JP2012208482A - レンズシートおよび光電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】レンズシートの上から光が入射したとき、下部に光が照射されない領域を生じさせるレンズシートを提供すること。また、レンズシートに入った光をより効率よく光電変換素子に照射させること。また、高効率の光電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】両面にレンズアレイを有する透光性の基材からなるレンズシートであって、レンズアレイは、レンズ領域と非レンズ領域を交互（縞状）に有し、表面のレンズ領域の端部と、裏面のレンズ領域の端部が重畳するレンズシート。
【選択図】図１
【解決手段】両面にレンズアレイを有する透光性の基材からなるレンズシートであって、レンズアレイは、レンズ領域と非レンズ領域を交互（縞状）に有し、表面のレンズ領域の端部と、裏面のレンズ領域の端部が重畳するレンズシート。
【選択図】図１
Description
本発明は、レンズシートおよび光電変換モジュールに関する。
近年、太陽光発電システムは持続可能なエネルギー源として注目され、高効率化が期待されている。太陽光発電システムの高効率化の方法のひとつとして、光を有効に光電変換素子に照射することが挙げられる。
太陽光発電システムに用いる光電変換モジュールは、光電変換素子の上面にグリッド電極を設ける構造とすることがある。この場合、光電変換素子で生成された電流はグリッド電極を通って取り出される。グリッド電極により電流を取り出す際の電気抵抗を低減することができるが、同時にグリッド電極の面積だけ光電変換素子の受光部が減り、変換効率が下がってしまう。
そこで、例えば特許文献１ではレンズを用いて、グリッド電極上に照射された光を有効利用する方法が開示されている。特許文献１に開示されている光電変換モジュールは、光電変換素子およびグリッド電極上に、連続したプリズム状レンズまたはシリンドリカルレンズを有する。さらに、グリッド電極の上部がレンズ同士の境界となるように配置された構成となっている。これにより、グリッド電極上に照射された光を屈折させ受光部に集光し、照射された光を有効利用することができる。
一方、光の有効利用については、液晶ディスプレイにおいて、バックライトの光を効率よく液晶に照射するためのレンズシートの開発が行われている。例えば特許文献２では、両面に連続したレンズアレイを有し、両面のレンズアレイのピッチのずれが０または半周期であるレンズシートが開示されている。
しかしながら特許文献１および特許文献２に開示されているような、レンズが連続して形成されているレンズアレイは、加工精度に限界があるため、実際には理想的な形状にすることはできない。そのため、理想的にはレンズ面同士が隙間なく隣り合うように成形したい場合でも、実際にはわずかながらレンズ面同士の間に、レンズとして十分に機能しない、丸みを帯びた領域または平坦な領域が生じてしまう。丸みを帯びた領域または平坦な領域に入った光は、十分に屈折することなく直進してしまう。
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に、特許文献１に記載のレンズシート３００、３０１を適用した、光電変換モジュールの断面図を示す。光電変換モジュールは、レンズシート３００または３０１と、光電変換素子２００、およびグリッド電極２０１を有する。また図１５において点線は光の進行方向を示す。図１５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、レンズシート３００、３０１のレンズ同士の境界は丸みを帯びた領域または平坦な領域となってしまうため、これらの領域に入射した光は十分に屈折することなく直進し、グリッド電極２０１に照射される。このためレンズシート３００、３０１に入射した光の一部は、光電変換に利用することができない。
また、特許文献２に記載のレンズシートを適用させた光電変換モジュールとした場合も同様である。図１５（Ｃ）に特許文献２に記載のレンズシート３０２を適用した、光電変換モジュールの断面図を示す。ここで、レンズシート３０２の光が入射する側の面を第１の面、光電変換素子側の面を第２の面とする。レンズシート３０２も、レンズが連続して形成されているため、第１の面のレンズ領域同士の境界部分は、レンズとして十分に機能しない丸みを帯びた領域、または平坦な領域となってしまう。そのため第１の面のレンズ領域の境界部分に入射した光は、十分に屈折せずに直進する。またこの光は第２の面のレンズ領域に略０°で入射するため、第２の面のレンズ領域においても十分に屈折しない。そのため光はグリッド電極２０１に照射され、光電変換に利用することができない。
このように、従来のレンズアレイにはレンズ同士の境界に光を有効に利用できない領域が存在していた。
そこで本発明の一態様は、レンズシートの上から光が入射したとき、下部に光が照射されない領域を生じさせ、レンズシートに入射した光をもれなく有効に利用できるレンズシートを提供することを目的の一とする。また、光をより効率よく光電変換素子に照射できるレンズシートを提供することを目的の一とする。また、高効率の光電変換モジュールを提供することを目的の一とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様では、レンズシートにおいて、シリンドリカルレンズまたはプリズム状レンズであるレンズ領域と、非レンズ領域と、を交互（縞状ともいう）に配置することとした。
本発明の一態様は、表面に第１のレンズアレイを有し、裏面に第２のレンズアレイを有するレンズシートであって、第１のレンズアレイは、第１のレンズ領域と第１の非レンズ領域を交互に有し、第２のレンズアレイは、第２のレンズ領域と第２の非レンズ領域を交互に有し、第１のレンズ領域の中央部と、第２の非レンズ領域が重畳し、第１の非レンズ領域と、第２のレンズ領域の中央部が重畳し、第１のレンズ領域の端部と、第２のレンズ領域の端部が重畳するレンズシートである。
また、上記において、第１のレンズ領域の幅をＤ、第２の非レンズ領域の幅をｄ、レンズシートの厚さをｔ、第１のレンズの曲率半径をＲ、レンズシートの屈折率をｎ、第１のレンズ領域に入った光が集光されて第２の非レンズ領域から出射するとき、第２の非レンズ領域の光が出射する領域の幅をα、定数Ｃを、４．４＜Ｃ＜４．６とするとき、下記式（１）の関係が成立し、第１のレンズアレイに光が入射し、第２のレンズアレイから出射するとき、第２のレンズアレイの下部に、光が照射されない領域を有することができる。
また、上記において、第１のレンズ領域および第２のレンズ領域の少なくとも一方を、シリンドリカルレンズとすることができる。
また、上記において、第１のレンズ領域および第２のレンズ領域の少なくとも一方を、プリズム状レンズとすることができる。
また、上記のレンズシートを有する光電変換モジュールであって、第１のレンズアレイを上面、第２のレンズアレイを下面としたレンズシートの下面側に、グリッド電極が上面に設けられた光電変換素子を有し、第２のレンズアレイの下部に生じた光が照射されない領域にグリッド電極が位置するよう、光電変換素子およびグリッド電極を配置する、光電変換モジュールである。
なお、シリンドリカルレンズとは、断面において円弧または楕円の弧を有する形状のレンズである。
本発明の一態様により、レンズシートの上から光が入射したとき、下部に光が照射されない領域を生じさせ、レンズシートに入射した光をもれなく有効に利用できるレンズシートを提供することができる。また、光をより効率よく光電変換素子に照射できるレンズシートを提供することができる。また、高効率の光電変換モジュールを提供することができる。
本発明の実施の形態の一例について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」などの序数は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
（実施の形態１）
本実施の形態では、レンズシートの一例、およびレンズシートと光電変換モジュールの配置の一例について、図１および図２を参照して説明する。
本実施の形態では、レンズシートの一例、およびレンズシートと光電変換モジュールの配置の一例について、図１および図２を参照して説明する。
＜レンズシート＞
図１に、本発明の一態様に係るレンズシート１００を有する光電変換モジュール２０２を示す。図１（Ａ）は斜視図、図１（Ｂ）は断面図である。図１（Ａ）に示すようにレンズシート１００は、第１の面Ｓ１にシリンドリカルレンズである第１のレンズ領域と、レンズ領域以外の部分である第１の非レンズ領域を有している。また第１の面の裏面である第２の面Ｓ２にも、シリンドリカルレンズである第２のレンズ領域と、第２の非レンズ領域を有している。レンズシート１００において、第１のレンズ領域の中央部と第２の非レンズ領域は重畳しており、第１の非レンズ領域と第２のレンズ領域の中央部は重畳している。また、第１のレンズ領域の端部と、第２のレンズ領域の端部は重畳している。
図１に、本発明の一態様に係るレンズシート１００を有する光電変換モジュール２０２を示す。図１（Ａ）は斜視図、図１（Ｂ）は断面図である。図１（Ａ）に示すようにレンズシート１００は、第１の面Ｓ１にシリンドリカルレンズである第１のレンズ領域と、レンズ領域以外の部分である第１の非レンズ領域を有している。また第１の面の裏面である第２の面Ｓ２にも、シリンドリカルレンズである第２のレンズ領域と、第２の非レンズ領域を有している。レンズシート１００において、第１のレンズ領域の中央部と第２の非レンズ領域は重畳しており、第１の非レンズ領域と第２のレンズ領域の中央部は重畳している。また、第１のレンズ領域の端部と、第２のレンズ領域の端部は重畳している。
なお、本明細書においてシリンドリカルレンズとは、断面において円弧または楕円の弧を有する形状のレンズをいう。なお、互いに重なる第１のレンズ領域の端部及び第２のレンズ領域の端部の幅はそれぞれ、端から２０％以内の長さ、好ましくは５％以内の長さである。中央部とは、端部以外の部分を言う。
レンズシート１００は透光性を有する材料で形成されている。透光性を有する材料としては、レンズシートに入った光の８５％以上を透過するものを用いることが好ましい。例えば、アクリル樹脂（ポリメチルメタクリレート樹脂）、環状オレフィンポリマー樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアクリルニトリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＰＥＴ樹脂（ポリエチレンテレフタレート樹脂）、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリスルホン樹脂、ビニルエステル樹脂、マレイミド樹脂、ガラス、石英、蛍石などの結晶、およびこれらを組み合わせたものなどを用いることができる。
また、レンズシート１００の第１の面を上面、第２の面を下面としたとき、レンズシート１００の下面側に光電変換素子２００およびグリッド電極２０１を配置する。
レンズシート１００を透過し光電変換素子２００に照射された光は、電流に変換されグリッド電極２０１を通って取り出される。光電変換モジュール２０２では、グリッド電極２０１を有することにより、電流を取り出す際の電気抵抗を低減することができる。
図２と数式１を用いて、レンズシート１００の形状について説明する。ここで、レンズシート１００について図２に示すように、第１のレンズ領域の幅：Ｄ、第２の非レンズ領域の幅：ｄ、厚さ：ｔとする。また、レンズの曲率半径：Ｒ、レンズシート１００の屈折率：ｎとする。また、図２における矢印の方向から入射する光が、第１のレンズ領域で集光されて第２の面から出射するとき、第２の面の光が出射する領域の幅を、スポット：αとする。なおαは、第２の面から出射する光強度の最大値を１としたとき、１から１／ｅ２までの光が出射する領域の幅を指す。ここで、ｅは自然対数の底である。また、レンズシート１００の周囲は大気（屈折率ｎ＝１）とする。
レンズシート１００について、以下の式（１）の関係が成立する。ここで、定数：Ｃは、４．４＜Ｃ＜４．６である。
式（１）に示される通り、第１のレンズ領域に入射した光が第２の非レンズ領域から出射する領域であるスポットαは、第２の非レンズ領域の幅ｄ以下である。
第１の非レンズ領域に入射し、第２のレンズ領域から出射する光は、第２のレンズ領域により集光する。
このような関係を満たすことにより、レンズシート１００の上から光が入射したとき、下部に光が照射されない領域が生じる。また、このような関係を満たすレンズシート１００を有する光電変換モジュール２０２とすることで、光をより効率よく光電変換素子に照射させることができる。レンズシート１００を有する光電変換モジュールとする際の、レンズシート１００、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置について、詳細を以下に説明する。
＜レンズシートと光電変換モジュールの配置＞
レンズシート１００と光電変換モジュール２０２の配置の一例について、図１（Ｂ）を参照して説明する。なお、図１において、光はレンズアレイに対して略０°で入射するものとする。ここで略０°とは、−５°から５°の範囲をいうこととする。また、図１（Ｂ）および図２において、点線は光の進行方向を示す。
レンズシート１００と光電変換モジュール２０２の配置の一例について、図１（Ｂ）を参照して説明する。なお、図１において、光はレンズアレイに対して略０°で入射するものとする。ここで略０°とは、−５°から５°の範囲をいうこととする。また、図１（Ｂ）および図２において、点線は光の進行方向を示す。
図１（Ｂ）に示すように、レンズシート１００の下面側に光電変換素子２００およびグリッド電極２０１が配置された光電変換モジュール２０２において、レンズシート１００の第１の面から入射した光が第２の面から出射するとき、第１のレンズ領域の端部と第２のレンズ領域の端部が重畳した部分の下部に、光が当たらない領域が生じる。該光が当たらない領域にグリッド電極２０１が位置するように、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１を配置する。上から光が入射したとき、下部に光が照射されない領域が生じるレンズシート１００を用い、かつ上記のようなレンズシート１００、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置にすることにより、光をもれなく光電変換素子２００に照射することができる。そのため、高効率な光電変換モジュール２０２とすることができる。
なお、第１のレンズ領域の曲率半径および第２のレンズ領域の曲率半径は、グリッド電極２０１を光が当たらない領域に配置できる範囲で、大きい方が好ましい。光電変換素子２００の受光部のうち、グリッド電極２０１に近い領域ほど、生じた電流を取り出すときの抵抗が少ない。そのため光電変換素子２００のグリッド電極２０１に近い領域にも光が照射されるように、第１のレンズ領域および第２のレンズ領域の曲率半径を設計すると、光電変換効率が向上する。
また、第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅は、加工精度、屈折率、曲率半径等から適宜設計することができる。例えば、レンズ領域と非レンズ領域の境界の、加工精度の限界により設計通りの曲率半径にならない領域がレンズ領域の５％ならば、重畳幅はレンズ領域の５％を超えるよう設計することが好ましい。
（実施の形態２）
本実施の形態では、レンズシートの変形例と、レンズシート、光電変換素子およびグリッド電極の配置の変形例について、図３乃至図７を参照して説明する。なお、図３乃至図６において、光はレンズアレイに対して略０°で入射するものとする。また、図３（Ｂ）、図４、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）において、点線は光の進行方向を示す。
本実施の形態では、レンズシートの変形例と、レンズシート、光電変換素子およびグリッド電極の配置の変形例について、図３乃至図７を参照して説明する。なお、図３乃至図６において、光はレンズアレイに対して略０°で入射するものとする。また、図３（Ｂ）、図４、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）において、点線は光の進行方向を示す。
本発明の一態様である、図３（Ａ）の斜視図および図３（Ｂ）の断面図に示すレンズシート１０１は、レンズ領域がプリズム状である点において、図１と異なっている。レンズシート１０１の第１の面のレンズ領域と第２の面のレンズ領域のプリズムの高さと角度は、同じでもよいし、異なっていてもよい。第１の面および第２の面のレンズ領域をプリズム状にすることで、光電変換素子２００に照射される光が第１面のレンズ領域に入射する光と略同じ強さになる領域を、広くすることができる。光電変換素子２００に光が均一に照射される領域が広いと、光電変換効率を向上させることができる。そのため高効率な光電変換モジュール２０２とすることができる。レンズ領域の形状の他は図１についての記載を参酌できる。
本発明の一態様である、図４（Ａ）に断面図に示すレンズシート１０２は、第１の面のレンズ領域の曲率半径と第２の面のレンズ領域の曲率半径が異なる点において、図１と異なっている。第１の面のレンズ領域の曲率半径を、第２の面のレンズ領域の曲率半径よりも大きくすることで、光電変換素子２００により均等に光を照射することができる。光電変換素子２００に均等に光を照射することで、光電変換効率を向上させることができる。そのためより高効率な光電変換モジュール２０２とすることができる。レンズ領域の形状の他は図１についての記載を参酌できる。
本発明の一態様である、図４（Ｂ）に示す光電変換モジュールは、グリッド電極２０４の配置において図１と異なっている。図４（Ｂ）では、グリッド電極２０４の周期Ｌ２は、レンズシート１００の第１の面および第２の面のレンズ領域の頂点の周期Ｌ１の２倍となっている。なお、本発明の一態様は、Ｌ２はＬ１の２倍に限られず、整数倍であればよい。このような配置でも、レンズシート１００に入射した光をもれなく光電変換素子２０３に照射することができる。グリッド電極の配置の他は図１についての記載を参酌できる。
本発明の一態様である、図５（Ａ）の斜視図および図５（Ｂ）の断面図に示すレンズシート１０４は、レンズ領域を第１の面Ｓ１にのみ有する点と、レンズ領域の幅において、図１と異なっている。図５（Ｂ）に示す、レンズシート１０４のレンズ領域の幅Ｌ３は、該レンズ領域の下部の受光部と、該受光部を挟む２つのグリッド電極２０１の幅の和Ｌ４以上となるようにする。また、非レンズ領域の幅は、該非レンズ領域の下部の受光部の幅より小さくなるようにする。また、レンズシート１０４の上から光が入射するとき、レンズシート１０４の下部に生じる光が照射されない領域に、グリッド電極２０１が位置するよう、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１を配置する。
レンズシート１０４のように片面にのみレンズ領域を有することで、レンズシートの加工を容易にすることができる。また上述のレンズシート１０４、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置でも、レンズシート１０４に入射した光をもれなく光電変換素子２００に照射することができる。そのため、高効率な光電変換モジュール２０２とすることができる。レンズ領域を有する面とレンズ領域の幅の他は図１についての記載を参酌できる。
本発明の一態様である、図６（Ａ）の斜視図および図６（Ｂ）の断面図に示すレンズシート１０５は、レンズ領域を第２の面Ｓ２にのみ有する点において、図５と異なっている。レンズ領域を有する面の他は図５についての記載を参酌できる。
本発明の一態様である、図７（Ａ）に断面図を示す光電変換モジュールは、レンズシート１００、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置について図１と異なっている。
図７において、矢印は光が入射する方向を示す。図３乃至図６において光はレンズシートに略０°で入射していた。しかし図７のように、レンズシート１００に斜めに光が入射した場合、レンズシート１００の下部に生じた光が当たらない領域が移動し、光がグリッド電極２０１に照射される可能性がある。
そこで、図７（Ａ）に示す光電変換モジュール２０２では、入射する光の入射角に応じて、レンズシート１００または光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の少なくとも一方を移動させる。移動させることで、レンズシート１００下部に生じる光が当たらない領域とグリッド電極２０１の位置関係を制御することができる。そのため、レンズシート１００から出射する光を、グリッド電極２０１を避けて光電変換素子２００に効率よく照射することができる。そのため、光が斜めから入射する場合でも、高効率な光電変換モジュール２０２とすることができる。
なお、レンズシート１００と光電変換素子２００およびグリッド電極２０１間の距離、移動量等は適宜設計することができる。
また、図７（Ｂ）に示すように、レンズシートを２層構造とし、レンズシート１０３ａおよびレンズシート１０３ｂを有するレンズシート１０３としてもよい。２層構造とすることで、第１のレンズ領域を有するレンズシート１０３ａと、第２のレンズ領域を有するレンズシート１０３ｂを異なる距離を移動させることができる。
レンズシート１０３ａ、レンズシート１０３ｂならびに光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の少なくとも１つを移動することで、レンズシート１０３下部に生じる光が当たらない領域とグリッド電極２０１の位置関係を制御することができる。そのため、レンズシート１０３から出射する光を、グリッド電極２０１を避けて光電変換素子２００に効率よく照射することができる。
さらに、レンズシート１０３を２層構造とし、レンズシート１０３ａおよびレンズシート１０３ｂを異なる距離移動させることで、より均等に光電変換素子２００に光を照射することができる。光電変換素子２００に均等に光を照射することで、光電変換効率を向上させることができる。そのためより高効率な光電変換モジュール２０２とすることができる。
なお、レンズシート１０３ａおよびレンズシート１０３ｂの間には、レンズシートと同程度の屈折率を有する潤滑剤を充填させることが好ましい。これにより、レンズシート１０３ａとレンズシート１０３ｂの界面における反射を低減することができる。
なお、図３乃至図７では、第１のレンズ領域または第２のレンズ領域の焦点の手前に光電変換素子２００を配置したが、本発明の一態様はこれに限られない。第１のレンズ領域および第２のレンズ領域の少なくとも一方の焦点より遠くに光電変換素子２００を配置し、一度集光してから拡散した光が光電変換素子２００に照射するように配置してもよい。
また、実施の形態１および実施の形態２に示した特徴を組み合わせて有するレンズシートとしてもよい。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１および実施の形態２に適用することのできる光電変換素子およびグリッド電極の構造の例について、図８を参照して説明する。
本実施の形態では、実施の形態１および実施の形態２に適用することのできる光電変換素子およびグリッド電極の構造の例について、図８を参照して説明する。
図８（Ａ）に、本発明の一態様に適用することのできる、光電変換素子３６０およびグリッド電極２０１を示す。グリッド電極２０１は光電変換素子３６０上に設けられ、光電変換素子３６０は、グリッド電極側から順に第１の半導体層３５１、第２の半導体層３５２、導電層３５３を有する。また、第１の半導体層の上に反射防止膜３５０を有していてもよい。
グリッド電極２０１および導電層３５３の材料には、金属を用いることができる。グリッド電極２０１には、電気伝導性が高く半導体層に拡散しにくい、銀を用いることが好ましい。また導電層３５３にはニッケル、ステンレス、チタン、タンタル、タングステン、モリブデンなどを使用でき、これらの金属で上下を挟み込む様にすればアルミニウムを用いることもできる。
半導体層には、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体および非晶質半導体を用いることができる。また低抵抗の半導体を用いてもよい。図８（Ａ）では図の上方向から光を照射するため、第１の半導体層３５１をｐ型、第２の半導体層３５２をｎ型とすることが好ましい。
図８（Ｂ）に、光電変換素子３６１およびグリッド電極２０１を示す。光電変換素子３６１は、グリッド電極側から順に第１の半導体層３５１、第２の半導体層３５２、第３の半導体層３５４、導電層３５３を有する。光電変換素子の半導体層については、第１の半導体層をｐ型、第２の半導体層および第３の半導体層をｎ型としてもよい。また、第１の半導体層をｐ型、第２の半導体層をｉ型、第３の半導体層をｎ型としてもよい。また、半導体層以外の部分は、図８（Ａ）についての記載を参酌できる。
また、本発明の一態様に、複数のｐｉｎ結合を持つ多接合光電変換素子を適用してもよい。たとえば、図８（Ｃ）に示すような、グリッド電極２０１を両面に有し、その間に光電変換素子３６２を有する構成としてもよい。光電変換素子３６２は、透光性を有する導電層３５５ａ、３５５ｂ、ｐ型またはｎ型の半導体層３５６ａ、３５６ｂ、ｉ型の半導体層３５７ａ、３５７ｂ、ｎ型またはｐ型の半導体層３５８を有する。
透光性を有する導電層３５５ａ、３５５ｂには、酸化インジウム−酸化錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）または酸化錫（ＳｎＯ２）などを用いることができる。
光電変換素子３６２は両面で光電変換が可能なため、光電変換モジュールの上下にレンズアレイを配置してもよい。
なお、図８（Ａ）乃至（Ｃ）に記載の光電変換素子３６０、３６１、３６２における半導体層３５１、３５２、３５４、３５６ａ、３５６ｂ、３５７ａ、３５７ｂ、３５８について、少なくとも１つに凹凸構造を設けてもよい。凹凸構造により光閉じ込め効果を付与することができ、光電変換効率を向上させることができる。
また、本発明の一態様は、微結晶シリコンおよび非晶質シリコン等の薄膜シリコンを用いた光電変換モジュールに適用してもよい。
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るレンズシートおよび光電変換モジュールを用いた太陽光発電システムについて、図９を参照して説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るレンズシートおよび光電変換モジュールを用いた太陽光発電システムについて、図９を参照して説明する。
図９は照明装置を備えた電柱であり、光電変換モジュール４００、光電変換モジュール設置機構４０１、送電線４０２、照明装置４０３、電柱４０４を含む。光電変換モジュール４００で発電した電力で照明装置４０３を点灯させることができる。光電変換モジュール４００には本発明の一態様を適用するため、入射光を効率的に光電変換でき、高い発電量が得られる。
また、光電変換モジュール設置機構４０１を可動型とすることにより、追尾型の太陽光発電システムとしてもよい。また、さらに集光用レンズを有する光電変換モジュール４００とすることにより、集光追尾型太陽発電システムとしてもよい。追尾型または集光型とすることで、太陽から照射される光をより効率よく光電変換モジュール４００に照射することができる。また、追尾型とすることで、太陽から光電変換モジュール４００に照射される光の入射角を小さくすることができる。光電変換モジュール設置機構４０１により光の入射角を小さくできる場合、本発明の一態様に係るレンズシートおよび光電変換モジュールの設計の自由度が向上するため好ましい。
本実施例では、垂直にレンズシートに光が入射する場合の、本発明の一態様に係るレンズシートと光電変換モジュールの配置の計算結果について、図１０および図１１を参照して説明する。
まず、本発明の一態様であるレンズシート１０２と、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置について、以下の条件で計算を行った。レンズシート１０２は第１の面および第２の面にシリンドリカルレンズであるレンズ領域を有し、第１の面のレンズ領域の曲率半径と第２の面のレンズ領域の曲率半径が異なっている。図１０にその結果を示す。なお、以下の実施例の計算にはすべてＳｙｎｏｐｓｙｓ，Ｉｎｃ．の照明設計解析ソフトウェア「Ｌｉｇｈｔ ｔｏｏｌｓ」を用いた。
＜図１０の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：２．０１ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．０１ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：７．３ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：２ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：０．５ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
＜図１０の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：２．０１ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．０１ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：７．３ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：２ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：０．５ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
計算の結果、スポットαおよびレンズシート１０２に入射した光が光電変換素子２００に照射したときの光の幅は以下のようになった。
＜図１０の計算結果＞
スポットα：１．８２ｍｍ
第１のレンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．７５ｍｍ
第１の非レンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．７５ｍｍ
＜図１０の計算結果＞
スポットα：１．８２ｍｍ
第１のレンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．７５ｍｍ
第１の非レンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．７５ｍｍ
上記の結果および図１０から、レンズシート１０２に入射した光がグリッド電極２０１にあたることなく光電変換素子２００に照射されることが示された。
次に、上記の条件から、第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅を変えて計算を行った。図１１（Ａ）にその結果を示す。
＜図１１（Ａ）の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２．１ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：２．１ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．１ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：６ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：２ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：０．５ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
＜図１１（Ａ）の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２．１ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：２．１ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．１ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：６ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：２ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：０．５ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
計算の結果、スポットαおよびレンズシート１０２に入射した光が光電変換素子２００に照射したときの光の幅は以下のようになった。
＜図１１（Ａ）の計算結果＞
スポットα：１．８７ｍｍ
第１のレンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．７８ｍｍ
第１の非レンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．６６ｍｍ
＜図１１（Ａ）の計算結果＞
スポットα：１．８７ｍｍ
第１のレンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．７８ｍｍ
第１の非レンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．６６ｍｍ
上記の結果および図１１（Ａ）から、レンズシート１０２に入射した光がグリッド電極２０１にあたることなく光電変換素子２００に照射されることが示された。
次に、上記の条件から、第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅を変えて計算を行った。図１１（Ｂ）にその結果を示す。
＜図１１（Ｂ）の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２．２ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：２．２ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．２ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：３ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：１．８ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：０．５ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
＜図１１（Ｂ）の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２．２ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：２．２ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．２ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：３ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：１．８ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：０．５ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
計算の結果、スポットαおよびレンズシート１０２に入射した光が光電変換素子２００に照射したときの光の幅は以下のようになった。
＜図１１（Ｂ）の計算結果＞
スポットα：１．７１ｍｍ
第１のレンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．５３ｍｍ
第１の非レンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．５５ｍｍ
＜図１１（Ｂ）の計算結果＞
スポットα：１．７１ｍｍ
第１のレンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．５３ｍｍ
第１の非レンズ領域に入射した光が光電変換素子に照射したときの光の幅：１．５５ｍｍ
上記の結果および図１１（Ｂ）から、レンズシート１０２に入射した光がグリッド電極２０１にあたることなく光電変換素子２００に照射されることが示された。
本実施例では、レンズアレイに対して斜めから光が入射した場合の、本発明の一態様に係るレンズシートと光電変換モジュールの配置の計算結果について、図１２および図１３を参照して説明する。
まず、本発明の一態様である、第１の面および第２の面にシリンドリカルレンズであるレンズ領域を有するレンズシート１０２と、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置について、以下の条件で計算を行った。図１２（Ａ）にその結果を示す。なお、本実施例において、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離は図の右方向への移動距離とする。（光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の図の右方向への移動距離は、レンズシート１０２の図の左方向への移動距離としてもよい。）
＜図１２（Ａ）の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２．３ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：１．９ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．１ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：４ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：３ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：１ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
入射角：１０°
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．４５ｍｍ
＜図１２（Ａ）の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：２．３ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：１．９ｍｍ
第１のレンズ領域と第２のレンズ領域の重畳幅：０．１ｍｍ
レンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：４ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：３ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：１ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
入射角：１０°
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．４５ｍｍ
図１２（Ａ）から、レンズシート１０２に入射した光がグリッド電極２０１にあたることなく光電変換素子２００に照射されることが示された。
次に、上記の条件から、以下のように入射角と光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離を変えて計算を行った。図１２（Ｂ）にその結果を示す。
＜図１２（Ｂ）の計算条件＞
入射角：２０°
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．８ｍｍ
＜図１２（Ｂ）の計算条件＞
入射角：２０°
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．８ｍｍ
図１２（Ｂ）から、レンズシート１０２に入射した光がグリッド電極２０１にあたることなく光電変換素子２００に照射されることが示された。
次に、上記の条件から、以下のように入射角と光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離を変えて計算を行った。図１３（Ａ）にその結果を示す。
＜図１３（Ａ）の計算条件＞
入射角：２３．４°
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．９５ｍｍ
＜図１３（Ａ）の計算条件＞
入射角：２３．４°
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．９５ｍｍ
図１３（Ａ）から、レンズシート１０２に入射した光がグリッド電極２０１にあたることなく光電変換素子２００に照射されることが示された。
図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）および図１３（Ａ）に示す計算結果から、レンズシート１０２に入射した光の入射角に応じて、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１またはレンズシート１０２を適宜移動させることで、グリッド電極２０１を回避し光電変換素子２００に効率よく光を照射できることが示された。
次に、本発明の一態様である、レンズシート１０３ａおよびレンズシート１０３ｂを有する２層構造のレンズシート１０３と、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置について、以下の条件で計算を行った。図１３（Ｂ）にその結果を示す。
＜図１３（Ｂ）の計算条件＞
入射角：２３．４°
レンズシート１０３ｂの移動距離：０．５ｍｍ
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．９５ｍｍ
＜図１３（Ｂ）の計算条件＞
入射角：２３．４°
レンズシート１０３ｂの移動距離：０．５ｍｍ
光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の移動距離：０．９５ｍｍ
図１３（Ｂ）に示す計算結果から、レンズシート１０３に入射する光の入射角に応じて、レンズシート１０３ｂ、光電変換素子２００およびグリッド電極２０１を適宜移動させることで、グリッド電極２０１を回避し光電変換素子２００に効率よく光を照射できることが示された。また、光電変換素子２００により均等に光を照射できることが示された。
〔比較例１〕
〔比較例１〕
本比較例では、両面にレンズ領域を連続して有し両面のレンズアレイのピッチのずれが半周期であるレンズシートと、光電変換モジュールの配置の計算結果について、図１４を参照して説明する。なお、レンズシートに垂直に光が入射した場合とする。
両面にレンズ領域を連続して有し両面のレンズアレイのピッチのずれが半周期であるレンズシート３０２と光電変換素子２００およびグリッド電極２０１の配置について、以下の条件で計算を行った。図１４にその結果を示す。連続してレンズ領域を有するレンズシート３０２では、加工精度に限界があるため、実際にはレンズ領域同士の境界を厳密に理想的な形状することはできない。そのためレンズ領域同士の境界部分は、レンズとして十分に機能しない丸みを帯びた領域、または平坦な領域となってしまう。そのためレンズシート３０２のレンズ領域同士の境界部分には、加工限界による０．１ｍｍ幅の平面が生じていることとした。
＜図１４の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：１．９ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：１．９ｍｍ
レンズ領域同士の境界の平面：０．１ｍｍ
レンズ領域を除くレンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：３ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：３ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：１ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
＜図１４の計算条件＞
第１のレンズ領域の幅Ｄ１：１．９ｍｍ
第２のレンズ領域の幅Ｄ２：１．９ｍｍ
レンズ領域同士の境界の平面：０．１ｍｍ
レンズ領域を除くレンズシートの厚さｔ０：２ｍｍ
第１のレンズ領域の曲率半径Ｒ１：３ｍｍ
第２のレンズ領域の曲率半径Ｒ２：３ｍｍ
レンズシートの屈折率ｎ：１．５
第２のレンズ領域から光電変換素子２００までの距離：１ｍｍ
グリッド電極の幅：０．２ｍｍ
グリッド電極の高さ：０．１ｍｍ
図１４のように、境界部分に入射した光は十分に屈折せずに直進する。またこの光は第２の面のレンズ領域に対して垂直であるため、第２の面のレンズ領域においても屈折せずに直進し、グリッド電極２０１に照射されてしまうことが示された。
以上の実施例１および実施例２並びに比較例１より、本発明の一態様であるレンズシートを用いることで、レンズシートに入射した光は、グリッド電極２０１にあたることなく光電変換素子２００に照射されることが示された。
１００ レンズシート
１０１ レンズシート
１０２ レンズシート
１０３ レンズシート
１０３ａ レンズシート
１０３ｂ レンズシート
１０４ レンズシート
１０５ レンズシート
２００ 光電変換素子
２０１ グリッド電極
２０２ 光電変換モジュール
２０３ 光電変換素子
２０４ グリッド電極
３００ レンズシート
３０１ レンズシート
３０２ レンズシート
３５０ 反射防止膜
３５１ 半導体層
３５２ 半導体層
３５３ 導電層
３５４ 半導体層
３５５ａ 導電層
３５５ｂ 導電層
３５６ａ 半導体層
３５６ｂ 半導体層
３５７ａ 半導体層
３５７ｂ 半導体層
３５８ 半導体層
３６０ 光電変換素子
３６１ 光電変換素子
３６２ 光電変換素子
４００ 光電変換モジュール
４０１ 光電変換モジュール設置機構
４０２ 送電線
４０３ 照明装置
４０４ 電柱
１０１ レンズシート
１０２ レンズシート
１０３ レンズシート
１０３ａ レンズシート
１０３ｂ レンズシート
１０４ レンズシート
１０５ レンズシート
２００ 光電変換素子
２０１ グリッド電極
２０２ 光電変換モジュール
２０３ 光電変換素子
２０４ グリッド電極
３００ レンズシート
３０１ レンズシート
３０２ レンズシート
３５０ 反射防止膜
３５１ 半導体層
３５２ 半導体層
３５３ 導電層
３５４ 半導体層
３５５ａ 導電層
３５５ｂ 導電層
３５６ａ 半導体層
３５６ｂ 半導体層
３５７ａ 半導体層
３５７ｂ 半導体層
３５８ 半導体層
３６０ 光電変換素子
３６１ 光電変換素子
３６２ 光電変換素子
４００ 光電変換モジュール
４０１ 光電変換モジュール設置機構
４０２ 送電線
４０３ 照明装置
４０４ 電柱
Claims (5)
- 表面に第１のレンズアレイを有し、裏面に第２のレンズアレイを有するレンズシートであって、
前記第１のレンズアレイは、第１のレンズ領域と第１の非レンズ領域を交互に有し、
前記第２のレンズアレイは、第２のレンズ領域と第２の非レンズ領域を交互に有し、
前記第１のレンズ領域の中央部と、前記第２の非レンズ領域が重畳し、
前記第１の非レンズ領域と、前記第２のレンズ領域の中央部が重畳し、
前記第１のレンズ領域の端部と、前記第２のレンズ領域の端部が重畳するレンズシート。 - 前記第１のレンズ領域の幅をＤ、前記第２の非レンズ領域の幅をｄ、前記レンズシートの厚さをｔ、前記第１のレンズ領域の曲率半径をＲ、前記レンズシートの屈折率をｎ、前記第１のレンズ領域に入った光が集光されて前記第２の非レンズ領域から出射するとき、前記第２の非レンズ領域の光が出射する領域の幅をα、定数Ｃを４．４＜Ｃ＜４．６とするとき、下記式（１）の関係が成立し、
前記第１のレンズアレイに光が入射し、前記第２のレンズアレイから出射するとき、前記第２のレンズアレイの下部に光が照射されない領域を有する、請求項１に記載のレンズシート。
- 前記第１のレンズ領域および前記第２のレンズ領域の少なくとも一方が、シリンドリカルレンズである、請求項１または請求項２に記載のレンズシート。
- 前記第１のレンズ領域および前記第２のレンズ領域の少なくとも一方が、プリズム状レンズである、請求項１に記載のレンズシート。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のレンズシートを有する光電変換モジュールであって、
前記第１のレンズアレイを上面、前記第２のレンズアレイを下面とした前記レンズシートの下面側に、グリッド電極が上面に設けられた光電変換素子を有し、
前記第２のレンズアレイの下部に生じた前記光が照射されない領域に前記グリッド電極が
位置するよう、前記光電変換素子および前記グリッド電極を配置する、光電変換モジュール。
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