JPS6148349B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は光電変換装置に関し、特に太陽エネ
ルギーから使用可能な形能で電力を発生するよう
に配置された複数の光電変換電極を備えた太陽エ
ネルギーの変換装置に関するものである。

化石燃料を使用しないで、高効率の実際的な電
気エネルギー源の開発という過去から持続してい
る問題を解決するにあたり、太陽エネルギーを電
力化することが非常に注目されている。この種の
エネルギーを電力に直接に変換する技術が近年急
速に開発され、特に従来の電力供給が充分ではな
い宇宙空間での利用が開発されている。効率が良
く、信頼性が高くコンパクトで利用出来る容量を
有する電力源が相応な価格で要望されて、光電装
置は、種々の半導体の光電特性をおもに利用した
種々の構造、材料と技術を利用することが多くな
つてきた。

いくつかの試みによつて、利用できる大きさの
電流を発生するために金属又は合金の電子放出特
性（photoemissive characteristics）が利用され
てきたけれども、この種の光電変換器はおもに電
力を発生するよりも光の測定や検出に利用されて
きたにすぎない。このような試みの典型的なもの
はC.W Geerによる米国特許番号第3263101と第
3510714であり、どちらも太陽エネルギーを電流
に変換する光電装置を開示している。これらの特
許はいずれも広い面積のカソードとアノードと有
するとともに、１つのあるいはその他の電極が光
を集中せしめる反射板をなしている装置を開示し
ている。しかしながらこの装置は大型で取扱いに
くく製造も困難であり、高価であるという欠点を
有している。それ故、それらの装置は大型である
ことならびに構造から宇宙空間で利用するには適
当でないし、また、地上においても使用可能なレ
ベルの電力を得るためにそれらの装置は大きな寸
法を必要として、装置が高価で実際的でなく不適
当なものになるので地上で使用するにも適当でな
い。

よく知られているように、真空中におかれ光エ
ネルギーに照射された表面から電子が放出される
光電現象は、材質と光の波長とによりこの変換効
率に差異があるけれども、多くの材料で見られる
ものである。波長の短い光はより大きなエネルギ
ーを所有しているので、地球上の雰囲気で紫外線
が除去されない宇宙空間のように紫外線が存在す
る場合には、より多くの材料が光電効果を呈す
る。しかしながら、セシウムなどのいくつかの金
属と、その合金と、多くの半導体材料とは可視領
域の光線および赤外線を露光されると電子放射を
行なう。

それ故、光電素子を使用して太陽エネルギーを
効率よく電気エネルギーに変換するために、光エ
ネルギーの存在下で電子を放出してカソードとし
て機能するとともに出された電子を収集してアノ
ードとして機能する材料を選択することが必要で
ある。このカソードは所定波長の光エネルギーは
所定波長の光エネルギーを強く受けて大量の電子
を放出しなければならない。また、アノードはこ
の電子を高い割合で捕捉できるように設置されな
ければならない。しかしながら、カソード表面を
最高に利用できるようにするために、アノードが
カソード表面に影をつくらないようにアノードと
カソードとの配置形状が設定される必要がある。
さらにアノード自身は受光しない位置に設ける必
要があり、アノード表面からの光電子放出により
有効な順方向電流を低減することのないようにし
なければならない。言いかえれば、アノードは電
子を放出しない材料でなければならない。多くの
太陽エネルギー変換装置が光電材料の特性を利用
して開発されているが、それらはすべて欠点を持
つている。多くのものは複雑で製造に長時間を要
し、また多くのものは高価な外国産の材料を使用
しなければならず、取扱いも困難であり、また多
くのものはその用途が限定され、たとえば宇宙と
地上との両方では利用できない。さらに、従来の
装置の多くはかなりの電流を阻害する空間電荷に
より制限されることがありその装置を電力源とし
て使用することが著じるしく制限される。

この発明は従来装置における上記の欠点と困難
性とを排除し、容易にかつ比較的安価に製造でき
るとともに、形状もコンパクトでしかも効率も高
く高いレベルの電力を出力でき、さらに種々の用
途に利用でき、光電子放出カソードと受電アノー
ドとを配列した装置とを提供するものである。

この発明の好ましい構成は、受光によつて光電
効果を呈する材料にてなる複数の導電性の電極素
子を備えている。素子は列状に適宜間隔で実質的
に並設され、絶縁台上に装着され、真空中に設置
される。電極素子は各電極の一つの面のみに光が
投射されるように配置されて、光が投射された斜
面が光電効果を呈するカソードを形成する。各電
極の第２の表面は投射光が当らないようにすると
ともに、次に隣接する光電面から放出される電子
を吸集するアノードとして作用する。したがつて
設けられた各電極素子は真空により分離された一
組の対置されたカソード表面とアノード表面およ
び介在空間の１セツトで光電池を構成する。それ
故、複数の離間した電極素子は太陽電池と呼ばれ
る電圧電池（以下電池という。）を構成し、電気
回路中において電源として接続可能である。この
電源の電圧は電池の数に依存し、利用できる電力
はカソード表面に衝突する光の強さと、カソード
の表面積と、光電カソードの材質その他に依存す
るものである。電力源としての光電装置の動作は
公知であるが、この発明は、使用可能なレベルの
電力を十分に供給することができる高電圧源を提
供する点で優れている。

この発明は、さらに前述の装置による電力発生
方法を提供する。そして、複数本の導電性電極を
絶縁状態に間隔をおいて設置することと、各電極
には少なくとも１つの光電カソード表面を設ける
ことと、すべての上記カソード表面は共通の方向
に向けることと、各電極間を真空とすることと、
各カソードから光電子流が発生するようにカソー
ド表面のみを照射することと、各電極の非照射面
を配置して次に隣接するカソード表面から放出さ
れる電子を収集し、これによつて、隣接するカソ
ードと収集面とで電池を構成することと、この電
池を直列に接続して入射光量に対応した出力電圧
を有する電源を供給することの各ステツプがこの
方法に含まれている。

この発明装置の動作原理は次のように考えられ
る。まず、光子が光電材料からなるカソード表面
に吸収されて、電子を導電帯に励起させ、種々の
温度に加熱する。次にその励起電子がカソード表
面から飛び出し、真空中をわたつて対向するアノ
ード表面に収集される。この動作はカソードとア
ノードの全対向対で同時に行なわれ、電流を生じ
させるのである。

この発明は種々の理由によつて、電力発生効率
の点ですぐれている。第１に、製作が困難であつ
たり製作不可能であるなどの問題なしに形状を超
小形にするように設計できることである。そのよ
うな超小形化によつて、電子放出表面と電子収集
表面間の間隔が接近して、これによつて極めて容
易に、空間電荷による電流制限の主たる問題が解
消される。第２にこの発明の特異な形状によつ
て、電子収集表面が入射光を遮る欠点がないので
電子放出表面は入射する放射線の効果を全面的に
受ける。

第３に、この発明では電流発生に寄与する電子
のエネルギーをバンドギヤツプの高エネルギー部
分に維持できることがあげられる。すなわち、電
子放出表面から放出されて電子収集表面に到達し
た電子は、高エネルギーを保持したままでその電
子収集表面と電気的に接続している電子放出表面
に導かれ、そこで再び入射光からエネルギーを吸
収して次の電子収集表面へと放出されていくので
ある。

この発明の上述の、および他の目的と態様と利
点とは以下に添付図面を参照しつつ説明する。

以下、この発明の実施例を詳細に説明すると、
第１図に、この発明に係る光電変換器１０が示さ
れている。この光電変換器１０はその基本原理が
解るように図式的に示されており、真空容器２０
の内部で電気的な絶縁体ベースすなわち支持部材
１８に装着された複数の電極素子１２，１３，１
４および１５を備えている。真空容器２０内の真
空度は10^-5Torr、程度で十分である。この電極
素子１２―１５は光電性を備えた導電性の材料で
構成されるかその材料によつて被覆されるかその
材質は変換器が設置される場所での用途、要求さ
れる電力容量、装置の周囲の環境、材料の要求さ
れる変換効率、などにしたがつて選定される特殊
なものである。もしたとえばこの変換器が強い紫
外線波長を有する光源のもとで動作する場合に
は、電極の材料は、紫外線を投射されるのに応答
して光電性を有するが、長い波長の光に対しては
応答性が低く、可視光線には余り光電性を示さな
い、たとえばアルミニウムのような金属を使用で
きる。このような材料は、地球の雰囲気が太陽か
らの光成分のうち紫外線を吸収しないたとえば宇
宙空間での利用に有効であるが、地上での太陽エ
ネルギーの変換に対しては有効なものではないだ
ろう。

一方、もしもその装置が、広い波長帯にわたつ
て応答することが所望される場合には、広い光周
波数のスペクトラムに応答し得るセシウムを含ん
だ合金や光電性の合成物を含んだ導電材料が使用
され得る。セシウムを含んだ光電性材料として
は、例えば、Cs₃Sb，Cs₃Bi，AgBiOCs，
Na₂KCsSbなどがよく知られている。どの場合に
おいても、セシウムを含んだ材料や、他の最近開
発された光電材料たとえばアルミニウムなどの材
料が好ましい。なぜならば、それらが、広い波長
範囲にわたつて応答することに加えて、所定の投
射光量に対してより多量の電子流を生じることが
できるからである。たとえば良好な光電性コーデ
イングの光電子生成率は普通の金属の1000から
100000倍であるので、本発明ではそのような材料
を用いるのが好ましい。

光電電極素子１２―１５は、使用される材料に
依存して、かつ公知の技術にしたがつて、種々の
方法で形成できる。こうして、電極素子１２―１
５はアルミニウムや他の金属シートから簡単に切
り出すかあるいは光電材料を適当な導電材料基板
に積層するかコーテイングして構成することがで
きる。所望の導電性と光電特性を示す利用可能な
材料は多く存在するので、使用すべき特定の材料
は、材料の相対的な価格、使用のしやすさ、変換
器が動作する特定の環境下での安定度、光源の性
質、材料の電子発生効率その他の各要因を基準に
して選定すれば良い。

支持ベース１８はエポキシ樹脂や磁器或いは他
の電気絶縁材料で構成されるが、この場合にも装
置が動作する環境などの条件に依存する特定の材
料が使用される。変換器が真空の密閉室で動作す
る場合には、ベース１３は変換素子や周囲の真空
を汚染しないように低い蒸気圧を有する材料で形
成されなければならない。エポキシ樹脂のような
成型可能な材料や固体のあるいは磁器のような機
械加工の可能な中実の材料が適当である。変換器
がその変換器を囲む室の無い宇宙空間中で動作す
る場合には蒸発による汚染は少ない。それ故蒸気
圧に対する配慮はそれほど重要ではなくたとえば
合成樹脂の様なより高い蒸気圧の材料も適当であ
る。

電極素子１２―１５はベース材料にその素子を
取り巻く部分を形成することによつてベース１８
に固定され、一方ベースの材料がエポキシ樹脂等
の成型可能な材料である場合には電極素子が適当
なジグ内に保持され、ジグによつてベース材料が
素子の周囲で硬化して２２―２５で示すような溝
を形成するまで素子が適宜な位置に保持される。
磁器のように機械加工できる材料が使用される場
合には溝２２―２５は切削加工で形成されるかあ
るいは他の方法で素子１２―１５をそれぞれ支持
するようにベース内に形成される。このベース１
８は電極素子を相対的に移動できないように固定
し、電極の前面と後面とが各素子の後面と前面と
に対してそれぞれ間隙を設けて実質的に平行にな
るような所望形状のアレイ（配列）内に素子がベ
ース１８によつて保持される。

変換器１０が地上で使用される場合には、真空
室２０が設けられて光電面のコーテイングの汚染
が阻止されるとともに、空間インピーダンスが低
下してそれらの間に電流が流される。真空室２０
は従来と同様のものでよく、たとえば第１図の断
面で示した様な閉じた管でよい。この管２０の少
なくとも１部分はガラスあるいは他の透明な材料
で形成され、光は光電電極素子１２―１５に到達
可能であり素子が応答する波長に依存して特定の
材料が使用される。もし電極素子が紫外線に最も
効率良く応答する材料である場合には容器の壁は
紫外線領域の波長を通す石英のような材料でなけ
ればならない。一方、変換器が真空の宇宙空間で
使用される場合には真空室は不用である。この場
合に必要な事は変換器が太陽に対して適当に露出
するように配置されている事である。

第１図において変換器の電極素子は便宜上概略
方形状で示してあるが、その形状はユニツトを真
空室内に収納する場合には望ましいものである。
しかしながら、受光面積を増大するためにより一
般的な形状が長く延在した概略矩形状の面に用い
られてもよい。この発明において用いられる幾可
学的アレイの基本的な形態によれば、電極素子の
各前面と各後面が概略平行であり、かつ隣接する
電極の互いに対向する前面と後面とが隔てられて
設けられ、両面の間の空間が電池（電圧素子）と
呼ばれる部分を形成する。各電極素子はそれらの
一方の面のみに光が照射されるように配置され、
これらの一方の面はその素子の光電性のカソード
面を形成する。各電極素子の他の面は影となるよ
うに配置され、たとえ電極が光電材料で作られて
いたとしてもその他方の面は電子を放出しないよ
うにして、この照射されない面は電極素子のアノ
ード面あるいはコレクタを形成する。それ故、各
電極はアノードとカソード面との両方を有するよ
うに配列される。変換器アレイは、変換器ユニツ
トの両端を除いて各電極が二つの隣接する電圧電
池の１部分を形成するように配列される。そして
ある電極素子は１つの電圧電池に対してアノード
を提供するとともに隣接電極に対してカソードを
提供する。そして電極素子の導電部分は二つの電
池を直列に接続するように作用する。

第２図は第１図のアレイを変形した例を断面図
で示し、このアレイは光電素子が相互に関連し
て、かつ投射される光に関連して配置された状態
を示している。この図面に於て光電素子32―36は
アルミニウムのような導電性と光電性とをそなえ
た材料にてなる長いシートをそなえている。各素
子はたとえば電極素子３２の頂上３８から底面４
０までの間で頂上側が細くなるようなテーパ形状
とし、電極素子の一方の面たとえば前面は入射光
を容易に受け、他方の面即ち後面は光の照射を受
けないように傾斜している。この変換器により得
られる電流の方向と電圧の極性とは、電極の前面
と後面のどちらに光が投射されるかにより定ま
る。しかしながら、便宜上、表面４２を前面ある
いは前側面と定め、その面にある角度で光４４が
入射して、その前面が光電子放出面をなす。他の
面４６は後面あるいは後側面と定め、この後面は
光４４が入つても影となり、アノード、すなわち
放射された電子のコレクタとして機能する。各電
極３３―３６は電極３２と同じであり、それぞれ
対応する頂上38と底部４０および前面４２と後面
４４を有する。これらの電極は少しテーパになつ
ているけれども、隣接の電極の前面と後面とは実
質的に平行になつており、後述するように放出さ
れた電子を効率よく収集する。上記した素子３２
―３６のテーパ形状は比較的広くなつた底部４０
を備え、各素子を支持ベース４８に安定に維持す
る。第１図に示すようにベース４８は変換器が動
作する環境に適した特性を有する電気的な絶縁材
料である。第２図に示すように、絶縁材料は、電
極素子３２―３６を平行に並んだ状態で支持する
ための溝５０―５４を備えている。

第２図の実施例におけるベース４８は最端部の
電極３２と３６の外側面を支持するとともに、し
やへい作用をする支持体５６と５８を有する。端
部支持体５６は光４４が素子３２の面に到達する
のを阻止するためにこの素子３２の後面４６を覆
い、その前面４２のみが光電子放出を行い、光線
が４４で示す方向からの入射するときに電極素子
３２はカソードとして動作する。同様にして、反
対側の端部支持体５６は素子３６の前面４２を覆
い、光４４がこの面に全然入射しないようにして
あり、素子３６は変換器のアノードとして作用す
る。適当なリード電線６０と６２がそれぞれ素子
３２と３６に接続され、変換器で発生した電圧が
それぞれの素子の両端に現われる。

第２図の変換器は適当な真空部を備えており、
カソード面から放出された電子が隣接のアノード
面に流れ得る。この真空部は宇宙空間で装置を動
作することにより、あるいは上壁と下壁６４と６
６で図示したような真空室に封入することによつ
て得られる。上壁６４の少くとも１部分は素子３
２―３６が応答して光電子を放出するように、光
の波長に対して透明である。この実施例において
は、両側の壁も透明材料で構成されている。

第２図の光電変換アレイでは、平行光４４の光
エネルギーは変換器に入来し、変換器内の光電素
子に入射する。入射した光の波４４が素子３２―
３５の前面４２のみに入射するように変換器は光
源に対して配置されているとともに素子が幾可学
的に配置されている。素子３６の前面は覆われる
ようになつている。表面４２に入射する光子のエ
ネルギーは上記表面材料に転送されそれらの前面
から電子を放出させる。放出される電子の数は光
の波長と密度、素子の表面４２の材料等の要因に
依存する。さらに表面に転送された光子のエネル
ギーは表面の実効面積に依存し光が素子面に入射
する角度の三角関数で表わされる。光電面から放
出された大部分の電子はその表面に対して実質的
に直角方向に走行し、残りの電子は他の方向へ走
行するので、表面４２から放出された多数の電子
は概略第２図の矢印７０で示すパターンでもつて
流れる。電子放出によつて電極素子３２―３５の
前面４２はカソードとして機能する。

第２図で示した変換器の動作を詳細に検討する
と、このアレイの特殊な幾可学的配置によつて素
子３２の前面から放出された大部分の電子は素子
３２と３３の間の空間を進行し、次に隣接の電極
３３の後面４６によつて捕捉され、表面４６はア
ノードとして動作する。素子３２の表面４２から
放出された電子の一部はアノードに到達せず、消
失するが、電極３２と３３の隣接するカソードと
アノードの表面４２と４６の縦横比は高い変換効
率が得られるように定められる。上記の縦横比は
隣接する電極の相対的寸法と位置とにより定まる
もので、アレーの幾可学的形状の関数である。素
子３２と３３が相互により接近している程、より
多くの電子がアノード表面に捕捉される。しかし
ながらもしその間隔が、接近しすぎている場合に
は、放出カソード面に到達できる光のエネルギー
量が減少する。それ故素子３２と３３は素子３３
が素子３２の放出面４２上に影を落さないだけの
十分に隔たるように設けられる。望ましくは点線
７２で示した影の線は表面４２の足部７４上ある
いはそれに接近した位置にくるようにして放出面
が最大に利用できるようにされる。

素子３３の後面４６をアノードとして有効に機
能させるために、表面４６は電子放出をしないよ
うにせねばならない。もし電極素子３３が単一の
光電子放出材料で構成されているときには、影線
７２で示すように後表面４６が影の中に入るよう
に電極素子を互いに離隔し、かつ素子の前面と後
面とに角度をつけることによつて、表面４６から
の電子放出を避けることができる。素子３３の表
面４６が影になるようにするために変換器を光４
４が特定の角度で入射する様に配置すれば良い。
この特定の角度は素子の相対的高さと間隔及びテ
ーパー度あるいは前表面４２と後表面４６との相
対角度に依存するものである。光電子放出素子の
形状はそれゆえに入射光の角度を最大の光電子放
出をするのに最適にするだけでなく、放出された
電子が隣接のアノードによつて効率よく捕捉され
るようにしなければならない。これらの要因は所
定の光源から電気的出力が最大となる様に素子の
縦横比が定まるように均衡のとれたものでなけれ
ばならない。垂直あるいはすこしだけ角度を持つ
た放出表面４２と、放出表面からみたとき、放出
された電子の実質的な部分を捕捉するように大き
い角度を有し、かつ寸法の大きい、離隔したアノ
ード表面と、カソードを照射するとともにアノー
ドは影となるような光の入射角とがこれらの目的
を達成する。放出された電子は低エネルギーであ
るためにこの装置が動作し得る隣接した素子の間
の間隔はこの変換器が動作する場所での真空度に
依存する。良好な真空のもとでは電極素子は広い
間隔で配置できる一方、悪い真空度のもとでは間
隔は接近していることが必要である。電子放出は
入射光の角度とは比較的無関係であるから、光が
放出表面によつて単純に反射されないものである
限り、変換器の寸法には特定の限界はない。それ
故この発明は特定の変換器を製作するのに必要な
許容性を有しており光の密度と波長、使用する材
料及びこの装置が動作する環境等の種々の要因を
許容できる。

電極素子３２のカソード表面に光が投射された
とき放出された電子は素子３３のアノード表面４
６に向つて移動し、その電子は収集され、カソー
ドとアノード間に正味の電圧が発生し、このよう
にして、離隔したアノード表面とカソード表面と
の間に電池が形成される。同様にして素子３３の
表面４２は光電子放出材料であるので光線４４を
受けるとカソードとして作用し電子を放出する。
これらの電子は次の隣接した素子３４のアノード
表面４６に向つて放出され、そのアノードで電子
が収集される。このようにして素子３３と３４の
対向した表面４２と４６はそれぞれ第２の電池を
形成する。素子３４と３５のカソード表面に投射
される光は電子を放出させ、さらに別の電池を形
成する。最終の素子３６は素子３５のカソード表
面に対するアノードとして作用する。各電極素子
は導電材料で形成されているので素子自身で２つ
の導体６０と６２の間で直列になつているカソー
ドとアノード表面によつて形成されたいくつかの
電池を接続する。それによつて、変換器全体の電
圧、すなわち個々の電池の電圧の和の電圧が発生
する。

この発明の変換器で導体６０と６２から取り出
される電力は、この装置を動作させる変数に関連
して数学的に表現できる。すなわちワツトで示し
た電力Ｐは次の様に表現される： ここで、｜Ｖ｜ｎεｍａｘ／ｅ Ｆ（ε）＝AYFγ ここでεはジユールで表わした光電子のエネル
ギーであり、ｅはクローンで表わした単一電子の
一電荷である。αは放出した電子の保持フアクタ
ーであり、静電的な屈折によつて、あるいは電流
の空間電荷の制限に起因して電池のアノード表面
に到達できなかつた電子を数えたものである。Ｖ
は電池の両端の電圧をボルトで表わしたものであ
り、Ｉは装置を流れる電流をアンペアで表わした
ものであり、Ｙは材料の光電子発生係数（光子当
りの電子数）であり、Ａは光源から見たカソード
の有効放出面積を平行メートルで表わしたもので
あり、ｎは電池の数であり、Ｆγはエネルギーε
の光電子を放出できる入射光束であり、ｖ／ｎｅは光 電子がカソードから隣接のアノードへ走行するの
に要するエネルギーであり、εmaxは最大光電子
エネルギーである。

上記から明らかであるように、変換器からの電
圧および各電池からの電圧は種々の要因、すなわ
ち光度、使用材料、負荷インピーダンス等に依存
している。いま１つの要因は電子流の制限に寄与
するもので、アノード表面４６からの電子放出で
ある。これはアノード表面が直接光の影になつて
はいるけれども、電子放出をなす程度の反射光を
受けるかも知れないことによるものである。この
ような逆向き放出（back emission）は逆向きの
電流を発生して、電池からの正味の電圧を低下す
る。この影響は第３図における電極素子８０を用
いることによつて低減出来る。電極素子８０は導
電体ではあるが光電効果は必ずしも必要でない。
この素子は前表面に光電材料８２を備えられて所
要のカソードを形成して、後側表面８４の導電材
料はアノードとして機能する。光電材料８２の厚
さは使用する材料の光吸収係数を基にして適宜選
択される。

光電層３２はセシウム化合物やセシウム合金な
どのセシウムを含む材料で形成することができる
が、セシウム酸化物の単分子層を有するガリウム
砒化物でもあるいは他の適当な光電材料でもよ
く、また光電子放出は上部の千そこそこの原子層
だけしか含まないから、この層は非常に薄いもの
である。

第３図に示した構造ではアノード表面を光が入
射しないように覆う必要がないから、光源に対し
て変換器を設置する自由度は大きくなる利点があ
るけれども、第１図あるいは第２図に示した形状
と比較して製作が困難で、高価になるという欠点
がある。さらに環境条件によつて光電層の材料を
飛散させて、これがアノード表面に堆積して、こ
れによつて変換器の効率が低下する。

太陽エネルギー変換器から高いレベルの電圧を
得るためには、光電材料の表面積を広くする手段
が必要である。従来技術においては、広い表面積
を設けるために、非常に複雑で高価な支持構造が
必要であつた。しかしながら、この発明の構成に
よれば、第４図に示すように構成することによつ
て所要の高いレベルの出力が容易に得られ、かつ
コストも安価となる。この実施例において、アレ
イ８６は、導電体かつ光電材料である複数の隔て
て設けられた帯８８，９０（紙面に垂直方向に帯
状に延在する）を備えており、これらの材料は、
たとえばマイラや他の樹脂にてなる電気絶縁シー
ト材９２に設けたセシウムあるいはセシウム化合
物を含む材料である。

光電材料の帯８８と９０はシート９２の表面に
メツキするかあるいは蒸着され、そしてこのシー
トは一連のアコーデオン状に折曲されて、上向き
に折曲されたひだ９４は１つの光電帯の長手方向
の中心に存在するとともに、下側で折曲されたひ
だ９６は帯の間で形成される。これによつてそれ
ぞれの帯８８と９０は第２図に示すような素子３
２―３６のアノードとカソード表面と同様の形状
をなし、光電帯は第２図に示された素子と同様に
用いられてよい。このシート９６は折曲された形
状で、枠（図示せず）のような適当な構造体によ
つて固定するかあるいは折曲された後に熱によつ
て所望の形状に固定することが可能である。第４
図の装置において素子を所望の角度のテーパー形
状に折屈することができて、所望の間隔と相対的
角度とを隣接した表面の間に設定することができ
る。上記と同じシート上に多数の変換器が形成で
きて、直列に接続し得ることもまた明らかであ
る。

第５図と第６図にさらに多くの利点をもつた他
の変形例が示されている。この装置には切欠され
たあるいは成形された溝あるいはスロツト100を
有する電気的絶縁シートあるいはスラブ９８が設
けられている。この溝あるいはスロツトは種々の
技術、たとえばモールデイングや切削を含む技術
あるいは半導体製造工場において一般に用いられ
ているマスキングあるいはエツチング技術等によ
り形成される。電極１０２の光電材料はスラブ９
８の上方の溝部に装着され、各溝あるいはスロツ
ト１００の底部にはこれらの光電材料が存在しな
い。この装置はたとえば撤去可能なマスクあるい
は切削あるいはエツチング処理を用いることによ
りあるいは傾斜蒸着法等を含む従来の選択的コー
テイング技術により行なわれる。

この図面に示した構造では非常に安価で製作可
能であるが、装置の強度を高くして、かつ構造を
一体的に保つことができる。電極１０２の表面の
光電材料は溝の表面形状に沿うように設けられて
逆Ｕ字形状の電極を形成し、各電極は前側脚表面
１０４と後側脚表面１０６とを有する。相並んだ
電極１０２の隣接した電極脚部１０４と１０６と
は、それぞれ前述の装置と同様に隣接した電池を
形成する。そしてこの場合でも光電材料は導電体
でもあり、各電池を直列に接談する。これらの場
合には半導体の光電材料が用いられたときには導
電体の薄いフイルム層を光電体の下に設けて必要
な電流搬送部分を形成する。

絶縁ベース９８上に光電材料をコーテイングす
ることによつて、たとえば幅１ミル（mil）のオ
ーダーの非常に狭い溝を用いることができるよう
になる。その結果、電子放出表面としての前側脚
表面１０４と電子収集表面としての後側脚表面１
０６との間の真空ギヤツプを非常に小さなものに
することができる。よく知られているように電池
におけるアノードとカソード間のギヤツプが非常
に狭い場合には電流の流れにおける空間電荷の制
限を非常に小さくできるという利点がある。それ
故この実施例で示した装置は非常に安価に非常に
高い電流を発生させる非常に重要な能力を有す
る。

光子エネルギーの転送を最大にするために表面
を粗面とするかあるいは公知の他の表面処理技術
によつて第５図の装置の光電表面としての前側脚
表面１０４からの入射光エネルギーの反射を低減
することができる。また光電面カソードとしての
前側脚表面１０４は第６図の１０３で示すように
湾曲したあるいは延長された形状に設計される。
その結果光電カソードによつて反射された光子４
４のいくつかは、延長部１０８の表面に入射す
る。上記のようでなければ、これらの光子は消滅
してしまうだろう。光電カソード面のこの湾曲に
よつてエネルギー変換効率を改善することができ
る。

ここに示した電極素子の幾可学的構造は有効な
動作をするものであるが、透明な絶縁体（シート
あるいは網）を変換器の上に直接設けて、この絶
縁体が生成する表面電荷により電子がカソードか
らアノードまで流れて、ある種の状態のもとで
は、これにより動作を改善することができる。こ
のような絶縁シートを第４図に１１０で示す。し
かしながらこの発明の主たる構成要素は、好まし
い方向に電子放出を行なう光電電極を配置するこ
と、これらの電子流通路中にアノード電極を介在
せしめることおよびこのような素子を連続して設
けて相対的に高い電圧出力を得ることである。上
記のように製作された変換器は低電流装置である
ことに気づくだろう。そして、この電流のレベル
はカソード素子に用いられた光電材料により、ま
た電極間の空間電荷により制限される。この変換
装置が負荷の両端に電圧源として接続されたと
き、発生する電流は、入射光によつて各電圧電池
に発生する電流に等しく、変換器の両端に生じる
電圧は各電池の両端の電圧の和である。それ故、
カソードとアノードの面積が広いほど、この装置
から流れる電流は大きくなる。電流が変換器から
取り出されている限り、電子流は各電池内を流れ
続ける。もし負荷が変換器から撤去されたときに
は、電子が各カソード表面から連続して発生する
ことにより電子が対応するアノード表面に集積さ
れ、各電池内で静電電圧が生起し、その電圧が電
池の容量に達すると主成された電子はもはやカソ
ードからアノードには流れない。本発明の装置を
紫外線を用いてテストした結果、その外挿データ
は２６±７％の電力変換効率を示している。この
値はAMO―AMI太陽等価値である。数値がばら
ついているのは紫外線の光源強度の測定が容易で
ないことに起因している。この電力変換効率によ
れば、電力発生は１平方メートル当り250Wとな
り、本発明装置が電力用に利用可能であることを
示している。

本発明装置の一例の装置全体の幅Ｗと長さＬ
（第７図参照）は15cm×15cm、高さＨは約５mmで
あり、電極素子３２，３３，３４，……の各山の
高さｈは１mmで、各電極素子は上記幅15cmの全長
に亘つて延在しており、さらに隣接している山と
山の間の距離ｄは１mmあるいはそれ以下であつ
た。

しかし、本発明は種々の寸法に製作されるもの
である。

以上のようにこの発明は複数の突起状の電極素
子を所定間隔をおいて平行に並べ、電極素子の一
方の面で受光して電子放出を行ない、この一方の
面に真空を隔てて対向する他の電極素子の他方の
面で電子を受けるように構成したので、装置全体
の平面形状を小さくして、かつ受光面を大きくで
き、太陽電池を小型化し得るとともに、高い電圧
と電力を得ることができる。

本発明を特定の実施例に関して説明したが、特
許請求の範囲に記載された、本発明の真の思想と
範囲とから外れることなく当業者にとつて種々の
変形をなし得るものであることが理解されるだろ
う。

【図面の簡単な説明】

図面中、第１図はこの発明の一実施例を示す斜
視図、第２図は第１図の装置において、光電電極
と絶縁支持部材の変形例を示す断面図、第３図は
光電電極の変形例を示すこの発明の他の実施例の
部分断面図、第４図はこの発明の他の実施例を示
す部分断面図、第５図はこの発明のさらに他の実
施例を示す部分断面図、第６図は第５図の一部の
拡大断面図、第７図は本発明装置の一例の要部を
示した斜視図である。 １０……光電変換器、１２―１５……電極素
子、１８……支持ベース、２０……真空室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光電効果を有する第１の表面４２と第２のア
   ノード表面４６とをそれぞれ有する導電性の複数
   の電極素子１２―１５と、 上記電極素子１２―１５が互いに絶縁されるよ
   うにかつ真空内で離隔して配置手段１８とを備
   え、 各電極素子１２―１５の上記第１の表面４２
   を、隣接する電極素子１２―１５の上記第２の表
   面４６と対向させて、互いに対向した１組の表面
   （４２と４６）とその間に介在する空間とにより
   電池を形成し、上記複数の電極素子１２―１５が
   直列に接続された複数の電池を形成し、入射光が
   各電池の第１の表面４２のみから光電効果を生じ
   るように、上記配置手段１８が上記電極素子１２
   ―１５を互いに概略平行に配置して固定し、各電
   池の第２の表面４６が対応する第１の表面４２か
   らの電子を収集するように位置していることを特
   徴とする光エネルギーを電気エネルギーに変換す
   る変換装置。 ２ 上記各電極素子１２―１５の上記第２の表面
   ４６が光電材料で形成され、光線が上記第１の表
   面４２を照射するときに上記第２の表面４６が影
   部分に入るように、上記変換装置の電極素子１２
   ―１５が構成されている特許請求の範尉第１項に
   記載の変換装置。 ３ 各電極素子１２―１５の第２の表面４６は非
   光電材料にてなる特許請求の範囲第１項に記載の
   変換装置。 ４ 上記電極素子１２―１５を装着する上記手段
   が電気的に絶縁された支持ベース４８を備え、こ
   れによつて、上記複数の電極素子１２―１５が互
   いに電気的に絶縁されて、上記各電池を通過する
   電流が電極素子１２―１５の上記第１の表面４２
   と第２の表面４６との間の空間内に限定され、上
   記電極素子１２―１５の前面と後面とが下向きか
   つ外向きのテーパ形状であり、これによつて上記
   第１の表面４２と第２の表面４６とを形成する特
   許請求の範囲第１項に記載の装置。 ５ 上記各電極素子１２―１５は折曲可能な電気
   絶縁シートに固定された光電材料の帯８２を備
   え、 上記各帯８２が第１の表面４２と第２の表面４
   ６を形成するために、上記シートとともに折曲さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６ 上記各電極素子１２―１５は下向きかつ外向
   きのテーパ形状をなし、上記電極素子１２―１５
   の前面と後面とがそれぞれ第１の表面４２と第２
   の表面４６とを形成するようにした特許請求の範
   囲第１項に記載の装置。 ７ 上記各電極素子の上方に透明な絶縁性シート
   １１０が設けられ、この絶縁シート１１０は上記
   電池を通過する方向に電子流を向けるように機能
   する特許請求の範囲第１項に記載の変換装置。