JP2012078333A - 環境試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種材料、電子機器、電子部品の所定温度・湿度下における光耐久性評価、あるいは、太陽電池の所定温度・湿度下での電池特性評価に用いることができる小型化、高性能、維持コストを低減した擬似太陽光照射装置付き環境試験装置を提供する。
【解決手段】被試験物が入れられる試験室と、前記試験室内の空気を所定の温湿度に調整する空調手段と、擬似太陽光を前記試験室内に導くために前記試験室外壁の一部に設けられた波長３５０ｎｍにおける光線透過率が７０％以上の透明材料で構成された結露防止手段を備えた窓からなる採光口と、前記試験室外に設置され、前記採光口を介して、前記試験室内に擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射手段と、を備える環境試験装置。擬似太陽光照射装置は、単一のロッドレンズおよびロッドレンズの後方に配置されたコリメーターレンズからなる照射レンズユニットを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、各種材料、電子機器、電子部品の所定温度・湿度下における光耐久性評価、あるいは、太陽電池の所定温度・湿度下での電池特性評価に用いることができる小型化、維持コストを低減した擬似太陽光照射装置付き環境試験装置に関する。

近年、環境保護重視の観点からいわゆるクリーンエネルギーの研究開発が進められている。その中でも太陽電池は、太陽エネルギーを直接電気エネルギーへ変換するものであるため従来の他の発電と比較して無公害であり、その資源である太陽光が事実上無限に利用可能であること等からクリーンエネルギー源のエースとして期待を集めている。

シリコン系太陽電池セルの基本となる材料は、半導体やガラスといった無機材料である。また、一般家庭の屋根に設置され実用される太陽電池モジュールは、太陽電池セルとバックシート、接着剤、配線材料その他の有機高分子材料との組み合わせにより構成されている。太陽電池モジュールは、実用性を担保するため、環境試験と耐久性試験を課されている。結晶系太陽電池モジュールについては、ＪＩＳ Ｃ ８９１７、アモルファス太陽電池モジュールについては、ＪＩＳ Ｃ ８９３８にそれぞれ規定されている。

一方、シリコン系太陽電池の他に、太陽電池セルの基本となる材料として、有機材料を用いた色素増感型太陽電池や有機薄膜太陽電池が注目されている。これら有機材料系太陽電池セルは、プラスチック基板上に塗布方式または印刷方式により製造される。このため、有機材料の構成比率は、無機系太陽電池セルに比べて増加する。

一般に、有機材料は太陽光の紫外領域における耐久性が低く、温度・湿度の影響を受けやすい。このため、太陽電池セル及び太陽電池モジュールの信頼性を担保するため、その研究開発における耐熱・耐湿環境試験及び光耐久性試験は重要性が高い。また研究開発速度を上げる上でも、耐熱・耐湿環境試験及び光耐久性試験の効率化が求められている。

太陽電池セル及び太陽電池モジュールの電池特性（出力特性）評価には、そのスペクトル分布が太陽光スペクトル分布に近似した擬似太陽光光源を用いる必要がある。また、適切な評価を行うためには、光源光量の照射面に対する面均一性も重要であり、この用途に特別に設計された擬似太陽光照射装置を用いる。

擬似太陽光照射装置は、特許文献１の代表図、非特許文献１記載の光源光学構造図に記載されたものが知られている。その基本的構成を図２に示す。図２において、光源ランプ２１から放射される光を楕円集光ミラー２２より集光し、第１平面反射ミラー２３により水平方向に照射方向を変え、波長選択フィルタ（エアマスフィルタ）２４により、自然太陽光に近似したスペクトル分布とされた後、インテグレーターレンズ（積分光学系）２５により照度分布が均一化され、再び、第２平面反射ミラー２６により垂直方向に照射方向を変えて、コリメーターレンズ２７により平行化されて、疑似太陽光を照射面２８に照射するものである。

このように、擬似太陽光照射装置は、コリメータレンズを採用しているため、市販されているシリコン太陽電池（規格サイズ：１２５ｍｍ角または１５５ｍｍ角）の電池特性を測定するためには、検査対象面積を超えるレンズを備えた光学系（１８０ｍｍ角以上のコリメーターレンズ）が必要である。このような擬似太陽光照射装置は、自重が３０ｋｇ以上と大型となる。このため、恒温恒湿環境試験装置内において、擬似太陽光を均一に照射するためには、装置内寸法が１ｍ角を超える装置の内部天井部分の全面にキセノンランプまたはメタルハライドランプを設置する構造がほとんどである（特許文献２、非特許文献２）。

特開平９−３０６２０１ 特開平１−２４８０３７

インターネット＜URL：http://www.san-eielectric.co.jp/sangyo5.htm＞ インターネット＜URL：http://www.eko.co.jp/eko/a/a01-pv/a0109-ECL350/a0109_ECL350.html＞

本発明は、各種材料、電子機器、電子部品の所定温度・湿度下における光耐久評価、あるいは、太陽電池の所定温度・湿度下での電池特性評価に用いることができる小型化、維持コストを低減した環境試験装置を提供するものである。

上記課題を解決することを目的としてなされた本願発明の擬似太陽光照射装置付き環境試験装置は、下記（１）乃至（６）の態様で実施できる。

（態様１） 被試験物が入れられる試験室と、前記試験室内の空気を所定の温湿度に調整する空調手段と、擬似太陽光を前記試験室内に導くために前記試験室外壁の一部に設けられた採光口と、前記試験室外に設置され、前記採光口を介して、前記試験室内に擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射手段と、を備える環境試験装置である。試験室と擬似太陽光光源とを採光手段を介して分離することにより、試験室内の温湿度制御が容易となり、環境試験精度が向上するからである。

（態様２） 前記擬似太陽光照射装置が、紫外線を含む光源と、前記光源を第１焦点に配置し、前記光源の放射光を第２焦点に集光する楕円反射鏡からなる光源部と、前記光源部からの照射光を透過光と反射光に分岐するスプリット面を有するビームスプリッターと、長軸方向端の一方が入射面で他方が照射面となっており、前記入射面が前記楕円反射鏡の第２焦点に位置するように配置される単一のロッドレンズと、前記ロッドレンズの後方に配置されたコリメーターレンズからなる照射レンズユニットと、波長選択フィルターと、をこの順に配置した擬似太陽光照射装置であることを特徴とする態様１に記載した環境試験装置である。単一のロッドレンズを採用することで、レンズ内部で光混成が行われるため、照度分布が均一化されるからである。この点が、光混成が出口のみで行われるインテグレーターレンズ（積分光学系）を採用する擬似太陽光照射装置と比べた利点である。

（態様３） 前記擬似太陽光照射装置が、前記照射レンズユニットからの照射光の光軸変更手段としての平面反射鏡を配置した擬似太陽光照射装置であることを特徴とする態様１または２に記載した環境試験装置である。照射レンズユニットと波長選択フィルターとの間に光軸変更手段である平面反射鏡を設けることにより、擬似太陽光照射装置を横置きとすることができ、装置の設計を柔軟にすることができるからである。

（態様４） 前記擬似太陽光照射装置が、前記光源部、前記ビームスプリター、前記照射レンズユニットを同一光軸上に配置された擬似太陽光照射装置であることを特徴とする態様１乃至３に記載した環境試験装置である。光路長を短縮でき、装置の小型化を図ることができるからである。

（態様５） 擬似太陽光を被試験物に照射強度１３万ルクス以上かつ照射強度分布２％以内で照射できる態様１乃至４に記載した環境試験装置である。太陽電池モジュールの屋内耐久性試験の規格（ＪＩＳ Ｃ ８９１７、ＪＩＳ Ｃ ８９３８）に基づく試験の再現性、精度を担保するために必要な性能であり、本発明に採用した態様１乃至４に記載した擬似太陽光照射装置の光学系（光源、反射鏡と光源配置の構成）により実現できる。

（態様６） 前記採光口は、波長３５０ｎｍにおける光線透過率が７０％以上の透明材料で構成された結露防止手段を備える窓であることを特徴とする態様１乃至５に記載した環境試験装置である。擬似太陽光は紫外線を含むため、採光口を介して試験室内に擬似太陽光を照射する本発明の環境試験装置では、紫外領域でも高い光線透過率が必要だからである。また、結露による照射光量の低下を防ぐためにも結露防止手段を備える必要があるからである。なお、環境試験装置に設ける採光口は可能な限り小面積であることが望ましい。環境試験室は試験室内の温湿度を一定に保つためにその外周を断熱材で覆っており、採光口を大きくすることは断熱保温効果を低下させるからである。

上記手段により、各種材料、電子機器、電子部品の所定温度・湿度下における光耐久評価、あるいは、太陽電池の所定温度・湿度下での電池特性評価に用いることができる小型化、維持コストを低減した擬似太陽光照射装置付き環境試験装置を提供できる。

本発明の環境試験装置に設置する擬似太陽光照射装置の光学系の全体構成の一実施態様を示す側断面図 従来の擬似太陽光照射装置の全体構成を示す側断面図 本発明の擬似太陽光照射装置付き環境試験装置の全体構成（擬似太陽光照射装置を縦置き）にした実施形態を示す側断面図 本発明の擬似太陽光照射装置付き環境試験装置の全体構成（擬似太陽光照射装置を横置き）にした実施形態を示す側断面図 本発明の環境試験装置の上面に設置された採光口の説明図

以下に、本発明の擬似太陽光照射装置の実施の形態を図１及び図３から図５により説明する。

図１は、本発明の環境試験装置に設置する擬似太陽光照射装置における光学系の全体構成の一実施形態（横置き）を示す側断面図である。同図において、光源ランプ２、該光源ランプ２からの光束を照射面に導く楕円反射鏡３、該楕円反射鏡３からの光束を透過光束と反射光束に分岐するビームスプリッター５がそれぞれ水平に筐体１内に収容されて光源部を構成している。

筐体１には、光源ランプ２を空冷するためのファン（図示せず）と光源ランプ１の交換等の保守点検のために扉（図示せず）が設けられている。

光源ランプ２は、横置きに配置され、支持棒により固定されている（図示せず）。該支持棒は筐体により固定された光軸調整ユニット１３を介して筐体に支持される。光源ランプ２はＸＹＺモーター付光軸調整ユニット１９により上下左右に位置を調整できる。
紫外線を含む光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができ、疑似太陽光の照射に際しては、一定照度に連続点灯させて照射する方式、または、パルス状に発光させて照射する方式のいずれかの方法が用いられる。また、点灯用の専用電源装置も組み合わせて用いられる。

楕円反射鏡３は、光源ランプから放射される光を集光させるものであり、光源ランプを第１焦点に配置することで、光源ランプからの放射光を第２焦点に集光させことができる。

集光位置調整手段は、本発明が光源ランプを水平に配置するために必要な構成要素であり、光源ランプのアークに対する地磁場の影響を相殺する手段である。図１においては磁性体４を用いている。

照射レンズユニット６は、単一ロッドレンズ７と小口径コリメーターレンズ群８で構成されている。
ロッドレンズ７は、角柱形状のレンズであり、長軸方向の一方が入射面で他方が照射面となる。光源ランプ２から不定な角度で入射した光束１４がロッドレンズ内で全反射を繰り返しながら長軸方向に進み、他端面に到達すると均一な光束となる。入射面での乱反射の発生を抑制し、照射領域の外郭を明瞭にするために、ロッドレンズの長軸方向端のエッジは角張っていることが好ましい。従来技術において採用されていたインテグレーターレンズでは、レンズ他端面から照射された集光点が複数あるため、焦点範囲が広く単位面積当たりの光量が少なくなるが、本発明で採用したロッドレンズではレンズ他端面から照射された集光点は単一で、焦点範囲も狭く単位面積当たりの光量が多くなるという特徴がある。

コリメータ−レンズ群８は複数のレンズから構成されており、ロッドレンズ７との間隙幅を変化させることにより、どのような大きさのエリアに対してもピントを合わせることができる。これにより、正確に照射範囲を決定することができる。

平面反射鏡１０及び波長選択フィルター１１は、照射ヘッド９に収納されている。本発明では、疑似太陽光を照射領域１２へ照射するため、光軸を横方向から縦方向にする目的で平面反射鏡を１枚のみ使用する。波長選択フィルター１１は、光源ランプ波長分布を太陽光波長分布に近似させるために用いる波長スペクトル調整フィルターである。
なお、擬似太陽光照射装置を縦置きする場合は、光軸変更が不要なので平面反射鏡は設けない。

楕円反射鏡３から放射光束１３は、ビームスプリッター５により、透過光束１４と反射光束１５に分岐される。反射光束１５は拡散板１６及び光量減衰フィルター１７を介して光電変換素子１８で受光される。反射光束１５は光電変換に必要なごく僅かな光量でよい。拡散板１６及び光量減衰フィルター１７を介することにより、光電変換素子１８に対する熱的な影響を回避できる。

本発明では、ビームスプリッター５を光源ランプ２及び楕円反射鏡３とロッドレンズ７との間に配置することにより、制御可能な安定した光量制御回路（拡散板１６、光量減衰フィルター１７、光電変換素子より構成される。）に分光することができる。
また、ビームスプリッター５は、低反射率の反射層からなるため、透過光束１４の減衰は抑えられる。

図３は、擬似太陽光照射装置を横置きにした場合、図４は擬似太陽光照射装置を横置きにした場合、の本発明の環境試験装置を模式的に示したものである。擬似太陽光照射装置が小型であるため、本発明の環境試験装置は実験台（一般的な奥行きが７５ｃｍ）に設置することができる。照射ヘッド３３、４３から照射された擬似太陽光は、採光口３４、４４を通して、試験室に照射３５、４５され、被試験対象物３６、４６に照射される。

図５は、本発明の環境試験装置の採光口の一実施態様を模式的に示したものである。従来の屋内太陽電池耐久性試験装置は、光源（ハロゲン、メタルハライド）が試験室内の天井部に設置されているため、採光口は不要であった。本発明では、光源（擬似太陽光照射装置）を試験室外に設置するため、採光口が必要である。

採光口は、天面（外界側）と底面（試験室側）に透明材料（例、石英ガラス）からなる板を嵌め、天面と底面の間に底面温度が試験室の露点温度より高くなるように加熱した乾燥気体（例、窒素）を導入し（図示せず）、結露の発生を防止している。
透明材料としては、紫外線透過率の観点から石英ガラスが好ましく、耐放射線性の観点から光学用合成石英ガラスがより好ましい。

採光口は被試験試料への照射面積を考慮した上で、可能な限り小面積であることが望ましい。環境試験室は試験室内の温湿度を一定に保つためにその外周を断熱材で覆っており、採光口を大きくすることは断熱保温効果を低下させるからである。
本発明の採光口では、試験室内径２５０ｍｍ×３００ｍｍに対して、外径１００ｍｍの円を内包できる方形を採用している。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の活用例として、アモルファス太陽電池等の太陽電池セルにより構成される太陽電池セル・モジュールのＪＩＳ法に基づく環境試験、耐久性試験への適用が挙げられる。

１…光源部筐体、２…光源ランプ、３…楕円集光鏡、４…磁性体、５…ビームスプリッター、６…照射レンズユニット、７…ロッドレンズ、８…小口径コリメーターレンズ群、９…照射ヘッド、１０…平面ミラー、１１…波長選択フィルター、１２…照射領域、１３…放射光束、１４…透過光束、１５…反射光束、１６…拡散板、１７…光量減衰フィルター、１８…光電変換素子、１９…ＸＹＺモーター付光軸調整ユニット。
２１…光源ランプ、２２…楕円集光鏡、２３…第１平面反射鏡、２４…波長選択フィルター、２５…インテグレーターレンズ、２６…第２平面反射鏡、２７…コリメータ−レンズ、２８…照射面。
３１，４１…擬似太陽光照射装置本体、３２，４２遮光板…照射レンズユニット部、３３，４３…照射ヘッド部、３４，４４…採光口、３５，４５…照射光、３６，４６…被試験対象物、３７，４７…断熱壁、３８，４８…温湿度コントロールユニット、３９…架台。
５１…断熱壁、５２…石英ガラス板。

Claims (6)

1. 被試験物が入れられる試験室と、
   前記試験室内の空気を所定の温湿度に調整する空調手段と、
   擬似太陽光を前記試験室内に導くために前記試験室外壁の一部に設けられた採光口と、
   前記試験室外に設置され、前記採光口を介して、前記試験室内に擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射手段と、
   を備える環境試験装置。
2. 前記擬似太陽光照射装置が、
   紫外線を含む光源と、前記光源を第１焦点に配置し、前記光源の放射光を第２焦点に集光する楕円反射鏡からなる光源部と、
   前記光源部からの照射光を透過光と反射光に分岐するスプリット面を有するビームスプリッターと、
   長軸方向端の一方が入射面で他方が照射面となっており、前記入射面が前記楕円反射鏡の第２焦点に位置するように配置される単一のロッドレンズと、前記ロッドレンズの後方に配置されたコリメーターレンズからなる照射レンズユニットと、
   波長選択フィルターと、
   をこの順に配置した擬似太陽光照射装置であることを特徴とする請求項１に記載した環境試験装置。
3. 前記擬似太陽光照射装置が、
   前記照射レンズユニットからの照射光の光軸変更手段として、平面反射鏡を配置した擬似太陽光照射装置であることを特徴とする請求項１または２に記載した環境試験装置。
4. 前記擬似太陽光照射装置が、
   前記光源部、前記ビームスプリター、前記照射レンズユニットを同一光軸上に配置した擬似太陽光照射装置であることを特徴とする請求項１乃至３に記載した環境試験装置。
5. 擬似太陽光を被試験物に照射強度１３万ルクス以上かつ照射強度分布２％以内で照射できる請求項１乃至４に記載した環境試験装置。
6. 前記採光口は、波長３５０ｎｍにおける光線透過率が７０％以上の透明材料で構成された結露防止手段を備える窓であることを特徴とする請求項１乃至５に記載した環境試験装置。