(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の正面側に設けられ該太陽電池からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層と、この遮蔽層の正面側に設けられ正面側からの入射光に対しその任意の波長範囲を所定の透過率に制御する光学部材と、前記光学部材の正面側に設けられ該光学部材からの反射光を拡散して正面側に出射する拡散層とを備えたことを特徴とする太陽電池装置。
【請求項２】
前記遮蔽層は、４５〜８５パーセントの光の透過率を有していることを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項３】
前記遮蔽層は、光の入射方向によりその透過率が異なる透過異方性を有しており、正面側から前記太陽電池側への光透過量が、前記太陽電池側から正面側への光透過量よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項４】
前記遮蔽層は、正面側からの入射光に対して６０〜９６パーセントの透過率を有していることを特徴とする請求項３記載の太陽電池装置。
【請求項５】
前記遮蔽層は、無色透明な板状部材の正面を三次元形状に加工してなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項６】
前記光学部材は、光源の発する可視部輝線波長の光のうち、少なくとも１波長の光を透過する誘電体多層膜を透明基盤上に形成してなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項７】
前記光学部材は、１．６以上の光の屈折率を有した高屈折率材料からなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項８】
前記拡散層は、無色透明なプラスチック材料中に、光散乱物質である白色粉体または該プラスチック材料の有する光の屈折率とは異なった屈折率を有する透明体粒子を分散混合してなることを特徴とする請求項１項記載の太陽電池装置。
【請求項９】
前記拡散層は、表面が粗面に形成された無色透明体からなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項１０】
前記拡散層は、８０パーセント以上の光の透過率を有していることを特徴とする請求項８または９記載の太陽電池装置。
【請求項１１】
太陽電池の正面側に該太陽電池からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層を配置するとともに、正面側からの入射光に対しその任意の波長範囲を所定の透過率に制御する光学部材を前記遮蔽層の正面側に配置し、かつ前記光学部材からの反射光を拡散して正面側に出射する拡散層を前記光学部材の正面側に配置してなる太陽電池装置の製造方法であって、
前記拡散層を、無色透明な板状部材の一方の表面を機械的に不規則な凹凸形状に形成した後、該表面を化学的にエッチングして形成することを特徴とする太陽電池装置の製造方法。
【請求項１２】
太陽電池の正面側に該太陽電池からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層を配置するとともに、正面側からの入射光に対しその任意の波長範囲を所定の透過率に制御する光学部材を前記遮蔽層の正面側に配置し、かつ前記光学部材からの反射光を拡散して正面側に出射する拡散層を前記光学部材の正面側に配置してなる太陽電池装置の製造方法であって、
前記拡散層を、表面に凹凸形状が配列されたマザー型を形成する工程と、このマザー型若しくは該マザー型から形成された電鋳型に透明樹脂材を注型して該透明樹脂材の表面に凹凸形状を形成する工程とにより製造することを特徴とする太陽電池装置の製造方法。
【請求項１３】
太陽電池の正面側に該太陽電池からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層を配置するとともに、正面側からの入射光に対しその任意の波長範囲を所定の透過率に制御する光学部材を前記遮蔽層の正面側に配置し、かつ前記光学部材からの反射光を拡散して正面側に出射する拡散層を前記光学部材の正面側に配置してなる太陽電池装置の製造方法であって、
前記遮蔽層を、無色透明な板状部材の一方の表面を機械的に凹凸形状に形成して製造することを特徴とする太陽電池装置の製造方法。
【請求項１４】
太陽電池の正面側に該太陽電池からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層を配置するとともに、正面側からの入射光に対しその任意の波長範囲を所定の透過率に制御する光学部材を前記遮蔽層の正面側に配置し、かつ前記光学部材からの反射光を拡散して正面側に出射する拡散層を前記光学部材の正面側に配置してなる太陽電池装置の製造方法であって、
前記遮蔽層を、表面に凹凸形状が配列されたマザー型を形成する工程と、このマザー型若しくは該マザー型から形成された電鋳型に透明樹脂材を注型して該透明樹脂材の表面に凹凸形状を形成する工程とにより製造することを特徴とする太陽電池装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、光をエネルギー源として使用する太陽電池装置、および同装置の製造方法に関するものである。
背景技術
単結晶シリコンや多結晶シリコンおよびアモルファスシリコン等の材料で形成される太陽電池は、時計、電卓、ラジオなどの製品を駆動するためのエネルギー源に使われている。
しかしながら、従来は太陽電池をそのまま製品に露出して設置していたので、太陽電池の色が外部から見えてしまい、製品デザイン上の弊害となっていた。特に、時計などの装飾品では、太陽電池によってデザインの多様性を阻害された場合、それが製品価値に大きな影響を及ぼすため、改善が強く望まれていた。
このような要望に応じて、太陽電池の前面に色吸収フィルターを挿入したり、光の透過波長範囲を規制するような着色層を挿入して、太陽電池を直接見えないようにすることが提案されている。（特開平５−２９６４１号公報）。
しかしながら、上述のように色吸収フィルターを使用した場合には、フィルター自身が入射光を吸収してしまうために、太陽電池への光エネルギーの供給量が減少してしまう。したがって、発電に必要な光エネルギーを太陽電池へ充分に供給しつつ、しかも外部から太陽電池を見えなくすることはできなかった。
また、特開平５−２９６４１号公報に記載されたような着色層を使用した場合には、太陽電池への光エネルギーの供給量を確保しつつ太陽電池を見えなくすることは可能となる。しかし、この着色層を使用した場合の外観品質はとても好ましい状態とはいえなかった。
すなわち、太陽電池の遮蔽効果を優先するために、着色層は外観上濁った弱い反射色になってしまうため、デザインの多様化を図れるような状況にはない。
この発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであり、太陽電池に充分な光エネルギーを供給しつつ、外部からその太陽電池を視覚的に認識できなくし、しかも多様な色彩を任意につけることができ、デザインの多様化を図れるようにすることを目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するためにこの発明の太陽電池装置は、次の構成を採用する。
すなわち、この発明による太陽電池装置は、太陽電池の正面側に設けられ該太陽電池からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層と、この遮蔽層の正面側に設けられ正面側からの入射光に対しその任意の波長範囲を所定の透過率に制御する光学部材と、前記光学部材の正面側に設けられ該光学部材からの反射光を拡散して正面側に出射する拡散層とを備えている。
ここで、光学部材は、例えば、干渉フィルター層で形成することができる。
干渉フィルター層は、高屈折率材料および低屈折率材料の組み合わせと積層数および各層の光学厚みにより光の透過率を任意の波長範囲で制御することができる。この制御を可視域で行うことにより明度、彩度、色相の異なった多様なカラー表現が可能となる。
また、光学部材の他の例として、高屈折材料層を使用することもできる。
高屈折率材料層は、他の媒質との界面において、光の屈折率差に起因する反射率を示す。例えば、空気との界面においては、材料層の屈折率が高いほど高い反射率を示すことから、反射光強度が増し明るい反射光を得ることができる。このため、可視域において吸収の無いほぼ透明な高屈折率材料層を、白色の拡散層と組み合わせて用いると、界面での高反射率に起因する明るい白色外観が得られると共に、それ以外の光エネルギーをすべて透過して太陽電池に到達させるので、太陽電池の起電力特性をも確保することが可能となる。なお、高屈折率材料層中での光エネルギーの吸収分は、無駄に消費されるのみなので、できるだけ吸収の無い高屈折率材料層を用いることが望ましい。そのために、高屈折材料層は、１．６以上の光の屈折率を有することが好ましい。
さらに、光学部材は、光源の発する可視部輝線波長の光のうち、少なくとも１波長の光を透過する誘電体多層膜を透明基盤上に形成して構成することもできる。
特にこの構成は、一般室内光源である蛍光灯の光に対する光学部材の分光透過・反射特性の最適化するのに有効である。すなわち、蛍光灯の発光スペクトルには可視部に３波長の輝線出力があり、これらの輝線波長の光のうち少なくとも１波長の光を光学部材が透過することにより、発電に寄与する光エネルギーを従来より多く太陽電池素子に供給することが可能となる。
拡散層は、光学部材での反射光を外部観察者に一様に強調して見せるために挿入される。光学部材単体では反射光に指向性がありギラギラした見え方になり、さらに透過光の戻り光も見えてしまうために反射色と透過色が混じり色の純度が低下する。そこで、この拡散層を導入することにより、任意の明るい反射色を指向性無くやわらかく表現することが可能となる。
この拡散層は、無色透明なプラスチック材料中に、光散乱物質である白色粉体または該プラスチック材料の有する光の屈折率とは異なった屈折率を有する透明体粒子を分散混合して構成することができる。
また、拡散層は、表面が粗面に形成された無色透明体で構成してもよい。
なお、拡散層は反射色を表現するための手段として挿入されるので、その機能を満たす範囲でできるだけ透過率の高いことが望ましい。具体的には、８０パーセント以上の光の透過率を有しているのが好ましい。
太陽電池に到達した光は、太陽電池部分ではそのほとんどが吸収されるが、太陽電池周辺部では一部反射して外部観察者に戻っていく。これにより太陽電池の存在が認識されてしまうことになる。遮蔽層は、上記反射光が外部観察者に戻っていくのを防止する役目を担っており、この層の導入により裏面側に位置する太陽電池を目視上認識できなくすることができる。
ここで、遮蔽層は、４５〜８５パーセントの光の透過率を有していることが好ましい。
また、遮蔽層は、光の入射方向によりその透過率が異なる透過異方性を有し、正面側から太陽電池側への光透過量が、太陽電池側から正面側への光透過量よりも大きな構成とすることもできる。
この場合、遮蔽層は、正面側からの入射光に対して６０〜９６パーセントの透過率を有していることが好ましい。
このような遮蔽層は、無色透明な板状部材の正面を三次元形状に機械加工することにより得ることができる。。
この発明の構成により、太陽電池として機能しつつ、外部からはその存在を全く遮蔽することが可能となり、外観品質に優れた多様な明るい外観色を表現できるので、従来に比してデザインの自由度が大幅に広がり、これまで以上に多用途への応用が可能となる。
次に、この出願では、太陽電池装置の製造方法に関する第１〜第４の発明を開示する。これらの製造方法は、太陽電池の正面側に該太陽電池からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層を配置するとともに、正面側からの入射光に対しその任意の波長範囲を所定の透過率に制御する光学部材を遮蔽層の正面側に配置し、かつ光学部材からの反射光を拡散して正面側に出射する拡散層を光学部材の正面側に配置してなる太陽電池装置の製造方法であって、特に上記拡散層および遮蔽層を以下のようにして製造することを特徴としている。
すなわち、太陽電池装置の製造方法に関する第１の発明では、上記拡散層を、無色透明な板状部材の一方の表面を機械的に不規則な凹凸形状に形成した後、該表面を化学的にエッチングして形成することを特徴としている。
太陽電池装置の製造方法に関する第２の発明では、上記拡散層を、表面に凹凸形状が配列されたマザー型を形成する工程と、このマザー型若しくは該マザー型から形成された電鋳型に透明樹脂材を注型して該透明樹脂材の表面に凹凸形状を形成する工程とにより製造することを特徴としている。
太陽電池装置の製造方法に関する第３の発明では、上記遮蔽層を、無色透明な板状部材の一方の表面を機械的に凹凸形状に形成して製造することを特徴としている。
太陽電池装置の製造方法に関する第４の発明では、上記遮蔽層を、表面に凹凸形状が配列されたマザー型を形成する工程と、このマザー型若しくは該マザー型から形成された電鋳型に透明樹脂材を注型して該透明樹脂材の表面に凹凸形状を形成する工程とにより製造することを特徴としている。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
実施例１
第１図は、この発明の太陽電池装置を腕時計に適用した場合の実施例１を説明するための外観模式図であり、文字板の内側に太陽電池が四分割に設置された状態が示されている。第２図は、第１図におけるＡ−Ａ線断面のうち、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
時計ケース１１内には、ガラス基板１２が固定されている。このガラス基板１２の裏面には、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成することにより、太陽電池１３が作成してある。一方、ガラス基板１２の正面には、太陽電池１３からの反射光を拡散して正面側への出射光量を減少させる遮蔽層１４が設けてある。さらに、遮蔽層１４の正面側には、光学部材としての干渉フィルター層１５、拡散層１６が順次積層して設けてあり、拡散層１６を文字板として兼用することにより太陽電池式腕時計が構成されている。
ここで、遮蔽層１４および拡散層１６としては、ガラスやプラスチックフィルムのような透明体の表面を機械的に荒らして粗面としたり、プラスチックの表面を変質させる等の手段で形成することができる。また、テフロンもしくはデルリンのように分子構造上白色外観を呈するものを遮蔽層１４および拡散層１６として使用してもよい。さらに、バインダー中に炭酸カルシウム粉末などを混ぜて透明体の表面に塗布したり、透明体中に散乱物質を混入させるなどの手段によっても、遮蔽層１４および拡散層１６を形成することができる。簡便な手段としては、紙や布などを遮蔽層１４および拡散層１６として使用することもできる。
この実施例１では、厚さ３００ミクロンのガラス基板１２の正面を１２０番相当のＳｉＣ粉末でホーニング処理して遮蔽層１４を形成した。このときのホーニング面の平均粗さＲａは１．４〜１．６ミクロン、平均深さは７ミクロン程度、光の透過率は８０パーセントであった。
また、３００ミクロン厚のガラス板の片面を１０００番相当のＳｉＣ粉末でホーニング処理したものを拡散層１６として用いた。このときのホーニング面の平均粗さＲａは０．７〜０．９ミクロン、平均深さは２ミクロン、光の透過率は９０パーセントであった。
なお、後述するように、材料およびホーニング処理条件を変えることにより、上述の遮蔽層１４及び拡散層１６の透過度合いを調整して適用可能範囲を調べた。
また、この実施例１では、高屈折率材料（Ｈ）であるＴｉＯ2と、低屈折率材料（Ｌ）であるＳｉＯ2を使用することにより、干渉フィルター層１５を作成した。すなわち、高屈折率材料と低屈折率材料とを適宜５層積層して、例えば、光の制御波長がそれぞれ５５０ｎｍ、４３５ｎｍ、６４０ｎｍとなる干渉フィルター層１５を形成した。ここで、光の制御波長が５５０ｎｍの場合は反射色が黄色、４３５ｎｍの場合は反射色が青色、６４０ｎｍの場合は反射色が赤色となる。
この他にも積層材料、積層数、膜厚などを調整することにより、光が透過する波長範囲の制御は勿論、光が反射する波長領域での反射率の制御なども可能となるため、同じ色合いでも光の透過率の異なる種々の干渉フィルター層１５が作成できる。
上記のようにして作成した遮蔽層１４、干渉フィルター層１５、および拡散層１６をその順序で積層するとともに、遮蔽層１４を正面に形成したガラス基板１２の裏面に太陽電池１３を形成し、正面側からこの太陽電池１３に到達する光エネルギーの量を起電力特性をもって評価した。併せて、太陽電池１３の遮蔽効果と外観品質を評価した。なお、干渉フィルター層１５としては、反射色が明るい青色のものを使用した。
反射色により太陽電池１３に到達する光エネルギー量が変化するため、それに伴って太陽電池１３の起電力特性も変化するが、太陽電池１３の遮蔽効果および外観品質との相関については、反射色によらずほぼ同様な傾向を示した。
ここで、評価の比較対象として、太陽電池のみの構成のもの（従来例）、太陽電池の正面に色吸収フィルターを配置したもの（比較例１）、特開平５−２９６４１号公報記載の構成において、着色層として干渉フィルターを用いたもの（比較例２）を用意した。
起電力特性の評価基準としては、通常の室内光（最低照度１００ルクス）下での起電力１．３Ｖ以上を合格とした。この結果を表１に示す。
【表１】
0003670282.tif 000002
表１から明らかなように、従来例および各比較例においては、太陽電池の起電力確保、遮蔽効果、外観品質のすべてを満足することはできないことがわかる。これに対して、この発明の実施例１では、太陽電池の起電力を充分に動作可能な範囲に保持しつつ、太陽電池を遮蔽でき、かつ外観品質にも優れていた。このことは、太陽電池の外観を全く意識しない優れたデザイン設計を実現できることを意味している。
次に、上述した実施例１と比較例２の構造上の相違が、外観品質に及ぼす影響について検討した。この際、この発明の実施例１における各構成層を透過した後の光エネルギーの量を照度計で測定することにより、遮蔽層１４および拡散層１６が満たすべき条件についても検討した。
この結果、実施例１と比較例２とで同一の干渉フィルター層を使用したときには、遮蔽層１４の透過率と拡散層１６の透過率とを掛けた値を、比較例２における拡散層の透過率に近づけることにより、太陽電池に供給される光エネルギーの量がほぼ等しくなった。
また、干渉フィルター層の反射色の違いにより、干渉フィルター層を透過するエネルギーの量は、全入射エネルギーの４０〜８０％程度の範囲で変化し、これに従って太陽電池の起電力、遮蔽効果も変化する。
このため、反射色に応じて遮蔽層１４および拡散層１６の満たすべき条件は異なるが、遮蔽層１４と拡散層１６を通してほぼ４０〜８０％の透過率範囲であれば、すべての外観色に対して上記要件が満たされることがわかった。この値は、拡散層１６については８０パーセント以上、好ましくは９０パーセント以上の光の透過率、遮蔽層１４については４５〜８５パーセントの光の透過率が必要となることに相当している。
一方、外観品質に関しては、この発明の実施例１と比較例２とは、全く異なる結果となった。第３図及び第４図は、この結果をさらに具体的に示している。
比較例２の構造においては、太陽電池の遮蔽と反射光による外観表現を一つの拡散層で兼ねているのに対し、この発明の実施例１においては、遮蔽層１４が太陽電池１３の遮蔽を主目的とし、拡散層１６が反射光による外観表現を主目的としている。
この役割分担のために、第３図に見られるように、この発明の実施例１においては、干渉フィルター層１５からの反射光強度が拡散層１６の透過率のみに依存し、遮蔽層１４の透過率が変動しても同反射光強度は何等変動をしない。
一方、比較例２の構造においては、第４図に見られるように、いずれの反射色においても干渉フィルターからの最大反射光強度が小さく、かつ拡散層の透過率変動に従って同反射光強度が変動してしまう。このことは、太陽電池を遮蔽するために光の透過率の小さな拡散層を使用すると、それに伴って反射光強度が大きく減少することを示している。その結果、濁った暗い反射光しか観察されないことになり、外観品質の著しい低下を引き起こしている。
なお、上述した実施例１においては、干渉フィルター層１５として、ＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜からなる５層構造を示したが、周知の如く、材料および単純な設計変更により多様な干渉フィルター層が構成でき、それを使用することができる。
干渉フィルター層１５は、入射光を吸収せず透過光もしくは反射光に振り分ける機能を有しているため、太陽電池へのエネルギー供給を満足しつつ反射色表現を行なうこの発明の構成要素として好適である。
また、干渉フィルター層１５により、本来反射光となるべき光を透過光として使用することも可能であり、反射色に応じた設計の自由度が広がる。
本実施例１においては、拡散層１６としてホーニング処理を施したガラス板を使用したが、他にプラスチック材料などを使用してもよい。
また、拡散層１６や遮蔽層１４は、スピンコート法，ディッピング法，蒸着法などの薄膜形成法を用いて、干渉フィルター層１５または太陽電池１３上に直接形成してもよい。
また、拡散層１６の作成方法についてもホーニング処理の他に、透明基板の表面を魚眼レンズ状、レンチキュラーレンズ状、またはフレネルレンズ状に加工する方法によっても同様の効果を有する拡散層が得られることを確認している。
参考例１
第５図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例１を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
時計ケース２１内には基板２２が固定されている。基板２２としては金属基板であっても絶縁基板であってもよいが、ここでは厚さ３００ミクロンのガラス基板を用い、その正面には、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成することにより太陽電池２３が形成してある。
太陽電池２３の正面にはそれを遮蔽するように、光学部材としての高屈折率材料層２４および拡散層としての白色拡散層２５が順次積層して配設してある。そして、白色拡散層２５を文字板として兼用することにより太陽電池式腕時計が構成されている。
具体的には、厚さ３００ミクロンのガラス板の片面に、屈折率２．１を示す五酸化タンタル薄膜を１２５ｎｍ（λ／４相当）の厚さに成膜して高屈折率材料層２４とし、もう一方のガラス板の表面を１００番相当のＳｉｃ粉末でホーニング処理することにより白色拡散層２５を得た。
上記のようにしてガラス板上に作成された高屈折率材料層２４は、可視域において波長依存性を示さず、すなわち特定の波長に依存することなくほぼ８０％の光の透過率（２０％の反射率）を示した。また、上記のように作成された白色拡散層２５は、可視域の波長範囲でほぼ均一に７５％の光の透過率を示した。
なお、高屈折率材料層２４については、屈折率を変化させることにより光の反射率が変化するため、それによって光の透過率を調整することが可能である。また、白色拡散層２５についても、ホーニング材料および処理条件の選択により光の透過率の調整が可能である。
さらに、白色拡散層２５については、先に述べたようにガラスやプラスチックフィルムのような透明体の表面を機械的に荒らして粗面としたり、プラスチック表面を変質させる等の手段でも形成することができる。また、テフロン、テルリン、紙もしくは布などのように、構造上白色外観を呈するものを白色拡散層２５として使用することもできる。さらに、バインダー中に炭酸カルシウム粉末などを混ぜて透明体の表面に塗布したり、透明体中に散乱物質を混入させたり、透明基板表面を魚眼レンズ状，レンチキュラーレンズ状，もしくはフレネルレンズ状に加工することなどによっても白色拡散層２５は形成可能である。
また、スピンコート法、ディッピング法、蒸着法などの薄膜形成法を用いて太陽電池２３もしくは高屈折率材料層２４上に、白色拡散層２５を直接形成してもよい。さらに各構成要件を接着剤により接合する場合には、その接着剤中に上記のような白色拡散層の機能を有する材料を含めることも可能である。
上記のようにして作成した高屈折率材料層２４および白色拡散層２５を太陽電池２３の正面側に積層して太陽電池装置を製作した。そして、この太陽電池装置を使用して、太陽電池２３に到達する光エネルギーの量を起電力特性をもって評価した。併せて、太陽電池の遮蔽効果と外観品質を評価した。
ここで、評価の比較対象として、太陽電池のみの構成のもの（従来例）、吸収白色フィルターを太陽電池の正面に配置したもので、光の透過率が異なる２種類のもの（比較例３、比較例４）を用意した。
起電力特性の評価基準としては、通常の室内光（蛍光灯照射）下での起電力１．３Ｖ以上を合格とした。この結果を表２に示す。
表２から明らかなように、従来例および各比較例においては、太陽電池の起電力確保、太陽電池の遮蔽効果、外観品質のすべてを満足することはできないことがわかる。これに対して、この発明の参考例１では、太陽電池の起電力特性を充分に動作可能範囲に保持しつつ、太陽電池を遮蔽でき、かつ外観品質要求にも優れていた。
【表２】
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上記の参考例１においては、高屈折率材料層２４として光の屈折率２．１の五酸化タンタル薄膜を用いたが、他に酸化アルミニウム、酸化チタンなどのように光の屈折率１．６以上で、可視域の光を吸収しない材料であれば、高屈折率材料層２４として使用可能である。さらに、高屈折率材料層２４は、ガラス板上の薄膜に限らず、プラスチックのような材料自体で形成してもよい。
実施例２
第６図は、この発明の実施例２に係る太陽電池装置の構造を模式的に示す断面模式図である。
参考例１と同じように基板３１上に太陽電池３２を形成した後、遮蔽層としての第１の白色拡散層３３、光学部材としての高屈折率材料層３４、拡散層としての第２の白色拡散層３５を、その順序で積層して配置することにより、太陽電池装置を形成した。
具体的には、ガラス板の片面をホーニング処理することにより、光の透過率８３％を有する第１の白色拡散層３３を得た。次いで、そのガラス板の反対面上に光の屈折率２．１を有する五酸化タンタル薄膜を形成して光の透過率８０％を有する高屈折率材料層３４を形成した。
さらに、厚さ０．１ｍｍのプラスチック表面に細かい凹凸を形成することにより、光の透過率９０％を有する第２の白色拡散層３５を形成し、これを高屈折率材料層３４の上に積層した。
上記のようにして作成した第１の白色拡散層３３、高屈折率材料層３４、第２の白色拡散層３５を、太陽電池３２の正面上に配置して、参考例１と同様の評価を行なった。その結果、参考例１とほぼ同様な太陽電池３２の起電力特性および太陽電池３２の遮蔽効果を得ることができ、さらに参考例１より明るい外観品質が得られた。
これは、第２の白色拡散層３５の光の透過率が高いことにより、高屈折率材料層３４から外部観察者まで届く反射光強度が強くなった結果であると考えられる。
一方、第１の白色拡散層３３の光の透過率と第２の白色拡散層３５の光の透過率とにより、太陽電池３２の遮蔽性は決まるため、結果的に参考例１と同程度の遮蔽効果が得られたものと解釈される。
太陽電池３２に到達する光エネルギーの量と外観品質の程度から、第１の白色拡散層３３および第２の白色拡散層３５の透過率許容範囲を特定すると、両拡散層３３，３５を通してほぼ４０〜８０％の透過率範囲であれば、すべての特性を満足できることが判った。
この透過率範囲の値は、第１の白色拡散層３３については４５〜８５％程度、第２の白色拡散層３５については８０％以上の光の透過率が必要となることに相当している。
なお、第２の白色拡散層３５の透過率は外観品質の低下を招かない範囲でできるだけ高くすることが望ましい。
参考例２
この参考例２から後述する参考例６において、干渉フィルター層や高屈折率材料層などの光学部材からの反射光を散乱制御するための拡散層の満たすべき条件について検討を行ない、最適化を図った。
外観品質に優れた太陽電池装置を得るために拡散層の満たすべき条件は、散乱性能の確保と高透過率の両立である。すなわち、外部より入射する光は白色拡散層を透過し、光学部材によって一部は反射し残りは透過する。反射光は拡散層によって散乱され結果として散乱光が外部観察者に戻り一様な色が認識される。
一方、透過光は太陽電池に到達し発電に寄与する。この際、拡散層の透過率が減少すると反射光、透過光とも減少してしまい、結果としてきれいな外観色表現ができず発電特性も低下してしまうため、拡散層の透過率は８０パーセント以上、好ましくは９０パーセント以上が望ましい。
このような特性を有する拡散層を得るための条件を種々検討し、無色透明なプラスチック材料中に光散乱物質として白色粉体を分散するように混入するか、もしくはプラスチック材料の持つ屈折率とは異なった屈折率を有する透明体粒子を分散混入することにより８０パーセント以上の高透過率を有する白色の拡散層が得られることが判った。
一方、散乱性能についても検討を行ない高透過率を示す条件範囲との両立範囲の見積を行なった。ここで、拡散層を透過する光の割合を全透過率とし、一定距離を隔てて同一サイズの投射光ファイバーと受光ファイバーを配置し、その間に拡散層を挿入したときの受光ファイバーに到達する光の割合を直進透過率として、拡散係数＝（全透過率−直進透過率）／全透過率を定義し、散乱性能との相関を調査した。
この結果、拡散係数≧０．３を満足する拡散層であれば外観品質を満足し得る散乱性能が得られることが判った。合わせてこれらの検討結果から８０パーセント以上の高透過率と拡散係数≧０．３を両立する白色拡散層が得られることが示された。
以下、具体的な参考例を図面を参照して説明する。
第７図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例２を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
時計ケース４１内にはガラス等の光透過性を有する基板４２が固定されている。基板４２の裏面には、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成することにより太陽電池４３が形成してある。
基板４２の正面には、光学部材４４および拡散層としての白色拡散層４５が順次積層して配置してある。そして、白色拡散層４５の正面を文字板として兼用することにより、太陽電池式腕時計が構成されている。
ここで、光学部材４４としては高屈折率材料層を使用している。具体的には、光の屈折率２．３を有する酸化チタン薄膜を基板４２上に膜厚６０ｎｍ程度蒸発することにより、ほぼ２５％の光の反射率を有する高屈折材料層を形成した。
第８図は、白色拡散層４５の断面模式図である。白色拡散層４５は、無色透明なプラスチック材料４５１、例えば、ＰＭＭＡ（メタクリル酸メチル）樹脂を使用し、その中に光散乱物質４５２、例えば、２０ミクロン程度の粒径を有するＰＳ（ポリスチレン）粒子を１０重量％程度分散混入した後、０．２５ｍｍの厚さに成形することにより製作した。
ここで、ＰＭＭＡ、ＰＳとも材料自身は透明であるため高い光の透過性を示し、さらに光の屈折率がＰＭＭＡは１．４９、ＰＳは１．５９と異なることから、屈折率差による散乱が生じる。その結果、上記構造において透過率≒９１％、拡散係数≒０．６の性能が得られ、拡散層として十分使用可能であった。
上記のようにして作成された太陽電池装置は、太陽電池４３へのエネルギー供給と太陽電池４３の遮蔽効果に加え、優れた外観品質を示すことが確認された。
この参考例２において、白色拡散層４５は、光学部材４４からの反射光を効率よく散乱させ、一様な外観色として外部から観察できるようにすることを主な目的としている。実際に、上記の構成により、可視域に波長依存性を有しないグレー色が外観色として認識され、腕時計の文字板として違和感なく使用できた。
なお、光学部材４４と太陽電池４３と間に、太陽電池４３を遮蔽する機能を有した部材を追加挿入することにより、太陽電池４３を一層効果的に遮蔽することができる。
また、上記の参考例２では、白色拡散層４５を形成するプラスチック材料４５１としてＰＭＭＡを、光散乱物質４５２としてＰＳを選択したが、他の材料との組み合わせも勿論可能である。
例えば、ＰＭＭＡ中に分散混入する光散乱物質としては光の屈折率１．６３のポリサルフォン、光の屈折率１．５８のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などが使用できる。
また、上記参考例２とは逆に、光の屈折率が高い物質中に光の屈折率の低い物質を分散混入しても同様な効果は得られる。例えば、光の屈折率１．５５〜１．６１のエポキシ樹脂の中に、光の屈折率１．４６のＰＶＡＣ（ポリ酢酸ビニル）を分散混入してもよい。
さらに、プラスチック材料中の光散乱物質の濃度、粒径などによって光の透過率，拡散係数は大きく変化する。この参考例２では、ＰＭＭＡの中に分散混入するＰＳの濃度，粒径について検討し、濃度範囲を５〜４０重量％、粒径の範囲を５〜５０ミクロンに調整することによって、８０％以上の光の透過率で、かつ０．３以上の拡散係数を同時に満足する白色拡散層４５が得られた。このように光の透過率、拡散係数を変化させることにより、散乱性の強い白っぽいグレーから透明感の強いグレーまで広い範囲で外観表現が可能となる。
また、第７図において、光学部材４４として高屈折率材料層の代わりに干渉フィルター層を形成した場合には、白色拡散層４５の性能の違いが外観品質の違いとして一層明確に表現される。
すなわち、高屈折率材料層を用いた場合には、可視域に波長依存性のない反射光が白色拡散層４５で散乱されて外部に出射されるため、白色拡散層４５の透過特性が若干劣って白濁成分が重畳していても、結果としてあまり差がでない。これに対し、干渉フィルター層によって特定の色成分が反射される場合には、白色拡散層４５の白濁成分があると濁ったきたない色となって観察されてしまう。
このために、カラー外観を表現する場合は、理想として散乱性能を有しながらほぼ１００％近い光を透過する白色拡散層４５が望ましいが、現実には界面反射などがあるため光を１００パーセント透過することは不可能である。そこで、白色拡散層４５は、可能な範囲でできるだけ高い透過率を示すことが望ましい。
参考例３
白色拡散層４５に分散混入する光散乱物質４５２として白色粉体を用いた以外は、参考例２と同様にして太陽電池装置を構成した。ＰＭＭＡの中に白色粉体として１０ミクロン程度の粒径を有する炭酸カルシウム粉末を０．５重量％混入した後、０．２５ｍｍの厚さに白色拡散層４５を成形した。
この白色拡散層４５を形成するプラスチック材料４５１は両面とも鏡面状態となっているが、分散混入した炭酸カルシウム粉末が白色で散乱性を有することから、全体としては白色外観を呈し、光の透過率≒８５％，拡散係数≒０．５の特性が得られた。
この場合においても白色粉体の濃度，粒径，分散状態などを調整することにより、白色拡散層４５としての特性を変更することができ、目的に合わせた白色拡散層４５を製作できる。
上記の参考例２，３においては太陽電池装置を太陽電池式腕時計に適用した例を示したが、白色拡散層４５の透過率，拡散係数を変化させることにより外観品質を任意に変えられるため、電卓、ラジオを始め太陽電池を駆動源とする種々の装置に応用することも可能である。
参考例４
第９図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例４を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
時計ケース５１内にはガラス等の光透過性を有する基板５２が固定されている。基板５２の裏面には、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成することにより太陽電池５３が形成してある。基板５２の正面には、光学部材５４および拡散層としての白色拡散層５５が順次積載して配置してある。そして、白色拡散層５５の正面を文字板として兼用することにより、太陽電池式腕時計が構成されている。
ここで、光学部材５４としては高屈折率材料層を使用している。具体的には、光の屈折率２．３を有する酸化チタン薄膜を基板５２上に膜厚６０ｎｍ程度蒸着することにより、ほぼ２５％の光の反射率を有する高屈折率材料層を形成した。
第１０図は、白色拡散層５５の断面模式図である。白色拡散層５５の製作方法を説明すると、まず、ガラス基板５５１の片側表面を２０００番相当のＳｉｃ粉末でホーニング処理することにより、平均荒さＲａ≒０．０２ミクロン、平均深さ≒０．１ミクロンの機械的凸凹形状を表面に形成する。このときの光の透過率は９１％を示したが、拡散係数は０．１付近のため、このままでは光の散乱性能が低くて使用できない。
そこで、上記ホーニング処理した表面をフッ酸中で約１０秒間エッチング処理することにより、光の透過率≒９１．５％、拡散係数≒０．４に改善された凸凹部５５２を得た。この値は白色拡散層５５として十分使用可能であることを示している。
上記のようにして作成された太陽電池装置は、太陽電池５３へのエネルギー供給と太陽電池５３の遮蔽効果に加え、優れた外観品質を示すことが確認された。
この参考例４においても、白色拡散層５５は先の参考例２等と同様、白色拡散層５５は、光学部材５４からの反射光を効率よく散乱させ、一様な外観色として外部から観察できるようにすることを主な目的としている。実際に、上記の構成により、可視域に波長依存性を有しないグレー色が外観色として認識され、腕時計の文字板として違和感なく使用できた。
なお、光学部材５４と太陽電池５３と間に、太陽電池５３を遮蔽する機能を有した部材を追加挿入することにより、太陽電池５３を一層効果的に遮蔽することができる。
また、ホーニング条件を変更することにより白色拡散層５５の透過率，拡散係数を変化させることができる。例えば、ＳｉＣ１２０番から４０００番までを用いたホーニング処理の諸条件を検討した結果、エッチング処理との組み合わせにより、４００番〜２０００番付近までは光の透過率および拡散係数を同時に満足することが判った。このようにホーニング処理の条件を調整することにより、散乱性の強い白っぽいグレーから透明感の強いグレーまで広い範囲における外観表現が可能である。
上述したように、ホーニング処理のみではＳｉＣの番手を上げることにより光の透過率を向上させることはできるが、それに伴い拡散係数が下がるため、散乱性能が低下し両仕様を同時に満足できない。そこで、エッチング処理を追加することにより、光の透過率，拡散係数の更なる上昇が認められたので、上述のように広い範囲でホーニング処理の条件を満たすことができるようになった。
エッチング処理効果についてはいまだ不明な点も多いが、ホーニング処理後の尖った凸凹形状を、まるみのある凸凹形状に揃えることにより上記の改善が得られたものと考えられる。
ホーニング処理の条件により凸凹形態は異なる。ちなみに、ＳｉＣ８００番でのホーニング処理の後、エッチング処理した表面は５０ミクロン前後の大きさの円みのある凸凹の集合体であった。また、ＳｉＣ２０００番でのホーニング処理の後、エッチング処理した表面は、数ミクロン〜１０ミクロン程度の大きさのまるみのある凸凹の集合体からなっていることが確認された。
なお、この参考例４では、ガラス基板等の透明体の表面を機械的に荒らして粗面とする手法としてホーニング手段を用いたが、他の機械加工法などを使用することもできる。
第９図において、光学部材として高屈折率材料層の代わりに干渉フィルター層を適用した場合には、白色拡散層５５の特性の違いが外観品質の違いとして一層明確に表現される。
すなわち、高屈折率材料層を用いた場合には、可視域に波長依存性のない反射光が白色拡散層で散乱されて外部から観察されるために、白色拡散層５５の透過性能が若干劣って白濁成分が重畳していても、結果としてあまり差がでない。しかし、干渉フィルター層によって特定の色成分が反射される場合には、白色拡散層５５の白濁成分により濁ったきたない色に観察されてしまう。
このため、干渉フィルター層によってカラー外観を表現する場合には、散乱性能を有するとともに、可能な限り高い透過率に調整することが望ましい。
参考例５
参考例４と同様にしてガラス基板の片面を１０００番相当のＳｉＣ粉末でホーニング処理した後、フッ酸中で１０秒間エッチング処理することにより平均荒さＲａ≒０．２ミクロン、平均深さ≒０．９ミクロンの機械的凸凹部を形成した。これにより、光の透過率≒９１％、拡散係数≒０．４の白色拡散機能を有するガラス基板を作成した。
このガラス基板をマザー型として、プラスチック板に注型転写を行なった。具体的には板厚０．２ｍｍのＰＣ（ポリカーボネイト）板上に紫外線硬化型のＰＭＭＡ（メタクリル酸メチル）樹脂を注型し上記マザー型を転写した。これにより、板厚≒０．２２ｍｍ、平均荒さ≒０．３ミクロン、平均深さ≒１．０ミクロンの機械的凸凹部を表面に有するプラスチック基板が得られた。同プラスチック基板は、透過率≒９０．５％、拡散係数≒０．５の特性を示した。このプラスチック基板は、白色拡散層５５として十分使用可能なものである。
また、金属型表面をＳｉＣ粉末にてホーニング処理した後に硫酸などでエッチング処理することによってもマザー型は作成できる。
この参考例５によれば、白色拡散層５５をプラスチック基板で作成できるため、ガラス基板を使用した場合に比べ、生産性が向上する。特に、アナログ式の腕時計においては、時計針が文字板の中心部に位置するため、該文字板を兼用する白色拡散層５５の中心部に孔あけが必要となる。この孔あけ作業をガラス基板に行なうのは困難性を伴うが、プラスチック基板であれば、容易に行なうことができる。また、異形形状にも容易に形成することができる。
参考例６
基本的な構成は上述した参考例４，５と同様であるが、この参考例６においては、次の工程により白色拡散層５５を形成するためのマザー型を作成した。
まず、（１００）のＳｉウェハー上に金膜を形成した後、フォトリソ工程、エッチング工程を通すことにより、５０ミクロンのピッチで金膜を直径５ミクロンの丸型形状に除去した。
続いて、Ｓｉウェハーを濃フッ酸，硝酸，酢酸の混合液に浸漬することにより、金膜を除去した部分を起点として等方的にＳｉウェハーをエッチングする。その後、残りの金膜を除去すると、半球状の凹部が規則正しく配列したマザー型が出来上がる。
凹部の直径はエッチング時間に依存し、約１時間のエッチング後には、直径約４０ミクロンの半球部が規制正しく配列したマザー型が得られた。
上記のようにして作成したマザー型から電鋳型を作成し、透明ＰＣ材を用いて射出成形を行なった。中央ゲートタイプ，板厚０．３ｍｍのキャビティ型を１２０℃に保持してその射出成形を行なった結果、半球形凹レンズ状のアレイを片側表面に有した０．３ｍｍ厚のＰＣ板を作成することができた。
このＰＣ板は、光の透過率≒８８％、拡散係数≒０．４の特性を示し、白色拡散層５５として十分に使用可能であった。なお、同様な特性は、凸レンズ状アレイをＰＣ板の表面に形成することでも得られた。
この方法によれば、マザー型作成時にフォトリソ工程を用いているため、レンズ状のアレイを厳密に配置でき、さらに凸凹部の円径を任意に設定できる。また、Ｓｉの異方性エッチングによりアレイの形状を変えることも可能である。
上記の参考例４，５，６においては、それぞれについて代表的な材料のみを示したが、それ以外の材料についても８０％以上の光の透過率と０．３以上の拡散係数を共に備えた白色拡散層を形成することは可能である。
また、透過率特性が同一ならば太陽電池の発電能力に及ぼす影響は同じであり、拡散係数を変化させることにより外観上異なった表現ができるので、時計を始めとして電卓、ラジオなどの太陽電池を使用した装置に広く適用可能である。
以上説明した参考例２〜６の拡散層を用いれば、高透過率と散乱性能が両立するため、太陽電池素子へのエネルギー供給と太陽電池素子の遮蔽を満足しつつ、外観品質に優れた太陽電池装置が容易に供給でき、このために従来とは異なった外観色表現を用いた多用途への応用が可能となる。
実施例３
この実施例３および後述する実施例４では、外観品質と発電性能を高水準で両立させた太陽電池装置における遮蔽層の満たすべき条件について検討を行ない最適化を図った。
外観品質に優れた太陽電池装置を得るために遮蔽層の満たすべき条件としては、光学部材側から太陽電池への入射光はできるだけ多く透過し、逆に太陽電池からの反射光はできるだけ通さないようにすることである。
すなわち、外部より入射する光は拡散層を透過し光学部材で一部は反射し残りは透過する。反射光は拡散層によって散乱され結果として散乱光が外部観察者に戻り一様な色が認識される。
一方、透過光は遮蔽層を経て太陽電池素子に到達し発電に寄与する。従来、遮蔽層はいずれの方向から光が入射しても透過率は同じになるような構造を有していたために、太陽電池に光を供給することと太陽電池を遮蔽することとは相反していることとされていたが、これらの実施例では、光の入射方向により透過率が異なる、いわゆる透過異方性を有する構造を採用することにより更なる改善が可能となった。
すなわち、このような特性を有する遮蔽層を得るために種々検討を重ね、ガラス板やプラスチック板のような、少なくとも可視域において無色透明な板状部材に対し、光学部材と接する側の表面を三次元形状に加工することにより、条件によっては光学部材側から遮蔽層に入射する光透過率は９０パーセント以上で、逆に太陽電池側から遮蔽層に入射する光透過率は６０パーセント以下にすることができることが判った。
このことは外部から遮蔽層に入射する光量の９０パーセント以上は太陽電池に到達して発電に寄与するが、一方、太陽電池に到達した後、太陽電池で反射して再度遮蔽層に入射し、光学部材側に放出される光量は従来の２／３程度の５４パーセント以下に減少することを示している。
これは従来と同様な太陽電池の発電能力を想定した場合には、太陽電池の遮蔽効果が高まることを意味している。さらに、太陽電池からの反射光が異なった方向に散乱された後に光学部材側へと放出されるように遮蔽層の表面形状を設定することにより、太陽電池の光情報はバラバラになって戻ってくるため遮蔽効果は一層高められる。
以下、具体的な実施例について図面を参照して説明する。
第１１図は、この発明の太陽電池装置を腕時計に適用した場合の実施例３を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。第１２図は、同太陽電池装置の構成要素である遮蔽層の表面形状を模式的に示した断面模式図である。
ガラス板などの基板６２の裏面には、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成することにより太陽電池６３が形成してある。基板６２の正面は、第１２図に示すような形状の遮蔽層表面部６７となるように表面加工してある。これにより遮蔽層６４が一体に形成された基板６２は、時計ケース６１内に固定される。遮蔽層６４の正面側には、光学部材６５および拡散層としての白色拡散層６６がその順で積層して配置してある。そして、白色拡散層６６の正面を文字板として兼用することにより、太陽電池式腕時計が構成されている。
ここで、遮蔽層６４は、基板６２の片側表面を機械加工することにより遮蔽層表面部６７が形成されている。この遮蔽層表面部６７は、５０ミクロン単位の四角錐がＸ−Ｙ方向に連続的に敷き詰められているような連続プリズム形状となっている。
また、光学部材６５としては、光の屈折率２．３を有する酸化チタン薄膜を、ＰＣ（ポリカーボネイト）板の片側表面に膜厚６０ｎｍ程度蒸着することより形成される高屈折率材料層を使用している。
白色拡散層６６は、ガラス板を１０００番相当のＳｉＣ粉末でホーニング処理した後、フッ酸と硝酸との混液中でエッチング処理したものをマザー型とし、先のＰＣ板における光学部材６５の形成されていない側の表面に、紫外線硬化型のＰＭＭＡ（メタクリル酸メチル）樹脂を注型転写することにより形成した。
このようにして作成された太陽電池装置における遮蔽層表面部６７の四角錐の頂角を、７０°〜１２０°の範囲で振って垂直入射光に対する透過率を測定した。
その測定結果を第１３図に示す。図中の黒丸は、光学部材６５側から遮蔽層６４に入射する光の透過率の頂角依存性を示している。また、図中の白丸は、太陽電池６３側から遮蔽層６４に入射する光について、透過率の頂角依存性を示している。
第１３図の結果から明らかなように、頂角がある角度をとるときに、大きな透過異方性が観察される。ちなみに、頂角を８０°に設定したときには、光学部材６５側から入射する光量の９０パーセント以上は透過するが、逆方向から遮蔽層６４を透過する光の量は５５パーセント以下になってしまうことが判る。
すなわち、遮蔽層６４に入射する光量の９０パーセント以上が太陽電池６３に到達して発電に寄与する。これに対して、太陽電池６３で反射して遮蔽層６４を透過し光学部材６５に入る光は、５５パーセント以下に減少する。
なお、室内の照明環境によっては、入射光分布は垂直入射に比べて弱い指向性を示すが、それでも光学部材６５側から遮蔽層６４に入射する光の透過率は８０パーセント以上、逆に太陽電池６３側から遮蔽層６４に入射する光透過率は６０パーセント以下の透過異方性を示すことが確認されている。
この実施例３においては、白色拡散層６６の光の透過率が約９２パーセント、光学部材６５の光の透過率は約７５パーセント、光学部材６５側からの入射光に対する遮蔽層６４の光の透過率は約９０パーセント以上なので、界面反射などを考慮すると、外部入射光のうち、少なくとも約６５パーセントまでが太陽電池６３に到達し、発電に寄与することになる。
一方、太陽電池６３における反射率はアモルファスシリコン部で約２０パーセント、メタル電極部で約７０パーセントと推定されるので、メタル電極部で反射して上記と逆の過程を経て外部観察者に戻る光量は、初期入射光のおよそ１８パーセントになる。この値は光学部材で反射して特定の色表現を行なう光の反射光強度２１パーセントに比較して小さいため、結果として太陽電池６３からの反射光は、外部観察者にほとんど認識されない。太陽電池素子の他の場所からの反射光強度はさらに小さい。
比較対象として光の透過率が約９０パーセントで透過異方性を有しない遮蔽層を用いた場合には、太陽電池６３のメタル電極部で反射した後に外部観察者に戻る光量はおよそ３０パーセントとなり、太陽電池６３からの反射光が外観上はっきり認識され、遮蔽効果は不十分であった。
また、透過異方性を有しない構成の遮蔽層自体の透過率を下げることで、遮蔽効果を確保する方法もあるが、この場合には太陽電池６３に到達する光量が減少したり、反射光強度が減少し濁った外観色表現しかできないなど、外観品質およびエネルギー供給能力ともに不十分であった。
実施例４
第１４図は、実施例３とは別の構造に太陽電池装置の遮蔽層部分を形成した状況を模式的に示す断面模式図である。
すなわち、この実施例４では、金属基板６８上に絶縁層６９を介して太陽電池６３を形成し、さらにその正面側に遮蔽層６４を形成してある。さらに具体的に説明すると、ステンレスなどの金属基板６８上には、ポリイミドなどの絶縁層６９を介して太陽電池６３が形成されている。そして、この太陽電池６３の正面に直接、半球状の遮蔽層表面部６７を有する遮蔽層６４を形成した。
その他の構成は先の実施例９とほぼ同様であるが、この実施例１０においては、次の工程により遮蔽層６４を形成するためのマザー型を作成した。
まず、（１００）のＳｉウェハー上に金膜を形成した後、フォトリソ工程、エッチング工程を通すことにより、３０ミクロンのピッチで金膜を直径５ミクロンの丸型形状に除去した。
続いて、Ｓｉウェハーを濃フッ酸，硝酸，酢酸の混合液に浸漬することにより、金膜を除去した部分を起点として等方的にＳｉウェハーをエッチングする。その後、残りの金膜を除去すると、半球状の凹部が規則正しく配列したマザー型が出来上がる。
凹部の直径はエッチング時間に依存し、約３０分のエッチング後には、直径約２５ミクロンの半球部がＸ−Ｙ方向に連続的に規制正しく配列したマザー型が得られた。
上記のようにして作成したマザー型から電鋳型を作成し、太陽電池６３上にＰＭＭＡ樹脂を注型し、上記電鋳型を用いて半球状の形状を転写して遮蔽層６４を形成した。次いで、先の実施例９と同様の光学部材６５と白色拡散層６６（第１１図参照）の機能を有するＰＣ板を遮蔽層６４の正面側に設けて太陽電池装置を形成した。
この実施例４の太陽電池装置を透明なガラス板上に形成して透過異方性を確認した。その結果、光学部材６５側から遮蔽層６４に入射する光の透過率は約９２パーセント、逆に太陽電池６３側から遮蔽層６４に入射する光の透過率は約６５パーセントであり、この構成においても透過異方性が確認された。
したがって、この実施例１０の構成によっても、光学部材６５の光の透過率が数パーセント減少するように調整するだけで、外部観察者が太陽電池６３からの反射光を認識できなくすることが可能となる。
この実施例４においては、上記の特性を有する遮蔽層６４を、プラスチック転写技術を用いて約５０ミクロンの厚みで、太陽電池６３上に直接形成したために、簡単な構成で装置全体の厚みも薄くすることができた。また、太陽電池６３上の遮蔽層６４は、保護層としての機能を兼用できる。さらに、両面に光学部材６５と白色拡散層６６としての機能をもたせたＰＣ板を１枚、太陽電池６３の正面に形成した遮蔽層６４上に配設するだけでよいため、組込み作業も大変容易である。
上記実施例３，４においては、遮蔽層表面部６７の形状が、プリズム状，半球状の場合を示したが、これ以外にもレンズ状や、プリズム形状の先端部をカットした形状や、プリズム間に隙間のある形状など任意の形状が考え得る。ここで重要なことは、透過異方性を有した遮蔽層を用いることである。
実施例４においては、遮蔽層表面部６７に、半球状の凹部をＸ−Ｙ方向に連続的に並べたが、ｒ−θ方向や半ピッチずつずらした並べ方でもよい。また、意図的にランダムな配置をした電鋳型を作成して転写することにより、太陽電池６３上の直線などの単純情報は、外部から一層認識しずらくなることを確認している。
また、光学部材および白色拡散層を形成するための基板としては、ＰＣ板以外にも多くのプラスチック材料が使用可能であり、成形法も射出法以外の他の手法であってもよい。
さらに、実施例４で説明した遮蔽層６４の製造方法を利用して、白色拡散層６６を製造することも可能である。
また、実施例３，４においては、光学部材として高屈折率材料層を用いたが、干渉フィルター層を用いてもよい。この場合には、特定のカラーが外部から観察されることになるが、遮蔽層の機能により太陽電池からの反射光はほとんど外部から認識されないために、意図した色が忠実かつ均一に再現される。しかも、遮蔽層自身の透過率が高いため、白濁部分の混入が少なくきれいな色表現が可能である。
以上説明したように、実施例３，４に示した遮蔽層を用いれば、高透過率と遮蔽性が両立するために太陽電池へのエネルギー供給と太陽電池の遮蔽性能を満足しつつ、外観品質に優れた太陽電池装置が容易に供給でき、このために従来とは異なった外観色表現を用いた多用途への応用が可能となる。
参考例７
この参考例７および後述する参考例８では、一般室内光源である蛍光灯の光に対する光学部材の分光透過・反射特性を最適化するための検討を行なった。すなわち、反射色と蛍光灯エネルギー透過率を評価しながら作成条件を種々調査し、ガラス板やプラスチック板のような可視域において透明な基板上に、ｍ×λ／２（λ：輝線波長の１つ、ｍ：正整数）なる光学厚み（以下、ｎｄと呼ぶ）の層を少なくとも１層含んだ全２層以上の誘電体多層膜を形成し、かつ積層設計を最適化することで目的とする透過率向上と外観品質の維持が両立できることがわかった。
第１５図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例７を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
時計ケース７１内には透明な基板７２が固定されている。基板７２の裏面には、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成することにより太陽電池７３が作成してある。
基板７２の正面には、光学部材７４および拡散層としての白色拡散層７５が順次積層して配置してある。そして、白色拡散層７５の正面を文字板として兼用することにより、太陽電池式腕時計が構成されている。
ここで、白色拡散層７５は、ガラス板の片側表面を１０００番相当のＳｉＣ粉末でホーニング処理した後、その処理面をフッ酸で２０秒間エッチングして形成した。この白色拡散層７５は、光の透過率≒９１％であった。
第１６図は、光学部材の断面模式図である。光学部材７４は、ガラス基板７４１の片側表面に、屈折率２．１を有する五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）と屈折率１．４７を有する二酸化珪素（ＳｉＯ2）を真空蒸着法を用いて蒸着することにより、次の設計構造の誘電体多層膜７４２を有した構成となっている。
基板／ＨＬＨ・２Ｌ・Ｈ／空気                ……（１）
Ｈ：材料Ｔａ2Ｏ5、ｎｄ＝（３／４）λｔ
Ｌ：材料ＳｉＯ2、ｎｄ＝λｔ／４
λｔ＝５４６ｎｍ
このとき、光学部材７４からの反射光は黄緑色であった。さらに、白色蛍光灯（東芝製ＦＬ−１０Ｗ型：商品名）を光源として蛍光灯エネルギー透過率を測定した。
その結果、透明基板７２を通して太陽電池７３に該光源からの光を照射したときの短絡電流値を分母にし、光源側の表面に光学部材７４を積層した透明基板７２を通して太陽電池７３に該光源からの光を照射したときの短絡電流値を分子にした値を蛍光灯エネルギー透過率とした場合には、その蛍光灯エネルギー透過率≒７０％であった。
また同様に、光源側の表面に光学部材７４と白色拡散層７５を積層した透明基板７２を通して太陽電池７３に該光源からの光を照射したときの短絡電流値を分子にした値を蛍光灯エネルギー透過率とした場合には、蛍光灯エネルギー透過率≒６４％であった。
上記のようにして作成した太陽電池装置は、太陽電池７３の遮蔽性と外観品質が良好であり、加えて表３に示す従来の光学部材との比較から、太陽電池７３へのエネルギー供給性に優れていることが確認できた。
【表３】
0003670282.tif 000004
第１７図に、上記参考例７における光学部材７４の分光透過スペクトル（図示の実線ａ）、および従来の光学部材の分光透過スペクトル（図示の破線ｂ）を示す。参考例７の光学部材７４は、蛍光灯からの入射光のうち強度の強い輝線部分の光を透過して太陽電池７３に供給しているので、輝線部分の光を透過させない従来の光学部材と比較して、光の透過率が高くしかも外観品質が同水準に維持できる。
一般的に使用されている蛍光灯の発光スペクトルには、可視光範囲に輝線が３本存在している。実際の例として、第１８図に白色蛍光灯（東芝製ＦＬ−１０Ｗ型：商品名）の発光スペクトルを示す。この白色蛍光灯では、発光強度の高い輝線が、波長λ＝４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍに存在している。
この発明の参考例７では、第１７図から明らかなように、光学部材７４が３本の輝線のうち波長λ＝４３６ｎｍとλ＝５４６ｎｍの光を透過するものについて示したが、別の波長の輝線を透過させることも可能である。
例えば、上記（１）式と同一の材料を使用して、λｔを５４６ｎｍから５７８ｎｍに変更すれば、波長λ＝４３６ｎｍとλ＝５７８ｎｍの輝線を透過し、反射色が黄橙の光学部材を得ることができる。
また同様な方法により、光源の輝線が上記波長以外の波長にあるような光源を使用する場合には、当該輝線波長を選択的に透過させることができる。
参考例８
第１９図はこの発明の参考例８における光学部材の断面図である。なお、この参考例８では、光学部材７６以外の構成要素は、先の参考例７と同様の構成となっている。
ガラス基板７６１の片側表面に、ポジ型フォトレジストＡＺ−４６２０（商品名：シップレイ社製）をスピンコート法によって４μｍの厚さ塗布して乾燥させる。次いで、感光部の幅５０μｍ，ピッチ１５０μｍのストライプ状マスクを用いてガラス基板７６１に露光する。露光の後、現像によってストライプ状露光部のフォトレジストを除去するとともに、ガラス面を露出させたガラス基板７６１上に、次の設計構造を有する、誘電体多層膜の蒸着を行なう。
基板／ＨＬＨ・２Ｌ・ＨＬＨ／空気              ……（２）
Ｈ：材料Ｔａ2Ｏ5、ｎｄ＝（３／４）λｔ
Ｌ：材料ＳｉＯ2、ｎｄ＝λｔ／４
λｔ＝４３６ｎｍ
続いて、アセトンを用いたリフトオフ法で残存するフォトレジストを除去することによって、青色反射部７６１Ｂを形成した。さらに、青色反射部７６１Ｂを形成したガラス基板７６１上に上記と同様なフォトレジストを塗布し、上記と同様なマスクを用いて青色反射部７６１Ｂに隣接したストライプ状領域を露光する。そして、現像によってフォトレジストを除去してガラス面を露出させる。その後、ガラス基板７６１の表面に次の設計構造を有する誘電体多層膜の蒸着を行なう。
基板／ＨＬＨ・２Ｌ・Ｈ／空気                  ……（３）
Ｈ：材料Ｔａ2Ｏ5、ｎｄ＝（３／４）λｔ
Ｌ：材料ＳｉＯ2、ｎｄ＝λｔ／４
λｔ＝５４６ｎｍ
そして、リフトオフ法で残存するフォトレジストを除去して、黄緑色反射部７６１Ｇを形成した。
同様の手段により、次の設計構造を有する誘電体多層膜からなる赤色反射部７６１Ｒを形成して光学部材７６を得た。
基板／ＨＬＨＬＨＬＨ／空気                    ……（４）
Ｈ：材料Ｔａ2Ｏ5、ｎｄ＝λｔ／４
Ｌ：材料ＳｉＯ2、ｎｄ＝λｔ／４
λｔ＝６８０ｎｍ
上記のようにして得られた光学部材７６は、全体の反射光色が白色（無彩色）で半透過フィルターのような外観を示し、白色蛍光灯の光に対する透過率は約７５％であった。
光学部材７６中の青色反射部７６１Ｂ，黄緑色反射部７６１Ｇ，赤色反射部７６１Ｒの分光反射特性を第２０図に示す。なお、同図において、実線ｃが青色反射部７６１Ｂ，破線ｄが黄緑色反射部７６１Ｇ，鎖線ｅが赤色反射部７６１Ｒの各分光反射特性を示している。
光学部材７６の反射光色および透過率は、第２０図に示した青色反射部７６１Ｂ、黄緑色反射部７６１Ｇ、赤色反射部７６１Ｒの分光反射特性から推定される値とほぼ等しい。
上記のようにして作成した太陽電池装置も実施例１１と同様、太陽電池７３の遮蔽性と外観品質が良好であり、加えて表４に示すとおり、蛍光灯エネルギー透過率が高く、太陽電池７３へのエネルギー供給性に優れていることが確認できた。
参考例８の光学部材７６は、蛍光灯からの入射光のうち強度の強い輝線部分の光を透過して太陽電池７３に供給しているので、輝線部分の光を透過させない従来の光学部材と比較して、全透過率が高く、したがって発電に寄与するエネルギーを従来より多く太陽電池７３に供給できる。
【表４】
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以上説明したように、参考例７，８に示した光学部材を用いれば、蛍光灯光に対する光透過率が高くできるため太陽電池素子へのエネルギー供給と太陽電池素子の遮蔽を満足しつつ外観品質に優れた太陽電池素子を容易に供給でき、その結果カラフルな外観色表現と高い発電効率を用いた多用途への応用が可能となる。
なお、実施例１２では、青色反射部７６１Ｂ，黄緑色反射部７６１Ｇ，赤色反射部７６１Ｒを交互にストライプ状に配置したが、市松模様状、ハニカム形状などの配置であってもよい。すなわち、各色反射部からの反射光が独立して認識されない程度に混ざりあう配置形状であればよい。また、各色反射部のストライプ幅について、参考例８では５０μｍとしたが、この値は各色反射部からの反射光が独立して認識されない程度に細かければよく、概ね１００μｍ以上であれば外観品質上の問題は発生しない。
また、参考例８では、光学部材７６の全体の反射光色が白色（無彩色）の場合について述べたが、各色反射光の強度比を変えることによって、全体の反射光色を白色以外の有色光にできることは、分光学理論の示すとおりである。
さらに、参考例８では、光学部材７６上に青色反射部７６１Ｂ、黄緑色反射部７６１Ｇ、赤色反射部７６１Ｒの３色の反射部を形成したが、これは２色であっても４色以上であってもよい。その場合でも、外部からは各反射部の反射光を合成した全体色が観察されることに変わりはない。
上述した参考例７，８では、輝線波長の光を透過させるためにｎｄ＝輝線波長／２となる層を１層含んだ誘電体積層膜を示したが、このような層は１層とは限らず多数あってもよい。また、ｎｄ＝ｍ×輝線波長／２（ｍ：正整数）であっても同様に輝線波長の光を透過する効果が得られる。さらに、誘電体材料として五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）と二酸化珪素（ＳｉＯ2）を使用したが、透明誘電体材料であれば他の材料も使用することができる。
このような誘電体材料としては、例えば、前記材料以外に硫化亜鉛（ＺｎＳ）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、フッ化ランタン（ＬａＦ3）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）などが挙げられる。
これらの誘電体材料の組み合わせによって決まる積層各層の屈折率と積層各層の光学厚みを制御することにより、輝線波長の光を透過させながら反射光の色を任意に決定することができる。
また、参考例７，８では、光学部材からの反射光が単一色として外部から観察される場合について示したが、光学部材上に各色反射光が独立して観察できる程度に大きな領域を持ったいくつかの反射部分を形成することによって、模様を表現することもできる。
さらに、参考例７，８では、光学部材の基板としてガラスを用いた例を示したが、ポリカーボネート樹脂などガラス以外の透明基板を使用してもまったく同様な光学部材を構成することができる。透明樹脂を基板に用いる場合、上述した各設計構造で誘電体多層膜を構成すると基板とＨ層との間で剥離やクラックが発生しやすいが、各設計構造において基板とＨ層との間にＬ層を挿入した設計構造で多層膜を構成することによって、分光反射特性を変えずに剥離やクラックを防止することが可能である。
なお、この発明の応用範囲は上記実施例の構成に限定されるものではなく、種々の構成が可能である。例えば、透明基板の片面上に太陽電池および本発明の構成要素を形成し、透明基板の他方の片面を別の用途、例えば、文字板などに用いるようにしてもよい。
この発明の太陽電池装置の構成要素となる光学部材、拡散層、遮蔽層は、薄層形状に形成できるため、数百ミクロンの厚さスペースがあれば設置に充分であり、太陽電池を使用する各種装置に応用する際にも実用上の制約がほとんど無い。
上述した本発明の太陽電池装置によれば、太陽電池の存在が遮蔽できるようになったために、従来はデザイン上の制約から配置できなかったような空間を有効に利用して太陽電池を配置できるようになった。
さらに、太陽電池から見れば、従来は機能と外観の両立が望まれていたためにデザイン的にも数々の制約があったが、本発明により外部から識別されない構造となったことから、機能本意の設計が可能となり大容量の太陽電池を比較的自由に使用できるようになる。
本発明によれば、外部から太陽電池を遮蔽しつつ、外観品質に優れた多様な明るい外観色を表現できるので、従来に比してデザインの自由度が大幅に広がり、これまで以上に多用途への応用が可能となる。
この発明の太陽電池装置は、先の実施例中でも説明したが、太陽電池式腕時計に限らず、太陽電池を使用する電気卓上計算機，ラジオ等の各種の製品に適用することができる。
産業上の利用分野
この発明は、太陽電池を使用した時計，電気卓上計算機，ラジオ等の各種製品に利用することができる。
この発明により、太陽電池への光エネルギーの供給量を充分に確保しつつ、太陽電池を外部から認識できなくし、外観品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の太陽電池装置を腕時計に適用した場合の実施例１を説明するための外観模式図である。
第２図は、第１図におけるＡ−Ａ線断面のうち、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
第３図は、実施例１の太陽電池装置に関する拡散層透過率と反射光強度の関係を示す図である。
第４図は、比較例２の太陽電池装置に関する拡散層透過率と反射光強度の関係を示す図である。
第５図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例１を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
第６図は、この発明の実施例２に係る太陽電池装置の構造を模式的に示す断面模式図である。
第７図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例２を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
第８図は、参考例２における白色拡散層の断面模式図である。
第９図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例４を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
第１０図は、参考例４における白色拡散層の断面模式図である。
第１１図は、この発明の太陽電池装置を腕時計に適用した場合の実施例３を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
第１２図は、同太陽電池装置の構成要素である遮蔽層の表面形状を模式的に示した断面模式図である。
第１３図は、第１２図に示した遮蔽層構造に関するプリズム角度と透過率との関係を示す図である。
第１４図は、この発明による太陽電池装置の実施例４の要部を模式的に示す断面模式図である。
第１５図は、この発明の基礎となる太陽電池装置を腕時計に適用した場合の参考例７を説明するためのもので、太陽電池よりも正面側の構造を模式的に示した断面模式図である。
第１６図は、参考例７における光学部材の断面模式図である。
第１７図は、参考例７における光学部材の分光透過スペクトルおよび従来の光学部材の分光透過スペクトルを示す図である。
第１８図は、市販されている蛍光灯の分光放射スペクトルを示す図である。
第１９図は、参考例８における光学部材の断面図である。
第２０図は、参考例８における青，黄緑，赤色反射部の分光反射スペクトルを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0003670282.tif 000022
【図１８】
0003670282.tif 000023
【図１９】
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【図２０】
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