(57)【要約】【課題】従来のインテグレーターおよびコリメーターレンズに代えて軽量かつコンパクトなインテグレーターおよびコリメーターレンズを備え、反射鏡が不要であり、構造簡単で小型化が可能なソーラーシミュレーターを提供する。【解決手段】光源ランプ２と光源ランプ２が放射した光を集光する集光鏡３とを有する光源部と、  光源部からの光の通過と遮断を制御するシャッター４と、  前記光源部からの光を太陽光の分光分布に近似するように補正する分光分布補正フィルター５と、  複数の光ファイバーの束からなり、シャッター４と分光分布補正フィルターを通過した光を各光ファイバーで拡散して積分することにより、光の放射照度分布を均一化する光ファイバーレンズインテグレーター６と、  複数の光ファイバーの光ファイバーレンズ８からなり、光を平行化する光ファイバーレンズコリメーター７と、を有するようにした。【選択図】図１
2012094247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源ランプと前記光源ランプが発生した光を集光する集光鏡とを有する光源部と、
前記光源部からの光の通過と遮断を制御するシャッターと、
前記光源部からの光の分光分布を太陽光の分光分布に近似するように補正する分光分布補正フィルターと、
複数の光ファイバーの束からなり、前記シャッターおよび分光分布補正フィルターを通過した光を各光ファイバーで多光源化する光ファイバーレンズインテグレーターと、
複数の光ファイバーの光ファイバーレンズからなり、前記光ファイバーレンズインテグレーターを通過した光を平行化し、重畳する光ファイバーレンズコリメーターと、
を有することを特徴とするソーラーシミュレーター。
【請求項２】
前記光ファイバーレンズインテグレーターは、複数の光ファイバーレンズを円板状に配列してなり、前記集光鏡で反射集光された光の焦点よりも前記集光鏡に近い位置に配置され、前記集光鏡で反射された光を直接受け、均一な放射照度の光を放射するように各光ファイバーレンズの焦点距離が調整され、
前記光ファイバーレンズコリメーターは、複数の光ファイバーレンズを円板状に配列してなり、前記光ファイバーレンズインテグレーターを通って放射された光を直接受けて平行光化するように各光ファイバーレンズの焦点距離を調整されていることを特徴とする請求項１記載のソーラーシミュレーター。
【請求項３】
前記光ファイバーレンズコリメーターは、光の放射面が被測定太陽電池に近接するように、各光ファイバーレンズのレンズ長を調整したことを特徴とする請求項２に記載のソーラーシミュレーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の特性を測定するために、自然の太陽光に近い擬似太陽光を生成して太陽電池に照射するソーラーシミュレーターに関する。
【０００２】
特に本発明は、従来のソーラーシミュレーターのインテグレーターおよびコリメーターレンズに代わる高性能なインテグレーターおよびコリメーターレンズを備え、構造簡単であり且つ小型化が可能なソーラーシミュレーターに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に太陽電池は、製造工程において、意図通りの性能を発揮できるかを確認するために、特性を測定する。
【０００４】
この太陽電池の特性の測定はソーラーシミュレーターと特性測定装置を用いて行われる。ソーラーシミュレーターは、自然太陽光の分光分布に近い光であり、自然太陽光の近似光、すなわちスペクトル分布が自然太陽光に近く、均一な放射照度と平行度の光（この光で放射照度が1kW/m2の光を「基準太陽光」という）を作り出して、太陽電池に照射する装置である。
【０００５】
図６は従来の一般的ソーラーシミュレーターの構成例を示している。
【０００６】
図６に示すように、従来の一般的ソーラーシミュレーター５０は、キセノンショートアークランプ５１と集光鏡５２と、第一反射鏡５３と、分光分布補正フィルター５４と、シャッター５５と、インテグレーター５６と第二反射鏡５７と、コリメーターレンズ５８とを有している。
【０００７】
ソーラーシミュレーター５０は、基台５９を有し、基台５９の一部から立設された逆Ｌ字形のフレーム６０を有している。
【０００８】
基台５９の上方でキセノンショートアークランプ５１と集光鏡５２がフレーム６０によって支持されており、集光鏡５２の反射面は回転楕円面をなす。キセノンショートアークランプ５１の発光点は集光鏡５２の第一焦点に配置されている。
【０００９】
集光鏡５２はキセノンショートアークランプ５１からの光を反射して上方に集光するように配設されている。
【００１０】
集光鏡５２で反射された光は第一反射鏡５３によって水平方向に向けられ、シャッター５５が開の時、分光分布補正フィルター５４とインテグレーター５６を通過する。
【００１１】
分光分布補正フィルター５４は、所望の分光分布を得るための適切な分光透過特性を有する光学フィルターである。
【００１２】
キセノンショートアークランプ５１の光は自然の太陽光に比較的近い分光分布を有しているが、波長８００ｎｍ以上で自然の太陽光よりかなり強いエネルギーの帯域を有しているため、分光分布補正フィルター５４により、キセノンショートアークランプ５１の光のうち８００ｎｍ以上の波長の光を適切に減衰させることにより、キセノンショートアークランプ５１の光の分光分布を自然の太陽光の分光分布に近似するように補正する。
【００１３】
シャッター５５は、分光分布補正フィルター５４を通過した光を、通過させあるいは遮断する手段である。
【００１４】
一般に、太陽電池の特性は温度によって変化するため、光の照射によって太陽電池の温度が上昇するのを防止しなければならない。シャッター５５は、必要なとき以外は光を遮断し、被測定太陽電池の温度上昇を防止する。
【００１５】
分光分布補正フィルター５４とシャッター５５を通過した光は、インテグレーター５６に入射する。
【００１６】
インテグレーター５６は、通例溶融石英ガラス等で構成され、図７に示すように、格子状に配置された凸レンズ群を有しており、各々のレンズが多光軸プロジェクターとして機能することで、1つの光源を多光源化する。
【００１７】
この凸レンズ群は、正面(光軸方向９から見た場合は各単一レンズ断面)が六角形や正方形の形状を有し、ハニカム状や格子状を形成する。
【００１８】
インテグレーター５６は、シャッター５５が開の時、分光分布補正フィルター５４を通過してレンズ素子５６ａの各レンズに入射した光を投影する。投影実像はレンズ中心線より軸がずれて焦点面中で結像位置が平行移動されるため、図８に示すように分散的に光源が多数化され、コリメータレンズで全体として放射照度が均一化されるように作用する。
【００１９】
また、一般に集光鏡５２によって集光された光は、光軸垂直面での強度分布において中心部分が周辺部分に比べて強くなりがちで、必要に応じてインテグレーター５６の中心部分に減光板を配置し、放射照度の場所むらを調整するものもある。
【００２０】
インテグレーター５６によって多光源化された光は第二反射鏡５７で反射され、下方へ向けられる（図６参照）。
【００２１】
コリメーターレンズ５８は、第二反射鏡５７で反射された多光源化光を、焦点面上の多光源として平行化し、重畳するため、放射照度を均一化するように作用する。こうして、放射照度が均一化された光が、基台５９上に配置された被測定太陽電池６１に照射される。
【００２２】
以上のようにして、被測定太陽電池６１に規格に合った擬似太陽光が照射され、被測定太陽電池６１の特性を測定することができる。
【００２３】
なお、外部へ光が出るのを防止するため、キセノンショートアークランプ５１からコリメーターレンズ５８までの光路部分は図示しない遮光部材によって覆われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２００９−１０３５３５号公報
【特許文献２】特開２００８−３００６３２号公報
【特許文献３】特開２００８−１２３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上記従来のソーラーシミュレーターは、インテグレーターを有し、照射面の放射照度を均一化していた。
【００２６】
インテグレーターは、上述したように、通例溶融石英ガラス等で構成され、ハニカム構造や格子構造の複眼様レンズを形成していた。従来のインテグレーターにより光の均一の度合いを向上させるためには、より小断面積のレンズを形成しなければならず、技術的・コスト的に限界があり、インテグレーターによる光の放射照度の均一化には限界があった。
【００２７】
そもそもインテグレーターは多数の小断面積のレンズを形成しなければならないため、高価であり、ソーラーシミュレーター全体の高価格化要因となっていた。
【００２８】
また、従来のソーラーシミュレーターでは、集光鏡からインテグレーターまでの長い光路が必要になり、この長い光路をソーラーシミュレーター内に納めるために第一反射鏡を設ける必要があった。これによってソーラーシミュレーターの装置が大型化していた。
【００２９】
また、最近は広い面積の被測定太陽電池に擬似太陽光を照射する要求が強く、コリメーターレンズは大きな直径を有するようになり、最近ではコリメーターレンズ径が３５０ｍｍ超となり、これに伴ってレンズ中心部の厚さが１５０ｍｍ程度に達するようになった。このため、コリメーターレンズの寸法のみならず重量も増大し、高価格化している。
【００３０】
コリメーターレンズは光を平行光化し、場所むらを低減するが、重畳度を上げるには、コリメーターレンズと被測定太陽電池の間の距離を十分大きくとらなければならなかった。このことも装置の大型化をもたらしている。
【００３１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来のソーラーシミュレーターの問題を解決し、従来のインテグレーターおよびコリメーターレンズに代わる軽量かつコンパクトな光ファイバーレンズコリメーターを備え、反射鏡を不要とし、構造簡単で小型化が可能なソーラーシミュレーターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明によるソーラーシミュレーターは、
光源ランプと前記光源ランプが放射した光を集光する集光鏡とを有する光源部と、
前記光源部からの光を通過させ、あるいは遮断するシャッターと、
前記光源部からの光の分光分布を基準太陽光の分光分布に近似するように補正する分光分布補正フィルターと、
複数の光ファイバーレンズの束からなり、前記シャッターおよび分光分布補正フィルターを通過した光を各光ファイバーレンズで多光源化する光ファイバーレンズインテグレーターと、
複数の光ファイバーレンズの束からなり、前記光ファイバーレンズインテグレーターを通過した多光源化光を平行光化する光ファイバーレンズコリメーターと、
を有する。
【００３３】
前記光ファイバーレンズインテグレーターは、複数の光ファイバーレンズを円板状に配列してなり、前記集光鏡で集光された光の焦点よりも前記集光鏡に近い位置に配置されることもでき、前記集光鏡で反射された光を入射し、多光源化するものであり、
前記光ファイバーレンズコリメーターは、複数の光ファイバーレンズを円板状に配列してなり、前記光ファイバーレンズインテグレーターを通って多光源化された光を平行光化するように各光ファイバーレンズの焦点距離を調整されているようにすることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、従来のインテグレーターに代えて複数の光ファイバーレンズの束からなる光ファイバーレンズインテグレーターを使用し、従来のコリメーターレンズに代えて複数の光ファイバーレンズの束からなる光ファイバーレンズコリメーターを使用する。
【００３５】
光ファイバーレンズインテグレーターは、複数の光ファイバーレンズからなり、安価かつコンパクトに形成することができる。従来のインテグレーターに代えて光ファイバーレンズインテグレーターを使用することにより、ソーラーシミュレーターを低価格化することができる。
【００３６】
光ファイバーレンズインテグレーターの各光ファイバーは細い径を有し、多数の光ファイバーレンズを形成することができる。したがって、光を多光源化してコリメータレンズで平行化する際に、多光源化光が重畳的に重なり、より均一な放射照度分布を得ることができる。
【００３７】
光ファイバーレンズインテグレーターが、高価なインテグレータレンズを不要とすることにより、部品点数を減少させられ、かつ、第一反射鏡および第二反射鏡を使用しない構成とすることができ、反射鏡による減衰（数パーセントから10パーセント）がなくなるため、効率よく利用することもできる。
【００３８】
反射鏡を使用しないことで、光量の低下が少なくなり、キセノンショートアークランプの電力を下げることができ、キセノンショートアークランプの寿命を長くすることもできる。
【００３９】
また、ソーラーシミュレーター内部の光路の距離を短くすることにより、装置全体を小型化することができる。
【００４０】
また、本発明の光ファイバーレンズコリメーターは、複数の光ファイバーの光ファイバーレンズからなるため、コリメーターレンズが大口径化する場合も中心部分が径に応じて厚くなることがない。
【００４１】
このため、コリメーターレンズの大口径化による重量の増大を防止することができる。
【００４２】
また、光ファイバーレンズは、その出射面から光を出射させる場合、平行な光を出射する性質を持たせることができる。本発明によれば、コリメーターレンズは、微細な多数のレンズで構成されるため、重畳が微細となり、近距離でも場所むらを低減できるため、コリメーターレンズと被測定太陽電池の間の距離を短くすることができ、これによってソーラーシミュレーターの装置全体を小型化することができる。
【００４３】
本発明によれば、従来のインテグレーターおよびコリメーターレンズに代えて軽量かつコンパクトな光ファイバーレンズインテグレーターおよび光ファイバーレンズコリメーターを備え、反射鏡を不要とすることもでき、安価で構造が簡単なソーラーシミュレーターを得ることができる。
【００４４】
特に、光ファイバーレンズインテグレーターが複数の光ファイバーレンズを円板状に配列してなり、集光鏡で反射された光の焦点よりも集光鏡に近い位置に配置し、集光鏡で集光された光を受け、各光ファイバーレンズが結像し、一方、光ファイバーレンズコリメーターが複数の光ファイバーレンズを円板状に配列したものからなり、前記光ファイバーレンズインテグレーターでの結像を受けて平行光化するソーラーシミュレーターにおいては、光ファイバーレンズインテグレーターの口径を大きくして集光鏡に近い位置に配置でき、これによって集光鏡と光ファイバーレンズインテグレーターの間の距離を少し短くすることができる。また、コリメーターレンズの焦点距離を、凸レンズと比較して短くできるので、小型のソーラーシミュレーターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態によるソーラーシミュレーターの構成概念図。
【図２】光ファイバーレンズインテグレーターの平面図。
【図３】光ファイバーレンズインテグレーターの縦断面図。
【図４】光ファイバーレンズの光ファイバーレンズ長と焦点距離の関係図。
【図５】本発明の他の実施形態によるソーラーシミュレーターの概念図。
【図６】従来のソーラーシミュレーターの構成例図。
【図７】従来のインテグレーター例の説明図。
【図８】従来のインテグレーター例の光学的原理説明図。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下本発明の実施形態について説明する。
【００４７】
図１は、本発明の一実施形態によるソーラーシミュレーターの構成を示している。
【００４８】
図１に示すように、本実施形態のソーラーシミュレーター１は、キセノンショートアークランプ２と、集光鏡３と、シャッター４と、分光分布補正フィルター５と、光ファイバーレンズインテグレーター６と、光ファイバーレンズコリメーター７とを有している。
【００４９】
集光鏡３は、内面が反射面になった回転楕円形の形状を有し、キセノンショートアークランプ２は集光鏡３の回転楕円の第一焦点の位置に配置されている。
【００５０】
シャッター４は、制御により光を通過あるいは遮断することができる手段である。シャッター４は、長時間の光の照射によって測定対象の太陽電池の温度が上昇するのを防止するため、必要なとき以外は光を遮断し、太陽電池の特性の測定に必要最小限の時間のみ光を通すようにする。
【００５１】
分光分布補正フィルター５は、所望の分光分布を得るための適切な分光透過特性を有する光学フィルターである。なお、シャッター４と分光分布補正フィルター５は、シャッター４、分光分布補正フィルター５の順番ではなく、分光分布補正フィルター５、シャッター４の順番でもよい。
【００５２】
光ファイバーレンズインテグレーター６は、複数の光ファイバーレンズの束からなり、図２，３に示すように複数の光ファイバーレンズを円板状に配列したものからなる。
【００５３】
光ファイバーレンズインテグレーター６は、光源を多光源化するものである。
【００５４】
光ファイバーレンズインテグレーター６は光ファイバーレンズによって構成され、図２，図３に光ファイバーレンズインテグレーター６が複数の光ファイバーレンズからなる例を示す。ここで、図３は、図２の矢印Ａ−Ａ方向に見た光ファイバーレンズインテグレーター６の断面図である。
【００５５】
図２，図３に示す光ファイバーレンズインテグレーター６は複数の光ファイバーレンズ８を円板状に配列したものである。
【００５６】
光ファイバーレンズ８とは、光ファイバーを溶融塩に浸漬し、光ファイバー周面近傍の屈折率を大きくする物質と溶融塩を「イオン交換」することにより、光ファイバーの屈折率を半径方向に変化させたものである。
【００５７】
光ファイバーレンズ８は、屈折率が中心線上でもっとも高く、周辺にいくほど屈折率が放物線状に低下する分布になっている。このため、光ファイバーレンズ８の内部の光線はピッチ長Ｐを周期とする正弦波状に進み、長さＰ／２ごとに結像を繰り返す。
【００５８】
図４に示すように、光ファイバーレンズ８は光ファイバーレンズ長Ｌを変えることによって焦点距離Ｆを変えることができる。
【００５９】
光ファイバーレンズコリメーター７は、複数の光ファイバーレンズ８を円板状に配列してなり、図４で説明した方法により各光ファイバーレンズ８の焦点距離を調整し、光ファイバーレンズインテグレーター６で多光源化された光を平行光化する。
【００６０】
ここで再び図１に戻って本実施形態のソーラーシミュレーター１の光ファイバーレンズインテグレーター６と光ファイバーレンズコリメーター７の位置関係を説明する。
【００６１】
本実施形態のソーラーシミュレーター１は、キセノンショートアークランプ２と光ファイバーレンズインテグレーター６と光ファイバーレンズコリメーター７を一直線上に配置してもよく、光ファイバーレンズインテグレーター６は集光鏡３で反射された光の結像位置（集光鏡３の第二焦点）よりも集光鏡３に近い位置に配置してもよい。
【００６２】
光ファイバーレンズインテグレーター６は反射鏡を要さずに集光鏡３によって集光されたキセノンショートアークランプ２の光を直接受け、光ファイバーレンズコリメーター７も反射鏡を介さずに光ファイバーレンズインテグレーター６からの光を直接受けるように配置してもよい。
【００６３】
光ファイバーレンズインテグレーター６は、集光鏡３の第二焦点よりも集光鏡３に近い位置に配置してもよく、入射光の放射密度は集光鏡３の第二焦点に位置している場合よりも低く、かつ、光の入射面の面積が大きい。
【００６４】
また、光の入射面の面積が大きいことに対しても、光ファイバー（光ファイバーレンズ８）の数を増やすことにより容易に大口径化して対応することができる。
【００６５】
このように、光ファイバーレンズインテグレーター６が集光鏡３の第二焦点よりも集光鏡３に近い位置に配置されることにより、集光鏡３と光ファイバーレンズインテグレーター６の間の距離を従来より短くすることができ、ソーラーシミュレーター１の小型化を図ることができる。
【００６６】
大きな面積に平行光を照射することに対して、光ファイバーレンズコリメーター７は、光ファイバーレンズ８の数を増やすことにより容易に大口径化して対応することができる。
【００６７】
このように、大口径の光ファイバーレンズインテグレーター６から直接光を受け、光ファイバーレンズコリメーター７が大口径化することにより、光ファイバーレンズインテグレーター６と光ファイバーレンズコリメーター７の間の距離を従来より短くすることができ、ソーラーシミュレーター１の小型化を図ることができる。
【００６８】
光ファイバーレンズコリメーター７は、光ファイバーレンズ８の数を増やして大口径化する場合でも、各光ファイバーレンズ８の焦点距離を調整することによって光を平行光化することができるので、口径の増大に対応してレンズ中心部の厚さが増大することがなく、大口径かつ薄型の光ファイバーレンズコリメーター７を得ることができる。
【００６９】
大口径かつ薄型の光ファイバーレンズコリメーター７により、大口径化によるコストや、重量・寸法の増加を防止することができる。
【００７０】
本実施形態のソーラーシミュレーター１によれば、従来のインテグレーターに代えて複数の光ファイバーレンズの束からなる光ファイバーレンズインテグレーター６を使用し、かつ、従来のコリメーターレンズに代えて複数の光ファイバーレンズ８からなる光ファイバーレンズコリメーター７を使用することにより、ソーラーシミュレーターの製造コストを低減することができる。
【００７１】
また、本実施形態のソーラーシミュレーター１によれば、従来のソーラーシミュレーターの反射鏡を不要とすることができ、インテグレーターおよびコリメーターレンズに代えて軽量かつコンパクトなインテグレーターおよびコリメーターレンズを備えた、安価で構造が簡単なソーラーシミュレーターを得ることができる。また、反射鏡を不要にできることにより、光量の低下が少なくなり、キセノンショートアークランプに印加する電力を下げることができ、キセノンショートアークランプの寿命を長くすることができる。
【００７２】
次に、図５に本発明の他の実施形態のソーラーシミュレーター１０を示す。図５において理解を容易にするために、図１と同一の部分は図１と同一の符号を付す。
【００７３】
この実施形態のソーラーシミュレーター１０は、光ファイバーレンズコリメーター７の光の放射面と被測定物の間の距離Ｄが、図１の場合に比して短くなるように、光ファイバーレンズコリメーター７の光ファイバーレンズ８の光ファイバーレンズ長Ｌが調整されていること以外は図１のソーラーシミュレーター１と同一である。
【００７４】
光ファイバーレンズ８は、その出射面から平行な光を出射させる場合、出射面から短い距離で平行な光を得られる性質を有している。このため、本実施形態のように、容易に光ファイバーレンズコリメーター７と被測定太陽電池の間の距離を短くすることができる。
【００７５】
光ファイバーレンズコリメーター７の光の放射面と被測定物の間の距離Ｄを短くするため、光ファイバーレンズコリメーター７の光ファイバーレンズ８の光ファイバーレンズ長Ｌは全体として長くすることもできる。
【００７６】
このように、本発明によれば、光ファイバーレンズコリメーター７と被測定太陽電池の間の距離を短くすることができることにより、ソーラーシミュレーター１０の装置全体を小型化することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１  ソーラーシミュレーター
２  キセノンショートアークランプ
３  集光鏡
４  シャッター
５  分光分布補正フィルター
６  光ファイバーレンズ積分レンズ
７  光ファイバーレンズコリメーター
８  光ファイバーレンズ
１０  ソーラーシミュレーター
５０  ソーラーシミュレーター
５１  キセノンショートアークランプ
５２  集光鏡
５３  第一反射鏡
５４  分光分布補正フィルター
５５  シャッター
５６  インテグレーター
５６ａ  レンズ素子群
５７  第二反射鏡
５８  コリメーターレンズ
５９  基台
６０  フレーム
Ｌ  光ファイバーレンズの光ファイバーレンズ長
Ｆ  光ファイバーレンズの焦点距離
Ｐ  光が光ファイバーレンズ内を進むピッチ長
Ｄ  光ファイバーレンズの光放射面と被測定太陽電池の間の距離
【図１】
2012094247.tif 000003
【図２】
2012094247.tif 000004
【図３】
2012094247.tif 000005
【図４】
2012094247.tif 000006
【図５】
2012094247.tif 000007
【図６】
2012094247.tif 000008
【図７】
2012094247.tif 000009
【図８】
2012094247.tif 000010