JP2017535298A - 太陽電池付き装飾複合体 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石、
(b)波長選択層、及び
(c)光電池
を含む装飾エレメントに関する。
凹凸領域は、対称又は非対称のいずれでもよい。
(1)凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石;
(2)光電池(太陽電池)
(3)波長選択膜;
(4)波長選択性フィルム;
(5)接着剤;
(6)波長選択性フィルムの配置に対して異なる構造
(7)装飾エレメント
宝石用原石は、例えば、透明ガラス、プラスチック、透明セラミック又は透明宝石もしくは半貴石等の多種多様な材料で作ることができる。ガラス又はプラスチックで作られているファセットされた透明な宝石用原石は、コストが低く、かつ、ファセットが最も容易に提供されるので、本発明によれば好ましい。ガラスの使用が、本発明によれば特に好ましい。宝石用原石は、凸状湾曲又は凸凹状湾曲領域を含む。このことは、凹状湾曲領域も又はセットされた面の凸状湾曲領域に加えて存在し得ることを意味する。ファセットされた面の反対側の宝石用原石の面は、平面(好ましい)であるか又は凹面の何れかである。平凸又は平凸凹形状を有する宝石用原石は、それらが結晶性太陽電池の最も費用効率の高い適用を可能にするので、本発明によれば好ましい。特に好ましいのは、凸状、とりわけ平凸状形状の宝石用原石である。
本発明は、透明である限り(上記参照)、ガラスの組成に関して原則限定されない。“ガラス”は、非晶質固体を形成する凍結した過冷却液体を意味する。本発明によれば、酸化物ガラス及びカルコゲナイドガラス、金属ガラス又は非金属ガラスの両方を使用することができる。オキシ窒化物ガラスもまた適している。ガラスは、一成分(例えば、石英ガラス)又は二成分(例えば、ホウ酸アルカリガラス)又は多成分(ソーダ石灰ガラス)ガラスであり得る。ガラスは、溶融、ゾル−ゲル法、又は衝撃波によって調製することができる。この方法は当業者に知られている。無機ガラス、特に酸化物ガラスは、本発明によれば好ましい。これらには、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス又はリン酸塩ガラスが含まれる。鉛フリーガラスが特に好ましい。
(a)約35ないし約85質量%のSiO2;
(b)0ないし約20質量%のK2O;
(c)0ないし約20質量%のNa2O;
(d)0ないし約5質量%のLi2O;
(e)0ないし約13質量%のZnO;
(f)0ないし約11質量%のCaO;
(g)0ないし約7質量%のMgOと;
(h)0ないし約10質量%のBaO;
(i)0ないし約4質量%のAl2O3;
(j)0ないし約5質量%のZrO2;
(k)0ないし約6質量%のB2O3;
(l)0ないし約3質量%のF;
(m)0ないし約2.5質量%のCl
を含有する。
十分に精通している研磨及び研磨技術によって得られる。
ファセットされた透明な宝石用原石(a)の調製のための別の原料として、透明なプラスチックを使用できる。モノマーの硬化後に透明である全てのプラスチックは、本発明によれば適しており;これらは当業者には十分に精通している。数ある中で、以下の材料:
・アクリルガラス(ポリメチルメタクリレート、PMMA)、
・ポリカーボネート(PC)、
・ポリ塩化ビニル(PVC)、
・ポリスチレン(PS)、
・ポリフェニレンエーテル(PPO)、
・ポリエチレン(PE)、
・ポリ−N−メチルメタクリルイミド(PMMI)
が使用される。
ファセットされた透明な宝石用原石の形状設計は、原則的に制限されず及びそして設計的側面に依存します。宝石用原石は、好ましくは正方形、長方形又は円形である。ファセットされた透明な宝石用原石は、好ましくは凸形状、特に平凸状(図2a参照)を有する。好ましくは、宝石用原石は、好ましくは凸状湾曲面上に複数のファセットを含み、好ましいのは長方形ファセット、特に正方形ファセットであり、というのもこれらはエネルギー収率の最適化に寄与するからである。凸状及び所望により付加的な凹状領域を有する宝石用原石の形状は、全体の表面を増加させることによって光の収率を増加させる。入射光の一部が反射するため、波長選択層(下記参照)は光収率に悪影響を有するが、この損失は、ファセットと組み合わせて凸状及び所望により凹状の湾曲領域を有する特定の形状によって補われる以上のものである。特に、宝石用原石の凸形状は、太陽電池のエネルギー収率の角度依存性の重要な低減に寄与する。特に、光源に向かう位置づけがほとんど不可能であるウェアラブルエレクトロニクスの観点から、角度依存性の低減は非常に重要である。凸面とファセット面の組み合わせ(図2a)は、光起電力素子の表面に光ビームを収束させ、そして平面形状に比べてエネルギー収率を著しく増加させる(図2b)。同時に、図3aに示すように、角度依存性は、太陽電池をカプセル化するために通常使用されるような薄いプレートと比較して劇的に減少する(図3b)。それから生じるファセットされた領域と付加的な領域とを組み合わせた凸状湾曲のために、装飾エレメントに入射する光ビームは、太陽電池上の法線に向かって屈折する。ファセットは、光ビームの多重反射(光トラッピング)をもたらし、したがって光収率の増加をもたらす。
セットされた表面の多くても1/3である。この場合、凸凹形状の光収率は、凸形状のみの光収率と同様である。これはシミュレーションによって示すことができる(下記参照)。
波長選択層は、装飾エレメントを宝石用原石としてまったく使うことを可能にする。装飾エレメントは、そこから光輝性外観を得る。選択層は、好ましくは、凸状湾曲領域を含む透明なファセットされた宝石用原石と光起電力素子との間に設けられる。本発明によれば好ましいのは、PVD法、CVD法又は湿式化学法によって製造された波長選択性フィルム又は波長選択膜による2つの異なる方法で実現される。しかしながら、波長選択層はまた、微細構造化面から得ることができる。微細構造化の方法は、当業者に周知である。
波長選択性フィルムは、「放射光フィルム」の名称で市販されている。これらは、他の材料に適用できる多層ポリマーフィルムである。これらの光学フィルムは、ブラッグミラーであり、及び可視光の高い割合を反射し、及び鮮やかな色効果を生じる。数百ナノメートルの範囲内のレリーフの様な微細構造は、光の異なる波長を反射し、及び干渉現象が起こり、色は視野角の関数として変化する。
膜材料は、当業者に周知である。本発明の好ましい実施形態では、波長選択膜は、任意の順序で、金属及び/又は金属酸化物、金属窒化物、金属フッ化物、金属炭化物又はこれらの化合物の任意の組み合わせなどの金属化合物の少なくとも一種を含み、これらは、一般的なコーティング方法の1種によってファセットされた宝石類に塗布される。異なる金属又は金属化合物の連続層を適用することもできる。膜を調製する方法及び膜自体は、当業者に十分に知られている。これらには、とりわけ、従来技術によるPVD(物理蒸着)法、CVD(化学蒸着法)法、ペイントコーティング法及び湿式化学法が含まれる。PVD法が、本発明によれば好ましい。
光起電力素子(太陽電池)は、短波放射エネルギー、通常太陽光を直接電気エネルギーに変換する電気部品である。どのような種類の太陽電池が使用できるかは、要求されるエネルギー供給及び特定の適用目的に依存する。本発明による適用目的のために、無機太陽電池が特に適している。それらは、半導体材料、最も一般的にはシリコンから製造される。さらに、とりわけ、テルル化カドミウム、カッパーインジウムガリウムジセレニド及びヒ化ガリウムが用いられている。いわゆるタンデム型太陽電池では、異なる半導体の層、例えばリン化インジウムガリウムリンと組み合わせたヒ化インジウムガリウムが使用される。
てできるだけ多くの自由電荷キャリアが活性層に生成される。したがって、反射防止層は、太陽電池の上側に適用され、一方裏側は、鏡面化される。反射防止層は、典型的な青色から黒色の太陽電池を提供する。反射防止層は、しばしば、窒化ケイ素、二酸化ケイ素及び二酸化チタンから調製される。反射防止膜の層の厚さもまた色(干渉色)を決定する。ナノメートルスケールのばらつきが早くも反射率を増加させるので、均一な層の厚さが重要である。青反射は、好ましくはシリコンの吸収波長である、スペクトルの赤部分に対する反射防止層の調製から生じる。反射防止層の材料としての窒化ケイ素及び二酸化ケイ素は、パッシベーション層として追加的に供給され、これは表面で電荷キャリアの再結合を減少させるので、より多くの電荷キャリアが発電に利用可能となる。前面コンタクトフィンガが太陽電池の裏面に取り付けられている場合、さらなる効率の向上が達成される。このことは表面の10%までが金属接点により覆われるので、より小さい活性エリア、それ故より少ない光収率を生じる、前面のシェーディングを回避する。加えて、裏面接触フィンガは、前面接触フィンガと比較して、より容易かつより少ない損失で電気的に接触することができる。裏面に接触した太陽電池が、本発明によれば好ましい。このようないわゆるIBC(交差指型背面接触)セルは、例えばサンパワー社によって市販されている。特に、単結晶シリコンの太陽電池及び窒化シリコンの反射防止膜は、本発明に適しており、好ましくは、太陽電池は>20%の効率を有する。約22.5%の効率で特徴付けられる、単結晶シリコンで作られたSunpower(登録商標)C60太陽電池が、本発明に特に適している。窒化ケイ素(Si3N4)の反射防止コーティングは、典型的には、1.9ないし2.5の屈折率を有する。裏面接触、裏面鏡面、二酸化ケイ素のパッシベーション層及びnドープシリコンの使用は、とりわけ、太陽電池の効率の向上に寄与する。
異なる材料及び形状の異なる装飾エレメントを調査した。装飾エレメントを、太陽電池及び光学素子から組立てた。本発明の実施例は、さらに、波長選択層を設けた。
比較例C1:0.5mm厚の12mm×12mmガラスシート;屈折率n=1.52。
比較例C2:図5a及び5bに従ってガラスから製造された光学素子;上記の寸法(形状);波長選択膜無し。
比較例C3:n=1.54を有する図5a及び5bに従ってPleximid(登録商標)TT70から製造された光学素子;上記の寸法(形状);波長選択膜無し(比較例)。
実施例2:図5a及び5bに従ってPleximid(登録商標)TT70から製造された光学素子;上記の寸法(形状);以下に記載の波長選択膜有り。
実施例1及び2の光学素子をPVD設備(上記参照)で被覆した。波長選択膜の構造を表1に示す:
測定は、光ビームの入射角の関数として、太陽電池のエネルギー収率に関する、光学素子及びコーティングの影響の調査を目的とした。
(7)装飾エレメント;
(8)サンシミュレータ;
(9)回転支持体;
(10)ソースメータ。
サンシミュレータ(8)を使用し、1000W/m2の一定の放射照度を全ての一連の実験のために選択した。光源から実施例1及び2ならびに比較例C1ないしC3に従って測定した試料への放射の入射角は、試験体を配置した回転支持体(9)を用いて変化させた。太陽電池の中心とサンシミュレータとの間の距離zは、一定に保った(図6参照)。
一方では、実施例C1結果の電力損失は、透明ガラス/UV−硬化性接着剤及びUV−硬化性接着剤/太陽電池に関する異なる屈折率のための損失に由来する。また他方では、光ビームの一部は、ガラスシートにぶつかった場合、反射によって失われる。実際には、電力損失の両種類は、全ての光学素子で起こるが、それらは平面ガラスシートで最大である。
表2からわかるように、ファセットと組合せた凸形状によって補われるものを越えるものとなることができる。
太陽電池の電力に対して宝石用原石の平凹凸形状又は平凸形状の影響を、コンピュータシュミレーションによって調査した。このシミュレーションはオプティス社のプログラムSpeosを使用し物理的な光追跡によって実施した。
測定値(上記参照)から対応する宝石用原石のCADデータを、宝石用原石のモデルとして使用した。宝石用原石の表面を、理想的であると仮定した(粗さなし、即ち表面欠陥なし)。シミュレーションに関して、実施例1のガラスの反射率を使用し、これはλ=550nmで1.56である。
シミュレーションS1:平凸形状を有する宝石用原石、図8。この宝石用原石は、測定からの宝石用原石に対応する(図5)。
表3中、S1とS3の値の相対偏差(第6欄)は、吸収された放射電力が純粋に凹状の形状において大きく減少することを示している。これは、凹状形状が散乱効果を有するために予想される。
Claims (15)
- (a)凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石、
(b)波長選択層、及び
(c)光電池
を含む装飾エレメント。 - 前記宝石用原石が、ガラス又はプラスチック製である、請求項1に記載の装飾エレメント。
- 前記宝石用原石が、平凸又は平凸凹形状を有することを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の装飾エレメント。
- 前記波長選択層が、波長選択膜又は波長選択性フィルムから選択されることを特徴とする、請求項1ないし請求項3の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
- 前記波長選択膜は、少なくとも1種の金属及び及び/又は金属化合物を含有することを特徴とする、請求項4に記載の装飾エレメント。
- 前記波長選択層は、380ないし850nmの範囲内の光の一部を反射することを特徴とする、請求項1ないし請求項5の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
- 前記波長選択層は、380ないし850nmの範囲内において50ないし250nm幅の反射間隔で入射光の少なくとも50%を反射することを特徴とする、請求項1ないし請求項6の少なくとも一項に記載の装飾エレメント
- 前記波長選択層が、0°の光ビームの入射角のもとに測定された場合、400ないし1200nmの範囲における反射間隔の外側で>80%の平均透過率を有することを等張とする、請求項7に記載の装飾エレメント。
- 前記波長選択層が、
(a)ファセット面に対向する面、又は
(b)光電池
に適用されていることを特徴とする、請求項1ないし請求項8の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。 - 前記波長選択膜は、層の任意の順序で、Cr、Cr2O3、Ni、NiCr、Fe、Fe2O3、Al、Al2O3、Au、SiOx、Mn、Si、Si3N4、TiOx、Cu、Ag、Ti、CeF3、MgF2、Nb2O5、Ta2O5、SnO2、ZnO2、MgO、CeO2、WO3、Pr2O3、Y2O3;BaF2、CaF2、LaF3、NdF3、YF3;ZrO2、HfO2、ZnS、Alの酸窒化物、Siの酸窒化物、及びSnZnOの酸窒化物、又はそれら化合物の任意の組合せからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む、請求項1ないし請求項9の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
- 前記光電池が、裏面接触型太陽電池であることを特徴とする、請求項1ないし請求項10の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
- 装飾エレメントの部品(a)、(b)及び(c)は、接着剤を用いて一緒に結合されてなることを特徴とする、請求項1ないし請求項11の少なくとも一項に記載の装飾エレメ
ント。 - 前記接着剤の屈折率は、宝石用原石の屈折率から±20%未満ずれることを特徴とする、請求項12に記載の装飾エレメント。
- 特にウェアラブルエレクトロニクスにおけるエネルギー源としての請求項1ないし13の少なくとも項に記載の装飾エレメントの使用。
- 請求項1ないし請求項13の少なくとも一つに記載の、少なくとも一つの装飾エレメントを含むオブジェクト。
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