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光導波装置、光電変換装置、建築物、電子機器および発光装置 NEW

国内特許コード P180015295
整理番号 (S2016-0031-N0)
掲載日 2018年9月25日
出願番号 特願2017-544517
出願日 平成28年10月5日(2016.10.5)
国際出願番号 JP2016079575
国際公開番号 WO2017061448
国際出願日 平成28年10月5日(2016.10.5)
国際公開日 平成29年4月13日(2017.4.13)
優先権データ
  • 特願2015-200705 (2015.10.9) JP
発明者
  • 石橋 晃
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 光導波装置、光電変換装置、建築物、電子機器および発光装置 NEW
発明の概要 光導波装置は、面状光導波路10と、その主面上の、透明な屈折率異方性を有する層20と、その上の反射鏡アレイ30とを有する。反射鏡アレイ30の反射鏡31は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して屈折率異方性を有する層20に入射させる。屈折率異方性を有する層20は、3次元空間伝播光が反射鏡31で反射されて屈折率異方性を有する層20に入射する光の透過は許容し、屈折率異方性を有する層20を透過して面状光導波路10内に入射し、面状光導波路10の裏面で全反射された後に屈折率異方性を有する層20に入射する光の透過は制限する。面状光導波路10の端部に光電変換用の半導体層を設けることにより光電変換装置を構成する。
従来技術、競合技術の概要


未来の循環型社会のキーテクノロジーとして、また単に地球温暖化を防止するのみならず、自然環境の調和した緑の地球を次代の人類に手渡すためには、太陽光のより一層の有効利用が望まれる。この観点から世界的に太陽電池が注目され、光電変換効率の向上や製造コストの低減を図るべく盛んに研究開発が行われている。



本発明者は先に、入射光に対する不感領域をなくすことができ、ステブラー・ロンスキー(Staebler Wronski)効果や紫外成分による有機半導体の劣化を抑えることができ、高い光電変換効率を得ることができ、大面積化も極めて容易な、太陽電池などとして用いて好適な光電変換装置を提案した(特許文献1参照。)。この光電変換装置は、3次元空間伝播光を2次元空間伝播光に変換する構造体と、上記2次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度がほぼ直角であることを特徴とする。3次元空間伝播光を2次元空間伝播光に変換する構造体としては、面状光導波路の主面または面状光導波路内に設けられた回折格子が用いられる。最も有効な回折格子として下記のような構造を有するものが提案されている(特許文献1の段落0073、図23および図24参照。)。即ち、面状光導波路の主面(光入射面)の一部にくし歯状に長方形断面の凸部が周期的に形成されることで周期的凹凸構造が形成され、この周期的凹凸構造が回折格子となる。面状光導波路の主面と反対側の面(裏面)には、周期的凹凸構造よりも広い面積に亘って反射膜として機能するアルミニウム(Al)からなるバックメタルが形成されている。バックメタルと面状光導波路との界面は鋸歯状に形成されており、この鋸歯状の界面のバックメタルの微小な傾斜面に当たった光が種々の方向に反射されるようになっている。このモデルを用いて面状光導波路の光導波性能を検証するために行われたシミュレーションの結果によれば、周期的凹凸構造に対して垂直に入射した光は、その多くがこの周期的凹凸構造により回折されて進行方向を90°変えられて面状光導波路内を導波する。即ち、方向変換光導波路とも言えるリディレクション ウエイブガイド(redirection waveguide)(3次元空間伝播光である入射光を方向転換させて2次元空間伝播光とした後、直ちに横方向に導波させることのできる機能性薄膜構造)が実現可能であることが示された。他の波長の光に対しても、凸部の寸法および周期を適宜変化させることで対応することが可能である。

産業上の利用分野


この発明は、光導波装置、光電変換装置、建築物、電子機器および発光装置に関し、例えば、3次元空間伝播光を2次元空間伝播光に変換し、あるいは、2次元空間伝播光を3次元空間伝播光に変換するのに用いて好適な光導波装置、ビルや家屋の窓、壁、屋根や各種の電子機器のディスプレイなどに設置して太陽電池として用いて好適な光電変換装置ならびにこの光電変換装置を用いた建築物および電子機器、さらには照明装置などとして用いて好適な発光装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
面状光導波路を有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播する光導波装置。

【請求項2】
光を制御する光制御構造体により上記3次元空間伝播光を上記立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させるように構成され、上記光制御構造体が上記面状光導波路の上記主面上に幾何学的対称性を以て配置されている請求項1記載の光導波装置。

【請求項3】
上記面状光導波路の上記主面上に上記幾何学的対称性を以て配置された上記光制御構造体により、上記立体角π以下に絞り込まれた上記3次元空間伝播光を上記面状光導波路の上記主面に対して垂直な平面内の角度が特定の範囲内の光に変換されて上記面状光導波路の上記主面に入射する請求項2記載の光導波装置。

【請求項4】
上記幾何学的対称性が、上記面状光導波路の内部を光が進行する方向に垂直な方向への並進対称性であり、この並進対称性により、2自由度の立体角から1自由度の入射角に縮減されて上記絞り込みが行われる請求項2記載の光導波装置。

【請求項5】
上記幾何学的対称性が、上記面状光導波路の上記主面で定義される回転対称性であり、この回転対称性により、2自由度の立体角から1自由度の入射角に縮減されて上記絞り込みが行われる請求項2記載の光導波装置。

【請求項6】
上記光制御構造体は光波進行方向変換層を含み、上記立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光は最初にこの光波進行方向変換層に入射するように構成され、上記光波進行方向変換層による進行方向変換後は、上記面状光導波路の上記主面に対してほぼ垂直に光が入射する請求項2記載の光導波装置。

【請求項7】
上記面状光導波路と、
上記面状光導波路の上記主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記屈折率異方性を有する層に入射させるように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記屈折率異方性を有する層を斜めに横断して上記面状光導波路の上記主面を経て上記面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記面状光導波路の内部に入った光が、上記面状光導波路を斜めに横断して上記面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記屈折率異方性を有する層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する請求項1記載の光導波装置。

【請求項8】
透明な屈折率異方性を有する第1の層と、
上記第1の層上の第1の面状光導波路と、
上記第1の面状光導波路上の、透明な屈折率異方性を有する第2の層と、
上記第2の層上の透明な偏光方向変換層と、
上記偏光方向変換層上の、透明な屈折率異方性を有する第3の層と、
上記第3の層上の第2の面状光導波路と、
上記第1の層の上記第1の面状光導波路と反対側の主面上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記第1の層に入射させるように構成され、
上記第1の層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記第1の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の主面を経て上記第1の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が、上記第1の面状光導波路を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第1の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有し、
上記第2の層は、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が上記第2の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面を経て上記偏光方向変換層の内部に入ることが許容されるような屈折率異方性を有し、
上記第3の層は、上記偏光方向変換層の内部に入った光が上記第3の層を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の主面を経て上記第2の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第2の面状光導波路の内部に入った光が、上記第2の面状光導波路を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第3の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する請求項1記載の光導波装置。

【請求項9】
上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて上記屈折率異方性を有する層に入射する光に対する実効屈折率が、上記屈折率異方性を有する層を透過して上記面状光導波路内に入射し、上記面状光導波路の上記主面で全反射された後に上記屈折率異方性を有する層に入射する光に対する実効屈折率より大きい請求項7記載の光導波装置。

【請求項10】
上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて上記屈折率異方性を有する層に入射する光に対する実効屈折率は上記面状光導波路の屈折率と同等である請求項9記載の光導波装置。

【請求項11】
上記面状光導波路の、上記屈折率異方性を有する層と反対側の裏面が面する空間は上記面状光導波路より屈折率が小さい媒質からなる請求項7記載の光導波装置。

【請求項12】
上記反射鏡の断面が上記屈折率異方性を有する層の側に頂点を有する放物線状の形状を有する請求項7記載の光導波装置。

【請求項13】
上記屈折率異方性を有する層上にさらに光波進行方向変換層が設けられ、上記放物線の軸は、上記光波進行方向変換層による進行方向変換後の方向に平行である請求項12記載の光導波装置。

【請求項14】
上記放物線の軸は上記屈折率異方性を有する層にほぼ垂直である請求項12記載の光導波装置。

【請求項15】
上記反射鏡と上記面状光導波路との幾何学的交点は直線状または円弧状の形状を有する請求項7記載の光導波装置。

【請求項16】
上記反射鏡と上記面状光導波路との幾何学的交点は複数の直線状または同心円弧状の形状を有する請求項7記載の光導波装置。

【請求項17】
上記屈折率異方性を有する層上に上記反射鏡が上記屈折率異方性を有する層に平行な一方向に周期的に複数設けられて反射鏡アレイが形成されている請求項7記載の光導波装置。

【請求項18】
上記屈折率異方性を有する層上に上記反射鏡と透明層とが上記面状光導波路の上記主面に沿って交互に複数設けられている請求項17記載の光導波装置。

【請求項19】
面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播して上記半導体層に入射する光電変換装置。

【請求項20】
上記半導体層の上下の互いに対向する第1の面および第2の面にそれぞれ第1の電極および第2の電極が設けられていることを特徴とする請求項19記載の光電変換装置。

【請求項21】
上記半導体層はp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合であり、そのpn接合面は上記面状光導波路の上記主面に平行または垂直である請求項19記載の光電変換装置。

【請求項22】
上記半導体層のバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的および/または連続的に減少するように構成されている請求項19記載の光電変換装置。

【請求項23】
上記半導体層はバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、上記第1の電極および上記第2の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられている請求項20記載の光電変換装置。

【請求項24】
少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播して上記半導体層に入射する光電変換装置である建築物。

【請求項25】
外面に取り付けられた少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播して上記半導体層に入射する光電変換装置である電子機器。

【請求項26】
面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、上記面状光導波路に端部から光を入射させることにより上記面状光導波路の内部を導波される2次元空間伝播光が上記屈折率異方性を有する層に入射し、上記屈折率異方性を有する層を透過する光を反射して外部に出射するように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記面状光導波路の内部から上記屈折率異方性を有する層に入射する上記2次元空間伝播光の透過を許容する屈折率異方性を有する光導波装置。

【請求項27】
面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光源とを有し、
上記反射鏡は、上記面状光導波路に端部から光を入射させることにより上記面状光導波路の内部を導波される2次元空間伝播光が上記屈折率異方性を有する層に入射し、上記屈折率異方性を有する層を透過する光を反射して外部に出射するように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記面状光導波路の内部から上記屈折率異方性を有する層に入射する上記2次元空間伝播光の透過を許容する屈折率異方性を有する発光装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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