JP4203457B2

JP4203457B2 - 発光モジュールおよび発光システム

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Publication number: JP4203457B2
Application number: JP2004220847A
Authority: JP
Inventors: 浩匡棚村; 仁三宮; 伸介立花
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: JP2006041289A; CN1993836A

Description

本発明は、発光モジュールおよび発光システムに関するものであり、さらに詳しくは、可視光透過型太陽電池と組み合わせた発光モジュールおよびこのような発光モジュールを備えてなる発光システムに関するものである。

従来、この種の発光モジュールとしては、特許文献１に記載されたような、透光性基板の上に透光性発光部と太陽電池とを積層した発光装置や、特許文献２に記載されたような、発光面と受光面とが同一面上に位置するように、発光面を有するパネル状発光体の近傍に太陽電池の受光面が配置された照明パネルや、特許文献３に記載されたような、太陽光発電部とこの太陽光発電部の起電力により発光する発光部とが１枚の平板状基板に実装された太陽光発電利用発光モジュールなどがあった。

特開昭５９-２１７９９１号公報特開昭６０-７８４７７号公報特開２００１-３５１４１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発光装置は、太陽光受光面側から透光性発光部、太陽電池の順で積層されており、太陽電池に入射する光が透光性発光部で減衰されるため太陽電池の出力低下が避けられないなどの欠点があった。また、特許文献２に記載された照明パネルは、発光面を有するパネル状発光体の近傍に受光面を有する太陽電池が配置され、発光面と受光面とが同一面上にあることから、面積上の制約から太陽電池の出力低下が避けられないなどの欠点があった。さらに、特許文献３に記載された発光モジュールは、表面に太陽光発電部を、裏面にこの太陽光発電部の起電力により発光する発光部をそれぞれ実装する１枚の平板状基板に、スルーホールを形成し、裏面にプリント配線および太陽電池モジュールの起電力を利用する回路および素子群を実装するため、発光部の搭載場所に制約があるなどの欠点があった。

本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、太陽電池に入射する光が減衰することなく、太陽電池の出力低下を防止することができるうえ、簡単に製造することのできる発光モジュールおよびこのような発光モジュールを備えてなる発光システムを提供することにある。

本発明の１つの観点によれば、少なくとも第１の透光性絶縁基板、透明導電層、光電変換層、第１の金属層からなる平板状のシースルータイプ太陽電池部と、第１の接着層と、第２の透光性絶縁基板、発光素子を発光させるための回路パターンとしての第２の金属層、発光素子からなる平板状の発光部と、第２の接着層と、第３の透光性絶縁基板からなる平板状の保護部とが、順次積層されてなり、前記発光部が、複数の発光ユニットから構成され、これらの発光ユニットが、前記発光素子を点在状に実装して構成されていることを特徴とする発光モジュールが提供される。

本発明の他の観点によれば、本発明の１つの観点に係る発光モジュールと、蓄電池と、制御部とを備えてなることを特徴とする発光システムが提供される。

本発明の１つの観点に係る発光モジュールにあっては、発光面と受光面とが同一面上にないので、太陽電池に入射する光の発光部の全部あるいは一部による減衰のおそれ、あるいは太陽電池の占有面積上の制約がなくなり、太陽電池の出力低下を防止することができる。

本発明の他の観点に係る発光システムにあっては、太陽電池部の発生電圧を制御部で監視し、この発生電圧と昼間か夜間かを判断する閾値電圧との大小を比較することにより、太陽電池から蓄電池への充電モードか、あるいは蓄電池から負荷である発光モジュールへの放電モードかを判断し、夜間に発光モジュールを自動的に発光させることができる。

本発明の１つの観点に係る発光モジュールは、第１の透光性絶縁基板における透明導電層が設けられた面とは反対側の面に、第３の接着層と、第４の透光性絶縁基板とが、さらに順次積層されていてもよい。このように構成されていると、発光モジュールの強度を考慮する必要がある場合に、第３の接着層を介して第４の透光性絶縁基板を重ねることで、発光モジュールの強度をより強くすることができる。

本発明の１つの観点に係る発光モジュールは、発光部が、複数の発光ユニットから構成されている。このように構成されているので、発光部の面積をより広くすることができる。

本発明の他の観点に係る発光システムは、発光モジュールが、枠体に嵌め込まれ、蓄電池および制御部が、その枠体に収納され、発光モジュールおよび蓄電池が、前記制御部を介して電気的に接続されているものであってもよい。このように構成されていると、太陽電池付き発光システムを１つの単位体にパッケージングすることができる。

本発明の他の観点に係る発光システムは、太陽電池部の出力を取り出すための端子ボックスと、発光部に電圧を印加するための端子ボックスとを備え、これらの端子ボックスが、発光モジュールの側面に取り付けられているものであってもよい。このように構成されていると、太陽電池部がシースルータイプの場合に、取り込まれた太陽光が端子ボックスやそれに付随する配線などで遮られないようにすることができる。

本発明の他の観点に係る発光システムは、発光素子に隣接する第２の金属層が、発光素子を発光させるための回路パターンになっており、この回路パターンが、導電性ペーストにより形成されているものであってもよい。このように構成されていると、１５０℃以下の温度で硬化することのできる導電性ペーストを用いて、第２の透光性絶縁基板として価格的に有利なＰＥＴフィルムを使用することができ、前記基板に回路パターンを形成することができる。

本発明の他の観点に係る発光システムは、発光素子が、チップＬＥＤであるものであってもよい。このように構成されていると、リードタイプのＬＥＤを使用する場合に比べて発光モジュールの厚さをより薄くすることができる。

本発明の他の観点に係る発光システムは、前記チップＬＥＤが、回路パターンに導電性ペーストで取り付けられているものであってもよい。このように構成されていると、１５０℃以下の温度で硬化することのできる導電性ペーストを用いて、第２の透光性絶縁基板として価格的に有利なＰＥＴフィルムを使用することができ、前記基板上に形成した回路パターンに発光素子を実装することができる。

本発明の他の観点に係る発光システムは、すべての接着層が、低温架橋型ＥＶＡフィルムからなるものであってもよい。このように構成されていると、第１〜第４の透光性絶縁基板にポリカーボネートなどの耐熱性のないプラスチック基板を使用することができる。

本発明の他の観点に係る発光システムは、太陽電池部の少なくとも一部がシースルータイプ太陽電池からなるものであってもよい。このように構成されていると、この発光システムを部屋のガラス窓に使用したときなどに、太陽光を太陽電池部から室内に取り込むことができる。

以下、例示としての目的だけで、添付図面を参照して本発明の３つの実施形態を説明する。

実施形態１

図１〜図３および図５を参照して、本発明の１つの観点に係る発光モジュールの実施形態（実施形態１）を説明する。この発光モジュールは少なくとも、太陽電池部１と発光部２と保護部３とを備えてなる。

図１および図２に示す太陽電池部１の作製に当たり、予め透明導電膜５を形成した第１の透光性絶縁基板としてのガラス基板４を用いる。このガラス基板４には、透明導電層としての透明導電膜５が、ガラス基板４の片側表面と全周囲端面とに形成されている。

次に、レーザ光を用いて透明導電膜５のパターニングを行なう。この際、透明導電膜５によく吸収される、例えばＹＡＧ基本波レーザ光などを用いる。レーザ光をガラス基板４側から入射させることにより、透明導電膜５が短冊状に分離されて、透明導電膜５の分離ライン６が形成される。

次に、透明導電膜５が形成されたガラス基板４を純水で洗浄し、光電変換層としての光電変換膜７−１を形成する。光電変換膜７−１は、ａ−Ｓｉ：Ｈｐ層、ａ−Ｓｉ：Ｈｉ層、ａ−Ｓｉ：Ｈｎ層からなり、合計の厚さが１００ｎｍ〜３００ｎｍである。

次に、透明導電膜８を形成する。透明導電膜８には、ａ−Ｓｉ：Ｈｎ層とのコンタクトが良好な、例えばＺｎＯやＩＴＯなどが用いられる。透明導電膜８の合計の厚さは５ｎｍ〜１００ｎｍである。

次に、レーザ光を用いて光電変換膜７−１をパターニングする。この際、レーザ光による透明導電膜５の損傷を避けるために、波長選択性のある、例えばＹＡＧＳＨＧレーザなどを用いる。レーザ光をガラス基板４側から入射させることにより、光電変換膜７−１は短冊状に分離され、同時に透明導電膜８も除去されて、光電変換膜７−１の分離ライン９が形成される。この分離ライン９は、透明導電膜８の分離ライン６と約５０μｍ重畳する約１〜５０μｍ離れた位置に、約５０μｍ〜２００μｍの幅で形成される。

次に、光電変換層としての光電変換膜７−２を形成する。光電変換膜７−２は、μｃ−Ｓｉ：Ｈｐ層、μｃ−Ｓｉ：Ｈｉ層、μｃ−Ｓｉ：Ｈｎ層からなり、合計の厚さが１０００ｎｍ〜３０００ｎｍである。

次に、レーザ光を用いて光電変換膜７−２をパターニングする。この際、レーザ光による透明導電膜５の損傷を避けるために、波長選択性のある、例えばＹＡＧＳＨＧレーザなどを用いる。レーザ光をガラス基板４側から入射させることにより、光電変換膜７−２は短冊状に分離され、同時に光電変換膜７−１および透明導電膜８も除去されて、光電変換膜７−２の分離ライン１０が形成される。この分離ライン１０は、分離ライン９と約５０μｍ重畳する約１〜５０μｍ離れた位置に、約５０μｍ〜２００μｍの幅で形成される。

さらに、続いて、透明導電膜１１と金属電極膜１２とを積層することにより、第１の金属層としての裏面電極膜１３を形成する。透明導電膜１１には、比抵抗が小さく透光性が高い、例えばＺｎＯやＩＴＯなどを用いる。一方、金属電極膜１２には、反射率の高い、例えばＡｌやＡｇなどを用いる。透明電極膜１１の膜厚は５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度、金属電極膜１２の膜厚は５００ｎｍ〜１μｍ程度である。ただし、透明電極膜１１は割愛してもかまわない。

次に、レーザ光を用いて、裏面電極膜１３のパターニングを行なう。この際、レーザ光による透明導電膜５の損傷を避けるために、また同時に、光電変換膜７−１、透明導電膜８および光電変換膜７−２を除去するために、波長選択性のある、例えばＹＡＧＳＨＧレーザなどを用いる。レーザ光をガラス基板４側から入射させることにより、裏面電極膜１３が短冊状に分離され、同時に光電変換膜７−１、透明導電膜８および光電変換膜７−２も除去されて、裏面電極膜１３の分離ライン１４が形成される。この分離ライン１４は、光電変換膜７−２の分離ライン１０と約５０μｍ重畳する約１〜１５０μｍ離れた位置に、約５０μｍ〜２００μｍの幅で形成される。

このようにして、少なくとも、ガラス基板４、透明導電膜５、非晶質シリコン系半導体からなる光電変換膜７−１、透明導電膜８、結晶シリコン系半導体からなる光電変換膜７−２および裏面電極膜１３を備えてなり、ガラス基板４上で複数の発電領域に分割され、直列接続された集積型薄膜太陽電池であって、裏面電極膜１３の分離ライン１４が裏面電極膜１３、光電変換膜７−２、透明導電膜８および光電変換膜７−１を貫通して略同一形状にパターニングされた太陽電池を得ることができる。

次に、発電領域内に透光性開口部１５のパターニングを行なう。この際、レーザ光による透明導電膜５の損傷を避けるために、また同時に、光電変換膜７−１、透明導電膜８および光電変換膜７−２を除去するために、波長選択性のある、例えばＹＡＧＳＨＧレーザなどを用いる。レーザ光をガラス基板４側から入射させることにより加工されて、透光性開口部１５が形成される。この透光性開口部１５は、裏面電極膜１３の分離ライン１４に対して垂直方向に形成される。

ここでは、幅１１．０９ｍｍの短冊に分割された発電領域内に、幅０．０８ｍｍで、裏面電極膜１３の分離ライン１４に対して垂直に約１．２７ｍｍピッチで、合計７０４個の透光性開口部１５が形成されている。

したがって、４８段の太陽電池内に、７０４個の透光性開口部１５をパターニングすることで、おおよそ１０％の開口率を得ることが可能となり、基板サイズが５６０ｍｍ×９３０ｍｍであって発電出力が約５０ワット［Ｗ］である太陽電池を作成することができる。

この例では、光電変換層がａ−Ｓｉ：Ｈとμｃ−Ｓｉ：Ｈとのタンデム構造であるが、ａ−Ｓｉ：Ｈのシングル構造、タンデム構造、トリプル構造、あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈのシングル構造、タンデム構造、トリプル構造、あるいはこれらを組み合わせたタンデム構造、トリプル構造のものでもよい。また、この例では、太陽電池としてシースルータイプ太陽電池を一例にして述べてきたが、太陽電池は、採光型太陽電池など、採光が可能なものであればどのようなものでもよい。

次に、図１、図３および図５に示す発光部２の作製について説明する。図５は、発光部２の配置の一例を示すものであるが、太陽電池部１の電極などについては便宜上、図示が省略されており、例えば発光部２からなる発光ユニットが４個配列されたものを示している。

発光部２の作製に際しては、図１に示すように、予め第２の金属層としての回路パターン１８を形成した第２の透光性絶縁基板としての透明ＰＥＴ１７を用いる。回路パターン材には１５０℃、３０分間の加熱で硬化するような銀ペーストを使用し、例えば厚さ５０〜５００μｍ程度の透明ＰＥＴ１７にマスクを用いたスクリーン印刷法により回路パターン１８を形成し、熱硬化させることにより、発光部２を作製する。

図３は、このようにして得られる本発明による発光部２の回路パターン１８の一例を示す平面図である。図３の回路パターン１８で発光素子としてのチップＬＥＤ１９を８０個実装した発光ユニットを、例えば図５のように４ユニット使用し、例えば駆動電圧３６ボルト［Ｖ］、最大消費電流４００ミリアンペア［ｍＡ］、消費電力１４．４ワット［Ｗ］のものを、１個の発光ユニットのサイズ約２６０ｍｍ×約３００ｍｍで構成した。

これらの発光ユニットは、図３に示すように、チップＬＥＤ１９をマウントするためのランドパターン２３・２３が形成されており、ランドパターン２３・２３に１５０℃、３０分間の加熱で硬化するような銀ペーストを印刷塗布する。

次に、チップＬＥＤ１９の両極をランドパターン２３・２３に塗布した銀ペーストで導通するようにマウントする。

次に、チップＬＥＤ１９をマウントした透明ＰＥＴ上の回路パターンを、雰囲気温度が１５０℃に保持された加熱炉の中に静置させ、熱硬化させる。

この例では、印刷工程を使用したが、銀ペーストの塗布量を制御することのできる工程であれば、この限りではない。また、この例では、チップＬＥＤ１９の回路パターン上への接着には銀ペーストを硬化させる方法を使用したが、ソルダー半田を用い、リフロー工程を経て半田付けする方法でもよい。

このようにして作製された太陽電池部１と発光部２とをモジュールにする際には、太陽電池部１と発光部２との間に第１の接着層であるＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）層１６を挟む。また、発光部２とこの発光部２を保護するための第３の透光性絶縁基板としてのガラス基板２１との間に、発光部２に配置するチップＬＥＤ１９の高さよりも厚い第２の接着層としてのＥＶＡ層２０を挟む。そして、１３０℃で２０分間、保持し、ＥＶＡを溶かした後、１５０℃で４５分間、保持し、ＥＶＡを架橋させる。

この例では、チップＬＥＤ１９を保護するためにガラス基板２１を用いたが、これに代えて、耐候性の高いフッ素系樹脂を用いてもよい。また、第１〜第３の透光性絶縁基板に例えばポリカーボネートなどの耐熱性のないプラスチック基板を使用する場合には、低温ＥＶＡを用いる必要がある。この場合、１２０℃で１０分間、保持し、ＥＶＡを溶かした後、１３０℃で４５分間、保持し、ＥＶＡを架橋させればよい。

以上のようにして作製された発光モジュールは、昼間は発電しながら入射光の一部を透過せしめる太陽電池部１と、電源を供給すれば発光する発光部２とが物理的に一体化され発電領域と発光領域が重なった発光モジュールになっているため、設置場所において発光部面積の確保と発電部面積の確保が両立し、設置面積の制約を受けずに設置可能となる。
また、太陽電池やその他の電池と組み合わせて例えば屋外照明や案内標識などに使用することができる。

実施形態２

図１および図４を参照して、本発明の他の観点に係る発光システムの実施形態（実施形態２）を説明する。図４は、この発光システムの構成図を示し、この発光システムは、少なくとも、発光モジュール２４と、蓄電池２５と、制御部２６とを備えてなる。

この発光システムにより、昼間は入射光の一部を透過せしめ、また太陽電池部１で発電した電力で蓄電池２５に充電し、夜間は蓄電池２５からの電源供給により発光部２を発光させることができる。

蓄電池２５は、鉛蓄電池、ニッケル・水素電池、リチウム・イオン電池などの二次電池、あるいはキャパシタでもよい。例えば、蓄電池には１０直列のリチウム・イオン電池を使用し、１個当たり４．２Ｖ充電可能である電池を用いた場合に、１０直列では４２Ｖまで充電することができる。

制御部２６は、少なくとも充電モードと放電モードとの切り替えが可能な回路があるものであればよい。また、制御部２６は、太陽電池部１の電池電圧を監視して充電モードか放電モードかを切り替える機能、蓄電池２５の電池レベルを監視して過放電モードか過充電モードかを切り替える機能、人間などを赤外線で検知する機能、放電モード時の負荷への供給電力をパルス電圧変調出力方式により出力調整する機能などを有している。

実施形態３

図１、図５および図６を参照して本発明の１つの観点に係る発光モジュールの実施形態（実施形態３）を説明する。図６は、図５におけるＡ−Ａ‘線に沿った断面図である。図６は、実施形態１の発光モジュールに加えて発電部側に第４の透光性絶縁基板としての保護部２８を形成した以外の構成が実施形態１と同様である発光モジュールを示すものである。

この発光モジュールは、図１の構成に加えて、太陽電池部１の受光面側に第３の接着層２７を介して保護部２８を、例えばガラス、好ましくは強化ガラスを配置していることを特徴としている。保護部２８が太陽電池部１および発光部２よりも外側に張り出している場合には、第１〜第３の接着層１６、２０、２７により充填されて側面が面一形状に形成されていることが好ましい。発電部１および発光部２の詳細は省略されている。

本発明の発光モジュールおよび発光システムは、太陽電池やその他の電池と組み合わせて小型または大型の照明や案内標識などに広く適用することができる。

図１は、本発明による１つの発光モジュールを示す断面図である。図２は、図１の発光モジュールにおける太陽電池部を示す平面図である。図３は、図１の発光モジュールにおける発光部の回路パターンの１例を示す平面図である。図４は、本発明による発光システムを模式的に示す平面図である。図５は、本発明による別の発光モジュールを示す平面図である。図６は、図５のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。

符号の説明

１：太陽電池部
２：発光部
３：保護部
４：ガラス基板（第１の透光性絶縁基板）
５：透明導電膜（透明導電層）
６：分離ライン
７−１：光電変換膜（光電変換層）
７−２：光電変換膜（光電変換層）
８：透明導電膜
９：分離ライン
１０：分離ライン
１１：透明導電膜
１２：金属電極膜
１３：裏面電極膜（第１の金属層）
１４：分離ライン
１５：透光性開口部
１６：ＥＶＡ層（第１の接着層）
１７：透明ＰＥＴ（第２の透光性絶縁基板）
１８：回路パターン（第２の金属層）
１９：チップＬＥＤ（発光素子）
２０：ＥＶＡ層（第２の接着層）
２１：保護基板（第３の透光性絶縁基板）
２２：隙間
２３：ランドパターン
２４：太陽電池付き発光モジュール
２５：蓄電池
２６：制御部
２７：接着層（第３の接着層）
２８：保護部（第４の透光性絶縁基板）

Claims

少なくとも第１の透光性絶縁基板、透明導電層、光電変換層、第１の金属層からなる平板状のシースルータイプ太陽電池部と、第１の接着層と、第２の透光性絶縁基板、発光素子を発光させるための回路パターンとしての第２の金属層、発光素子からなる平板状の発光部と、第２の接着層と、第３の透光性絶縁基板からなる平板状の保護部とが、順次積層されてなり、前記発光部が、複数の発光ユニットから構成され、これらの発光ユニットが、前記発光素子を点在状に実装して構成されていることを特徴とする発光モジュール。
前記第１の透光性絶縁基板における透明導電層が設けられた面とは反対側の面に、第３の接着層と、第４の透光性絶縁基板とが、さらに順次積層されている請求項１に記載の発光モジュール。
請求項１または２に記載の発光モジュールと、蓄電池と、制御部とを備えてなることを特徴とする発光システム。
前記第２の金属層が、導電性ペーストにより形成されている請求項３に記載の発光システム。
前記発光素子が、チップＬＥＤである請求項３に記載の発光システム。
前記チップＬＥＤが、回路パターンに導電性ペーストで取り付けられている請求項５に記載の発光システム。
すべての前記接着層が、低温架橋型ＥＶＡフィルムからなる請求項３に記載の発光システム。