JP5619160B2 - 発光光学素子および当該発光光学素子を備える太陽電池システム - Google Patents

発光光学素子および当該発光光学素子を備える太陽電池システム Download PDF

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Description

本発明は、発光光学素子、より詳細には発光太陽集光器および当該発光光学素子を備える太陽電池システムに関する。
光電池システムでのワット当たりの太陽エネルギー発電コストは、石炭、石油、風力、バイオマスおよび核エネルギーのような他の資源からの発電エネルギーより数倍も高い。光電池システムにおける太陽エネルギー発電のコストを削減するために、システムのもっとも高価な部分、すなわち光電池（太陽電池）を効率的に使用することが望まれる。従来このことは、大型の集光パラボラミラーまたはフレネルレンズを使用することにより行われ、光電池をパラボラミラーまたはフレネルの焦点に配置していた。この装置は、投資コスト、維持コストが高く、形状が扱い難いといった欠点の他に、太陽を追跡する必要があり、装置、ミラー、レンズおよび／または光電池（ＰＶセル）の配向を物理的に変更するための機械的構造が必要である。光電池システムは最近の研究の対象であり、とくに大面積から小面積にわたって集められた入射光を集光することができ、費用効果のある効率的な代替手段を提供することが研究の対象になっている。
発光太陽集光器（ＬＳＣ）は研究の対象である代替手段を提供する。なぜならこのシステムは低コストでの製造が容易であり、太陽の追跡を必要としないからである。発光太陽集光器は公知であり、導波路として作用するフラットパネルからなる。このフラットパネルは通常はプラスチックからなり、単一の蛍光色素、燐光体および／または量子ドットが充填されるか、もしくはこれらの材料の複数が均質な混合物で充填され、またはこれらの発光体を薄膜（＜１００μｍ）で導波路の上部または底部に備える。発光材料は、これに入射する太陽光から特定の波長の光を吸収し、より長い波長ですべての方向に光を再放射する。この光の一部は支持導波路の結晶角の外で放射され、内部全反射され、光電池に輸送される。光電池は典型的には、放射された光を電気に変換するために、導波路の１つまたは複数の端部に配置されている。このようにして発光太陽集光器は太陽光を特定のスポットまたはエリアに集光し、ここに集光された太陽エネルギーをＰＶセルにより電気エネルギーに変換することができる。これは効率を上昇させるだけでなく、発光太陽集光器パネルは安価なプラスチックから作製できるのでコストも低減する。一方、ＰＶセルは精錬されたシリコンのような高価な材料からすべてを製造することが必要である。ＬＳＣは、材料が安価であることと、ヒートシンクまたは太陽追跡システムが不要であり、プラスチック導波路が使用される場合にはフレキシブルであるという利点を組合わせることができる。現在の所、ＬＳＣシステムは、主にその効率が比較的貧弱であることと関連して商業的には使用されていない。全体的に効率が低いことは、放射光の再吸収が大きいこと（色素の制限されたストークスシフト）、導波路への光入力結合の効率が低いこと、および導波路内での光の維持効率が低いことによるものである。
択一的なＬＳＣシステムの例が特許文献１に記載されている。特許文献１は、発光層を備える平面導波体の積層体を開示しており、この発光層は入射太陽光を受けるために積層体の全面に配置されている。発光層は入射太陽光により励起され、これに基づき発光層が導波体に光を放射し、放射光が導波体を通って導波体の出口表面に輸送され、ここでＰＶセルに引き渡される。これにより小面積のＰＶセルを使用することができ、導波体も小さな出口表面を有することができる。一方、導波体が大きな面積を有する場合には、集光面積も大きくすることができる。この積層体は、薄く、軽量であり、ロール・ツー・ロール法で製造できるので、択一的な公知のシステムより有利である。しかしこの積層体は、導波体を通って伝播するときに放射光が発光層により再吸収され、発光層による散乱のため損失するという欠点を有する。再吸収された光の一部が発光層により再放射されても、とくに導波体が大面積を有し、薄い場合には関連する損失が大きく、伝播する放射光は発光層と複数回相互作用する。別の欠点は、導波体とＰＶセルの大きさとの相対的面積がこの伝播損失のため制限されることである。
さらに発光太陽集光器は、ビルディング、広告板等の既存の製造物に組み込むのに良く適した太陽エネルギー集光器である。しかしこれら適用の多くでは、システムの見映えがその機能性と同じぐらい、またはそれ以上に重要である。許容できる外観のために、発光太陽集光器が多色を表示し、特定の領域の色が別の色として見えるようにすることが望まれる。
伝統的に色を追加することは、ＬＳＣに非発光色素を施与することにより行われる。このような技術は広く適用可能であり、基板上の色素のパターニングはオフセット印刷、フレキソ印刷、塗装等の技術を使用して容易に実現することができる。しかしＬＳＣの場合、ＬＳＣ上に非発光色素をパターニングすることは、太陽エネルギー回収能力を格段に低減する。
したがって択一的に薄く効率的な太陽エネルギーシステム、およびそのためのコンポーネントが必要である。とくに集光器としての発光光学素子が、薄く軽量な構造であり、とくにシートまたは複数の層の積層体の形態であることが望まれる。潜在的に安価で頑強なデバイスであることも望まれる。さらに、たとえばロール・ツー・ロールプロセスで、および／または大量生産に適した形で経済的に種々のサイズで製造できるデバイスを提供することが望まれる。
ＥＰ１８５４１５１Ｂ１
Van Sark et al. in OPTICS EXPRESS, December 2008, Vol. 16, No. 26, 2177322 R. Kinderman et al. in Journal of Solar Energy Engineering, AUGUST2007.Vol.129, 277-28 Bailey et al, Sol. Energ. Mater. Sol. C. 91 (2007) 67
本発明の課題は、電気出力に不利な影響なしで特定の用途に対して望まれる外観を示す発光太陽集光器を提供することである。
したがって本発明の課題は、好ましくは上記および他の従来技術に関連する１つまたは複数の欠点を少なくとも除去し、さらに好ましくは上記の望みの１つまたは複数を満たす択一的な発光光学素子を提供することである。とりわけ本発明の課題は、放射された光が導波体を通って輸送される際の効率を向上した発光光学素子を提供することである。
別の側面で本発明の課題は、上記の１つまたは複数の欠点を少なくとも部分的に除去し、さらに好ましくは上記望みの１つまたは複数を満たす択一的な太陽電池システムを提供することである。
これに関して本発明は第１の側面で、次のような発光光学素子を提供する。
ａ．光導波体と、
ｂ．該光導波体の上または中にある発光構造体とを有する発光光学素子であって、
この発光構造体は発光材料を含む複数の発光領域を有し、発光材料は励起光による励起で放射光を放射することができ、発光領域は励起光の励起に基づいて放射するように構成されており、放射光の少なくとも一部が光学的導波層に入り込む発光光学素子。
したがって本発明の客体の１つは、冒頭部分に記述した光学素子により達成される。ここで発光色素の濃度は、色または強度において識別可能な相違が形成されるように導波体の面および／または別個の物理領域において互いに変化される。
伝統的なＬＳＣは最高出力が得られるよう最適化されており、したがって製造されるのは単色のデバイスだけである。ＬＳＣの例は非特許文献１または非特許文献２に見ることができる。
複数の色素を含む従来のＬＳＣの例は存在するが、それらは領域には分かられておらず均一な混合物であり、成分色素の色の和から単色のデバイスが生じ、個別の色素色を区別することはできない（非特許文献３）。現在まで、マルチパターニングされた色素としての色素を特定の領域に有するＬＳＣは開示されていない。
本発明はパターン化されたＬＳＣシステムの出力を、ＬＳＣの面内で濃度を変化するパターン化された発光色素を使用することにより増大する。このようにしてＬＳＣの出力は高く、かつＬＳＣの装飾、イラストまたは通信（標識）が可能である。発光色素の濃度は、オフセット印刷、フレキソ印刷、塗装またはその他の技術で変化することができる。パターン化された色素を備えるＬＳＣの組合せは公知ではなく、自明のものでもない。
本発明の素子によりオブジェクトの色イメージを表示するパターンを作成することができ、しかも電力を発生することができる。
伝統的にＬＳＣは、電気出力に関して最適の性能を発揮するよう設計されている。この観点で、ＬＳＣの面において色素の濃度を変化することで所望のサイン伝達ができるだけでなく、電気的にも高効率であることは驚くべきことである。伝統的にサイン伝達は照明に基づいて可視であるように設計されるか、または所望の可視情報を放射する照明器具の組み込みにより行われている。本発明は発電に加えて、可視情報を付加的な光源なしで放射することができ、これらは自明のものではない。
これは実現が簡単で効率的な解決手段である。
このように設計されたＬＳＣは通常のサイン伝達よりも有利である。なぜならＬＳＣサインは太陽エネルギーから発電することができるが、通常のサイン伝達はできないからである。同時に、ＬＳＣサインは発電するが、通常のサインはそれをせず、それをするにはそれをするデバイスが必要である。単純で頑強なデバイスに組み込まれたＬＳＣは費用効果があり、潜在的に自立している。
これに関して本発明は第２の側面で、次のような発光光学素子を提供する。
ａ．光導波体と、
ｂ．光導波体の上または中にある発光構造体とを有する発光光学素子であって、
この発光構造体は発光材料を含む複数の発光領域を有し、発光材料は励起光による励起で放射光を放射することができ、発光領域は励起光の励起に基づいて放射するように配置されており、放射光の少なくとも一部が光学的導波層に入り込み、そして
ｃ．さらに光導波体上のレンズ構造体を有し、
該レンズ構造体は複数のレンズを有し、複数のレンズは外部光源から供給される入射光を捕捉し、入射光を複数の発光領域上に、発光材料を励起ための励起光として集光するように配置されている発光光学素子。
発光光学素子は入射光を効率的に捕捉し、そのスペクトルの一部を発光領域への励起光として供給し、励起光を放射光に効率的に変換し、励起光を導波体により導波体の１つまたは複数の端部に効率的に輸送し、この端部において励起光は光電池に供給される。
レンズ構造体は有利には入射光の大部分、有利に実質的に入射光のすべてを捕捉し、入射光の大部分、有利には実質的に入射光のすべてを発光材料に集束する。発光材料を連続層としてではなく発光領域に配置すると、再吸収および／または他の損失が低減し、放射光は導波体を通して案内され、内部全反射が導波体の両表面で行われる。発光構造体は光導波体の上または内側に設けられるから、発光材料から放射された放射光が導波体に効率的に入力結合される。さらにレンズ構造体も光導波体の上に設けられるから、頑強で多様に使用できる発光光学素子が得られ、機械的要素が運動することはない。さらに発光光学素子（導波体、発光領域を備える発光構造体、レンズを備えるレンズ構造体）のコンポーネントは発光光学素子の製造中に整列され、固定されるから、発光光学素子の取付け時にも使用中にもこれらのコンポーネントをそれ以上互いに配向する必要がない。最後に、レンズ構造体は導波体と光学的に良好に接触しているから、レンズ構造体と導波体との間の全境界面にわたって良く規定された光学的境界面が得られる。
用語「入射光」とは、外部光源から発して光学素子に入射する光であり、とりわけ太陽からの太陽光である。用語「領域」とは、導波体の上または内部の領域である。したがって隣接領域は、発光材料の成分の変化および／または濃度の変化により分離されている。領域は分離され隔離された領域でも良く、濃度勾配により他から分離されても良い。「領域」はまた「アイランド」とも称される。以下、「発光光学素子」は「光学素子」または「発光対象物」とも称することとし、「光発光」は「発光」とも称する。
光導波体はまた「導波体」とも称される。導波体は、導波体の長さに沿って伸長する入口面と、導波体の一方または両方の端部にある出口面とを有し、放射光は少なくとも部分的に導波体によって出口面に輸送される。大面積に入射する入射光を小面積のエリアに集中させるため、入口面は出口面より長い。したがって光導波体は、（内部全反射を使用して）放射光を出口エリアのある導波体出口面に導くように構成されている。出口エリアは入射光を受光するエリアより小さく、これにより大きなエリアから小さなエリアへ入射光が効率的に集中され、たとえば放射光を受光するように小さな光電池セルを構成することができる。
発光領域を有する発光構造体は、光導波体の上、たとえば入口面の上または反対側の面上に配置することができる。実施形態では、光導波体は表面に***部を有し、発光領域が少なくとも部分的に設けられている。別の実施形態では、発光構造体が光導波体の内側に配置されており、たとえば発光領域の平面として光導波体表面に対して実質的に平行に配置されている。
レンズ構造体は、導波体とは独立して製作された光学的コンポーネントして光導波体上に設けられており、光導波体に実質的に取り付けられている。レンズ構造体は、このレンズ構造体を導波体および／または付加的な光学層に接触（たとえばラミネート）させるための接触層を有する。光学層とは、低ｎ層（ここでｎは層材料の屈折率）または波長選択層であり、その表面は導波体に向いているか、および／またはその表面に光が入射する。レンズ構造体は択一的に、光導波体の製造中に導波体の上部に形成することもできる。たとえばレンズ構造体は、導波体の一体部分として光導波体の上に設けることができる。本発明の実施形態では、レンズ構造体が導波体の形状表面として成形されている。
当業者であれば明かなように、本発明の実施形態は組合わせても実現することができる。
実施形態では、複数のレンズの各々が、複数の発光領域の対応する発光領域に入射光を集光するように配置されている。したがってレンズの数は発光領域の数と同じであり、各レンズが対応する１つの発光領域に割り当てられている。したがって各レンズは１つの発光領域と関連しており、入射光を関連する発光領域に集光するように構成されている。このことにより、入射光の集光と捕捉が効率的になる。
択一的実施形態では、複数のレンズが複数のレンズアレイに配置されており、各レンズアレイは複数のレンズの部分集合を有し、レンズアレイの数は発光領域の数に等しく、複数のレンズアレイの各レンズアレイは、複数の発光領域の対応する発光領域に入射光を集光するように配置されている。したがってレンズアレイの数は発光領域の数と同じであり、レンズアレイは対応する１つの発光領域に割り当てられている。このようなレンズアレイはたとえば円形レンズの複数の列を有し、複数のレンズがそれぞれの列に並べて配置され、レンズの各列は対応するライン形状の発光領域に入射光を集光するように配置されている。対応するライン形状の発光領域はとりわけ、対応するレンズの列と整列されている。このことにより、入射光の集光と捕捉が効率的になる。発光領域の数はレンズの数より有意に少ない。これは発光構造体の製造において、比較的小さい発光領域を多数製造しなければならない実施形態と比較して有利である。
実施形態では複数のレンズが１つのレンズ面に設けられており、レンズ面は導波体に実質的に平行に配置されている。複数のレンズが好ましくは１次元または２次元のアレイに配置されている。したがってレンズはレンズ面に並んで配置されている。レンズ構造体はたとえば***したフォイルとして設けられており、***部はレンズを形成するように成形されている。したがって、レンズが導波体上に積層されたレンズ構造体として発光光学素子が提供される。
実施形態ではレンズが、１つまたは複数の関連する発光領域に入射光を捕捉し、集光するように構成されており、発光光学素子の上表面への入射角は、少なくとも４０°、好ましくは少なくとも６０°、さらに好ましくは少なくとも１２０゜の許容範囲内の角度（φＴ）である。角度範囲は、光学素子の表面への垂線を基準にして、φ１＝−２０°からφ２＝＋２０°より大きく、好ましくはー３０゜から＋３０°より大きく、さらに好ましくは−６０°から＋６０°より大きい。したがって発光光学素子は入射光の方向に対して正確に角度を配向することなく使用することができ、角度を粗く配向しても、発光光学素子の機能効率に対してすでに十分である。したがって発光光学素子により調節される角度許容範囲は日中の大部分で太陽光を効率的に受けることができ、角度許容範囲が比較的大きいので、日中に天空の太陽の軌道を追跡する必要も、季節に応じて調整する必要もない。
実施形態でレンズは、非球面断面を有する非球面レンズである。ここで「非球面レンズ」とは、少なくとも１つの表面が球面の一部でもなく、環状シリンダの一部でもないプロフィールを有するレンズのことであり、「非球面断面」とは、円形ディッシュの一部ではない断面のことである。ここで断面は、レンズの光軸を有する平面内に規定される。光軸は発光光学素子の正面への垂線および／または導波体の上表面への垂線および／または導波体の下表面への垂線に対して実質的に垂直である。レンズの非球面断面は、大きな角度許容範囲を調整するのにとくに適する。非球面断面は次式によりパラメータ化することのできるプロフィールを備える断面とすることができる。
Figure 0005619160
 ここで：
・ｒは半径方向位置であり、レンズ面におけるレンズ中心までの距離に相当し、−Ｒと＋Ｒの間にあり、Ｒはレンズの半径サイズに相当し；
・ｚは半径方向位置の関数としてのレンズの厚さに相当し；
・ｎは２から１０までの整数であり；
・Ｃはレンズの正面の曲率に相当し、Ｃはゼロでない正の値を有し；
・Ｋは円錐定数であり、ゼロでない値を有し；
・Ａ２ｎは複数の多項式係数であり；
ここでは
・ｒは２５μｍから５ｃｍの範囲のレンズの半径サイズに相当する最大値を有し；
・ｚは０.5μｍから１ｃｍの範囲のレンズの高さＨに相当する最大値を有する。
レンズが円形非球面レンズである場合、ｒはレンズの光軸に対する位置であることが分かる。レンズが円柱レンズの場合、ｒは、レンズの光軸を有していてレンズの長手軸に沿って延在する垂線面に対する位置である。
実施形態でレンズは実質的に円形レンズである。円形レンズは好ましくは１次元または２次元のアレイに、正方形タイルまたは六角形タイルを使用して並んで配置される。これにより導波体のすべてのエリアが実質的に覆われ、実質的にすべてのエリアにわたって光が捕捉される。円形レンズは、ドット形状の発光領域を使用する場合にはとくに有利である。円形レンズは好ましくは断面があらゆる方向に非球面であり、すべての方向で大きな角度許容範囲を実現し、好ましくは光軸を中心に回転対称である。
実施形態でレンズは実質的に円柱レンズである。円柱レンズは好ましくは１次元アレイに並置されており、これにより導波体のすべてのエリアが実質的に覆われ、実質的にすべてのエリアにわたって光が捕捉される。円柱レンズは、ライン形状の発光領域が使用される場合にとくに有利であるが、円柱レンズの方向に沿って比較的密に分離され、その方向に対し垂直に比較的広く離間されたドット形状の発光領域とも使用することができる。円柱レンズは好ましくは、短軸に沿って断面が非球面であり、対応する方向で大きな角度許容範囲を実現している。ライン形状の発光領域をこの円柱レンズとともに使用すると、有利にはライン形状の発光領域に対して面平行に比較的大きな角度許容範囲が実現される。
実施形態では発光領域は、光導波体の外表面に設けられている。したがって発光光学素子は、たとえば上に発光領域のある光導波体として簡単に製造することができ、発光領域は適切な技術、たとえば印刷、とくにインクジェット印刷、フォトエンボシング等を使用して施与することができる。発光領域は保護層および／または別の光学層により覆うことができ、この層は低屈折率であるか、または導波体に入力結合される放射光の量を増強するため波長選択性のミラーである。外表面は、レンズ構造体に向いた面に対応した導波体の上部表面とすることができる。択一的に外表面は、導波体の反対表面に対応した底部表面とすることができる。
実施形態では発光領域は、光導波体に埋め込まれている。用語「埋め込まれている」とは、とくに導波体により完全に包囲された発光領域に関連する。好ましくは発光領域は、導波体の中を通り、導波体表面に対して平行に実質的に導波体の中央に伸長する平面に並置されている。このような配置は、前方と後方に放射される放射光の両方を容易に導波体に入力結合することができるので有利である。
実施形態では光導波体は、レンズ構造体の複数のレンズを形成するように成型されている。したがって光導波体とレンズ構造体は光学素子に組み込まれており、導波体とレンズ構造体との間に光学的な境界面がない。このような構成は、光学的境界面での散乱損失が低減されるので有利であり、素子を単純に製造することができる。
好ましい実施形態では、発光光学素子が光導波体とレンズ構造体との積層体を有する。導波体、および独立して作製されるレンズ構造体には、それらの全境界面にわたって良好な光学的接触を付与することができる。さらにこの積層体はとりわけ頑強であり、発光光学素子またはそのような発光光学素子を備える太陽電池システムに取り付ける際に容易に取り扱うことができる。
実施形態では、レンズ構造体は低屈折率の層を有し、この低屈折率の層は光導波体よりも小さい屈折率を有する。低屈折率層はレンズ構造体の上部の上に、すなわち入射光が入射するレンズ構造体の表面上にあるか、または好ましくは光導波体とレンズの間にある。用語「低屈折率層」とは、隣接する層、とりわけ導波体の屈折率よりも小さい屈折率を有する層である。低屈折率層は有利には、導波体に入力結合され、導波体に沿って導波体と低屈折率層との間を実質的に内部全反射で案内される放射光および／または導波体から逃散した場合に導波体に再導入され、さらに導波体に沿って案内される放射光の量を増大する。低屈折率層は択一的にまたは付加的に、導波体の下方表面に設けることができる。
実施形態では、レンズ構造体は波長選択性のミラーを有する。波長選択性のミラー層は、外部光源からの光に対して少なくとも部分的に透過性であり、好ましくは少なくとも透過率７５％、さらに好ましくは少なくとも透過率９０％であり、波長選択性のミラー層は放射光に対して少なくとも部分的に反射性であり、好ましくは少なくとも反射率５０％であり、さらに好ましくは少なくとも反射率７５％であり、より好ましくは少なくとも反射率９０％であり、波長選択性のミラー層は、外部光源からの光を少なくとも部分的に透過し、放射光の少なくとも一部を光導波体に反射するように構成されている。波長選択性ミラー層はレンズ構造体の上部の上に、すなわち入射光が入射するレンズ構造体の表面上にあるか、または好ましくは光導波体とレンズとの間にある。波長選択性ミラー層は択一的にまたは付加的に、導波体の下部面に設けることができる。波長選択性ミラー層は有利には、導波体から逃散した場合に導波体に再導入され、導波体に沿ってさらに案内される放射光の量を増大する。さらに波長選択性ミラー層は、発光領域に集光される入射光の量を実質的に維持する。波長選択性ミラー層は、１つまたは複数のキラル・ネマチック（コレスティック）層を有する。波長選択性ミラー層が透過性である波長範囲は、透過帯域と称される。波長選択性ミラー層が（垂直入射で測定して）反射性である波長範囲は、反射帯域と称される。別の実施形態では波長選択性ミラー層の透過率は、反射帯域の外の波長の光に対して少なくとも７５％である。さらに別の実施形態では波長選択性ミラー層の反射率は、透過帯域の外の波長の光に対して少なくとも５０％である。
発光構造体は、５〜７５％、好ましくは５〜５０％、さらに好ましくは５〜３０％、さらにより好ましくは１０〜３０％の被覆面積率を有する。発光光学素子の効率は、（発光材料の連続層に対して）この範囲の被覆面積率により有利に改善される。ここで「被覆面積率」とは、光発光構造体が導波体の外表面に設けられている場合に、光発光構造体の発光領域により覆われている導波体表面の割合として定義される。光発光構造体が導波体内に埋め込まれている場合、「被覆面積率」は、発光構造体が上方から導波体表面に投影される面積を基準にした被覆面積のパーセントとして定義され、とりわけ発光領域が導波体に沿って伸長する面内に設けられている場合には、「被覆面積率」はこの面の全面積に対する光発光材料を有する面の面積のパーセントとして定義される。
実施形態では発光領域は、一般的にドット形状である。ドット形状の発光領域は実質的に円形、正方形、六角形である。発光領域の形状と配置は、レンズの形状と配置に実質的に類似しており、たとえば円形レンズを有する円形領域が密に実装されたアレイに対応して六角形に配置されている。すべての発光領域の被覆面積率は好ましくは上記のとおりである。
択一的実施形態では発光領域は、一般的にライン形状である。発光領域の形状と配置は、レンズの形状と配置に実質的に類似しており、たとえば円形レンズを有するライン形状の領域が対応して平行ラインの１次元アレイに配置されている。すべての発光領域の被覆面積率は好ましくは上記のとおりである。
実施形態では発光光学素子は、１０μｍから２ｃｍの範囲、好ましくは１０μｍから５ｍｍの範囲の厚さを有する。したがってさらに軽量で取扱いが比較的容易な薄い発光光学素子が設けられている。このような比較的に薄い発光光学素子はまたフレキシブルである。
実施形態でレンズは、５μｍから２ｃｍの範囲、好ましくは５μｍから５ｍｍの範囲の最小幅を有する。すなわち円形レンズは５μｍから２ｃｍの範囲、好ましくは５μｍから５ｍｍの範囲の直径を有し、円柱レンズは５μｍから２ｃｍ、好ましくは５μｍから５ｍｍの範囲の短軸を有する。したがって発光光学素子には比較的多数のレンズが設けられている。これらの小さいレンズは、とりわけ直径が５ｃｍ以上のレンズと比較して、比較的大きな製造公差で比較的容易に作製される。さらに小レンズは、比較的細い導波体とともに有利に使用される。
実施形態で発光領域は、１μｍから１ｃｍの範囲、好ましくは１μｍから４ｍｍの範囲の最小幅を有する。すなわちドット形状の領域は１μｍから１ｃｍ、好ましくは１μｍから４ｍｍの範囲の直径を有し、ライン形状の領域は１μｍから１ｃｍ、好ましくは１μｍから１ｍｍの範囲のライン幅を有する。
実施形態では導波体は、１０μｍから２ｃｍの範囲、好ましくは１０μｍから５ｍｍの範囲の太さを有する。このような太さは、上記のような大きさの領域および／またはレンズを使用する場合に有利であり、とりわけ大きな公差で製造および／または使用される頑強なシステムを可能にする。
発光光学素子はフレキシブルであり、８０ｃｍ以下、好ましくは５０ｃｍ以下、より好ましくは２０ｃｍ以下の曲率で信頼性があり、および／または曲げ可能である。これにより発光光学素子の輸送が容易あり、設置も容易である。発光光学素子は、非平坦条件で成型されても動作するように構成することができる。
実施形態では複数の発光光学素子が発光材料を含み、発光材料は発光領域と光導波体との境界面に対して０°から８５゜、好ましくは５°から８５゜、より好ましくは５°から７０゜、さらにより好ましくは３０゜から７０゜の範囲の予備傾斜角を有するよう配向された発光材料である。このように配向された発光材料は、ＥＰ１８５４１５１に記載されている。したがって導波体に入力結合される放射光の効率が改善される。さらに光輸送の効率も、導波体表面に対して比較的小さな角度で配向されていれば、放射光が導波体に沿った輸送中にさほど反射されないので改善される。
実施形態で発光材料を含む複数の発光領域は、蛍光色素材料を有する。蛍光色素材料は、本発明の発光光学素子に良く適する。蛍光色素材料は、ＢＡＳＦ社からLumogen Red305, Yellow083, Orange240およびViolet570の名前で提供されている市販の蛍光色素である。市販の蛍光色素を使用することは経済的に有利である。本発明の発光光学素子により光導波体に沿った輸送効率が改善され、しかもストークスシフトおよび／また放射光の蛍光色素への再吸収に対する要求が厳しくないので、公知の発光素子（ここではストークスシフトが小さくおよび／または再吸収が大きいと輸送効率が低下する）で可能であるよりも広範囲の発光色素から発光材料を選択することができる。
実施形態で、発光材料は使用中に、３００〜２５００ｎｍ、好ましくは４００〜１５００ｎｍ、さらに好ましくは８００〜１２００ｎｍ、さらにより好ましくは１０００〜１２００ｎｍの波長範囲の放射光を放射する。このような範囲はとくに光電池セルにより電気エネルギーに効率的に変換するのに適し、放射光が約１１００ｎｍおよび／または放射光が狭いスペクトル幅を有する場合にもっとも効率的である。８００〜１２００ｎｍ、好ましくは１０００〜１２００ｎｍの範囲の放射光は、とくに３５０〜１０００ｎｍの波長範囲が主要成分である励起光により発光材料が励起されるよう構成された場合には、放射光を励起光からスペクトル的に大きく分離できるので有利である。
実施形態では、発光材料は使用中に、３００〜２５００ｎｍ、好ましくは３００〜１５００ｎｍ、より好ましくは３５０〜１０００ｎｍの波長範囲の励起光により励起されるよう構成されている。このような波長範囲では、量子効率の高い発光材料を使用することができ、結果として入射光（励起光）から放射光への変化効率が高くなる。３００〜２５００ｎｍ、好ましくは３００〜１５００ｎｍの範囲は、太陽光スペクトルの主要成分を使用するので有利である。３００〜１５００ｎｍ、好ましくは３５０〜１０００ｎｍの範囲は、放射光が１０００〜１２００ｎｍの範囲にあるときに大きな輸送効率が得られるのでとくに有利である。これにより放射光と励起光が大きく分離される。
発光粒子または発光分子は、光子を吸収し、光子のエネルギー（の一部）を再放出することを特徴とする。発光は蛍光、燐光または他の崩壊であって良く、これにより光子が放射される。空気中の光子の波長は３００〜１５００ｎｍである。発光色素は、光学的スペクトルの特定の波長範囲、と好ましくは肉眼の可視スペクトルにわたって光を吸収することができる、吸収された光子エネルギーの大部分は、比較的波長の長い光子として再び放射される。吸収された光子と放射される光子の伝播方向は互いに直接結合されていない。さらに発光色素の用語は、発光分子または発光量子ドットを含む。量子ドットとは、励起子が３つの空間方向すべてで制限された半導体粒子を意味する。したがって広い波長範囲にわたって光を吸収し、吸収されたエネルギーを光子として狭い波長範囲で放射することができる。放射確率は、分子または粒子の量子効率により表される。量子効率は、放射された光子数と吸収された光子数との比として定義される。ここでは量子効率が８％より大きい粒子または分子が発光粒子または発光分子とみなされる。量子効率は常に関連のホスト材料で測定すべきである。量子効率は環境に大きく依存するからである。
光子のリリースは、たとえば熱崩壊のような他の崩壊、または感光性色素での光電子の分離から発光を区別する。
本発明の第３の側面は、本発明による発光光学素子の製造方法であり、この製造方法は、
ａ．複数のレンズを有するレンズ構造体を光導波体に施与する工程；
ｂ．発光材料を有する非光硬化層を光導波体に施与する工程；
ｃ．レンズ構造体を通して非光硬化層を露出光により露光し、非光硬化層の非光硬化環境内に露光され光硬化された複数の発光領域を形成する工程；
ｄ．非光硬化環境を取り除き、一方露光され光硬化された複数の発光領域を発光構造体として維持し、この発光構造体が励起光による励起に基づいて放射光を放射するように構成された複数の発光領域を有するようにする工程；を有する。
この方法により有利には、とくに多数のレンズおよび／または小型の発光領域を有する場合には、導波体の上部表面にレンズ構造体を有し、導波体の底部表面に発光領域を有する発光光学素子を製造することができる。この方法はとりわけ、発光構造体が複数の発光領域を備える場合に、レンズ構造体の複数のレンズを整列する必要がない（すなわち発光構造体とは独立して形成される）点で有利である。さらにこの方法はロール・ツー・ロール法で使用することができる。
別の実施形態では、この方法により、発光領域が導波体に埋め込まれた導波体表面上にレンズ構造体を有する発光光学素子を製造することができる。そのためのこの方法はさらに、
ｅ．露光された複数の発光領域を光導波体に埋め込むように光導波体を拡張するために、別の光導波体を前記光導波体に施与する工程；を有する。
この別の光導波体と前記光導波体は、前記方法の工程ａで設けられ、したがってともに発光領域を埋め込んだ光導波体を形成する。
本発明の第４の側面は、本発明による発光光学素子の製造方法であり、この製造方法は、
ａ．複数のレンズを備えるレンズ構造体に、発光材料を有する非光硬化層を施与する工程；
ｂ．レンズ構造体を通して非光硬化層を露出光により露光し、非光硬化層の非光硬化環境内に、露光され光硬化された複数の発光領域を形成する工程；
ｃ．非光硬化環境を取り除き、一方露光され光硬化された複数の発光領域を複数の発光構造体として維持し、この発光構造体が励起光による励起に基づいて放射光を放射するように構成する工程；
ｄ．光導波体をレンズ構造体に取付け、該光導波体が露光された複数の発光領域と接触するようにする工程；を有する。
この方法により有利には、とくに多数のレンズおよび／または小型の発光領域を有する場合には、導波体の上部面にレンズ構造体を有し、導波体のレンズ構造体と上部面との間に発光領域を有する発光光学素子を製造することができる。
本発明は第５の側面で、次のような太陽電池システムを提供する。
ａ．本発明の発光光学素子と、
ｂ．光電池セルとを有する太陽電池システムであって、該光電池セルは導波体からの放射光を受光するように構成されており、
光導波体は、放射光の少なくとも一部が光導波体から逃散することができるよう構成された光学的出口面を有し、
光電池セルは受光面を有し、該受光面は、光導波体の光学的出口面から逃散した放射光を受光するように構成されている太陽電池システム。
この太陽電池システムの利点は、発光光学素子の説明から明らかである。太陽電池セルは、たとえば取り付けることにより１つまたは２つまたはそれ以上の導波体のエッジから受光するように構成することができる。導波体は３つ、４つまたはそれ以上の側を有することができる。光電池セルはエッジにだけではなく、同様に導波体の上部または底部表面に取り付けることができる。
実施形態では、光学的出口面と受光面とは互いに接触している。これにより有利には、放射光を光学素子から光電池セルに効率的に輸送することができる。
実施形態では太陽電池システムはさらに集光導波体を有し、この集光導波体は光導波体の光学的出口面から逃散した放射光を受光し、受光した放射光を受光面に輸送するように構成されている。したがって受光面は、光導波体の光学的出口面から逃散した放射光を受光するように構成されている。この集光導波体により、受光面のサイズを低減することができ、このことはさらに光電池セルのコスト低減に反映される。
本発明の第６の側面は、光電池セルから電気エネルギーを供給するための、本発明による太陽電子ステムの使用法である。この使用法は電気エネルギーを高効率で提供することができる。さらにこの使用法は、比較的低コストで電気エネルギーを供給することができる。なぜなら本発明の太陽電子ステムにはさほど費用が掛らないからである。さらなる利点は、上記発光光学素子の説明から明らかである。
本発明の第７の側面は、外部光源、有利には太陽から供給された入射光を集束するための、本発明による発光光学素子の使用法に関する。このような使用法は、入射光を高効率で、たとえば光電池セルまたは択一的に太陽炉のような他の素子に集束することができる。後者の場合、入射光は液体を直接加熱し、熱が熱交換器を使用して液体から抽出され、電気エネルギーに変換される。このような使用法は入射光を集束し、室内を照明するためにも使用することができる。この場合、建物の外側に配置された本発明の発光光学素子が使用され、これから集束された光が導波体および／または光パイプを通して室内に案内される。さらなる利点は、上記発光光学素子の説明から明らかである。
ここに使用される用語「発光」とは、光の吸収または十分な量子エネルギーの他の放射に基づいて光を放射する材料の能力を意味する。この用語は、蛍光と燐光の両方を含む。
ここに使用される用語「光」は、肉眼に可視のまたは不可視の光学的放射を意味する。
用語「光学的放射」とは、１００ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲の電磁放射を意味する。
ここに使用される用語「ホトルミネセンス」は、吸収された光により発生される発光を意味する。用語「発光」と「ホトルミネセンス」はここでは区別なく使用される。
ここえ「発光材料」とも称される用語「ホトルミネセンス材料」は、ホトルミネセンス能力のある、イオンも含めた原子または分子である。用語「ホトルミネセンス材料」はまた、２つ以上の異なるホトルミネセンス成分の組合わせ、たとえば２つ以上の異なるホトルミネセンス分子の組合わせも含む。用語「ホトルミネセンス材料」はまた、蛍光分子、蛍光ポリマーおよび／または蛍光コポリマーを有するゲスト・ホストシステムも含む。
ここに使用される用語「光導波体」または「導波体」は、光を輸送し、入力から所望の出力への光学的放射を制限する光学的要素を意味する。用語「導波体」は、屈折率が一様である光学的要素を意味し、たとえば透明材料の平坦なプレートである。択一的には、屈折率がその体積により変化する（これは傾斜屈折率とも呼ばれる）光学的要素を意味することもある。用語「導波体」はとりわけ、光を内部全反射により効率的に伝播することのできる光学的要素に関連する。
ここに使用される用語「輸送」は、太陽光および／またはホトルミネセンス材料により放射された光の大部分を材料が輸送することを意味する。より詳細には用語「輸送」は、入射光に露出された対象物の表面に対して垂直に入射する光に対して測定して、前記材料が少なくとも５０％、有利には少なくとも６０％、より好ましくは少なくとも７０％、もっとも好ましくは少なくとも９０％の光を輸送することを意味する。
ここに使用される用語「輸送導波体」は、導波体が太陽光および／またはホトルミネセンス材料により放射された光の大部分を輸送することを意味する。より詳細には用語「輸送導波体」は、導波体に垂直に入射する光に対して測定した光の少なくとも５０％、有利には少なくとも７０％を前記導波体が輸送することを意味する。
ここに使用される用語「反射性」は、入射する太陽光および／またはホトルミネセンス材料により放射された光の大部分を材料が反射することを意味する。より詳細には用語「反射性」は、前記材料が前記光の少なくとも５０％、有利には少なくとも６０％、より有利には少なくとも８０％、もっとも有利には少なくとも９０％を反射することを意味する。材料の反射性は、反射面に対して垂直に入射する光に対して定義される。
ここに使用される用語「透過性」は、太陽光および／またはホトルミネセンス材料により放射された光の大部分を材料が透過することを意味する。より詳細には用語「透過性」は、前記材料が前記光の少なくとも５０％、有利には少なくとも６０％、より有利には少なくとも７５％、もっとも有利には少なくとも９０％を透過することを意味する。材料の透過性は、透過面に対して垂直に入射する光に対して定義される。
ここで使用される用語「波長選択性ミラー」とは、特定の波長では透過性であり、他の波長では反射性であり、オプションとして偏光選択性と組み合わされたミラーのことである。このようなミラーの様々な形態で文献から公知である。
用語「キラル・ネマチック・ポリマーのコレスティック層」とは、メソゲン基が層の表面に主として平行に配置されており、分子が互いを基準にして、キラル反応または非反応性ドーパントにより誘発される所定の方向に回転しているポリマーを含む層のことである。
このようなコレスティック層は波長選択性ミラーを形成する。この波長選択性ミラーは波長を調整することができ（たとえばKatsis et al (1999) Chem. Mater. 11,1590参照)、帯域幅を調整することができる（たとえばBroer et al (1995) Nature 378, 467参照）。
用語「屈折率」とは、光学的放射が受ける屈折率のことであり、とりわけ光学的放射の波長が受ける屈折率、および／または光学的放射の複数の波長が受ける複数の屈折率のことである。
用語「導波体の屈折率」とは、等方性状態にある導波体の屈折率のことである。特別な場合では、製造工程中の流れのために複屈折を示す指向性のある導波体を使用することができる。導波体がその体積を通じて屈折率を変化する場合、用語「導波体の屈折率」とは光学的放射または光が屈折率を受ける個所の屈折率のことである。
本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。図面中、対応する参照符合は対応する部分を表す。
従来技術による発光光学素子を概略的に示す図である。 従来技術による発光光学素子を概略的に示す図である。 本発明の第１の側面の作用を示す図である。 平面色勾配を示す本発明の素子の正面図である。 導波体の平面にある複数の色素の濃度で変化する本発明のＬＣＣを概略的に示す図である。 散乱層を有する図３のシステムを示す図である。 システムの底部に色素を備えるＬＳＣを概略的に示す図である。 １つの色素が上部にパターン化されており、別に色素が底部層を完全に覆っているＬＳＣを概略的に示す図である。 濃度の変化する色素が満たされた導波体を有するＬＳＣを概略的に示す図である。 発光色素のパターンをイルミネーションするために照明を使用するシステムの使用法を示す図である。 出力結合される構造体を使用するシステムの使用法を示す図である。 本発明の第１の側面による別の有利な実施形態を概略的に示す図である。 本発明の第１の側面による別の有利な実施形態を概略的に示す図である。 本発明の第１の側面による別の有利な実施形態を概略的に示す図である。 本発明の発光光学素子を概略的に示す図である。 本発明の発光光学素子の使用法を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による発光光学素子を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による発光光学素子を概略的に示す図である。 本発明の発光光学素子の効率を例として示す線図である。 本発明の実施形態による非球面レンズを備えるレンズ構造体の断面を概略的に示す図である。 本発明の発光光学素子の実施形態での発光構造体の種々の構成を示す図である。 本発明の発光光学素子の実施形態での発光構造体の種々の構成を示す図である。 本発明の発光光学素子の別の実施形態を示す図である。 本発明の太陽電池システムの実施形態を概略的に示す図である。 ａ〜ｅは本発明の発光光学素子の製造方法を概略的に示す図であり、ｆは本発明の発光光学素子の別の製造方法を概略的に示す図である。
図１は、従来技術による光電池セル（ＰＶセル、図示されていない）とともに使用するための発光光学素子１０ａを概略的に示す。発光層１０００が平坦な導波体２００の上に、たとえば３０ｃｍ×３０ｃｍの面積、１ｃｍの厚さで積層されている。入射光１、たとえば太陽光が発光光学素子１０ａに入射すると、入射光１２は導波体２００の上部面２０１から導波体２００を通って、導波体２００の下部面２０２上に設けられた発光層１０００に達する。発光層１０００は、入射光による励起に基づいて放射光２を放射する発光材料を含む連続層である。より詳細には、入射光のスペクトルの少なくとも一部が励起光となる。図示の例で、発光層は等方性に配置された複数のホトルミネセンス色素分子を含み、したがってホトルミネセンス色素分子が実質的に全方向で放射光を放射する。図１は、入射光の光線１’から発光層１０００にある発光材料の第１の体積１００１により放射されて生じた放射光２を示す。放射光２は導波体２００に部分的に入力結合され、導波体の上部面２０１での内部全反射により伝播し、少なくとも部分的に導波体２００の下部面２０２で反射される。これは放射光の光線３と４により示されている。光線３と４が図１に概略的に示すように表面２０２の位置１００２と１００３で（部分的に）反射されても、光線は実際には位置１００３と１００２で発光層１００内に伝播し、発光層を通って発光層１０００で再吸収されなければ発光層の底部面でだけ実際に（部分的に）反射されることが、当業者には理解されよう。放射光２の一部は導波体２００に入力結合されないので損失となる。たとえば放射光の光線５は、入射角が結晶角の外にあるので導波体の上部面２０１で完全に反射されない。放射光２は一般的には、発光材料のストークシフトが制限されているため励起光のスペクトル範囲内にある光学的放射を有することになる。そして放射光２の一部は、放射光が導波体２００に沿って伝播する間に発光層１０００により、図１に示す光線経路３の上にある発光材料の第２の体積１００２で再吸収されることになる。また放射光２の一部は導波体２００から散乱する。発光層１０００が体積１００２で内部全反射を阻害するからである。導波体２００が有意な長さであれば、放射光２，３，４は何回も再吸収され、発光層１００２で散乱し、結果として、放射光２が導波体の出口エリアおよびＰＶセルに入力結合される効率が低下する。
図３は、本発明の第１の側面の作用を示す図である。図３は、図１の発光素子１０ａとは少なくとも発光層１０００が発光材料の複数の発光領域１１０を有する発光構造体１００によって置換されている点で異なる発光光学素子１０ｂを示す。発光領域１１０は導波体２００の下部面２０２に沿って配置されており、隣接する発光領域との間に空間を有する。したがってクリアな導波体面が発光領域間に設けられており、これは図３に位置１０２により示されている。この位置は図１の体積１００２の位置と同じである。ここで「クリアな導波体面」とは、発光材料により覆われていない導波体面の部分を意味する。結果として、放射光の一部、たとえば光線３は発光材料とそれ以上交差することなく導波体２００に沿って伝播することができ、伝播の間導波体の上部面２０１と下部面２０２の両方で内部全反射を受ける。しかし放射光の別の部分、たとえば光線４は伝播の間に相変わらずさらなる交差を受けることとなる。光線４は別の発光領域１１０に遭遇することになるからである。この別の部分は再吸収され、伝播中に遭遇する発光材料１０３の体積で部分的に再放射される。したがって導波体に沿って輸送される放射光の効率が有利に上昇する。この効率の上昇は、導波体２００の下部面２０２が発光領域１１０に覆われている相対的面積に依存する。しかし放射光２への入射光１の変換効率が低下する。なぜなら入射光１の一部が発光領域１１０に遭遇せず、実質的に影響を受けずに発光光学素子１０ｂを去ることになるからである。図３は、入射光線１ａが発光領域１１０の１つに入射し、放射光２を発生するが、入射光線１ｂは発光領域１１０に遭遇しないことを示している。
図５は本発明の一実施形態を示す。発光色素の濃度が変化する色素層が導波体の上にコーティングされている。発光色素は発光した光の一部を導波モードへ放射する。この光は、光電池セルを使用して電気エネルギーに変換するプレートの側に導波される。
別の好ましい実施形態では、発光色素が導波体の上部にフィルムとして存在する。
ＬＳＣで公知のすべての態様をこのシステムに適用することができる。たとえばこのシステムは、散乱バックグランド層（図６）と組合わせて使用することができる。
このシステムは、無機または有機のフォトニクス層積層体またはコレスティック層のような選択的反射層と関連して使用することができる。このシステムは、付加的な光学的作用のために部分的遮光層と関連して使用することもできる。
色素はシステムに種々の深さで適用することができる。図７は、発光色素層が導波体の下部に配置されている構成を示す。図８は、１つの発光色素が上部面でパターン化されており、別の発光色素が下部層にある構成を示す。図９は、色素が導波体の深さでは均等に分散されており、しかし導波体の幅ではパターン化されている「充填」導波体の構成を示す。
色および強度での識別可能な差は色素濃度の変化から生じるものであり、以下のように測定することができる。スペクトルデータは、既知のスペクトルと強度を有する光源、たとえばスペクトロフォトメータを使用してＬＳＣの複数のスポットで記録された。これらのスペクトルデータは、透過モードまたは反射モードで記録された。透過はＬＳＣが後方にある光源とともに使用される場合に対するものであり、反射はＬＳＣが前方から照明される場合である。これらのデータと光源のスペクトルデータおよび強度により、観察される色を関連の色空間、たとえばＣＩＥ１９７６（Ｌ＊ａ＊ｂ＊）色空間について計算することができる。色空間における異なる点は異なる色が観察されることを意味する。
導波体はファイバ導波体またはフラットプレート導波体とすることができる。好ましくは導波体はフラットプレート導波体である。オプションとして、光の局所的出力結合を促進するためにフラットプレート導波体とは択一的な幾何形状もある。
システムの１つの使用可能性が図１０に示されている。ＬＳＣにより発生されたエネルギーが蓄積され、所望の時点でＬＳＣの色素パターンを照明するために使用される。ＬＳＣは、このＬＳＣの後方に配置されたランプを使用するか、またはオプションとして、ランプは光を入力結合するためＬＳＣに結合されている。
照明が使用される場合、フラットプレート導波体を三角の刻み目のような幾何的出力結合構造体により変形し、導波体からの局所的出力結合を促進することができる。図１１はこの状況を示す。
このように設計されたＬＳＣは通常のサイン伝達よりも有利である。なぜならＬＳＣ信号は太陽エネルギーから発電することができるが、通常のサイン伝達はできないからである。
図１２は、パターン化されたＬＳＣにより日中に発電された電気が電気エネルギー蓄積器に蓄積される好ましい実施形態を示す。ＬＳＣにより吸収されなかった光は観察者に対して後方にある散乱体によって後方散乱される。夜は、ＬＳＣと散乱体との間に配置されたバックライトがサインの照明を行う。バックライトの代わりに、フロントライを使用することもできる。
図１３は、色の異なる領域がプレートで物理的に重ならないようパターン化された別の好ましい実施形態を概略的に示す。色の混合はドットまたはピクセルを使用して行われる。
色の異なる領域が互いの上部に積層されていると有利であり、もっとも長い波長（赤または青）を吸収する色が、それより短い波長（黄色、緑、またはオレンジ）を吸収する色の上部にプリントされる。たとえば図１４ａは、図１４ｂの状況よりも好ましい。これは一般的にＬＳＣ出力を大きくするので有利である。
図１５は、本発明の発光光学素子１０を概略的に示す図である。発光光学素子１０は図３の発光光学素子１０ｂとは、発光光学素子１０がさらに複数のレンズ３１０を含むレンズ構造体３００を有する点で異なる。複数のレンズ３１０の各レンズ３１０は、発光構造体２００の複数の発光領域１１０のそれぞれに入射光を集光するように構成されている。その結果、光線１ａは光線１ｂと同じように発光領域１１０に輸送される。上部面２０１は好ましくは複数のレンズ３１０によって完全に覆われており、発光光学素子１０への入射光は発光構造体２００の発光領域１１０にある発光材料に入射する。したがって入射光は発光材料に効率的に向けられる。したがって入射光１の放射光２への変換効率が改善される。
図１６は、本発明の発光光学素子１０の使用法を概略的に示す図である。図１６は発光光学素子１０の上部面１１を示し、この発光光学素子は導波体２００、レンズ構造体３００、および複数の発光領域１１０を含む発光構造体１００に対して実質的に平行である。上部面１１は、上部面の平面に対して垂直の垂線１２を有する。入射光１−１の第１の角度方向φ１と入射光１−２の第２の角度方向φ２は、垂線１２を基準にして示されている。発光光学素子１０は、入射光が発光光学素子１０により第１の角度方向φ１と第２の角度方向φ２との間の角度方向で受光されるときに、入射光を複数の発光領域１１０に集光するよう構成されている。角度許容範囲φＴは、第１の角度方向φ１と第２の角度方向φ２との間の差の絶対値として定義することができる。角度許容範囲φＴは、たとえばφ１＝−２０°からφ２＝＋２０°での４０°、または−３０°から＋３０°での６０゜、または−６０°から＋６０°での１２０゜である。角度許容範囲は、水平に対しても定義することができ、日中の太陽の仰角の変化に対応する。角度許容範囲は、南北方向に対しても定義することができ、日中に太陽が東から西へ移動する間のアジマス角の変化に対応する。第１の角度許容範囲が水平に対して定義され、第２の角度許容範囲が垂直に対して定義されることも可能である。本発明の発光光学素子１０は太陽の位置にほとんど関係なく太陽光を効率的に受光するために使用することができる。すなわち、日中の時間および季節の日付にほとんど依存しない。
図１６は、光学的出口面２０５を有する発光光学素子１０を示す。ここでは放射光が発光領域１１０から導波体２００を通って光学的出口面２０５に輸送された後に、放射光を放射光素子６としての導波体２００から光電池セルに出力結合することができる。
角度許容範囲は、レンズ、導波体および発光構造体の設計から決められる。発光領域１１０が比較的小さい場合、レンズ３１０は好ましくは非球面レンズであり、その焦点は発光領域１１０の位置に、入射光が角度許容範囲内になるよう維持されるように構成される。
図１７は、本発明の第１の実施形態の発光光学素子１０を概略的に示す図である。レンズ構造体３００は複数のレンズ３１０を有し、これらのレンズは短軸に対して垂直の長軸に沿って伸長する。レンズ３１０は、それぞれのレンズ３１０の長軸に対して平行に伸長する線形の発光領域１１０上に線形の焦点を有する。これらのレンズはさらに好ましくはシリンダレンズ３１０Ｌである。シリンダレンズ３１０Ｌは、１次元アレイに並置されている。各シリンダレンズは、レンズ３１０Ｌの短軸上に非球面横断面を有する。この横断面は、レンズ３１０Ｌの長軸上では実質的に一定である。発光光学素子１０は好ましくは使用中に、シリンダレンズ３１０Ｌの長軸が東西に配向されており、その短軸が南北に配向されるように使用される。これにより太陽光が発光領域３１０に、太陽の高度軌道の大部分にわたって集束される。
図１８は、本発明の第２の実施形態の発光光学素子１０を概略的に示す図である。レンズ構造体３００は複数のレンズ３１０を有し、これらのレンズの形状は（上から見て）実質的に円形であり、レンズ３１０はそれぞれドット形状の発光領域１１０上にドット形状の焦点を有する。これらのレンズはさらに好ましくは円形レンズ３１０Ｃである。円形レンズ３１０Ｃは、２次元アレイに並置されている。図示の例で２次元アレイは正方形グリッドであるが、２次元アレイは六角形アレイでも良く、この場合、円形レンズ３１０Ｃは密に実装されて配置される。発光領域３１０も対応して２次元アレイに配置されている。各円形レンズ３１０Ｃは直径にわたり非球面断面をいずれの方向にも有する。これは、太陽の高度軌道の大部分にわたって大きな角度許容範囲を提供するように構成されている。角度許容範囲が６０゜であれば、導波体２００の底部面２０２に対する発光領域３１０の被覆面積率が３０％である場合に、−３０°から＋３０°の間の角度で太陽光入射が許容される。好ましく実施形態では、角度許容範囲が９０°より大きければ、導波体２００の底部面２０２に対する発光領域３１０の被覆面積率が３０％である場合に、−４５°から＋４５°の間の角度で太陽光入射が許容される。
図１９は、本発明の発光光学素子１０の効率を例として示す線図である。図１９は、本発明の発光光学素子１０について、導波体２００の底部面２０２に対するライン状の発光領域３１０Ｌの被覆面積率Ｃの関数として効率εを示す。例としての発光光学素子１０は、ＰＭＭＡ導波体２００と、市販色素からなる１０個のライン形状の発光領域３１０とを有し、市販色素はＢＡＳＦ社からのLumogen Red305色素、架橋アクリル酸塩である。この例で導波体２００は５ｍｍの厚さと、５０×５０ｍｍの大きさを有する。効率εは、
ε＝Ｐ（放射）／Ｐ（吸収）［％］として定義される。
ここでＰ（吸収）は発光領域により吸収される入射光のパワーであり、Ｐ（放射）は発光光学素子１０（図１６参照）より放射される放射光２のパワーである。測定シーケンス５１０が図示されており、測定５１１，５１２，５１３，５１４，５１５，５１６，５１７はそれぞれ被覆面積率８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％に対するものである。効率εは、本発明の光学素子に対して約２２％から２５％で変動する。図１９はまた被覆面積率１００％についての効率εの測定５００を示す。このような光学素子に対して効率は近似的に１６．５％であり、これは図１に示されるように従来の素子１０ａに対して典型的なものである。したがって本発明の光学素子は、効率を１６．５％から２２〜２５％に有意に上昇している。すなわち相対的上昇率は約３３〜５０％である。
図２０は、本発明の実施形態による非球面レンズ３１０を備えるレンズ構造体３００の断面を概略的に示す図である。図２０は、１つのレンズ３１０についての入射光１−１、１−２を示す。入射光１−１、１−２は、領域サイズＳを有する対応の発光領域１１０に集光される。この領域サイズは領域直径とも称される。とりわけ第１の角度方向φ１＝−３０°で入射する入射光１−１は発光領域１１０の部分１１１に集光され、第２の角度方向φ２＝＋３０゜で入射する入射光１−２は発光領域１１０の部分１１２に集光される。部分１１１と１１２はこの例では部分的に重なっている。非球面レンズ３１０は、次の一般式により定義することのできる断面を有する。
Figure 0005619160
 ここで：
・ｒは半径方向位置であり、レンズ面におけるレンズ中心までの距離に相当し、−Ｒと＋Ｒの間にあり、Ｒはレンズ半径であり；
・ｚは半径方向位置の関数としてのレンズの厚さに相当し；
・ｎは２から１０までの整数であり；
・Ｃはレンズの正面の曲率に相当し、Ｃはゼロでない正の値を有し；
・Ｋは円錐定数であり、ゼロでない値を有し；
・Ａ２ｎは複数の多項式係数である。
この例としてのレンズはレンズ半径Ｒ＝０．４７ｍｍであり、０．９４ｍｍのレンズ直径に対応し、レンズ厚は約０．４ｍｍであり、円錐定数はＫ＝−０．２４３３、曲率Ｃ＝２．０５３８ｍｍ、Ａ４＝１．２３５、Ａ６＝３．３６６、Ａ８＝５．８６３であり、高次係数Ａ１０，．．．Ａ２０＝０である。このレンズは例としての発光光学素子１０に使用され、導波体は０．１ｍｍの厚さを有する。発光領域１１０はレンズ３１０を基準にして配向されている。各発光領域は、０．５４ｍｍの直径Ｓを有するドット形状の円形領域である。他の例としての発光光学素子は、たとえば約０．６５ｍｍの長さ、約０．５４ｍｍの幅Ｓをそれぞれ備える正方形のドット状領域、または長軸が約０．６５ｍｍ、短軸Ｓが約０．５４ｍｍの楕円形のドット状領域、または約０．５４ｍｍのライン幅で導波体の長手に沿って伸長するライン状の領域を有することができる。本例の発光光学素子１０は、約φ１＝−３０°からφ２＝＋３０°の約φＴ＝６０°の角度許容範囲φＴに対して設計されており、角度方向は領域寸法Ｓに関連する。
領域が実質的にライン状の領域であれば、各ライン状の領域は対応の１つのシリンダレンズ３１０Ｌに関連することができる。択一的に複数のレンズを複数のレンズアレイに配置することができる。この場合、各レンズアレイは複数のレンズの部分集合を有し、ライン状の各領域は対応の１つの部分集合に関連する。各部分集合はライン状の領域と配向して並置された複数の円形レンズ３１０Ｃを有することができ、入射光をライン状の領域に集束するように構成されている。
図２１ａから図２１ｄは、本発明の発光光学素子１０の実施形態での発光構造体３００の種々の構成を示す図である。
図２１は、フラットプレート導波体２００の上部面に取り付けられたレンズ構造体３００を有する発光光学素子１０を示す。レンズ構造体３００は、導波体２００上に並置された複数のレンズ３１０からなる。発光領域１１０からなる発光構造体１１０は、フラットプレート導波体２００の平坦な下部面上に設けられている。
図２１ｂは、フラットプレート導波体２００の上部面に取り付けられたレンズ構造体３００を有する択一的な発光光学素子１０を示す。レンズ構造体３００は、導波体２００上に並置された複数のレンズ３１０からなる。発光構造体１００の発光領域１１０は、フラットプレート導波体２００の構造化された下部面に設けられており、たとえばドット形状の発光領域を形成するためにエンボスされた円形ピットであるか、またはライン状の発光領域を形成するために側方に延在するようエンボスされたトレンチである。
図２１ｃは、フラットプレート導波体２００の上部面に取り付けられたレンズ構造体３００を有する択一的な発光光学素子１０を示す。発光領域１１０からなる発光構造体１００は、導波体２００の内側に埋め込まれている。発光領域１１０は有利には、フラットプレート導波体２００に対して実質的に平行な面に配置されている。フラットプレートは導波体２００の中央に配置するか、または導波体２００内に非対称に配置することができる。発光領域は択一的に、互いに平行の複数の面に配置することができ、各面はフラットプレート導波体２００に対して実質的に平行である。すなわち各面は、導波体２００内に異なる深さで設けられている。
図２１ｄは、フラットプレート導波体２００の上部面に取り付けられたレンズ構造体３００を有する発光光学素子１０を示す。レンズ構造体３００は、導波体２００上に並置された複数のレンズ３１０と、導波体２００に向いた波長選択性ミラー層３３０とからなる。発光領域１１０からなる発光構造体１１０は、フラットプレート導波体２００の平坦な上部面上に、レンズ構造体３００と導波体２００との間で設けられている。波長選択性ミラー層３３０は、励起に基づきホトルミネセンス材料によって放射された放射光の大部分を反射するように構成されている。波長選択性ミラー層３３０は入射光に対して十分に透過性であり、とりわけホトルミネセンス材料に対する励起光として用いられる入射光のスペクトルの一部に対して十分に透過性である。
択一的な実施形態も、当業者によって本発明の枠内で構成できることは自明である。たとえば図２１ｄに記載した波長選択性ミラー層３３０を導波体２００の底部面２０２に施与することができ、これにより発光領域１１０は導波体２００と波長選択性ミラー層３３０との間に含まれ、そうでなければ発光光学素子１０の底部から導波体２００へ逃散するであろう放射光を反射する。ミラーを図２１ａおよび図２１ｂの発光領域上に、同じ目的で施与することもできる。レンズ構造体３００が、レンズ構造体３００を導波体２００に接着するための粘着層（図示せず）を有することもできる。このような粘着層は、発光光学素子１０の製造時に、たとえばレンズ構造体３００を導波体２００に積層するために使用することができる。しかしレンズ構造体３００はまた製造中に、導波体２００の上に直接、たとえばレンズ３１０を導波体２００の上に成形することにより形成することもできる。
図２２ａ〜２２ｂは、光導波体２００に入力結合される放射光の効率を改善するように構成された本発明の発光光学素子１０の別のいくつかの実施形態を示す。
図２２ａは、フラットプレート導波体２００の上部面２０１に取り付けられたレンズ構造体３００を有する発光光学素子１０を示す。レンズ構造体３００は、導波体２００上に並置された複数のレンズ３１０と、導波体２００に向いた第１の低屈折率層３２０とからなる。発光領域１１０からなる発光構造体１１０は、フラットプレート導波体２００の平坦な下部面２０２上に設けられている。別の実施形態では、第２の低屈折率層３２１が平坦な下部面２０２と発光領域１１０の上に設けられており、発光領域１１０は導波体２００と第２の低屈折率層３２１との間に配置されている。第１の低屈折率層３２０は、導波体２００と第１の低屈折率層３２０の間の対応する接触面において導波体２００の屈折率よりも小さな屈折率を有する。同じことが、存在するならば第２の低屈折率層３２１に対しても当てはまる。これは有利には、入力結合された放射光と導波体を通って伝播する放射光の量を増やす。屈折率が低いので結晶角が上昇し、光がレンズ構造体３１０に遭遇するのを防止するからである。これにより、放射光は広い角度範囲にわたって内部全反射に対する条件を満たす。
図２２ｂは、フラットプレート導波体２００の上部面に取り付けられたレンズ構造体３００を有する発光光学素子１０を示す。レンズ構造体３００は、導波体２００上に並置された複数のレンズ３１０と、導波体２００に向いた第１の波長選択性ミラー層３３０とからなる。発光領域１１０からなる発光構造体１１０は、フラットプレート導波体２００の平坦な下部面２０２上に設けられている。別の実施形態では、第２の波長選択性ミラー層３３１が平坦な下部面２０２と発光領域１１０の上に設けられており、発光領域１１０は導波体２００と第２の波長選択性ミラー層３３１との間に配置されている。
図２２ａと２２ｂでは、第１の低屈折率層３２０と第１の波長選択性ミラー層３３０がレンズ３１０と導波体２００の間に設けられている。択一的に第１の低屈折率層３２０と第１の波長選択性ミラー層３３０をレンズ３１０の上部に、すなわち発光光学素子１０の上部面に設けることもできる（図２３ｂに示すように択一的実施形態に対して）。
図２３ａ〜図２３ｂは、本発明の発光光学素子１０の別の実施形態を示す図である。図２３ａと図２３ｂはレンズ構造体３００を示し、レンズ３１０は導波体２００と一体的に設けられており、したがって導波体２００の上部面２０１はレンズ３１０の好ましくは非球面形状に適応するよう成形されている。発光領域１１０を備える発光構造体が導波体２００の下部面に図示されているが、択一的に図２１ｃのように導波体に埋め込むこともできる。
図２３ｂの実施形態は、導波体２００の上部面上に第１の低屈折率層３２０を有する。択一的にまたは付加的に、第１の波長選択性ミラー層は導波体２００の上部面上に設けることができる。図２２ａと図2２ｂを参照して説明したように、第１の低屈折率層３２０または第１の波長選択性ミラー層３３０は有利には、入力結合され、導波体２００を通って伝播する放射光の量を増大する。オプションとして図２３ａと図２３ｂに図示した実施形態はさらに、第２の低屈折率層３２１または第２の波長選択性ミラー層３３１を導波体２００の底部に有することができる。
好ましくは波長選択性ミラーは導波体の片側の少なくとも８０％を覆う。さらに比較的薄い波賞選択性ミラーを使用するのが有利である。典型的には波長選択性ミラーの厚さは１００μｍを超えず、好ましくは２０μｍを超えない。通常、前記のミラーの厚さは５μｍを超える。本発明の波長選択性ミラーは１つまたは複数の層を有し、ともに波長選択性ミラー層として機能する。すなわちこれは、重合積層体もしくは無機積層体またはコレスティック層の組合せである。
本発明の好ましい実施形態でこの対象物は、前に定義したように発光対象物が付加的に、ホトルミネセンス材料により吸収された光の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％、より好ましくは少なくとも７０％、もっとも好ましくは少なくとも９０％に対して透過性であり、ホトルミネセンス材料により放射された放射の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％、もっとも好ましくは少なくとも７０％に対して反射性である波長選択性ミラーを有することにより実現される。波長選択性ミラーは有利には、重合もしくは無機波長選択性ミラーおよび／または偏光選択性ミラーを有する。
既存の発光光学素子がホトルミネセンス材料により放射された放射を集光する効率は、波長選択性ミラーが前記放射を反射する効率に依存する。典型的には、波長選択性ミラーは５００〜１２００ｎｍの範囲、好ましくは６００〜１２００ｎｍの範囲、もっとも好ましくは６３０〜１２００ｎｍの範囲の波長を有する光学的放射に対して、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％、より好ましくは少なくとも７０％の最大効率を示す。
同様に波長選択性ミラーが発光層と光学的放射を受光する表面との間にある別個の層として設けられている場合、ホトルミネセンス材料を励起することのできる高エネルギー放射が前記高効率のミラーによって透過されることが重要である。したがって波長選択性ミラーは１００〜８００ｎｍの範囲、好ましくは２５０〜１５００ｎｍの範囲、さらに好ましくは３５０〜１２００ｎｍの範囲の波長を有する光学的放射に対して、少なくとも６０％、好ましくは少なくとも９０％の最大透過率を示す。
本発明の発光対象物は有利には、キラル・ネマチック・ポリマーのコレスティック層を有する波長選択性ミラーを含む。さらに有利な実施形態では、ポリマー波長選択性ミラーが、右施円偏光を反射する第１のコレスティック層と、左施円偏光を反射する第２のコレスティック層とを有し、発光配向ポリマー層がコレスティック層と導波体との間に挟まれるか、または導波体がコレスティック層と発光配向ポリマー層との間に挟まれる。好ましくは発光配向ポリマー層は隣接するコレスティック層と導波体の間に挟まれる。別のさらに有利な実施形態では、ポリマー波長選択性ミラーが、右施円偏光を反射する第１のコレスティック層と、右施円偏光反射する第２のコレスティック層とを有し、２つのコレスティック層が半波長板によって分離されている。この半波長板は一方の円偏光を反対の円偏光に、コレスティック成分のピーク反射波長に対応する波長で変換することができる。さらに発光配向ポリマー層はコレスティック層と導波体との間に挟まれるか、または導波体がコレスティック層と発光配向ポリマー層との間に挟まれる。好ましくは発光配向ポリマー層は隣接するコレスティック層と導波体の間に挟まれる。コレスティック層は円偏光放射の狭い帯域を効率的に反射することができる。コレスティック層の螺旋配向に依存して、この層は右施円偏光または左施円偏光を反射する。螺旋配向が反対の２つのコレスティック層を使用することにより、右施円偏光と左施円偏光の両方が効率的に反射される。択一的に、同じ螺旋配向の２つのコレスティック層と一方の円偏光を反対の円偏光に変換する半波長板とを使用し、この半波長板が２つのコレスティック層を分離することにより、右施円偏光と左施円偏光の両方が効率的に反射される。半波長板は、個々のコレスティック層の反射帯域の中央波長に相当する波長でもっとも効率的に光を変換するように選択すべきである。
本発明の発光対象物はまた有利には、キラル・ネマチック・ポリマーの１つまたは複数のコレスティック層を有する波長選択性ミラーを含む。好ましくは波長選択性ミラーは、右施円偏光を反射するコレスティック層、左施円偏光を反射するコレスティック層、または半波長板により分離された右施円偏光を反射する２つのコレスティック層からなる群から選択される。発光配向ポリマー層はコレスティック層と導波体の間に挟むことができ、または導波体をコレスティック層と発光配向ポリマー層の間に挟むことができる。好ましくは発光配向ポリマー層は隣接するコレスティック層と導波体の間に挟まれる。
ネマチック材料と混合されたキラル物質は、材料のキラル・ネマチック材料（これはコレスティック材料と同義である）への螺旋変形を低下する。キラル・ネマチック材料のコレスティックピッチは、からなり広い範囲にわたって比較的容易に変化することができる。キラル物質により誘発されるピッチは、使用されるキラル材料の濃度に一次近似で反比例する。この関係の比例定数は、キラル物質のヘリカルツイストパワー（ＨＴＰ）と呼ばれ、次式により定義される。
ＨＴＰ＝１／（ｃＰ）
ここでｃはキラル物質の濃度、Ｐは誘発されたらせんピッチである。
コレスティック層またはコレスティック層の組合わせは有利には発光配向ポリマー層により放射された光学的放射を反射し、３５０〜５００ｎｍ、好ましくは２５０〜６００ｎｍ、もっとも好ましくは１００〜８００ｎｍの範囲の波長の光学的放射に対して十分に透過性である。
別の実施形態では、本発光対象物が付加的に、ホトルミネセンス材料により放射された放射に対して非常に反射性であるポリマー積層体層または無機積層体層の形の波長選択性ミラーを有する。とりわけ、ポリマーもしくは無機の偏光選択性ミラーは、偏光光の一方の面を反射する第１のポリマー積層体層もしくは無機積層体層と、偏光光の反対の面を反射する第２のポリマー積層体層もしくは無機積層体層とを有し、発光配向ポリマー層はポリマー積層体層もしくは無機積層体層と導波体の間に挟まれるか、または導波体がポリマー積層体層もしくは無機積層体層と配向ポリマー層との間に挟まれる。
ポリマー積層体層もしくは無機積層体層は、所定の波長範囲内にある光学的放射を選択的に反射することができる。ポリマー積層体層もしくは無機積層体層はまた多層反射器とも呼ばれ、反射と透過の間の電磁スペクトルを分離する部分として使用される。ポリマー積層体層もしくは無機積層体層は典型的には、光学的積層体内にある少なくとも２つの異なる材料からなる多数の層を使用する。異なる材料は、積層体の少なくとも１つの面内軸に沿って、層の境界で十分に異なる光を反射する屈折率を有する。ポリマー積層体層もしくは無機積層体層は、垂直および／または入射の斜角で入射する光学的放射を反射するように構成することができる。
好ましくは本発行対象物で使用されるポリマー積層体層もしくは無機積層体層は、６００ｎｍ以上、好ましくは７００ｎｍ以上、もっとも好ましくは８００ｎｍ以上の光学的放射を反射するように構成されている。好ましい実施形態では、発光配向ポリマー層は、ポリマー積層体層もしくは無機積層体層と導波体の間に挟まれている。本発明で波長選択性ミラーとして使用されるポリマー積層体層は、ＵＳ６１５７４９０およびWeber, M. F. etal. Science 287, 2451に記載された技術を使用して準備するのが適当である。これらの引用例をここに参照として取り入れる。本発明で波長選択性ミラーとして使用される無機積層体層（ブラッグ反射器）は、ＵＳ５８２６２０６等に記載された技術を使用して準備するのが適当である。
図２４ａと図２４ｂは、本発明の太陽電池システム５０の実施形態を概略的に示す図である。
図２４ａは、本発明による発光光学素子１０とＰＶセル２０を有する太陽電池システム５０の断面を示す。発光光学素子１０は、好ましくは導波体２００のエッジに光学的出口面２０５を有し、これにより導波体２００を通って伝播する放射光は導波体２００から脱出することができる。ＰＶセル２０は、受光面２５とも称される入口面２５を有し、これは導波体２００から脱出した放射光を受光するように構成されている。そしてＰＶセル２０は使用時に、受光した放射光を電気エネルギーに変換する。ＰＶセル２０は好ましくは、導波体の１つまた複数のエッジに配置されているか、または導波体の１つまたは複数のエッジの近傍で導波層の上部面もしくは下部面に配置されている。光学的出口面２０５と受光面２５は間接的に接触することができる。または小さな間隔で配置することができる。または好ましくは屈折率が導波体とＰＶセルの屈折率の間にあるアタッチメント層を介して取り付けることができる。
図２４ｂは、本発明の太陽電池システム５０の択一的実施形態の平面を概略的に示す図である。図２４ｂの太陽電池システム５０は図２３ａとは、さらに集光導波体３０を有する点で異なる。集光導波体３０は、光学的出口面２０５から脱出した放射光を受光するように構成されており、この実施形態では導波体２００の１つまたは複数のエッジの全長に対応し、この放射光をＰＶセル２０の受光面２５に輸送する。集光導波体３０はさらに、放射光を他の波長レンジの光学的放射に変換するように構成された発光構造体を有することができ、ＰＶセル２０にこの光学的放射を輸送する。別の発光構造体はたとえば、ＰＶセルによる電気エネルギー変換に対して最適の波長範囲で放射するように構成することができる。
発光光学素子からの放射損失は、発光光学素子のサイド２０６にミラーまたは散乱体を適用することによりさらに低減することができる。この発光光学素子は、図２４ａと図２４ｂのサイド２０６に入射する放射光を光電池素子に透過することが期待できないからである。好ましい実施形態では、発光光学素子の少なくとも１つのサイドがミラーまたは散乱体により覆われており、これは４５０〜１２００ｎｍの波長の少なくとも８０％、好ましくは３５０〜１２００ｎｍの波長の少なくとも９０％で反射性である。さらに好ましくは、対象物の少なくとも２つのサイドが、もっとも好ましくは少なくとも３つのサイドがそのようなミラーにより覆われている。
本発明による発光光学素子１０の別の実施形態は、可能な製造方法で製造される。レンズ３１０、発光領域１１０および発光光学素子１０を製造するための製造方法の例を以下に述べる。いくつかの製造方法は、特別の実施形態にのみ使用可能なものではないことは理解できよう。さらにこの方法のいくつかは有利にはロール・ツー・ロール法で使用することができる。この方法のいくつかは有利にはレンズ構造体および導波体を独立して製造することができ、レンズ構造体から導波体へのラミネーション（たとえば接着または熱的ラミネーション）を使用する。
導波体はプラスチック製、ガラス製、またはプラスチックとガラスの積層物とすることができる。導波体はフラットであるか、または択一的に建築上の統合性を改善するための表面構造（たとえばヨーロッパ屋根タイルのような「波形」）を有することができる。導波体は１０μｍから２ｃｍの厚さであり、１ｃｍから１００ｃｍの長さおよび幅である。導波体はフレキシブルにすることができ、発光光学素子１０全体をフレキシブルにすることができる。
複数のレンズを有するレンズ構造体の製造
レンズ３１０は好ましくはポリマーレンズである。
レンズ３１０は個別レンズの射出成形を使用して作製することができる。したがってレンズは、レンズ構造体３００を形成するために透明な基板の上に施与され、次にレンズ構造体が光導波体２００に施与される。レンズは択一的に完全なレンズ構造体３１０の射出成形を使用してレンズのシートとして作製することができる。レンズのシートは互いに接続されたレンズ３１０を収容しており、レンズ構造体を構造化された光学的シートとして形成する。そしてこの構造化された光学的シートが光導波体の上に積層される。
レンズは択一的に標準のエンボシング技術を使用して作製することができる。そして個別のレンズまたは構造化された光学的シートとしての完全なレンズ構造体が作製される。
レンズを備えるレンズ構造体は択一的に、以下の文献に記載のようにフォトエンボシングを使用して作製することができる。V.; Cantale, N.; Mermoud, G.; Kirn, J. Y.; Boiko, D.; Charbon, E.; Martinoli, A.; Brugger, J. InkJet printing of SU-8 for polymer-based MEMS a case study for microlenses, IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Technical Digest, 21st, Tucson, AZ, United States, Jan. 13-17, 2008。無接触フォトエンボシングは、自然に微小規模のレンズを形成するために使用することができる。フォトエンボシングは、レンズ直径が０．５ｍｍ以下のレンズに対して、また大面積での適用もしくは使用材料を最小にしたい場合に対してとくに有利である。フォトエンボシングはまた無接触の自然のレンズの作製にも有利である。
レンズ構造体３００にはさらに、付加的な光学層および／またはレンズ構造体３００を導波体に取り付けるために粘着物を設けることができる。付加的な光学層は、１つまたは複数の低屈折率層および／または１つまたは複数の波長選択性ミラー層を有する。
レンズは円形であり、正方形または六角形配置で実装することができる。またはレンズは円柱であり、並置することができる。レンズは好ましくは非球面レンズであり、少なくとも１つの方向で導波体表面に対して垂直に非球面の断面を有する。
発光材料を備えた複数の発光領域を有する発光構造体の製造
使用される入射光の波長範囲、とりわけ太陽光の波長範囲を吸収する任意の発光材料を使用することができる。好ましくは発光材料は、以下の特徴の１つまたは複数を有するべきである。
・発光材料は、吸収された光（励起光）を放射光に変換するのに高い量子効率を有する。
・発光材料は、再吸収の作用を低減し、光電池セルを使用して電気エネルギーに効率的に変換できる放射光を得るために放射に大きなストークシフトを有する。
・発光材料は、発光能力をできるだけ長期にわたって維持するために高い光安定度を有する。
発光材料は、たとえば３５０〜１０００ｎｍの範囲を吸収し、１１００ｎｍで放射する色素である。これに適した市販の色素は、ＢＡＳＦ社 Lumogen Red305, Yellow083, Orange240 および Violet570である。択一的に量子ドットまたはロッドを発光材料として、または蛍光体として使用することができる。
発光材料は等方性に、実質的にすべての方向で導波体へ放射光を放射するよう構成することができる。発光材料は択一的に所定の方向で導波体へ放射光を放射するように構成することもできる。発光領域は、配向されたホトルミネセンス材料を含む配向ポリマーを有することができ、配向ポリマーは導波体の表面に対して０°の予傾斜角または１０〜８５°の予傾斜角を有し、配向ホトルミネセンス材料は配向されたポリマーマトリクス内で符号化されており、発光材料によって放射された光学的放射を導波体に入力結合することができる。このことはＥＰ１８５４１５１に記載されている。
発光領域１１０は、発光領域１１０を備える発光構造体１００を導波体２００の外表面に、または導波体の外表面にある***部にインクジェット印刷することにより作製することができる。
発光領域１１０は択一的に、色素と感光性ホストの混合物のフォトリソグラフを使用して作製することができ、導波体２００の外表面にマスクを通したＵＶラミネーションによって施与することができる。それに続いて溶剤による洗浄によって、架橋されないホスト／色素混合物をエッチング除去する。
発光領域１１０は択一的に、発光材料とホスト材料とのゲスト／ホスト混合物を架橋するためレンズ３１０それ自体を通して照明することにより作製することができる。これは図２５ａから図２５ｅに概略的に示されている。この方法は、図２５ａに示すように光導波体２００を設けることにより開始する。次にレンズ構造体３００が図２５ｂに示すように導波体２００の上に施与される。レンズ構造体３００は導波体２００とは独立して作製することができる。たとえば直径ｍｍからｃｍのレンズ３００をキャリア材料の上にエンボシングすることにより作製することができ、次に導波体２００に取り付けられる。レンズ構造体３００は択一的に、無接触フォトエンボシングによって導波体の上に自然に微小規模のレンズを形成することで作製できる。レンズ構造体３００が設けられた導波体２００は次に、光活性キャリア材料にある発光材料の薄い層１０１がコーティングされる。これが図２５ｅに示されている。次にレンズ構造体３００と導波体２００を通して照明光６００による照明が、発光材料を含む光活性キャリア材料上に集束され、焦点エリアでだけ光活性キャリア材料の架橋を引き起こす。これが図２５ｄに示されている。反応しなかった光活性キャリア材料１０２が洗浄除去され、発光材料を備える発光領域１１０の所望のパターンが導波体２００の底部面に残される。
この方法はとくに、発光光学素子が多数の小型レンズ３１０を有しており、対応して多数の小型の発光領域１１０を配列しなければならない場合に有利である。このような多数の物を独立して作製する場合には、物理的なアライメントが非常に困難であるが、本発明の方法は良好に配列された照明領域１１０を提供し、個別のレンズ間の相違に対しての頑強性も提供する。なぜなら個別のレンズの焦点が横方向にずれると、対応する発光領域も対応して横方向にずれるからである。さらにこの方法はロール・ツー・ロール法で適用することができ、経済的な大量生産を潜在的に可能にする。
図２５ａ〜２５ｅに示した方法により、図２１ａに示したような導波体の底部面に発光領域１１０を備える発光光学素子１０を製造することができる。図２１ｃに示すような発光光学素子１０を製造すべき場合、この方法は、導波体２２０上の第２の光導波体２０１に発光領域１１０を設ける工程を付加して継続され、これにより導波体２００は発光領域を埋め込むために伸長する。
図２１ｄに示すような発光光学素子１０を製造すべき場合、この方法はレンズ構造体３００からスタートし、レンズ構造体３００の底部面に光活性キャリア材料にある発光材料の薄い層１０１がコーティングされる。この薄い層１０１は光硬化層とも称される。次にレンズ構造体３００を通して照明光６００による照明が、発光材料を含む光活性キャリア材料上に集束され、焦点エリアでだけ光活性キャリア材料の架橋を引き起こす。これにより、反応しない光活性キャリア材料１０２の非光硬化環境内に、露出され光硬化された発光領域が形成される。反応しなかった光活性キャリア材料１０２が洗浄除去され、発光材料を備える発光領域１１０の所望のパターンがレンズ構造体３００の底部面に露光され光硬化された発光領域として残る。次に導波体２００がレンズ構造体３００の底部面上に施与され、これにより発光領域１１０がレンズ構造体３００と導波体２００との間に含まれる。これが図２１ｄに示されている。
図２１ｄに示すような発光光学素子１０を製造すべき場合、レンズに対して配列されエンボシングされたピットを作製しなければならない。これは上記に類似の方法を使用して達成することができるが、図２５ｃに示すように光活性キャリア材料にある発光材料の薄い層１０１を施与する代わりに、フォトレジストの薄い層１０１が施与される。このフォトレジストの薄い層１０１はレンズ構造体３００を通して照明光６００により照明され、レンズ構造体がフォトレジスト上に照明光を集束し、フォトレジストをレンズ３１０に対して配列された位置で露光する。次にフォトレジストが現像され、これにより露光されないフォトレジストがホールを備える光学的に透明な層を形成する。このホールはフォトレジストが露光された位置にあり、したがって（導波体２００とホールを備える光学的に透明な層により形成された）新たに形成された導波体にエンボシングされたピットを形成する。択一的に、露光されないフォトレジストはエッチストップ層を形成することができ、露光されたフォトレジストが存在していた位置で導波体２００にホールを形成するためにエッチングを使用することができる。次にホールが、発光領域１１０を形成するために発光材料によって充填される。これはたとえば発光材料をホール内に印刷するか、または発光材料をホール内にドクターブレードで均すことにより行われる。
図面には、電気ケーブルのような重要でないものは、明確にするために図示されていない。
「実質的に平坦」または「実質的になる」等の用語「実質的に」は、当業者には理解される。実施形態では形容詞「実質的に」は除去できる。適用可能であれば、用語「実質的に」は「まったく」、「完全に」、「すべて」等の実施形態を含む。適用可能であれば、用語「実質的に」は９０％以上、とりわけ９５％以上、とくに９９％以上であり、１００％を含む。用語「有する」は、用語「有する」が「からなる」を意味する実施形態も含む。
さらに明細書および特許請求の範囲での第１，第２および第３等は、類似の素子を区別するために使用されるものであり、連続順序または時間的順序を記述するためのものではない。このように使用される用語は、適切な環境下では交換可能であり、ここに記載した本発明の実施形態は、ここに説明したまたは図示したのとは異なる順序で動作することができる。素子は動作中は説明した他の素子の間にある。当業者には明らかなように、本発明の動作方法または動作中のデバイスに限定されるものではない。

Claims (16)

  1. 外部光源、好ましくは太陽から供給された入射光を集光するための発光光学素子（１０）であって、
    前記発光光学素子（１０）は、
    ａ．光導波体（２００）と、
    ｂ．該光導波体（２００）の上または中にある発光構造体（１００）と
    を有し、
    前記発光構造体（１００）は、発光材料（１２０）を含む複数の発光領域（１１０）を有し、
    該発光材料（１２０）は、励起光による励起に基づいて放射光を放射することができ、
    前記発光領域（１１０）は、前記励起光による励起に基づいて、放射光の少なくとも一部を前記光導波体（２００）に放射するよう構成されている
    発光光学素子（１０）。
  2. 前記発光材料（１２０）の濃度が前記光導波体（２００）の面において、および／または別個の物理的領域（１１０）において、色または強度の認知可能な相違を形成するために互いに変化されている、請求項１記載の発光光学素子（１０）。
  3. ｃ．さらに前記光導波体（２００）の上にあるレンズ構造体（３００）を有し、該レンズ構造体（３００）は複数のレンズ（３１０）を有し、
    該複数のレンズ（３１０）は、外部光源から供給される入射光を捕捉し、入射光を励起光として前記発光材料（１２０）を励起するために前記複数の発光領域（１１０）上に集光するよう構成されている、請求項１または２に記載の発光光学素子（１０）。
  4. 前記複数のレンズ（３１０）の各々は、前記複数の発光領域（１１０）の対応する発光領域（１１０）に入射光を集光するように構成されている、請求項３に記載の発光光学素子（１０）。
  5. 前記複数のレンズ（３１０）は１つのレンズ面（３１１）に設けられており、該レンズ面（３１１）は前記光導波体（２００）に実質的に平行に配置されており、前記複数のレンズ（３１０）は１次元アレイまたは２次元アレイに配置されている、請求項３または４に記載の発光光学素子（１０）。
  6. 前記レンズ（３１０）は、入射光を捕捉し、該入射光に関連する１つまたは複数の発光領域（１１０）上に集光するように構成されており、
    該入射光は、当該発光光学素子（１０）の上部面に対して少なくとも４０゜、好ましくは少なくとも６０゜、さらに好ましくは少なくとも１２０゜の角度許容範囲（φ Ｔ ）内で入射する、請求項３から５までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）。
  7. 前記レンズ（３１０）は、非球面断面を有する非球面レンズである、請求項３から６までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）。
  8. 前記レンズ（３１０）は円形レンズ（３１０Ｃ）であるか、またはシリンダレンズ（３１０Ｌ）である、請求項３から７までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）。
  9. 前記発光領域（１１０）は前記光導波体（２００）の外面に設けられており、および／または、前記発光領域（１１０）は前記光導波体（２００）に埋め込まれている、請求項１から８までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）。
  10. 当該発光光学素子（１０）は、前記光導波体（２００）と前記レンズ構造体（３００）との積層体を有する、請求項３から９までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）。
  11. 前記発光構造体（１００）は、５〜５０％の範囲、好ましくは５〜３０％の範囲、より好ましくは１０〜３０％の範囲の被覆面積率を有する、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）。
  12. 前記発光領域（１１０）は１μｍから１ｃｍ、好ましくは１μｍから１ｍｍの範囲の最小幅を有し、前記レンズは５μｍから２ｃｍ、好ましくは５μｍから２ｍｍの範囲の最小幅を有し、
    前記レンズの最小幅は少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも３０％だけ前記発光領域の最小幅より大きい、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）。
  13. 請求項３から１２までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）の製造方法において、
    ａ．複数のレンズ（３１０）を有するレンズ構造体（３００）を光導波体（２００）の上に施与し、
    ｂ．発光材料（１２０）を有する非光硬化性層を前記光導波体（２００）に施与し、
    ｃ．前記レンズ構造体（３００）を通して前記非光硬化性層を露出光（６００）により露光し、これにより露光され光硬化された複数の発光領域（１１０）を、前記非光硬化性層の非光硬化環境において形成し、
    ｄ．非光硬化環境を除去し、一方、露光され光硬化された複数の発光領域（１１０）を複数の発光領域（１１０）を有する発光構造体（１００）として維持し、励起光による励起に基づいて放射光を放射するようにする、
    製造方法。
  14. 請求項３から１２までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）の製造方法において、
    ａ．発光材料（１２０）を有する非光硬化性層を、複数のレンズ（３１０）を有するレンズ構造体（３００）に施与し、
    ｂ．前記レンズ構造体（３００）を通して前記非光硬化性層を露出光（６００）により露光し、これにより露光され光硬化された複数の発光領域（１１０）を、前記非光硬化性層の非光硬化環境において形成し、
    ｃ．非光硬化環境を除去し、一方、露光され光硬化された複数の発光領域（１１０）を複数の発光領域（１１０）を有する発光構造体（１００）として維持し、励起光による励起に基づいて放射光を放射するようにし、
    ｄ．光導波体（２００）を前記レンズ構造体（３００）に取付け、該光導波体（２００）が前記露光された複数の発光領域（１１０）と接触するようにする、
    製造方法。
  15. ａ．請求項１から１２までのいずれか一項に記載の発光光学素子（１０）と、
    ｂ．光電池セル（２０）と
    を有する太陽電池システム（１）であって、
    前記光電池セル（２０）は前記光導波体（２００）からの放射光を受光するように構成されており、
    前記光導波体（２００）は、前記放射光の少なくとも一部が前記光導波体（２００）から逃散することができるよう構成された光学的出口面（２０５）を有し、
    前記光電池セル（２０）は受光面（２５）を有し、該受光面（２５）は、前記光導波体（２００）の光学的出口面（２０５）から逃散した放射光を受光するように構成されている、
    太陽電池システム（１）。
  16. 光電池セル（２０）からの電気エネルギーを供給するために使用する、請求項１５の太陽電池システム（１）の使用法。
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