量子ドット工学講座30

 

 

 

　　　　　　　　選択肢を前にした 若者が答えるべき問題は、 正確には、何を
　　　　　　　　したらよいかではなく、 自分を使って 何をしたいかである。

                                                               　　　　　  　        ピーター・ドラッガー

                              　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Peter Ferdinand Drucker
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Nov. 19, 1909 － Nov. 11, 2005 

 

　　　　　　　

【量子ドット工学講座３０：最新高効率太陽電池技術事例】

●　特開2016-225546  光電変換素子　シャープ株式会社　他

量子ドットを有する太陽電池は、化合物太陽電池に、量子ドットを有する量子ドット層を挿入した構造
である。このような構造により、量子準位を介した二段階の光励起によって、未利用だった波長域の光
吸収（母体材料のバンドギャップより小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増
加させることができる。量子ドット間の電子的結合により、超格子ミニバンド形成する場合、量子ドッ
トで生成されたキャリアは、超格子ミニバンド中を移動し、光励起によってｐ型及びｎ型の母体半導体
領域へと移動し、外部より取り出される。

JP 2016-225546 A 2016.12.28

【図２Ａ】太陽光強度及び光吸収スペクトルの一例を示す図

【図２Ｂ】量子準位間の遷移、及び量子準位から伝導帯への遷移を示す図

現在、量子ドット層を有する太陽電池では、量子ドット層で生成されたキャリアの取り出し効率が極め
て低く、光電変換効率が低い。①この要因の一つとして、量子準位（超格子ミニバンドを含む）を介し
た二段階の光吸収効率が低いことが考えられ、特に、二段階光吸収のうち、二段階目の光吸収に該当す
る量子準位から伝導帯への吸収帯域が一段階目の光吸収に該当する価電子帯から量子準位への吸収帯域
と比べて狭く、また、二段階目の光吸収帯域と太陽光スペクトルとの整合性が低いことから、一段階目
の光吸収は十分である一方、二段階目の光吸収が不十分であることが課題となっている。

②一方、波長変換材料を用いることで、太陽電池の効率を向上させる研究開発も行われている。透過損
失となる２つの光吸収ピーク間の波長領域内の光を、長波長側の光吸収ピークの光に波長変換すること
により、光電変換できる光の波長範囲を広くして、光電変換効率の向上を図っている。しかし、光電変
換効率を向上に、波長変換材料によって、二段階目の光吸収に該当する量子準位から伝導帯への光学遷
移に対応する波長の光に変換する開示がない。

【図３】実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の伝導帯ミニバンド構造図


【課題を解決するための手段】

ここで提案される光電変換素子は、障壁層と量子層とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層と、
入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換層と、を備え、波長変換層は、入射した光を、
この超格子半導体層の伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応する波長光に変換す
る。つまり、下記の９つの構成ような量子準位を介した二段階光吸収における二段階目の光吸収を効率
的に起こすことで、光電変換効率を向上させることができる構成技術が提案されている。

1. 障壁層と量子層とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層と、入射した光の波長を変換する
   波長変換材料を含む波長変換層を備え、波長変換層は、入射光を、超格子半導体層の伝導帯の量
   子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応する波長光に変換する。
2. 第１の構成において、この波長変換層は、入射光を、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示
   す光吸収スペクトルの、超格子半導体層の伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移
   に対応し、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換できる。
3. 入射光を、超格子半導体層の伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して光
   吸収係数が最も大きいエネルギーの光に変換するので、最も大きいエネルギーの光に変換するの
   で、量子準位を介した二段階光吸収における二段階目の光吸収をより効率的に起こし、光電変換
   効率を向上させることができる。
4. 第１から第３のいずれかの構成で、この波長変換層は、超格子半導体層に対して、光の入射側と
   は反対側に設けてもよい。
5. 第４の構成では、波長変換層は、光電変換層を透過した光を波長変換し、二段階光吸収の二段階
   目の光吸収を効率的に起こすので、光電変換効率を効果的に向上できる。
6. 第１から第５のいずれかの構成において、この量子層は、複数の量子ドットが前記障壁層により
   囲まれた構造の量子ドット層であってもよい。この構成によれば、光吸収フォノンボトルネック
   等の効果により、励起されたキャリア寿命を伸ばすことができる。
7. 第１から第６のいずれかの構成において、前記波長変換材料は、量子ドットを含んでもよい。こ
   の構成によれば、波長変換後の光の発光ピークは、状態密度に強く依存した半値幅の狭い発光ピ
   ークとなるので、効率的に光吸収することができる。
8. 第１から第７の構成において、この波長変換層には、光入射側から、より短波長の光に波長変換
   する、異なる種類の波長変換材料をそれぞれ含む複数の層が含まれていてもよい。
9. 第８の構成において、この波長変換層に含まれる複数の層のうちの少なくとも１つの層は、入射
   した光を光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体
   層における価電子帯の量子準位から価電子帯の連続準位への光学遷移に対応し、光吸収係数がピ
   ークとなるエネルギーの光に変換するようにしてもよい。この構成によれば、超格子半導体層の
   価電子帯の量子準位に生成されたキャリアを効率的に取り出すことができる。

 Dec. 28, 2016

【符号の説明】

１…基板、２…バッファ層、３…ＢＳＦ層、４…ベース層、５…超格子半導体層、６…エミッタ層、
７…窓層、８…コンタクト層、９…ｐ型電極、１０…ｎ型電極、１１…波長変換層、１２…金属膜
１２、５１…障壁層、５２…量子ドット層、５３…量子ドット、１００…太陽電池

【要約】

光電変換素子は、障壁層５１と量子ドット層（量子層）５２とが交互に繰り返し積層された超格子半導
体層５と、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換層１１とを備える。波長変換層１１
は、入射した光を、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に
対応する波長の光に変換することで、光電変換素子の光電変換効率を向上させる。

【図４】実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の二段階光吸収における
一段階目の光吸収スペクトルの一部を示す図である。

【図５】実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の二段階光吸収における
二段階目の光吸収スペクトルを示す図である。 

  

【ＲＥ１００倶楽部：スマート風力タービンの開発 １１】

●　事例研究：磁気軸受を使った風力発電装置

【特開2016-194262  風力発電システム】

従来、この種の風力発電システムとしては、下記特許文献１に示すように、主軸の上下端に永久磁石を
配置し、これらに対向する永久磁石を軸受け部分に設けた磁気軸受けを備える風力発電装置が知られて
いる（特開２００１－１３２６１７ 風力発電装置）。

しかし、従来の風力発電システムでは、非接触の磁気軸受けにより接触抵抗を無くして発電効率を高め
ることができるものの、①磁気軸受けに加えて、②発電装置を別途構成する必要があり、装置構成が複
雑となるという問題があった。特に、縦型の小型風力発電装置では、簡易な構成で複数台設置可能とす
ることで発電量を増やす事業形態であるところ、装置構成が複雑で１台当たりのコストが嵩むことはビ
ジネス上大きな障害となる。

そこで、この新規考案では、①簡易な構成で、②回転負荷を低減して、③低風速起動を可能とし、発電
量を向上させることができる風力発電システムを提供する。上記目的を達成のために、第１発明の風力
発電システムは、垂直方向に立設された主軸と、主軸に取り付けられた風車と、主軸の下部に設けられ
た発電装置とを備える風力発電システムにおいて、発電装置が、主軸の下部に取り付けられ、①周方向
に交互に極性が異なるように永久磁石を配置させたロータと、②これを取り囲む複数のヨークと、③こ
の回りに巻線されたコイルとを有するステータとを備え、④これとヨークとの間の磁気吸引力（能動型
磁気軸受）により、主軸を浮上させることを特徴とする。

1. 上記の第１の風力発電システムでは、永久磁石を配置したロータと、これと対向するヨー
   クを有するステータにより発電装置を構成することで、主軸を発電装置の磁気吸引効果で
   浮上させることができる。
2. 第２の風力発電システムは、、①第１のシステムでのロータの外周面が上部から下部に拡
   径したテーパ形状であり、②ヨークの内周面がロータの外周面に対応して上部から下部に
   拡径したテーパ形状であり、③ロータとヨークとの間の磁気吸引力として、水平方向成分
   に加えて垂直方向成分を発生させたことを特徴とする。このシステムでは、永久磁石を配
   置したロータと、これと対向するヨークを有するステータは、磁気吸引力はロータとヨー
   クとの間の水平方向となるところ、ロータを外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状
   とし、ヨークの内周面をロータの外周面に対応させて上部から下部に拡径したテーパ形状
   とすることで、ロータを引き上げるようにテーパ面に垂直な斜め上方の磁気吸引力を発生
   させることができる。これにより、主軸に掛る重力が多くなった場合にも、磁気軸受けを
   別途設ける必要がなく、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量
   を向上させることができる。

3. 第３の風力発電システムは、第１または第２のシステムで、ロータの下部に設けられたロ
   ータ側補助永久磁石と、ステータに設けられ、補助永久磁石と逆極性に対向配置されたス
   テータ側補助永久磁石とを備え、ロータ側補助永久磁石とステータ側補助永久磁石により、
   主軸の浮上を補助することを特徴とする。このシステムによれば、主軸に掛る重力が多く
   なった場合にも、主軸の下端に設けられた①ロータ側補助永久磁石と②ステータ側補助永
   久磁石の反発力により、主軸が上方に押し上げられ、主軸に掛る重力が多くなった場合に
   も、磁気軸受けを別途設ける必要がなく、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を
   可能とし、発電量を向上させることができる。

【発明を実施するための形態】

図１を参照して、本実施形態の風力発電システムについて説明すると、風力発電システムは、フレーム
Ｘを介して垂直方向に立設された主軸１と、主軸１に取り付けられた風車２と、主軸１の下部に設けら
れた発電装置３とを備える。主軸１は、フレームＸとの間にベアリングＹを介して回転自在に支持され、
風車２の回転に対応して回転する。風車２は、縦方向に延びる一対のブレード２１，２１と、主軸１に
連結されブレード２１，２１を支持する支持アーム２２，２２とを備える（下図１）。

図１

特開2016-194262

【符号の説明】

１…主軸、１´…回転軸、２…風車、３…発電装置、３´，３´´…ケーシング、２１…ブレード、
２２…支持アーム、３０…ロータ、３１，３１´…回転体、３２，３２´…永久磁石、４０…ステータ、
４１…筺体、４１ａ，４１ａ´，４４ａ…アジャストスクリュー、４２，４２´…ヨーク、４３…コイ
ル、Ｘ…フレーム、Ｙ…ベアリング（軸受）

下図２に示すように、発電装置３は、主軸１の下部に取り付けられたロータ３０と、ロータ３０を取り
囲むように設けられたステータ４０とを備える。ロータ３０は、ジョイント部１０を介して主軸１と連
結された回転軸１´に取り付けられた回転体３１と、回転体３１の外周面において周方向に極性が異な
るように放射状に配置された複数の永久磁石３２とを備える。ステータ４０は、筺体４１の内面に支持
された複数のヨーク４２と、ヨーク４２の回りに巻線されたコイル４３とを備える。

筺体４１は、発電装置３本体のケーシングの上面３´にアジャストスクリュー４１ａを介して、上下方
向に調整可能に支持される。なお、ケーシングの上面３´と筺体４１との突き当たり部分にはガイド（
防振ゴム）４１ｂが取り付けられている。ヨーク４２は、ロータ３０の永久磁石３２と対向してロータ
３０を外周から取り囲む。なお、ヨーク４２の外側端部は互いに連結されて環状となっていてもよい。
これにより、ロータ３０をステータ４０内に挿入すると、ロータ３０の永久磁石３２と対向するヨーク
４２との磁気吸引力により、図２のようにロータ３０がヨーク４２の中央位置（中心方向および上下方
向の中央位置）で浮上保持される。

図２

なお、筺体４１と発電装置３本体のケーシングの上面３´との間のアジャストスクリュー４１ａを調整
することにより、前記中央位置を調整することができ、ロータ３０を介して主軸１の上下方向の位置を
調整することができる。コイル４３は、ヨーク４２の回りに巻線され、ロータ３０の回転によるヨーク
４２内の磁束の変化により交流の誘導電流が発生する。また、ロータ３０およびステータ４０には、必
要に応じて、それぞれロータ側補助永久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４が設けられる。ロ
ータ側補助永久磁石３４は、ロータ３０の下部に下向きに取り付けられ、ステータ側補助永久磁石４４
は、ステータ４０の底面４０´にロータ側補助永久磁石３４と逆極性に対向配置される。これにより、
ロータ３０の永久磁石３２と対向するヨーク４２との磁気反発力により、ロータ３０および主軸１の浮
上が不十分な場合に、ロータ側補助永久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４の反発力によりロ
ータ３０を上方に押し上げて浮上させることができる。

なお、ステータ側補助永久磁石４４は、ステータ４０の底面４０´にアジャストスクリュー４４ａを介
して、上下方向に調整可能に支持される。そのため、ロータ側補助永久磁石３４とステータ側補助永久
磁石４４との間のギャップを調整することで、ロータ３０を上方に押し上げる反発力を調整することが
できる。以上のように構成された風力発電システムによれば、風がブレード２１，２１が受けることに
より回転すると、支持アーム２２，２２を介してその回転が主軸１の回転となる。このとき、主軸１は、
回転軸１´を介して下部に設けられたロータ３０が、ヨーク４２との間の磁気吸引力（ロータ側補助永
久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４が設けられる場合にはこれらの間の反発力）により、浮
上状態とすることができる。

このように主軸１を浮上状態とすることにより、主軸１の軸受け部分であるベアリングＹの軸受け荷重
を軽減することができ、回転負荷を大幅に低減して低速起動を可能とすることができる。さらに、ベア
リングＹに掛る軸受け荷重は、筺体４１と発電装置３本体のケーシングの上面３´との間のギャップを
アジャストスクリュー４１ａにより調整することができる（図中の矢印参照）。加えて、ロータ側補助
永久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４が設けられる場合にはアジャストスクリュー４４ａに
より、ロータ側補助永久磁石３４とステータ側補助永久磁石４４との間のギャップを調整することでも、
ベアリングＹに掛る軸受け荷重を調整することができる（図中の矢印参照）。

また、水平方向において、ロータ３０を取り囲むようにステータ４０を設けるオーバーハング構造とす
ることで、ロータ３０とステータ４０との間のベアリングを省略することができ、軸受け負荷部分を無
くすることができ、回転負荷をさらに低減することができる。加えて、ロータ３０を取り囲むようにス
テータ４０を設けるオーバーハング構造とすることで、主軸１の縦方向の振動に対して許容性を持たせ
ることができ、ロータ３０とステータ４０との間のベアリングと併せて用いられるフレキシブルカップ
リングやフレキシブルシャフト等についても不要となる。このように、本実施形態の風力発電システム
によれば、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる。

次に、図３を参照して、本実施形態の発電システムの変更例について説明する。なお、上記実施形態と
同一の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。この場合、回転軸１´に設けられたロ
ータ３０´は、その外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状となっている。

具体的には、ロータ３０´は、回転体３１´の外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状となってお
り、その外周側に永久磁石３２´が外周面において周方向に極性が異なるように放射状に配置される。
また、この場合のステータ４０´は、筺体４１´の内面に取り付けられたヨーク４２´の内周面がロー
タ３３０´の外周面に対応して上部から下部に拡径したテーパ形状となっている。なお、ヨーク４２´
の内周面は、ヨーク４２´の制作上、階段状となっていてもよい。

図３

筺体４１´は、発電装置３本体のケーシングの下面３”上において、アジャストスクリュー４１ａ´を
介して上下方向に調整可能に支持される。また、筺体４１´とケーシングの下面３”との間の付き当た
り部分にはガイド（防振ゴム）４１ｂ´が取り付けられている。かかる本実施形態の発電システムの変
更例によれば、磁気吸引力がロータ３０とヨーク４２との間の水平方向となる前記実施形態に比して、
ロータ３０´を引き上げるようにテーパ面に垂直な斜め上方の磁気吸引力を発生させることができる（
図中の矢印）。

このとき、筺体４１´と発電装置３本体のケーシングの下面３”との間のアジャストスクリュー４１ａ´
を調整することにより、その中央位置を調整することができ、ロータ３０´を介して主軸１の上下方向
の位置を調整することができる。これにより、主軸１に掛る重力が多くなった場合にも、簡易な構成で
回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる。なお、かかる本実施形
態の発電システムの変更例においても、主軸１に掛る荷重が大きい場合などに、ロータ側補助永久磁石
３４とステータ側補助永久磁石４４を補助的に設けるようにしてもよい。

ここで掲載した垂直型風力発電システムがわたしがこれら開発しようとするイメージに近いものである。

 

●　これからのオールウインドシステム Ⅲ

 【反撥型磁気軸受技術動向】

２　反発型磁気軸受の磁気力

２－１ 反発力の計算

反発型磁気軸受の軸受部は軸方向に着磁したリング状の２つの永久磁石を極性を合わせて内外輪で組み
合わせた構造とし、ローター側磁石とステーター側磁石の間の磁気反発力により軸を支持する．以下で
はローター側磁石を内輪、ステーター側磁石を外輪と呼ぶ．図2.1 のように内外輪磁石を微小要素に分
割し、微小要素の間に生じる磁気反発力をクーロンの法則を用いて求め、それを磁石の極面全体につい
て積分して反発型磁気軸受に生じる磁気力を計算する。図2.1 は同一水平面に投影して表している。

なお、以下では、内輪に関する物理量を添え字Ａ、外輪に関する物理量を添え字Ｂを用いて表す。時刻
ｔにおける内輪の不つりあい~e 方向のx 軸方向からの回転角度をψ＝ωｔ とする。半径方向の分割数
をｎr、円周方向の分割数をｎψとする。ｘ半径方向は内側から、内輪の微小要素の要素番号をｊ（＝１
、２･･･、ｎr）、外輪の要素番号をκ（＝１、２･･･、ｎr）、とし、円周方向はｔ＝０の配置において、
x 軸上から、内輪の要素番号をｊ（＝１、２･･･、ｎr）、外輪の要素番号をｌ（＝１、２･･･、ｎr）と
する．x 軸方向から角度 ψ＋ψA の位置にある内輪微小要素（ｉ、ｊ）の形心Ａij とx 軸方向から角
度ψB の位置にある外輪微小要素外輪要素（k、l） の形心Ｂkl について考える。形心とは、微小要素
の電荷を円周方向に沿って集めたときの中心点である。ここで角度Ａ、Ｂは、 内外輪の隣り合う要素の
形心間の角度Δψ＝２π／ｎψを用いて、次のように表すことができる。

　　      　　　　　　ψA＝ｊΔψ、ψB＝ｌΔψ　　　　　　　　              　　　（2,1）

 

 

また，内輪要素の形心Ａi*、外輪要素の形心Ｂk（＊＝１、２･･･ｎω） のｚ軸からのxy平面での位置ベク
トル~a、~b の大きさをγa（＝｜~a｜）、γb（＝｜~b｜）とすると次式となる。ここでベクトル~a，~b
はxy 平面にある。

以上のように、参考論文は数式と羅列されていくがこれは割愛し、解説図と要点のみ掲載する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　この項つづく

　　　　　
 

  ●　今夜の一曲

ピアノ四重奏曲 ピアノと弦楽のための四重奏断章

ハープと弦楽器のみで演奏される、静謐感に満ちた美しい楽章であることから、別名「愛の楽章」とも
呼ばれる。『亡き子をしのぶ歌』第２曲「なぜそんな暗い眼差しで」及び『リュッケルトの詩による５
つの歌曲』第3曲「私はこの世に忘れられ」との関連が指摘される。 中間部ではやや表情が明るくなり、
ハープは沈黙、弦楽器のみで憧憬を湛えた旋律を出す。この旋律は、終曲でも使用される。休みなく第
５楽章へ繋がる。ルキノ・ヴィスコンティ監督による映画『ベニスに死す』で使用されたことで有名と
なり、しばしば単独で演奏される。 なお、楽章の表題は「アダージェット」であるが、演奏指示は、
Sehr langsam (非常に遅く)となっている。一般に１０分前後の演奏時間であるが、マーラーとメンゲル
ベルグは約７分で演奏（出典：Wikipedia)。