JP2017535298A - 太陽電池付き装飾複合体 - Google Patents

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Abstract

（ａ）凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石、（ｂ）波長選択層、及び（ｃ）光電池を含む装飾エレメントが提案される。

Description

本発明は、凸状湾曲領域、波長選択層、及び光電池を含むファセットされた透明本体を含む装飾エレメントに関する。装飾エレメントは、ウェアラブルエレクトロニクスの分野を含む、エネルギー供給のために適している。
現在まで、ファセットされた宝石用原石は、アクセサリー及び織物に純粋な美観の目的で、殆ど独占的に使用されているが、機能的な効果はほとんど有さない。ウェアラブルエレクトロニクスの分野（いわゆる“ウェアラブルテクノロジー”）、巨大な成長機会を持つ市場において、この分野は、使用者によって、装飾性よりも機能性と関連付けられるので、それらは欠けていた。ボディセンサー、“スマートウォッチ”又はデータグラスなどの、ウェアラブルテクノロジーの分野における最大の課題の一つは、エネルギー供給、しばしば予想外の時間にデバイスを動作不能にするその突然の機能停止である。
米国特許出願第２０１３／０３２９４０２号明細書によれば、装飾エレメントに関して内蔵式太陽電池を経たエネルギー供給が知られている。
米国特許第４，１７３，２２９号明細書によれば、太陽電池はまた、宝石着用者の体を通じて治療に有効な電流を流すためのブレスレッド及びネックレスに使用されている。
独国実用新案第２０３０３９５２号明細書は、固定されている宝石のための“アラーム錠”における太陽電池の使用を提案としている。
欧州特許出願公開第２４５８４５７号明細書は、透明部材（２）、装飾プレート（７）、及びソーラーパネル（５）が、その開口部の末端側から金属ケース（１ａ）中にこの順で配列されてなる時計であって、装飾プレートは光透過性を有し、且つ、ソーラーパネルの面上に凹凸表面部分でできている光反射部分（７０）を有し、そして、光透過性及び光反射性の両方を有する半透過型反射プレート（６）が装飾プレート及びソーラーパネル間に提供され、半透過型反射プレートが無金属蒸着フィルム（６１）を有している時計に関する。横断面図は、両側から平坦になる様に研磨されたその面上に光透過性プレートを有し、且つ、ファネットを有しない時計を示す。それに続いて、その底面がソーラーパネルに結合した、凹凸表面構造を有する装飾プレートある。この凹凸層は、山と谷の連続であり、即ち、時計自体には、広い凸状湾曲領域はない。
米国特許出願第２０１３／０３２９４０２号明細書 米国特許第４，１７３，２２９号明細書 独国実用新案第２０３０３９５２号明細書 欧州特許出願公開第２４５８４５７号明細書
今日まで、宝石用原石として加工するために、要求された装飾方法のおける太陽電池の設計の全ての技術的解決方法の欠如がある。本発明の課題は、非常に明るい装飾エレメントが得られるような方法で、太陽電池（光電池）を適合することにある。
第一態様において、本発明は
（ａ）凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石、
（ｂ）波長選択層、及び
（ｃ）光電池
を含む装飾エレメントに関する。
好ましい実施形態において、エレメント（ａ）ないし（ｃ）は、特に上述された順序で接着剤を用いて一緒に結合される。その他の好ましい実施形態において、装飾エレメントは、また好ましくはその順番で、接着剤で一緒に結合された要素（ａ）ないし（ｃ）からなる。
本発明はさらに、特にウェアラブルエレクトロニクスにおけるエネルギー源としての、本発明にかかる装飾エレメントの使用に関する。本発明はまた、本発明に係る装飾エレメントを含むオブジェクトに関する。例えば、装飾エレメントは、有利には、本発明に関連する、いわゆる“活動量計”に含まれ得る。さらに可能な用途は、以下に記載する。
驚くべきことに、凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石、波長選択層、及び光電池の組合せは、様々な目的のためのエネルギー源として適していることを見出した。本発明によれば、光電池、光起電力（ＰＶ）素子及び太陽電池の用語は、互換的に使用される。本発明に係る複合体は、改良されたエネルギー供給特性を有するだけでなく、それらは同時に高い輝きの宝石用原石でもある。したがって、本発明は、光輝くだけでなく、平らなガラスシートのみで覆われた太陽電池のそれよりも高いエネルギー収率を供給する、エネルギー供給機能性宝石用原石を提供する。
本発明による組合せは、エネルギー源として及び宝石用原石としての両方の、設計及び技術分野に可能な用途の多様性を提供する。以降、凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石はまた、“光学素子”といわれる。装飾エレメントは高輝度であり、したがって、エネルギー源としてだけでなく装飾用エレメントとして使用できる。“透明性”という用語は、電磁波を透過するための物質の能力（透過）を意味する。物質が、多かれ少なかれ広い周波数範囲の入射電磁放射線（光子）に対して透明である場合、放射線は材料をほぼ完全に透過することができ、すなわちほとんど反射せず、ほとんど吸収されない。本発明によれば好ましくは、“透明性”は入射光の少なくとも７０％、好ましくは８０％を超える、より好ましくは９０％を超える透過率を意味する。本発明によれば、「ファセット」とは、多角形又はいわゆるｎ角形（ｎ＞３）を有する宝石用原石の表面の設計を意味し；ファセットは、通常、粗い結晶を研磨することによって得られるが、プレス方法によっても入手できる。“凸”及び“凹”という用語は、ファセットの上又は下の想像上の包囲領域に関連し、その定義は、光学系のレンズとの類推によって理解されるべきである。
凹凸領域は、対称又は非対称のいずれでもよい。
装飾エレメント（複合体）の可能な構造は、図（１ａ）ないし（１ｃ）に示されており、参照される符号は以下の意味を有する：
（１）凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石；
（２）光電池（太陽電池）
（３）波長選択膜；
（４）波長選択性フィルム；
（５）接着剤；
（６）波長選択性フィルムの配置に対して異なる構造
（７）装飾エレメント
本発明の一実施形態では、波長選択膜（下記参照）は、ファセットに対向する平面側に接して、即ち平凹凸の又は平凸の宝石用原石の“裏側”に接して直接配置され得、そしてそれは太陽電池に接着結合される。本発明による他の実施形態において、波長選択膜は、太陽電池に接して配置され得、そしてそれは宝石用原石（１）に接着結合される（図１ｂ）。他の実施形態において（図１ｃ）、波長選択性フィルムは、２つの接着剤相によって太陽電池及び宝石用原石（１）に結合される（図１ｃ）。個々の部品の接着結合は必須ではないことが留意される。
本発明によれば、波長選択層はまた、原則としてファセットされた表面に適用されることができるが；しかしながら、これは、層の見込まれる機能的摩耗のために、あまり好ましくない実施形態の一つである。光電池はまた、光学素子上に直接半導体材料の堆積又は蒸着により製造され得、即ち、それは、必ずしも接着剤によって結合される必要はない。
装飾エレメントは、完全なエネルギー自己供給方法で、“ウェアラブルテクノロジー”の分野において、様々な装置を操作する機会を提供するか、あるいは、入射光の機能としてそれらの実行時間を著しく増加する機会を提供する。エネルギー貯蔵の永続的な再充電は一定のエネルギーレベルをもたらす。このことは、電荷担体容量の減少、その結果としてエネルギー貯蔵量の減少を可能にさせる。このことは、より小型な設計などの、製品の設計のために有利であり、そしてこれは、次いで、生産コストの低減に寄与し得る。外部電源による従来のエネルギー貯蔵の完全な充電及び放電は除かれるので、装置に現在使用されているエネルギー貯蔵の明らかに増加した耐用年数が得られる。
装飾エレメントの１つの適用は、例えば、リング及びイヤリングによって表され、ここでそれは、宝石として機能し、同時にトランスミッションユニットを含む一体型センサシステムに必要なエネルギーを提供する。そのようなシステムは、例えば、血液中のラクテート、グルコース又はメラトニン等の経皮光学的測定に役立ち得る。特定の薄膜電池及び高度に小型化された電子機器に関連して、装飾エレメントは、初めて、宝飾品類の小型化された部品中に一体化されたセンサシステムを可能にする。従って、例えば、本発明による装飾エレメントを備えたリングは、電池交換なしに特定の身体機能の連続的な測定に使用することができる。
また、携帯電話、ラップトップ、ＧＰＳシステム、又はタブレットコンピュータ等のモバイルデバイスの部分充電は、直列又は並列接続で装飾エレメントの多数のために可能である。このような装飾エレメントの多くが衣服、及び、例えばハンドバッグやリュックサック等のアクセサリーに適用される場合、その中に収容されたモバイル機器は誘導的に充電され得る。本発明に係る装飾エレメントを含み、マイクロＵＳＢプラグを備えた、いわゆる“エネルギーブレスレット”は、モバイル充電所として使用することができる。本発明に係る装飾的なエレメントはまた、例えば、宝石用原石の色の変化、又は例えば、いわゆる“スマートウォッチ”の表示機能のための、いわゆる切替え可能な効果のためのエネルギーを提供することできる。
装飾エレメント又は装飾エレメントの多数は、例えば、スマートウォッチ又は活動センサ（活動追跡装置）にエネルギーを供給するために、ブレスレットに統合され得る。装飾エレメントが特定の設定により相互接続されている場合、装飾エレメントの信頼できる電気的相互接続を達成することができる。エネルギーを必要とする製品部分への装飾エレメントからのエネルギー転送は、例えば特定のバネ棒（主に時計用）又はポゴピンによって可能である。
凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石
宝石用原石は、例えば、透明ガラス、プラスチック、透明セラミック又は透明宝石もしくは半貴石等の多種多様な材料で作ることができる。ガラス又はプラスチックで作られているファセットされた透明な宝石用原石は、コストが低く、かつ、ファセットが最も容易に提供されるので、本発明によれば好ましい。ガラスの使用が、本発明によれば特に好ましい。宝石用原石は、凸状湾曲又は凸凹状湾曲領域を含む。このことは、凹状湾曲領域も又はセットされた面の凸状湾曲領域に加えて存在し得ることを意味する。ファセットされた面の反対側の宝石用原石の面は、平面（好ましい）であるか又は凹面の何れかである。平凸又は平凸凹形状を有する宝石用原石は、それらが結晶性太陽電池の最も費用効率の高い適用を可能にするので、本発明によれば好ましい。特に好ましいのは、凸状、とりわけ平凸状形状の宝石用原石である。
ガラス
本発明は、透明である限り（上記参照）、ガラスの組成に関して原則限定されない。“ガラス”は、非晶質固体を形成する凍結した過冷却液体を意味する。本発明によれば、酸化物ガラス及びカルコゲナイドガラス、金属ガラス又は非金属ガラスの両方を使用することができる。オキシ窒化物ガラスもまた適している。ガラスは、一成分（例えば、石英ガラス）又は二成分（例えば、ホウ酸アルカリガラス）又は多成分（ソーダ石灰ガラス）ガラスであり得る。ガラスは、溶融、ゾル−ゲル法、又は衝撃波によって調製することができる。この方法は当業者に知られている。無機ガラス、特に酸化物ガラスは、本発明によれば好ましい。これらには、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス又はリン酸塩ガラスが含まれる。鉛フリーガラスが特に好ましい。
透明なファセットされた宝石用原石の製造のために、シリカガラスが好ましい。シリカガラスは、それらのネットワークが主に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成されるという共通点を有する。アルミナ又は種々のアルカリ酸化物のようなさらなる酸化物を添加することによって、アルモシリケートガラス又はアルカリシリケートガラスが形成される。五酸化リン又は三酸化ホウ素がガラスの主要なネットワーク形成剤である場合、それはそれぞれ、リン酸塩又はホウ酸塩ガラスと呼ばれ、その特性はさらなる酸化物を添加することによって調整することもできる。言及されたガラスはまた、本発明に従って使用することもできる。言及されたガラスは主に酸化物から成っており、そしてそれが、総称して酸化物ガラスと呼ばれる理由である。
本発明による好ましい実施形態において、ガラス組成物は以下の成分：
（ａ）約３５ないし約８５質量％のＳｉＯ２；
（ｂ）０ないし約２０質量％のＫ２Ｏ；
（ｃ）０ないし約２０質量％のＮａ２Ｏ；
（ｄ）０ないし約５質量％のＬｉ２Ｏ；
（ｅ）０ないし約１３質量％のＺｎＯ；
（ｆ）０ないし約１１質量％のＣａＯ；
（ｇ）０ないし約７質量％のＭｇＯと；
（ｈ）０ないし約１０質量％のＢａＯ；
（ｉ）０ないし約４質量％のＡｌ２Ｏ３；
（ｊ）０ないし約５質量％のＺｒＯ２；
（ｋ）０ないし約６質量％のＢ２Ｏ３；
（ｌ）０ないし約３質量％のＦ；
（ｍ）０ないし約２．５質量％のＣｌ
を含有する。
全ての記載された量は、所望によりさらなる成分と一緒に、１００質量％の合計を与えるものとして理解されるべきである。宝石用原石のファセッティングは、通常、当業者に
十分に精通している研磨及び研磨技術によって得られる。
例えば、鉛フリーガラス、特にスワロフスキー社がチェスボードフラットバック（カタログ番号２４９３）に使用しているガラスは、３８０−１２００ｎｍの範囲で＞９５％の透過率を示し、本発明によれば適している。
プラスチック
ファセットされた透明な宝石用原石（ａ）の調製のための別の原料として、透明なプラスチックを使用できる。モノマーの硬化後に透明である全てのプラスチックは、本発明によれば適しており；これらは当業者には十分に精通している。数ある中で、以下の材料：
・アクリルガラス（ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ）、
・ポリカーボネート（ＰＣ）、
・ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、
・ポリスチレン（ＰＳ）、
・ポリフェニレンエーテル（ＰＰＯ）、
・ポリエチレン（ＰＥ）、
・ポリ−Ｎ−メチルメタクリルイミド（ＰＭＭＩ）
が使用される。
ガラスに対する透明プラスチックの利点は、特に低い比重にあり、それはガラスの約半分の比重しかない。他の材料特性も選択的に調節することができる。さらに、プラスチックはしばしばガラスに比べてより容易に処理される。欠点としては、ガラスと比較して、低い弾性率及び低い表面硬度並びに約７０℃からの温度で強度の大幅な低下が挙げられる。本発明に係る好ましいプラスチックは、ポリ−Ｎ−メチルメタクリルイミドであり、これは、例えばＰｌｅｘｉｍｉｄ（登録商標）ＴＴ７０の名称でエボニック社によって販売されている。Ｐｌｅｘｉｍｉｄ（登録商標）ＴＴ７０は、１．５４の屈折率、及びＤ６５標準光を用いたＩＳＯ １３４６８−２に従って測定した９１％の透過率を有する。
形状
ファセットされた透明な宝石用原石の形状設計は、原則的に制限されず及びそして設計的側面に依存します。宝石用原石は、好ましくは正方形、長方形又は円形である。ファセットされた透明な宝石用原石は、好ましくは凸形状、特に平凸状（図２ａ参照）を有する。好ましくは、宝石用原石は、好ましくは凸状湾曲面上に複数のファセットを含み、好ましいのは長方形ファセット、特に正方形ファセットであり、というのもこれらはエネルギー収率の最適化に寄与するからである。凸状及び所望により付加的な凹状領域を有する宝石用原石の形状は、全体の表面を増加させることによって光の収率を増加させる。入射光の一部が反射するため、波長選択層（下記参照）は光収率に悪影響を有するが、この損失は、ファセットと組み合わせて凸状及び所望により凹状の湾曲領域を有する特定の形状によって補われる以上のものである。特に、宝石用原石の凸形状は、太陽電池のエネルギー収率の角度依存性の重要な低減に寄与する。特に、光源に向かう位置づけがほとんど不可能であるウェアラブルエレクトロニクスの観点から、角度依存性の低減は非常に重要である。凸面とファセット面の組み合わせ（図２ａ）は、光起電力素子の表面に光ビームを収束させ、そして平面形状に比べてエネルギー収率を著しく増加させる（図２ｂ）。同時に、図３ａに示すように、角度依存性は、太陽電池をカプセル化するために通常使用されるような薄いプレートと比較して劇的に減少する（図３ｂ）。それから生じるファセットされた領域と付加的な領域とを組み合わせた凸状湾曲のために、装飾エレメントに入射する光ビームは、太陽電池上の法線に向かって屈折する。ファセットは、光ビームの多重反射（光トラッピング）をもたらし、したがって光収率の増加をもたらす。
本発明に係る好ましい実施形態では、凸条領域の表面割合は、宝石用原石の全てのファ
セットされた表面の多くても１／３である。この場合、凸凹形状の光収率は、凸形状のみの光収率と同様である。これはシミュレーションによって示すことができる（下記参照）。
ファセットの種類は、光学素子の形状に密接に関連している。原則的には、ファセットの形状は限定されない。正方形又は長方形のファセット、特に、正方形又は長方形の側面を備えた透明な宝石と平凸形状とを組み合わせが本発明によれば好ましい。しかし、円形であるファセットされた宝石用原石も使用することができる。
波長選択層
波長選択層は、装飾エレメントを宝石用原石としてまったく使うことを可能にする。装飾エレメントは、そこから光輝性外観を得る。選択層は、好ましくは、凸状湾曲領域を含む透明なファセットされた宝石用原石と光起電力素子との間に設けられる。本発明によれば好ましいのは、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法又は湿式化学法によって製造された波長選択性フィルム又は波長選択膜による２つの異なる方法で実現される。しかしながら、波長選択層はまた、微細構造化面から得ることができる。微細構造化の方法は、当業者に周知である。
可視スペクトルの規定された範囲（＝フィルタリング）の反射の結果として、光学素子は輝きを獲得し、観察者に特定の色で現れる。輝きは、宝石用原石のファセッティングによってさらにサポートされる。本発明の好ましい実施形態では、波長選択層は、３８０ないし８５０ｎｍの範囲の光の一部、すなわち、主に可視範囲にある光の一部を反射する。反射される光の一部は、可能な限り狭い可視スペクトルの範囲内、典型的にはわずか５０ないし２５０の幅を有する範囲内にある。一方で、この一部は、輝きに関して宝石用原石として装飾エレメントを思いつかせるのに十分である。一方、反射された波長範囲に起因するエネルギー収率の損失は最小化される。したがって、本発明によれば、波長選択層は、３８０ないし８５０ｎｍの範囲内の５０ないし２５０ｎｍ幅の反射間隔で入射光の少なくとも５０％を反射することが、本発明によれば好ましい。好ましくは、反射間隔は５０ないし２００ｎｍ幅、より好ましくは５０ないし１５０ｎｍである。別の好ましい実施形態では、波長選択層は、０°の光ビームの入射角下で測定されさたとして、４００ないし１２００ｎｍの波長範囲（図４ａ参照）における反射間隔の外側で、＞６０％、好ましくは＞８０％の平均透過率を有する。好ましくは、波長選択層は、ファセット側に対向する宝石用原石の側面に適用され；これに代えて、光起電力素子に直接適用することもできる。
光電池（太陽電池）は、太陽スペクトルの一部のみを利用することができる。フィルタとして作用する波長選択層は、好ましくは、ＩＲ範囲内にあり、且つ、もはや太陽電池によって利用されることができないスペクトルの部分をさらに反射し、それ故に太陽電池の更なる加熱を防止する。
通常、太陽電池は、１度の加熱当たり０．４７％のエネルギー収率を失うため、被覆の正しい選択が非常に重要である。入射波長が短ければ短いほど、光子のエネルギーは高くなる（Ｅ＝ｈ・ν［ｅＶ］）。シリコン太陽電池では、１．１ｅＶのエネルギーが、ｐ／ｎ接合から電子−正孔対を打ち出すために必要とされ；過剰なエネルギーは熱に変換される。例えば、４００ｎｍのエネルギーに対応する３．１ｅＶを有する光子が細胞に衝突すると、２ｅＶが熱エネルギーに変換され、エネルギー収率の低下を導く。したがって、本発明によれば、短波の青色又は緑色の部分（波長：３８０ないし４９０ｎｍ）を反射することが特に有利であり、なぜなら、ここで最も熱が発生するからである。原則として、波長選択層は、さまざまな色の装飾エレメントを生成することを可能にする。しかしながら、エネルギー収率を最適化するためには、波長選択層が可視スペクトルの短波長領域からの一部を反射することが好ましい。
波長選択層は、角度に依存する反射を示す（図４ａ及び図４ｂ）。反射間隔は、ファセット上への光の入射角の関数として変化する。ファセットの位置に応じて、異なる色の部分が、ほとんど虹色効果、すなわちファセットなしの平凸レンズによって達成することができず、ファセットからファセットへの漸進的な色の変化が生じるために反射される。
ＵＶ硬化性接着剤を用いて装飾エレメントの個々の部品の接着を可能にするために、ＵＶ光に対して少なくとも部分的に透明であることが好ましい。
波長選択性フィルム
波長選択性フィルムは、「放射光フィルム」の名称で市販されている。これらは、他の材料に適用できる多層ポリマーフィルムである。これらの光学フィルムは、ブラッグミラーであり、及び可視光の高い割合を反射し、及び鮮やかな色効果を生じる。数百ナノメートルの範囲内のレリーフの様な微細構造は、光の異なる波長を反射し、及び干渉現象が起こり、色は視野角の関数として変化する。
本発明に係る特に好ましいフィルムは、その最外層がポリエステルである多層ポリマーフィルムからなる。このようなフィルムは、例えばＲａｄｉａｎｔ Ｃｏｌｏｒ Ｆｉｌｍ ＣＭ ５００及びＣＭ ５９０の名称で３Ｍ社によって販売されている。フィルムは、５９０ないし７４０ｎｍ又は５００ないし７００ｎｍの反射間隔を有する。
波長選択性フィルムは、好ましくは接着剤を用いて、光電池及びファセットされた透明な宝石用原石と接着される。接着剤もまた透明でなければならない。好ましい実施形態では、接着剤の屈折率は、凸形状を有するファセットされた透明体の屈折率から±２０％未満ずれる。特に好ましい実施形態では、このずれは＜１０％であり、さらに好ましくは＜５％である。これは、異なる屈折率を最小限にできるので、反射損失を最小限に抑えることを確実にする唯一の方法である。屈折率はまた、それぞれの境界層を粗くすることによって互いに適合させることができる（モスアイ効果）。いわゆる「モスアイ表面」は、理想的な場合には、光の屈折挙動を突然ではなく、連続的に変化させる微細なけば構造からなる。異なる屈折率間の鋭い境界が、これにより除去されるので、変化はほとんど穏やかになり、そして光は妨げられずに通過することができる。これに必要な構造サイズは３００ｎｍより小さくなければならない。モスアイ効果は、境界層での反射が最小限に抑えられることを保証し、それ故より高い光収率が境界層を通過する際に達成される。
ＵＶ照射によって硬化させることができる接着剤は、本発明によれば好ましい。ＵＶ硬化性接着剤及び屈折率を決定する方法の両方は、当業者に周知である。特に、本発明によれば、アクリレート接着剤、特に変性ウレタンアクリレート接着剤の使用が好ましい。これらは数多くの企業、例えばＤｅｌｏ−Ｐｈｏｔｏｂｏｎｄ（登録商標）ＰＢ４３７という名称でデロ社によって販売されており、３２０〜４２ｎｍの範囲内のＵＶ光で硬化できる接着剤である。
波長選択膜
膜材料は、当業者に周知である。本発明の好ましい実施形態では、波長選択膜は、任意の順序で、金属及び／又は金属酸化物、金属窒化物、金属フッ化物、金属炭化物又はこれらの化合物の任意の組み合わせなどの金属化合物の少なくとも一種を含み、これらは、一般的なコーティング方法の１種によってファセットされた宝石類に塗布される。異なる金属又は金属化合物の連続層を適用することもできる。膜を調製する方法及び膜自体は、当業者に十分に知られている。これらには、とりわけ、従来技術によるＰＶＤ（物理蒸着）法、ＣＶＤ（化学蒸着法）法、ペイントコーティング法及び湿式化学法が含まれる。ＰＶＤ法が、本発明によれば好ましい。
ＰＶＤ法は、真空系のコーティング方法又は薄層技術のグループであり、これらは、当業者には十分精通されており、特にガラス及びプラスチックのための光学及び宝飾産業において使用されている。ＰＶＤプロセスでは、膜材料が気相に移される。ガス状物質は、その後、被覆される基材に通され、そこで凝縮しそして標的層を形成する。これらのＰＶＤ法（マグネトロンスパッタリング、レーザービーム蒸発、熱蒸発など）のいくつかによって、非常に低いプロセス温度を実現することができる。多種多様な金属は、このような方法で、非常に純粋な形態で、薄層で、堆積することができる。プロセスが酸素のような反応性ガスの存在下で行われる場合、金属酸化物もまた堆積され得る。本発明による好ましい方法は、スパッタリングによるコーティングプロセスである。典型的な層システムは、機能及び光学的外観の要求に応じて、一つだけでなく多数の層から構成されてもよい。実際には、層の数は、主に、１ないし２５に制限されている。典型的な層の厚さは５ないし８００ｎｍの間で変化する。本発明によれば、好適なコーティング材料は、特に、Ｃｒ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ｆｅ、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｕ、ＳｉＯｘ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯｘ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＣｅＦ３、ＭｇＦ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＳｎＯ２、ＺｎＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＷＯ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３；ＢａＦ２、ＣａＦ２、ＬａＦ３、ＮｄＦ３、ＹＦ３；ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＺｎＳｄｓ、Ａｌの酸窒化物、Ｓｉの酸窒化物、及びＳｎＺｎＯの酸窒化物などがあげられる。
波長選択膜を得るために、例えば、それらの吸収挙動のために、波長選択的な方法で可視光のある一定の割合しか透過又は反射しない吸収材料が使用され得、そしてそれ故着色する。例えばＴｉＯ２及びＳｉＯ２の複数シーケンス等の、誘電性材料によって構成され、干渉現象のために可視光の特定の部分のみを透過又は反射し、それにより着色されてみえる層システムは、本発明によれば好適である。本発明による特に好ましい波長選択膜は、１２層中のＴｉＯ２とＳｉＯ２の交互シークエンス及び約２０ないし１４５ｎｍの間で変化する層の厚さで構成される。本発明によれば、エッジ位置３８０及び４８０ｎｍを有する、すなわち、光の大部分が３８０−４８０ｎｍの範囲内で反射される（＝反射間隔；図４ａ参照）、いわゆるバンドストップフィルタが、本発明では好ましい。他のエッジ位置のバンドストップフィルタを準備するために、層の数及び厚さが変更される。エヴァテック社の型番ＢＡＫ１１０１のような、様々な市販の機械が、ＰＶＤ層制作のために利用可能である。
光起電力素子
光起電力素子（太陽電池）は、短波放射エネルギー、通常太陽光を直接電気エネルギーに変換する電気部品である。どのような種類の太陽電池が使用できるかは、要求されるエネルギー供給及び特定の適用目的に依存する。本発明による適用目的のために、無機太陽電池が特に適している。それらは、半導体材料、最も一般的にはシリコンから製造される。さらに、とりわけ、テルル化カドミウム、カッパーインジウムガリウムジセレニド及びヒ化ガリウムが用いられている。いわゆるタンデム型太陽電池では、異なる半導体の層、例えばリン化インジウムガリウムリンと組み合わせたヒ化インジウムガリウムが使用される。
材料に加えて、太陽電池の構造が重要である。例えば、材料を組み合わせる積重ね技術は、全体の組立ての効率を高めるために使用される。材料は、入射太陽スペクトルが最大限に利用されるように選択される。理論的に得られる効率は約４３％であるが、たった約１５ないし２０％だけが、実際には標準太陽電池で達成される。損失は、熱生成を伴う電荷キャリアの再結合、反射、及び直列抵抗のために生じる。最大電力（最大電力点、ＭＰＰ）での電圧は、最も一般的なセル（結晶シリコンセル）で約０．５Ｖである。
近年、太陽電池の構造が最適化されているので、できるだけ多くの光が吸収され、そし
てできるだけ多くの自由電荷キャリアが活性層に生成される。したがって、反射防止層は、太陽電池の上側に適用され、一方裏側は、鏡面化される。反射防止層は、典型的な青色から黒色の太陽電池を提供する。反射防止層は、しばしば、窒化ケイ素、二酸化ケイ素及び二酸化チタンから調製される。反射防止膜の層の厚さもまた色（干渉色）を決定する。ナノメートルスケールのばらつきが早くも反射率を増加させるので、均一な層の厚さが重要である。青反射は、好ましくはシリコンの吸収波長である、スペクトルの赤部分に対する反射防止層の調製から生じる。反射防止層の材料としての窒化ケイ素及び二酸化ケイ素は、パッシベーション層として追加的に供給され、これは表面で電荷キャリアの再結合を減少させるので、より多くの電荷キャリアが発電に利用可能となる。前面コンタクトフィンガが太陽電池の裏面に取り付けられている場合、さらなる効率の向上が達成される。このことは表面の１０％までが金属接点により覆われるので、より小さい活性エリア、それ故より少ない光収率を生じる、前面のシェーディングを回避する。加えて、裏面接触フィンガは、前面接触フィンガと比較して、より容易かつより少ない損失で電気的に接触することができる。裏面に接触した太陽電池が、本発明によれば好ましい。このようないわゆるＩＢＣ（交差指型背面接触）セルは、例えばサンパワー社によって市販されている。特に、単結晶シリコンの太陽電池及び窒化シリコンの反射防止膜は、本発明に適しており、好ましくは、太陽電池は＞２０％の効率を有する。約２２．５％の効率で特徴付けられる、単結晶シリコンで作られたＳｕｎｐｏｗｅｒ（登録商標）Ｃ６０太陽電池が、本発明に特に適している。窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の反射防止コーティングは、典型的には、１．９ないし２．５の屈折率を有する。裏面接触、裏面鏡面、二酸化ケイ素のパッシベーション層及びｎドープシリコンの使用は、とりわけ、太陽電池の効率の向上に寄与する。
本発明に係る太陽電池及び装飾エレメントの使用可能なサイズ／面積は、用途及び放射照度に依存する。１ｃｍ２の面積及び約２０％のセル効率について、エネルギーの２０ｍＷｈまでは、１００ｍＷ／ｃｍ２の放射照度で、直射日光下で１時間以内に理論的に収集することができる。実際には、この値は、エネルギー貯蔵所の充電における電気的損失及び約１００ｍＷ／ｃｍ２又は１０００Ｗ／ｍ２の平均放射照度が、しばしば中央ヨーロッパでは達成されないという事実のために、いくらか低くなる。約３ｍＷｈ／日の平均放電を有する市販の「活動追跡器」に基づき、直射日光の１週間当たりの１時間の照射時間は、太陽電池の１ｃｍ２の面積に十分であろう。非理想的な光条件下であってもＩＢＣ太陽電池の良好な性能のために、内部空間におけるその使用は、ウェアラブル電気装置の放電を相殺するのに十分である。開放状態の直射日光と比較して、室内の放射照度は１００−２００倍低くなる。身体機能を監視するための上述のセンサは、約１ないし５ｍＷｈ／日の平均放電を示す。ここでもまた、本発明係る装飾エレメントを経たエネルギー供給は、例えば装飾エレメント又は装飾的デザインにおけるそのようなエレメントの多数を統合することによって可能である。
本発明の好ましい実施形態では、光起電力素子は、生成された電荷キャリアを電流の形で放出させるための電気接点を備えている。太陽電池の裏面電気接点は、回路基板を介して接触され、１つの正接点と１つの負接点に接合される。
以下では、本発明を実施例及び図面によりさらに説明するが、これらに限定されるものではない。図は次のオブジェクトを示しています。
ファセットに対向する平坦な面上に波長選択性膜を有する装飾エレメントの構造。 太陽電池の波長選択膜を有する装飾エレメントの構造。 波長選択性フィルムを有する装飾エレメントの構造。 ファセットを有する平凸型光学エレメント内の太陽電池上の光ビームの集束。 太陽電池の平面被覆のためのビーム光路。 ファセットを有する平凸光学エレメントにおける側面に入射する光ビームの屈折 太陽電池の平面的な被覆のための側面に入射する光ビームのビーム光路。 表１による波長選択フィルタ膜のスペクトル；Ｔ＝透過；Ｒ＝反射。 波長選択フィルタ膜における反射の角度依存性；Ｒ＝反射。 光学素子の形状図。遠近法による。 光学素子のベース領域；ベース領域で４５°の面取り。 測定装置。概略図。 放射線の入射角の関数としての最大電力点での相対的な電力の変化。 ０−７５°の入射角で平均化された、光学素子を適用した後の最大出力店での電力の相対変化。 シミュレーションに対する光学素子の形状。 平凸凹曲率を有する光学素子の形状。 平凹曲面を有する光学素子の形状。
本発明はさらに、一方では、エネルギー源、特にウェアラブルエレクトロニクスとしての本発明に係る装飾的なエレメントの使用、及びオブジェクト、特に本発明に係る少なくとも一種の装飾エレメントを含むリング、ネックレス、ブレスレット及び同類のもの等の宝飾品類に関する。
原料
異なる材料及び形状の異なる装飾エレメントを調査した。装飾エレメントを、太陽電池及び光学素子から組立てた。本発明の実施例は、さらに、波長選択層を設けた。
太陽電池：型番サンパワーＣ６０（１０ｍｍ×１０ｍｍ）の太陽電池を使用した。
光学素子−コーティングの有無：ガラスの光学素子を、スワロフスキー社から市販されている“チェスボードフラットバック”２４９３素子（３０ｍｍ×３０ｍｍ）から、当業者に知られている方法によって製造した。
Ｐｌｅｘｉｍｉｄ（登録商標）ＴＴ７０の光学素子を、この目的のために予め成形された金型内のプラスチック射出成形法によって製造した。この方法では、Ｅｎｇｅｌ社の型番ｅ−ｖｉｃｔｏｒｙ８０／５０の射出成形機を使用した；バレル温度：２１０から２８０℃に上昇する、ノズル２８０℃；型の温度：１８０°ノズル側、１４０°エジェクタ側；射出圧力限界：１２００ｂａｒ；射出速度：約１５ｃｍ３／ｓ；エンボス圧力：約８００ｂａｒ；無溶媒。
形状：本発明による実施例１及び２並びに比較例Ｃ２及びＣ３の光学素子は、１２ｍｍのエッジ長さ及びわずかに丸みを帯びたコーナーを有する正方形のベース領域（図５ａ及び５ｂ）を有するファセットされた本体である。４５°の角度の面取りを、ベース領域上に設けたので、実際に残っているベース領域は１０ｍｍ×１０ｍｍである（図５ａ及び５ｂ参照）。四角い配置の２５個のファセットを有するファセット付き上部はボールセグメントを形成する。ソリッド全体の高さは５．５６ｍｍであり、コーナーエッジの高さは１．９３ｍｍである。
実施例及び比較例の詳細
比較例Ｃ１：０．５ｍｍ厚の１２ｍｍ×１２ｍｍガラスシート；屈折率ｎ＝１．５２。
比較例Ｃ２：図５ａ及び５ｂに従ってガラスから製造された光学素子；上記の寸法（形状）；波長選択膜無し。
実施例１：図５ａ及び５ｂに従ってガラスから製造された光学素子；上記の寸法（形状）；以下に記載の波長選択膜有り。
比較例Ｃ３：ｎ＝１．５４を有する図５ａ及び５ｂに従ってＰｌｅｘｉｍｉｄ（登録商標）ＴＴ７０から製造された光学素子；上記の寸法（形状）；波長選択膜無し（比較例）。
実施例２：図５ａ及び５ｂに従ってＰｌｅｘｉｍｉｄ（登録商標）ＴＴ７０から製造された光学素子；上記の寸法（形状）；以下に記載の波長選択膜有り。
波長選択層
実施例１及び２の光学素子をＰＶＤ設備（上記参照）で被覆した。波長選択膜の構造を表１に示す：
測定装置及び測定
測定は、光ビームの入射角の関数として、太陽電池のエネルギー収率に関する、光学素子及びコーティングの影響の調査を目的とした。
装飾エレメント：実施例及び比較例の光学素子並びに型番サンパワーＣ６０（１０ｍｍ×１０ｍｍ）の太陽電池から組みたてられた５つの異なる装飾エレメントを調査した。
測定を、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ２６０２Ａソースメータ及び対応する治具を含むＬｉｎｏｓ回転支持体を使用したＯｒｉｅｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＬＥＤサンシミュレータＶｅｒａｓｏｌ−２ （クラスＡＡＡ）を用いて実施した。
測定装置の略図を図６に示す。参照符号は以下の通りである：
（７）装飾エレメント；
（８）サンシミュレータ；
（９）回転支持体；
（１０）ソースメータ。
クラスＡＡＡ（スペクトルマッチング、空間均一性、時間安定性）に従って認定された
サンシミュレータ（８）を使用し、１０００Ｗ／ｍ２の一定の放射照度を全ての一連の実験のために選択した。光源から実施例１及び２ならびに比較例Ｃ１ないしＣ３に従って測定した試料への放射の入射角は、試験体を配置した回転支持体（９）を用いて変化させた。太陽電池の中心とサンシミュレータとの間の距離ｚは、一定に保った（図６参照）。
ソースメータ（１０）の使用し、太陽電池の夫々の電流電圧特性を、１００ｗ／ｍ２の放射で測定し、そして最大電力点の電力をそれから決定した。
５つの太陽電池の夫々を、まず光学素子なしで測定した。光ビームの入射角は０°から７５°まで１５°ステップで変化させた（図６参照）。次に、波長選択性膜（表１）を有する光学素子（上記参照）を、屈折率ｎ＝１．４６１を有するＵＶ硬化性接着剤を使用して夫々の太陽電池に適用し、そして、全ての一連の測定を繰り返した。夫々個々の測定を３回繰り返し；これから、算術平均を形成し、そして相対標準偏差（標準偏差／平均）を計算し；結果を表２に纏めた。
表２で得られた結果のグラフィック評価は、図７ａ及び７ｂに見出すことができる。
結果の議論
一方では、実施例Ｃ１結果の電力損失は、透明ガラス／ＵＶ−硬化性接着剤及びＵＶ−硬化性接着剤／太陽電池に関する異なる屈折率のための損失に由来する。また他方では、光ビームの一部は、ガラスシートにぶつかった場合、反射によって失われる。実際には、電力損失の両種類は、全ての光学素子で起こるが、それらは平面ガラスシートで最大である。
最大電力点における太陽電池の電力の強化は、主に、図２ａ／２ｂ及び図３ａ／３ｂに概略的に示されているように、形状効果によって決定される。とりわけ、ファッセを備えた凸形状の関連性は、光ビームの入射角の増加につれて、見出される。装飾エレメントの電力は、非常に増加する（実施例Ｃ２及びＣ３）。ガラスに関して、このことはＰｌｅｘｉｍｉｄ（登録商標）ＴＴ７０から製造された光学素子と比べてより一層重要である。
波長選択膜（実施例１及び２）から、エネルギー損失は、必然的に、可視スペクトルの一部の反射のために、Ｃ２及びＣ３と比較して、予想通りに生じる。しかし、これらは、
表２からわかるように、ファセットと組合せた凸形状によって補われるものを越えるものとなることができる。
ガラスの光学素子とＰｌｅｘｉｍｉｄ（登録商標）ＴＴ７０との違いは、製造上の理由から、ガラスの明らかに増加した透過挙動及びガラス試料のより良い表面品質に起因する。
コンピュータシミュレーション
太陽電池の電力に対して宝石用原石の平凹凸形状又は平凸形状の影響を、コンピュータシュミレーションによって調査した。このシミュレーションはオプティス社のプログラムＳｐｅｏｓを使用し物理的な光追跡によって実施した。
コンピュータモデル
測定値（上記参照）から対応する宝石用原石のＣＡＤデータを、宝石用原石のモデルとして使用した。宝石用原石の表面を、理想的であると仮定した（粗さなし、即ち表面欠陥なし）。シミュレーションに関して、実施例１のガラスの反射率を使用し、これはλ＝５５０ｎｍで１．５６である。
宝石用原石及び太陽電間の波長選択層又は一般的な境界層は、複雑さの理由から考慮に入れていない。シミュレーションにより、単に光収率について宝石用原石の異なる形状（凸、凹）の影響のみが、調査された。波長選択層又は境界層を含めることとは、これとは無関係である。
太陽電池を、光の入射角には依存しない、１．３％の反射度を有する反射表面を用いてシミュレーションした。太陽電池の吸収率は９８．７％であった。
宝石用原石への光の照射を、シミュレーションでの測定と同様に、すなわち上から中央に実施した。光源の寸法は、３０ｍｍ×３０ｍｍであった。宝石用原石のシート領域の中央から光源の距離は１５ｍｍであった。光源の開口角は２×８°であった。光分布はガウス分布として仮定した。光源は１Ｗの放射電力を有していた。プログラムＳｐｅｏｓの普通の光源Ｄ６５は、光源として使用された。光の入射角に依存して（下記参照）、光の一部のみが宝石用原石にあたった。
シミュレーション及びその結果
シミュレーションＳ１：平凸形状を有する宝石用原石、図８。この宝石用原石は、測定からの宝石用原石に対応する（図５）。
シミュレーションＳ２：平凸凹形状を有する宝石用原石、図９。凹状くぼみ部は球形である。これは、直径１８ｍｍの球形によって得られる。球の中心は、宝石用原石のシート領域の中央を通過する領域の法線上にある。凹状くぼみ部は、０．５５８ｍｍの高さを有するボールセグメントに対応する。
シミュレーションＳ３：平凹形状を有する宝石用原石、図１０。宝石用原石の凹条の曲率は、元の宝石用原石の凸条曲率に対応する、図８。端部の宝石用原石の高さＨ（図１０）は、５ｍｍである。
このシミュレーションは、光ビームの入射角の関数として、太陽電池の、吸収挙動ひいてはエネルギー収率に対する光学素子（宝石用原石）の形状（凹条、凸条）の影響を調査することを目的としていた。
光ビームの入射角を、測定と同様にシミュレーションで変化させた（上記参照）。モデル化された太陽電池のワットでの吸収された放射電力を計算した。パーセントで吸収された放射電力の相対偏差を、１００×（Ｓ２−Ｓ１）／Ｓ１又は１００×（Ｓ３−Ｓ１）／Ｓ１によって得、そして異なる入射角で決定された（表３）。
結果の議論
表３中、Ｓ１とＳ３の値の相対偏差（第６欄）は、吸収された放射電力が純粋に凹状の形状において大きく減少することを示している。これは、凹状形状が散乱効果を有するために予想される。
対照的に、凹状曲率の表面特性が曲率領域の最大限でも１／３（図９）である場合（表３中、シミュレーション２；第４欄参照）、電力値の偏差は無視できる。
相対偏差（表３、第４欄及び第６欄参照）は、入射角に対して連続的に減少しない。これは、光ビームは、宝石用原石の非湾曲側面にもあたり、それ故追加の反射が宝石用原石中で起こり得るという事実のせいである。
シミュレーションの結果は、湾曲した宝石用原石表面の最大で１／３までの領域部分を有する凹状湾曲の影響が、太陽電池の効率に関して無視できることを示している。

Claims (15)

  1. （ａ）凸状湾曲領域を含むファセットされた表面を有する透明な宝石用原石、
    （ｂ）波長選択層、及び
    （ｃ）光電池
    を含む装飾エレメント。
  2. 前記宝石用原石が、ガラス又はプラスチック製である、請求項１に記載の装飾エレメント。
  3. 前記宝石用原石が、平凸又は平凸凹形状を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の装飾エレメント。
  4. 前記波長選択層が、波長選択膜又は波長選択性フィルムから選択されることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
  5. 前記波長選択膜は、少なくとも１種の金属及び及び／又は金属化合物を含有することを特徴とする、請求項４に記載の装飾エレメント。
  6. 前記波長選択層は、３８０ないし８５０ｎｍの範囲内の光の一部を反射することを特徴とする、請求項１ないし請求項５の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
  7. 前記波長選択層は、３８０ないし８５０ｎｍの範囲内において５０ないし２５０ｎｍ幅の反射間隔で入射光の少なくとも５０％を反射することを特徴とする、請求項１ないし請求項６の少なくとも一項に記載の装飾エレメント
  8. 前記波長選択層が、０°の光ビームの入射角のもとに測定された場合、４００ないし１２００ｎｍの範囲における反射間隔の外側で＞８０％の平均透過率を有することを等張とする、請求項７に記載の装飾エレメント。
  9. 前記波長選択層が、
    （ａ）ファセット面に対向する面、又は
    （ｂ）光電池
    に適用されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項８の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
  10. 前記波長選択膜は、層の任意の順序で、Ｃｒ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ｆｅ、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｕ、ＳｉＯｘ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯｘ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＣｅＦ３、ＭｇＦ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＳｎＯ２、ＺｎＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＷＯ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３；ＢａＦ２、ＣａＦ２、ＬａＦ３、ＮｄＦ３、ＹＦ３；ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＺｎＳ、Ａｌの酸窒化物、Ｓｉの酸窒化物、及びＳｎＺｎＯの酸窒化物、又はそれら化合物の任意の組合せからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む、請求項１ないし請求項９の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
  11. 前記光電池が、裏面接触型太陽電池であることを特徴とする、請求項１ないし請求項１０の少なくとも一項に記載の装飾エレメント。
  12. 装飾エレメントの部品（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、接着剤を用いて一緒に結合されてなることを特徴とする、請求項１ないし請求項１１の少なくとも一項に記載の装飾エレメ
    ント。
  13. 前記接着剤の屈折率は、宝石用原石の屈折率から±２０％未満ずれることを特徴とする、請求項１２に記載の装飾エレメント。
  14. 特にウェアラブルエレクトロニクスにおけるエネルギー源としての請求項１ないし１３の少なくとも項に記載の装飾エレメントの使用。
  15. 請求項１ないし請求項１３の少なくとも一つに記載の、少なくとも一つの装飾エレメントを含むオブジェクト。
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