(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023037487
(43)【公開日】2023-03-15
(54)【発明の名称】アップコンバージョン構造体
(51)【国際特許分類】
G02F 1/35 20060101AFI20230308BHJP
F21V 9/30 20180101ALI20230308BHJP
【ＦＩ】
G02F1/35
F21V9/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021144270
(22)【出願日】2021-09-03
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発発機構「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／太陽光の超広帯域利用のための有機・無機複合波長変換シートの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100124039
【弁理士】
【氏名又は名称】立花 顕治
(74)【代理人】
【識別番号】100176337
【弁理士】
【氏名又は名称】杉本 弘樹
(72)【発明者】
【氏名】篠崎 健二
(72)【発明者】
【氏名】三原 敏行
(72)【発明者】
【氏名】金高 健二
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102BA18
2K102BB02
2K102BC01
2K102DA17
2K102DC09
2K102DD07
2K102DD09
2K102EB10
2K102EB20
(57)【要約】
【課題】低いエネルギー密度の光を好適にアップコンバージョン発光できるアップコンバージョン構造体を提供する。
【解決手段】アップコンバージョン構造体は、アレイ状に配置される複数のアップコンバージョンユニットを含み、前記複数のアップコンバージョンユニットは、集光レンズと、前記集光レンズを透過した光をアップコンバージョン発光させる微小球と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】アップコンバージョン構造体は、アレイ状に配置される複数のアップコンバージョンユニットを含み、前記複数のアップコンバージョンユニットは、集光レンズと、前記集光レンズを透過した光をアップコンバージョン発光させる微小球と、を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アレイ状に配置される複数のアップコンバージョンユニットを含み、
前記複数のアップコンバージョンユニットは、集光レンズと、前記集光レンズを透過した光をアップコンバージョン発光させる微小球と、を有する
アップコンバージョン構造体。
前記複数のアップコンバージョンユニットは、集光レンズと、前記集光レンズを透過した光をアップコンバージョン発光させる微小球と、を有する
アップコンバージョン構造体。
【請求項2】
前記複数のアップコンバージョンユニットを支持する基板をさらに備え、
前記基板は、前記微小球を収容する複数の凹部を有する
請求項１に記載のアップコンバージョン構造体。
前記基板は、前記微小球を収容する複数の凹部を有する
請求項１に記載のアップコンバージョン構造体。
【請求項3】
平面視における前記凹部の開口の形状は、正六角形、正方形、または、長方形である
請求項２に記載のアップコンバージョン構造体。
請求項２に記載のアップコンバージョン構造体。
【請求項4】
前記基板は、前記微小球によってアップコンバージョン発光された光を反射する材料によって構成される
請求項２または３に記載のアップコンバージョン構造体。
請求項２または３に記載のアップコンバージョン構造体。
【請求項5】
前記基板は、前記微小球によってアップコンバージョン発光された光を透過する材料によって構成される
請求項２または３に記載のアップコンバージョン構造体。
請求項２または３に記載のアップコンバージョン構造体。
【請求項6】
前記微小球は、７００ｎｍ～１５００ｎｍの波長の光を吸収するように構成される
請求項１～５のいずれか一項に記載のアップコンバージョン構造体。
請求項１～５のいずれか一項に記載のアップコンバージョン構造体。
【請求項7】
前記微小球は、希土類イオン、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、および、フッ素イオンを含む結晶を含有する
請求項１～５のいずれか一項に記載のアップコンバージョン構造体。
請求項１～５のいずれか一項に記載のアップコンバージョン構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アップコンバージョン構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、光源から照射される光をアップコンバージョン発光するアップコンバージョン構造体を開示している。特許文献１のアップコンバージョン構造体は、励起光源から出力されるレーザを集光する集光レンズと、集光レンズを透過した光をアップコンバージョン発光させる微小球結晶と、を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第２９０８６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記アップコンバージョン構造体では、比較的高いエネルギー密度であるレーザに含まれる長い波長の光をアップコンバージョン発光させている。しかし、例えば、太陽光、赤外線等の比較的低いエネルギー密度の光に含まれる長い波長の光をアップコンバージョン発光する点については、検討されていない。
【0005】
本発明は、低いエネルギー密度の光を好適にアップコンバージョン発光できるアップコンバージョン構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第１観点に係るアップコンバージョン構造体は、アレイ状に配置される複数のアップコンバージョンユニットを含み、前記複数のアップコンバージョンユニットは、集光レンズと、前記集光レンズを透過した光をアップコンバージョン発光させる微小球と、を有する。
【0007】
本発明の第２観点に係るアップコンバージョン構造体は、第１観点に係るアップコンバージョン構造体であって、前記複数のアップコンバージョンユニットを支持する基板をさらに備え、前記基板は、前記微小球を収容する複数の凹部を有する。
【0008】
本発明の第３観点に係るアップコンバージョン構造体は、第２観点に係るアップコンバージョン構造体であって、平面視における前記凹部の開口の形状は、正六角形、正方形、または、長方形である。
【0009】
本発明の第４観点に係るアップコンバージョン構造体は、第２観点または第３観点に係るアップコンバージョン構造体であって、前記基板は、前記微小球によってアップコンバージョン発光された光を反射する材料によって構成される。
【0010】
本発明の第５観点に係るアップコンバージョン構造体は、第２観点または第３観点に係るアップコンバージョン構造体であって、前記基板は、前記微小球によってアップコンバージョン発光された光を透過する材料によって構成される。
【0011】
本発明の第６観点に係るアップコンバージョン構造体は、第１観点から第５観点のいずれか１つに係るアップコンバージョン構造体であって、前記微小球は、７００ｎｍ～１５００ｎｍの波長の光を吸収するように構成される。
【0012】
本発明の第７観点に係るアップコンバージョン構造体は、第１観点から第６観点のいずれか１つに係るアップコンバージョン構造体であって、前記微小球は、希土類イオン、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、および、フッ素イオンを含む結晶を含有する。
【発明の効果】
【0013】
本発明に関するアップコンバージョン構造体によれば、低いエネルギー密度の光を好適にアップコンバージョン発光できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施形態のアップコンバージョン構造体の平面図。
【図3】試験用のアップコンバージョン構造体の斜視図。
【図6】微小球の特性を計測する計測装置の模式図。
【図7】微小球によってアップコンバージョン発光された光の波長と発光強度との関係を示すグラフ。
【図8】微小球によるアップコンバージョン発光に関する光の励起エネルギーと放出エネルギーとの関係を示すグラフ。
【図9】微小球によってアップコンバージョン発光された光の波長と発光強度との関係を示すグラフ。
【図10】バルク結晶によってアップコンバージョン発光された光の波長と発光強度との関係を示すグラフ。
【図11】微小球を用いた場合の励起光強度と発光強度との関係を示すグラフ。
【図12】バルク結晶を用いた場合の励起光強度と発光強度との関係を示すグラフ。
【図14】変形例のアップコンバージョン構造体の平面図。
【図15】別の変形例のアップコンバージョン構造体の配置状態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るアップコンバージョン構造体について説明する。
【0016】
＜１．アップコンバージョン構造体の全体構成＞
図１は、本実施形態に係るアップコンバージョン構造体１０の平面図である。図２は、図１のＤ２－Ｄ２線に沿う断面図である。アップコンバージョン構造体１０は、例えば、太陽光、赤外線等の比較的、エネルギー密度が低い光に含まれる長い波長の光をアップコンバージョン発光できるように構成される。本実施形態のアップコンバージョン構造体１０は、例えば、非集光型の太陽電池モジュール６０（図２参照）に対して設置される。太陽電池モジュール６０は、バンドキャップエネルギー以上の波長の光を吸収する。太陽電池モジュール６０は、表面６１、および、表面６１と反対側の面である裏面６２を有する。表面６１は、太陽光が入射する面である。裏面６２は、例えば、アップコンバージョン構造体１０を介して建築物の屋根（図示略）と面する面である。本実施形態では、アップコンバージョン構造体１０は、太陽電池モジュール６０の裏面６２と面するように配置される、換言すれば、アップコンバージョン構造体１０は、太陽電池モジュール６０と屋根との間に配置される。アップコンバージョン構造体１０は、１つの太陽電池モジュール６０に対して１つまたは複数配置されてもよく、アレイ状に配置される複数の太陽電池モジュール６０に対して１つまたは複数配置されてもよい。なお、アップコンバージョン構造体１０は、例えば、赤外線のセンシング、または、赤外線のイメージング等にも適用可能である。
図１は、本実施形態に係るアップコンバージョン構造体１０の平面図である。図２は、図１のＤ２－Ｄ２線に沿う断面図である。アップコンバージョン構造体１０は、例えば、太陽光、赤外線等の比較的、エネルギー密度が低い光に含まれる長い波長の光をアップコンバージョン発光できるように構成される。本実施形態のアップコンバージョン構造体１０は、例えば、非集光型の太陽電池モジュール６０（図２参照）に対して設置される。太陽電池モジュール６０は、バンドキャップエネルギー以上の波長の光を吸収する。太陽電池モジュール６０は、表面６１、および、表面６１と反対側の面である裏面６２を有する。表面６１は、太陽光が入射する面である。裏面６２は、例えば、アップコンバージョン構造体１０を介して建築物の屋根（図示略）と面する面である。本実施形態では、アップコンバージョン構造体１０は、太陽電池モジュール６０の裏面６２と面するように配置される、換言すれば、アップコンバージョン構造体１０は、太陽電池モジュール６０と屋根との間に配置される。アップコンバージョン構造体１０は、１つの太陽電池モジュール６０に対して１つまたは複数配置されてもよく、アレイ状に配置される複数の太陽電池モジュール６０に対して１つまたは複数配置されてもよい。なお、アップコンバージョン構造体１０は、例えば、赤外線のセンシング、または、赤外線のイメージング等にも適用可能である。
【0017】
図１に示されるように、アップコンバージョン構造体１０は、アレイ状に配置される複数のアップコンバージョンユニット２０と、複数のアップコンバージョンユニット２０を支持する基板５０と、を含む。
【0018】
１つのアップコンバージョン構造体１０に含まれるアップコンバージョンユニット２０の数は、２以上であれば任意に選択可能である。本実施形態では、１つのアップコンバージョンユニット２０は、２０個のアップコンバージョンユニット２０を含む。１つのアップコンバージョン構造体１０は、２～１９個、または、２１個以上のアップコンバージョンユニット２０を含んでいてもよい。
【0019】
アップコンバージョンユニット２０は、集光レンズ３０および微小球４０を含む。集光レンズ３０は、太陽光のうちの太陽電池モジュール６０によって吸収されなかった波長の光、すなわち、太陽光のうちのバンドキャップエネルギー未満の波長の光（以下では、「透過光」という）を微小球４０に集光する。集光レンズ３０の種類は、透過光を微小球４０に集光できる種類であれば、任意に選択可能である。本実施形態では、集光レンズ３０は、屈折型の球レンズである。集光レンズは、半球レンズ、過半球レンズ、凸レンズ、または、フレネルレンズであってもよい。集光レンズ３０の直径Ｌは、任意に選択可能である。本実施形態では、集光レンズ３０の直径Ｌは、２ｍｍである。太陽電池モジュール６０は、太陽光のうちの例えば、７００ｎｍ未満の波長の光を吸収する。このため、透過光は、７００ｎｍ以上の波長の光を含む。なお、集光レンズ３０は、屈折型のレンズに限定されない。例えば、本実施形態のように、太陽電池モジュール６０の裏面６２と面するようにアップコンバージョン構造体１０が設置される場合には、集光レンズ３０として、反射レンズを用いてもよい。
【0020】
微小球４０は、透過光のうちの例えば、７００ｎｍ～１５００ｎｍの波長の光を吸収してアップコンバージョン発光することによって、透過光を短い波長の光に変換する。微小球４０によるアップコンバージョン発光の形態は、エネルギー移動型または自己吸収型である。本実施形態では、微小球４０によるアップコンバージョン発光の形態は、エネルギー移動型である。微小球４０の直径は、任意に選択可能である。透過光のアップコンバージョン発光を好適に実行する観点から、微小球４０の直径は、１００μｍ以下であることが好ましい。微小球４０を構成する材料は、透過光のアップコンバージョン発光をできる材料であれば、任意に選択可能である。透過光のアップコンバージョン発光を好適に実行する観点から、微小球４０を構成する材料は、ガラス中に微結晶を含有する透明結晶化ガラスであることが好ましい。ガラス中に含まれる微結晶は、ハロゲン化物であることがより好ましい。ガラス中に含まれる微結晶は、希土類イオン、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、および、フッ素イオンを含むことがさらに好ましい。ガラス中に含まれる微結晶は、例えば、Ｎａ（Ｙ，Ｅｒ）Ｆ4結晶である。微結晶のサイズの上限は、好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下である。微結晶のサイズの下限は、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは４ｎｍ以上である。
【0021】
基板５０は、表面５１および裏面５２を有する板状である。表面５１は、太陽電池モジュール６０の裏面６２と対向する。基板５０は、表面５１から裏面５２に向けて凹む複数の凹部５３を有する。複数の凹部５３は、基板５０を貫通しない穴であり、複数のアップコンバージョンユニット２０をそれぞれ支持する。平面視における凹部５３の開口の形状は、任意に選択可能である。本実施形態では、平面視における凹部５３の開口の形状は、正六角形である。このため、基板５０により多くの凹部５３を周期的に形成できる。
【0022】
凹部５３は、表面５１から裏面５２に向けて先細りとなる形状である。より詳細には、凹部５３は、平面視において表面５１に形成される正六角形の開口を底面とする正六角錐の形状である。凹部５３の底５３Ａは、基板５０の厚さ方向において、概ね中央に位置する。微小球４０は、凹部５３の底５３Ａ、換言すれば、正六角錐の頂点の近傍に配置される。このため、微小球４０は、全体が凹部５３に収容される。集光レンズ３０は、凹部５３の内面と接するように、かつ、一部が凹部５３から露出するように配置される。
【0023】
基板５０を構成する材料は、任意に選択可能である。本実施形態のように、アップコンバージョン構造体１０が太陽電池モジュール６０の裏面６２と面するように配置される場合、基板５０は、微小球４０がアップコンバージョン発光した光を太陽電池モジュール６０に向けて反射できる材料（以下では、「反射材料」という）によって構成されることが好ましい。反射材料は、例えば、金属または半導体である。金属は、例えば、ステンレス、銀、またはアルミである。半導体は、例えば、シリコンである。基板５０は、例えば、樹脂を薄膜状に形成することによって構成してもよい。
【0024】
＜２．アップコンバージョン構造体の作用＞
太陽光のうちの太陽電池モジュール６０によって吸収されなかった透過光は、集光レンズ３０によって、微小球４０に集光される。微小球４０は、透過光をアップコンバージョン発光することによって、短い波長の光に変換する。アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光は、微小球の全方位に発光され、大部分は、基板５０によって太陽電池モジュール６０に向けて反射される。太陽電池モジュール６０は、アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光を吸収する。また、微小球４０中の励起光のエネルギー密度は、同じエネルギー量であれば狭領域であるほど高エネルギー密度になる。このため、アップコンバージョンユニット２０を大きな集光レンズ３０と小さな微小球４０との組み合せにすることで、エネルギー密度が向上する。
太陽光のうちの太陽電池モジュール６０によって吸収されなかった透過光は、集光レンズ３０によって、微小球４０に集光される。微小球４０は、透過光をアップコンバージョン発光することによって、短い波長の光に変換する。アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光は、微小球の全方位に発光され、大部分は、基板５０によって太陽電池モジュール６０に向けて反射される。太陽電池モジュール６０は、アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光を吸収する。また、微小球４０中の励起光のエネルギー密度は、同じエネルギー量であれば狭領域であるほど高エネルギー密度になる。このため、アップコンバージョンユニット２０を大きな集光レンズ３０と小さな微小球４０との組み合せにすることで、エネルギー密度が向上する。
【0025】
＜３．集光レンズの集光効果＞
図３は、集光レンズ３０の集光効果に関する試験用のアップコンバージョン構造体１００である。図４は、光源２００の底面図である。本願発明者は、試験用のアップコンバージョン構造体１００を用いて、光源２００から照射される光に対する微小球１４０に入射される光の割合をシミュレーションによって解析する試験を実施した。シミュレーションにはソフトウェアＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（米国Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社製）を用いた。試験用のアップコンバージョン構造体１００は、集光レンズ１３０、微小球１４０、および、基板１５０を含む。集光レンズ１３０は、球レンズであり、半径は、０．５ｍｍである。微小球１４０は、実施形態の微小球１４０と同様の構成である。基板１５０は、立方体である。基板１５０の１辺の長さは、４ｍｍである。平面視における基板１５０の凹部１５３の開口の形状は、１辺の長さが２．４１ｍｍの正方形である。このため、平面視における凹部１５３の開口の面積は、５．８３ｍｍ2である。光源２００は、レーザダイオードである。光源２００の照射口２１０は、１辺が１ｍｍの正方形である。
図３は、集光レンズ３０の集光効果に関する試験用のアップコンバージョン構造体１００である。図４は、光源２００の底面図である。本願発明者は、試験用のアップコンバージョン構造体１００を用いて、光源２００から照射される光に対する微小球１４０に入射される光の割合をシミュレーションによって解析する試験を実施した。シミュレーションにはソフトウェアＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（米国Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社製）を用いた。試験用のアップコンバージョン構造体１００は、集光レンズ１３０、微小球１４０、および、基板１５０を含む。集光レンズ１３０は、球レンズであり、半径は、０．５ｍｍである。微小球１４０は、実施形態の微小球１４０と同様の構成である。基板１５０は、立方体である。基板１５０の１辺の長さは、４ｍｍである。平面視における基板１５０の凹部１５３の開口の形状は、１辺の長さが２．４１ｍｍの正方形である。このため、平面視における凹部１５３の開口の面積は、５．８３ｍｍ2である。光源２００は、レーザダイオードである。光源２００の照射口２１０は、１辺が１ｍｍの正方形である。
【0026】
本試験の結果、光源２００から照射された光のうち、９１．５％が微小球１４０に入射することが判明した。このため、実施形態のように、複数の集光レンズ３０をアレイ状に配置し、その焦点位置に微小球４０を配置することによって、多くの透過光をアップコンバージョン発光できると考えられる。
【0027】
＜４．透過光のうちの微小球に入射される光の割合＞
図１に示される平面視における集光レンズ３０の面積ＳＡは、集光レンズ３０の直径Ｌを用いて、以下の式（１）によって算出される。
ＳＡ＝π・（０．５Ｌ）2・・・（１）
図１に示される平面視における集光レンズ３０の面積ＳＡは、集光レンズ３０の直径Ｌを用いて、以下の式（１）によって算出される。
ＳＡ＝π・（０．５Ｌ）2・・・（１）
【0028】
また、基板５０の凹部５３の開口が正六角形である場合、集光レンズ３０の直径Ｌを用いて、凹部５３の開口の面積ＳＢは、正六角形の外接円の公式によって、以下の式で算出される。
ＳＢ＝√３／２・Ｌ2・・・（２）
ＳＢ＝√３／２・Ｌ2・・・（２）
【0029】
このため、基板５０の凹部５３に照射される透過光のうちの集光レンズ３０に入射される光の割合ＲＡは、以下の式（３）によって算出される。
ＲＡ＝π・（０．５Ｌ）2／√３／２・Ｌ2・１００・・・（３）
すなわち、割合ＲＡは、９０．７％となる。上述した集光レンズの集光効果に関する試験の結果より、集光レンズ３０に照射される透過光のうちの９１．５％が微小球に入射すると考えられる。このため、基板５０の凹部５３に照射される透過光のうちの微小球４０に入射する透過光の割合ＲＢは、（０．９０７×０．９１５）×１００、すなわち、割合ＲＢは、８３．０％であることが把握できる。
ＲＡ＝π・（０．５Ｌ）2／√３／２・Ｌ2・１００・・・（３）
すなわち、割合ＲＡは、９０．７％となる。上述した集光レンズの集光効果に関する試験の結果より、集光レンズ３０に照射される透過光のうちの９１．５％が微小球に入射すると考えられる。このため、基板５０の凹部５３に照射される透過光のうちの微小球４０に入射する透過光の割合ＲＢは、（０．９０７×０．９１５）×１００、すなわち、割合ＲＢは、８３．０％であることが把握できる。
【0030】
＜５．微小球の製造方法＞
図５Ａを参照して、微小球４０の製造方法の一例について説明する。
微小球４０は、製造装置３００によって製造される。製造装置３００は、レーザダイオード３１０、反射ミラー３２０、および、レンズ３３０を含む。レーザダイオード３１０は、例えば、９８０ｎｍのレーザを反射ミラー３２０に向けて照射する。反射ミラー３２０は、レーザダイオード３１０が照射したレーザをレンズ３３０に向けて反射する。レンズ３３０は、反射ミラー３２０によって反射されたレーザを絞り、微小球４０を構成する材料によって構成されるガラスファイバー４００の先端に照射する。ガラスファイバー４００の先端が溶融することによって、ガラスファイバー４００の先端に微小球４０が形成される。
図５Ａを参照して、微小球４０の製造方法の一例について説明する。
微小球４０は、製造装置３００によって製造される。製造装置３００は、レーザダイオード３１０、反射ミラー３２０、および、レンズ３３０を含む。レーザダイオード３１０は、例えば、９８０ｎｍのレーザを反射ミラー３２０に向けて照射する。反射ミラー３２０は、レーザダイオード３１０が照射したレーザをレンズ３３０に向けて反射する。レンズ３３０は、反射ミラー３２０によって反射されたレーザを絞り、微小球４０を構成する材料によって構成されるガラスファイバー４００の先端に照射する。ガラスファイバー４００の先端が溶融することによって、ガラスファイバー４００の先端に微小球４０が形成される。
【0031】
より詳細には、５．８ｍｏｌ％ＥｒＦ3、５．８ｍｏｌ％ＹＦ3、１１．６ｍｏｌ％ＮａＦ、３０ｍｏｌ％ＺｎＯ、５６．８ｍｏｌ％Ｂ2Ｏ3となるように、５．８ｍｏｌ％ＥｒＦ3（高純度化学、９９．９％）、５．８ｍｏｌ％ＹＦ3（高純度化学、９９．９％）、１１．６ｍｏｌ％ＮａＦ（高純度化学、９９．９％）、３０ｍｏｌ％ＺｎＯ（高純度化学、９９．９％）、５６．８ｍｏｌ％Ｂ2Ｏ3（高純度化学、９９．９％）を混合し、白金るつぼに入れ、これを９５０℃で電気炉（モトヤマ、スーパーバーン）にて溶融した。この融液に石英製ガラス棒を入れ、引き上げることで直径６０μｍのガラスファイバー４００を作製した。このガラスファイバー４００の先端に製造装置３００を用いて９８０ｎｍのレーザーを５Ｗの出力で照射することで球体化させることによって、微小球４０を製造した。図５Ｂは、微小球４０の球断面を透過電子顕微鏡（ＪＥＯＬ社製、ＪＥＭ－２１００Ｆ）で観察した明視野像である。図５Ｃは、微小球４０の電子線回折パターンである。図５Ｂに示されるように、明視野像での暗いコントラストは結晶を示しており、粒径２０ｎｍ以下の微結晶が析出していることが把握できる。図５Ｃに示されるように、電子線回折パターンから、立方晶ＮａＹＦ4ナノ結晶の回折に帰属されることが確認された。
【0032】
＜６．微小球の特性＞
図６は、微小球４０の特性を計測する計測装置５００である。本願発明者は、計測装置５００を用いて、実施形態の微小球４０のアップコンバージョン発光に関する特性、および、比較対象としての板状のバルク結晶のアップコンバージョン発光に関する特性を計測する試験を実施した。
図６は、微小球４０の特性を計測する計測装置５００である。本願発明者は、計測装置５００を用いて、実施形態の微小球４０のアップコンバージョン発光に関する特性、および、比較対象としての板状のバルク結晶のアップコンバージョン発光に関する特性を計測する試験を実施した。
【0033】
計測装置５００は、レーザダイオード５１０、第１反射ミラー５２１、第２反射ミラー５２２、第３反射ミラー５２３、光学レンズ５３０、計測部５４０、および、バックライト５５０を含む。レーザダイオード５１０は、例えば、１５４０ｎｍのレーザを第１反射ミラー５２１に向けて照射する。第１反射ミラー５２１は、レーザダイオード５１０が照射したレーザを第２反射ミラー５２２に向けて反射する。第２反射ミラー５２２は、第１反射ミラー５２１によって反射されたレーザを第３反射ミラー５２３に向けて反射する。第３反射ミラー５２３は、第２反射ミラー５２２によって反射されたレーザを光学レンズ５３０に向けて反射する。光学レンズ５３０は、計測部５４０に向けてレーザを集光する。計測部５４０は、ステージ５４１、フィルタ５４２、および、光パワーメータ５４３を含む。ステージ５４１は、微小球４０またはバルク結晶が載せられる。ステージ５４１は、微小球４０またはバルク結晶がアップコンバージョン発光した光を透過する。フィルタ５４２は、ステージ５４１の下面に取り付けられ、１０５０ｎｍ以上の波長の光を吸収する。光パワーメータ５４３は、フィルタ５４２の下方に配置され、アップコンバージョン発光した光のうちのステージ５４１を透過した光の発光強度等を計測する。バックライト５５０は、白色ＬＥＤである。
【0034】
図７は、ガラスファイバー４００（図５Ａ参照）の先端に作製した直径８０μｍの微小球４０のアップコンバージョン発光によって変換された光の波長と発光強度との関係を示すグラフである。レーザダイオード５１０の強度は、０．９ｍＷ、２．３ｍＷ、３．５ｍＷ、４．４ｍＷ、５．０ｍＷ、５．７ｍＷ、および、６．４ｍＷである。図７に示されるように、微小球４０がアップコンバージョン発光することによって、レーザダイオード５１０が照射した光が、４００ｎｍ～７００ｎｍ程度の短い波長、かつ、高い発光強度の光に変換されることが確認された。
【0035】
図８は、励起エネルギーとアップコンバージョン発光の放出エネルギーとの関係を示すグラフである。本試験では、微小球４０によってアップコンバージョン発光された光のうちの微小球４０の上方に発光した光については、計測していないものの、励起エネルギーのうちの概ね４５％程度が、アップコンバージョン発光として放出されていることが確認された。
【0036】
図９は、図７と同様に、微小球４０のアップコンバージョン発光によって変換された光の波長と発光強度との関係を示すグラフである。レーザダイオード５１０の強度は、１３．１ｍＷ、２５．１ｍＷ、３６．９ｍＷ、５３．２ｍＷ、６３．５ｍＷ、８２．２ｍＷ、および、９０．６ｍＷである。図９に示されるように、微小球４０がアップコンバージョン発光することによって、レーザダイオード５１０が照射した光が、４００ｎｍ～７００ｎｍ程度の短い波長、かつ、高い発光強度の光に変換されることが確認された。
【0037】
図１０は、バルク結晶のアップコンバージョン発光によって変換された光の波長と発光強度との関係を示すグラフである。レーザダイオード５１０の強度は、１３．１ｍＷ、２５．１ｍＷ、３６．９ｍＷ、５３．２ｍＷ、６３．５ｍＷ、８２．２ｍＷ、および、９０．６ｍＷである。図１０に示されるように、バルク結晶がアップコンバージョン発光することによって、レーザダイオード５１０が照射した光が、４００ｎｍ～７００ｎｍ程度の短い波長に変換されたが、微小球４０の場合と比較して、変換された光の発光強度が低いことが確認された。
【0038】
図１１は、レーザダイオード５１０が照射する励起するレーザ強度と、微小球４０のアップコンバージョン発光によって変換された光の発光強度との関係を示すグラフである。励起光には１５４０ｎｍの半導体レーザーを用いた。
【0039】
図１２は、レーザダイオード５１０が照射する励起するレーザ強度と、バルク結晶のアップコンバージョン発光によって変換された光の発光強度との関係を示すグラフである。励起光には１５４０ｎｍの半導体レーザーを用いた。
【0040】
図１３は、図１１および図１２の結果を１つのグラフにまとめたものである。微小球４０の場合、励起するレーザ強度が１０ｍｗ付近の低い場合であっても、励起するレーザ強度の増加に対する発光強度の増加の割合が、バルク結晶の場合よりも高いことが確認された。また、微小球４０の場合、励起するレーザ強度が１００ｍｗ付近において、励起するレーザ強度の増加に対する発光強度の増加の割合が概ね「１」となること、すなわち、励起状態が飽和していることが確認された。このため、例えば、太陽光を光源とする場合でも、本実施形態の微小球４０であれば、光エネルギーを１０ｍＷ程度まで微小球４０に集光することによって、高効率のアップコンバージョンが実現できる。このため、微小球４０と集光レンズ３０と組み合わせ、基板５０にアレイ上に配置することによって、高効率のアップコンバージョンが実現できる。一方、バルク結晶の場合、励起するレーザ強度が１００ｍｗ以上の場合であっても、励起するレーザ強度の増加に対する発光強度の増加の割合が「１」以上であること、すなわち、励起状態が飽和していないことが確認された。
【0041】
＜７．変形例＞
上記実施形態は本発明に関するアップコンバージョン構造体が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明に関するアップコンバージョン構造体は、実施形態に例示された形態とは異なる形態を取り得る。その一例は、実施形態の構成の一部を置換、変更、もしくは、省略した形態、または、実施形態に新たな構成を付加した形態である。以下に実施形態の変形例の幾つかの例を示す。
上記実施形態は本発明に関するアップコンバージョン構造体が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明に関するアップコンバージョン構造体は、実施形態に例示された形態とは異なる形態を取り得る。その一例は、実施形態の構成の一部を置換、変更、もしくは、省略した形態、または、実施形態に新たな構成を付加した形態である。以下に実施形態の変形例の幾つかの例を示す。
【0042】
＜７－１＞
上記実施形態では、基板５０の凹部５３の開口の形状は、六角形であったが、基板５０の凹部５３の開口の形状は、これに限定されない。図１４は、変形例のアップコンバージョン構造体１０Ｘの平面図である。変形例のアップコンバージョン構造体１０Ｘは、基板５０Ｘを含む。基板５０Ｘの凹部５３Ｘの開口の形状は、正方形である。すなわち、凹部５３Ｘは、正四角錐である。この他、凹部５３Ｘの開口の形状は、三角形、長方形、五角形、七角形以上の多角形、円、または、楕円であってもよい。
上記実施形態では、基板５０の凹部５３の開口の形状は、六角形であったが、基板５０の凹部５３の開口の形状は、これに限定されない。図１４は、変形例のアップコンバージョン構造体１０Ｘの平面図である。変形例のアップコンバージョン構造体１０Ｘは、基板５０Ｘを含む。基板５０Ｘの凹部５３Ｘの開口の形状は、正方形である。すなわち、凹部５３Ｘは、正四角錐である。この他、凹部５３Ｘの開口の形状は、三角形、長方形、五角形、七角形以上の多角形、円、または、楕円であってもよい。
【0043】
また、基板５０の凹部５３の開口が正方形である場合、集光レンズ３０の直径Ｌを用いて、凹部５３の開口の面積ＳＣは、Ｌ2である。このため、基板５０Ｘの凹部５３Ｘに照射される透過光のうちの集光レンズ３０に入射される光の割合ＲＣは、以下の式（４）によって算出できる。
ＲＣ＝π・（０．５Ｌ）2／Ｌ2・１００・・・（４）
ＲＣ＝π・（０．５Ｌ）2／Ｌ2・１００・・・（４）
【0044】
すなわち、割合ＲＣは、７８．５％となる。上述した集光レンズの集光効果に関する試験の結果より、集光レンズ３０に照射される透過光のうちの９１．５％が微小球に入射すると考えられる。このため、基板５０Ｘの凹部５３Ｘに照射される透過光のうちの微小球４０に入射する透過光の割合ＲＤは、（０．７８５×０．９１５）×１００、すなわち、割合ＲＤは、７１．８％であることが把握できる。
【0045】
＜７－２＞
上記実施形態では、アップコンバージョン構造体１０は、太陽電池モジュール６０の裏面６２と面するように配置されたが、アップコンバージョン構造体１０の配置態様は、これに限定されない。図１５に示されるように、アップコンバージョン構造体１０は、基板５０の裏面５２が、太陽電池モジュール６０の表面６１と面するように配置されてもよい。この変形例では、基板５０は、微小球４０がアップコンバージョン発光した光を透過する材料によって構成されることが好ましい。アップコンバージョン発光した光を透過する材料は、例えば、樹脂またはガラスである。この変形例では、アップコンバージョン構造体１０に入射する太陽光のうちの一部は、集光レンズ３０によって微小球４０に集光される。微小球４０は、例えば、７００ｎｍ～１５００ｎｍの波長の光を吸収してアップコンバージョン発光することによって、太陽光を短い波長の光に変換する。アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光は、微小球の全方位に発光され、その一部は、基板５０を透過して太陽電池モジュール６０に入射する。太陽電池モジュール６０は、アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光を吸収する。また、アップコンバージョン構造体１０に入射する太陽光のうちの別の一部は、基板５０を直接的に透過して太陽電池モジュール６０に入射する。太陽電池モジュール６０は、太陽光のうちの例えば、７００ｎｍ未満の波長の光を吸収する。
上記実施形態では、アップコンバージョン構造体１０は、太陽電池モジュール６０の裏面６２と面するように配置されたが、アップコンバージョン構造体１０の配置態様は、これに限定されない。図１５に示されるように、アップコンバージョン構造体１０は、基板５０の裏面５２が、太陽電池モジュール６０の表面６１と面するように配置されてもよい。この変形例では、基板５０は、微小球４０がアップコンバージョン発光した光を透過する材料によって構成されることが好ましい。アップコンバージョン発光した光を透過する材料は、例えば、樹脂またはガラスである。この変形例では、アップコンバージョン構造体１０に入射する太陽光のうちの一部は、集光レンズ３０によって微小球４０に集光される。微小球４０は、例えば、７００ｎｍ～１５００ｎｍの波長の光を吸収してアップコンバージョン発光することによって、太陽光を短い波長の光に変換する。アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光は、微小球の全方位に発光され、その一部は、基板５０を透過して太陽電池モジュール６０に入射する。太陽電池モジュール６０は、アップコンバージョン発光によって変換された短い波長の光を吸収する。また、アップコンバージョン構造体１０に入射する太陽光のうちの別の一部は、基板５０を直接的に透過して太陽電池モジュール６０に入射する。太陽電池モジュール６０は、太陽光のうちの例えば、７００ｎｍ未満の波長の光を吸収する。
【0046】
＜７－３＞
上記実施形態では、１つの基板５０に複数の凹部５３が形成されたが、基板５０を凹部５３を有する領域毎に分割して、それらをアレイ状に配置してもよい。
上記実施形態では、１つの基板５０に複数の凹部５３が形成されたが、基板５０を凹部５３を有する領域毎に分割して、それらをアレイ状に配置してもよい。
【符号の説明】
【0047】
１０、１０Ｘ：アップコンバージョン構造体
２０：アップコンバージョンユニット
３０：集光レンズ
４０：微小球
５０：基板
５３：凹部
２０：アップコンバージョンユニット
３０：集光レンズ
４０：微小球
５０：基板
５３：凹部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
