表面か界面か

 

 

 

                     人を動かすのは自由な意志の力だけ。
　                   それ以外の名目で人を従わせるのは愚かなこと。

                                 　　　　　　　　     「１３歳は二度あるか」　だいわ文庫

  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Takaaki Yoshimoto 25 Nov, 1924 - 16 Mar, 2012　

 

Nishikori Beats Groth To Reach Wimbledon 2016 Opener Highlights
 
【表面か界面か】

世界ランキング６位の第５シード錦織圭が、同１２４位のサミュエル・グロートを下し初戦を突破した
テレビ中継を観戦しながら、ローン、アンツーカ、オールラウンドなどのコート面の違いでテニスボー
ルの弾み方が異なり試合運びも変化するのだと、光と表面の関係を考えることになる。というのも、こ
こ一週間ほど、しょうむないことに、あるいは、些細なことに悩んでいた。それは『超薄膜レンズの衝
撃』（2016.06.07）の件で、「メタサーフェス：metasurface」を「超界面」と意訳したのは正しかった
のかということ。一般的には「界面：interface」は、ある均一な液体や固体の相が他の均一な相と接して
いる境界をさし、この「他の均一な相」が気体もしくは真空であるとき、界面を特に表面（surface）と
よぶが（例外もある）、お互いが完全に混ざり合うことはしない（混ざり合うと界面でなくなるとされ
る。従って、１つは、光学領域だけでなく他の学問の領域も包括するということにおいて「界面」であ
り、２つめは、光学領域でありながら、気体もしくは真空だけでなく、気体でない透明な媒体(液体・
固体）でプラブモニック共鳴を阻害しないもと仮定し「界面」を選択。しかし、現実にはそのような屈
折率を操作できる「人工物質」による構成事例がない。従って、ここは「メタサーフェス」というカタ
カナ言葉を追認する妥協が現実的だということになるが、今後もわたしは「超界面」と呼称することに
する（カッコイイ～　^^;。）。

 

US8848273B2 Amplitude, phase and polarization plate for photonics

ところが、先回、掲載した、ハーバード大学工学応用科学のジョン・ポールソンらの研究グループによ
る酸化チタン誘電体ナノアンテナのメタレンズ実証実験で、 ぐっと現実味が増す（上図特許ダブクリ）。
理研の田中拓男は、レンズではなく、光子（フォトン）をの補足フィルム（＝反射防止薄膜）として、
太陽電池（エネルギー変換デバイス）の表面に接合することを提案している（上／上図）。これをハー
バード大学の研究とドッキングし屈折率を操作すれば直射光だけでなく放射拡散光もエネルギー変換で
きる。つまり、長さにしてサブミクロン（５００ナノメートル）前後のＶ字型、十字型、Ｙ字型、Ｌ字
型のプラズモニックアンテナのランダム配列設計すれば全波長（紫外線～赤外）が利用でき後は光電変
換素子材料設計だけとなり、追尾型でなく定置型太陽電池パネルとして発電量を倍増できるではないか
と考える。勿論、「プラズモニックアンテナ配列フィルム」をプリンタブル生産すれば、既存のパネル
をすべてリニュアルできれば、発電量は倍増し、太陽光の占める割合が２０％と仮定すれば４０％とな
る。また、新しく敷設する３０％超の高効率シリコン系などに組み合わせると発電量も飛躍的する。そ
うすればエネルギー問題はケリがつき、オールソーラーシステムは実現し、わたしの３つめの事業開発
構想は完結する。こんな幸せな人生を与えてくれた「奇跡」に深く感謝する他ない。

【符号の説明】

２ 光軸　 ３ 光電変換素子　 １１、１２、１３、１４、１５、１６ 集光型太陽光発電装置　 ２１、
２２、２３、２４、２５、２６ 集光レンズ　 ３１ 第１レンズ部 ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、
３１ｅ、３１ｆ 入射領域　 ３１ａ'、３１ｂ'、３１ｃ'、３１ｄ'、３１ｅ'、３１ｆ' 照射領域　
３２ 第２レンズ部　 ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 入射領域 ３２ａ'、３２ｂ'、３２ｃ'、３２ｄ'
照射領域　 ３３ 第３レンズ部　 ３３ａ、３３ｂ 入射領域　 ３３ａ'、３３ｂ' 照射領域　 ３４
第４レンズ部　 ３４ａ、３４ｂ 入射領域 ３４ａ'、３４ｂ' 照射領域　 ３５ 透過部　 ３５ａ、
３５ｂ 入射領域　 ３５ａ'、３５ｂ' 照射領域　 Ｌｉ１、Ｌｉ２、Ｌｉ３、Ｌｉ４ 入射光　 Ｌｏ１、
Ｌｏ２、Ｌｏ３、Ｌｏ４ 出射光


さりながら、ほいさっさ。「３次元プラズモックアンテナアレー」のレンズ機能はどうするかという自
問が残る。そこで今回はシャープの「開2015-207570 集光型太陽光発電装置」（上図ダブクリ参照）を
事例として、集光型太陽電池への応用を考えてみよう。

まず、ここでの集光型太陽電池の設計課題は、集光レンズ９２１（下図参照）は、光電変換素子９０３
の中央上部に搭載され、集光レンズ９２１で太陽光である入射光Ｌｉを屈折させて出射光Ｌｏを光電変
換素子９０３に照射する。この際の光学設計としては、設計波長を例えば５００ｎｍに設定した場合、
光軸９０２にほぼ平行に集光レンズ９２１に入射した５００ナノメートルの光が、いずれの領域におい
ても屈折し、光電変換素子９０３の中心に集光するように設計するが、図４２に示した光学設計の場合、
集光レンズ９２１のいずれの位置に照射光も光電変換素子９０３の中心に集光し、受光光量が中央に集
中しその結果、変換する電流や温度の分布が素子中心で特に高い不均一なものになる。このように光が
過度に集中した場合、光電変換素子９０３の長期信頼性の低下や、集光型太陽電池の電気的特性のうち、
曲線因子ＦＦ（Filll Factor）の低下を招くという課題がある。

図１及び図２は、本発明の集光型太陽光発電装置の構成を説明する概要図であり、図１に太陽光の入射
面側から見た平面図、図２に図１のＡ－Ａ'線断面図を示す。集光型太陽光発電装置１１は、集光レンズ
２１及び光電変換素子３からなり、大きさは数１０メリから数百ミリ。 光電変換素子３は、レシーバ基
板に搭載。保持プレートは、レシーバ基板を保持し、集光レンズ２１と対向。モジュールフレームは、
集光レンズ２１の光軸２上に光電変換素子３を配置し、集光レンズ２１と保持プレートとを保持する。
このような構成で、光電変換素子３の受光面の中心における法線が集光の光軸２に一致する。

集光レンズ２１は、光電変換素子３の中央上部に搭載、集光レンズ２１で太陽光を屈折させて光電変換
素子３に照射する。実施形態１では、集光レンズ２１は、薄肉化による軽量化とび材料コストの低減、
集光倍率の向上、成型の加工性を考慮して、複数のリング状のプリズムを略同心円状に配置したフレネ
ルレンズである。この集光レンズ２１を直径２Ｒ２１の円形に形成し、モジュールフレームに保持する。
実施形態１では、集光レンズ２１の全域が、固有の光学設計に基づき、第１レンズ部３１で構成。第１
の半径値から第２の半径値までの領域が集光レンズ２１で構成し、図１に示す第１の半径値が０（対称
中心）、第２の半径値がＲ２１（集光レンズ２１の半径）である。

光電変換素子３の外形サイズは、集光型太陽電池のひとつの目的であり、光電変換素子材料の削減の観
点から、できるだけ小さくする必要があり、数ミリら２０ミリ程度のものを使用する。形状は、円形、
正方形、長方形、六角形など特に問わないが、製造効率から、正方形、長方形などの角型がよく用いら
れ、光電変換素子３は、図１に示すように正方形とし、外形サイズすなわち一辺の長さが２Ｐ３のもの
を用いる。その受光面も２Ｐ３角である。図２は実施形態１で、集光レンズ２１の第１レンズ部３１に
入射した第１の波長の光が第１レンズ部３１を経て光電変換素子３に照射する経路を示す図である。

光学設計の基準となる第１の波長は、光電変換素子３の吸収波長、つまり光電変換可能な波長の範囲に
基づいて設定。吸収波長範囲のうち最短波長近傍であることが好ましい。第１レンズ部３１の各リング
状プリズムに入射した第１の波長の入射光Ｌｉ１は、第１レンズ部３１により屈折し、第１レンズ部
３１の出射光Ｌｏ１として出射する。そして、第１レンズ部３１の出射光Ｌｏ１は、光軸２上の集光レ
ンズ２１と光電変換素子３との間に焦点を有し、かつ光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リン
グ状）に照射する。

図３は、実施形態１の第１レンズ部３１による第１の波長の光の照射箇所を模式的に示す図（下図参照）
である。（ａ）は第１レンズ部３１へ第１の波長の光が入射した領域を示し、（ｂ）は（ａ）で入射し
た第１の波長の光が光電変換素子３に照射する領域を示す。いずれも太陽光の入射面側から見た平面図
である。実際には集光レンズ２１の全領域に全太陽光、つまり太陽光に含まれるすべての波長の光が入
射するが、ここでは、光学設計の説明のために、設計波長である第１の波長の光に着目し、第１レンズ
部３１の一領域に入射した場合に、その光が光電変換素子３のどの領域に照射するかを示す。

上図２で説明した、Ａ－Ａ'線断面の第１の波長の光の照射状況は、図３に示す直線状の入射領域３１ａ
と点状の照射領域３１ａ'に相当。つまり、第１レンズ部３１の入射領域３１ａに入射した入射光Ｌｉ１が、
出射光Ｌｏ１として第１レンズ部３１から出射し、いずれも光電変換素子３の照射領域３１ａ'に照射す
ることに相当する。集光レンズ２１の光学機能は中心に対して回転対称なので、扇形状の入射領域３１ｂ
への入射光Ｌｉ１は出射光Ｌｏ１となって円弧状の照射領域３１ｂ'に照射する。これらを第１レンズ部
３１全面に適用すると、第１レンズ部３１への入射光Ｌｉ１が第１レンズ部３１にて屈折され、出射光
Ｌｏ１がいずれも光軸２上の集光レンズ２１と光電変換素子３との間に焦点を有し、光電変換素子３の
受光面に内接する円周上（リング状）に照射する。

ここで、設計で得られる効果と第１の波長の設定について説明すると、まず、図４２（上図）に示した
従来技術の光学設計の場合、設計波長の光は集光レンズ９２１のいずれの位置に照射した光も光電変換
素子９０３の中心に集光するので、受光光量が中央に集中する。これに対し、設計波長である第１の波
長の光は光電変換素子３の受光面の周辺部となる内接円の円周上（リング状）に照射するため、光電変
換素子３の受光面での受光光量が、中央に集中した従来技術に比べると平面方向に平均化する。

集光レンズ２１に用いる光学材料はいずれも屈折率に分散を有することが知られ、レンズ材料の屈折率が波長
により異なより色収差が発生し、その結果、光電変換素子３の照射位置もその波長によって変化。具体的には、
設計波長よりも短波長の光の場合、屈折率が高いため、より屈折角が大きい方向に照射する。逆に長波長の光
の場合、屈折率が低いため、より屈折角が小さい方向に照射する。集光レンズ２１の材料にシリコーンを用いる
とシリコーンも分散しこの傾向をもつ。

つまり、光学設計の場合、設計波長の光は、光電変換素子３の受光面に内接する円周上（リング状）に
照射し、設計波長よりも短い波長の光は、より屈折角が大きい方向、つまり内接円よりも外側に照射す
る。従って、それらの光は、光電変換素子３の受光面の外側にる場合があり、特に内接円と受光面の接
点付近では、内接円の外側が受光面の外側となり光の損失になる。これに対して設計波長よりも長い波
長の光は内接円よりも内側に照射するので損失しない。そこで、設計波長を第１の波長、すなわち光電
変換素子３の吸収波長範囲の最短波長近傍に設定し、光電変換素子３で変換できる波長範囲内の光を、
受光面の外に損失することなく概ね受光できる。つまり、光電変換素子３で利用できる波長範囲内の光
を受光面に無駄なく照射し、かつ平面方向に平均化して受光できる。

なお、従来技術では図４３で示すように、設計波長以外の光はその波長が離れるにつれ、色収差により
受光面中心よりも外側にずれていく。短波長側は屈折角の大きい方向に、長波長側は屈折角の小さい方
向に、受光面中心から互いに逆方向にずれるため、長短両側の波長の光が無駄なく、できる限り受光面
内に照射するために、一般的に設計波長は光電変換素子３の吸収波長範囲の両端を避けた中央域に設定
する。いずれの技術でも色収差による各波長の照射位置のずれは避けられず、設計波長の照射位置を基
準に生じるものであり、設計波長の光が受光面中心に集光する従来技術に比べて、上述のように受光面
内接円周上に照射する方が、受光面中心の光の過度の集中を抑制し、平面方向に平均化して受光できる。


【実施例１】

入射光はＡＭ（エアマス）１．５の太陽光をシミュレートし、集光レンズ２１は、波長５００ナノメー
トルにおける屈折率が約１．４１のシリコーンを用いたフレネルレンズとする。各波長における屈折率に
ついても実際のシリコーン材料の屈折率を用いた。集光レンズ２１は円形で、その直径２Ｒ２１は１７０
ミリ。光電変換素子３の受光面は一辺８ミリの正方形、集光レンズと光電変換素子３の間の距離を２５０
ミリ。光電変換素子３の受光面は正方形で、対角線の交点をその中心とする。光電変換素子３はＳｉ単
結晶の単一接合型光電変換素子を使用し、その吸収波長や屈折率などの各光学定数を用いる。具体的な
吸収波長範囲は、３００～１２００ナノ程度。設計波長として第１の波長は吸収波長範囲を考慮し３９０
ナノとする。集光レンズ２１は、半径値ｒ＝０～８５ミリまでの全域が第１レンズ部３１である。

つまり、第１の半径値が０ミリ、第２の半径値が８５ミリである。光学設計は第１レンズ部３１に入射
した第１の波長の光が光電変換素子３の受光面の中心を中心とする直径７ミリの円周上つまりリング状
に照射する。この照射領域は、光電変換素子３の受光面の内接円と同心円となる。照射領域を光電変換
素子３の内接円（直径８ミリ）よりも若干小さくした理由は、素子受光面の極最縁部では機能や寸法精
度などの理由により素子の受光機能が低下する場合があること、素子の寸法精度、レンズ光軸の設計精
度・調整精度などの理由により照射領域が受光面から外れる場合があることなどのマージンを考慮。

この時のマージンは半径値で０．５ミリとするが、素子のサイズや品質によって数ミリまで適宜自由に
設計してもよい。光電変換素子３の受光面が受ける光の平面均一性の観点からは、半径が大きい、つま
りマージンが小さい方が望ましく、光電変換素子３の機能や寸法精度、レンズ光軸の設計精度・調整精
度の観点からは、半径が小さい、つまりマージンが大きい方が望ましい。両方の観点を考慮して設計す
ればよい。第１レンズ部３１の設計波長を３９０ナノとした理由は、実施例１の構成で最もよい特性を
示す波長を選んだ結果である。具体的には光電変換素子３の光電変換効率が高く、かつ光強度の面内分
布がより均一な条件である。

以上の条件で、集光レンズ２１に入射した太陽光が設計通りに屈折され、光電変換素子３に照射された
状態をシミュレーションする。加えて、光学定数を考慮して光電変換素子３の各平面座標に対する光強
度分布を算出し、それをもとに光電変換された電流密度を算出する。

〔比較例１〕

比較例１については、集光レンズ２１と同サイズの円形状の集光レンズ９２１について、従来技術とし
て図４２に示した光学設計とした。具体的には設計波長を６００ナノ、集光レンズ９２１の全域に入射
した６００ナノの光がすべて光電変換素子３の受光面の中心に集光するよう設計。つまり、集光レンズ
９２１のｒ＝０～８５ｍｍまで、つまり全域において６００ナノの光の焦点距離が２５０ナノである。
集光レンズ９２１以外については実施例１と共通構成とする。集光レンズ９２１の設計波長を６００ナ
ノとした理由は、従来の光学設計で最もよい特性を示す波長を選ぶ。具体的には、実施例１の場合と同
じく、光電変換素子３の光電変換効率が高く、かつ光強度の面内分布がより均一な条件。 以上の条件で
計算した結果をもとに実施例１および比較例１を比較する。図４に、実施例１の集光型太陽電池の、光
電変換素子３上に集光された光による電流密度分布を示す。図５に同じく比較例１の結果を示す。さら
に図６（下図）には、これらの計算結果から光電変換の重要な特性値である、光電変換素子３の短絡電
流値Ｉｓｃ、受光面内で電流密度が最も高くなる値（すなわち最大電流密度）を示す。短絡電流値は、
光電変換素子３の電流密度の総計である。光電変換素子３を短絡することで得られる電流値であり、光
電変換により発生した発生電流を抵抗損失なく観測したことに相当する。

 JP 2015-207570 A 2015.11.19

詳細は、クリックしたページを参照していただくとして、少しくどく書いたのは、３次元プラズモニックアンテナアレイ
が、フレネルレンズと比べ、よりコンパクトで、いかに自在に設計できるかをイメージしてしていただけ
ればと考え掲載する。レンズの離散化という『デジタル革命渦論』の基本特性（わたしがシャドウマスク
製造システムから学んだ経験を集約し抽出したもの）に一致するものであり、その具体的事例として提示
する。さらに、ここで提案した「２つのデジタル集光システム」が実現すれば「核融合利用工学」とし
ての「オールソーラーシステム」はこの先に待ちかまえている動乱リスクを回避するツールとして貢献
するであろうと思うのであります。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　


●　日本の電源構成、「太陽光は約12％、政府想定より大きく増える」、ブルームバーグが予測

2016.06.13　日経テクノロジー