JP2012212696A - Fresnel lens structure, light condensing device, fresnel lens for solar cells with cover glass, and manufacturing method of the fresnel lens for the solar cells with the cover glass - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池装置等のフレネルレンズを利用して受光素子に集光する集光装置に関し、詳しくは、全てがガラス製のフレネルレンズ構造体、全てがガラス製のカバーガラス付きフレネルレンズ、および、これを用いることにより、小型化を可能にした集光装置、ならびに、カバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法に関する。 The present invention relates to a condensing device that collects light on a light receiving element using a Fresnel lens such as a solar cell device, and more specifically, a Fresnel lens structure made entirely of glass, a Fresnel lens with a cover glass made entirely of glass, The present invention also relates to a light collecting device that can be miniaturized by using this, and a method for manufacturing a Fresnel lens for a solar cell with a cover glass.
光エネルギーを、高い効率で電気エネルギーに変換させるための太陽電池装置として、集光型の太陽電池装置が知られている。
この集光型の太陽電池装置は、特許文献1等に示されるように、集光レンズで集光した光を太陽電池セルに入射し、電気エネルギーに変換するものである。
A concentrating solar cell device is known as a solar cell device for converting light energy into electric energy with high efficiency.
In this concentrating solar cell device, as disclosed in Patent Document 1 and the like, light collected by a condensing lens enters a solar cell and is converted into electric energy.
このような集光型の太陽電池装置においては、集光レンズとして、フレネルレンズが利用されている。
ここで、特許文献1にも示されるように、従来、太陽電池装置に用いられるフレネルレンズは、樹脂製である。フレネルレンズは、入射した光の進行方向を変化させるための凹凸が形成される面を有している。そして、フレネルレンズのその面と対向する平滑な面とカバーガラスとを接着剤を用いて接合している。
In such a concentrating solar cell device, a Fresnel lens is used as a condensing lens.
Here, as also shown in Patent Document 1, conventionally, a Fresnel lens used in a solar cell device is made of resin. The Fresnel lens has a surface on which irregularities for changing the traveling direction of incident light are formed. And the smooth surface facing the surface of the Fresnel lens and the cover glass are joined using an adhesive.
ここで、樹脂製のフレネルレンズの屈折率は、一般的に、1.4〜1.6程度であり、低い。そのため、フレネルレンズから光を集光させる位置(太陽電池セルまでの距離)を十分に確保する必要がある。そのため、装置に厚みが必要となり、結果として、太陽光装置自体が大きくなってしまうという問題点がある。 Here, the refractive index of the resin-made Fresnel lens is generally about 1.4 to 1.6 and is low. Therefore, it is necessary to sufficiently secure a position (a distance to the solar battery cell) for condensing light from the Fresnel lens. Therefore, there is a problem in that the device needs to be thick, and as a result, the solar device itself becomes large.
本発明は、以上説明した従来の実情を鑑みて提案されたものであり、太陽電池装置等に利用した際に、厚さを薄くして小型化を図ることができるフレネルレンズ構造体、集光装置、太陽電池装置用のカバーガラス付きフレネルレンズ、および、このフレネルレンズの製造方法を提供する。 The present invention has been proposed in view of the above-described conventional situation, and when used in a solar cell device or the like, the Fresnel lens structure, which can be reduced in size by reducing the thickness, and the light collecting Provided are a device, a Fresnel lens with a cover glass for a solar cell device, and a method of manufacturing the Fresnel lens.
上記目的を達成するために、本発明のフレネルレンズ構造体は、第1面と前記第1面に対向する第2面とを有するガラス基板を備えたフレネルレンズ構造体であって、前記ガラス基板の前記第1面には、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成されていることを特徴とするフレネルレンズ構造体を提供する。 To achieve the above object, the Fresnel lens structure of the present invention is a Fresnel lens structure including a glass substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, the glass substrate. A first Fresnel lens structure is provided in which a plurality of concentric annular lenses having a concavo-convex cross section are formed on the first surface.
また、本発明のフレネルレンズ構造体の別の態様は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に設けられるガラス製のフレネルレンズとを備えたフレネルレンズ構造体であって、前記フレネルレンズは、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第1面と前記第1面に対向し前記第1面よりも平滑な第2面とを有し、前記第2面は前記ガラス基板に対面していることを特徴とするフレネルレンズ構造体を提供する。 Another aspect of the Fresnel lens structure of the present invention is a Fresnel lens structure including a glass substrate and a glass Fresnel lens provided on the glass substrate, and the Fresnel lens has a cross section. A first surface on which a plurality of concentric annular lenses having a concavo-convex shape are formed and a second surface facing the first surface and smoother than the first surface, the second surface being the glass Provided is a Fresnel lens structure characterized by facing a substrate.
また、本発明の集光装置は、光が入射される第1面と前記光が出射される第2面とを有するカバーガラスと、前記カバーガラスの前記第2面上に設けられ、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第3面と前記第1面に対向し前記第3面よりも平滑な第4面とを有し、前記第4面が前記カバーガラスの前記第2面に対面するガラス製のフレネルレンズと、前記フレネルレンズに対面して、前記フレネルレンズと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置を提供する。 The light collecting device of the present invention is provided on a cover glass having a first surface on which light is incident and a second surface on which the light is emitted, and on the second surface of the cover glass, and has a cross section. A third surface on which a plurality of concentric annular lenses having an uneven shape are formed, and a fourth surface facing the first surface and smoother than the third surface, wherein the fourth surface is the cover A condensing device comprising: a glass Fresnel lens facing the second surface of the glass; and a light receiving element disposed facing the Fresnel lens and spaced apart from the Fresnel lens. To do.
このような本発明の集光装置において、前記受光素子が太陽電池セルであるのが好ましく、また、前記フレネルレンズは、前記凹凸の凸部の光軸方向の高さが均一であるのが好ましい。 In such a light collecting device of the present invention, the light receiving element is preferably a solar cell, and the Fresnel lens preferably has a uniform height in the optical axis direction of the convex and concave portions of the unevenness. .
また、本発明の集光装置の別の態様は、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第1面と前記第1面に対向する第2面とを有するカバーガラスと、
前記カバーガラスの前記第1面に対面して、前記カバーガラスと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置を提供する。
According to another aspect of the light collecting apparatus of the present invention, the cover has a first surface on which a plurality of concentric annular lenses having a concavo-convex cross section are formed, and a second surface facing the first surface. Glass,
Provided is a light collecting device comprising a light receiving element that faces the first surface of the cover glass and is spaced apart from the cover glass.
また、本発明のカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズは、第1面およびこの第1面の裏面の凹凸面を有し、前記カバーガラスの一面に前記第1面を直接接触して一体化される、ガラス製のフレネルレンズとを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズを提供する。 Moreover, the Fresnel lens for solar cells with a cover glass of the present invention has a first surface and an uneven surface on the back surface of the first surface, and is integrated by directly contacting the first surface with one surface of the cover glass. And a glass-made Fresnel lens, and a cover glass-attached solar cell Fresnel lens.
さらに、本発明のカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法は、カバーガラスの表面に、前記カバーガラスの軟化点よりも低い軟化点を有するガラスフリットとバインダとを含むペーストを塗布して塗膜を形成する工程と、前記バインダが軟化する第1の温度で、前記塗膜の表面に凹凸が形成された成形型を押し当てて離し、前記塗膜の前記表面に凹凸を形成する工程と、前記第1の温度よりも高い第2の温度で、前記塗膜中の前記バインダを除去する工程と、前記第2の温度よりも低い第3の温度で、前記ガラスフリット融着させる工程とを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法を提供する。 Furthermore, in the method for producing a Fresnel lens for a solar cell with a cover glass of the present invention, a paste containing a glass frit having a softening point lower than the softening point of the cover glass and a binder is applied to the surface of the cover glass. A step of forming a film, and a step of pressing and releasing a mold having irregularities formed on the surface of the coating film at a first temperature at which the binder is softened, and forming irregularities on the surface of the coating film. Removing the binder in the coating film at a second temperature higher than the first temperature; and fusing the glass frit at a third temperature lower than the second temperature; The manufacturing method of the Fresnel lens for solar cells with a cover glass characterized by having.
上記構成を有する本発明によれば、焦点距離を大幅に短くし、小型の装置を実現することができる。 According to the present invention having the above-described configuration, the focal length can be greatly shortened, and a small device can be realized.
以下、本発明の集光装置、カバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズ、および、このフレネルレンズの製造方法について、添付の図を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the condensing device of the present invention, a Fresnel lens for a solar cell with a cover glass, and a method for manufacturing the Fresnel lens will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明の集光装置を太陽電池装置に利用した一例を概念的に示す。
図1に示す太陽電池装置10は、光を集光して太陽電池セル12に入射する、集光型の太陽電池装置であって、基本的に、太陽電池セル12と、ハウジング14と、フレネルレンズ構造体16とを有して構成される。なお、本発明の太陽電池装置10は、これ以外にも、公知の太陽電池装置が有する各種の部材を有してもよいのは言うまでもない。
このような太陽電池装置10は、例えば、一次元的もしくは二次元的に配列されて、発電装置(発電設備)として利用される。
In FIG. 1, an example which utilized the condensing apparatus of this invention for the solar cell apparatus is shown notionally.
A
Such a
太陽電池セル12は、光を受光して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
本発明において、太陽電池セル12には、特に限定は無く、例えばSi、GaAs、CuInGaSe、CdTe、AlGaAs、InGaP、InGaAsP、AlInGaP、AlInGaAsP、Geなど公知の太陽電池セルが、各種、利用可能である。また、その構造は、単一接合型セル、モノリシック多接合型セル、波長感度領域の異なる種々の太陽電池セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態の構造を適用することが可能である。
The
In the present invention, the
なお、本発明において、受光素子は、太陽電池セルに限定はされず、例えば、光熱変換素子等、光を受光して光エネルギーを何らかのエネルギーに変換する素子が、各種、利用可能である。 In the present invention, the light receiving element is not limited to a solar battery cell. For example, various elements that receive light and convert light energy into some energy, such as a photothermal conversion element, can be used.
ハウジング14は、太陽電池装置10の外枠を構成する筐体である。
図示例において、ハウジング14は、上面が開放する正四角柱状の筐体であり、底面の中央部に太陽電池セル12が固定され、開放面である上面にフレネルレンズ構造体16が組み込まれ、支持/固定される。
本発明において、ハウジング14は、通常の太陽電池装置と同様、十分な耐熱性および強度を有する各種の板材等で構成すればよい。また、太陽電池セル12およびフレネルレンズ構造体16を所定位置に保持できるものであれば、ハウジング14は、板材ではなく、棒状物等で構成されたフレーム状であってもよく、板材と棒状物とを併用するものであってもよい。
The
In the illustrated example, the
In the present invention, the
フレネルレンズ構造体16は、前述のように、正四角柱状のハウジング14の上面開放面に固定される。そして、入射した光を集光し、ハウジング14の底面中央に固定された太陽電池セル12に入射する。ここで、フレネルレンズ構造体16は、図2に概念的に示すように、正方形状のカバーガラス18と、サーキュラー型のフレネルレンズ20とからなるものである。
なお、図2(A)は、上面図(フレネルレンズ20の光軸方向の光入射面側から見た図)である。図2(B)は、図1と同じ方向から見た、図2(A)のA−A線における断面図である。
As described above, the Fresnel
FIG. 2A is a top view (viewed from the light incident surface side of the Fresnel
本発明において、カバーガラス18およびフレネルレンズ20は、共に、ガラス製であり、かつ、両者は、接着剤層等を介すことなく(接着剤等を用いずに)、直接、接触して形成されている。ここで、カバーガラス18とフレネルレンズ20とが樹脂製の接着剤を介さずに接合されていることを「一体化されている」という。
すなわち、このフレネルレンズ構造体16は、本発明のカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズである。
In the present invention, the
That is, this Fresnel
カバーガラス18は、フレネルレンズ20の光入射面を覆って配置されることにより、フレネルレンズ20に、雨や、空気中の埃やゴミ等が、直接、接触するのを防止すると共に、フレネルレンズ20を支持する基板としても作用するものである。
The
図示例において、カバーガラス18は、平板状の板ガラスである。
本発明において、カバーガラス18の形成材料には、特に限定はなく、各種のガラス材料が、全て利用可能である。一例として、ソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケートガラス、ボレートガラス、リチウムアルミノシリケートガラス、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス基板、無アルカリガラス基板等が例示される。
カバーガラス18は、光学部品(光学素子)であるフレネルレンズ構造体16を構成するものである。従って、カバーガラス18は、透明性が高く、光学特性に優れたガラスで形成されるのが好ましい。特に、高い光透過性を考慮すると、ソーダライムシリケートガラス、ソーダライムシリケートガラスの鉄分量を少なくした、所謂高透過ガラス等のガラスは、好適に利用される。
In the illustrated example, the
In the present invention, the material for forming the
The
また、カバーガラス18は、必要に応じて、強化されていても良く、更にはフレネルレンズ20を形成した後に、ガラス性構造体10全体を強化してもよい。
Moreover, the
本発明において、カバーガラス18の厚さにも、特に限定はなく、フレネルレンズ構造体16に要求される強度等に応じて、適宜、選択すればよいが、1.5〜4.5mmであるのが好ましい。
カバーガラス18の厚さを、上記範囲とすることにより、強度と軽さを両立できる点で好ましい。
In the present invention, the thickness of the
By setting the thickness of the
フレネルレンズ20は、厚さを減らすためにいくつかの同心的な輪帯状レンズで構成されたレンズであり、凹凸形状の断面を有する。図示例は、いわゆるサーキュラーフレネルレンズである。図2(B)に示されるように、フレネルレンズは、中央部に半円状の中央突起部と、その中央突起部の両側に位置するのこぎりの歯状の複数の周辺突起部とから構成される。ここで、周辺突起部は、直角三角形の形状をし、中央突起部から離れるほど、斜面の傾斜が急になるように形成されている。
The
本発明においては、カバーガラス18のみならず、フレネルレンズ20もガラス製である。カバーガラス18の下面(太陽電池セル12側の面)と、フレネルレンズ20の平面側とを、直接、接合して、フレネルレンズ構造体16が構成される。
本発明は、このような構成を有することにより、樹脂で成形してなる従来のフレネルレンズに比して、各種の利点を有する。
In the present invention, not only the
By having such a configuration, the present invention has various advantages as compared with a conventional Fresnel lens formed by resin.
従来の太陽電池装置で用いられる樹脂製フレネルレンズの屈折率は、一般的に、1.4〜1.6程度であるため、樹脂製のフレネルレンズは、焦点距離が長い。そのため、光を効率よく集光するためには、フレネルレンズから太陽電池セルまでの距離を長く取る必要がある。そのため、太陽電池装置の厚さ(光の入射方向)が厚くなり、結果として、これにより、太陽電池装置が大型化してしまう。また、一般的に、太陽電池装置は地面からの距離が高いところに設置される。そのため、太陽電池装置が大きいと、落下防止のために、設置の工数増、コスト増等が避けられない。
しかしながら、本発明の太陽電池装置によれば、樹脂よりも屈折率の高いガラス製のフレネルレンズを用いることにより、従来の太陽電池装置に比べて、太陽電池セルまでの距離を短くすることができる。そのため、従来の太陽電池装置に比べて、本発明の太陽電池装置は薄くなり、小型化になることができる。また、太陽電池装置が小型化になるため、その設置工数は、従来の太陽電池装置に比べて、少なくすることができ、結果としてコストが低減できる。
また、従来の太陽電池装置に用いられる樹脂製のフレネルレンズは、時間とともに着色し、これにより、集光能力が低下する。
しかしながら、本発明の太陽電池装置によれば、ガラス製のフレネルレンズを用いることにより、従来の太陽電池装置に比べて、時間とともに着色する可能性が低い。そのため、従来の太陽電池装置に比べて、高い集光能力を維持できる。
また、従来の太陽電池装置で用いられる樹脂製のフレネルレンズは、カバーガラスと樹脂製の接着剤を介して接合される。そのため、樹脂製の接着剤そのものにより、光学的な損失が生じ、結果として集光効率が低下する。また、樹脂は、熱膨張係数が大きいため、日中の日差し等によって加熱され、膨張する。すなわち、樹脂製のフレネルレンズは、寸法安定性が悪く、熱膨張や収縮によって焦点位置が変動して、集光効率が低下する。また、樹脂は、吸湿し易く、吸湿による変形や、屈折率の変化によっても、集光効率が低下する。加えて、ガラス製のカバーガラスと、樹脂製のフレネルレンズでは、熱膨張係数が大幅に異なるので、日中の日差し等によって加熱/膨張した際に、この熱膨張係数の差によって、フレネルレンズとカバーガラスとが剥離する場合もある。
しかしながら、本発明の太陽電池装置によれば、カバーガラスとガラス製のフレネルレンズの接合に樹脂製の接着剤を用いらないため、光学的な損失がなく、高い集光効率を有する。さらに、本発明の太陽電池装置によれば、カバーガラスとフレネルレンズとの熱膨張係数差はほぼないと考えてよいので、剥離の問題がないため、長期使用における信頼性も高い。
Since the refractive index of the resin-made Fresnel lens used in the conventional solar cell device is generally about 1.4 to 1.6, the resin-made Fresnel lens has a long focal length. Therefore, in order to collect light efficiently, it is necessary to increase the distance from the Fresnel lens to the solar battery cell. Therefore, the thickness (light incident direction) of the solar cell device is increased, and as a result, the solar cell device is increased in size. In general, the solar cell device is installed in a place where the distance from the ground is high. Therefore, if the solar cell device is large, an increase in installation man-hours and an increase in cost are inevitable in order to prevent falling.
However, according to the solar cell device of the present invention, by using a glass Fresnel lens having a refractive index higher than that of the resin, the distance to the solar cell can be shortened as compared with the conventional solar cell device. . Therefore, compared with the conventional solar cell device, the solar cell device of the present invention can be thinned and reduced in size. Further, since the solar cell device is downsized, the number of installation steps can be reduced as compared with the conventional solar cell device, and as a result, the cost can be reduced.
Moreover, the resin-made Fresnel lens used for the conventional solar cell apparatus is colored with time, and, thereby, a condensing capability falls.
However, according to the solar cell device of the present invention, by using a glass Fresnel lens, it is less likely to be colored with time than a conventional solar cell device. Therefore, it is possible to maintain a high light collecting ability as compared with the conventional solar cell device.
In addition, a resin-made Fresnel lens used in a conventional solar cell device is joined to a cover glass via a resin adhesive. Therefore, an optical loss is caused by the resin adhesive itself, and as a result, the light collection efficiency is lowered. In addition, since the resin has a large coefficient of thermal expansion, it is heated and expanded by sunlight during the day. That is, the resin-made Fresnel lens has poor dimensional stability, the focal position fluctuates due to thermal expansion and contraction, and the light collection efficiency decreases. In addition, the resin is easy to absorb moisture, and the light collection efficiency also decreases due to deformation due to moisture absorption or a change in refractive index. In addition, the glass cover glass and the resin Fresnel lens have a significantly different coefficient of thermal expansion. When heated / expanded by sunlight during the day, the difference between the coefficient of thermal expansion and the Fresnel lens The cover glass may peel off.
However, according to the solar cell device of the present invention, since no resin adhesive is used for joining the cover glass and the glass Fresnel lens, there is no optical loss and high light collection efficiency. Furthermore, according to the solar cell device of the present invention, since there may be almost no difference in thermal expansion coefficient between the cover glass and the Fresnel lens, there is no problem of peeling, and thus the reliability in long-term use is high.
本発明において、フレネルレンズ20の形成材料には、特に限定はなく、各種のガラス材料が、全て利用可能である。
一例として、SiO2―B2O3−Al2O3系、SiO2―B2O3―Bi2O3系、B2O3―ZnO―Bi2O3系、SiO2―B2O3―ZnO系、SiO2―BaO―B2O3系、B2O3―BaO―ZnO系、SnO―ZnO―P2O5系、B2O3−ZnO−La2O3系、P2O5−B2O3−R’2O−R”O−TiO2−Nb2O5−WO3−Bi2O3系、TeO2−ZnO系、B2O3−Bi2O3系、SiO2―Bi2O3系、SiO2−ZnO系、B2O3−ZnO系、P2O5−ZnO系、ZnO−B2O3−SiO2−Al2O3系、Bi2O3−B2O3−SiO2−Al2O3、Bi2O3−ZnO−B2O3−SiO2系、Bi2O3−ZnO−B2O3−SiO2−Al2O3系、P2O5−Nb2O5−TiO2−R’2O系、SiO2−TiO2−R’2O−R”O系、SiO2−B2O3−Nb2O5−R’2O系、P2O5−R’2O−R”O系、SiO2−Bi2O3−R’2O系、SiO2−Bi2O3−BaO系、SiO2−Bi2O3−La2O3−R”O系等の各種のガラスが好適に例示される。なお、上記式において、R’はアルカリ金属元素、R”はアルカリ土類金属元素を、それぞれ示す。
In the present invention, the material for forming the
For example, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 system, SiO 2 —B 2 O 3 —Bi 2 O 3 system, B 2 O 3 —ZnO—Bi 2 O 3 system, SiO 2 —B 2 O 3— ZnO system, SiO 2 —BaO—B 2 O 3 system, B 2 O 3 —BaO—ZnO system, SnO—ZnO—P 2 O 5 system, B 2 O 3 —ZnO—La 2 O 3 system, P 2 O 5 —B 2 O 3 —R ′ 2 O—R ″ O—TiO 2 —Nb 2 O 5 —WO 3 —Bi 2 O 3 , TeO 2 —ZnO, B 2 O 3 —Bi 2 O 3 Type, SiO 2 —Bi 2 O 3 type, SiO 2 —ZnO type, B 2 O 3 —ZnO type, P 2 O 5 —ZnO type, ZnO—B 2 O 3 —SiO 2 —Al 2 O 3 type, Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 —Al 2 O 3 , Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 —SiO 2 , Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 —SiO 2 —Al 2 O 3 type, P 2 O 5 —Nb 2 O 5 —T iO 2 —R ′ 2 O, SiO 2 —TiO 2 —R ′ 2 O—R ″ O, SiO 2 —B 2 O 3 —Nb 2 O 5 —R ′ 2 O, P 2 O 5 —R '2 O-R "O-based, SiO 2 -Bi 2 O 3 -R ' 2 O -based, SiO 2 -Bi 2 O 3 -BaO-based, SiO 2 -Bi 2 O 3 -La 2 O 3 -R" O Various types of glass such as a system are preferably exemplified. In the above formula, R ′ represents an alkali metal element, and R ″ represents an alkaline earth metal element.
なお、熱膨張によるストレスや、このストレスに起因する剥離等を、より確実に防止するために、フレネルレンズ20の熱膨張係数は、カバーガラス18に近いのが好ましい。
例えば、カバーガラス18としてソーダライムガラス(熱膨張係数80〜90×10-7/℃)を用いる場合には、熱膨張係数が50〜100×10-7/℃のガラスからなるフレネルレンズが好ましい。
The thermal expansion coefficient of the
For example, when soda lime glass (thermal expansion coefficient 80 to 90 × 10 −7 / ° C.) is used as the
本発明において、フレネルレンズ20は、いわゆるサーキュラーフレネルレンズであるが、本発明は、これに限定はされず、太陽電池装置等の集光装置に利用されるフレネルレンズが、各種、利用可能である。
また、フレネルレンズの凹凸の形状や幅(光軸方向と直交する方向の幅(ピッチ))など、フレネルレンズの構成や形状には、特に限定はなく、要求される集光特性等に応じた、各種のフレネルレンズの構成が、全て、利用可能である。
In the present invention, the
In addition, the configuration and shape of the Fresnel lens, such as the shape and width of the irregularities of the Fresnel lens (width (pitch) in the direction orthogonal to the optical axis direction), are not particularly limited, and according to the required light collection characteristics, etc. All of the various Fresnel lens configurations are available.
ここで、フレネルレンズには、2つのタイプが有る。1つのタイプは、図2(B)に矢印hで示す、レンズを構成する凹凸の高さ(光軸方向の高さ)を一定として、この凹凸の幅を、中心から外方向に向けて、順次、変更していく構成である。他のタイプは、レンズを構成する凹凸の幅は一定として、凹凸の高さを、中心から外方向に向けて、順次、変更していく構成である。
ここで、前者の構成の場合、水平方向のプリズムピッチを一定にすると、周辺に行くほど高さが高くなり、後述する本発明の製造方法において、ペーストによる塗膜の厚さを厚くする必要が生じ、その結果、ペーストの材料コストが高くなってしまう欠点がある。これに対し、後者の高さを一定にするほうが、ペーストによる塗膜の膜厚が抑えられ、ペーストの材料コストを下げることができる。しかし、プリズムピッチが細かくなり、個々のプリズム加工時の有効面形状エラーがプリズム数だけ積算されてトータルの集光ロスになることが考えられる。
本発明は、いずれの構成も、利用可能であるが、作製が容易である、成形性が良好で、高精度なフレネルレンズが作製可能である、レンズ層の厚さを薄くして材料コストが低減できる等の点で、凹凸の高さを一定とし、幅を、順次、変更する構成を採用している。
Here, there are two types of Fresnel lenses. In one type, the height of the unevenness constituting the lens (height in the optical axis direction) indicated by an arrow h in FIG. 2B is constant, and the width of the unevenness is directed outward from the center. It is the structure which changes sequentially. The other type is a configuration in which the width of the unevenness constituting the lens is constant, and the height of the unevenness is sequentially changed from the center toward the outside.
Here, in the case of the former configuration, if the prism pitch in the horizontal direction is constant, the height increases toward the periphery, and in the manufacturing method of the present invention described later, it is necessary to increase the thickness of the coating film by the paste. As a result, there is a drawback that the material cost of the paste becomes high. On the other hand, if the latter height is made constant, the film thickness of the coating film by the paste can be suppressed, and the material cost of the paste can be reduced. However, it is conceivable that the prism pitch becomes fine, and the effective surface shape error at the time of processing each prism is integrated by the number of prisms, resulting in a total light collection loss.
The present invention can use any configuration, but can be easily manufactured, has good moldability, and can produce a highly accurate Fresnel lens. The material cost can be reduced by reducing the thickness of the lens layer. A configuration is adopted in which the height of the unevenness is made constant and the width is sequentially changed in terms of reduction.
また、本発明のフレネルレンズ構造体16は、後述する本発明の製造方法で、好適に製造することができる。
ここで、この製造方法によれば、大型のフレネルレンズ構造体16を、容易に製造することができる。すなわち、本発明は、太陽電池装置等の集光装置の大型化に、容易に対応することが可能である。また、本発明によれば、フレネルレンズ20の熱膨張が少ないので、この点でも、大型化に容易に対応できる。
以上の点を考慮すると、本発明においては、本発明の効果を好適に発現できる等の点で、フレネルレンズ構造体16の大きさ(光軸と直交する方向の長さ)を、10cm以上とするのが好ましい。
Further, the
Here, according to this manufacturing method, the large
Considering the above points, in the present invention, the size of the Fresnel lens structure 16 (the length in the direction perpendicular to the optical axis) is 10 cm or more in that the effects of the present invention can be suitably expressed. It is preferable to do this.
図示例のフレネルレンズ構造体16は、カバーガラス18とフレネルレンズ20とを、直接、接触した状態で一体化したものであるが、本発明は、これ以外にも、図3に一例を概念的に示すように、カバーガラスの表面にフレネルレンズが形成されたフレネルレンズ構造体24であってもよい。
すなわち、この構成においては、カバーガラスの太陽電池セル14側の面に、フレネルレンズとなる凹凸が形成された状態となる。言い換えれば、この構成では、カバーガラスが、フレネルレンズを兼ねた構成となる。
The
That is, in this structure, the surface of the cover glass on the
このような、フレネルレンズ構造体24は、カバーガラスとフレネルレンズの屈折率が同じ場合は、その界面での光反射によるロスが発生しない、カバーガラスとフレネルレンズの熱膨張係数の違いによるストレスが発生しない等の点で、好適である。なお、カバーガラスとフレネルレンズの屈折率に差が有る場合には、その分だけ、界面反射ロスが発生するが、空気と材料による反射率の差よりはかなり小さいので、好適である。
In such a
以下、図4(A)〜(E)、および、図5のフローチャートを用いて、フレネルレンズ構造体16の製造方法の一例を示す。
本発明のフレネルレンズ構造体の製造方法は、カバーガラス18に、カバーガラス18よりも軟化点の低いガラスのフリットとバインダーとを含むペーストを塗布する。なお、塗布により得られた塗膜は、必要に応じて乾燥してもよい。次に、塗膜に、第1の温度で成形型をプレスして成形型の形状を転写させる。次に、転写された塗膜に対し、第1の温度よりも高温の第2の温度で脱バインダーを行う。次に、第2の温度よりも高温で、かつ、カバーガラス18の軟化点よりも低温の第3の温度で焼成を行なって、ガラスフリットの融着を行う。よって、以上の工程により、フレネルレンズ構造体16を作製するものである。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the
In the method for producing a Fresnel lens structure of the present invention, a paste containing a glass frit having a softening point lower than that of the
以下、本発明のフレネルレンズ構造体の製造方法を具体的に説明する。
初めに、図4(A)に示すように、カバーガラス18を準備する。
Hereinafter, the manufacturing method of the Fresnel lens structure of the present invention will be specifically described.
First, as shown in FIG. 4A, a
他方で、フレネルレンズ20となるガラスフリットペースト(以下、ペーストとする)を調製する。このペーストは、少なくとも、ガラスフリット(ガラスの微粒子)と、バインダとを混合(混練)し、バインダ中にガラスフリットを分散してなるペーストである。
On the other hand, a glass frit paste (hereinafter referred to as a paste) to be the
ガラスフリット(すなわち、フレネルレンズ20となるガラス)は、カバーガラス18よりも軟化点が低いガラスであるのが好ましく、特に、カバーガラス18の軟化点よりも50℃以上低いガラスからなるガラスフリットであるのが好ましい。すなわち、本発明においては、フレネルレンズ20は、カバーガラス18の軟化点よりも低い軟化点を有する材料で形成されるのが好ましい。
ガラスフリットの軟化点が、カバーガラス18の軟化点よりも低く、特に、50℃以上低ければ、後述する焼成工程において、カバーガラス18が熱変形することを好適に防止して、フレネルレンズ20となるガラスフリットの融着を行うことが出来る。例えば、カバーガラス18がソーダライムガラスである場合、軟化点が730℃付近なので、ガラスフリットの軟化点は680℃以下であるのが好ましい。
The glass frit (that is, the glass that becomes the Fresnel lens 20) is preferably a glass having a softening point lower than that of the
If the softening point of the glass frit is lower than the softening point of the
なお、ガラスフリットは、カバーガラスの形成材料と同じガラスを用いてもよい。
これにより、図3に示すような、カバーガラスにフレネルレンズが形成された、フレネルレンズ構造体24を得ることができる。
The glass frit may be the same glass as the cover glass forming material.
Thereby, the
一方で、ガラスフリットの軟化点は、ペーストに含まれるバインダの分解温度よりも高温であるのが好ましい。バインダーの種類によっても異なるが、特に、ガラスフリットの軟化点は、350℃以上であることが好ましい。
このような軟化点を有するガラスフリットを用いることにより、後述する第2の温度による脱バインダー工程において、脱バインダーとガラスの融着が同時に起こることを、好適に防止できる。
On the other hand, the softening point of the glass frit is preferably higher than the decomposition temperature of the binder contained in the paste. Although it varies depending on the type of the binder, the softening point of the glass frit is particularly preferably 350 ° C. or higher.
By using the glass frit having such a softening point, it is possible to suitably prevent simultaneous debinding and glass fusing in the debinding step at the second temperature described later.
なお、ガラスフリットは、軟化点付近の温度領域における温度変化に対する粘度変化が小さい方が好ましい。
この粘度変化が小さいと、後述する第3の温度によるガラスフリットの焼結工程における形状の崩れを小さくすることができ、微細な形状を有するガラス製構造体を、より高精度に作製することができる。
The glass frit preferably has a smaller viscosity change with respect to a temperature change in a temperature region near the softening point.
When this change in viscosity is small, it is possible to reduce the collapse of the shape in the glass frit sintering step due to the third temperature described later, and it is possible to produce a glass structure having a fine shape with higher accuracy. it can.
ガラスフリットの平均粒子径は10μm以下であるのが好ましい。
ガラスフリットの平均粒子径を10μm以下とすることにより、ガラスフリットペーストを塗布/乾燥して形成された塗膜の表面粗度が大きくなるのを防止して、後述するプレス工程における成形型の形状の転写を、より確実に行なうことが可能となり、さらに、成形型の破損を、より確実に防止できる。
なお、粒子径の下限には特に限定は無いが、ガラスフリットを作製する際におけるガラス粉砕のコストを考慮すると、0.5μm程度以上が好ましい。
The average particle size of the glass frit is preferably 10 μm or less.
By setting the average particle size of the glass frit to 10 μm or less, it is possible to prevent the surface roughness of the coating film formed by applying / drying the glass frit paste from increasing, and the shape of the mold in the press process described later Can be transferred more reliably, and further, damage to the mold can be prevented more reliably.
The lower limit of the particle diameter is not particularly limited, but is preferably about 0.5 μm or more in consideration of the cost of pulverizing the glass when producing the glass frit.
前述のように、(ガラスフリット)ペーストは、少なくともガラスフリットと、バインダとを混合してなるペーストである。
本発明において、バインダーは、ペーストをカバーガラス18上に保持し、後述するプレス工程においてガラスフリットがカバーガラス18から剥がれないようガラスとの密着性を発現する役割、および、プレス工程において、ペーストを塗布して形成された塗膜の硬さを調整し、成形型の形状転写性を向上させる役割を果たす。
As described above, the (glass frit) paste is a paste formed by mixing at least glass frit and a binder.
In the present invention, the binder holds the paste on the
バインダ(バインダ樹脂)には、特に限定はなく、各種の樹脂が利用可能である。
一例として、ニトロセルロース、アセチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等のセルロース系高分子、天然ゴム、ポリブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、イソプレン系合成ゴム、環化ゴム等の天然高分子や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリ酢酸ビニル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリルニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリウレタン等の合成高分子等が例示される。
これらの樹脂は、単独で用いてもよく、あるいは、混合または共重合体として用いてもよい。
The binder (binder resin) is not particularly limited, and various resins can be used.
Examples include cellulose polymers such as nitrocellulose, acetylcellulose, ethylcellulose, carboxymethylcellulose, and methylcellulose, natural polymers such as natural rubber, polybutadiene rubber, chloroprene rubber, acrylic rubber, isoprene synthetic rubber, and cyclized rubber, and polyethylene. And synthetic polymers such as polypropylene, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl acetate, polyester, polycarbonate, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polyamide, polyurethane, etc. .
These resins may be used alone, or may be used as a mixture or a copolymer.
この製造方法において、ペースト中のガラスフリットの含有率には、特に限定は無いが、20〜90wt%であるのが好ましい。
ペースト中におけるガラスフリットの含有率を20wt%以上とすることにより、1回のペーストの塗布で、十分な膜厚を確保することができ、所望の膜厚を得るために複数回の塗布を行なうことによるコストアップを抑制できる。他方、ペースト中におけるガラスフリットの含有率を90wt%以下とすることにより、ペーストの粘度が高くなり過ぎることを防止して、好適に、ペーストに均一に塗布することが可能となる。またガラスフリットの含有率を90wt%以下とすることにより、ペースト中におけるバインダの量も十分に確保でき、これにより、十分なカバーガラス18と塗膜との密着性を得ることができる。
上記の点を考慮すると、ペースト中におけるガラスフリットの含有率は、より好ましくは、50〜80wt%である。
In this production method, the content of glass frit in the paste is not particularly limited, but is preferably 20 to 90 wt%.
By setting the glass frit content in the paste to 20 wt% or more, a sufficient film thickness can be ensured by a single application of the paste, and a plurality of applications are performed to obtain a desired film thickness. The cost increase by this can be suppressed. On the other hand, by setting the content of glass frit in the paste to 90 wt% or less, it is possible to prevent the viscosity of the paste from becoming too high, and to apply the paste to the paste suitably. Further, by setting the glass frit content to 90 wt% or less, the amount of the binder in the paste can be sufficiently secured, and thereby sufficient adhesion between the
Considering the above points, the glass frit content in the paste is more preferably 50 to 80 wt%.
他方、この製造方法で用いるペーストにおいて、バインダーの含有量にも、特に限定はないが、フリット100重量部に対し、バインダーが1〜50重量部が好ましい。
フリット100重量部に対し、バインダを1重量部以上とすることにより、カバーガラス18と塗膜との密着性を十分に確保することができる。また、フリット100重量部に対し、バインダを50重量部以下とすることにより、後述するプレス工程における塗膜の剛性を十分に得ることができ、成形型への塗膜の付着等も防止できる。また、バインダを50重量部以下とすることにより、脱バインダ工程によって生じる空隙を少なくでき、その後のガラスフリットの焼成工程における形状変化を小さくして、フレネルレンズ20の形状の制御を、より高精度に行なうことができる。
上記の点を考慮すると、ペースト中におけるバインダの量は、より好ましくは、ガラスフリット100重量部に対して、5〜30重量部である。
On the other hand, the content of the binder in the paste used in this production method is not particularly limited, but the binder is preferably 1 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the frit.
By setting the binder to 1 part by weight or more with respect to 100 parts by weight of the frit, sufficient adhesion between the
Considering the above points, the amount of the binder in the paste is more preferably 5 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the glass frit.
なお、ペーストには、このような成分以外に、ペーストの粘度調整や、ガラスへの塗布性を向上させるために、必要に応じて溶剤を含んでいても良い。溶剤としては、トルエン、キシレンテトラリン等の炭化水素系、メタノール、エタノール等のアルコール系、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系、酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル系、エチレングリコール系、ジエチレングリコール系の各溶剤などが使用できる。
さらに、ペーストには、塗布性を向上させるための界面活性剤や、塗膜の硬さを調整するための可塑剤等を、必要に応じて添加しても良い。
In addition to such components, the paste may contain a solvent as necessary in order to adjust the viscosity of the paste and improve the coating property to glass. Solvents include hydrocarbons such as toluene and xylenetetralin, alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, esters such as methyl acetate and ethyl acetate, ethylene glycol and diethylene glycol solvents. Can be used.
Furthermore, you may add surfactant for improving applicability | paintability, the plasticizer for adjusting the hardness of a coating film, etc. to a paste as needed.
ペーストの調製方法には、特に限定はなく、例えば、ガラスフリットおよびバインダ、あるいはさらに溶剤等のそれ以外の必要な成分を、混合装置や混練装置に所定量投入し、ガラスフリットが均一に分散するように、十分に混合(混練)すればよい。 The paste preparation method is not particularly limited. For example, a predetermined amount of glass frit and binder, or other necessary components such as a solvent, is added to a mixing device or a kneading device to uniformly disperse the glass frit. Thus, it is sufficient to mix (knead) sufficiently.
このようにしてペーストを調製したら、図4(B)に示すように、ペーストをカバーガラス18の表面に塗布する。
本発明の製造方法において、ペーストの塗布方法には、特に限定は無く、公知の塗布方法が、各種、利用可能である。
一例として、ローラー塗布、手塗り、刷毛塗り、スピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、カーテンフロー、バーコート、ダイコート、グラビアコート、マイクログラビアコート、リバースコート、ロールコート、フローコート、スプレーコート等の塗布方法が例示される。
これらのうち、大面積塗布が容易であり、また、1回の塗布で十分な厚膜が得られる等理由から、ダイコートやスクリーン印刷が、好ましく利用される。
After the paste is prepared in this way, the paste is applied to the surface of the
In the production method of the present invention, the paste coating method is not particularly limited, and various known coating methods can be used.
For example, roller coating, hand coating, brush coating, spin coating, dip coating, screen printing, curtain flow, bar coating, die coating, gravure coating, micro gravure coating, reverse coating, roll coating, flow coating, spray coating, etc. A method is illustrated.
Of these, die coating and screen printing are preferably used because large-area coating is easy and a sufficiently thick film can be obtained by a single coating.
なお、ペーストの塗布厚は、形成するフレネルレンズ20の形状高さ、後述する成形型で形成するフレネルレンズ20の凹凸の形状等に応じて、適宜、設定すればよい。
In addition, what is necessary is just to set the application | coating thickness of a paste suitably according to the shape height of the
さらに、図4(B)に示すように、ペーストをカバーガラス18の表面に塗布したら、必要に応じて、塗膜(すなわちペースト)を乾燥して、塗膜30とする。
ペーストの乾燥方法には、特に限定はなく、例えば、ペーストが塗布されたカバーガラス18をオーブンで加熱する方法、UV照射する方法等を用いることができる。
なお、加熱によりペーストの塗膜を乾燥させる場合は、バインダーが変質しない程度の温度で加熱することが好ましい。具体的には、大気中において80〜200℃の温度で、5〜60分間の加熱であるのが好ましい。
Further, as shown in FIG. 4B, after applying the paste to the surface of the
The method for drying the paste is not particularly limited, and for example, a method of heating the
In addition, when drying the coating film of a paste by heating, it is preferable to heat at the temperature which does not change a binder. Specifically, the heating is preferably performed at a temperature of 80 to 200 ° C. in the atmosphere for 5 to 60 minutes.
また、塗膜の乾燥を行なうと、塗膜30の層厚は、ペーストの塗布厚よりも薄くなるので、この際には、乾燥後に得られる塗膜30の層厚を考慮して、前述のペーストの塗布厚を設定するのが好ましい。
In addition, when the coating film is dried, the layer thickness of the
このようにして塗膜30をカバーガラス18の表面に形成したら、次いで、塗膜30を加熱して、第1の温度とする。
なお、塗膜30の加熱方法には、特に限定はなく、公知の方法が、各種利用可能である。この点に関しては、以下の第2の温度および第3の温度への加熱も同様である。
When the
The method for heating the
第1の温度には、特に限定はなく、塗膜30のバインダが軟化して、成形型32によるプレス成形が可能となる温度を、バインダの種類等に応じて、適宜、設定すればよいが、100〜200℃とするのが好ましい。
後述するように、本発明においては、この塗膜30を第1の温度にして、成形型32でプレスすることにより、塗膜30を所定の形状に成形する。ここで、第1の温度を100℃以上とすることにより、多くのペーストで、ペースト層を十分に軟化することができ、正確な成形を行なうことが可能となる。また、第1の温度を200℃以下とすることにより、温度が高すぎることに起因するバインダーの軟化し過ぎを抑制して、これに起因する成形型への付着や、加熱し過ぎによるバインダーの分解や変質を、好適に防止することができる。
The first temperature is not particularly limited, and the temperature at which the binder of the
As will be described later, in the present invention, the
塗膜30を第1の温度としたら、図4(C)〜図4(D)に示すように、形成するフレネルレンズ20の凹凸面の形状に応じた凹凸が形成された押圧面を有する成形型32によって、塗膜30をプレス(押圧)して、次いで、図4(D)〜図4(E)に示すように、成形型32を塗膜30から取り外す。
これにより、塗膜30に成形型32の形状を転写して、フレネルレンズ20の凹凸面に応じた所定の形状に成形することができる。
When the
Thereby, the shape of the shaping | molding die 32 can be transcribe | transferred to the
ここで、本発明においては、カバーガラス18を用いず、平面状の成形台に、カバーガラスの厚さを加味した厚さの塗膜30を形成し、さらに、フレネルレンズのみならず、カバーガラスも含む形状を有する成形型32を用いて、塗膜30のプレスを行なって、図4(E)に示すように、塗膜30に成形型32の形状を転写して、カバーガラスとフレネルレンズとを有する、所定の形状に成形してもよい。
これにより、図3に示すような、カバーガラスにフレネルレンズが形成された、フレネルレンズ構造体24を得ることができる。
Here, in the present invention, the
Thereby, the
本発明の製造方法においては、バルクガラスを直接成形するのではなく、より柔らかい塗膜30をプレス成形することで、プレスの温度や圧力を低く抑え、プレス条件をマイルド(穏やか)にすることができるので、高価なプレス金型の損耗を殆ど無くして長寿命とすることができ、低コストで、ガラス製構造体を作製することが可能となる。しかも、柔らかい塗膜30を、比較的、低温かつ低圧力でプレス成形するので、非常に微細な成形を行なうことができ、微細な凹凸を有するフレネルレンズやレンチキュエラーレンズ等の光学部材の製造に、好適である。
また、塗膜30の成形性や、塗膜30と成形型32との離型性(剥離性)を、ペーストに含有させるバインダーで制御することができ、ガラスフリットの材料特性には依存しないので、ガラスフリットの材料選択範囲が広い。
In the manufacturing method of the present invention, the bulk glass is not directly molded, but the
Further, the moldability of the
成形型32の形成材料には、特に限定はなく、所望の寸法精度を付与することができ、塗膜30のプレスによる変形が少なく必要な精度を維持することができ、かつ、プレス時の温度により軟化や変質をしない材料であれば、各種のものが利用可能である。
例えば、金属、セラミックス等が使用できる。具体的には、金属型の材質としてはニッケルや焼き入れ鋼、その他、セラミック焼成品のプレス成形型に使用される各種のものが例示される。また、セラミック型の材質としては、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等がある。
The forming material of the
For example, metal, ceramics, etc. can be used. Specifically, examples of the material of the metal mold include nickel, hardened steel, and various other materials used for press-molding ceramic fired products. Further, as the ceramic type material, there are silicon nitride, alumina, zirconia and the like.
ここで、図4に示す例では、成形型32として、平面型(スタンプ型)を例示しているが、本発明においては、連続的に成形を行なうことができるロール型の成形型も、好適に利用可能である。
ロール型の場合は成形型の荷重が線状に集中してかかるため、少ない荷重で良好に形状転写でき、かつ、離型も容易である。その反面、ロール型の場合は成形型は、例えば、サーキュラーフレネルレンズのような複雑な2次元加工が難しい。
他方、平面型の成形型の場合、面全体に荷重をかける必要があり、プレス面積に応じてより多くの荷重を必要とし、且つロール型に比べ離型がし難い。その反面、2次元の型加工が容易である。
従って、成形型32は、目的とするフレネルレンズ20の形状に応じて、ロール型あるいは平面型を、適宜、選択して使用すればよい。
Here, in the example shown in FIG. 4, a flat mold (stamp mold) is illustrated as the
In the case of the roll type, the load of the forming die is concentrated in a line shape, so that the shape can be transferred satisfactorily with a small load and the mold release is easy. On the other hand, in the case of a roll mold, the mold is difficult to perform complex two-dimensional processing such as a circular Fresnel lens.
On the other hand, in the case of a flat mold, it is necessary to apply a load to the entire surface, a larger load is required depending on the press area, and it is difficult to release compared to a roll mold. On the other hand, two-dimensional mold processing is easy.
Therefore, as the
なお、本発明の製造方法においては、後述する第2の温度での脱バインダ工程において成形した塗膜30からバインダが抜け、さらに、第3の温度での焼成工程において、塗膜30内に存在する空隙、および、脱バインダーによって生じた空隙を埋めるようにフリットが融着する。
そのため、成形型32で成形した塗膜30全体では、体積収縮が避けられない。従って、塗膜30をプレス成形する成形型32は、その収縮を織り込んで、金型の形状を設計することが必要である。
In the production method of the present invention, the binder is removed from the
Therefore, volume shrinkage is unavoidable in the
成形型32によるプレス圧力は、ペーストの材料によっても異なるが、10〜80MPaであるのが好ましい。
プレス圧力を10MPaとすることにより、成形型32の形状を確実にペースト層に転写することができ、すなわち、十分な成形型形状の転写性を得ることができる。また、プレス圧力を80MPa以下とすることにより、圧力が高すぎることに起因するカバーガラス18や成形型32の破損を好適に防止できる。上記の点を考慮すると、成形型32によるプレス圧力は、より好ましくは、10〜50MPaである。
なお、成形型32による塗膜30のプレス時間にも、特に限定は無いが、10〜120秒が好ましい。
Although the press pressure by the shaping | molding die 32 changes with paste materials, it is preferable that it is 10-80 Mpa.
By setting the pressing pressure to 10 MPa, the shape of the
The press time of the
このようにして、成形型32によって塗膜30をプレスして成形したら、次いで、ペースト層を、第1の温度よりも高温の第2の温度にして、塗膜30からバインダを除去する、脱バインダを行なう。
After the
第2の温度すなわち脱バインダー温度はバインダの種類に応じて、適宜、設定すればよいが、300℃〜500℃であるのが好ましい。また、脱バインダ時間(塗膜30を第2の温度に保つ時間)は、バインダの種類やペースト中のバインダの量によっても異なるが、5〜60分が好ましい。
なお、第2の温度による脱バインダは、バインダの酸化分解を進めるため、大気雰囲気中で行なうのが好ましい。
The second temperature, that is, the binder removal temperature may be appropriately set according to the type of the binder, but is preferably 300 ° C to 500 ° C. The binder removal time (time for keeping the
Note that the binder removal at the second temperature is preferably performed in an air atmosphere in order to promote oxidative decomposition of the binder.
このようにして、脱バインダを行なったら、次いで、第2の温度よりも高温で、かつ、カバーガラス18の軟化点よりも低温の第3の温度で、焼成を行い、ガラスフリットを融着して、フレネルレンズ20を完成させ、さらに、カバーガラス18とフレネルレンズ20とを融着して、フレネルレンズ構造体16を完成する。
After the binder is removed in this way, firing is then performed at a third temperature higher than the second temperature and lower than the softening point of the
第3の温度すなわち焼成温度は、使用するガラスフリットに応じて、適宜、設定すればよいが、350〜650℃で行うのが好ましい。
また、焼成雰囲気は大気下でも構わないが、フリット膜中に存在する気泡を積極的に膜外に排出するために、減圧下で焼成するのが、より好ましい。
これにより、フレネルレンズ20中に気泡が存在しなくなり、より透明性の高い膜を得ることが出来る。
The third temperature, that is, the firing temperature, may be appropriately set according to the glass frit to be used, but it is preferably performed at 350 to 650 ° C.
The firing atmosphere may be in the air, but it is more preferred to fire under reduced pressure in order to positively discharge bubbles present in the frit film out of the film.
As a result, no bubbles are present in the
本発明の製造方法においては、バインダーが分解する第2の温度まで塗膜30を加熱して、一定時間保持して脱バインダー処理を行い、その後、さらに、ガラスフリットの融着が起こる第3の温度まで加熱して、一定時間保持して焼成を行い、ガラスフリットの融着を行うことが好ましい。
しかしながら、本発明は、これに限定はされず、例えばバインダが分解し易い物である場合などは、第1の温度による塗膜30の成形終了後、第1の温度から、第3の温度まで、漸次(あるいは段階的に)、塗膜30の温度を上昇していき、ガラスフリットの融着が起こる第3の温度まで加熱する途中で、脱バインダーを終了させる方法も、好適に利用可能である。すなわち、この際には、第2の温度は一定温度ではなく、第1の温度超で、第3の温度未満の昇温中の温度が、第2の温度となる。
In the production method of the present invention, the
However, the present invention is not limited to this. For example, in the case where the binder is easily decomposed, after the molding of the
このような本発明の製造方法は、バルクのガラスを直接プレス成形するのではなく、より柔らかい(ガラスフリット)塗膜30をプレスして、成形を行なうので、低コストで、材料および形状の選択自由度が高く、大面積化も容易であり、微細な凹凸の成形も可能である。
Such a manufacturing method of the present invention does not directly press-mold bulk glass but presses a softer (glass frit)
以上、本発明のフレネルレンズ構造体、集光装置、カバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズ、および、その製造方法について詳細に説明したが、本発明は、上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行なってもよいのは、もちろんである。 As described above, the Fresnel lens structure, the light collecting device, the Fresnel lens for solar cell with cover glass, and the manufacturing method thereof have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described examples, and the present invention. It goes without saying that various improvements and changes may be made without departing from the gist of the invention.
以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明を、より詳細に説明する。本発明はこれらに限られるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples of the present invention. The present invention is not limited to these.
[実施例1]
<1.塗膜の形成>
まず、バインダーであるブチラール樹脂(積水化学株式会社製エスレックBL−1H)を15重量部、ブチルカルビトールアセテート85重量部に溶解し、バインダー溶液を作製した。
続いて、この上記バインダー溶液100重量部と、ガラスフリット(SiO2−B2O3−ZnO系ガラス、熱膨張係数85±5×10-7/℃、軟化点650℃、屈折率1.72)100重量部とを混合して攪拌し、(ガラスフリット)ペーストを調製した。
[Example 1]
<1. Formation of coating film>
First, butyral resin (Sekisui Chemical Co., Ltd. ESREC BL-1H) as a binder was dissolved in 15 parts by weight and 85 parts by weight of butyl carbitol acetate to prepare a binder solution.
Subsequently, 100 parts by weight of the binder solution, glass frit (SiO 2 —B 2 O 3 —ZnO glass, thermal expansion coefficient 85 ± 5 × 10 −7 / ° C., softening point 650 ° C., refractive index 1.72 ) 100 parts by weight were mixed and stirred to prepare a (glass frit) paste.
カバーガラス18として、板厚250mm角のソーダライムガラスを用意した。
このカバーガラス18に、マスク厚200μmのメタルマスクを用い、スクリーン印刷法によって、調製したペーストを塗布した。その後、ペーストを塗布した基板ガラスを、乾燥機に入れて、180℃で40分乾燥することにより、厚さが150μmの塗膜30が形成されたカバーガラス18を得た。
As the
The prepared paste was applied to the
<2.プレス>
上記塗膜30が形成されたカバーガラス18を、定盤を200℃に加熱したプレス機にセットし、塗膜の上に、サーキュラーフレネルレンズに対応する凹凸が形成された平面状の成形型(ニッケル製、サイズ250mm角、レンズ高さ100μm)を乗せ、基板ガラスにかかる圧力が35MPaになるようにして60秒間プレスした。
その後、成形型を離型し、成形型の形状(すなわちフレネルレンズ20)が転写された塗膜30を得た。この塗膜30の形状高さを測定したところ、100μmであり、成形型の形状が精度良く転写されていた。なお、形状高さは塗膜の断面をSEM観察することにより測定した。
<2. Press>
The
Thereafter, the mold was released to obtain a
<3.焼成>
成形型の形状が転写された塗膜30が形成されたカバーガラス18を、焼成炉に入れ、大気雰囲気中で10℃/分の昇温速度で450℃まで昇温し、450℃で90分保持して、脱バインダーを行った。
その後、焼成炉内を1Paに減圧し10℃/分の昇温速度で600℃まで昇温、600℃で30分保持することで焼成して、ガラスフリットの融着を行い、図2に示されるような、カバーガラス18とフレネルレンズ20とが、直接、接合されたフレネルレンズ構造体16を得た。
<3. Firing>
The
Thereafter, the inside of the firing furnace was depressurized to 1 Pa, heated to 600 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, and held at 600 ° C. for 30 minutes to perform firing, and the glass frit was fused, as shown in FIG. Thus, the
<4.評価>
得られたフレネルレンズ構造体16の焦点距離を、以下の手法により測定した。すなわち、フレネルレンズの中心部の延長線上に照度計を設置し、フレネルレンズの非レンズ面から平行光を照射、集光した光の照度を測定した。フレネルレンズと照度計の距離を変えて、照度が最も高いときの両者の距離を焦点距離とした。
その結果、焦点距離は、約245mmであった。
全く同じ構成で、PMMA(ポリメチルメタアクリレート 屈折率1.5)製のフレネルレンズを、同じカバーガラス18に接着してなる、フレネルレンズ構造体について、焦点距離をシミュレーションした。
その結果、焦点距離は、約360mmであった。すなわち、本発明のフレネルレンズ構造体16は、PMMA製のフレネルレンズを用いる同構成の構造体に比して、焦点距離を、約7割にすることができる。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
<4. Evaluation>
The focal length of the obtained
As a result, the focal length was about 245 mm.
The focal length was simulated for a Fresnel lens structure having exactly the same configuration and having a Fresnel lens made of PMMA (polymethyl methacrylate refractive index 1.5) adhered to the
As a result, the focal length was about 360 mm. That is, the
From the above results, the effect of the present invention is clear.
本発明は、特に、集光型の太陽電池装置に好適に利用可能である。 The present invention is particularly applicable to a concentrating solar cell device.
10 太陽電池装置
12 太陽電池セル
14 ハウジング
16、24 フレネルレンズ構造体
18 カバーガラス
20 フレネルレンズ
30 塗膜
32 成形型
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記ガラス基板の前記第1面には、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成されていることを特徴とするフレネルレンズ構造体。 A Fresnel lens structure including a glass substrate having a first surface and a second surface facing the first surface,
A Fresnel lens structure, wherein a plurality of concentric annular lenses having a concavo-convex cross section are formed on the first surface of the glass substrate.
前記フレネルレンズは、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第1面と前記第1面に対向し前記第1面よりも平滑な第2面とを有し、前記第2面は前記ガラス基板に対面していることを特徴とするフレネルレンズ構造体。 A Fresnel lens structure comprising a glass substrate and a glass Fresnel lens provided on the glass substrate,
The Fresnel lens has a first surface on which a plurality of concentric ring-shaped lenses having a concavo-convex shape are formed, and a second surface that faces the first surface and is smoother than the first surface, The Fresnel lens structure, wherein the second surface faces the glass substrate.
前記カバーガラスの前記第2面上に設けられ、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第3面と前記第1面に対向し前記第3面よりも平滑な第4面とを有し、前記第4面が前記カバーガラスの前記第2面に対面するガラス製のフレネルレンズと、
前記フレネルレンズに対面して、前記フレネルレンズと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置。 A cover glass having a first surface on which light is incident and a second surface from which the light is emitted;
A third surface provided on the second surface of the cover glass and formed with a plurality of concentric ring-shaped lenses having a concavo-convex shape is opposed to the first surface and smoother than the third surface. A glass-made Fresnel lens facing the second surface of the cover glass;
A light collecting device comprising: a light receiving element that faces the Fresnel lens and is spaced apart from the Fresnel lens.
前記カバーガラスの前記第1面に対面して、前記カバーガラスと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置。 A cover glass having a first surface on which a plurality of concentric ring-shaped lenses having a concavo-convex cross section are formed, and a second surface facing the first surface;
A light collecting device, comprising: a light receiving element that faces the first surface of the cover glass and is spaced apart from the cover glass.
第1面およびこの第1面の裏面の凹凸面を有し、前記カバーガラスの一面に前記第1面を直接接触して一体化される、ガラス製のフレネルレンズとを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズ。 A cover glass,
And a glass Fresnel lens that has a first surface and an uneven surface on the back surface of the first surface and is integrated by directly contacting the first surface with one surface of the cover glass. Fresnel lens for solar cells with cover glass.
前記バインダが軟化する第1の温度で、前記塗膜の表面に凹凸が形成された成形型を押し当てて離し、前記塗膜の前記表面に凹凸を形成する工程と、
前記第1の温度よりも高い第2の温度で、前記塗膜中の前記バインダを除去する工程と、
前記第2の温度よりも低い第3の温度で、前記ガラスフリット融着させる工程とを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法。 Applying a paste containing a glass frit and a binder having a softening point lower than the softening point of the cover glass on the surface of the cover glass to form a coating film;
At a first temperature at which the binder is softened, pressing and releasing a mold having irregularities formed on the surface of the coating film, and forming irregularities on the surface of the coating film;
Removing the binder in the coating film at a second temperature higher than the first temperature;
And a step of fusing the glass frit at a third temperature lower than the second temperature. A method for producing a Fresnel lens for a solar cell with a cover glass.
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