- 2022-8-23
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- AGILE（Axially Graded Index Lens）, Microsystems & Nanoengineering, Olav Solgaard, オハラ製硝材, スタンフォード大学, ソーラーパネル, ポリマー, 太陽光発電, 学術, 集光器
Image credit: Nina Vaidya
スタンフォード大学の研究チームは、太陽光発電の効率を上げつつコストを下げる、新しい集光器を開発した。太陽の追尾装置がなくても幅広い角度と波長の太陽光を取り込み、集光する光学部品だ。研究結果は、2022年6月27日付けで『Microsystems & Nanoengineering』に掲載されている。
従来の太陽光発電では、ソーラーパネルが太陽に正対している時が最も効率が良い。太陽の移動に合わせてパネルを動かすことで発電効率を高めた追尾型システムもあるが、固定型と比べて、システムが複雑で維持コストもかかる。
「我々は光源が向きを変えても光を取り込み、同じ位置に集光できるものを作りたかった」と、筆頭著者のNina Vaidya氏は語る。「最も良い解は、最もシンプルな考えが多い」と、研究を指導したOlav Solgaard教授。研究チームが開発したデバイス「AGILE（Axially Graded Index Lens）」は、一見単純で、頂点を切り落として逆さまにしたピラミッドのような形をしている。その名の通り、屈折率分布を持った光学部品で、上面の開口から入射した光は、屈折率の変化と共に徐々に角度を変えながら、下面の1点に集光する。
「理想的なAGILEの場合、最上面の屈折率は空気と同じで、徐々に高くなって光を完璧に滑らかに曲げる。しかし、実際には、そのように理想的な部品は作れないだろう」とSolgaard教授は語る。研究チームは、屈折率の異なるガラスをいくつも積み重ねることで、段階的に光線の向きを変えることにした。また、側面は反射面とし、より多くの光を下面に集められるようにした。
試作品は、光源の追尾システムが無くても、表面に当たった光の90％以上を捕らえ、3分の1の範囲に集光した。対応波長は、近紫外から赤外（約300～1200nm）だ。また、直接光だけでなく、地球の大気、天気、季節による散乱光も集めるため、AGILEアレイと太陽光発電システムを組み合わせれば、曇りの日でも発電が期待できる。太陽光パネルの保護層として利用できるほか、ピラミッド形状を活かしてデバイス同士の隙間に冷却装置や電気回路を設置できる。さらに重要な点として、セルの面積とコストを削減できることを挙げている。
実用化を想定して、ガラスはオハラ製硝材から比較的入手しやすいものを使用した。ポリマーでも同様に設計、製造できる。研究チームは太陽光発電だけでなく、LEDなど固体照明、レーザーカップリング、ディスプレイ技術への応用も見込んでいる。
