JP5214273B2 - ソーラーセルおよび電子時計 - Google Patents

Description

腕時計に搭載し、発電エネルギーを供給して腕時計を駆動させるソーラーセルであって、特に角形の腕時計の外周部に配置するソーラーセル、およびそれを備えた電子時計に関する。

ソーラーセルは、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものとして、近年各所で多くの利用がなされている。とりわけソーラーセルに可動部分が無いことや、平面状に形成されることから、携帯性を要求される電子機器には非常に好適な発電素子とされている。その代表的な応用例として腕時計がある。

この腕時計として、ソーラーセルを透光性の文字板の下に配置して、文字板を透過した光によって発電を行う方式ではなく、可撓性の基板に光電変換層を形成した帯状のソーラーセルを、文字板の外周部にリング状に配置する形態が提案された。この形態とすることで、文字板の選択を自由に出来る。

ところが、腕時計の形状、特に文字板の形状は常に円形とは限らず、かなりの比率で角形状のものが含まれている。この角形の文字板外周にソーラーセルを配置する場合、角部にあたる箇所を折り曲げなければならない。ここで、ソーラーセルの構成材料には、例えば光電変換層を構成するシリコン膜や、透明電極材料である無機酸化膜など比較的割れやすい材料が含まれているので、セルを完全に折り曲げるとこれら光電変換層や透明電極などが破壊してしまうという問題がある。そこで、この問題を解決し、角形の文字板にも対応できる方法が、考えられた（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載されている従来のソーラーセルは、可撓性の基板上に光電変換層および上下の電極を有する、複数に分割した小片セルと、その小片セル間を伸展性と導電性を有する接続電極により電気的に接続する構成となっている。

この様に、従来のソーラーセルは、小片セル同士がシリコン膜などの光電変換層を含まない伸展性の接続電極により接続された構成となっているため、この接続電極部分でセルを折り曲げれば、光電変換層が破壊することはない。つまり、角形文字板の角部に相当する箇所に接続電極を配したソーラーセルとすれば、セルの破壊を起こすことなく、角形文字板の外周にこのソーラーセルを配置することが可能となる。

特開２００６−８４３１７号公報（第３頁、図１）

前述のように、従来の角形文字板対応のソーラーセルは、接続電極部分を折り曲げることは可能であるが、その折り曲げ箇所が限られるという問題がある。

つまり、必要とする腕時計の大きさやデザインが変わると、ソーラーセルの折り曲げ位置が変わってしまうため、異なる形態の腕時計に、そのままこのソーラーセルを搭載することが出来なくなる。

これは全てのソーラーセルをカスタマイズするということを意味し、従来のソーラーセルは大量生産には不向きであり、これにより製造コストがかさむ原因となっていた。

また、従来のソーラーセルの接続電極部分には、光電変換層が無いことも一つの課題である。つまり、このソーラーセルにおいて、接続電極部分もセルの一定の面積を占めることとなり、全面に発電領域を有するセルに比べてその分だけ発電領域が小さくなる。これは、ソーラーセル全体としての発電効率を低下させる原因となる。

そこで本発明の目的は上記の問題を解決し、同じソーラーセルで異なる形状の角形状の文字板の外周に搭載でき、セル内部の領域を有効に利用し十分な発電効率を備えたソーラーセル、およびそれを備えた電子時計を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のソーラーセルおよびそれを備えた電子時計においては、下記に記載する手段を採用する。

本発明のソーラーセルを、極性の異なる半導体層を積層してなる光電変換層と、光電変換層を挟持する上部電極と下部電極とを有し、腕時計の時計ケース内部に湾曲させた状態で配置されるソーラーセルにおいて、セルの少なくとも一部に、平板状態から所定の曲率半径となるまで塑性変形して湾曲させた際に、その曲率状態を維持するための金属板を有する構造とする。

このセルを湾曲させる形状は、多角形であり、所定の曲率半径を維持させる箇所は、多角形における角部分に相当する箇所であり、とくに角部分にのみ金属板が取り付けられている。

また下部電極には、可撓性フィルムの表面に形成され、下部電極の表面に、光電変換層と上部電極とが順次形成されており、さらに、上部電極の上面側に、または当該可撓性フィルムの裏面側に、金属板が接着された構成を適用できる。

またその構成に代えて、セルの全面に金属板を有し、金属板の表面に、光電変換層と上部電極とが順次形成されており、金属板が、下部電極を兼ねる構成としても良い。あるいは、セル表面の全面に、金属板を有し、金属板の表面に、下部電極と光電変換層と上部電極とが順次形成された構成とすることもできる。

また、このソーラーセルを帯状の外形とし、金属板が外側となるように、長手方向を湾曲させた状態を保って配置される。そして、このソーラーセルを、腕時計における文字板の外周に、略直立して設けて電子時計を構成することができる。

本発明のソーラーセルは、変形可能な金属板を、僅かな曲率半径を保って変形させ、その形状を維持するとともに、発電性能も維持したまま全体として角形の形状のセルとなる。これにより、腕時計の角形文字板の外周に配置することが可能となる。

そして本発明のソーラーセルの内部には、従来のような発電層を有する小片セルを予め用意し、この小片セルを互いに繋ぐための余分な領域が存在しないため、ほぼセルの面積分での発電が可能となり、従来の構成に比べて格段に発電効率が向上する。

また本発明の構成によれば、セルを湾曲させる箇所を規定する必要がないため、どの部分でもセルを湾曲させることが可能となる。これにより、四辺の長さを変えた時計のデザインに対しても同じソーラーセルを利用することが可能となる。さらには、必要があれば四角形に限らず、同じセル形態のままで、三角形や五角形など他のセル形状にも、すぐさ
ま対応が可能となる。

またさらに、金属板をセルの曲げる箇所だけに設ければ、本発明のソーラーセルは、セル全体の軽量化がなせる。さらに本形態によれば、セル全体の広い面積を接着しないことから、接着剤の硬化収縮などによる残留応力が緩和でき、セルの信頼性が従来の構成に比べて明らかに向上する。

また、本発明のソーラーセルにおいて、金属板に直接光電変換層を設ければ、他の形態に比べてセル全体の厚みを薄くすることができ、腕時計の時計ケース内部の更に狭い領域への配置が可能となる。また、本形態では、他の形態のように金属板を後から接着する必要が無いため、製造工程が簡略化できる。

まず、はじめに可撓性を有する一般的なソーラーセルの構造を説明する。図１にはその断面図を示している。

一般的な可撓性のソーラーセルでは、有機物からなるフィルム基板４０を利用して、その表面に透明導電性材料からなる下部電極２０が形成されている。ここでフィルム基板４０には、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などのフィルムを用いる。このフィルムは、耐熱性が高いことからある程度高温の成膜プロセスに耐えうること、硬さと張りが強いことから成膜後の膜応力に耐えうること、などの特性を考慮して選ばれる。

また下部電極２０には、一般的にインジウム・スズ酸化物、酸化スズ、酸化亜鉛などの透明性を有する無機酸化物が用いられ、それぞれの酸化物ターゲットを利用したスパッタリング法などによって、フィルム基板４０上に形成される。

下部電極２０の表面には、光電変換層１０が設けられているが、光電変換層１０、はｐ型アモルファスシリコン半導体とｉ型アモルファスシリコン半導体とｎ型アモルファスシリコン半導体の３層構造になっている。光電変換層１０は、それぞれの半導体層をプラズマＣＶＤ法を利用して積層することで作成される。

さらにその上には、上部電極３０が設けられている。上部電極３０は金属の薄膜からなっており、一般的にはやはり金属ターゲットを用いたスパッタリング法で形成される。金属は導電性が高く、光学的反射率も高いものが好ましく、アルミ、金、銀、プラチナなどを用いることができる。なお、上部電極３０の強度を保つために、その上層にチタンなどの硬さのある金属を積層しても良い。

ソーラーセルの基本的な構造は以上で出来上がるが、実用性を高めるためには、さらにその上層に保護膜５０を形成して、保護膜５０に形成したスルーホール内部に接続電極６０を充填し、外部に光電変換層１０で発生する光起電力を取り出せるようにしてある。なお、この保護膜５０にもフィルム基板４０と同様に、セルの可撓性を維持するために有機物膜を用いれば良く、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂などを用いることができる。また、接続電極６０にはカーボンや銀などの粒子を混練したエポキシ樹脂やアクリル樹脂からなる、いわゆる導電性ペーストを利用することができる。

ここで、多角形状の文字板の外周に、上記に示した構造のソーラーセルを略直立させて配置することを想定し、このソーラーセルを角形状に曲げることを検討した。まずは、平
板状態から帯状のソーラーセルの中間部を、図２（Ａ）の様に、完全に９０度に折り曲げた。これによって、フィルム基板４０は塑性変形がされ、基板を湾曲した形状を保つことが出来た。

しかし、折り曲げ前後の発電特性を測定して比較してみると、発電電流は折り曲げ前の約半分に減少してしまい、性能が低下していることが確認された。詳細にセルを観察すると、折り曲げ部分の発電層１１には亀裂が入っていることが分かり、つまり図１に示した接続電極６０より折り曲げた先の部分は断線してしまったことで、光電変換層１０で発生した光起電力が低下し、得られる電流値が半減したと推測できた。

この様に、図１に示した可撓性のフィルム基板４０を利用したソーラーセルは、急角度の折り曲げには耐えられないことは確認された。そこで、角部を完全には曲げずに角形状を達成する方法が必要となり、続いて図２（Ｂ）の様に、セルを角部において一定の曲率を有した形状で湾曲してみることとした。ただし、たとえばその角部における曲率半径が１０ｍｍや２０ｍｍ程度では、到底腕時計の角形文字板の外周に合わせることが出来ないことから、ここでは出来るだけ小さい曲率半径で曲げることが必要である。

そこで、フィルム基板４０の厚みが７５μｍのソーラーセルを用意し、細い棒の周りに沿わせてセルを湾曲させたときのセルの特性を確認したところ、曲率半径１．５ｍｍとしたとしても、３０回という耐久試験に耐えられることが確認できた。つまり、薄膜を利用したソーラーセルは完全に９０度の折り曲げず、この僅かな大きさでも一定の曲率半径を維持してセルを湾曲させれば、腕時計の角形文字板の外周にほぼ沿わせて配置しながらにして、セルの特性を低下させることがないことが分かった。

ただし、僅かな曲率半径にてソーラーセルを曲げることは出来ても、それを維持することは非常に難しい。なぜなら、先にも述べたように、一般的に用いるフィルム基板４０は、その平板形状を維持するために張りの強いものであり、セルを曲げた状態から平板形状に戻ろうとする反発力も大きく、曲率半径が小さくなる程、さらにセルを湾曲させた状態を維持することが難しくなるからである。そのため、角形の文字板の外周へこの帯状のソーラーセルを略直立させて配置固定するためには、時計内部に湾曲した状態を維持するための、他の余分な部品が必要となってしまう。
［第１の実施形態］

ここで、この平板形状から所定の曲率となるまで、セルを塑性変形して湾曲させ、その曲率状態を維持することを実現したソーラーセルの構造について説明する。図３は、そのソーラーセル構造の一部の断面図を示している。なお、このソーラーセルは、腕時計の時計ケースの内部に湾曲させた状態で配置されるセルである。

先の図１で説明した様に、ここでは図３に示す様に、透光性のフィルム基板４０上に、透明な下部電極２０、光電変換層１０、上部電極３０、保護膜５０を順次積層し、この保護膜５０から露出する下部電極２０と上部電極３０に接続され、光電変換層１０で発電する光起電力を、外部に取り出すための接続電極６０を有したセルを用意し、これに金属板７０を、接着層７１を介して接着している。ここで用いる金属板７０の厚みは約０．２ｍｍであり、材料はアルミ、銅、真鍮、鉄、ステンレスなど、主立った金属は利用できる。

また、接着層７１には、エポキシ系、アクリル系、ゴム系、シリコン系などの接着剤を用いているが、両面テープなどの粘着剤で金属板７０を固定することも可能である。図３の場合は、フィルム基板４０側から光が入射する形態としているため、金属板７０は保護膜５０側のほぼ全面に貼り付けている。

ここで、図３で示したソーラーセルでは、下部電極２０だけでなく、上部電極３０にも無機酸化物からなる透明導電膜を用い、保護膜５０にも透明性の高い材料を用いる形態としても良い。この様に構成すれば、フィルム基板４０側からの光入射に限定されず、保護膜５０側からの光入射が可能となる。そのときには、金属板７０は、フィルム基板４０側に接着する形態とする。なお、接続電極６０は、腕時計内部に配した回路基板等と接続する必要があるので、この部分には金属板７０を配していない。また、このソーラーセルは全体としては、幅が約２ｍｍで長さが約８０ｍｍという非常に細長い帯状の形状となっている。

この様な積層構造を持ったソーラーセルは、図４の様に長手方向の途中を、平板状態から所定の曲率半径（ここでは曲率半径１．５ｍｍ）を維持してセルを塑性変形して湾曲させることができる。そして、この曲率状態で少なくとも３箇所を曲げて、全体として四角の形状に変形させることができる。このとき、金属板７０が、光電変換層を含む発電層１１やフィルム基板４０に対して外周になるように曲げた際に、セルを湾曲させた曲率状態を維持する様に機能する。この形状とすることで、本発明のソーラーセル８０が完成する。

この曲げ部分の曲率半径は、先に述べたように約１．５ｍｍとなっているが、その方法は次のように行う。たとえば、直径３ｍｍの棒材に沿わせて、ソーラーセルの曲げ箇所を当てた状態で、セルとともに金属板７０を塑性変形させることで、目的の１．５ｍｍの曲率半径を有するソーラーセルが完成する。このとき金属板７０は、このセルの湾曲状態の形成行為により、塑性変形と湾曲状態を維持する機能を発揮し、目的の曲率半径を有する形態で、任意の形状を維持することが可能となる。

続いて図５に、このソーラーセル８０を、腕時計の時計ケース内部に配置した状態を示した。本図面に示した形態は、腕時計の裏蓋側から見た状態を示しており、ここでは裏蓋やムーブメントは示していない。

図５に示す様に、腕時計に搭載されるソーラーセル８０は、文字板８２と時計ケース８１の隙間に実装され、ムーブメント内部の回路（図示せず）と接続される。

以上の様な構造を実現することで、本発明のソーラーセルは、僅かな曲率半径を保って変形させることで、その性能を維持したまま角形の形状のセルとなる。これにより、腕時計の角形文字板の外周に配置することが可能となる。

さらに、本発明のソーラーセルの内部には、従来の構成のように、小片セルの個々の発電層をつなぐ、余分な領域が存在しないために、ほぼセルの面積分の発電が可能となり、同じサイズのセル構成であっても従来の構成よりも高い光起電力を得ることができる。

上記のソーラーセルの説明では、一つの四角形状に変形したセルの説明に限ったが、本発明のソーラーセルでは、どの部分も曲げが可能であるため、四辺の長さを変えても同じセルを利用することが可能である。さらには、必要があれば四角形に限らず、三角形や五角形など他の多角形状にもすぐさま対応が可能である。なお、本発明において、セルを湾曲させて形成する多角形は、所定の曲率半径を持って湾曲させた部分を角部と捉えて、セル全体の形を四角形などの多角形として表現している。

［第２の実施形態］
次に、他の形態のソーラーセル８０について説明する。図６にその断面形状を示した。

ここでも第１の実施形態と同様に、図１で説明した様に、フィルム基板４０上に、下部
電極２０と、光電変換層１０と、上部電極３０と、保護膜５０とを順次積層してなり、さらにこの保護膜から露出する下部電極２０と上部電極３０に接続する接続電極６０を有するソーラーセルを用意し、これに金属板７０を接着して構成した。ただし、本実施形態で接着している金属板７０は、第１の実施形態とは異なり、セル全体の大きさより小さく複数の箇所に分かれて設けられている。

この複数の金属板７０は、必要な曲げ箇所に接着されており、図６の様に、各々の金属板７０を必要な曲率半径で曲げることで、第１の実施形態と同様に四角形の形状を作り出しソーラーセルとしている。

この第２の実施形態をとることにより、本発明のソーラーセル８０が、角形文字板の時計に対応できることはもとより、さらに金属板７０が、第１の実施形態に比べて小さいために、セル全体の軽量化とすることができる。また、本形態によれば、この軽量化とともに、セル全体の広い面積を接着しないので、接着剤の硬化収縮などによる残留応力が緩和でき、セルの信頼性がより向上する。

［第３の実施形態］
続いて、またさらなる他の形態のソーラーセルについて説明する。図７に、その要部断面図を示した。

本形態では、基板として金属板７０を用意し、その上に直接光電変換層１０が設けた構成を採用している。つまり、ここでは実施例１、２で示した金属板７０が下部電極の機能を兼ね備えた構成となっている。また、ここで用いる光電変換層１０は、材料および製造方法とも図１のセルと同じである。金属板７０には、アルミ、銅、鉄などを主成分とするものを用いるが、表面は出来るだけ平滑化しておく方が好ましい。また、本形態で下部電極を設けないことから、本実施形態では金属板７０が下部電極としても機能する構造となっている。

さらにその上には上部電極３０が設けられているが、ここでの上部電極３０は透明導電膜からなっており、図１のソーラーセルの下部電極２０と同じように、酸化物膜により形成されている。

ソーラーセルの基本的な構造は以上で出来上がってはいるが、やはり実用性を高めるためにはさらにその上層に保護膜５０を形成し、保護膜５０に形成したスルーホール内部に接続電極６０を充填した形態とした方がよい。保護膜５０と接続電極６０の材料も図１のセルと同じである。

この様にして、平板状態から所定の曲率半径となるまで塑性変形して湾曲させた際に、その曲率状態を金属板７０の作用によって保つことができる、本発明のソーラーセル８０が完成する。ただし、本形態では、実施例１で示した（図４参照）フィルム基板４０が存在しない。そのことからも、第３の実施形態のソーラーセル８０は、全体の厚みが薄くでき、腕時計の時計ケース内部のさらに狭い領域への組み込みが可能となる。また、他の実施形態のように、ソーラーセルを作成してから、金属板７０を後から接着せずに本形態のセルを製造できるため、他の実施形態に比べて製造工程が簡略化できる。

また、第３の実施形態では、金属板７０上に直接光電変換層１０を形成しているが、金属板７０の質により、表面抵抗が高い場合や、光電変換層１０との接触に問題がある場合は、実施の形態１、２で示した形態と同様に、金属板７０と光電変換層１０との間に別に膜状の下部電極を設けても良い。また、さらにはこの下部電極と金属板７０の間に、絶縁膜を設けても良い。

一般的なソーラーセルの構成を示した断面図である。 ソーラーセルの曲げ実験を示した断面図である。 本発明の実施形態におけるソーラーセルを示した断面図である。 本発明の実施形態におけるソーラーセルを示した断面図である。 本発明の実施形態におけるソーラーセルを腕時計に組み込んだ場合の平面図である。 本発明の他の実施形態におけるソーラーセルを示した断面図である。 本発明の他の実施形態におけるソーラーセルを示した断面図である。

符号の説明

１０ 光電変換層
１１ 発電層
２０ 下部電極
３０ 上部電極
４０ フィルム基板
５０ 保護膜
６０ 接続電極
７０ 金属板
７１ 接着層
８０ ソーラーセル
８１ 時計ケース
８２ 文字板

Claims (5)

1. 極性の異なる半導体層を積層してなる光電変換層と、当該光電変換層を挟持する上部電極と下部電極とを有し、腕時計の時計ケース内部に湾曲させた状態で配置されるソーラーセルにおいて、
   セルの少なくとも一部に、平板状態から所定の曲率半径となるまで塑性変形して湾曲させた際に、その曲率状態を維持するための金属板を有し、
   前記セルを湾曲させる形状は、多角形であり、
   前記所定の曲率半径を維持させる箇所は、前記多角形における角部分に相当する箇所であり、
   前記角部分にのみ前記金属板が取り付けられている
   ことを特徴とするソーラーセル。
2. 極性の異なる半導体層を積層してなる光電変換層と、当該光電変換層を挟持する上部電極と下部電極とを有し、腕時計の時計ケース内部に湾曲させた状態で配置されるソーラーセルにおいて、
   セルの少なくとも一部に、平板状態から所定の曲率半径となるまで塑性変形して湾曲させた際に、その曲率状態を維持するための金属板を有し、
   前記セルの全面に、前記金属板を有し、
   前記金属板の表面に、前記光電変換層と前記上部電極とが順次形成されており、前記金属板は、前記下部電極を兼ねる
   ことを特徴とするソーラーセル。
3. 前記下部電極は、可撓性フィルムの表面に形成され、当該下部電極の表面に、前記光電変換層と前記上部電極とが順次形成されており、さらに、前記上部電極の上面側、または当該可撓性フィルムの裏面側に、前記金属板が接着されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のソーラーセル。
4. 前記ソーラーセルは、帯状の外形となっており、
   前記金属板が外側となるように、長手方向を湾曲させる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のソーラーセル。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のソーラーセルを、前記腕時計における文字板の外周に、略直立して設けた
   ことを特徴とする電子時計。

Images