
請求項1記載の太陽光励起発電装置では、レーザ装置が太陽光励起によりレーザ発振させて得たレーザ光が、光ファイバにより伝送されて発電部に至る。発電部では、レーザ光が光電変換素子に入射され、該レーザ光のエネルギが電気エネルギに変換される。これにより、太陽光エネルギから電気エネルギ(電力)を得ることができる。ここで、光ファイバの一端がレーザ装置のレーザ光出力端に接続されると共に、該光ファイバの他端が発電部へのレーザ光の入力端とされているため、換言すれば、レーザ光の伝送経路のほぼ全てが光ファイバにて構成されているため、レーザ光の略全での伝送経路においてレーザ光の伝送ロスが少ない。
このように、請求項1記載の太陽光励起発電装置では、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。特に、レーザ装置として、光ファイバのコアに活性層を含む構造のファイバレーザを用いた構成とすれば、レーザ装置のレーザ光出力端と光ファイバとを単に接合すれば足り、これらの間に光学系を設ける必要がなくなる。
請求項2記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項1記載の太陽光励起発電装置において、前記発電部は、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を、該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段をさらに含んで構成されている。
請求項2記載の太陽光励起発電装置では、発電部において光電変換素子から反射されたレーザ光が、反射光再入射手段により元の光電変換素子又は他の光電変換素子に入射されて、光電変換に寄与する。このため、レーザ光の利用率が向上し、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。
請求項3記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段とを含んで構成された発電部と、を備えている。
請求項3記載の太陽光励起発電装置では、レーザ装置が太陽光励起によりレーザ発振させて得たレーザ光が発電部に至ると、この発電部では、レーザ光が光電変換素子に入射され、該レーザ光のエネルギが電気エネルギに変換される。これにより、太陽光エネルギから電気エネルギを得ることができる。ここで、発電部においては、光電変換素子から反射されたレーザ光が、反射光再入射手段により元の光電変換素子又は他の光電変換素子に入射されて、光電変換に寄与する。このため、レーザ光の利用率が向上し、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。
このように、請求項3記載の太陽光励起発電装置では、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。
請求項4記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項2又は請求項3記載の太陽光励起発電装置において、前記発電部は、前記光電変換素子におけるレーザ光の入射面に対する裏面側に設けられ、レーザ光を入射面側に反射させるための裏面反射手段をさらに含んで構成されている。
請求項4記載の太陽光励起発電装置では、発電部を構成する光電変換素子の裏面側に裏面反射手段が設けられているため、光電変換素子内に照射されたものの光電変換に寄与しなかったレーザ光が、裏面反射手段にて反射されて該光電変換素子の照射面側から出射され、反射光再入射手段にて元の光電変換素子又は他の光電変換素子に入射される。これにより、レーザ光が光電変換素子を透過してしまうことによるロスが抑制され、太陽光エネルギを一層効率良く電気エネルギに変換することができる。
請求項5記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項2乃至請求項4の何れか1項記載の太陽光励起発電装置において、前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子の入射面側に設けられ、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子に向けて反射させ得る反射部材を有して構成されている。
請求項5記載の太陽光励起発電装置では、光電変換素子をレーザ光の入射面側から覆うように配設された反射部材が、光電変換素子から反射された反射光を該光電変換素子に向けて反射することで、レーザ光をロスなく光電変換に利用することが可能となる。反射部材は、例えば光電変換素子を覆うドーム状(半球状)等に形成されることで、光電変換素子との間からのレーザ光の漏れを防止することができる。
請求項6記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項2乃至請求項5の何れか1項記載の太陽光励起発電装置において、前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子が反射したレーザ光が該光電変換素子の他の部分又は他の光電変換素子に向けて反射されるようにした光電変換素子の形状又は複数の光電変換素子の配置を含んで構成されている。
請求項6記載の太陽光励起発電装置では、例えば、複数の光電変換素子を筒状や渦巻状に配置したり、単一の光電変換素子を湾曲させたりすることで、光電変換素子が反射したレーザ光が他の光電変換素子、元の光電変換素子における他の部分に入射され、レーザ光をロスなく光電変換に利用することが可能となる。例えば、上記のような複数の光電変換素子の配置、又は、単一若しくは複数の光電変換素子の形状と、請求項4の反射部材とで、反射光再入射手段を構成しても良い。
請求項7記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項1乃至請求項6の何れか1項記載の太陽光励起発電装置において、前記光電変換素子は、特定の波長でのみ光電変換効率が高くなるバンド構造を有する。
請求項7記載の太陽光励起発電装置では、発電部を構成する光電変換素子のバンド構造が特定の波長に特化しているため、広い波長範囲に対応した構成と比較して、所定波長のレーザ光のエネルギ(すなわち太陽光エネルギ)を有効利用して高い光電変換効率を得ることができる。
請求項8記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項7記載の太陽光励起発電装置において、前記レーザ装置は、出力するレーザ光の波長が、前記光電変換素子における内部量子効率が極大となる波長に一致するように設定されている。
請求項8記載の太陽光励起発電装置では、光電変換素子の内部量子効率を極大(最大)とする波長が上記した特定の波長に対応して決まっているので、該内部量子効率を最大とする波長のレーザ光を該光電変換素子に入射することで、効率の良い光電変換効果を得ることができる。特に、発電部が反射光再入射手段(及び裏面反射手段)を備えた構成では、量子効率が高い領域で光電変換素子の吸収係数が低下するのを入射回数や入射位置の変更により補うことができ、一層効率の良い光電変換効果を得ることができる。
請求項9記載の発明に係る太陽光励起発電装置は、請求項1乃至請求項8の何れか1項記載の太陽光励起発電装置において、前記レーザ装置のレーザ光が入射されて内部に定在波を生じるように全膜厚が設定されている。
請求項9記載の太陽光励起発電装置では、レーザ装置から所定波長のレーザ光が入射された光電変換素子には全膜厚に亘る定在波が生じるので、高い効率で光電変換を行うことが可能になる。
以上説明したように本発明に係る太陽光励起発電部は、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができるという優れた効果を有する。
本発明の第1の実施形態に係る発電部としての太陽光励起発電装置10について、図1乃至図5に基づいて説明する。
図1には、太陽光励起発電装置10の概略構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、太陽光励起発電装置10は、レーザ装置としての太陽光励起レーザ装置12と、光電変換素子としての単色光太陽電池14を主発電部とする発電部16と、発電部16で発電された電気エネルギ(電力)を蓄える蓄電手段としての2次電池18と、太陽光励起レーザ装置12と発電部16との間のレーザ光伝送路を構成する光ファイバ20と、発電部16と2次電池18との間を導通(電気的に接続)する電線22とを主要構成要素として構成されている。この実施形態では、2次電池18は、単色光太陽電池14の出力を効率よく取り出すための負荷制御装置18Aを含んで構成されている。
太陽光励起レーザ装置12は、太陽光励起ファイバレーザ24を備えている。図示は省略するが、太陽光励起ファイバレーザ24は、クラッドに覆われたコアに活性物質(活性層)が含まれて構成されており、側面(周面)から太陽光を励起光として照射することで、レーザ発振が生じる構成とされている。コアに添加される活性物質としては、例えば、Nd、Ti、Cr、Ce等の少なくとも一部を用いることができ、太陽光を励起光とする太陽光励起ファイバレーザ24では、上記Ndを用いることができ、さらにTi、Cr、Ce等を添加することが好ましい。また、太陽光励起レーザ装置12は、太陽光励起ファイバレーザ24の活性層に太陽光を集中的に照射するための集光系26を備えている。
太陽光励起ファイバレーザ24は、例えば同心状(渦巻状)や多段折り返し(千鳥)によるシート状等のスペース効率の良好な形状に形成されている。なお、太陽光励起ファイバレーザ24は、その光ファイバの両端面を壁開したままで共振器として機能する構成とすることも可能であるが、例えば、光ファイバの両端に誘電体ミラーを形成したり、反射鏡(金属ミラー等)を取り付けたり、グレーティングを書き込んだりすることで共振器を構成することが好ましい。
以上説明した太陽光励起レーザ装置12では、太陽光励起ファイバレーザ24は、その一端がレーザ光出力端24Aとされ、レーザ光伝送用の光ファイバ20の一端であるレーザ光入力端20Aに接続されている。この実施形態では、太陽光励起ファイバレーザ24を構成する光ファイバと光ファイバ20とを融着することで、レーザ光出力端24Aとレーザ光入力端20Aとが接続されている。図2に示される如く、光ファイバ20の他端は、発電部16の単色光太陽電池14にレーザ光を照射するためのレーザ光照射端20Bとされている。
発電部16は、単色光太陽電池14と、該単色光太陽電池14が反射したレーザ光を該単色光太陽電池14に向けてさらに反射する反射光再入射手段又は反射材としてのドーム型反射器28と、単色光太陽電池14におけるレーザ光の入射面14Aに対する裏面14Bに設けられた裏面反射手段としての裏面反射部30と、を主要構成要素として構成されている。
単色光太陽電池14は、特定波長の光のエネルギを電気エネルギ(電力)に変換するものであり、例えば、Si系の光電変換素子(単結晶、多結晶、アモルファス型)、化合物半導体系(III−V族(GaAs系、InP、GaAlAs等)、II−VI族(CdS/CdTc系、Cu2S、ZnS、ZnSe等)、I−III−VI族(CuInSe2系、AgInSe2、CuInS2、CuGaSe2等)の光電変換素子、有機半導体系の光電変換素子、色素増感型の光電変換素子等を採用することができる。
この実施形態では、単色光太陽電池14は、特定波長λg(=hc/Eg=hν)でのみ光電変換効率が高くなるバンド構造(図4(A)参照)を有する構成とされている。このような特定の波長に特化したバンド構造を構成する方法は、公知の技術であるので、説明を省略する。
ドーム型反射器28は、単色光太陽電池14側に開口端を向けたドーム状(略半球隔状)に形成されており、その内面が太陽光励起レーザ装置12のレーザ光に合わせた誘電体反射膜や金属ミラー等にて構成された反射面28Aとされている。これにより、ドーム型反射器28は、単色光太陽電池14の入射面14A(p層32)側から入射された光を該入射面14A側に反射する構成とされている。この実施形態では、ドーム型反射器28の頂部28B(入射面14Aに対し面直方向に最も離間した部分)に、光ファイバ20のレーザ光照射端20Bが反射面28A側に露出した状態で取り付けられている。
そして、裏面反射部30は、例えば太陽光励起レーザ装置12のレーザ光の波長に合わせた誘電体反射膜とされ、図3(A)に示される如く、入射面14Aから単色光太陽電池14に入射され光電変換に寄与しなかった光を入射面14A側に反射する構成とされている。また、単色光太陽電池14は、p層32(後述)の厚みが極力薄く設定され、該p層32での光の吸収が抑制されるようになっている。さらに、この実施形態では、p層32は、薄肉(薄膜)化したSi基板に金属電極を積層して構成され、又は薄肉(薄膜)化したSi基板に透明電極と反射膜(金属又は誘電体多層膜)を積層して構成されており、該p層32での光の吸収が一層抑制されている。前者の構成では金属電極が裏面反射部30を兼ね、後者の構成では透明電極及び反射膜が裏面反射部30を構成している。これらにより、単色光太陽電池14では、裏面反射部30による反射光量が確保されるようになっている。
またさらに、発電部16では、単色光太陽電池14の入射面14Aすなわちn層34の表面には、反射防止膜(無反射コーティング)38が設けられている。これにより、単色光太陽電池14は、入射面14Aからのレーザ光の反射が防止されて利用効率が向上される一方、上記した通り光電変換に寄与しなかったレーザ光は、裏面反射部30、ドーム型反射器28の反射面28Aにて反射され、再び入射面14Aから入射される構成とされている。
以下、単色光太陽電池14の構成について補足する。単色光太陽電池14は、例えば図2に示される如く、P型基板(P層)に拡散プロセスにてn型電極(n層)を作成することによって、p層32とn層34との間に空乏層36が形成されて構成されている。ここで、図3(B)に示される如くp層102が薄肉化されない以外の構成は単色光太陽電池14と共通である比較例太陽電池100について検討する。この比較例太陽電池100では、極薄肉のn層34で入射光量の数%から10%の吸収が生じ、n層34よりも厚い空乏層36で入射光量の数%から20%、残余の入射光は厚肉のp層102にて吸収される。この光の吸収によってp層102における電子の拡散長以内の深さで発生した電子は、空乏層36に達し、n層34に至ることで光電流となる。一方、p層102における拡散長よりも深い部分で発生した電子は、空乏層36に達することなく多数のキャリアと再結合して熱(損失)となる。
この知見に基づいて太陽光励起発電装置10では、p層32の厚みを電子の拡散長以下に設定している。なお、この実施形態では、p層32の厚みは、n層34(略1μm)、空乏層36(数μm)の厚みに対し十分に大きく設定されている。これにより、単色光太陽電池14では、p層32にて吸収された光は光電変換に有効に寄与し、p層32にて吸収されなかった光は裏面反射部30にて反射される構成である。また、p層32の厚みを薄くするには、例えば薄肉のP型基板(基板としての機能は30等の他の部材が果たすようにしても良い)を用いたり、n層34の形成後にp型基板(例えば300μm程度)を研磨したりすれば良い。
以上、単色光太陽電池14がpn接合構造をとる場合の例を説明したが、例えばアモルファスSi太陽電池のようなpin構造においても同様の知見に基づいて同様の構成することができる。
また、単色光太陽電池14は、その主要構成材料(例えばSi)の屈折率をnとした場合に、その全膜厚tがt≒λl/(4×n)を満たすように決められている。これにより、単色光太陽電池14の空乏層36では、波長λlのレーザ光が入射されると定在波を生じる構成とされている。なお、全膜厚t(n層34、空乏層36、p層32の厚みの和)は、n層34、p層32の厚みが空乏層36の厚み対し十分に薄い場合には、該空乏層36の厚みとして把握(近似)することができる。すなわち、空乏層36で定在波が生じるものとして設計可能となる。
以上説明した単色光太陽電池14は、上記した特定の波長λgよりも短い波長の(バンドギャップ(エネルギギャップ)Egよりもエネルギが高い)光が吸収されると、光電変換が生じるようになっている。また、単色光太陽電池14では、図5(A)に示される如く、波長λgよりも短い波長の光に対し量子効率が極大となる量子効率−波長特性を呈する一方、図5(B)に示される如く、波長λgに近づく(波長が長くなる)ほど吸収係数が低くなる吸収係数−波長特性を呈する。
そして、太陽光励起発電装置10では、太陽光励起レーザ装置12は、単色光太陽電池14の量子効率がほぼ最大となる波長λlのレーザ光を出力するように設定されている。すなわち、太陽光励起レーザ装置12が出力するレーザ光の波長λlは、単色光太陽電池14のバンドギャップに対応する波長λgよりもわずかに短く(高エネルギに)設定されている。一方、発電部16は、波長λlのレーザ光に対する単色光太陽電池14の吸収係数の低さを、上記したドーム型反射器28、裏面反射部30によるレーザ光の繰り返し入射(入射タイミング、入射位置の分散)、無反射膜38による入射促進にて補う構成とされている。
なお、例えば、波長λgが400nmから700nmの帯域で光電変換効率が高い色素増感型の太陽電池を単色光太陽電池14として採用した場合には、この色素増感型の太陽電池(の量子効率)に対応した波長λlのレーザ光を出力するように太陽光励起ファイバレーザ24を設定すれば、高効率な太陽光励起発電装置10を構成することができる。他方、太陽光励起レーザ装置12として長波長(例えば1.0μm帯域)のレーザを用いる構成では、活性部材としてコアにNd、Crを共添加することにより、太陽光のスペクトルに対して吸収断面積が大きく、広いスペクトルを利用してレーザ効率を高めることが可能である。この場合、長波長の波長λlに合わせた(波長λlの光入射で量子効率が最大となる)単色光太陽電池14を採用することで、高効率な太陽光励起発電装置10を構成することができる。
また、太陽光励起発電装置10では、電線22を介して発電部16に電気的に接続された2次電池18は、該発電部16が発生した電気エネルギを蓄えるようになっている。2次電池18は、発電部16の近傍に配置されることで、電線22による電気エネルギの伝送ロスが抑制されるようになっている。この2次電池18には、図示しない負荷に電気エネルギを供給可能に接続されても良く、充電後に電線22から切り離されて負荷装置に装着される構成としても良い。前者の構成においては、発電部16が発生した電気エネルギ(の少なくとも一部)を直接的に付加に供給し得る構成とすることも可能である。
次に、第1の実施形態の作用を説明する。
上記構成の太陽光励起発電装置10では、太陽光励起レーザ装置12の集光系26が太陽光励起ファイバレーザ24の側面からコアの活性層に向けて、太陽光を集中的に照射させる。太陽光励起ファイバレーザ24では、この太陽光を励起光としてレーザ発振が生じ、太陽光励起レーザ装置12のレーザ光出力端24Aから光ファイバ20を経由して発電部16に波長λlのレーザ光が伝送される。このレーザ光は、ドーム型反射器28の頂部28Bから単色光太陽電池14の入射面14Aに向けて照射され、無反射膜38によって入射面14Aからの反射が防止されることで、ほぼ全量が該入射面14Aから単色光太陽電池14に入射される。
単色光太陽電池14では、入射されたレーザ光により光電変換がなされ、電気エネルギが生じる。一方、単色光太陽電池14を透過したレーザ光は、図3(A)に示される如く裏面反射部30にて反射され、入射面14Aから単色光太陽電池14外に出射される。このレーザ光は、ドーム型反射器28の反射面28Aで入射面14Aに向けて反射され、該入射面14Aから単色光太陽電池14に再び入射される。そして、単色光太陽電池14では、入射されたレーザ光により光電変換がなされ、電気エネルギが生じる。裏面反射部30、ドーム型反射器28による反射が繰り返されて、レーザ光は、時間的、空間(平面)的に分散されつつ全て単色光太陽電池14に吸収される。
発電部16で生じた電気エネルギは、電線22を介して2次電池18に供給され、該2次電池18にて蓄えられる(2次電池18が充電される)。
ここで、太陽光励起発電装置10では、太陽光励起レーザ装置12と発電部16との間を、光ファイバ20によってレーザ光の伝送可能に接続したので、レーザ光の伝送ロスが少ない。また、太陽光励起発電装置10では、特定の波長λgのみで効率良く光電変換を行うように設定された単色光太陽電池14に対し、該波長λgに対応して設定した所定の波長λlのレーザ光を入射させる構成であるため、図10に示される如く、広いスペクトルの太陽光を該広いスペクトルに対応したバンド構造を有する広帯域太陽電池110に照射する構成と比較して、太陽光エネルギを効率良く利用して発電を行うことが可能である。
具体的には、図4(B)に示される如く、比較例に係る広帯域太陽電池110では、太陽光のうちバンドギャップEgよりもエネルギが低い光(λl4)は、広帯域太陽電池110に吸収されずに透過してしまい、一方でバンドギャップEgよりもエネルギが高い光(λl1〜λl3)は、広帯域太陽電池110に吸収されるものの、バンドギャップEgとの差分のエネルギが熱として浪費させてしまい、ロスとなる。また、図11に示される如く広帯域太陽電池110に対し太陽光励起レーザ装置12のレーザ光を照射する例では、複数の異なるバンドギャップに単色光を照射するモデルと把握することができ、このモデルは図4(B)に示すバンド構造と等価である考えることができるので、図10に示す例と同様の問題を生じ得る。
これらに対して太陽光励起発電装置10では、図4(A)に示される如く、単色光太陽電池14の上記特定波長λgよりもわずかに短い波長λlすなわちバンドギャップEgよりもわずかに高いエネルギを該単色光太陽電池14に入射するので、レーザ光が単色光太陽電池14に吸収されないことが防止されると共に、バンドギャップEgとの差分のエネルギが熱として消費されることが防止される。したがって、上記したように、太陽光エネルギを効率良く利用して発電を行うことが可能である。
そして、太陽光励起発電装置10では、発電部16がドーム型反射器28を有して構成されているため、単色光太陽電池14から反射されたレーザ光を単色光太陽電池14に再度入射することができる。しかも、太陽光励起発電装置10では、p層32を薄くしているため、図3(B)に示される比較例太陽電池100のように厚肉のp層102(光電変換効率が低い部分)にレーザ光が吸収されてしまうことが防止される。特に、発電部16が裏面反射部30を有するため、図3(C)に示される別の比較例太陽電池105の如く単に薄肉化したp層106からレーザ光が透過、出射してしまうことが防止されると共に、単色光太陽電池14を透過したレーザ光を確実にドーム型反射器28側に反射することができる。さらに、入射面14Aには無反射膜38を設けているので、入射面14Aに照射されたレーザ光を単色光太陽電池14に効率的に入射させることができる。
以上により、太陽光励起発電装置10では、光ファイバ20を経由して伝送されたレーザ光を、殆ど全てが単色光太陽電池14に吸収されるまで、該単色光太陽電池14に対し繰り返し、かつ速やかに入射させることができる。これにより、単色光太陽電池14が太陽光励起レーザ装置12のレーザ光の波長λlにおいて吸収係数が比較的低いことが補われ、量子効率の高い波長λlのレーザ光の入射によって効率良く光電変換を行うことが実現される。
さらに、太陽光励起発電装置10では、単色光太陽電池14の全膜厚tがt≒λl/(4×n)であるため、波長λlのレーザ光が入射されると単色光太陽電池14の内部では定在波が生じ、一層効率的な光電変換を実現することができる。
このように、第1の実施形態に係る太陽光励起発電装置10では、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。そして、太陽光励起発電装置10では、上記の通りレーザ光を単色光太陽電池14に繰り返し入力することにより該レーザ光の利用率を向上しているため、単色光太陽電池14の面積によって利用率を確保する構成と比較して、著しくコンパクトな単色光太陽電池14(発電部16)で大きな電気エネルギを得ることができる。
また、太陽光励起発電装置10では、太陽光励起レーザ装置12と単色光太陽電池14とを光ファイバ20にて接続しているため、2次電池18や負荷の近くで発電部16による発電を行うことができ、エネルギ伝送ロスが少ない。すなわち、太陽光励起レーザ装置12の近傍でかつ2次電池18から遠隔した位置に発電部16を配置した構成では、電線22による送電ロスが大きいが、太陽光励起発電装置10では、光ファイバ20にレーザ光を少ないロスで遠隔した発電部16まで伝送することができ、太陽光エネルギを有効利用することができる。しかも、太陽光で励起、発振されて得られるレーザ光は、その波長帯域が光ファイバ20にとっての低損失域であるため、太陽光エネルギのロスが一層効果的に抑制される(例えば、波長λl≒1.0μmの帯域での損失は、0.1dB/km程度である)。
(他の実施形態)
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部分等については、上記第1の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合がある。
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部分等については、上記第1の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合がある。
(第2の実施形態)
図6には、本発明の第2の実施形態に係る太陽光励起発電装置40が図1に対応するブロック図にて示されている。この図に示される如く、太陽光励起発電装置40は、太陽光励起レーザ装置12に代えて太陽光励起レーザ装置42を備える点で、第1の実施形態に係る太陽光励起発電装置10とは異なる。
図6には、本発明の第2の実施形態に係る太陽光励起発電装置40が図1に対応するブロック図にて示されている。この図に示される如く、太陽光励起発電装置40は、太陽光励起レーザ装置12に代えて太陽光励起レーザ装置42を備える点で、第1の実施形態に係る太陽光励起発電装置10とは異なる。
太陽光励起レーザ装置42は、太陽光励起ファイバレーザ24に代えて、活性物質を含むロッド状部材(図示省略)を有して構成された太陽光励起固体レーザ44と、太陽光励起固体レーザ44のロッド状部材に太陽光を集中的に照射するための集光系46と、太陽光励起固体レーザ44から出射されたレーザ光を結合させて光ファイバ20のレーザ光入力端20Aに入力するための光学系48とを主要構成要素としている。
太陽光励起固体レーザ44は、太陽光励起ファイバレーザ24と同様に側面(周面)に励起光としての太陽光を照射することで、レーザ発振が生じる構成とされている。太陽光励起発電装置40の他の構成は、太陽光励起発電装置10の対応する構成と同じである。
したがって、第2の実施形態に係る太陽光励起発電装置40によっても、第1の実施形態に係る10と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
(第3の実施形態)
図7には、本発明の第3の実施形態に係る太陽光励起発電装置50を構成する発電部52が斜視図にて示されている。この図に示される如く、発電部52は、複数の単色光太陽電池14が立体形状を成すように配置される一方、ドーム型反射器28を備えない点で、発電部16とは異なる。
図7には、本発明の第3の実施形態に係る太陽光励起発電装置50を構成する発電部52が斜視図にて示されている。この図に示される如く、発電部52は、複数の単色光太陽電池14が立体形状を成すように配置される一方、ドーム型反射器28を備えない点で、発電部16とは異なる。
具体的には、発電部52を構成する複数の単色光太陽電池14は、それぞれ略同寸法の矩形板状に形成されており、周方向に隣接する単色光太陽電池14と互いの周方向端部を近接させて配置されることで、全体として多角形筒状(この実施形態では、略正十角形筒状)を形成している。この状態では、各単色光太陽電池14は、それぞれの入射面14A(無反射膜38)側が発電部52の成す多角形筒状体の内側に向けられると共に、それぞれの裏面14B(裏面反射部30)が発電部52の成す多角形筒状体の外側に向けられている。
この発電装置52では、周方向に隣接する単色光太陽電池14の成す角は、例えば図8に示す矢印A方向からレーザ光が入射されると共に該レーザ光の一部が裏面反射部30にて反射された場合に、周方向に隣接する単色光太陽電池14に反射レーザ光が入射されるように設定されている。太陽光励起発電装置50は、矢印A方向から入射されたレーザ光が全て発電装置52に吸収され、該発電装置52から出射されないように、各単色光太陽電池14の寸法、矢印A方向が決められている。
太陽光励起発電装置50の他の構成、すなわち発電部52を除く部分は、基本的に第1の実施形態に係る太陽光励起発電装置10の対応する構成と同じである。
第3の実施形態に係る太陽光励起発電装置50の作用について、太陽光励起発電装置10の作用と異なる部分を説明する。上記構成の太陽光励起発電装置50では、太陽光励起レーザ装置12が出力したレーザ光は、光ファイバ20のレーザ光照射端20Bから図8に示す矢印Aに沿って、発電部52(複数の単色光太陽電池14が形成する多角形筒状部材の内側)に供給される。レーザ光が入射された単色光太陽電池14では、入射されたレーザ光のうちの一部により光電変換がなされ、吸収されなかったレーザ光は裏面反射部30にて反射され、入射面14Aから出射される。この反射レーザ光は、隣接する単色光太陽電池14に入射され、上記同様に一部が光電変換にて消費されると共に他の一部が反射光としてさらに隣接する単色光太陽電池14に入射される。レーザ光が全て吸収されるまで、単色光太陽電池14による吸収、該単色光太陽電池14に隣接する単色光太陽電池14への反射、吸収が繰り返される。
以上説明したように、太陽光励起発電装置50によっても、太陽光励起レーザ装置12のレーザ光が全て光電変換にて消費されるように吸収されるまで、発電部52によってレーザ光の反射、吸収が繰り返されるので、発電部16を備えた太陽光励起発電装置10と同様の効果を得ることができる。すなわち、第2の実施形態に係る太陽光励起発電装置50によっても、太陽光エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。また、太陽光励起発電装置50では、複数の単色光太陽電池14で立体形状を成すため、入射面14Aを同じ向きにして配置した構成と比較して、発電部52の設置面積(軸方向視の占有面積)をコンパクトにすることができる。
(第4の実施形態)
図9には、本発明の第4の実施形態に係る太陽光励起発電装置60を構成する発電部62が斜視図にて示されている。この図に示される如く、発電部62は、複数の単色光太陽電池14が多角錐筒状を成すように配置されている点で、複数の単色光太陽電池14が多角形筒状を成すように配置されている発電部52を備える太陽光励起発電装置50とは異なる。
図9には、本発明の第4の実施形態に係る太陽光励起発電装置60を構成する発電部62が斜視図にて示されている。この図に示される如く、発電部62は、複数の単色光太陽電池14が多角錐筒状を成すように配置されている点で、複数の単色光太陽電池14が多角形筒状を成すように配置されている発電部52を備える太陽光励起発電装置50とは異なる。
具体的には、発電部62を構成する複数の単色光太陽電池14は、それぞれ高さ方向に長手の台形状に形成されており、周方向に隣接する単色光太陽電池14と互いの周方向端部を近接させて配置されることで、全体として上記の通り多角錐筒状(この実施形態では、十角錐筒状)を形成している。そして、発電部62では、図9に示される如く、全体として成す多角錐筒状体における大きく開口した側から、太陽光励起レーザ装置12(光ファイバ20のレーザ光照射端20B)のレーザ光が入射される構成とされている。太陽光励起発電装置60の他の構成は、太陽光励起発電装置50の対応する構成と同じである。
したがって、第4の実施形態に係る太陽光励起発電装置60によっても、第3の実施形態に係る太陽光励起発電装置50と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、発電部62では、多角錐筒状に形成されると共に大きく開口する側からレーザ光が入射されるので、換言すれば、各単色光太陽電池14がレーザ光の入射側を向くように軸線に対し傾斜配置されているため、単色光太陽電池14に吸収されてレーザ光の入射量が少なくなる側において、軸線方向に高密度でレーザ光が入射されることになる。これにより、単色光太陽電池14の各部へのレーザ光の入射量が均一化され、発電部52(複数の単色光太陽電池14)の面積を有効利用することができる。したがって、太陽光励起発電装置60では、発電部62のスペース効率が良好である。
なお、上記第3及び第4の実施形態では、複数の単色光太陽電池14が隣接する単色光太陽電池14に向けて入射光の一部を反射するように配置された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、周方向に離間した単色光太陽電池14に対し入射光の一部を反射するように、複数の単色光太陽電池14を隙間を挟んで配置したり、他の単色光太陽電池14を挟んで配置したりしても良く、また例えば、複数の単色光太陽電池14を軸方向視で渦巻状を成すように配置して発電部52、62を構成しても良く、さらに例えば、湾曲されることで自ら反射した反射光を他の部分に入射させる単色光太陽電池14を含んで発電部52、62を構成しても良い。
10 太陽光励起発電装置
12 太陽光励起レーザ装置(レーザ装置)
14 単色光太陽電池(光電変換素子)
16 発電部
20 光ファイバ
28 ドーム型反射器(反射光再入射手段、反射部材)
30 裏面反射部(裏面反射手段)
36 空乏層
40・50・60 太陽光励起発電装置
42 太陽光励起レーザ装置(レーザ装置)
52・62 発電部
12 太陽光励起レーザ装置(レーザ装置)
14 単色光太陽電池(光電変換素子)
16 発電部
20 光ファイバ
28 ドーム型反射器(反射光再入射手段、反射部材)
30 裏面反射部(裏面反射手段)
36 空乏層
40・50・60 太陽光励起発電装置
42 太陽光励起レーザ装置(レーザ装置)
52・62 発電部
Claims (9)
- 太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、
入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子を含んで構成された発電部と、
一端が前記レーザ装置のレーザ光出力端に接続されると共に、他端が前記発電部へのレーザ光の供給端とされた光ファイバと、
を備えた太陽光励起発電装置。 - 前記発電部は、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を、該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段をさらに含んで構成されている請求項1記載の太陽光励起発電装置。
- 太陽光励起によりレーザ発振を生じさせ、レーザ光を出力するレーザ装置と、
入射されたレーザ光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子又は他の光電変換素子に入射させるための反射光再入射手段とを含んで構成された発電部と、
を備えた太陽光励起発電装置。 - 前記発電部は、前記光電変換素子におけるレーザ光の入射面に対する裏面側に設けられ、レーザ光を入射面側に反射させるための裏面反射手段をさらに含んで構成されている請求項2又は請求項3記載の太陽光励起発電装置。
- 前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子の入射面側に設けられ、前記光電変換素子から反射されたレーザ光を該光電変換素子に向けて反射させ得る反射部材を有して構成されている請求項2乃至請求項4の何れか1項記載の太陽光励起発電装置。
- 前記反射光再入射手段は、前記光電変換素子が反射したレーザ光が該光電変換素子の他の部分又は他の光電変換素子に向けて反射されるようにした光電変換素子の形状又は複数の光電変換素子の配置を含んで構成されている請求項2乃至請求項5の何れか1項記載の太陽光励起発電装置。
- 前記光電変換素子は、特定の波長でのみ光電変換効率が高くなるバンド構造を有する請求項1乃至請求項6の何れか1項記載の太陽光励起発電装置。
- 前記レーザ装置は、出力するレーザ光の波長が、前記光電変換素子における内部量子効率が極大となる波長に一致するように設定されている請求項7記載の太陽光励起発電装置。
- 前記光電変換素子は、前記レーザ装置のレーザ光が入射されて内部に定在波を生じるように全膜厚が設定されている請求項1乃至請求項8の何れか1項記載の太陽光励起発電装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006315902A JP2008130922A (ja) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | 太陽光励起発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006315902A JP2008130922A (ja) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | 太陽光励起発電装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008130922A true JP2008130922A (ja) | 2008-06-05 |
Family
ID=39556434
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006315902A Pending JP2008130922A (ja) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | 太陽光励起発電装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008130922A (ja) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100941925B1 (ko) * | 2009-04-07 | 2010-02-11 | 송근용 | 태양광 집속식 발전장치 |
KR101148386B1 (ko) * | 2011-04-20 | 2012-05-23 | 서보건 | 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템 |
JP2015038923A (ja) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | 株式会社豊田中央研究所 | 光電変換素子 |
JP2017184437A (ja) * | 2016-03-30 | 2017-10-05 | 市川 雅英 | コードレス送電システム |
JP2018007437A (ja) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 市川 雅英 | コードレス送電システム |
JP2018078705A (ja) * | 2016-11-09 | 2018-05-17 | バイオニクス株式会社 | 発電装置 |
CN111537199A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-14 | 宁波大学 | 一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法 |
JP2021192430A (ja) * | 2015-07-16 | 2021-12-16 | ワイ−チャージ リミテッド | 電力を無線で伝送するシステム |
EP3926789A1 (en) | 2020-06-16 | 2021-12-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Non-contact optical power feeding method using a multi-junction solar cell, and light-projecting device for optical power feeding |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0322573A (ja) * | 1989-06-20 | 1991-01-30 | Yoshihide Kamata | 太陽電池装置 |
JP2000324726A (ja) * | 1999-05-17 | 2000-11-24 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光パワー給電装置 |
JP2002033537A (ja) * | 2000-07-17 | 2002-01-31 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | 太陽光励起固体レーザ発生装置及びこれを用いた太陽光エネルギの輸送システム |
JP2004259783A (ja) * | 2003-02-24 | 2004-09-16 | Mitsubishi Electric Corp | 太陽光発電装置 |
-
2006
- 2006-11-22 JP JP2006315902A patent/JP2008130922A/ja active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0322573A (ja) * | 1989-06-20 | 1991-01-30 | Yoshihide Kamata | 太陽電池装置 |
JP2000324726A (ja) * | 1999-05-17 | 2000-11-24 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光パワー給電装置 |
JP2002033537A (ja) * | 2000-07-17 | 2002-01-31 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | 太陽光励起固体レーザ発生装置及びこれを用いた太陽光エネルギの輸送システム |
JP2004259783A (ja) * | 2003-02-24 | 2004-09-16 | Mitsubishi Electric Corp | 太陽光発電装置 |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100941925B1 (ko) * | 2009-04-07 | 2010-02-11 | 송근용 | 태양광 집속식 발전장치 |
KR101148386B1 (ko) * | 2011-04-20 | 2012-05-23 | 서보건 | 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템 |
JP2015038923A (ja) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | 株式会社豊田中央研究所 | 光電変換素子 |
JP2021192430A (ja) * | 2015-07-16 | 2021-12-16 | ワイ−チャージ リミテッド | 電力を無線で伝送するシステム |
JP7277519B2 (ja) | 2015-07-16 | 2023-05-19 | ワイ-チャージ リミテッド | 電力を無線で伝送するシステム |
JP2017184437A (ja) * | 2016-03-30 | 2017-10-05 | 市川 雅英 | コードレス送電システム |
JP2018007437A (ja) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 市川 雅英 | コードレス送電システム |
JP2018078705A (ja) * | 2016-11-09 | 2018-05-17 | バイオニクス株式会社 | 発電装置 |
CN111537199A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-14 | 宁波大学 | 一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法 |
CN111537199B (zh) * | 2020-04-30 | 2021-11-05 | 宁波大学 | 一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法 |
EP3926789A1 (en) | 2020-06-16 | 2021-12-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Non-contact optical power feeding method using a multi-junction solar cell, and light-projecting device for optical power feeding |
US11677276B2 (en) | 2020-06-16 | 2023-06-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Non-contact optical power feeding method using a multi-junction solar cell, and light-projecting device for optical power feeding |
US11973352B2 (en) | 2020-06-16 | 2024-04-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Non-contact optical power feeding method using a multi-junction solar cell, and light-projecting device for optical power feeding |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2008130922A (ja) | 太陽光励起発電装置 | |
US20210343890A1 (en) | Method and means for a high power solar cell | |
JP5345396B2 (ja) | 光起電力システムおよび光起電力効果により電気を発生する方法 | |
RU2672642C2 (ru) | Преобразователь мощности лазерного излучения | |
KR20090117690A (ko) | 실리콘 스캐빈저 셀을 구비한 고효율 태양전지 | |
KR101633146B1 (ko) | 유도 방출 발광 도광 태양 집광기 | |
JP2018082143A (ja) | 太陽電池モジュール | |
US11152888B2 (en) | High efficiency photovoltaic cells with suppressed radiative emission due to chemical nonequilibrium of photoelectrons | |
JP2008140990A (ja) | 光電変換装置 | |
US20130037108A1 (en) | Thermodynamically shielded solar cell | |
JP2009545184A (ja) | 周囲のシリコンスカベンジャーセルを備えた高効率太陽電池 | |
US20110247691A1 (en) | Optical spectral concentrator, sensors and optical energy power systems | |
US20230197874A1 (en) | Methods, systems, and apparatuses for producing, generating and utilizing power and energy | |
WO2006025260A1 (ja) | 積層型有機無機複合高効率太陽電池 | |
RU2689144C2 (ru) | Полноспектральное устройство для захвата электромагнитной энергии | |
Landis | New approaches for a solar-pumped GaAs laser | |
JP6456585B2 (ja) | 光電変換素子 | |
JP7136440B2 (ja) | レーザ装置及び発電装置 | |
JP2010153740A (ja) | 結晶太陽電池及び結晶太陽電池の製造方法 | |
JP3468069B2 (ja) | 光電変換装置 | |
JP2013123015A (ja) | 太陽電池モジュール | |
JPH0523554U (ja) | 太陽光を利用した発電装置 | |
KR20240096673A (ko) | 태양 전지 및 그의 제조 방법, 광전지 모듈 및 전기 장치 | |
TWI433329B (zh) | 組裝有兩種太陽能電池以上之電池模組 | |
JP2015038921A (ja) | 光電変換素子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080626 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100531 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100608 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20101019 |