JP2007311085A

JP2007311085A - 擬似太陽光照射装置

Info

Publication number: JP2007311085A
Application number: JP2006137096A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hishikawa; 善博菱川
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-29
Also published as: DE102007018825A1; US20070267056A1

Abstract

【課題】光出射部と試料との間に、複数のフィルタを光軸と略垂直な面に配置さすることにより、試料面における光の均一性を向上させた擬似太陽光照射装置を提供すること。
【解決手段】試料６に光を照射する擬似太陽光照射装置において、２光出射部と６試料との間に、試料６面における光の均一性を向上させるための複数のフィルタ４を光軸と略垂直な面に配置させたことを特徴とする擬似太陽光照射装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池性能評価や光環境試験装置等の光源に利用される擬似太陽光照射装置に関する。

従来、ソーラシミュレータにおいて、試料面全面において数％以内の均一性のある光を照射するためには、インテグレータ光学系（fly eye lens光学系）等の曲面を用いた光学系が使用されていた。ここで、ソーラシミュレータとは、太陽電池等の試料に太陽光の強度および分光スペクトルを模擬した光を照射するための装置であり、要求される性能は、例えば、JIS C8912に記載されている。ソーラシミュレータの光学的な構造は、例えば、非特許文献１や非特許文献２に記載されている。

図６（ａ）は、ソーラシミュレータの光学系の一例を示す図である。
同図において、楕円鏡はキセノンランプからの光をインテグレータレンズに導入するためのものである。インテグレータレンズは対になった複数のレンズが対向している構造の光学素子であり、材料としてBK７等の光学ガラスや石英ガラスが使用される。楕円鏡からインテグレータレンズに入射された光は、インテグレータレンズの各レンズ対によって試料面全体に照射されるようになり、入射した光のムラを均一化して試料に照射することが可能になっている。なお、平行な照射光を得るために、アウトプットレンズを使用する場合もある。

図６（ｂ）は、ソーラシミュレータの光学系の他の一例を示す図であり、レンズ等を用いないタイプの光学設計によるものである。

ウシオ電機（株）光技術情報誌「ライトエッジ」２００１年第23号 http://www.ushio.co.jp/products/tech/le/le23/23_idx.htm

しかし、図６（ａ）に示すようなソーラシミュレータの光学的系では、楕円鏡やレンズ等の曲面光学部品を使用しているため、試料面において、例えば、±２％以内の均一性の良い照射分布を得るためには、精密な曲面部品が必要であるが、これらの曲面部品は製作が困難であり、また高価になる問題があった。また、ランプ、楕円鏡、およびレンズの相対位置や角度を各々調整する必要があり、ランプや楕円鏡等の光学系の調整が煩雑になるという問題があった。
さらに、インテグレータレンズに対する光の入射および出射が垂直に近いほど所期の性能が得られやすいが、その場合、光源とインテグレータレンズの距離およびインテグレータレンズと試料との距離を長く設計する必要があり、試料面において均一性の良い照射を得るためには、装置が大型化する問題があった。

また、図６（ｂ）に示すようなソーラシミュレータの光学系では、曲面光学系を用いないが、光源からの光のうち、試料方向に直接放射される光のみを利用するため、高照度の光源が必要となる問題があった。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、光出射部と試料との間に、複数のフィルタを光軸と略垂直な面に配置することにより、試料面における光の均一性を向上させた擬似太陽光照射装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、試料に光を照射する擬似太陽光照射装置において、光出射部と試料との間に、前記試料面における光の均一性を向上させるための複数のフィルタを光軸と略垂直な面に配置したことを特徴とする擬似太陽光照射装置である。
請求項２に記載の発明は、前記複数のフィルタは、光の分光透過率が異なる複数種類のものから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の擬似太陽光照射装置である。
請求項３に記載の発明は、前記複数のフィルタは、前記試料面における光照度が相対的に高い部位の光照度を減少させて、前記試料面における光照度の均一性が向上するように、その大きさおよび透過率が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の擬似太陽光照射装置である。
請求項４に記載の発明は、Ｒ＝（前記フィルタが前記試料面において減光の効果を及ぼす面積）／（前記フィルタの面積）とするとき、１０＞Ｒ＞０の関係、より望ましくは４＞Ｒ＞０の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の擬似太陽光照射装置である。

従来の擬似太陽光照射装置においては、試料面で均一性の良好な光照度分布を実現するためには、光源、ミラー、レンズ等の位置を精密に調整する必要があることに加え、均一性がこれらの光学部品の精度や装置サイズに制限され、均一性が±２％〜±５％程度に制限されることが多かった。しかし、本発明の擬似太陽光照射装置によれば、光出射部と試料面との間に設置されたフィルタによって光均一性を調整するために、光学部品の製作精度や位置調整に厳密さが要求されず、±１％〜±２％程度の均一性を実現することができる。しかも、従来技術では、均一性の良い光照度分布を得るためには、光出射部と試料面との距離を長く確保することが要求されたが、本発明の擬似太陽光照射装置によれば、そのような制限がなく均一性を向上させることができる。
また、従来技術では、光の波長によって試料面における光照度分布の均一性が異なる場合があったが、本発明では分光透過率の異なる複数種類のフィルタを使用することにより、容易に均一性の良い光照度分布が得られる。

本発明の第１の実施形態を図１および図２を用いて説明する。
図１は本実施形態の発明に係る擬似太陽光照射装置の構成を示す斜視図、図２は図１に示す擬似太陽光照射装置の正面断面図である。

この擬似太陽光照射装置は、試料６である太陽電池モジュールに擬似太陽光を照射するソーラシミュレータである。光源部１はキセノンランプを使用しており、光出射部２より放射された光が試料６に照射される。光源部１と試料６との間には、フレームに支持されたフィルタ部４に複数のフィルタＡ、Ｂが設けられ、光出射部２から放射された光分布を調整し、試料６面での光均一性を向上させている。フィルタ部４を設けない場合は、図２の破線に示すように±３％程度の光照度分布を示すが、本発明のようなフィルタ部４を設けた場合は、図２の破線と実線で囲まれる領域の部分がフィルタ部４によって減光され、実線に示すように±１．０％程度の光照度分布が得られるように改善された。

図１、２において、試料６面の大きさは約２ｍ×２ｍ、光源部１と試料６面との距離は約５ｍ、光源部１とフィルタ部４との距離は約２ｍ、フィルタ部４においてフィルタＡ、Ｂが設置される部分の面積は直径１００ｃｍの円内であり、光出射部２の大きさは直径５０ｃｍの円形である。図２において、フィルタ部４におけるフィルタＡ、Ｂは、フィルタＡ、Ｂを設けないとき試料６面での光照度が高い部分の照度を減らすような位置に配置される。フィルタＡ、Ｂの具体例としては、黒色塗装金属線によるメッシュ（金網）を用い、サイズは約３０ｃｍ角、メッシュの光透過率は９５％である。その他、フィルタＡ、Ｂとして、ガラス等を用いても良い。また、波長によって透過率の異なる色ガラス等をフィルタＡ、Ｂとして用いても良い。また、光源部１は、他の形式、例えば、複数のキセノンランプやメタルハライドランプを用いてもよい。

フィルタ部４においてフィルタＡ、Ｂ等のフィルタを設置する位置は、試料６面における照度の均一性を制御しやすい位置が望ましく、フィルタの面積と、そのフィルタが試料６面において減光の効果を及ぼす面積との関係が重要である。Ｒ＝（フィルタが試料面において減光の効果を及ぼす面積）／（フィルタの面積）の比率が大き過ぎると、光のフィルタによる減光が光照射面の広い範囲にわたるため、光照射面での照度分布を有効に制御することができない。従って、上記Ｒの値は、１０以下０以上が有効であり、特に、４以下０以上がより効果的である。

次に、本発明の第２の実施形態を図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態の発明に係る擬似太陽光照射装置の構成を示す斜視図である。
従来、試料６面での照度むらが、光の波長によって異なる場合がある。これは、光源部１に複数種類のランプ、例えば、キセノンランプとハロゲンランプの両方が用いられている場合や、光源の分光放射照度を多層膜フィルタ等で可変できる機能を持つ光源が用いられている場合や、または光学系の色収差が存在する場合に、図３に示すように、試料６面中に、可視光の強い領域と赤外光が強い領域が存在するためである。このような場合、本発明の擬似太陽光照射装置によれば、試料６面において、可視光の強い領域では可視光を主に減光し、赤外光に強い領域では赤外光を主に減光するために、フィルタ部４に複数種類のフィルタをそれぞれ別の位置に設置する。可視光を減光するフィルタは、照射される可視光の強い部分を減光する位置に設置され、赤外光を減光するフィルタは、照射される赤外光の強い部分を減光できる位置に設置される。これらのフィルタを用いない場合は、可視光、赤外光ともに試料６面における光の均一性が±５％であり、可視光の強い部分と赤外光の強い部分が異なっていたが、本発明の擬似太陽光照射装置によれば、赤外光、可視光ともに±２％以内の均一性ある照度を確保することが可能となった。

次に、本発明の第３の実施形態を図４および図５を用いて説明する。
図４は本実施形態の発明に係る擬似太陽光照射装置の構成を示す側面図、図５は図４に示したフィルタ部４を拡大して示した拡大正面図である。
図４において、インテグレータレンズ７およびアウトプットレンズ８は、図１等に示した光源部１における光出射部２の構成に相当し、アウトプットレンズ８からフィルタ部４を介して試料６に向かってほぼ平行な光が照射される。

フィルタ部４は、図５に示すように、フィルタ用枠９に、直径０．１ｍｍの金属線または樹脂線からなる格子線１０が５ｃｍ間隔で設置される。フィルタはこの格子線１０に固定される。格子線１０自体は、試料６面での光均一性に悪影響を及ぼさないように位置および線の細さが選択される。フィルタの種類としては、金属線または樹脂線からなるメッシュフィルタ１１、金属等からなる遮光フィルタ１２、色ガラスフィルタ１３等が使用される。これらのフィルタを使用することにより、照射面積３０ｃｍ角内における均一性が±２％から±１％以内に改善された。なお、フィルタを設置するために、ガラスまたは樹脂製の板等を使用しても良い。

第１の実施形態の発明に係る擬似太陽光照射装置の構成を示す斜視図である。図１に示す擬似太陽光照射装置の正面断面図である。第２の実施形態の発明に係る擬似太陽光照射装置の構成を示す斜視図である。第３の実施形態の発明に係る擬似太陽光照射装置の構成を示す側面図である。図４に示したフィルタ部４を拡大して示した拡大正面図である。従来技術に係るソーラシミュレータの光学系の一例を示す図である。

符号の説明

１光源部
２光出射部
３フィルタ通過前の照射光
４フィルタ部
５フィルタ通過後の照射光
６試料
７インテグレータレンズ
８アウトプットレンズ
９フィルタ用枠
１０格子線
１１メッシュフィルタ
１２遮光フィルタ
１３色ガラスフィルタ

Claims

試料に光を照射する擬似太陽光照射装置において、光出射部と試料との間に、前記試料面における光の均一性を向上させるための複数のフィルタを光軸と略垂直な面に配置したことを特徴とする擬似太陽光照射装置。
前記複数のフィルタは、光の分光透過率が異なる複数種類のものから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の擬似太陽光照射装置。
前記複数のフィルタは、前記試料面における光照度が相対的に高い部位の光照度を減少させて、前記試料面における光照度の均一性が向上するように、その大きさおよび透過率が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の擬似太陽光照射装置。
Ｒ＝（前記フィルタが前記試料面において減光の効果を及ぼす面積）／（前記フィルタの面積）とするとき、１０＞Ｒ＞０の関係、より望ましくは４＞Ｒ＞０の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の擬似太陽光照射装置。