JP6118268B2 - 共振器を備える光起電要素 - Google Patents

Description

本発明は、共振器を備える光起電要素に関し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が高いことを特徴とする。前記要素は、２つの電極の間に半導性構造体を含む。

最近の光起電力装置では、一般に、５０年以上前の太陽光電磁放射（１００ｎｍ〜１００００ｎｍの波長範囲内の広域電磁放射）を変換する原理が用いられている。太陽電池は、２つの金属電極の間に位置する２つの半導性層（シリコンが、よく用いられる材料である）から構成される。それらの層のうちの一方（Ｎ型材料）には、複数の負に帯電された電子が含まれ、他方の層（Ｐ型材料）には、電子を容易に収容する空隙空間として定義される多数の「正孔」がある。電磁波を低周波の電磁波に変換する装置、又は、直接的部品は、変圧整流器／変換器として知られている。この目的のために、電磁波変換効果の実験結果のみを重視して、様々な設計及び構成型の半導性構造体が用いられる。設計されたアンテナ、検出器、又は構造体は、共振器内で調整されない。用いられる半導性構造体は、発生する定常の電磁波を処理する困難に直面する。

同様の解決策は、進行性電磁波を別の種類の電磁放射（即ち、異なる偏向の進行性電磁波又は定常電磁波）に変換するようなアンテナ原理と、その後続の処理とを用いる。幾つかの問題が、衝突性の電磁波とその反射、並びに、広範囲の太陽光放射スペクトル特性に関して生じる。一般に、設定された特性を、幅広いスペクトル内で数十年の期間にわたり維持する能力のあるアンテナを構築するのは容易ではない。

本発明は、共振器が半導性構造体上に配置される光起電要素の新たな構造を提案することを目的とする。使用される構築技術に基づいて、本要素は、共鳴し、従来の半導体に基づく周知の技術を用いて利用可能であり、処理され得るような高い値の電磁界成分を生成する。

上記の欠点は、半導性構造体が、その上面が入射面を形成する無電磁減衰領域と電磁減衰領域とにより形成されており、それら両方の領域が、材料特性が変化する仮想の（仮定の）境界によって規定され、少なくとも１つの２次元・３次元共振器が、誘電体によって囲まれ、半導性構造体内に配置され、電磁波伝搬方向で、電磁減衰領域が、相対電極に接することを特徴とする半導性構造体を含む共振器を備える光起電要素によって解消される。

２次元・３次元共振器が２つの部分で構成され、その共振器の部分の第１の（２次元）部分が、入射面上に配置され且つ結合導体の形態の一組の電極で構成される、変換要素により構成され、第２の（３次元）部分が、誘電体及び反射体により構成され、無電磁減衰領域と電磁減衰領域の両方の中に配置され、前記変換要素が、誘電体上に更に配置され、反射体が、その誘電体上に、直交するように配置される場合に、高い値の電磁界成分を有利に生成することができる。

本発明は、電磁波の電力流れ密度（ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ｄｅｎｓｉｔｙ）（Ｗ／ｍ^２）が高い太陽光放射のスペクトルを利用する。本発明の範囲内で、半導性構造体上に配置される共振器の形態の光起電要素は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が高いことを特徴とする。

新規に構成された半導性構造体を備えた光起電要素の主な利点は、半導性構造体の一部であるその部品で構成される、つまり、平面的且つ空間的な共振器（２次元・３次元共振器）で構成される。この構造体は、太陽等の光源により発される衝突電磁波の方向に伝搬する後方性電磁波を生成しない。２次元・３次元共振器は、半導性構造体を通過する電磁波が、反射され、前記構造体中に作製された２次元・３次元共振器に戻るのを防ぐように設計される。従って、共振器は、目的の周波数スペクトルにインピーダンス整合された理想的な部品のように振る舞う。

２次元・３次元共振器がその上部に配置される半導性構造体は、２つの部分、つまり、材料特性が変化する平面によって規定される無電磁減衰領域及び電磁減衰領域から構成される。電磁減衰領域は、反射波を抑制する機能を有する。少なくとも１つの２次元・３次元共振器が、この場合、材料特性が変化する平面と同一である入射面上に配置される。これらの部分は、電磁波の最適な処理を確保する。その処理は、２次元・３次元共振器に向かう反射波の発生が防止されるように実現される。材料特性が変化する平面で終わる電磁減衰領域の後段、配置された相対電極が設けられている。

重要な点として、共振器が半導性構造体上に配置される光起電要素は、電荷を確実に生成するのに構造体とその特性とを用いないが、電磁波を衝突させ、その電磁波を電磁界の定常形に変換するのに適切な条件を設定するのに、これらの態様の両方を用いる。

別の利点は、ドナー材料により、半導性構造体材料中のガマ導電率［Ｓ／ｍ］が増加することを有する。この構造体は、その導電率が電磁減衰領域内の相対電極方向で増大するように設定される。従って、半導性構造体上に配置される光起電要素部品は、幅の広い共鳴曲線（図１０）を生成するように振る舞う。これにより、半導性材料が図９での上記のように変更される場合の事例と比べて、複雑な設計された構造体内の調整型半導性構造体の著しく低い数の変数を利用して、衝突電磁波の所望の周波数スペクトルを含むことができる。

本発明に基づいて、記載された解決策により、その結果得られる構造体中の個別の光起電要素を、それらの要素が用いられる位置に存在するような衝突電磁放射の密度条件に適合させることができる。この特性の結果、入射電磁放射の最大エネルギーを利用し、（例えば、電気エネルギー源又は発生器として）前記放射をこの先で利用される要求されたエネルギー形態に変えることから利益を得ることができる。共振器を含む設計された光起電要素は、相互接続される際に太陽電池場を形成するパネル内に埋め込まれる。

本発明の原理は、図面を用いて明らかになる。

２次元・３次元共振器を備えた光起電要素の基礎構成を図示する。 ２次元・３次元共振器システムを含み、半導性構造体上に配置された部品を接続する、光起電要素の模範的実施形態を示す。 半導性構造体上に２次元・３次元共振器の概略図を示す。 ２次元・３次元共振器及び反射体の構成を表す。 光起電要素の半導性構造体内の絶縁及び反射領域中の２次元・３次元共振器の部分的空間配置を図示する。 絶縁部品及び変換部品がその上部に配置される、（反射体により形成された）共振器の軸側投影図を示す。 共振器の側面図を示す。 非線形部品と変換部品の前方向での接続を表す。 非線形部品と変換部品の後方向での接続を図示する。 共振回路接続を示す（回路は、光起電要素及び関連電子部品で構成される）。 従来の共振器の共振曲線を示す。 提案された共振器の共振曲線を与える。

以下に示す例により、半導性構造体上に配置される共振器を用いて光起電要素を構成する原理が明らかにされるが、これらの例に限定されない。

図１に、半導性構造体上に配置される２次元・３次元共振器の基本的形態が与えられる。この光起電要素の形態は、２つの部分で構成される半導性構造体５を含む。これらの２つの部分は、無電磁減衰領域５ａと、電磁減衰領域５ｂとを構成し、これらの領域の両方が、材料特性が変化する仮想の（仮定の）境界によって規定される。更に、半導性構造体５は、この場合、材料特性が変化する境界６と同一である入射面３上に配置される少なくとも１つの２次元・３次元共振器４を含む。材料特性が変化する境界６により両方向から閉じられる電磁減衰領域５ｂの後段に、配置された相対電極１１が設けられている。

図４、図６ａ及び図６ｂには、２次元・３次元共振器４が図示される。この形態の２次元・３次元共振器は、変換部品８と反射体７とで構成され、それらの間には、誘電体１０（絶縁体等）が配置され、変換部品８は、誘電体１０によって囲まれる結合導体の形態の一組の電極により構成される。更に、変換部品８は、誘電体１０上に配置され、その誘電体の上には、反射体７が直交するように配置される。図５は、半導性構造体内の誘電体１０の配置を示す。２次元・３次元共振器４は、非線形部品１５を用いて接続部品１６に導かれる電流又は電圧を生成する。この状況は、図７ａ及び図７ｂに見られ得る。非線形部品１５の偏向の両方の種類が、図示されている。

図８は、光起電要素の電気的交流図を表す。関連する変動物は、原理上、１方向又は２方向整流器、整形器、又は、信号フィルタである。これらの接続の種類は、広く知られている。電磁波からの誘導により生じる交流電流又は交流電圧の電源１９は、第１蓄電器１８及び誘導器１４と並列に接続されており、それらは、接続状態で、コンデンサ及びコイルにより構成される。これらの部品は、次に、調整型交流回路（衝突電磁波の特性及びパラメータに調整され、共鳴する回路）を生成する。非線形要素１５は、共振回路上で信号を形作る。次に、この信号は、この先で利用され得る形にフィルタされる。次の工程では、第２蓄電器１７への接続が実現される。この接続では、蓄電器が、コンデンサにより構成される。更に、この接続では、部品１６の接続が示される。これらの部品１６は、電圧＋Ｕ、−Ｕを示す。選択された、インピーダンスＺの形態の電気負荷１３は、接続部品１６（クランプ等）に接続され、共鳴回路内で変化が生じ、共振器が、適切な共鳴モードにないような程度で、その特性を変化させる。従って、装置１２は、電気負荷１３の前に挿入される。この装置は、その出力で、電気インピーダンスＺによるあらゆる負荷を用いて、その出力で、１つの及び同じ値のインピーダンスＺｉにより非線形部品１５と第２蓄電器１７とを有する共振器に負荷をかける時に、この状況を生じさせることになる。

半導性構造体５上に配置される２次元・３次元共振器４を含む光起電要素の機能（操作）は、以下である：１００ｎｍ〜１０００００ｎｍの波長範囲内の電磁波１は、波入射・２で、設計された光起電要素の入射面３に衝突する。２次元・３次元共振器４は、（図１及び図２に記載されるように）周期的に繰り返される。光起電要素入射面３では、少なくとも１つの２次元・３次元共振器４の形式が配置される。この共振器は、個別に動作し得る（その機能を実行し得る）。代わりに、共振器間に相互接続を実現し、従って、光起電要素の場を生成することができる。入射面３では、これらの要素は、並列に接続される、又は、直列に接続される。１つの光起電要素上の少なくとも１つの２次元・３次元共振器４の形式は、有利な解決策と考えられる。これらの共振器は、接続要素９を用いて相互に接続される。

電磁波１は、入射点２で、入射面３に衝突する。故に、電磁波１の電磁成分は、分解され、電磁界強度の最大値を形成する。このプロセスは、反射体７の設計された形により実現され、その形は、薄層、直方体、ピラミッド、円錐、円環、又は、それらの組み合わせの球、部品、貫通であり得る。反射体７の表面は、誘電材料、金属、又は、両方の組み合わせ及び形状多様性の層により生成され得る（部品は、２次元・３次元共振器４の一部である）。２つの周期的に繰り返される２次元・３次元共振器４の接続を実現させる際に、強度の上記最大値が、演算的に加算（積算）させるために、これらの共振器は、（図２に図示されるように）接続要素９を用いて接続される。この図は、２次元・３次元共振器４を有し、半導性構造体５上に配置される、提案された光起電要素の例を示す。２つの２次元・３次元共振器４は、入射面３の局所位置に配置される。これらの共振器は、他の半導性構造体５上で周期的に繰り返される。その上、２次元・３次元共振器４は、接続要素９を用いて相互に接続される。

図３には、２次元・３次元共振器４を含み、半導性構造体５上に配置された、光起電要素の模範的実施形態が図示される。この形態の２次元・３次元共振器４は、半導性構造体５上に配置される。この構造体は、２つの部分、つまり、無電磁減衰領域５ａと電磁減衰領域５ｂとで構成される。これらの部分は、材料特性が変化する仮想境界６によって規定される。図４には、光起電要素の個別部分の相互配置（構成）が示される。２次元・３次元共振器４は、変換要素８（結合導体の形態の一組の電極で構成される）、反射体７、及び誘電体１０で構成される。２次元・３次元共振器４は、半導性構造体５内に更に埋め込まれる。幾何学形状は、衝突電磁波の波長に応じて、つまり、半導性構造体５の厚さが、最小で、入射電磁放射の最小周波数の波長の１／４になるように設計される。提案された幾何学形状設計は、その結果得られる、図１０による共振特性を確保することになる。

入射面３に衝突した後、電磁波は、半導性構造体５に浸透する。半導性構造体５の表面上に、入射面３の局所位置で、共振器４の２次元部分が変更され、３次元部分は、（図３及び図４に示されるように）半導性構造体５と干渉する。半導性構造体５は、電磁成分を電磁波入射面３内で最大にする条件を設定するのに役立つ。これに関して、半導性構造体５は、無電磁減衰領域５ａにより形成され、前記領域の機能により、半導性構造体５上の進行性電磁波は、繋がり、入射面３内に最大共鳴の共鳴領域を生成することができる。電磁減衰用域５ｂは、進行性電磁波を緩やかに減衰させるのに役立つ。その進行性電磁波は、入射面３から半導性構造体５の内部構造への方向に進行し、電極１１から半導性構造体５ａ及び５ｂに戻る進行波の反射を最小限にする条件を生じさせる。電磁減衰領域５ｂの主な機能は、半導性構造体５の末端での電磁波が跳ね返り、定常電磁波を生成させるのを防止することである。無電磁減衰領域５ａ並びに電磁減衰領域５ｂの寸法は、最小で、衝突電磁波１の波長の４分の１以上であるように選択される（例えば、両方の層の厚さは、１０μｍであり得る）。

共鳴状態を得ることを通じて、光起電要素内で、最初の衝突電磁波の振幅の多重増加が生じる。半導性構造体５の入射面３に衝突する電磁波１の仮定された波長に対して、性能とエネルギー採取のために設計された周期構造体のモードとを管理する電子回路１２によるこの先の処理に用いられ得る電圧を得ることができる。

高質の導体が、入射面３内に形成される導電経路材料として用いられ、その入射面上に、共振器４の２次元部分が配置される。同じ高質の導体が、接続導電性要素９及び非線形要素１５の材料にも用いられる。無電磁減衰領域５ａは、誘電体１０と導電性材料及び／又は半導性材料との組み合わせにより形成される。電磁減衰領域５ｂは、導電率を変化させる材料により形成される。その導電率は、電磁波１から入射面３への方向に増加する。ＳＩ系単位（Ｓ／ｍ）の導電率は、電磁減衰領域５ｂ内で、定常波の係数が、＜０，１＞の間隔から０．５未満であるように設定される。

光起電要素の設計された半導性構造体５は、共鳴状態で動作する。それにより、共振器４上で、衝突電磁波１の電気成分の複数（２〜１０００）値の振幅を有利に得ることができる。提案された周期配置により、周波数ｆに対して周波数変化Δｆで、共鳴モードの動作が可能になる。Δｆ／ｆを、０．５〜１．５の間隔で得ることができる。

アンテナ及び標準の共鳴回路を利用する従来の解決策では、通常、０．９〜１．１の間隔でのΔｆ／ｆ比のみを得ることができる。本文書で提案される解決策では、電磁減衰領域５ｂの吸収特性と波長に対する寸法とにより、上記のΔｆ／ｆ比を得ることができる。この条件は、最適な半導性構造体５を設計し、要素に衝突する電磁波１の、発生電圧への変換に関連して、１００％の採取率の理想状態に近づけるのに有利に利用され得る。

電気エネルギー源として基本要素を（極めて最小限に）用いるための必須条件は、外部電子回路１２を接続することを含む。それにより、回路１２の出力のあらゆる負荷（負荷インピーダンスは、０〜∞オームの間隔の値と仮定する）で、回路１２の入力での電気負荷Ｚｉの変化は、際立ったものではない。従って、基本部品又は部品群は、共鳴状態のままであることになる。

記載された光起電要素は、電気エネルギーの採取装置又は発生装置として、可能性として、センサ又は非線形コンバータとしても用いることができる。

１．電磁波
２．波衝突位置
３．入射領域面
４．基本共振器
５．半導性構造体
５ａ．無電磁減衰領域
５ｂ．電磁減衰領域
６．材料特性が変化する境界
７．基本共鳴反射体
８．変換部品
９．基本共振器の接続部
１０．誘電体品
１１．相対電極
１２．電気回路
１３．負荷
１４．誘導体
１５．非線形部品
１６．接続部品
１７．第２蓄電器
１８．第１蓄電器
１９．電磁波からの誘導により生じる電流又は電圧源

Claims (2)

1. 一組の電極で構成される変換要素（８）、反射体（７）及び誘電体（１０）を備える２次元・３次元共振器（４）と、基準電極（１１）と、無電磁減衰領域（５ａ）及び電磁減衰領域（５ｂ）を有する半導性構造体（５）と、を備える光起電要素であって、
   前記誘電体（１０）は、前記反射体（７）の周囲を囲んで誘導体（１４）を形成し、前記誘導体（１４）は、前記半導性構造体（５）内に配置され、
   前記変換要素（８）は、前記誘導体（１４）の前記誘電体（１０）の上に前記反射体（７）と直交する様に配置され、
   前記無電磁減衰領域（５ａ）の上面は入射面（３）を形成し、
   前記領域（５ａ、５ｂ）は、電気伝導率が変化する仮想境界（６）により規定され、且つ、前記電磁減衰領域（５ｂ）は、前記無電磁減衰領域（５ａ）と比較して、前記基準電極（１１）の方向へ向かって電気伝導率（ガンマ導電率［Ｓ／ｍ］）が増大することにより区別され、
   前記２次元・３次元共振器（４）は、前記変換要素（８）を有する２次元部分と、及び前記誘導体（１４）を有する３次元部分と、により形成され、前記誘導体（１４）は、前記無電磁減衰領域（５ａ）及び前記電磁減衰領域（５ｂ）の両方の中に配置され、
   前記基準電極（１１）は、前記電磁減衰領域（５ｂ）に隣接することを特徴とする、光起電要素。
2. 前記反射体（７）が、前記誘電体（１０）に対して、前記入射面（３）に対して直交するように前記誘電体（１０）及び前記無電磁減衰領域（５ａ）及び前記電磁減衰領域（５ｂ）の境界に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の光起電要素。

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