光電變換單元的製作方法

2023-07-09 22:57:56

專利名稱：光電變換單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有光密度變換元件和光電變換元件而構成的光電變換單元。
背景技術：
在專利文獻1中公開了實現高效利用光能的光電變換系統。該光電變換系統由下 述部分構成，即高折射率區域，其折射率比周圍高，具有圓錐狀形狀；導光單元，其一端與 以規定數量形成的高折射率區域各自的圓錐頂點部分結合；以及光電變換單元，其設置在 導光單元的另一端上。在專利文獻2中公開了一種太陽能發電系統，其由將太陽光進行聚光的光學單元 (PARABOLIC MIRROR ARRAY等)、將聚光後的太陽光進行引導的光纖(OPTICAL FIBER)、以及 利用該光纖導入太陽光的太陽能變換單元(PHOTOVOLTAIC CELLS)構成。由於任一個現有技術都是在將太陽光聚光的基礎上，向太陽能變換單元(光電變 換單元)導光，所以可以減少太陽能電池等的使用量，可以廉價·高效地進行太陽能發電。專利文獻1 日本特開平8-76 號公報專利文獻2 美國專利第5089055號公報

發明內容
但是，上述現有系統最少必須由3個部分構成。即，在專利文獻1中為高折射率區 域(第1部分)，其折射率比周圍高，具有圓錐狀形狀；導光單元(第2部分)，其一端與以 規定數量形成的高折射率區域各自的圓錐頂點部分結合；以及光電變換單元(第3部分)， 其設置在導光單元的另一端上。在專利文獻2中為將太陽光進行聚光的光學單元(第1 部分)、將聚光後的太陽光向太陽能變換單元引導的光纖(第2部分)、以及太陽能變換單 元(第3部分)。上述3個部分由於各自的功能不同，所以需要由不同材料以不同工序進行 製造，部件數量增多，製造工序增加。另外，由於需要彼此進行光學 機械結合，特別地對於 光學結合，為了得到大於或等於一定的結合效率，需要高定位精度。其結果，光學結合的效 率較差，並且機械結合的穩定性也較低。本發明就是鑑於上述狀況而提出的，其目的在於，提供一種光電變換單元，其可以 提高光學結合的效率、機械結合的穩定性。本發明所涉及的上述目的通過下述結構而實現。(1) 一種光電變換單元，其特徵在於，具有光密度變換元件，其將入射至入射端 面的光在出射端面中使光密度變化後射出；以及光電變換元件，其配置為接近所述光密度 變換元件中光密度為高密度的端面，與所述光密度變換元件一體化。根據該光電變換單元，僅光密度變換元件及光電變換元件這兩個部件以光學·機 械的方式直接結合，不易產生由於存在中間部件而導致的光學損耗、或機械精度降低。另外，光電變換元件可以與光密度變換元件的光密度較高側一體化而機械結合， 可以利用簡單的構造得到較高的結合精度。並且，在光密度變換元件中形成隨著朝向光密度較高側而會聚的光路，如果光密度較高側為出射端面，則來自入射端面的光可以在光電 變換元件中聚光，如果光密度較高側為入射端面，則來自光電變換元件的光可以從出射端 面進行擴散。(2)如⑴所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光電變換元件為太陽能電池。根據該光電變換單元，將入射至入射端面的光變換為隨著朝向出射端面而會聚的 光，在太陽能電池中聚光。即，可以作為太陽能發電單元使用。光密度變換元件使用細徑 較 薄的透鏡，與不進行聚光而直接接受太陽光的情況相比，可以大幅減少所需的太陽能電池 的尺寸。(3)如(1)所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光電變換元件為發光介質。根據該光電變換單元，通過利用發光介質使光從與作為太陽能發電單元使用時相 反的方向、即太陽能發電單元中設置有太陽能電池的一側入射，從而光電變換元件成為使 光擴散的元件。由此，光電變換單元可以用作為通常照明或顯示裝置用的照明(例如平面 顯示器的背光)。(4)如(1)至(3)中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光密度變換元 件為分布折射率型，即，在與入射端面平行的剖面內，折射率分布在徑向上是變化的，在與 入射端面垂直的方向上實質上是均勻的。根據該光電變換單元，光密度變換元件中的光線一邊以正弦波狀振蕩一邊周期性 地傳輸。在入射光為沿與入射端面垂直的方向傳輸的平行光的情況下，如果將振蕩的1個 周期長度設為1個間距(P)，則可以以P/4或ρ/2的傳輸長度變換為會聚光或擴散光。(5)如(1)至(3)中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光密度變換元 件在與入射端面平行的剖面內，折射率大於或等於一定值的高折射率區域的截面積，從入 射端面側至出射端面側連續變化。根據該光電變換單元，在光密度變換元件中，高折射率區域的截面積從入射端面 側至出射端面側連續變化。由此，可以沿高折射區域部分的形狀將光向任意方向引導。(6)如(1)至(5)中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，形成所述光密度變 換元件的基體部件使用石英玻璃，通過改變在該玻璃中添加的雜質的添加量，而在所述光 密度變換元件內形成折射率分布。根據該光電變換單元，作為基體的材料使用石英玻璃，在該石英玻璃中，添加用於 產生折射率分布的雜質(摻雜劑)、例如GeO2，通過改變其添加量，可以得到折射率在徑向 上變化的光密度變換元件。此外，如上述所示，剖面的周向及長度方向的折射率實質上是均 勻的。在形成具有上述折射率分布的光密度變換元件時，可以適當地使用下述製造技術， 即，在火焰內使玻璃原料及摻雜劑反應，生成玻璃微粒，將玻璃微粒堆疊在標靶(target) 上而合成含有摻雜劑的多孔質玻璃母材，通過將該多孔質玻璃母材燒結而形成所謂的預製 件。(7)如(1)至(5)中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，形成所述光密度變 換元件的基體部件使用石英玻璃，通過改變在該玻璃中形成的空孔密度，而在所述光密度 變換元件內形成折射率分布。根據該光電變換單元，作為產生折射率分布的方法，使石英玻璃中分布空孔。在此 情況下，與添加GeA的情況的例子相比，最大相對摺射率差可以提高大約1個數量級。
(8)如(6)或(7)所述的光電變換單元，其特徵在於，作為所述基體部件，取代石英 玻璃而使用折射率的絕對值大的物質。根據該光電變換單元，作為基體的材料，使用折射率的絕對值大於石英玻璃的物 質，如果為了形成折射率分布而在該基體材料中分布空孔，則可以進一步使最大相對摺射 率增加，使分布折射率型平面透鏡的厚度進一步變薄。(9)如(1)所述的光電變換單元，其特徵在於，在所述光密度變換元件中，相對於 一側端面，在另一側端面的光密度為高密度的規定位置處，設置有定位所述光電變換元件 的定位單元。根據該光電變換單元，通過在分布折射率型平面透鏡的焦點位置處，形成與所使 用的太陽能電池的大小·形狀相對應的作為定位單元的例如槽，從而可以在該槽中將太陽 能電池嵌合，並高精度且容易地實現光學·機械結合。(10) 一種光電變換單元，其特徵在於，配置多個⑴至(9)中任一項所述的光電變 換單元而陣列化。根據該光電變換單元，通過使用多個作為光密度變換元件的例如分布折射率型平 面透鏡而陣列化，與各個分布折射率型平面透鏡相對應地設置太陽能電池，從而可以以優 異的量產性，廉價地製造將例如太陽能電池及分布折射率型平面透鏡密集地集合而成的高 密度·高效率的太陽能發電單元。發明的效果根據本發明所涉及的光電變換單元，由於具有下述部件而構成，即光密度變換元 件，其將入射至入射端面的光在出射端面中使光密度變化後射出；以及光電變換元件，其配 置為接近光密度變換元件中光密度為高密度的端面，與所述光密度變換元件一體化，因此， 僅將兩個部件以光學 機械的方式直接結合就可以構成單元，可以提高光學結合的效率、機 械結合的穩定性。


圖1是本發明所涉及的光電變換單元的分解斜視圖。圖2是圖1所示的平方分布型波導路的作用說明圖。圖3是錐狀波導路的剖面圖。圖4是配置多個而陣列化的光電變換單元的斜視圖。標號的說明11 光密度變換元件，IIl 出射端面(或入射端面)，He 入射端面(或出射端面)， 13 光電變換元件，19 定位單元，19a 槽，100 光電變換單元，Ax 光軸
具體實施例方式下面，參照附圖，說明本發明所涉及的光電變換單元的優選實施方式。圖1是本發明所涉及的光電變換單元的分解斜視圖。本實施方式所涉及的光電變換單元100具有光密度變換元件11和光電變換元件 13而構成。光密度變換元件11將入射至入射端面的光在出射端面使光密度變化後射出。本實施方式中的光密度變換元件11，作為平面狀的聚光元件的一個例子而構成分布折射率型平面透鏡，其剖面內的徑向折射率分布n(r)為(式1)所表示的平方分布。n2(r) =n02(l-a2r2)…(式 1)其中，Iltl為波導路中心的折射率，a是折射率分布半徑，r是與光軸的距離。圖2是構成分布折射率型平面透鏡的平方分布型波導路的說明圖。平方分布型波導路中的光線如圖2(a)所示，一邊以正弦波狀振蕩一邊周期性地 傳輸。在入射光為向與入射端面垂直的方向傳輸的平行光的情況下，如果將振蕩的一個周 期長度設為1個間距(P)，則利用圖2(b)所示的ρ/2或圖2(c)所示的ρ/4的傳輸長度，變 換為擴散光或會聚光。在本實施方式中，利用其中形成圖2(c)所示的聚光·擴散的光路的 折射率分布。即，平方分布型波導路在與入射端面平行的剖面內，折射率分布在徑向上是變 化的，在與入射端面垂直的方向(長度方向)上，實質上是均勻的。將Ρ/4作為焦距f的光密度變換元件11，在聚光用途中，將圖2(c)所示的平面Il 作為入射端面，將平面Uk作為出射端面，在擴散用途中，將平面Uk作為入射端面，將平面 Il作為出射端面。光密度變換元件11的基體部件使用石英玻璃，可以通過改變在該玻璃中添加的 雜質的添加量，而形成折射率分布。在作為基體的材料而使用的石英玻璃中，添加用於形成 折射率分布的雜質(摻雜劑)例如GeO2,通過改變其添加量，可以得到折射率沿徑向變化 的光密度變換元件。此外，在如上述所示的剖面的周向及長度方向上，折射率實質上是均勻 的。在形成具有上述折射率分布的光密度變換元件11時，可以適當地使用下述製造技術， 即，在火焰內使玻璃原料及摻雜劑反應，生成玻璃微粒，將玻璃微粒堆疊在標靶(target) 上而合成含有摻雜劑的光纖用多孔質玻璃母材，通過將該多孔質玻璃母材燒結而形成所謂 的預製件。在設想將石英玻璃(η。— 1.46)作為基體材料、為了形成折射率分布而添加GeA 的例子的情況下，如果使最大相對摺射率差為3 %，則在折射率分布半徑a = IOcm的情況 下，如果平行光與分布折射率型平面透鏡(光密度變換元件11)垂直地入射，則在距離入射 面大約65cm的點處，入射光會聚在焦點上(即，聚光率最大)。另一方面，作為形成折射率分布的其他方法，在石英玻璃中分布空孔的方法也是 有效的(參照美國專利第7039284號公報的圖2B及圖幻。在此情況下，與添加GeO2的情 況相比，可以使最大相對摺射率差提高大約1個數量級。其結果，在折射率分布半徑為IOcm 的情況下，可以使焦距縮短至大約20cm，可以使分布折射率型平面透鏡(光密度變換元件 11)的厚度變薄。另外，在分布空孔而形成折射率分布的情況下，由於可以利用單一材料形成透鏡， 所以如果將廉價的材料用作為基體材料，則可以製造廉價的分布折射率型平面透鏡。作為光密度變換元件11的基體材料，並不限定為石英玻璃。也可以使用折射率的 絕對值比石英玻璃大的物質作為基體材料，形成折射率分布，如果在該基體材料中分布空 孔，則可以進一步增加最大相對摺射率，使分布折射率型平面透鏡的厚度進一步變薄。此外，上述添加GeO2的結構、分布空孔的結構均使用具有正折射率的材料，但如果 利用使用所謂超材料(metamaterial)而形成的具有負折射率的材料，則可以使聚光元件 比上述例子更薄。本實施方式所涉及的光電變換單元100，將光電變換元件13配置為接近光密度變換元件11中光密度為高密度的端面(圖2(c)的平面丨「側)，與光密度變換元件11 一體 化。光電變換元件13可以與光密度變換元件11中的一對平行平面(入射端面Ik或出射 端面11K)的光密度較高側一體化而機械結合，可以以簡單的構造得到較高的結合精度。並 且，在光密度變換元件11中形成隨著朝向光密度較高側而會聚的光路(芯部1 ，使來自入 射端面的光在光電變換元件13中聚光。此外，所謂「接近」包括與端面接觸、在端面附近、以及與端面的凹部卡合等情況。該光電變換元件13可以使用太陽能電池。由此，成為將入射至入射端面Ik的光 變換為隨著朝向出射端面IIk而會聚的光，在太陽能電池中聚光的太陽能發電單元。由於 光密度變換元件11使用細徑 較薄的透鏡，所以與不進行聚光而直接接受太陽光的情況相 比，可以大幅減少所需要的太陽能電池的尺寸。由此，如果在光密度變換元件11的焦點位置處設置太陽能電池，則在上述例子 中，即使考慮到伴隨著分布折射率型平面透鏡的製造不理想而產生的焦點位置偏移、或者 太陽能電池設置位置的定位精度等，也可以通過半徑0. 5cm左右而充分地與聚光後的光進 行耦合。由此，與不進行聚光而直接由太陽能電池接受太陽光的情況相比，可以將所需要的 太陽能電池的尺寸降低至1/400 { = (0. 5/10)2}。在光電變換單元100中，在光電變換元件11中相對於一側端面而在另一側端面的 光密度為高密度的規定位置處，設置有用於定位光電變換元件13的定位單元19。作為使 光密度變換元件11和光電變換元件13結合的單元，在分布折射率型平面透鏡的光密度為 高光密度的位置處，形成與光電變換元件13的大小·形狀相對應的作為定位單元19的槽 19a，通過在該槽19a中設置光電變換元件(太陽能電池等)13，可以實現光學·機械結合。在這裡，所謂「光學結合」是指將光密度變換元件(聚光元件)11和光電變換元件 (太陽能電池等)13以形成期望的聚光率的方式在同軸上接近配置這一情況。所謂「機械 結合」是指利用粘接或合型等進行一體化這一情況。通過在分布折射率型平面透鏡的焦點位置處，形成與所使用的太陽能電池的大 小·形狀相對應的槽19a，可以在該槽19a中將太陽能電池嵌合，並高精度且容易地實現光 學·機械結合。此外，對於本發明所涉及的光電變換單元，無論焦距如何，只要將光電變換元件 (太陽能電池等)13與光密度變換元件11接近地配置並一體化，以使聚光位置位於適當的 位置即可。光密度變換元件11並不限定為平面透鏡。例如，也可以利用以錐狀變細的波導 路進行聚光，變細的波導路部分成為所期望的聚光面積即可。圖3是替代平方分布型波導路的錐狀波導路的剖面圖。構成該錐狀波導路的光密度變換元件11，在與入射端面平行的剖面內，折射率大 於或等於一定值的高折射區域15的截面積從入射端面側至出射端面側連續變化。由此，光 密度變換元件11可以沿所形成的高折射區域部分的形狀將光任意引導。圖4是配置多個而陣列化的光電變換單元的斜視圖。光電變換單元100也可以配置多個而陣列化。通過使用多個作為光密度變換元件 11的例如分布折射率型平面透鏡而陣列化，將太陽能電池與各個分布折射率型平面透鏡相 對應地設置，從而可以以優異的量產性，廉價地製造將例如太陽能電池及分布折射率型平 面透鏡密集地集合而成的高密度·高效率太陽能發電單元200。
7
另外，對於光電變換單元100，如果使光從與光密度變換元件11被用作為所述太 陽能發電單元時相反的方向、即從設置太陽能電池的一側入射，則該光密度變換元件11變 為使光擴散的元件。因此，本光電變換單元100中通過取代太陽能電池，而使用發光介質 (LED、EL等)作為光電變換元件13，由此可以用作通常照明或顯示裝置用的照明(例如平 面顯示器的背光)。由此，在光電變換單元100中，僅光密度變換元件11及光電變換單元100這兩個 部件以光學 機械的方式直接結合，不易產生由於存在中間部件而導致的光學損耗、或機械 方面的精度降低。因此，根據上述結構的光電變換單元100，由於具有下述部件而構成，S卩光密度 變換元件11，其將入射至入射端面的光在使光密度變化後從出射端面射出；以及光電變換 元件13，其在光密度變換元件的光密度較高側的端面上，與該光密度變換元件一體化，因 此，可以僅通過將兩個部件以光學 機械的方式直接結合而構成單元，與由多於兩個部件的 結構部件構成的現有單元相比，可以提高光學結合的效率、機械結合的穩定性。此外，作為實現更大的太陽光受光面積的方法，具有將單個聚光元件的受光面積 擴大的方法。在此情況下，通過使用所述超材料而構成的聚光元件等，可以擴大受光面積。 此時，如果同時採用抑制聚光元件的厚度增加的手段，則從聚光元件的設置容易性等方面 來說是有用的。另外，作為其他方法，如圖4所示，還具有使用多個聚光元件(圖中例子為 分布折射率型平面透鏡)而陣列化的方法。在此情況下，也可以將太陽能電池與各個平面 透鏡相對應地設置，如果1個不夠則使用多個，並將它們陣列化。詳細且參照特定的實施方式對本發明進行了說明，但在不脫離本發明的精神和主 旨的範圍內可以進行各種變更或修改，這對於本領域技術人員來說是顯而易見的。本申請 基於2008年5月13日申請的日本專利申請(特願2008-U6195)，在此引用其內容作為參 照。
權利要求
1.一種光電變換單元，其特徵在於，具有光密度變換元件，其將入射至入射端面的光在出射端面中使光密度變化後射出；以及光電變換元件，其配置為接近所述光密度變換元件中光密度為高密度的端面，與所述 光密度變換元件一體化。
2.根據權利要求1所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光電變換元件為太陽能電池。
3.根據權利要求1所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光電變換元件為發光介質。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光密度變換元件為分布折射率型，即，在與入射端面平行的剖面內，折射率分布在 徑向上是變化的，在與入射端面垂直的方向上實質上是均勻的。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，所述光密度變換元件在與入射端面平行的剖面內，折射率大於或等於一定值的高折射 率區域的截面積，從入射端面側至出射端面側連續變化。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，形成所述光密度變換元件的基體部件使用石英玻璃，通過改變在該玻璃中添加的雜質 的添加量，而在所述光密度變換元件內形成折射率分布。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的光電變換單元，其特徵在於，形成所述光密度變換元件的基體部件使用石英玻璃，通過改變在該玻璃中形成的空孔 密度，而在所述光密度變換元件內形成折射率分布。
8.根據權利要求6或7所述的光電變換單元，其特徵在於，作為所述基體部件，取代石英玻璃而使用折射率的絕對值大的物質。
9.根據權利要求1所述的光電變換單元，其特徵在於，在所述光密度變換元件中，相對於一側端面，在另一側端面的光密度為高密度的規定 位置處，設置有定位所述光電變換元件的定位單元。
10.一種光電變換單元，其特徵在於，配置多個權利要求1至9中任一項所述的光電變換單元而陣列化。
全文摘要
本發明得到一種光電變換單元，其提高光學結合的效率、機械結合的穩定性。該光電變換單元具有光密度變換元件(11)，其將入射至入射端面的光在出射端面中使光密度變化後射出；以及光電變換元件(13)。將光電變換元件(13)配置為接近光密度變換元件(11)的光密度較高側，與該光密度變換元件(11)一體化。光電變換元件(13)可以為太陽能電池或發光介質。優選光密度變換元件(11)在剖面內的徑向折射率分布為平方分布。另外，光密度變換元件(11)的基體部件使用石英玻璃，可以通過改變在該玻璃中添加的雜質的添加量而形成折射率分布。
文檔編號H01L33/00GK102084278SQ20098011739
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月13日 優先權日2008年5月13日
發明者中西哲也, 仲前一男, 屜岡英資 申請人:住友電氣工業株式會社