デザイン 初期の設計では、通常、発光材料と透明材料を交互に配置した平行な薄い平らな層で構成され、入射放射線を（広い）面に集め、（狭い）端の周りに集中した放射線を放出するように配置されていました。[ 2 ] [ 3 ] 太陽電池 に照射して電力を生成します。
その他の構成（例えば、ドーピング やコーティングを施した光ファイバー 、あるいは交互に積層された形状の積層構造など）は、特定の用途により適している場合がある。
構造と運用原則 積層構造の各層は、平行な別々の板状構造、または固体構造における交互に配置された層状構造のいずれかである。原理的には、有効入力面積が有効出力面積に対して十分に大きい場合、出力の放射照度 は入力よりも高くなり、これはワット /平方メートルで測定される。集光係数は、装置全体の出力放射照度と入力放射照度の比である。
例えば、 一辺が 200 mm、 厚さ 5 mm の正方形のガラス板 (または積層体) を想像してください。その入力面積 (例えば、エネルギー源に向いたガラス板の 1 つの面の表面) は、出力面積 (例えば、4 つの開いた側面の表面) の 10 倍です。つまり、40000 平方 mm (200 x 200) と 4000 平方 mm (200 x 5 x 4) を比較します。第一近似として、このような LSC の集光係数は、入力面の面積をエッジの面積で割った値に、入射光を出力領域に偏向させる効率を掛けたものに比例します。ガラス板が入射光を面からエッジに 50% の効率で偏向させることができると仮定します。この例の仮想的なガラス板は、入射光の 5 倍の出力放射照度を生み出し、集光係数は 5 になります。
同様に、断面積が1平方ミリメートル、長さが1メートルで、発光コーティングが施された屈折率勾配光ファイバーも有用である可能性がある。
濃縮係数と効率の関係 濃度係数は装置の効率と相互作用して、全体の出力を決定する。
集光係数は、入射放射照度と放射照度の比率です。入射放射照度が1 kW/m2で、放射照度が10 kW/m2の場合、集光係数は10になります。 効率とは、入射する放射束 （ワット単位で測定）と出射するワット数の比率、つまり、入射エネルギーのうち、装置が使用可能な出力エネルギーとして供給できる割合のことです（光や電気とは異なり、使用できないエネルギーもあるため、これは必ずしも有効とは限りません）。前述の例では、入射したワット数の半分が再放射されるため、効率は50%となります。入射エネルギーを有効な出力に変換するほとんどの装置（太陽電池など）は、比較的小型で高価であり、高強度かつ狭い周波数範囲の指向性光を変換する際に最も効果を発揮する。一方、入射放射は拡散周波数で、比較的低い放射照度と飽和度を 持つ傾向がある。したがって、入力エネルギーを集中させることは、効率と経済性を高めるための一つの選択肢となる。
発光 上記の説明は、発光型太陽光集光器だけでなく、より広範な種類の集光器（例えば、単純な光学集光器）を対象としています。LSCの本質的な特徴は、広い周波数範囲の入射光を吸収し、狭い周波数範囲の光としてエネルギーを再放出する発光材料を組み込んでいる点です。周波数範囲が狭いほど（つまり、飽和度が高いほど）、それを電気に変換する太陽 電池 の設計はよりシンプルになります。
適切な光学設計により、発光材料からあらゆる方向に放出される光を捕捉し、光起電力変換器から ほとんど漏れないように方向転換します。方向転換技術には、内部反射 、屈折率 勾配、そして適切な場合には回折が 含まれます。原理的には、このようなLSCは、曇り空や同様の拡散光源からの光を利用することができ、これらの光は従来の太陽電池の発電や、従来の光学反射器や屈折装置による集光にはほとんど役に立ちません。
発光成分は、透明媒体の一部または全部の材料中のドーパント である場合もあれば、透明成分の一部の表面に形成された発光薄膜 の形である場合もある。 [ 4 ]
発光型太陽光集光器の理論 さまざまな記事で、蛍光の内部反射の理論が議論されており、ドープガラス[ 2 ] [ 5 ]
理論的には、一般的な窓ガラスとほぼ同じ屈折率を持つプレートで全反射により、発光の約75～80 %を捕捉できる。より高い屈折率を持つ材料を使用すれば、もう少し効率を上げることができる。 [ 6 ] [ 7 ]
これには以下が考慮されています。
透明媒体中の不透明な物質による光の吸収、 発光成分による光変換効率、 臨界角を超えた発光の脱出と 総効率（これは、放出された平均エネルギーと吸収された平均エネルギーの比率である）。
実践的な展望と課題 様々な機能コンポーネントと構成の相対的な利点は、特に以下の点において重要な懸念事項である。
有機染料は、希土類化合物やその他の無機発光剤よりも広い周波数範囲と、放出および再吸収される周波数の選択における柔軟性を提供します。[ 8 ] [ 9 ] 有機ポリマーへのドーピングは、一般的に有機発光剤を用いる場合は実用的であるが、安定な無機発光剤を用いたドーピングは、無機ガラスを除いて通常は実用的ではない。 透明媒体にバルクドーピングとして構成された発光剤は、透明媒体上に堆積された薄膜とは異なる利点を有する。 様々なトラップ媒体は、耐久性、透明性、他の材料との適合性、屈折率などにおいて、それぞれ異なる特性を示す。無機ガラスと有機ポリマー媒体は、特に注目される2つの主要な種類である。 フォトニックシステムは、放射線を閉じ込めるバンドギャップを作り出す。 [ 10 ] 入力光をより多く有用な発光として再放出し、自己吸収が無視できる材料を特定することは非常に重要です。その理想を達成するには、関連する電子励起エネルギーレベルを発光媒体の発光レベルと異なるように調整する必要があります。[ 11 ] あるいは、発光材料を薄膜状に構成し、そこから光を放出させ、出力方向へ効率的に伝導できる透明な受動媒体に光を照射することもできる。 太陽電池の感度は、発光色素の最大発光スペクトルと一致する必要がある。 表面プラズモンの 基底 状態から励起状態 への遷移確率を高めることで、効率が向上する。 発光型太陽光集光器は、都市の建物のファサードに太陽光収集装置を組み込むために使用できる。[ 12 ]
進歩
透明発光型太陽光集光器 2013 年、ミシガン州立大学 の研究者らは、可視光が透過する初の発光型太陽光集光器を実証した。[ 13 ] 量子ドット ) ブレンドで構成されており、選択的な集光、再吸収効率の向上、可視スペクトル での無着色の透明性を実現している。翌年、これらの研究者らは、発光性有機塩誘導体を利用して、近赤外光集光型の可視光透過性太陽光集光器を実証した。[ 14 ] [ 14 ]
量子ドット 発光帯と吸収帯の間に大きな分離（大きなストークスシフト と呼ばれる）を誘起するセレン化カドミウム/硫化亜鉛（CdSe/ZnS）およびセレン化カドミウム/硫化カドミウム（CdSe/CdS）量子ドット （QD）に基づくLSCは、それぞれ2007年と2014年に発表された[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]。
光吸収はCdSの超厚外殻によって支配され、発光はより狭いバンドギャップのCdSeの内部コアから発生します。ナノ構造の2つの部分間で光吸収機能と発光機能が分離されることで、吸収に対する発光のスペクトルシフトが大きくなり、再吸収損失が大幅に減少します。量子ドットは、ポリメタクリル酸メチル （PMMA）の大きなスラブ（数十センチメートルサイズ）に組み込まれました。活性粒子は、約100オングストロームの幅でした。[ 16 ]
分光測定では、数十センチメートルの距離で再吸収損失がほとんどないことが示されました。光子収集効率は約10%でした。高い透明性にもかかわらず、作製された構造は、4倍以上の集光係数で太陽光束の大幅な増強を示しました。[ 16 ]
参考文献 ↑ Richards, Bryce S.; Howard, Ian A. (2023). "建物一体型太陽光発電のための発光型太陽光集光器：機会と課題" . Energy & Environmental Science . 16 (8): 3214– 3239. Bibcode : 2023EnEnS..16.3214R . doi : 10.1039/D3EE00331K . ISSN 1754-5692 . 1 2 Reisfeld, Renata ; Neuman, Samuel (1978年7月13日). 「ウラニル添加ガラスに基づく平面型太陽エネルギー変換器および集光器」. Nature . 274 (5667): 144– 145. Bibcode : 1978Natur.274..144R . doi : 10.1038/274144a0 . S2CID 4188054 . ↑ Reisfeld, Renata; Kalisky, Yehoshua (1980). "ウラニルネオジムおよびホルミウムガラスに基づく改良型平面型太陽電池コンバータ". Nature . 283 (5744): 281–282 . Bibcode : 1980Natur.283..281R . doi : 10.1038/283281a0 . S2CID 4311504 . ↑ Reisfeld, Renata (2010年7月)「太陽エネルギー利用のための発光に関する新たな開発」 Optical Materials . 32 (9): 850– 856. Bibcode : 2010OptMa..32..850R . doi : 10.1016/j.optmat.2010.04.034 . ↑ Goetzberger, A.; Greube, W. (1977). "蛍光集光器による太陽エネルギー変換". Applied Physics . 14 (2): 123. Bibcode : 1977ApPhy..14..123G . doi : 10.1007/BF00883080 . S2CID 137388026 . ↑ Reisfeld, Renata ; Shamrakov, Dimitri; Jorgensen, Christian (1994 年 8 月) 「蛍光ガラスフィルムに基づく光安定性太陽光集光器」。Solar Energy Materials and Solar Cells . 33 (4): 417– 427. Bibcode : 1994SEMSC..33..417R . doi : 10.1016/0927-0248(94)90002-7 . ↑ レナータ、ライスフェルト ;ヨルゲンセン、クリスチャン K. (1982)。 エネルギー変換用の発光太陽光集光器 。 Vol. 49. pp. 1–36 . 土井 : 10.1007/BFb0111291 。 ISBN 978-3-540-11084-2 。↑ Reisfeld, Renata ; Jørgensen, Christian H. (1977). "Lasers and Excited States of Rare Earths". Inorganic Chemistry Concepts . 82 (8): 844. doi : 10.1002/bbpc.19780820820 . ISSN 0172-7966 . ↑ ガフト、マイケル ；ライスフェルド、レナータ；パンツァー、ジェラール（2005年4月20日）。 鉱物と材料の現代発光分光法 。シュプリンガー。3 ページ 。ISBN 978-3-540-21918-7 。↑ "M. Peters、JC Goldschmidt、P. Löper、B. Bläsi、A. Gombert; 蛍光集光器の光導波効率に対するフォトニック構造の影響; Journal of Applied Physics 105、014909 (2009)" 。 2016年5月15日に オリジナル からアーカイブ。 2011年5月31日 に取得 。 ↑ Saraidarov, T.; Levchenko, V.; Grabowska, A.; Borowicz, P.; Reisfeld, R. (2010). "発光太陽光集光器 (LSC) 用の自己吸収しない材料". Chemical Physics Letters . 492 (1): 60. Bibcode : 2010CPL...492...60S . doi : 10.1016/j.cplett.2010.03.087 . ↑ Meinardi, Francesco; Bruni, Francesco; Brovelli, Sergio (2017年11月21日)「建物一体型太陽光発電のための発光型太陽光集光器」 Nature Reviews Materials . 2 (12): 17072. Bibcode : 2017NatRM...217072M . doi : 10.1038/natrevmats.2017.72 . S2CID 139626069 . ↑ Zhao, Yimu; Lunt, Richard R. (2013). "Transparent Luminescent Solar Concentrators for Large-Area Solar Windows Enabled by Massive Stokes-Shift Nanocluster Phosphors". Advanced Energy Materials . 3 (9): 1143– 1148. Bibcode : 2013AdEnM...3.1143Z . doi : 10.1002/aenm.201300173 . S2CID 98517757 . 1 2 Zhao, Yimu; Meek, Garrett A.; Levine, Benjamin G.; Lunt, Richard R. (2014). "近赤外線ハーベスティング透明発光太陽光集光器". Advanced Optical Materials . 2 (7): 606– 611. doi : 10.1002/adom.201400103 . S2CID 96019390 . ↑ Gallagher, Sarah; Rowan, Brenda; Doran, John; Norton, Brian (2007). "Quantum dot solar concentrator: Device optimisation using spectroscopic techniques". Solar Energy . 81 (4): 540–547 . Bibcode : 2007SoEn...81..540G . doi : 10.1016/j.solener.2006.07.006 . 1 2 3 Nancy Ambrosiano (2014-04-14). 「輝く量子ドットが太陽電池の未来を明るくする」 . R&D . 2014-06-16 に取得。 ↑ Meinardi, Francesco; Colombo, Annalisa; Velizhanin, Kirill A.; Simonutti, Roberto; Lorenzon, Monica; Beverina, Luca; Viswanatha, Ranjani; Klimov, Victor I.; Brovelli, Sergio (2014). "Large-area luminescent solar concentrators based on 'Stokes-shift-engineered' nanocrystals in a mass-polymerized PMMA matrix". Nature Photonics . 8 (5): 392– 399. Bibcode : 2014NaPho...8..392M . doi : 10.1038/nphoton.2014.54 . S2CID 122956733 .
さらに読む 発光色素とランタニド錯体と銀ナノ粒子との相互作用に基づく、強力な発光性を有するゾルゲル材料 効率向上型蛍光集光器用フォトニック構造の理論的および実験的解析 3種類の色素を用いた発光型太陽光集光器における励起エネルギー移動の最適化 太陽光発電用高効率有機太陽光集光器 光起電力蛍光体集光器の効率限界 電力変換効率7.1%の発光型太陽光集光器 発光型太陽光集光器の光出力を最大化する 発光型太陽光集光器における再吸収損失の特性評価と低減 Wilfried G. Van Sark 他 (2008 年 12 月 22 日)「発光型太陽光集光器 ― 最近の成果のレビュー」Optics Express 16 ( 26): 21773–21792 . Bibcode : 2008OExpr..1621773V . doi : 10.1364/OE.16.021773 . hdl : 1874/32994 . PMID 19104611 . 液晶によって平面状に配列された色素分子を用いた発光型太陽光集光器における発光制御 蛍光集光器の光導波効率に対するフォトニック構造の影響 蛍光集光器システムの効率向上 高度に修飾された[2,2′-ビピリジル] -3,3′-ジオール（BP(OH)2）：ポリマーの光安定剤および太陽エネルギーコレクターとして励起状態分子内プロトン移動を起こすシステム プラズモン制御蛍光：蛍光分光法における新たなパラダイム ゾルゲル技術に基づいた革新的な材料 光利得用途向け半導体ナノ結晶を組み込んだ有機-無機ゾルゲル複合材料
外部リンク ジュリア・レイトン（2008年11月5日）「発光型太陽光集光器は太陽光発電をより手頃な価格にできるか？」 How Stuff Worksウェブサイト。 2011年 6月13日 取得 。 レナータ・ライスフェルド（2010年7月）「未来の建物に電力を供給する発光型太陽光集光器」（PDF） 。 2011年8月30日にオリジナル（PDF） からアーカイブ。 2011年 6月13日 に取得 。 レナータ・ライスフェルド。「ゾルゲル法を用いて作製した発光性太陽光集光器」。ゾルゲルゲートウェイウェブサイト。 2011年 6月14日 取得 。 マーク・バルド（2009年5月19日）「発光型太陽光集光器の説明」。講義ビデオ 。MIT 。 2011年10月24日にオリジナルからアーカイブ。2011年6月14日 に取得。 その他の著者：
