薄膜ソーラコンセントレータ／コレクタ
【課題】微細構造の薄膜を使用して、太陽放射を収集し、集中させる。
【解決手段】本明細書に記載する様々な実施形態において、光電セル（２００）に光学的に結合された導光層（２０４、２１２）を備えるデバイスについて説明する。複数の表面形状部（２０８、２１６）が導光層（２０４、２１２）の表面のうちの１つの上に形成されている。表面形状部（２０８、２１６）は、互いに対して角度を成すファセットを含み得る。導光体の表面に入射する光（２２０、２２４）は、表面形状部によって方向付けし直され、複数の全内部反射によって導光体（２０４、２１２）の中を誘導される。誘導された光は、光電セル（２００）に向かって方向付けられる。
【解決手段】本明細書に記載する様々な実施形態において、光電セル（２００）に光学的に結合された導光層（２０４、２１２）を備えるデバイスについて説明する。複数の表面形状部（２０８、２１６）が導光層（２０４、２１２）の表面のうちの１つの上に形成されている。表面形状部（２０８、２１６）は、互いに対して角度を成すファセットを含み得る。導光体の表面に入射する光（２２０、２２４）は、表面形状部によって方向付けし直され、複数の全内部反射によって導光体（２０４、２１２）の中を誘導される。誘導された光は、光電セル（２００）に向かって方向付けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体において参照により明確に本明細書に組み込まれる「薄膜ソーラコンセントレータ／コレクタ」と題する２００７年１１月１６日に出願された米国特許出願第１１／９４１，８５１号（代理人整理番号ＱＭＲＣ．００１Ａ）の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、光コレクタおよびコンセントレータの分野に関し、より詳細には、微細構造の薄膜を使用して、太陽放射を収集し、集中させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
ソーラエネルギーは、熱および電気などの他の形態のエネルギーに変換可能な再生可能のエネルギー源である。信頼性のある再生可能エネルギー源としてソーラエネルギーを使用する際の主な欠点は、光エネルギーの熱または電気への変換効率が低く、一日のうちの時刻および一年のうちの月によりソーラエネルギーが変動することである。
【０００４】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する原理に基づく光起電（ＰＶ）セルは、ソーラエネルギーを電気エネルギーに変換するために使用可能である。ＰＶセルを使用するシステムは、１０〜２０％の間の変換効率を有することが可能である。ＰＶセルは、非常に薄く作製可能であり、ソーラエネルギーを使用する他のデバイスほど大きくなく嵩張らない。ＰＶセルは、大きさが数ミリメートルから１０数センチメートルの範囲であることが可能である。１つのＰＶセルからの個々の電気出力は、数ミリワットから数ワットの範囲であることが可能である。十分な量の電気を生成するために、複数のＰＶセルを電気接続およびパッケージングすることができる。
【０００５】
ソーラコンセントレータは、ソーラエネルギーを収集し、集束させて、ＰＶセルにおけるより高い変換効率を達成するために使用可能である。例えば、放物面鏡を使用し、光エネルギーを熱および電気に変換するデバイス上に光を収集および集束させることができる。また他のタイプのレンズおよび鏡を使用して、著しく変換効率を高めることも可能であるが、それらは、一日のうちの時刻、一年のうちの月、または天候状態により受け取られるソーラエネルギーの量が変動することは解決していない。さらには、太陽光を効率的に収集し、集束させるように要求されるレンズや鏡は大型である必要があるので、レンズ／鏡を使用するシステムは、嵩張り、重い傾向がある。
【０００６】
ＰＶセルは、電力を人工衛星およびスペースシャトルに供給する、電気を居住用地および商業用地に供給する、自動車用電池および他のナビゲーション装置を充電することなどの広範囲の用途において使用可能である。ＰＶセルの性能は、太陽光に左右されるため、ソーラエネルギーを使用する他のデバイスと同様に、ＰＶセルの変換効率は、一日のうちの時刻、一年のうちの月、および日々の天候状態に左右される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第１１／９４１，８５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これらの欠点を克服するためには、光をＰＶセル上に収集し、集束させ、かつ一日中、太陽の動きを追跡する光コレクタおよびコンセントレータを使用することが有利である。加えて、また、曇りの日には散乱光を収集する性能を持つことが有利である。このようなシステムは、複雑であり、多くの場合、嵩張り、大きいものである。多くの用途では、これらの光コレクタおよび／またはコンセントレータは、大きさが小型であることもまた望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書に記載する様々な実施形態は、環境光を収集し／集中させ、その収集光を光電セルに導くための導光体を備える。導光体は、入射光を方向付けし直し、複数の全内部反射によって導光体の中を伝搬させるための表面レリーフ形状部を含むことが可能である。表面レリーフ形状部は、光を反射するファセットを含むことが可能である。いくつかの実施形態においては、ファセットは、互いに対して角度を成すことが可能である。光電セルは、導光体に光学的に結合される。いくつかの実施形態においては、光電セルは、導光体に隣接して配設可能である。いくつかの他の実施形態においては、光電セルは、導光体の１つの隅部に配設可能である。さらなる別の実施形態においては、光電セルは、導光体より下に配設可能である。いくつかの実施形態においては、導光体は、基板上に配設可能である。基板は、ガラス、プラスチック、エレクトロクロミックガラス、スマートガラスなどを含むことが可能である。
【００１０】
１つの実施形態においては、ソーラエネルギーを収集するためのデバイスが開示される。デバイスは、上面および底面を有する第１導光体を備え、該導光体は、該上面および底面における複数の全内部反射によってその中で光を誘導する。デバイスは、第１導光体に光学的に結合される光電セルをさらに備える。いくつかの実施形態においては、複数のプリズム形状部が第１導光体上に配設され、該上面を通って受け取られる環境光を方向付けし直し、それにより該光が該上面および底面から該光電セルに全内部反射によって導光体の中で誘導される。１つの実施形態においては、プリズム形状部は、細長い溝部を含むことが可能である。いくつかの実施形態においては、細長い溝部は、直線形であってよい。他の実施形態においては、細長い溝部は、湾曲していてもよい。デバイスの１つの実施形態においては、プリズム形状部は、ピットを含むことが可能である。１つの実施形態においては、ピットは、円錐形であってよい。
【００１１】
１つの実施形態においては、デバイスは、基板の上に配設されたプリズム膜をさらに含む第１導光体を備えることが可能であり、該膜は、その中に複数の該プリズム形状部を含む。いくつかの実施形態においては、該プリズム形状部は、該第１導光体の該底面にあってよい。いくつかの他の実施形態においては、プリズム形状部は、複数の平行な線形経路に沿って延在することが可能である。他の実施形態においては、プリズム形状部は、複数の同心円形の湾曲経路に沿って延在することが可能である。さらなる他の実施形態においては、プリズム形状部は、複数の楕円形の湾曲経路に沿って延在する。
【００１２】
デバイスの１つの実施形態においては、第１導光体は、該第１組のプリズム形状部を含む第１層と、第２組のプリズム形状部を含む第２層とを備える。いくつかの実施形態においては、第１層におけるプリズム形状部のうちの少なくともいくつかは、第２層におけるプリズム形状部のうちのいくつかに対して側方にオフセットされる。別の実施形態においては、第１層におけるプリズム形状部のうちの少なくともいくつかは、第２層におけるプリズム形状部のうちのいくつかとは別の形状である。デバイスの別の実施形態においては、上面および底面を有し、該上面および底面の間に複数の縁部を含む第２導光体は、第１導光体より下に配設される。第２導光体は、該底面を通って受け取られる光を方向付けし直し、それにより光が該上面および底面から全内部反射によって第２導光体の中を誘導されるようにするための複数のプリズム形状部を含む。第２導光体の中を誘導される光は、光電セルに向かって方向付けられる。
【００１３】
本発明の１つの実施形態においては、ソーラエネルギーを収集するためのデバイスが開示される。デバイスは、光を誘導するための第１手段を備え、該第１手段は、該第１および第２光反射手段を有し、それにより光が、第１および第２光反射手段における複数の全内部反射によって、光を誘導するための該手段内で誘導される。デバイスは、光エネルギーを別の形態のエネルギーに変換するための手段と、該第１および第２光反射手段を通って受け取られる環境光を方向付けし直し、それにより該光が、該第１および第２光反射手段から、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための該手段に、全内部反射によって光を誘導するための手段内で誘導されるようにするための手段とをさらに備える。１つの実施形態においては、第１および第２光反射手段は、導光手段の上面および底面を含むことが可能である。複数の縁部は、導光手段の上面および底面の間に配設可能である。
【００１４】
本発明の１つの実施形態においては、ソーラエネルギーを収集するためのデバイスを製造する方法が開示される。方法は、第１導光体を提供するステップを含み、該第１導光体は、上面および底面を含む。方法は、第１導光体が光電セルに光学的に結合されるように、光電セルを提供するステップと、該第１導光体の上面または底面のうちの一方上に複数のプリズム形状部を形成するステップとをさらに含む。
【００１５】
１つの実施形態においては、環境光を収集するためのデバイスが開示される。デバイスは、光を誘導するための第１手段であって、光を反射するための第１および第２手段を有し、それにより光が、該第１および第２光反射手段における複数の全内部反射によって該第１導光手段内で誘導される、手段と、該第１導光手段に対する法線に対して４５度より大きい第１角度で、第１導光手段の前記上面を通って受け取られる環境光を方向付けし直すための複数の手段であって、第２角度で該環境光を屈折させ、それにより光が該第１および第２光反射手段から全内部反射によって第１導光手段内で誘導される、手段とを含む。
【００１６】
本明細書に開示する実施形態の例は、添付の概略図に示され、それらは、単に例示を目的とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】光を収集し、光電セルに誘導するために、複数のプリズム形状部を備えるプリズム導光体の側面図である。
【図１Ｂ】光を収集し、光起電セルに誘導するために、複数のプリズム形状部を備えるプリズム導光体の透視図である。
【図１Ｃ】図１Ａに説明する実施形態の透視図である。
【図２】より効率的に光を収集し、光起電セルに誘導するために、オフセットしたプリズム形状部により積層された２層のプリズム導光体を備える実施形態を示す図である。
【図３】誘導モード内に結合される、導光体への入射光線の分布を示す図である。
【図４】入射放射線が広角ファセットを有するプリズム膜についての誘導モード内にそれに沿って結合される、ローブを示す図である。
【図５】入射放射線が狭角ファセットを有するプリズム膜についての誘導モード内にそれに沿って結合される、ローブを示す図である。
【図６】収集角度を最大化するための狭角ファセットと広角ファセットとを備える２層のプリズム導光体を有する実施形態を示す図である。
【図７】狭角ファセットと広角ファセットが同じプリズム導光体上に備えられる実施形態を示す図である。
【図８Ａ】光電セルが中心に配置された、同心円形状に配列されているプリズム形状部から成る実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】曲線プリズム形状部と、１つの縁部に配置された光電セルとから成る実施形態を示す図である。
【図９】微細構造パターンのマトリックスを示す図である。
【図１０】光電セルがプリズムの薄膜に対して斜角を成す実施形態を示す図である。
【図１１】光電セルの配列の上に配設されたコレクタレンズ、プリズム膜、および反射器を備える実施形態の側面図である。
【図１２Ａ】他の２つの縁部に配置された２つの光電セル内に光を方向付けるために、２つの側の反射器によって囲まれた円錐形状部を備える薄膜上面図である。
【図１２Ｂ】円錐形ファセットを有する図１２Ａに示す実施形態の側面図である。
【図１３Ａ】２つの集光膜と、１つの光電セルとを備える実施形態の側面図である。
【図１３Ｂ】２つの集光膜と、２つの光電セルとを備える実施形態の側面図である。
【図１３Ｃ】１つの集光膜と、２つの光電セルとを備える実施形態の側面図である。
【図１４】居住用家屋の屋根上および窓上に配置された光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を示す図である。
【図１５】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、自動車の屋根上に配置されている実施形態を示す図である。
【図１６】ノートパソコンの本体に貼り付けられた光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を示す図である。
【図１７】衣類に貼り付けられる光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を貼り付けた例を示す図である。
【図１８】靴の上に、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を配置した例を示す図である。
【図１９】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、航空機の翼、および窓に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２０】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、帆船に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２１】光電セルに光学的に結合される集光シート、プレート、または膜が、自転車に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２２】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、人工衛星に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２３】丸められるように実質的に可撓性の集光シートが、光電セルに光学的に結合されている実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の発明の詳細な説明は、本発明のいくつかの特定の実施形態を対象とする。しかし、本発明は、多数の別の方法で実施可能である。以下の説明から明らかとなるように、実施形態は、放射を収集し、捕捉し、ソースに対して集中させるように構成された任意のデバイスに実装可能である。より具体的には、本明細書に記載する実施形態は、電力を居住用地および商業用地に供給する、電力をノートパソコン、ＰＤＡ、腕時計、計算機、携帯電話、カムコーダ、静止カメラおよびビデオカメラ、ｍｐ３プレーヤなどの電子デバイスに供給する、などの様々な用途に実装可能、またはそれらの用途と関連付けることが可能である。加えて、本明細書に記載する実施形態は、着用可能な電力生成用の衣服、靴、およびアクセサリにおいても使用可能である。本明細書に記載する実施形態のいくつかは、自動車用電池、ナビゲーション装置を充電するため、および水をポンプで汲み上げるために使用可能である。本明細書に記載する実施形態はまた、航空宇宙および人工衛星の用途における使用が可能である。
【００１９】
本明細書に記載する様々な実施形態においては、ソーラコレクタおよび／またはコンセントレータは、光電セルに結合される。ソーラコレクタおよび／またはコンセントレータは、導光体、例えば、板、シート、または膜を備え、プリズム転換形状部がその上に形成される。導光体上に入射する環境光は、プリズム形状部によって導光体内に方向を転換され、全内部反射によって導光体の中を誘導される。光電セルは、導光体の１つまたは複数の縁部に沿って配設され、導光体から外に放出される光は、光電セル内に結合される。導光体を使用して環境光を収集し、集中させ、光電セルに方向付けることにより、高い効率性とより低い費用で光エネルギーを熱および電気に変換する光電気デバイスを実現させることが可能である。導光体は、板、シート、または膜として形成可能である。導光体は、硬質または半硬質材料から製造可能である。いくつかの実施形態においては、導光体は、可撓性材料から形成可能である。さらなる他の実施形態においては、導光体は、薄膜を含むことが可能である。導光体は、線形状に配列された溝部を含むことが可能である。代替の実施形態においては、プリズム形状部は、非線形範囲を有することが可能である。例えば、いくつかの実施形態においては、プリズム形状部は、曲線に沿って配設可能である。代替の実施形態が、導光媒体中に分散される円錐形の反射形状部を有する薄膜導光体を備えることも可能である。
【００２０】
環境光を光電セル内に結合するために使用されるプリズム導光体の１つの実施形態を図１Ａに示す。光電セルは、光起電セルであっても、または光検出器であってもよい。プリズム導光コレクタは、相互原理に基づく。図１Ａは、光電セル１００に対して配設された導光体１０４を備える実施形態の側面図を示している。いくつかの実施形態においては、導光体１０４は、基板１０５と、その上に配設された複数のプリズム形状部１０８とをさらに備えることが可能である。導光体１０４は、それらの間に複数の縁部を含む上面および底面を含むことが可能である。導光体への入射光は、複数のプリズム形状部によって導光体内に方向付けし直し可能であり、上面および底面における複数の全内部反射によって導光体の中を誘導可能である。導光体１０４は、光電セルが高感受性を有する１つまたは複数の波長における放射を透過する光学的に透過性の材料を含むことが可能である。例えば、１つの実施形態においては、導光体１０４は、可視及び近赤外領域における波長に透過性を有し得る。他の実施形態においては、導光体１０４は、紫外領域または赤外領域における波長に透過性を有し得る。導光体１０４は、実施形態に構造的安定性を提供するために、ガラスまたはアクリルなどの硬質または半硬質材料から形成され得る。あるいは、導光体１０４は、可撓性ポリマーなどの可撓性材料から形成され得る。
【００２１】
導光体１０４は、２つの面を含む。上面は、環境光を受け取るように構成されている。底面は、上面より下に配設される。導光体１０４は、周囲全体を縁部によって境界される。典型的には、導光体１０４の長さと幅は、導光体１０４の厚さより実質的に大きい。導光体１０４の厚さは、０．５ｍｍから１０ｍｍまで変化してよい。導光体１０４の面積は、０．０１ｃｍ２から１００００ｃｍ２まで変化してよい。いくつかの実施形態においては、導光体１０４を含む材料の屈折率は、環境光の大部分を全内部反射（ＴＩＲ）によって導光体１０４内で誘導するように、周囲よりも大幅に高いことが可能である。
【００２２】
１つの実施形態においては、図１Ａに示すように、導光体は、基板１０５の底面に配設されたプリズム形状部１０８を備える。プリズム形状部は、一般的に、基板１０５の底面に形成された細長い溝部である。溝部は、光学的に透過性の材料により充填可能である。プリズム形状部１０８は、成形、型押し、エッチング、または他の代替の技術によって、基板１０５の底面に形成可能である。あるいは、プリズム形状部１０８は、基板１０５の底面にラミネート加工され得る膜上に配設可能である。プリズム膜を有するいくつかの実施形態においては、光は、プリズム膜内のみで誘導され得る。このような実施形態においては、基板１０５は、構造的安定性を提供することが可能である。プリズム形状部１０８は、様々な形状を含むことが可能である。例えば、プリズム形状部１０８は、線形ｖ型溝部であってよい。あるいは、プリズム形状部１０８は、曲線溝部、または非線形形状を含むことも可能である。
【００２３】
図１Ｂは、線形ｖ型溝部１１６の形態のプリズム形状部１０８の拡大図を示す。ｖ型溝部１１６は、図１Ｂに示すように互いに対して角度分離αを成して配列された２つの平面ファセットＦ１およびＦ２を備える。ファセット間の角度分離αは、１５度から１２０度まで変化してよい。いくつかの実施形態においては、ファセットＦ１およびＦ２は、等しい長さであってよい。あるいは、他の実施形態においては、ファセットのうちの一方の長さが、他方よりも長くてもよい。２つの連続するｖ型溝部間の距離「ａ」は、０．０１ｍｍから０．５ｍｍの間で変化してよい。「ｂ」によって示されるｖ型溝部の幅は、０．００１ｍｍから０．１００ｍｍの間で変化してよく、「ｄ」によって示されるｖ型溝部の深さは、０．００１ｍｍから０．５ｍｍの間で変化してよい。
【００２４】
図１Ｃは、図１Ａにおいて説明する実施形態の透視図を示す。図１Ｃに示すように、図１Ｃにおいて説明する実施形態は、基板１０５の底面に沿って配列された線形ｖ型溝部の行を含む。
【００２５】
図１Ａおよび１Ｃを参照すると、光電セル１００は、導光体１０４に対して側方に配設されている。光電セルは、プリズム形状部１０８によって導光体１０４の中を誘導された光を受け取るように構成されている。光電セル１００は、単一層または複数層ｐ−ｎ接合を含むことが可能であり、シリコン、アモルファスシリコン、またはテルル化カドミウムなどの他の半導体材料から形成され得る。いくつかの実施形態においては、光電気化学セル、ポリマー、またはナノテクノロジーに基づく光電セル１００が使用可能である。光電セル１００はまた、薄いマルチスペクトル層を備えることが可能である。マルチスペクトル層はさらに、ポリマーにおいて分散されたナノ結晶を含むことが可能である。複数のマルチスペクトル層は、光電セル１００の効率性を高めるために積層可能である。図１Ａおよび１Ｂは、光電セル１００が、導光体１０４の一方の縁部に沿って（例えば、導光体１０４の左側に）配設されている実施形態を示している。しかし、別の光電セルは、同様に導光体１０４の他方の縁部に（例えば、導光体１０４の右側に）配設されてもよい。導光体１０４に対して光電セルをその他の位置に配置する構成もまた可能である。
【００２６】
導光体１０４の上面に入射する環境光は、光路１１２によって示されるように導光体１０４の中を透過される。光は、プリズム形状部１０８のファセットに衝突すると、導光体１０４の上面および底面から複数の反射によって全内部反射される。導光体１０４の縁部に衝突後、光線は、導光体１０４から抜け、光電セル１００に光学的に結合される。レンズまたは光パイプを使用して、導光体１０４から光電セル１００に光を光学的に結合することが可能である。１つの実施形態においては、例えば、導光体１０４は、光電セル１００に近い端部の方に、プリズム形状部１０８を有さなくてもよい。プリズム形状部を全く備えない導光体１０４の部分は、光パイプとして機能することが可能である。導光体の中を収集および誘導可能な光の量は、プリズム形状部の幾何学的形状、タイプ、および密度に左右されることになる。収集される光の量はまた、開口数を決定する導光材料の屈折率にも左右されることになる。
【００２７】
光は、ＴＩＲによって導光体１０４の中を誘導される。誘導された光は、導光体における吸収、および他のファセットからの散乱による損失を生じ得る。誘導された光におけるこの損失を減少させるために、反射の数を低減するように、導光体１０４の長さを数十インチに制限することが望ましい。しかし、導光体１０４の長さを制限することは、光が収集される面積を減らす可能性がある。したがって、いくつかの実施形態においては、導光体１０４の長さは、数十インチを超えて増大することが可能である。いくつかの他の実施形態においては、フレネル損失を減らすために、導光体１０４の表面に光学コーティングを堆積させてもよい。
【００２８】
プリズム形状部１０８が無い導光体の部分に衝突すると、光線は、導光体を通り抜けて透過することが可能であり、導光体内へと方向転換されない。このようにして導光体から抜ける光の量を減らすために、プリズム形状部が、図２に示すように互いに対してオフセットされるようにプリズム形状部を備える複数の導光体層を積層することが有利である。図２は、プリズム形状部２０８を有する第１導光層２０４と、プリズム形状部２１６を有する第２導光層２１２とを備える例示的な実施形態２を示す。光電セル２００は、２つの導光層２０４および２１２に対して側方に配設される。プリズム形状部２０８および２１６は、互いに対してオフセットされる。光線２２０は、上述のように導光体２０４の中を方向転換され、誘導される。点Ａからの導光体２０４を貫通する光線２２４は、導光体２１２の中を方向転換され、誘導される。このようにしてプリズム形状部２０８および２１６をオフセットすることは、形状部間の空間を減らし、プリズム形状部の密度を高める。形状部をオフセットすることにより、光電セルに光学的に結合される光の量を増やすことが可能であり、それによって、光電セルの電気出力を増やす。導光体層２０４および２１２は薄くてよいので、複数の導光体層を積層し、ＰＶセルに結合される光の量を増やすことが可能である。同時に積層可能な層の数は、それぞれの層の大きさおよび／または厚さに、ならびにそれぞれの層の接触面におけるフレネル損失に左右される。いくつかの実施形態においては、少なくとも１０層の導光体を、同時に積層することができる。
【００２９】
光を収集し、集中させ、光電セルに向かって方向付けるために、プリズム導光板、シート、または膜を使用することの利点は、所望の電気出力を達成するのに必要な光電セルの数がより少なくてよいことである。したがって、この技術は、光電セルにより、エネルギーを生成する費用を減らすことができる。
【００３０】
図３は、プリズム形状部によって導光体内に結合される導光体への入射光線の分布を示す。入射光の分布は、２つのローブ３１２および３１６を含む。入射ローブ３１２は、導光体の表面に対する法線に近い。入射ローブ３１２は、導光体１０４に対するほぼ垂直な入射から、導光体１０４に対する法線から約４５度に及ぶことが可能である。入射ローブ３１６は、導光体の表面と実質的に平行に配向される。入射ローブの角度広がりは、導光体１０４の表面に対して約４５度から、導光体１０４の表面に対するほぼグレージング角度の範囲であることが可能である。
【００３１】
プリズム形状部の物理的特性が、入射ローブの大きさ、形状、および角度を変えるように変更可能であることは一般に知られている。例えば、図４は、導光体４０４を含む実施形態を示している。プリズム形状部４０８は、導光体４０４の底面に配設されている。導光体４０４の上面への入射光は、プリズム形状部４０８によって導光体４０４内に方向転換され、ＴＩＲによって導光体４０４の中を誘導される。プリズム形状部４０８を含むファセット間の角度分離αは大きく、例えば、９０度よりも大きく、それによって、幅の広いプリズム形状部が生じる。幅広プリズム形状部は、実質的に入射グレージング角度における、例えば、導光体４０４の表面から約５度〜４５度における入射光を方向転換することが可能である。
【００３２】
対照的に、図５に示す実施形態においては、プリズム形状部５０８のファセット間の角度分離αは小さく、例えば、９０度よりも小さく、それによって、狭角ファセットが生じる。幅広プリズム形状部は、実質的に表面に対する法線に近い角度における、例えば、導光体５０４の表面に対する法線から約５度〜４５度における入射光を方向転換することが可能である。
【００３３】
図６は、光電セル６００の縁部に対して側方に配設された２つの導光体６０４および６０８を含む実施形態を示す。導光体６０４はさらに、相対的に幅の狭いプリズム形状部６１２を含み、導光体６０８はさらに、相対的に広角のファセット６１６を含む。垂直に近い、例えば、２つの導光体６０４および６０８の表面に対する法線から５度〜４５度における光線６２０は、相対的に狭角のファセットを有する導光体６０４の中で効率的に収集され、誘導されるが、グレージング角度で、例えば、２つ導光体６０４および６０８の表面に約５度〜４５度で入射する光線６２４は、相対的により幅の広いファセットを有する導光体６０８の中で効率的に収集され、誘導される。
【００３４】
この設計の１つの利点は、膜を機械的に回転せずに、光を効率的に広範囲の角度で収集可能であることである。したがって、光電セルの性能が一日のうちの時刻、および一年のうちの月に依存することを、著しく低減することが可能である。例えば、太陽からの光は、朝および夕方には、グレージング角度で導光体に入射することが可能であり、太陽からの光は、正午頃には、垂直に近づいて導光体に入射することが可能である。相対的に狭角のおよび広角のファセットを有する複数の導光体層を含む上述の実施形態は、朝、午後、および夕方に、ほとんど等しい効率性により光を収集することができることになる。図７は、同一の導光体上に狭角および広角両方のファセットを含む代替の実施形態を示している。
【００３５】
図８Ａは、マルチ角度アプローチを使用する実施形態を示す。１つの実施形態においては、プリズム形状部またはｖ型溝部の細長いファセットは、非線形広がりを有する。実施形態に示す特定の実施形態は、光学的に透過性の材料から形成された導光板、シート、または膜８００を含む。溝部は、導光板８００の表面に同心円８０４に沿って配列される。いくつかの実施形態においては、溝部は、楕円形の経路に沿って配設され得る。これらの溝部は、横断面８１２によって示されるようにｖ形状の溝部であってよい。同心であるｖ型溝部は、線形ｖ型溝部と類似の製造工程を使用して製造可能である。このような導光体は、導光体８００の平面に対して、広範囲の方位角度Φで光を受け入れることになる。ｖ型溝部は、光の方向を転換する。次いで、光は、光線８０８によって示されるように同心パターンの中心に伝搬し、同心パターンの中心に配置された光電セル８１６に入射する。図８Ａにおいて説明する実施形態は、例えば、曇りの状態で、拡散された環境光を収集するのに有利であり得る。
【００３６】
代替の実施形態においては、図８Ｂに示すように、光電セル８２０が導光板、シート、または膜８２４の１つの隅部に配置され得る。導光板、シート、または膜は、長方形、正方形、またはその他の何らかの幾何学的形状であってよい。溝部は、曲線８２８に沿って導光板、シート、または膜上に形成され得る。曲線８２８の中心は、導光板、シート、または膜８２４の中心にはない。曲線８２８の中心は、他の隅部よりも、光電セル８２０を有する隅部に近い。溝部は、凹形であり、光電セル８２０と向かい合う。湾曲した溝部８２８を含む導光板、シート、または膜８２４は、光を収集し、それを凹形の側に向かって方向転換し、その光を光電セル８２０に方向付けることができる。曲線のプリズム形状部または溝部を含むこのような設計は、線形のプリズム膜の１つの縁部に沿って配設された光電セルを含む設計よりも、集光においてより効率的であり得る。
【００３７】
上述したように、いくつかの実施形態においては、導光体の長さは、反射による損失を抑えるように、数十インチに制限され得る。しかし、導光体の長さを制限することは、光が収集される面積を減らす可能性がある。用途によっては、広い面積にわたって光を収集することが有利な場合もある。このような場合には、図９に示す微細構造のマトリックスパターンであることが可能なアプローチが有益である場合がある。図９に示す実施形態は、マトリックスパターンに配列された複数の要素９００を示す。マトリックスパターンは、複数の行と列とからなることが可能である。行の数は、列の数と等しいことが可能である。任意の２つの行内の要素の数が異なってもよい。同様に、任意の２つの列内の要素の数も異なってよい。いくつかの実施形態においては、マトリックスパターンは不規則であってもよい。マトリックス内の要素は、その上に形成された複数のｖ型溝部パターン９０４を有する導光板、シート、または膜を含む。ｖ型溝部以外の他の溝部パターンも同様に使用可能である。マトリックス内の要素は、同じか、異なる微細構造パターンを包含することが可能である。例えば、異なる要素における微細構造パターンは、大きさ、形状、およびタイプが異なってよい。したがって、マトリックス内の種々の要素は、種々の角度で太陽光を収集することが可能である。光電セル９０８は、マトリックスの外周内、ならびにマトリックスの外周に沿って、分布され得る。前述の開示した方法は、例えば、居住用および商業用建物の屋根上部に固定可能な光電セルに結合される光コレクタの大きなパネルを製造する際に有利であり得る。
【００３８】
図１Ａに示す実施形態においては、光電セル１００は、導光板、シート、または膜１０５の縁部に接して突出している。また、光が、図１０に示す光電セルに向かって導光板、シート、または膜から外に方向付けし直されるように、導光板、シート、または膜にその縁部において斜角をつけると有利であり得る。図１０は、プリズム形状部１００８を含む斜角の導光板、シート、または膜１００４を有する実施形態を示す。図１０に示す実施形態の側面図は、上面Ｓ１および下面Ｓ２を有する導光体を示している。上面Ｓ１と下面Ｓ２とは、縁面Ｅ１によって左側で、縁面Ｅ２によって右側で結合される。縁面Ｅ１およびＥ２は、上面Ｓ１および下面Ｓ２に対して傾斜している。上面Ｓ１および下面Ｓ２に対する縁面Ｅ１およびＥ２の傾斜角度は、９０度ではない。光線１０１２が、全内部反射によって斜角の導光体に沿って誘導され、導光板、または膜１００４の後方に配設された光電セル１０００に入射する。導光板、シート、または膜１００４の縁部に斜角をつけることにより、光電セル１０００と、導光板、シート、または膜１００４との間の位置合わせを簡単にすることが可能である。
【００３９】
導光板、シート、または膜１００４の上面に入射する光線１０１２が、プリズム形状部１００８によって導光体１００４内に方向転換し、上面Ｓ１および下面Ｓ２から全内部反射によって導光体１００４内を誘導される。傾斜した縁部Ｅ１に衝突すると、誘導される光線１０１２は、導光体１００４の後方に配設された光電セル１０００に向かって、下面Ｓ２に対する法線に近づいて導光体から外に方向付けられる。
【００４０】
図９に説明する実施形態と同様のマトリックスパターンにおけるプリズム形状部を備える複数の斜角導光体を配列することが考えられる。このような実施形態における光電セルは、マトリックスパターンの下に配設可能である。マトリックスパターンの上面に入射する環境光は、マトリックスパターンの後方に配設された光電セルに向かって導光体の斜角縁部によって方向付けられる。
【００４１】
いくつかの実施形態においては、図１１に示すようにプリズム形状部を含む導光板もしくは膜の縁部、または導光板もしくは膜の積層を通る光を収集すると有利であり得る。図１１は、導光板、シート、または膜１１００を含む実施形態を示している。導光体は、４つの面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４を含む。光は、収集レンズ１１０４を通して収集され、導光体１１００の１つの面Ｓ１に入射する。プリズム形状部１１０３は、導光体１１００の隣接面Ｓ２上に配設される。導光板、シート、または膜１１００に入る光は、プリズム形状部１１０３によって方向転換され、導光板、シート、または膜１１００の中を全内部反射によって誘導される。１１１２によって示される光線は、それがプリズム形状部１１０３のファセットのうちの１つに衝突するまで、入射面Ｓ１に隣接する２つの面Ｓ２およびＳ３から全内部反射によって導光体１１００内を誘導される。ファセットに衝突すると、光線１１１２は、図１１に示すようにプリズム形状部１１０３を含む面から離れて配設された光電セル１１０８に向かって、導光体１１００から外に方向付けられる。しかし、プリズム形状部に衝突しない光線、つまり導光板、シート、または膜１１００から外に方向付けられない１１１６によって示される光線は、収集レンズ１１０４から離れたもう一方の端部における反射器１１２０によって導光板、シート、または膜１１００内に再度結合される。
【００４２】
図１２Ａは、薄膜ソーラコンセントレータ１２００の上面図を示している。薄膜ソーラコンセントレータ１２００は、光学的に透過性の材料から形成され、２つの面を含む。薄膜ソーラコンセントレータは、細長い溝部ではなく、光がそれを通って入射する面から離れた薄膜ソーラコンセントレータの面上に形成された円錐形空洞１２０４を有する。図１２Ｂは円錐形空洞を有する薄膜ソーラコンセントレータの側面図を示している。再度、図１２Ａを参照すると、円錐形空洞１２０４は、不規則な、または規則的に導光用の薄膜全体にわたって分布している。薄膜ソーラコンセントレータ１２００はさらに、薄膜ソーラコンセントレータ１２００の２つの縁部に沿って配置される光電セル１２０８を含む。図１２Ａに示す実施形態においては、反射器１２１２が、薄膜ソーラコンセントレータ１２００の残りの縁部に沿って配置されて、光捕集効率性を高める。しかし、代替の実施形態においては、反射器１２１２は、光電セル１２０８と置換され得る。
【００４３】
図１２Ｂに示す円錐形空洞は、円形の横断面を有する。しかし、楕円形の横断面を有する円錐形空洞も同様に形成可能である。薄膜ソーラコンセントレータ１２００の表面に入射する光は、円錐形空洞１２０４によって全内部反射され、光電セル１２０８に向かって方向付けられる。円錐形空洞は、三次元構造であり、したがって、複数の方向から光を受け入れ、それを複数の方向に沿って反射することが可能である。図１２Ａおよび１２Ｂに説明する実施形態は、完全な立体角で光を収集することが可能であり、したがって、集光性能がより大きい。
【００４４】
いくつかの実施形態においては、プリズム形状部を有する２つの導光層が、図１３Ａ〜１３Ｃに示すように環境光および反射光を収集するように積層され得る。図１３Ａに示す実施形態は、上部導光層１３０５および下部導光層１３０７を含む。（構造体は配向し直される場合があるが、用語「上部」および「下部」は、図面に関してのみ参照される。）導光層１３０５および１３０７は、上面Ｓ１および底面Ｓ２を含む。上部導光層１３０５はさらに、底面Ｓ２上に配設されたプリズム形状部を含む。下部導光層１３０７は、上面Ｓ１上に配設されたプリズム形状部を含む。いくつかの実施形態においては、２つの導光層上のプリズム形状部は、互いに対してオフセットされ得る。いくつかの実施形態においては、例えば、２つの導光層１３０５および１３０７が拡散性である場合、プリズム形状部は、互いに対してオフセットされなくてもよい。いくつかの実施形態においては、上部導光層１３０５および下部導光層１３０７におけるプリズム形状部間のオフセット距離は、視認できる不自然さを低減または排除するように構成されている。２つの導光層１３０５および１３０７は、接着剤によって一体に接合可能である。いくつかの実施形態においては、２つの導光層１３０５および１３０７は、一緒にラミネート加工可能である。いくつかの実施形態においては、２つの導光層は、それらの間に間隙を含むことが可能である。
【００４５】
２つの導光層１３０５および１３０７は、基板１３０１上に配設可能である。基板１３０１は、透明基板から成る群から選択可能であり、部分的に反射する面、表示デバイス、干渉計型変調器（ＩＭＯＤ）を備える表示デバイス、または他の適切な材料であってよい。いくつかの実施形態においては、基板１３０１は、スマートガラス、または切替え可能ガラスを含むことが可能である。スマートガラス、または切替え可能ガラスは、印加電圧に応じてその透過度を変更することが可能なガラス、またはグレージングである。スマートガラス、または切替え可能ガラスは、エレクトロクロミックデバイス、懸濁粒子デバイス、またはポリマー分散型液晶デバイスを含むことが可能である。エレクトロクロミックデバイスにおいては、スマートガラスは、エレクトロクロミック材料から形成される。いくつかの実施形態においては、エレクトロクロミック材料の層が、透明媒体の外面または内面に配設され得る。エレクトロクロミック材料は、電圧または電流に応じて、不透明と、半透明と、透明との間でその透過度を変更することが可能である。変更がもたらされると、エレクトロクロミック材料は、電圧または電流が除去された後であっても、その透過度を維持することになる。懸濁粒子デバイスとともに形成されたスマートガラスを含む実施形態においては、ラミネート、膜、またはシートの形態で、粒子の薄層が、ガラスまたはプラスチックなどの２層の透明材料の間に配設され得る。電圧が印加されない場合、粒子は、不規則な形で配列可能であり、光の通路を吸収または塞ぐことが可能である。しかし、印加電圧に応じて、粒子は、配列され、光がそれらの中を通ることを可能にすることができる。ポリマー分散型液晶デバイスにおいては、液晶材料の層がガラスまたはプラスチックを含む２つの透明層間に配設され得る。懸濁粒子デバイスと同様に、電圧が印加されない場合、液晶は、不規則な形で配向され得、したがって光を遮ることが可能である。電圧に応じて、液晶は、ある方向に沿って配向され得、光がその中を通ることを可能にすることができる。２つの導光層１３０５および１３０７は、接着剤によって基板１３０１に取付けされ得る。いくつかの実施形態においては、２つの導光層１３０５および１３０７は、基板１３０１にラミネート加工され得る。この基板１３０１は、いくつかの実施形態においては拡散性であることが可能である。例えば、基板１３０１は、特定の実施形態においては、拡散的な反射面を有することが可能である。
【００４６】
光電セル１３０３は、２つの導光層１３０５および１３０７の片側に（例えば、図１３Ａに示すように左側か、もしくは右側かのいずれかなどに）配設される。図１３Ａにおいては、光電セルは、導光層１３０５および１３０７の左側に配設される。上部導光層１３０５の底面Ｓ２上のファセットに衝突した光の入射ビーム１３１３が、そのファセットによって偏向し、光電セル１３０３に向かって上部導光層１３０５の中を誘導される。したがって、上部導光層１３０５は、入射光の一部分を捕捉するために使用され得る。入射光の一部は、上部導光層１３０５のファセットに衝突しないこともある。上部導光層１３０５のファセットに衝突しない入射光の一部は、光線１３１１によって示されるように下部導光層１３０７および基板１３０１を通過し得る。上部導光層１３０５のファセットに衝突しない入射光の一部（例えば、光線１３１３）は、光線１３１５によって示されるように上部導光層１３０５から外に、下部導光層１３０７と基板１３０１との接触面から反射され得る。しかし、反射光の一部は、光線１３１７によって示されるように下部導光層１３０７の上面のファセットに衝突し、光電セル１３０３に向かって下部導光層の中を誘導され得る。（上述したように、基板１３０１は、拡散性であってよく、例えば、拡散的な反射面を有することが可能である。いくつかの実施形態においては、拡散層が基板上に配設され得る。他の設計も使用可能である。）したがって、下部導光層１３０７は、上部導光層１３０５によって収集されず、基板１３０１から反射される光を捕捉することが可能である。他の構成もまた可能である。
【００４７】
いくつかの実施形態においては、導光層の集光性能は、形状部の密度に対して直線的に変化することができる。したがって、２つの導光層１３０５および１３０７によって捕捉される光の量を増やし、基板または上部導光層を通り抜ける光の量を減らすために、プリズム形状部の密度を高めることが可能である。いくつかの実施形態においては、プリズム形状部の表面積は、導光層の全表面積の約５％〜１０％であることが可能である。いくつかの実施形態においては、形状部の密度は、膜の全体表面積の１０％よりも大きいことが可能である。他の構成も可能である。
【００４８】
いくつかの実施形態においては、ＰＶセルは、図１３Ｂに示すように導光層１３０５および１３０７の両側に配設可能である。図１３Ｂでは、入射光１３０９が上部導光層１３０５によって収集され、導光層の右側に配設された光電セル１３０３ｂに向かって方向付けられる。加えて、下部導光層１３０７は、基板１３０１から反射される光を収集し、この収集された光を、導光層の左側に配設された光電セル１３０３ａに向かって方向付ける。前述したように、基板１３０１は、拡散性であってよく、例えば、拡散的な反射面を有することが可能である。いくつかの実施形態においては、拡散層は、基板上に配設可能である。さらに他の構成もまた可能である。
【００４９】
いくつかの実施形態においては、上部導光層１３０５は、図１３Ｃに示すように除外可能である。図１３Ｃでは、２つの光電セル１３０３ａおよび１３０３ｂが、導光層１３０７の左側と右側とにそれぞれ配設されている。導光層１３０７の上面Ｓ１上に配設されるプリズム形状部のファセットに衝突する光の入射ビーム１３０９は、プリズム形状部によって屈折し、光電セル１３０３ｂに向かって導光層１３０７の中を誘導される。ファセットに衝突しない光のビーム１３１３は、導光層１３０７に入り、基板１３０１によって反射される。上述したように、基板１３０１は、拡散性であってよく、例えば、拡散的な反射面を有することが可能である。いくつかの実施形態においては、拡散層は、基板上に配設可能である。反射光線１３１７は、導光層１３０７の上面Ｓ１上に配設されたプリズム形状部のファセットに衝突し、光電セル１３０３ａに向かって導光層の中を誘導される。このようにして、単一の導光層が、入射光および反射光の両方を収集するために使用可能である。幅広い様々な他の構成もまた可能である。
【００５０】
光を収集し、集中させ、光電セルに方向付けるためのプリズム形状部を含む集光板、シート、または膜を使用する方法を使用して、効率性を高め、かつ廉価で、薄く、軽量であるソーラセルを実現することが可能である。光電セルに結合される集光板、シート、または膜を含むソーラセルは、ソーラセルのパネルを形成するように構成可能である。ソーラセルのこのようなパネルは、様々な適用例において使用可能である。例えば、光電セルに光学的に結合される複数の集光導光体を備えるソーラセルのパネル１４０４を、補助電力を家庭または企業に供給するために、図１４に示すように居住用住居、または商業用建物の屋根上部またはドアおよび窓に取り付けることができる。集光板、シート、または膜は、透明、または半透明の板、シート、または膜から形成され得る。プリズム集光板、シート、または膜は、美観のために、着色可能（例えば、赤色または茶色）である。集光板、シート、または膜は、硬質であっても、または可撓性であってもよい。いくつかの実施形態においては、集光板、シート、または膜は、丸めるのに十分な可撓性を有し得る。このようなシート１４０８を供えたソーラセルパネルは、図１４に示すように窓面に取付け可能である。集光シートは、窓を通して見えるように透明であることが可能である。あるいは、それらのシートは、光を遮断するように着色されることも可能である。他の実施形態においては、プリズムシートは、紫外線放射を除去する波長フィルタリング特性を有することが可能である。
【００５１】
他の適用例においては、集光板、シート、または膜は、電力を供給するために、図１５および図１６それぞれに示すように車およびノートパソコンに取付け可能である。図１５では、集光板、シート、または膜１５０４は、自動車の屋根に取り付けられる。光電セル１５０８は、光コレクタ１５０４の縁部に沿って配設可能である。光電セルによって生成される電力は、例えば、ガス、電気またはその両方によって電力供給される自動車の電池を再充電するため、または同様に電気部品を作動させるために使用可能である。図１６では、集光板、シート、または膜１６０４は、ノートパソコンの本体（例えば、外部ケーシング）に取付け可能である。これは、電気接続がない場合、電力をノートパソコンに供給する際に有利である。あるいは、光電セルに光学的に結合される導光コレクタを使用して、ノートパソコン電池を再充電することが可能である。
【００５２】
代替の実施形態においては、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜は、衣類または靴に取付け可能である。例えば、図１７は、ジャケットまたはベストの下側外周周りに配設された光電セル１７０８に光学的に結合された集光板、シート、または膜１７０４を備えたジャケットまたはベストを示す。代替の実施形態においては、光電セル１７０８は、ジャケットまたはベストのいずれの場所に配設されてもよい。集光板、シート、または膜１７０４は、環境光を収集し、集中させ、光電セル１７０８に方向付けることが可能である。光電セル１７０８によって生成される電気は、ＰＤＡ、ｍｐ３プレーヤ、携帯電話などの携帯型デバイスに電力供給するために使用可能である。あるいは、光電セル１７０８によって生成される電気は、見えやすくするように、暗い所での航空地上勤務員、警察官、消防士、および救急隊員によって着用されるベストおよびジャケットを点灯するために使用可能である。図１８に示す別の実施形態においては、集光板、シート、または膜１８０４は、靴に配設可能である。光電セル１８０８は、集光板、シート、または膜１８０４の縁部に沿って配設可能である。
【００５３】
光電セルに結合されるプリズム集光板、シート、または膜を備えたソーラセルのパネルは、航空機、トラック、電車、自転車、帆船、ならびに人工衛星上に取付け可能である。例えば、図１９に示すように、集光板、シート、または膜１９０４は、航空機の翼、または航空機の窓面に取付け可能である。光電セル１９０８は、図１９に示すように集光板、シート、または膜の縁部に沿って配設可能である。生成された電気は、電力を航空機のパーツに供給するために使用され得る。図２０は、船におけるナビゲーション計器、またはデバイス、例えば、冷蔵庫、テレビ、および他の電気機器に電力供給するために、光電セルに結合される光コレクタの使用を示している。集光板、シート、または膜２００４は、帆船の帆、あるいは船の胴体に貼り付けられる。ＰＶセル２００８は、集光板、シート、または膜２００４の縁部に配設される。代替の実施形態においては、集光板、シート、または膜２００４は、帆船の胴体、例えば、船室ホール、または甲板に取付け可能である。集光板、シート、または膜２１０４は、図２１に示すように自転車に取付け可能である。図２２は、通信、気象、および他のタイプの人工衛星に電力を供給するために、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜のさらなる別の適用例を示している。
【００５４】
図２３は、丸めるのに十分な可撓性を有する集光シート２３０４を示している。集光シートは、光電セルに光学的に結合される。図２３に説明する実施形態は、キャンプ、またはバックパック旅行に、丸めて、携行して、電気接続が乏しい屋外、および遠隔な場所で電力を生成することが可能である。加えて、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜は、電気を供給するために、幅広い様々な構造体および製品に取付け可能である。
【００５５】
光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜は、モジュール式であるというさらなる利点を有し得る。例えば、設計に応じて、光電セルは、集光板、シート、または膜に選択的に取り付けできるように、およびそこから取り外しできるように構成可能である。したがって、既存の光電セルは、システム全体を交換する必要なしに、より新規の、かつより効率的な光電セルと定期的に交換可能である。光電セルを交換するこの性能により、実質的に、メンテナンスおよび更新の費用を抑えることが可能である。
【００５６】
幅広い様々な他の変形形態もまた可能である。膜、層、部品、および／または要素は、追加、除外、または再構成可能である。加えて、プロセス段階も、追加、除外、または再序列可能である。また、用語「膜」および「層」が本明細書に使用されているが、本明細書に使用するこのような用語は、膜の積層、および複数の層を含む。このような膜の積層、および複数の層は、接着剤を使用して他の構造体に接着可能であり、または堆積を使用して、もしくは他のやり方で、他の構造物上に形成可能である。
【００５７】
上述した例は、単に例示に過ぎず、当業者は容易に、本明細書に開示する発明的な概念から逸脱することなく、上述の例の多数の使用法、およびその例からの新方策を作成することが可能である。これらの例に対する様々な修正形態は、当業者には容易に明らかであり得、本明細書に明示する一般的な原理は、本明細書に記載する新規態様の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の例に適用可能である。したがって、本開示の範囲は、本明細書に示す例に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示する原理および新規特徴と一致する最も広い範囲を認めるべきである。「例示」との用語は、本明細書においては、「例、事例または実例として機能すること」を意味するように排他的に使用される。「例示」として本明細書に記載する例はいずれも、他の例を超えて好ましい、または有利であると必ずしも解釈すべきものではない。
【符号の説明】
【００５８】
１００ 光電セル
１０４ 導光体
１０５ 基板
１０８ プリズム形状部
１１２ 光路
１１６ ｖ型溝部
２００ 光電セル
２０４ 導光層
２０８ プリズム形状部
２１２ 導光体
２１６ プリズム形状部
２２０ 光線
２２４ 光線
３１２ ローブ
３１６ ローブ
４０４ 導光体
４０８ プリズム形状部
５０４ 導光体
５０８ プリズム形状部
６００ 光電セル
６０４ 導光体
６０８ 導光体
６１２ 狭プリズム形状部
６１６ 光角ファセット
６２０ 光線
６２４ 光線
８００ 導光板、シート、または膜
８０４ 同心円
８０８ 光線
８１２ 横断面
８１６ 光電セル
８２０ 光電セル
８２４ 導光板、シート、または膜
８２８ 曲線
９００ 要素
９０４ 溝部パターン
９０８ 光電セル
１０００ 光電セル
１００４ 導光板、シート、または膜
１００８ プリズム形状部
１０１２ 光線
１１００ 導光板、シート、または膜
１１０３ プリズム形状部
１１０４ 収集レンズ
１１０８ 光電セル
１１１２ 光線
１１１６ 光線
１１２０ 反射器
１２００ 薄膜ソーラコンセントレータ
１２０４ 円錐形空洞
１２０８ 光電セル
１２１２ 反射器
１３０１ 基板
１３０３ 光電セル
１３０５ 上部導光層
１３０７ 下部導光層
１３０９ 入射ビーム
１３１１ 光線
１３１３ 光線
１３１５ 光線
１３１７ 光線
１４０４ ソーラセルのパネル
１４０８ シート
１５０４ 集光板、シート、または膜
１５０８ 光電セル
１６０４ 集光板、シート、または膜
１７０４ 集光板、シート、または膜
１７０８ 光電セル
１８０４ 集光板、シート、または膜
１８０８ 光電セル
１９０４ 集光板、シート、または膜
１９０８ 光電セル
２００４ 集光板、シート、または膜
２００８ ＰＶセル
２１０４ 集光板、シート、または膜
２３０４ 集光シート
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体において参照により明確に本明細書に組み込まれる「薄膜ソーラコンセントレータ／コレクタ」と題する２００７年１１月１６日に出願された米国特許出願第１１／９４１，８５１号（代理人整理番号ＱＭＲＣ．００１Ａ）の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、光コレクタおよびコンセントレータの分野に関し、より詳細には、微細構造の薄膜を使用して、太陽放射を収集し、集中させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
ソーラエネルギーは、熱および電気などの他の形態のエネルギーに変換可能な再生可能のエネルギー源である。信頼性のある再生可能エネルギー源としてソーラエネルギーを使用する際の主な欠点は、光エネルギーの熱または電気への変換効率が低く、一日のうちの時刻および一年のうちの月によりソーラエネルギーが変動することである。
【０００４】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する原理に基づく光起電（ＰＶ）セルは、ソーラエネルギーを電気エネルギーに変換するために使用可能である。ＰＶセルを使用するシステムは、１０〜２０％の間の変換効率を有することが可能である。ＰＶセルは、非常に薄く作製可能であり、ソーラエネルギーを使用する他のデバイスほど大きくなく嵩張らない。ＰＶセルは、大きさが数ミリメートルから１０数センチメートルの範囲であることが可能である。１つのＰＶセルからの個々の電気出力は、数ミリワットから数ワットの範囲であることが可能である。十分な量の電気を生成するために、複数のＰＶセルを電気接続およびパッケージングすることができる。
【０００５】
ソーラコンセントレータは、ソーラエネルギーを収集し、集束させて、ＰＶセルにおけるより高い変換効率を達成するために使用可能である。例えば、放物面鏡を使用し、光エネルギーを熱および電気に変換するデバイス上に光を収集および集束させることができる。また他のタイプのレンズおよび鏡を使用して、著しく変換効率を高めることも可能であるが、それらは、一日のうちの時刻、一年のうちの月、または天候状態により受け取られるソーラエネルギーの量が変動することは解決していない。さらには、太陽光を効率的に収集し、集束させるように要求されるレンズや鏡は大型である必要があるので、レンズ／鏡を使用するシステムは、嵩張り、重い傾向がある。
【０００６】
ＰＶセルは、電力を人工衛星およびスペースシャトルに供給する、電気を居住用地および商業用地に供給する、自動車用電池および他のナビゲーション装置を充電することなどの広範囲の用途において使用可能である。ＰＶセルの性能は、太陽光に左右されるため、ソーラエネルギーを使用する他のデバイスと同様に、ＰＶセルの変換効率は、一日のうちの時刻、一年のうちの月、および日々の天候状態に左右される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第１１／９４１，８５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これらの欠点を克服するためには、光をＰＶセル上に収集し、集束させ、かつ一日中、太陽の動きを追跡する光コレクタおよびコンセントレータを使用することが有利である。加えて、また、曇りの日には散乱光を収集する性能を持つことが有利である。このようなシステムは、複雑であり、多くの場合、嵩張り、大きいものである。多くの用途では、これらの光コレクタおよび／またはコンセントレータは、大きさが小型であることもまた望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書に記載する様々な実施形態は、環境光を収集し／集中させ、その収集光を光電セルに導くための導光体を備える。導光体は、入射光を方向付けし直し、複数の全内部反射によって導光体の中を伝搬させるための表面レリーフ形状部を含むことが可能である。表面レリーフ形状部は、光を反射するファセットを含むことが可能である。いくつかの実施形態においては、ファセットは、互いに対して角度を成すことが可能である。光電セルは、導光体に光学的に結合される。いくつかの実施形態においては、光電セルは、導光体に隣接して配設可能である。いくつかの他の実施形態においては、光電セルは、導光体の１つの隅部に配設可能である。さらなる別の実施形態においては、光電セルは、導光体より下に配設可能である。いくつかの実施形態においては、導光体は、基板上に配設可能である。基板は、ガラス、プラスチック、エレクトロクロミックガラス、スマートガラスなどを含むことが可能である。
【００１０】
１つの実施形態においては、ソーラエネルギーを収集するためのデバイスが開示される。デバイスは、上面および底面を有する第１導光体を備え、該導光体は、該上面および底面における複数の全内部反射によってその中で光を誘導する。デバイスは、第１導光体に光学的に結合される光電セルをさらに備える。いくつかの実施形態においては、複数のプリズム形状部が第１導光体上に配設され、該上面を通って受け取られる環境光を方向付けし直し、それにより該光が該上面および底面から該光電セルに全内部反射によって導光体の中で誘導される。１つの実施形態においては、プリズム形状部は、細長い溝部を含むことが可能である。いくつかの実施形態においては、細長い溝部は、直線形であってよい。他の実施形態においては、細長い溝部は、湾曲していてもよい。デバイスの１つの実施形態においては、プリズム形状部は、ピットを含むことが可能である。１つの実施形態においては、ピットは、円錐形であってよい。
【００１１】
１つの実施形態においては、デバイスは、基板の上に配設されたプリズム膜をさらに含む第１導光体を備えることが可能であり、該膜は、その中に複数の該プリズム形状部を含む。いくつかの実施形態においては、該プリズム形状部は、該第１導光体の該底面にあってよい。いくつかの他の実施形態においては、プリズム形状部は、複数の平行な線形経路に沿って延在することが可能である。他の実施形態においては、プリズム形状部は、複数の同心円形の湾曲経路に沿って延在することが可能である。さらなる他の実施形態においては、プリズム形状部は、複数の楕円形の湾曲経路に沿って延在する。
【００１２】
デバイスの１つの実施形態においては、第１導光体は、該第１組のプリズム形状部を含む第１層と、第２組のプリズム形状部を含む第２層とを備える。いくつかの実施形態においては、第１層におけるプリズム形状部のうちの少なくともいくつかは、第２層におけるプリズム形状部のうちのいくつかに対して側方にオフセットされる。別の実施形態においては、第１層におけるプリズム形状部のうちの少なくともいくつかは、第２層におけるプリズム形状部のうちのいくつかとは別の形状である。デバイスの別の実施形態においては、上面および底面を有し、該上面および底面の間に複数の縁部を含む第２導光体は、第１導光体より下に配設される。第２導光体は、該底面を通って受け取られる光を方向付けし直し、それにより光が該上面および底面から全内部反射によって第２導光体の中を誘導されるようにするための複数のプリズム形状部を含む。第２導光体の中を誘導される光は、光電セルに向かって方向付けられる。
【００１３】
本発明の１つの実施形態においては、ソーラエネルギーを収集するためのデバイスが開示される。デバイスは、光を誘導するための第１手段を備え、該第１手段は、該第１および第２光反射手段を有し、それにより光が、第１および第２光反射手段における複数の全内部反射によって、光を誘導するための該手段内で誘導される。デバイスは、光エネルギーを別の形態のエネルギーに変換するための手段と、該第１および第２光反射手段を通って受け取られる環境光を方向付けし直し、それにより該光が、該第１および第２光反射手段から、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための該手段に、全内部反射によって光を誘導するための手段内で誘導されるようにするための手段とをさらに備える。１つの実施形態においては、第１および第２光反射手段は、導光手段の上面および底面を含むことが可能である。複数の縁部は、導光手段の上面および底面の間に配設可能である。
【００１４】
本発明の１つの実施形態においては、ソーラエネルギーを収集するためのデバイスを製造する方法が開示される。方法は、第１導光体を提供するステップを含み、該第１導光体は、上面および底面を含む。方法は、第１導光体が光電セルに光学的に結合されるように、光電セルを提供するステップと、該第１導光体の上面または底面のうちの一方上に複数のプリズム形状部を形成するステップとをさらに含む。
【００１５】
１つの実施形態においては、環境光を収集するためのデバイスが開示される。デバイスは、光を誘導するための第１手段であって、光を反射するための第１および第２手段を有し、それにより光が、該第１および第２光反射手段における複数の全内部反射によって該第１導光手段内で誘導される、手段と、該第１導光手段に対する法線に対して４５度より大きい第１角度で、第１導光手段の前記上面を通って受け取られる環境光を方向付けし直すための複数の手段であって、第２角度で該環境光を屈折させ、それにより光が該第１および第２光反射手段から全内部反射によって第１導光手段内で誘導される、手段とを含む。
【００１６】
本明細書に開示する実施形態の例は、添付の概略図に示され、それらは、単に例示を目的とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】光を収集し、光電セルに誘導するために、複数のプリズム形状部を備えるプリズム導光体の側面図である。
【図１Ｂ】光を収集し、光起電セルに誘導するために、複数のプリズム形状部を備えるプリズム導光体の透視図である。
【図１Ｃ】図１Ａに説明する実施形態の透視図である。
【図２】より効率的に光を収集し、光起電セルに誘導するために、オフセットしたプリズム形状部により積層された２層のプリズム導光体を備える実施形態を示す図である。
【図３】誘導モード内に結合される、導光体への入射光線の分布を示す図である。
【図４】入射放射線が広角ファセットを有するプリズム膜についての誘導モード内にそれに沿って結合される、ローブを示す図である。
【図５】入射放射線が狭角ファセットを有するプリズム膜についての誘導モード内にそれに沿って結合される、ローブを示す図である。
【図６】収集角度を最大化するための狭角ファセットと広角ファセットとを備える２層のプリズム導光体を有する実施形態を示す図である。
【図７】狭角ファセットと広角ファセットが同じプリズム導光体上に備えられる実施形態を示す図である。
【図８Ａ】光電セルが中心に配置された、同心円形状に配列されているプリズム形状部から成る実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】曲線プリズム形状部と、１つの縁部に配置された光電セルとから成る実施形態を示す図である。
【図９】微細構造パターンのマトリックスを示す図である。
【図１０】光電セルがプリズムの薄膜に対して斜角を成す実施形態を示す図である。
【図１１】光電セルの配列の上に配設されたコレクタレンズ、プリズム膜、および反射器を備える実施形態の側面図である。
【図１２Ａ】他の２つの縁部に配置された２つの光電セル内に光を方向付けるために、２つの側の反射器によって囲まれた円錐形状部を備える薄膜上面図である。
【図１２Ｂ】円錐形ファセットを有する図１２Ａに示す実施形態の側面図である。
【図１３Ａ】２つの集光膜と、１つの光電セルとを備える実施形態の側面図である。
【図１３Ｂ】２つの集光膜と、２つの光電セルとを備える実施形態の側面図である。
【図１３Ｃ】１つの集光膜と、２つの光電セルとを備える実施形態の側面図である。
【図１４】居住用家屋の屋根上および窓上に配置された光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を示す図である。
【図１５】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、自動車の屋根上に配置されている実施形態を示す図である。
【図１６】ノートパソコンの本体に貼り付けられた光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を示す図である。
【図１７】衣類に貼り付けられる光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を貼り付けた例を示す図である。
【図１８】靴の上に、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜を配置した例を示す図である。
【図１９】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、航空機の翼、および窓に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２０】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、帆船に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２１】光電セルに光学的に結合される集光シート、プレート、または膜が、自転車に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２２】光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜が、人工衛星に貼り付けられている実施形態を示す図である。
【図２３】丸められるように実質的に可撓性の集光シートが、光電セルに光学的に結合されている実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の発明の詳細な説明は、本発明のいくつかの特定の実施形態を対象とする。しかし、本発明は、多数の別の方法で実施可能である。以下の説明から明らかとなるように、実施形態は、放射を収集し、捕捉し、ソースに対して集中させるように構成された任意のデバイスに実装可能である。より具体的には、本明細書に記載する実施形態は、電力を居住用地および商業用地に供給する、電力をノートパソコン、ＰＤＡ、腕時計、計算機、携帯電話、カムコーダ、静止カメラおよびビデオカメラ、ｍｐ３プレーヤなどの電子デバイスに供給する、などの様々な用途に実装可能、またはそれらの用途と関連付けることが可能である。加えて、本明細書に記載する実施形態は、着用可能な電力生成用の衣服、靴、およびアクセサリにおいても使用可能である。本明細書に記載する実施形態のいくつかは、自動車用電池、ナビゲーション装置を充電するため、および水をポンプで汲み上げるために使用可能である。本明細書に記載する実施形態はまた、航空宇宙および人工衛星の用途における使用が可能である。
【００１９】
本明細書に記載する様々な実施形態においては、ソーラコレクタおよび／またはコンセントレータは、光電セルに結合される。ソーラコレクタおよび／またはコンセントレータは、導光体、例えば、板、シート、または膜を備え、プリズム転換形状部がその上に形成される。導光体上に入射する環境光は、プリズム形状部によって導光体内に方向を転換され、全内部反射によって導光体の中を誘導される。光電セルは、導光体の１つまたは複数の縁部に沿って配設され、導光体から外に放出される光は、光電セル内に結合される。導光体を使用して環境光を収集し、集中させ、光電セルに方向付けることにより、高い効率性とより低い費用で光エネルギーを熱および電気に変換する光電気デバイスを実現させることが可能である。導光体は、板、シート、または膜として形成可能である。導光体は、硬質または半硬質材料から製造可能である。いくつかの実施形態においては、導光体は、可撓性材料から形成可能である。さらなる他の実施形態においては、導光体は、薄膜を含むことが可能である。導光体は、線形状に配列された溝部を含むことが可能である。代替の実施形態においては、プリズム形状部は、非線形範囲を有することが可能である。例えば、いくつかの実施形態においては、プリズム形状部は、曲線に沿って配設可能である。代替の実施形態が、導光媒体中に分散される円錐形の反射形状部を有する薄膜導光体を備えることも可能である。
【００２０】
環境光を光電セル内に結合するために使用されるプリズム導光体の１つの実施形態を図１Ａに示す。光電セルは、光起電セルであっても、または光検出器であってもよい。プリズム導光コレクタは、相互原理に基づく。図１Ａは、光電セル１００に対して配設された導光体１０４を備える実施形態の側面図を示している。いくつかの実施形態においては、導光体１０４は、基板１０５と、その上に配設された複数のプリズム形状部１０８とをさらに備えることが可能である。導光体１０４は、それらの間に複数の縁部を含む上面および底面を含むことが可能である。導光体への入射光は、複数のプリズム形状部によって導光体内に方向付けし直し可能であり、上面および底面における複数の全内部反射によって導光体の中を誘導可能である。導光体１０４は、光電セルが高感受性を有する１つまたは複数の波長における放射を透過する光学的に透過性の材料を含むことが可能である。例えば、１つの実施形態においては、導光体１０４は、可視及び近赤外領域における波長に透過性を有し得る。他の実施形態においては、導光体１０４は、紫外領域または赤外領域における波長に透過性を有し得る。導光体１０４は、実施形態に構造的安定性を提供するために、ガラスまたはアクリルなどの硬質または半硬質材料から形成され得る。あるいは、導光体１０４は、可撓性ポリマーなどの可撓性材料から形成され得る。
【００２１】
導光体１０４は、２つの面を含む。上面は、環境光を受け取るように構成されている。底面は、上面より下に配設される。導光体１０４は、周囲全体を縁部によって境界される。典型的には、導光体１０４の長さと幅は、導光体１０４の厚さより実質的に大きい。導光体１０４の厚さは、０．５ｍｍから１０ｍｍまで変化してよい。導光体１０４の面積は、０．０１ｃｍ２から１００００ｃｍ２まで変化してよい。いくつかの実施形態においては、導光体１０４を含む材料の屈折率は、環境光の大部分を全内部反射（ＴＩＲ）によって導光体１０４内で誘導するように、周囲よりも大幅に高いことが可能である。
【００２２】
１つの実施形態においては、図１Ａに示すように、導光体は、基板１０５の底面に配設されたプリズム形状部１０８を備える。プリズム形状部は、一般的に、基板１０５の底面に形成された細長い溝部である。溝部は、光学的に透過性の材料により充填可能である。プリズム形状部１０８は、成形、型押し、エッチング、または他の代替の技術によって、基板１０５の底面に形成可能である。あるいは、プリズム形状部１０８は、基板１０５の底面にラミネート加工され得る膜上に配設可能である。プリズム膜を有するいくつかの実施形態においては、光は、プリズム膜内のみで誘導され得る。このような実施形態においては、基板１０５は、構造的安定性を提供することが可能である。プリズム形状部１０８は、様々な形状を含むことが可能である。例えば、プリズム形状部１０８は、線形ｖ型溝部であってよい。あるいは、プリズム形状部１０８は、曲線溝部、または非線形形状を含むことも可能である。
【００２３】
図１Ｂは、線形ｖ型溝部１１６の形態のプリズム形状部１０８の拡大図を示す。ｖ型溝部１１６は、図１Ｂに示すように互いに対して角度分離αを成して配列された２つの平面ファセットＦ１およびＦ２を備える。ファセット間の角度分離αは、１５度から１２０度まで変化してよい。いくつかの実施形態においては、ファセットＦ１およびＦ２は、等しい長さであってよい。あるいは、他の実施形態においては、ファセットのうちの一方の長さが、他方よりも長くてもよい。２つの連続するｖ型溝部間の距離「ａ」は、０．０１ｍｍから０．５ｍｍの間で変化してよい。「ｂ」によって示されるｖ型溝部の幅は、０．００１ｍｍから０．１００ｍｍの間で変化してよく、「ｄ」によって示されるｖ型溝部の深さは、０．００１ｍｍから０．５ｍｍの間で変化してよい。
【００２４】
図１Ｃは、図１Ａにおいて説明する実施形態の透視図を示す。図１Ｃに示すように、図１Ｃにおいて説明する実施形態は、基板１０５の底面に沿って配列された線形ｖ型溝部の行を含む。
【００２５】
図１Ａおよび１Ｃを参照すると、光電セル１００は、導光体１０４に対して側方に配設されている。光電セルは、プリズム形状部１０８によって導光体１０４の中を誘導された光を受け取るように構成されている。光電セル１００は、単一層または複数層ｐ−ｎ接合を含むことが可能であり、シリコン、アモルファスシリコン、またはテルル化カドミウムなどの他の半導体材料から形成され得る。いくつかの実施形態においては、光電気化学セル、ポリマー、またはナノテクノロジーに基づく光電セル１００が使用可能である。光電セル１００はまた、薄いマルチスペクトル層を備えることが可能である。マルチスペクトル層はさらに、ポリマーにおいて分散されたナノ結晶を含むことが可能である。複数のマルチスペクトル層は、光電セル１００の効率性を高めるために積層可能である。図１Ａおよび１Ｂは、光電セル１００が、導光体１０４の一方の縁部に沿って（例えば、導光体１０４の左側に）配設されている実施形態を示している。しかし、別の光電セルは、同様に導光体１０４の他方の縁部に（例えば、導光体１０４の右側に）配設されてもよい。導光体１０４に対して光電セルをその他の位置に配置する構成もまた可能である。
【００２６】
導光体１０４の上面に入射する環境光は、光路１１２によって示されるように導光体１０４の中を透過される。光は、プリズム形状部１０８のファセットに衝突すると、導光体１０４の上面および底面から複数の反射によって全内部反射される。導光体１０４の縁部に衝突後、光線は、導光体１０４から抜け、光電セル１００に光学的に結合される。レンズまたは光パイプを使用して、導光体１０４から光電セル１００に光を光学的に結合することが可能である。１つの実施形態においては、例えば、導光体１０４は、光電セル１００に近い端部の方に、プリズム形状部１０８を有さなくてもよい。プリズム形状部を全く備えない導光体１０４の部分は、光パイプとして機能することが可能である。導光体の中を収集および誘導可能な光の量は、プリズム形状部の幾何学的形状、タイプ、および密度に左右されることになる。収集される光の量はまた、開口数を決定する導光材料の屈折率にも左右されることになる。
【００２７】
光は、ＴＩＲによって導光体１０４の中を誘導される。誘導された光は、導光体における吸収、および他のファセットからの散乱による損失を生じ得る。誘導された光におけるこの損失を減少させるために、反射の数を低減するように、導光体１０４の長さを数十インチに制限することが望ましい。しかし、導光体１０４の長さを制限することは、光が収集される面積を減らす可能性がある。したがって、いくつかの実施形態においては、導光体１０４の長さは、数十インチを超えて増大することが可能である。いくつかの他の実施形態においては、フレネル損失を減らすために、導光体１０４の表面に光学コーティングを堆積させてもよい。
【００２８】
プリズム形状部１０８が無い導光体の部分に衝突すると、光線は、導光体を通り抜けて透過することが可能であり、導光体内へと方向転換されない。このようにして導光体から抜ける光の量を減らすために、プリズム形状部が、図２に示すように互いに対してオフセットされるようにプリズム形状部を備える複数の導光体層を積層することが有利である。図２は、プリズム形状部２０８を有する第１導光層２０４と、プリズム形状部２１６を有する第２導光層２１２とを備える例示的な実施形態２を示す。光電セル２００は、２つの導光層２０４および２１２に対して側方に配設される。プリズム形状部２０８および２１６は、互いに対してオフセットされる。光線２２０は、上述のように導光体２０４の中を方向転換され、誘導される。点Ａからの導光体２０４を貫通する光線２２４は、導光体２１２の中を方向転換され、誘導される。このようにしてプリズム形状部２０８および２１６をオフセットすることは、形状部間の空間を減らし、プリズム形状部の密度を高める。形状部をオフセットすることにより、光電セルに光学的に結合される光の量を増やすことが可能であり、それによって、光電セルの電気出力を増やす。導光体層２０４および２１２は薄くてよいので、複数の導光体層を積層し、ＰＶセルに結合される光の量を増やすことが可能である。同時に積層可能な層の数は、それぞれの層の大きさおよび／または厚さに、ならびにそれぞれの層の接触面におけるフレネル損失に左右される。いくつかの実施形態においては、少なくとも１０層の導光体を、同時に積層することができる。
【００２９】
光を収集し、集中させ、光電セルに向かって方向付けるために、プリズム導光板、シート、または膜を使用することの利点は、所望の電気出力を達成するのに必要な光電セルの数がより少なくてよいことである。したがって、この技術は、光電セルにより、エネルギーを生成する費用を減らすことができる。
【００３０】
図３は、プリズム形状部によって導光体内に結合される導光体への入射光線の分布を示す。入射光の分布は、２つのローブ３１２および３１６を含む。入射ローブ３１２は、導光体の表面に対する法線に近い。入射ローブ３１２は、導光体１０４に対するほぼ垂直な入射から、導光体１０４に対する法線から約４５度に及ぶことが可能である。入射ローブ３１６は、導光体の表面と実質的に平行に配向される。入射ローブの角度広がりは、導光体１０４の表面に対して約４５度から、導光体１０４の表面に対するほぼグレージング角度の範囲であることが可能である。
【００３１】
プリズム形状部の物理的特性が、入射ローブの大きさ、形状、および角度を変えるように変更可能であることは一般に知られている。例えば、図４は、導光体４０４を含む実施形態を示している。プリズム形状部４０８は、導光体４０４の底面に配設されている。導光体４０４の上面への入射光は、プリズム形状部４０８によって導光体４０４内に方向転換され、ＴＩＲによって導光体４０４の中を誘導される。プリズム形状部４０８を含むファセット間の角度分離αは大きく、例えば、９０度よりも大きく、それによって、幅の広いプリズム形状部が生じる。幅広プリズム形状部は、実質的に入射グレージング角度における、例えば、導光体４０４の表面から約５度〜４５度における入射光を方向転換することが可能である。
【００３２】
対照的に、図５に示す実施形態においては、プリズム形状部５０８のファセット間の角度分離αは小さく、例えば、９０度よりも小さく、それによって、狭角ファセットが生じる。幅広プリズム形状部は、実質的に表面に対する法線に近い角度における、例えば、導光体５０４の表面に対する法線から約５度〜４５度における入射光を方向転換することが可能である。
【００３３】
図６は、光電セル６００の縁部に対して側方に配設された２つの導光体６０４および６０８を含む実施形態を示す。導光体６０４はさらに、相対的に幅の狭いプリズム形状部６１２を含み、導光体６０８はさらに、相対的に広角のファセット６１６を含む。垂直に近い、例えば、２つの導光体６０４および６０８の表面に対する法線から５度〜４５度における光線６２０は、相対的に狭角のファセットを有する導光体６０４の中で効率的に収集され、誘導されるが、グレージング角度で、例えば、２つ導光体６０４および６０８の表面に約５度〜４５度で入射する光線６２４は、相対的により幅の広いファセットを有する導光体６０８の中で効率的に収集され、誘導される。
【００３４】
この設計の１つの利点は、膜を機械的に回転せずに、光を効率的に広範囲の角度で収集可能であることである。したがって、光電セルの性能が一日のうちの時刻、および一年のうちの月に依存することを、著しく低減することが可能である。例えば、太陽からの光は、朝および夕方には、グレージング角度で導光体に入射することが可能であり、太陽からの光は、正午頃には、垂直に近づいて導光体に入射することが可能である。相対的に狭角のおよび広角のファセットを有する複数の導光体層を含む上述の実施形態は、朝、午後、および夕方に、ほとんど等しい効率性により光を収集することができることになる。図７は、同一の導光体上に狭角および広角両方のファセットを含む代替の実施形態を示している。
【００３５】
図８Ａは、マルチ角度アプローチを使用する実施形態を示す。１つの実施形態においては、プリズム形状部またはｖ型溝部の細長いファセットは、非線形広がりを有する。実施形態に示す特定の実施形態は、光学的に透過性の材料から形成された導光板、シート、または膜８００を含む。溝部は、導光板８００の表面に同心円８０４に沿って配列される。いくつかの実施形態においては、溝部は、楕円形の経路に沿って配設され得る。これらの溝部は、横断面８１２によって示されるようにｖ形状の溝部であってよい。同心であるｖ型溝部は、線形ｖ型溝部と類似の製造工程を使用して製造可能である。このような導光体は、導光体８００の平面に対して、広範囲の方位角度Φで光を受け入れることになる。ｖ型溝部は、光の方向を転換する。次いで、光は、光線８０８によって示されるように同心パターンの中心に伝搬し、同心パターンの中心に配置された光電セル８１６に入射する。図８Ａにおいて説明する実施形態は、例えば、曇りの状態で、拡散された環境光を収集するのに有利であり得る。
【００３６】
代替の実施形態においては、図８Ｂに示すように、光電セル８２０が導光板、シート、または膜８２４の１つの隅部に配置され得る。導光板、シート、または膜は、長方形、正方形、またはその他の何らかの幾何学的形状であってよい。溝部は、曲線８２８に沿って導光板、シート、または膜上に形成され得る。曲線８２８の中心は、導光板、シート、または膜８２４の中心にはない。曲線８２８の中心は、他の隅部よりも、光電セル８２０を有する隅部に近い。溝部は、凹形であり、光電セル８２０と向かい合う。湾曲した溝部８２８を含む導光板、シート、または膜８２４は、光を収集し、それを凹形の側に向かって方向転換し、その光を光電セル８２０に方向付けることができる。曲線のプリズム形状部または溝部を含むこのような設計は、線形のプリズム膜の１つの縁部に沿って配設された光電セルを含む設計よりも、集光においてより効率的であり得る。
【００３７】
上述したように、いくつかの実施形態においては、導光体の長さは、反射による損失を抑えるように、数十インチに制限され得る。しかし、導光体の長さを制限することは、光が収集される面積を減らす可能性がある。用途によっては、広い面積にわたって光を収集することが有利な場合もある。このような場合には、図９に示す微細構造のマトリックスパターンであることが可能なアプローチが有益である場合がある。図９に示す実施形態は、マトリックスパターンに配列された複数の要素９００を示す。マトリックスパターンは、複数の行と列とからなることが可能である。行の数は、列の数と等しいことが可能である。任意の２つの行内の要素の数が異なってもよい。同様に、任意の２つの列内の要素の数も異なってよい。いくつかの実施形態においては、マトリックスパターンは不規則であってもよい。マトリックス内の要素は、その上に形成された複数のｖ型溝部パターン９０４を有する導光板、シート、または膜を含む。ｖ型溝部以外の他の溝部パターンも同様に使用可能である。マトリックス内の要素は、同じか、異なる微細構造パターンを包含することが可能である。例えば、異なる要素における微細構造パターンは、大きさ、形状、およびタイプが異なってよい。したがって、マトリックス内の種々の要素は、種々の角度で太陽光を収集することが可能である。光電セル９０８は、マトリックスの外周内、ならびにマトリックスの外周に沿って、分布され得る。前述の開示した方法は、例えば、居住用および商業用建物の屋根上部に固定可能な光電セルに結合される光コレクタの大きなパネルを製造する際に有利であり得る。
【００３８】
図１Ａに示す実施形態においては、光電セル１００は、導光板、シート、または膜１０５の縁部に接して突出している。また、光が、図１０に示す光電セルに向かって導光板、シート、または膜から外に方向付けし直されるように、導光板、シート、または膜にその縁部において斜角をつけると有利であり得る。図１０は、プリズム形状部１００８を含む斜角の導光板、シート、または膜１００４を有する実施形態を示す。図１０に示す実施形態の側面図は、上面Ｓ１および下面Ｓ２を有する導光体を示している。上面Ｓ１と下面Ｓ２とは、縁面Ｅ１によって左側で、縁面Ｅ２によって右側で結合される。縁面Ｅ１およびＥ２は、上面Ｓ１および下面Ｓ２に対して傾斜している。上面Ｓ１および下面Ｓ２に対する縁面Ｅ１およびＥ２の傾斜角度は、９０度ではない。光線１０１２が、全内部反射によって斜角の導光体に沿って誘導され、導光板、または膜１００４の後方に配設された光電セル１０００に入射する。導光板、シート、または膜１００４の縁部に斜角をつけることにより、光電セル１０００と、導光板、シート、または膜１００４との間の位置合わせを簡単にすることが可能である。
【００３９】
導光板、シート、または膜１００４の上面に入射する光線１０１２が、プリズム形状部１００８によって導光体１００４内に方向転換し、上面Ｓ１および下面Ｓ２から全内部反射によって導光体１００４内を誘導される。傾斜した縁部Ｅ１に衝突すると、誘導される光線１０１２は、導光体１００４の後方に配設された光電セル１０００に向かって、下面Ｓ２に対する法線に近づいて導光体から外に方向付けられる。
【００４０】
図９に説明する実施形態と同様のマトリックスパターンにおけるプリズム形状部を備える複数の斜角導光体を配列することが考えられる。このような実施形態における光電セルは、マトリックスパターンの下に配設可能である。マトリックスパターンの上面に入射する環境光は、マトリックスパターンの後方に配設された光電セルに向かって導光体の斜角縁部によって方向付けられる。
【００４１】
いくつかの実施形態においては、図１１に示すようにプリズム形状部を含む導光板もしくは膜の縁部、または導光板もしくは膜の積層を通る光を収集すると有利であり得る。図１１は、導光板、シート、または膜１１００を含む実施形態を示している。導光体は、４つの面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４を含む。光は、収集レンズ１１０４を通して収集され、導光体１１００の１つの面Ｓ１に入射する。プリズム形状部１１０３は、導光体１１００の隣接面Ｓ２上に配設される。導光板、シート、または膜１１００に入る光は、プリズム形状部１１０３によって方向転換され、導光板、シート、または膜１１００の中を全内部反射によって誘導される。１１１２によって示される光線は、それがプリズム形状部１１０３のファセットのうちの１つに衝突するまで、入射面Ｓ１に隣接する２つの面Ｓ２およびＳ３から全内部反射によって導光体１１００内を誘導される。ファセットに衝突すると、光線１１１２は、図１１に示すようにプリズム形状部１１０３を含む面から離れて配設された光電セル１１０８に向かって、導光体１１００から外に方向付けられる。しかし、プリズム形状部に衝突しない光線、つまり導光板、シート、または膜１１００から外に方向付けられない１１１６によって示される光線は、収集レンズ１１０４から離れたもう一方の端部における反射器１１２０によって導光板、シート、または膜１１００内に再度結合される。
【００４２】
図１２Ａは、薄膜ソーラコンセントレータ１２００の上面図を示している。薄膜ソーラコンセントレータ１２００は、光学的に透過性の材料から形成され、２つの面を含む。薄膜ソーラコンセントレータは、細長い溝部ではなく、光がそれを通って入射する面から離れた薄膜ソーラコンセントレータの面上に形成された円錐形空洞１２０４を有する。図１２Ｂは円錐形空洞を有する薄膜ソーラコンセントレータの側面図を示している。再度、図１２Ａを参照すると、円錐形空洞１２０４は、不規則な、または規則的に導光用の薄膜全体にわたって分布している。薄膜ソーラコンセントレータ１２００はさらに、薄膜ソーラコンセントレータ１２００の２つの縁部に沿って配置される光電セル１２０８を含む。図１２Ａに示す実施形態においては、反射器１２１２が、薄膜ソーラコンセントレータ１２００の残りの縁部に沿って配置されて、光捕集効率性を高める。しかし、代替の実施形態においては、反射器１２１２は、光電セル１２０８と置換され得る。
【００４３】
図１２Ｂに示す円錐形空洞は、円形の横断面を有する。しかし、楕円形の横断面を有する円錐形空洞も同様に形成可能である。薄膜ソーラコンセントレータ１２００の表面に入射する光は、円錐形空洞１２０４によって全内部反射され、光電セル１２０８に向かって方向付けられる。円錐形空洞は、三次元構造であり、したがって、複数の方向から光を受け入れ、それを複数の方向に沿って反射することが可能である。図１２Ａおよび１２Ｂに説明する実施形態は、完全な立体角で光を収集することが可能であり、したがって、集光性能がより大きい。
【００４４】
いくつかの実施形態においては、プリズム形状部を有する２つの導光層が、図１３Ａ〜１３Ｃに示すように環境光および反射光を収集するように積層され得る。図１３Ａに示す実施形態は、上部導光層１３０５および下部導光層１３０７を含む。（構造体は配向し直される場合があるが、用語「上部」および「下部」は、図面に関してのみ参照される。）導光層１３０５および１３０７は、上面Ｓ１および底面Ｓ２を含む。上部導光層１３０５はさらに、底面Ｓ２上に配設されたプリズム形状部を含む。下部導光層１３０７は、上面Ｓ１上に配設されたプリズム形状部を含む。いくつかの実施形態においては、２つの導光層上のプリズム形状部は、互いに対してオフセットされ得る。いくつかの実施形態においては、例えば、２つの導光層１３０５および１３０７が拡散性である場合、プリズム形状部は、互いに対してオフセットされなくてもよい。いくつかの実施形態においては、上部導光層１３０５および下部導光層１３０７におけるプリズム形状部間のオフセット距離は、視認できる不自然さを低減または排除するように構成されている。２つの導光層１３０５および１３０７は、接着剤によって一体に接合可能である。いくつかの実施形態においては、２つの導光層１３０５および１３０７は、一緒にラミネート加工可能である。いくつかの実施形態においては、２つの導光層は、それらの間に間隙を含むことが可能である。
【００４５】
２つの導光層１３０５および１３０７は、基板１３０１上に配設可能である。基板１３０１は、透明基板から成る群から選択可能であり、部分的に反射する面、表示デバイス、干渉計型変調器（ＩＭＯＤ）を備える表示デバイス、または他の適切な材料であってよい。いくつかの実施形態においては、基板１３０１は、スマートガラス、または切替え可能ガラスを含むことが可能である。スマートガラス、または切替え可能ガラスは、印加電圧に応じてその透過度を変更することが可能なガラス、またはグレージングである。スマートガラス、または切替え可能ガラスは、エレクトロクロミックデバイス、懸濁粒子デバイス、またはポリマー分散型液晶デバイスを含むことが可能である。エレクトロクロミックデバイスにおいては、スマートガラスは、エレクトロクロミック材料から形成される。いくつかの実施形態においては、エレクトロクロミック材料の層が、透明媒体の外面または内面に配設され得る。エレクトロクロミック材料は、電圧または電流に応じて、不透明と、半透明と、透明との間でその透過度を変更することが可能である。変更がもたらされると、エレクトロクロミック材料は、電圧または電流が除去された後であっても、その透過度を維持することになる。懸濁粒子デバイスとともに形成されたスマートガラスを含む実施形態においては、ラミネート、膜、またはシートの形態で、粒子の薄層が、ガラスまたはプラスチックなどの２層の透明材料の間に配設され得る。電圧が印加されない場合、粒子は、不規則な形で配列可能であり、光の通路を吸収または塞ぐことが可能である。しかし、印加電圧に応じて、粒子は、配列され、光がそれらの中を通ることを可能にすることができる。ポリマー分散型液晶デバイスにおいては、液晶材料の層がガラスまたはプラスチックを含む２つの透明層間に配設され得る。懸濁粒子デバイスと同様に、電圧が印加されない場合、液晶は、不規則な形で配向され得、したがって光を遮ることが可能である。電圧に応じて、液晶は、ある方向に沿って配向され得、光がその中を通ることを可能にすることができる。２つの導光層１３０５および１３０７は、接着剤によって基板１３０１に取付けされ得る。いくつかの実施形態においては、２つの導光層１３０５および１３０７は、基板１３０１にラミネート加工され得る。この基板１３０１は、いくつかの実施形態においては拡散性であることが可能である。例えば、基板１３０１は、特定の実施形態においては、拡散的な反射面を有することが可能である。
【００４６】
光電セル１３０３は、２つの導光層１３０５および１３０７の片側に（例えば、図１３Ａに示すように左側か、もしくは右側かのいずれかなどに）配設される。図１３Ａにおいては、光電セルは、導光層１３０５および１３０７の左側に配設される。上部導光層１３０５の底面Ｓ２上のファセットに衝突した光の入射ビーム１３１３が、そのファセットによって偏向し、光電セル１３０３に向かって上部導光層１３０５の中を誘導される。したがって、上部導光層１３０５は、入射光の一部分を捕捉するために使用され得る。入射光の一部は、上部導光層１３０５のファセットに衝突しないこともある。上部導光層１３０５のファセットに衝突しない入射光の一部は、光線１３１１によって示されるように下部導光層１３０７および基板１３０１を通過し得る。上部導光層１３０５のファセットに衝突しない入射光の一部（例えば、光線１３１３）は、光線１３１５によって示されるように上部導光層１３０５から外に、下部導光層１３０７と基板１３０１との接触面から反射され得る。しかし、反射光の一部は、光線１３１７によって示されるように下部導光層１３０７の上面のファセットに衝突し、光電セル１３０３に向かって下部導光層の中を誘導され得る。（上述したように、基板１３０１は、拡散性であってよく、例えば、拡散的な反射面を有することが可能である。いくつかの実施形態においては、拡散層が基板上に配設され得る。他の設計も使用可能である。）したがって、下部導光層１３０７は、上部導光層１３０５によって収集されず、基板１３０１から反射される光を捕捉することが可能である。他の構成もまた可能である。
【００４７】
いくつかの実施形態においては、導光層の集光性能は、形状部の密度に対して直線的に変化することができる。したがって、２つの導光層１３０５および１３０７によって捕捉される光の量を増やし、基板または上部導光層を通り抜ける光の量を減らすために、プリズム形状部の密度を高めることが可能である。いくつかの実施形態においては、プリズム形状部の表面積は、導光層の全表面積の約５％〜１０％であることが可能である。いくつかの実施形態においては、形状部の密度は、膜の全体表面積の１０％よりも大きいことが可能である。他の構成も可能である。
【００４８】
いくつかの実施形態においては、ＰＶセルは、図１３Ｂに示すように導光層１３０５および１３０７の両側に配設可能である。図１３Ｂでは、入射光１３０９が上部導光層１３０５によって収集され、導光層の右側に配設された光電セル１３０３ｂに向かって方向付けられる。加えて、下部導光層１３０７は、基板１３０１から反射される光を収集し、この収集された光を、導光層の左側に配設された光電セル１３０３ａに向かって方向付ける。前述したように、基板１３０１は、拡散性であってよく、例えば、拡散的な反射面を有することが可能である。いくつかの実施形態においては、拡散層は、基板上に配設可能である。さらに他の構成もまた可能である。
【００４９】
いくつかの実施形態においては、上部導光層１３０５は、図１３Ｃに示すように除外可能である。図１３Ｃでは、２つの光電セル１３０３ａおよび１３０３ｂが、導光層１３０７の左側と右側とにそれぞれ配設されている。導光層１３０７の上面Ｓ１上に配設されるプリズム形状部のファセットに衝突する光の入射ビーム１３０９は、プリズム形状部によって屈折し、光電セル１３０３ｂに向かって導光層１３０７の中を誘導される。ファセットに衝突しない光のビーム１３１３は、導光層１３０７に入り、基板１３０１によって反射される。上述したように、基板１３０１は、拡散性であってよく、例えば、拡散的な反射面を有することが可能である。いくつかの実施形態においては、拡散層は、基板上に配設可能である。反射光線１３１７は、導光層１３０７の上面Ｓ１上に配設されたプリズム形状部のファセットに衝突し、光電セル１３０３ａに向かって導光層の中を誘導される。このようにして、単一の導光層が、入射光および反射光の両方を収集するために使用可能である。幅広い様々な他の構成もまた可能である。
【００５０】
光を収集し、集中させ、光電セルに方向付けるためのプリズム形状部を含む集光板、シート、または膜を使用する方法を使用して、効率性を高め、かつ廉価で、薄く、軽量であるソーラセルを実現することが可能である。光電セルに結合される集光板、シート、または膜を含むソーラセルは、ソーラセルのパネルを形成するように構成可能である。ソーラセルのこのようなパネルは、様々な適用例において使用可能である。例えば、光電セルに光学的に結合される複数の集光導光体を備えるソーラセルのパネル１４０４を、補助電力を家庭または企業に供給するために、図１４に示すように居住用住居、または商業用建物の屋根上部またはドアおよび窓に取り付けることができる。集光板、シート、または膜は、透明、または半透明の板、シート、または膜から形成され得る。プリズム集光板、シート、または膜は、美観のために、着色可能（例えば、赤色または茶色）である。集光板、シート、または膜は、硬質であっても、または可撓性であってもよい。いくつかの実施形態においては、集光板、シート、または膜は、丸めるのに十分な可撓性を有し得る。このようなシート１４０８を供えたソーラセルパネルは、図１４に示すように窓面に取付け可能である。集光シートは、窓を通して見えるように透明であることが可能である。あるいは、それらのシートは、光を遮断するように着色されることも可能である。他の実施形態においては、プリズムシートは、紫外線放射を除去する波長フィルタリング特性を有することが可能である。
【００５１】
他の適用例においては、集光板、シート、または膜は、電力を供給するために、図１５および図１６それぞれに示すように車およびノートパソコンに取付け可能である。図１５では、集光板、シート、または膜１５０４は、自動車の屋根に取り付けられる。光電セル１５０８は、光コレクタ１５０４の縁部に沿って配設可能である。光電セルによって生成される電力は、例えば、ガス、電気またはその両方によって電力供給される自動車の電池を再充電するため、または同様に電気部品を作動させるために使用可能である。図１６では、集光板、シート、または膜１６０４は、ノートパソコンの本体（例えば、外部ケーシング）に取付け可能である。これは、電気接続がない場合、電力をノートパソコンに供給する際に有利である。あるいは、光電セルに光学的に結合される導光コレクタを使用して、ノートパソコン電池を再充電することが可能である。
【００５２】
代替の実施形態においては、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜は、衣類または靴に取付け可能である。例えば、図１７は、ジャケットまたはベストの下側外周周りに配設された光電セル１７０８に光学的に結合された集光板、シート、または膜１７０４を備えたジャケットまたはベストを示す。代替の実施形態においては、光電セル１７０８は、ジャケットまたはベストのいずれの場所に配設されてもよい。集光板、シート、または膜１７０４は、環境光を収集し、集中させ、光電セル１７０８に方向付けることが可能である。光電セル１７０８によって生成される電気は、ＰＤＡ、ｍｐ３プレーヤ、携帯電話などの携帯型デバイスに電力供給するために使用可能である。あるいは、光電セル１７０８によって生成される電気は、見えやすくするように、暗い所での航空地上勤務員、警察官、消防士、および救急隊員によって着用されるベストおよびジャケットを点灯するために使用可能である。図１８に示す別の実施形態においては、集光板、シート、または膜１８０４は、靴に配設可能である。光電セル１８０８は、集光板、シート、または膜１８０４の縁部に沿って配設可能である。
【００５３】
光電セルに結合されるプリズム集光板、シート、または膜を備えたソーラセルのパネルは、航空機、トラック、電車、自転車、帆船、ならびに人工衛星上に取付け可能である。例えば、図１９に示すように、集光板、シート、または膜１９０４は、航空機の翼、または航空機の窓面に取付け可能である。光電セル１９０８は、図１９に示すように集光板、シート、または膜の縁部に沿って配設可能である。生成された電気は、電力を航空機のパーツに供給するために使用され得る。図２０は、船におけるナビゲーション計器、またはデバイス、例えば、冷蔵庫、テレビ、および他の電気機器に電力供給するために、光電セルに結合される光コレクタの使用を示している。集光板、シート、または膜２００４は、帆船の帆、あるいは船の胴体に貼り付けられる。ＰＶセル２００８は、集光板、シート、または膜２００４の縁部に配設される。代替の実施形態においては、集光板、シート、または膜２００４は、帆船の胴体、例えば、船室ホール、または甲板に取付け可能である。集光板、シート、または膜２１０４は、図２１に示すように自転車に取付け可能である。図２２は、通信、気象、および他のタイプの人工衛星に電力を供給するために、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜のさらなる別の適用例を示している。
【００５４】
図２３は、丸めるのに十分な可撓性を有する集光シート２３０４を示している。集光シートは、光電セルに光学的に結合される。図２３に説明する実施形態は、キャンプ、またはバックパック旅行に、丸めて、携行して、電気接続が乏しい屋外、および遠隔な場所で電力を生成することが可能である。加えて、光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜は、電気を供給するために、幅広い様々な構造体および製品に取付け可能である。
【００５５】
光電セルに光学的に結合される集光板、シート、または膜は、モジュール式であるというさらなる利点を有し得る。例えば、設計に応じて、光電セルは、集光板、シート、または膜に選択的に取り付けできるように、およびそこから取り外しできるように構成可能である。したがって、既存の光電セルは、システム全体を交換する必要なしに、より新規の、かつより効率的な光電セルと定期的に交換可能である。光電セルを交換するこの性能により、実質的に、メンテナンスおよび更新の費用を抑えることが可能である。
【００５６】
幅広い様々な他の変形形態もまた可能である。膜、層、部品、および／または要素は、追加、除外、または再構成可能である。加えて、プロセス段階も、追加、除外、または再序列可能である。また、用語「膜」および「層」が本明細書に使用されているが、本明細書に使用するこのような用語は、膜の積層、および複数の層を含む。このような膜の積層、および複数の層は、接着剤を使用して他の構造体に接着可能であり、または堆積を使用して、もしくは他のやり方で、他の構造物上に形成可能である。
【００５７】
上述した例は、単に例示に過ぎず、当業者は容易に、本明細書に開示する発明的な概念から逸脱することなく、上述の例の多数の使用法、およびその例からの新方策を作成することが可能である。これらの例に対する様々な修正形態は、当業者には容易に明らかであり得、本明細書に明示する一般的な原理は、本明細書に記載する新規態様の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の例に適用可能である。したがって、本開示の範囲は、本明細書に示す例に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示する原理および新規特徴と一致する最も広い範囲を認めるべきである。「例示」との用語は、本明細書においては、「例、事例または実例として機能すること」を意味するように排他的に使用される。「例示」として本明細書に記載する例はいずれも、他の例を超えて好ましい、または有利であると必ずしも解釈すべきものではない。
【符号の説明】
【００５８】
１００ 光電セル
１０４ 導光体
１０５ 基板
１０８ プリズム形状部
１１２ 光路
１１６ ｖ型溝部
２００ 光電セル
２０４ 導光層
２０８ プリズム形状部
２１２ 導光体
２１６ プリズム形状部
２２０ 光線
２２４ 光線
３１２ ローブ
３１６ ローブ
４０４ 導光体
４０８ プリズム形状部
５０４ 導光体
５０８ プリズム形状部
６００ 光電セル
６０４ 導光体
６０８ 導光体
６１２ 狭プリズム形状部
６１６ 光角ファセット
６２０ 光線
６２４ 光線
８００ 導光板、シート、または膜
８０４ 同心円
８０８ 光線
８１２ 横断面
８１６ 光電セル
８２０ 光電セル
８２４ 導光板、シート、または膜
８２８ 曲線
９００ 要素
９０４ 溝部パターン
９０８ 光電セル
１０００ 光電セル
１００４ 導光板、シート、または膜
１００８ プリズム形状部
１０１２ 光線
１１００ 導光板、シート、または膜
１１０３ プリズム形状部
１１０４ 収集レンズ
１１０８ 光電セル
１１１２ 光線
１１１６ 光線
１１２０ 反射器
１２００ 薄膜ソーラコンセントレータ
１２０４ 円錐形空洞
１２０８ 光電セル
１２１２ 反射器
１３０１ 基板
１３０３ 光電セル
１３０５ 上部導光層
１３０７ 下部導光層
１３０９ 入射ビーム
１３１１ 光線
１３１３ 光線
１３１５ 光線
１３１７ 光線
１４０４ ソーラセルのパネル
１４０８ シート
１５０４ 集光板、シート、または膜
１５０８ 光電セル
１６０４ 集光板、シート、または膜
１７０４ 集光板、シート、または膜
１７０８ 光電セル
１８０４ 集光板、シート、または膜
１８０８ 光電セル
１９０４ 集光板、シート、または膜
１９０８ 光電セル
２００４ 集光板、シート、または膜
２００８ ＰＶセル
２１０４ 集光板、シート、または膜
２３０４ 集光シート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境光を収集するためのデバイスであって、
上面および底面を有し、前記上面および底面における複数の全内部反射によってその中で光を誘導する第１導光体と、
前記第１導光体に対する法線に対して４５度より大きい第１角度で前記上面を通る第１部分の環境光を受け取り、第２角度で前記第１部分の環境光を方向付けし直し、それにより前記第１部分の環境光が、前記上面および底面からの全内部反射によって前記第１導光体の中で誘導されるように配設された第１組のプリズム形状部と、
前記第１導光体に対する法線に対して４５度より小さい第３角度で前記上面を通る第２部分の環境光を受け取り、前記第２部分の環境光が前記第１導光体または第２導光体の中で誘導されるように第４角度で前記第２部分の環境光を方向付けし直すように配設された第２組のプリズム形状部と、を備え、
前記第１組のプリズム形状部の少なくとも一部分は、前記第２組のプリズム形状部の少なくとも一部分とは異なる形状を有する、
デバイス。
【請求項２】
前記第１角度は、５０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１角度は、６０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１角度は、７０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１角度は、８０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
第１光電セルをさらに備え、前記第１導光体は、前記上面および底面の間に複数の縁部を含み、前記第１光電セルは、前記第１導光体の中で誘導される前記光が前記第１光電セルに入射するように、前記複数の縁部のうちの１つに対して配設された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
上面および底面と、それらの間に複数の縁部とを有する第２導光体をさらに備え、前記第２導光体は、前記第２導光体の前記上面または底面のうちの一方を通って受け取られる光を方向付けし直し、それにより光が前記第２導光体の前記上面または底面からの全内部反射によって前記第１光電セルに向かって前記第２導光体の中を誘導されるように構成されている前記第２組のプリズム形状部を備える、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１導光体の中で誘導される光が第２光電セルに入射するように、前記第１導光体の別の前記縁部に対して配設された第２光電セルをさらに備える、請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１導光体は、前記上面を通って入射する環境光を受け取り、誘導するように構成されている、請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
環境光を収集するためのデバイスであって、
光を反射するための第１および第２手段を有し、前記第１および第２光反射手段における複数の全内部反射によって光を誘導する、光を誘導するための第１手段と、
前記第１導光手段に対する法線に対して４５度より大きい第１角度で、前記第１光反射手段を通って受け取られる環境光を方向付けし直すための第１組の手段であって、第２角度で前記環境光を方向付けし直し、それにより光が、前記第１および第２光反射手段からの全内部反射によって前記第１導光手段内で誘導される、手段と、
前記第１導光手段に対する法線に対して４５度より小さい第３角度で前記第１光反射手段を通って受け取られる環境光を方向付けし直し、前記第１導光手段または第２導光手段内で光が誘導されるように第４角度で前記環境光を方向付けし直すための第２組の手段と、を備え、
前記第１組の方向付けし直す手段の少なくとも一部分は、前記第２組の方向付けし直す手段の少なくとも一部分とは異なる形状を有する、デバイス。
【請求項１１】
前記第１導光手段は、第１導光体を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１組の方向付けし直す手段および前記第２組の方向付けし直す手段は、プリズム形状部を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１光反射手段は、前記第１導光手段の上面を含み、前記第２光反射手段は、前記第１導光手段の底面を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第２導光手段は、第２導光体を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１５】
ソーラエネルギーを収集するためのデバイスを製造する方法であって、
上面および底面を有する第１導光体を提供するステップであって、前記第１導光体が、前記上面および底面における複数の全内部反射によってその中で光を誘導する、ステップと、
前記第１導光体に垂直な方向に対して４５度より大きい第１角度で前記上面を通って第１部分の環境光を受け取り、第２角度で前記第１部分の環境光を方向付けし直し、それにより前記第１部分の環境光が、前記上面および底面からの全内部反射によって前記第１導光体の中を誘導されるように、前記第１導光体内に第１組のプリズム形状部を提供するステップと、
前記第１導光体に対する法線に対して４５度より小さく、前記第１角度とは別の第３角度で前記上面を通る第２部分の環境光を受け取り、第４角度で前記第２部分の環境光を方向付けし直し、それにより前記第２部分の環境光が前記上面および底面からの全内部反射によって前記第１導光体または第２導光体の中を誘導されるように構成されている第２組のプリズム形状部を提供するステップと、を含み、
前記第１組のプリズム形状部の少なくとも一部分は、前記第２組のプリズム形状部の少なくとも一部分とは異なる形状を有する、方法。
【請求項１６】
前記第１角度は、５０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１角度は、６０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１角度は、７０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１角度は、８０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１導光体は、前記上面および底面の間に複数の縁部を含み、前記第１導光体の中を誘導される前記光が光電セルに入射するように前記複数の縁部のうちの１つに対して前記光電セルを配設するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
光が前記光電セルに向かって前記第２導光体の上面および底面からの全内部反射によって前記第２導光体の中を誘導されるように、前記第２導光体を配設するステップをさらに含み、前記第２導光体が、前記上面または底面のうちの一方を通って受け取られる光を方向付けし直す前記第２組のプリズム形状部を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２導光体を前記第１導光体より下に配設する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１導光体における前記プリズム形状部を前記第２導光体における前記プリズム形状部に対してオフセットする、請求項２１に記載の方法。
【請求項１】
環境光を収集するためのデバイスであって、
上面および底面を有し、前記上面および底面における複数の全内部反射によってその中で光を誘導する第１導光体と、
前記第１導光体に対する法線に対して４５度より大きい第１角度で前記上面を通る第１部分の環境光を受け取り、第２角度で前記第１部分の環境光を方向付けし直し、それにより前記第１部分の環境光が、前記上面および底面からの全内部反射によって前記第１導光体の中で誘導されるように配設された第１組のプリズム形状部と、
前記第１導光体に対する法線に対して４５度より小さい第３角度で前記上面を通る第２部分の環境光を受け取り、前記第２部分の環境光が前記第１導光体または第２導光体の中で誘導されるように第４角度で前記第２部分の環境光を方向付けし直すように配設された第２組のプリズム形状部と、を備え、
前記第１組のプリズム形状部の少なくとも一部分は、前記第２組のプリズム形状部の少なくとも一部分とは異なる形状を有する、
デバイス。
【請求項２】
前記第１角度は、５０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１角度は、６０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１角度は、７０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１角度は、８０度よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
第１光電セルをさらに備え、前記第１導光体は、前記上面および底面の間に複数の縁部を含み、前記第１光電セルは、前記第１導光体の中で誘導される前記光が前記第１光電セルに入射するように、前記複数の縁部のうちの１つに対して配設された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
上面および底面と、それらの間に複数の縁部とを有する第２導光体をさらに備え、前記第２導光体は、前記第２導光体の前記上面または底面のうちの一方を通って受け取られる光を方向付けし直し、それにより光が前記第２導光体の前記上面または底面からの全内部反射によって前記第１光電セルに向かって前記第２導光体の中を誘導されるように構成されている前記第２組のプリズム形状部を備える、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１導光体の中で誘導される光が第２光電セルに入射するように、前記第１導光体の別の前記縁部に対して配設された第２光電セルをさらに備える、請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１導光体は、前記上面を通って入射する環境光を受け取り、誘導するように構成されている、請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
環境光を収集するためのデバイスであって、
光を反射するための第１および第２手段を有し、前記第１および第２光反射手段における複数の全内部反射によって光を誘導する、光を誘導するための第１手段と、
前記第１導光手段に対する法線に対して４５度より大きい第１角度で、前記第１光反射手段を通って受け取られる環境光を方向付けし直すための第１組の手段であって、第２角度で前記環境光を方向付けし直し、それにより光が、前記第１および第２光反射手段からの全内部反射によって前記第１導光手段内で誘導される、手段と、
前記第１導光手段に対する法線に対して４５度より小さい第３角度で前記第１光反射手段を通って受け取られる環境光を方向付けし直し、前記第１導光手段または第２導光手段内で光が誘導されるように第４角度で前記環境光を方向付けし直すための第２組の手段と、を備え、
前記第１組の方向付けし直す手段の少なくとも一部分は、前記第２組の方向付けし直す手段の少なくとも一部分とは異なる形状を有する、デバイス。
【請求項１１】
前記第１導光手段は、第１導光体を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１組の方向付けし直す手段および前記第２組の方向付けし直す手段は、プリズム形状部を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１光反射手段は、前記第１導光手段の上面を含み、前記第２光反射手段は、前記第１導光手段の底面を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第２導光手段は、第２導光体を含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１５】
ソーラエネルギーを収集するためのデバイスを製造する方法であって、
上面および底面を有する第１導光体を提供するステップであって、前記第１導光体が、前記上面および底面における複数の全内部反射によってその中で光を誘導する、ステップと、
前記第１導光体に垂直な方向に対して４５度より大きい第１角度で前記上面を通って第１部分の環境光を受け取り、第２角度で前記第１部分の環境光を方向付けし直し、それにより前記第１部分の環境光が、前記上面および底面からの全内部反射によって前記第１導光体の中を誘導されるように、前記第１導光体内に第１組のプリズム形状部を提供するステップと、
前記第１導光体に対する法線に対して４５度より小さく、前記第１角度とは別の第３角度で前記上面を通る第２部分の環境光を受け取り、第４角度で前記第２部分の環境光を方向付けし直し、それにより前記第２部分の環境光が前記上面および底面からの全内部反射によって前記第１導光体または第２導光体の中を誘導されるように構成されている第２組のプリズム形状部を提供するステップと、を含み、
前記第１組のプリズム形状部の少なくとも一部分は、前記第２組のプリズム形状部の少なくとも一部分とは異なる形状を有する、方法。
【請求項１６】
前記第１角度は、５０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１角度は、６０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１角度は、７０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１角度は、８０度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１導光体は、前記上面および底面の間に複数の縁部を含み、前記第１導光体の中を誘導される前記光が光電セルに入射するように前記複数の縁部のうちの１つに対して前記光電セルを配設するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
光が前記光電セルに向かって前記第２導光体の上面および底面からの全内部反射によって前記第２導光体の中を誘導されるように、前記第２導光体を配設するステップをさらに含み、前記第２導光体が、前記上面または底面のうちの一方を通って受け取られる光を方向付けし直す前記第２組のプリズム形状部を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２導光体を前記第１導光体より下に配設する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１導光体における前記プリズム形状部を前記第２導光体における前記プリズム形状部に対してオフセットする、請求項２１に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−６１１４９（Ｐ２０１３−６１１４９Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２６０８５６（Ｐ２０１２−２６０８５６）
【出願日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【分割の表示】特願２０１０−５３４１１８（Ｐ２０１０−５３４１１８）の分割
【原出願日】平成２０年１１月１０日（２００８．１１．１０）
【出願人】（５０８０９５３３７）クォルコム・メムズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (133)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６０８５６（Ｐ２０１２−２６０８５６）
【出願日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【分割の表示】特願２０１０−５３４１１８（Ｐ２０１０−５３４１１８）の分割
【原出願日】平成２０年１１月１０日（２００８．１１．１０）
【出願人】（５０８０９５３３７）クォルコム・メムズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (133)
【Ｆターム（参考）】
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