专利名称：光电变换单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有光密度变换元件和光电变换元件而构成的光电变换单元。
背景技术：
在专利文献1中公开了实现高效利用光能的光电变换系统。该光电变换系统由下 述部分构成，即高折射率区域，其折射率比周围高，具有圆锥状形状；导光单元，其一端与 以规定数量形成的高折射率区域各自的圆锥顶点部分结合；以及光电变换单元，其设置在 导光单元的另一端上。在专利文献2中公开了一种太阳能发电系统，其由将太阳光进行聚光的光学单元 (PARABOLIC MIRROR ARRAY等)、将聚光后的太阳光进行引导的光纤(OPTICAL FIBER)、以及 利用该光纤导入太阳光的太阳能变换单元(PHOTOVOLTAIC CELLS)构成。由于任一个现有技术都是在将太阳光聚光的基础上，向太阳能变换单元(光电变 换单元)导光，所以可以减少太阳能电池等的使用量，可以廉价·高效地进行太阳能发电。专利文献1 日本特开平8-76 号公报专利文献2 美国专利第5089055号公报
发明内容
但是，上述现有系统最少必须由3个部分构成。即，在专利文献1中为高折射率区 域(第1部分)，其折射率比周围高，具有圆锥状形状；导光单元(第2部分)，其一端与以 规定数量形成的高折射率区域各自的圆锥顶点部分结合；以及光电变换单元(第3部分)， 其设置在导光单元的另一端上。在专利文献2中为将太阳光进行聚光的光学单元(第1 部分)、将聚光后的太阳光向太阳能变换单元引导的光纤(第2部分)、以及太阳能变换单 元(第3部分)。上述3个部分由于各自的功能不同，所以需要由不同材料以不同工序进行 制造，部件数量增多，制造工序增加。另外，由于需要彼此进行光学 机械结合，特别地对于 光学结合，为了得到大于或等于一定的结合效率，需要高定位精度。其结果，光学结合的效 率较差，并且机械结合的稳定性也较低。本发明就是鉴于上述状况而提出的，其目的在于，提供一种光电变换单元，其可以 提高光学结合的效率、机械结合的稳定性。本发明所涉及的上述目的通过下述结构而实现。(1) 一种光电变换单元，其特征在于，具有光密度变换元件，其将入射至入射端 面的光在出射端面中使光密度变化后射出；以及光电变换元件，其配置为接近所述光密度 变换元件中光密度为高密度的端面，与所述光密度变换元件一体化。根据该光电变换单元，仅光密度变换元件及光电变换元件这两个部件以光学·机 械的方式直接结合，不易产生由于存在中间部件而导致的光学损耗、或机械精度降低。另外，光电变换元件可以与光密度变换元件的光密度较高侧一体化而机械结合， 可以利用简单的构造得到较高的结合精度。并且，在光密度变换元件中形成随着朝向光密度较高侧而会聚的光路，如果光密度较高侧为出射端面，则来自入射端面的光可以在光电 变换元件中聚光，如果光密度较高侧为入射端面，则来自光电变换元件的光可以从出射端 面进行扩散。(2)如⑴所述的光电变换单元，其特征在于，所述光电变换元件为太阳能电池。根据该光电变换单元，将入射至入射端面的光变换为随着朝向出射端面而会聚的 光，在太阳能电池中聚光。即，可以作为太阳能发电单元使用。光密度变换元件使用细径 较 薄的透镜，与不进行聚光而直接接受太阳光的情况相比，可以大幅减少所需的太阳能电池 的尺寸。(3)如(1)所述的光电变换单元，其特征在于，所述光电变换元件为发光介质。根据该光电变换单元，通过利用发光介质使光从与作为太阳能发电单元使用时相 反的方向、即太阳能发电单元中设置有太阳能电池的一侧入射，从而光电变换元件成为使 光扩散的元件。由此，光电变换单元可以用作为通常照明或显示装置用的照明(例如平面 显示器的背光)。(4)如(1)至(3)中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，所述光密度变换元 件为分布折射率型，即，在与入射端面平行的剖面内，折射率分布在径向上是变化的，在与 入射端面垂直的方向上实质上是均勻的。根据该光电变换单元，光密度变换元件中的光线一边以正弦波状振荡一边周期性 地传输。在入射光为沿与入射端面垂直的方向传输的平行光的情况下，如果将振荡的1个 周期长度设为1个间距(P)，则可以以P/4或ρ/2的传输长度变换为会聚光或扩散光。(5)如(1)至(3)中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，所述光密度变换元 件在与入射端面平行的剖面内，折射率大于或等于一定值的高折射率区域的截面积，从入 射端面侧至出射端面侧连续变化。根据该光电变换单元，在光密度变换元件中，高折射率区域的截面积从入射端面 侧至出射端面侧连续变化。由此，可以沿高折射区域部分的形状将光向任意方向引导。(6)如(1)至(5)中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，形成所述光密度变 换元件的基体部件使用石英玻璃，通过改变在该玻璃中添加的杂质的添加量，而在所述光 密度变换元件内形成折射率分布。根据该光电变换单元，作为基体的材料使用石英玻璃，在该石英玻璃中，添加用于 产生折射率分布的杂质(掺杂剂)、例如GeO2，通过改变其添加量，可以得到折射率在径向 上变化的光密度变换元件。此外，如上述所示，剖面的周向及长度方向的折射率实质上是均 勻的。在形成具有上述折射率分布的光密度变换元件时，可以适当地使用下述制造技术， 即，在火焰内使玻璃原料及掺杂剂反应，生成玻璃微粒，将玻璃微粒堆叠在标靶(target) 上而合成含有掺杂剂的多孔质玻璃母材，通过将该多孔质玻璃母材烧结而形成所谓的预制 件。(7)如(1)至(5)中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，形成所述光密度变 换元件的基体部件使用石英玻璃，通过改变在该玻璃中形成的空孔密度，而在所述光密度 变换元件内形成折射率分布。根据该光电变换单元，作为产生折射率分布的方法，使石英玻璃中分布空孔。在此 情况下，与添加GeA的情况的例子相比，最大相对折射率差可以提高大约1个数量级。
(8)如(6)或(7)所述的光电变换单元，其特征在于，作为所述基体部件，取代石英 玻璃而使用折射率的绝对值大的物质。根据该光电变换单元，作为基体的材料，使用折射率的绝对值大于石英玻璃的物 质，如果为了形成折射率分布而在该基体材料中分布空孔，则可以进一步使最大相对折射 率增加，使分布折射率型平面透镜的厚度进一步变薄。(9)如(1)所述的光电变换单元，其特征在于，在所述光密度变换元件中，相对于 一侧端面，在另一侧端面的光密度为高密度的规定位置处，设置有定位所述光电变换元件 的定位单元。根据该光电变换单元，通过在分布折射率型平面透镜的焦点位置处，形成与所使 用的太阳能电池的大小·形状相对应的作为定位单元的例如槽，从而可以在该槽中将太阳 能电池嵌合，并高精度且容易地实现光学·机械结合。(10) 一种光电变换单元，其特征在于，配置多个⑴至(9)中任一项所述的光电变 换单元而阵列化。根据该光电变换单元，通过使用多个作为光密度变换元件的例如分布折射率型平 面透镜而阵列化，与各个分布折射率型平面透镜相对应地设置太阳能电池，从而可以以优 异的量产性，廉价地制造将例如太阳能电池及分布折射率型平面透镜密集地集合而成的高 密度·高效率的太阳能发电单元。发明的效果根据本发明所涉及的光电变换单元，由于具有下述部件而构成，即光密度变换元 件，其将入射至入射端面的光在出射端面中使光密度变化后射出；以及光电变换元件，其配 置为接近光密度变换元件中光密度为高密度的端面，与所述光密度变换元件一体化，因此， 仅将两个部件以光学 机械的方式直接结合就可以构成单元，可以提高光学结合的效率、机 械结合的稳定性。
图1是本发明所涉及的光电变换单元的分解斜视图。图2是图1所示的平方分布型波导路的作用说明图。图3是锥状波导路的剖面图。图4是配置多个而阵列化的光电变换单元的斜视图。标号的说明11 光密度变换元件，IIl 出射端面(或入射端面)，He 入射端面(或出射端面)， 13 光电变换元件，19 定位单元，19a 槽，100 光电变换单元，Ax 光轴
具体实施例方式下面，参照附图，说明本发明所涉及的光电变换单元的优选实施方式。图1是本发明所涉及的光电变换单元的分解斜视图。本实施方式所涉及的光电变换单元100具有光密度变换元件11和光电变换元件 13而构成。光密度变换元件11将入射至入射端面的光在出射端面使光密度变化后射出。本实施方式中的光密度变换元件11，作为平面状的聚光元件的一个例子而构成分布折射率型平面透镜，其剖面内的径向折射率分布n(r)为(式1)所表示的平方分布。n2(r) =n02(l-a2r2)…(式 1)其中，Iltl为波导路中心的折射率，a是折射率分布半径，r是与光轴的距离。图2是构成分布折射率型平面透镜的平方分布型波导路的说明图。平方分布型波导路中的光线如图2(a)所示，一边以正弦波状振荡一边周期性地 传输。在入射光为向与入射端面垂直的方向传输的平行光的情况下，如果将振荡的一个周 期长度设为1个间距(P)，则利用图2(b)所示的ρ/2或图2(c)所示的ρ/4的传输长度，变 换为扩散光或会聚光。在本实施方式中，利用其中形成图2(c)所示的聚光·扩散的光路的 折射率分布。即，平方分布型波导路在与入射端面平行的剖面内，折射率分布在径向上是变 化的，在与入射端面垂直的方向(长度方向)上，实质上是均勻的。将Ρ/4作为焦距f的光密度变换元件11，在聚光用途中，将图2(c)所示的平面Il 作为入射端面，将平面Uk作为出射端面，在扩散用途中，将平面Uk作为入射端面，将平面 Il作为出射端面。光密度变换元件11的基体部件使用石英玻璃，可以通过改变在该玻璃中添加的 杂质的添加量，而形成折射率分布。在作为基体的材料而使用的石英玻璃中，添加用于形成 折射率分布的杂质(掺杂剂)例如GeO2,通过改变其添加量，可以得到折射率沿径向变化 的光密度变换元件。此外，在如上述所示的剖面的周向及长度方向上，折射率实质上是均勻 的。在形成具有上述折射率分布的光密度变换元件11时，可以适当地使用下述制造技术， 即，在火焰内使玻璃原料及掺杂剂反应，生成玻璃微粒，将玻璃微粒堆叠在标靶(target) 上而合成含有掺杂剂的光纤用多孔质玻璃母材，通过将该多孔质玻璃母材烧结而形成所谓 的预制件。在设想将石英玻璃(η。— 1.46)作为基体材料、为了形成折射率分布而添加GeA 的例子的情况下，如果使最大相对折射率差为3 %，则在折射率分布半径a = IOcm的情况 下，如果平行光与分布折射率型平面透镜(光密度变换元件11)垂直地入射，则在距离入射 面大约65cm的点处，入射光会聚在焦点上(即，聚光率最大)。另一方面，作为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(参照美国专利第7039284号公报的图2B及图幻。在此情况下，与添加GeO2的情 况相比，可以使最大相对折射率差提高大约1个数量级。其结果，在折射率分布半径为IOcm 的情况下，可以使焦距缩短至大约20cm，可以使分布折射率型平面透镜(光密度变换元件 11)的厚度变薄。另外，在分布空孔而形成折射率分布的情况下，由于可以利用单一材料形成透镜， 所以如果将廉价的材料用作为基体材料，则可以制造廉价的分布折射率型平面透镜。作为光密度变换元件11的基体材料，并不限定为石英玻璃。也可以使用折射率的 绝对值比石英玻璃大的物质作为基体材料，形成折射率分布，如果在该基体材料中分布空 孔，则可以进一步增加最大相对折射率，使分布折射率型平面透镜的厚度进一步变薄。此外，上述添加GeO2的结构、分布空孔的结构均使用具有正折射率的材料，但如果 利用使用所谓超材料(metamaterial)而形成的具有负折射率的材料，则可以使聚光元件 比上述例子更薄。本实施方式所涉及的光电变换单元100，将光电变换元件13配置为接近光密度变换元件11中光密度为高密度的端面(图2(c)的平面丨“侧)，与光密度变换元件11 一体 化。光电变换元件13可以与光密度变换元件11中的一对平行平面(入射端面Ik或出射 端面11K)的光密度较高侧一体化而机械结合，可以以简单的构造得到较高的结合精度。并 且，在光密度变换元件11中形成随着朝向光密度较高侧而会聚的光路(芯部1 ，使来自入 射端面的光在光电变换元件13中聚光。此外，所谓“接近”包括与端面接触、在端面附近、以及与端面的凹部卡合等情况。该光电变换元件13可以使用太阳能电池。由此，成为将入射至入射端面Ik的光 变换为随着朝向出射端面IIk而会聚的光，在太阳能电池中聚光的太阳能发电单元。由于 光密度变换元件11使用细径 较薄的透镜，所以与不进行聚光而直接接受太阳光的情况相 比，可以大幅减少所需要的太阳能电池的尺寸。由此，如果在光密度变换元件11的焦点位置处设置太阳能电池，则在上述例子 中，即使考虑到伴随着分布折射率型平面透镜的制造不理想而产生的焦点位置偏移、或者 太阳能电池设置位置的定位精度等，也可以通过半径0. 5cm左右而充分地与聚光后的光进 行耦合。由此，与不进行聚光而直接由太阳能电池接受太阳光的情况相比，可以将所需要的 太阳能电池的尺寸降低至1/400 { = (0. 5/10)2}。在光电变换单元100中，在光电变换元件11中相对于一侧端面而在另一侧端面的 光密度为高密度的规定位置处，设置有用于定位光电变换元件13的定位单元19。作为使 光密度变换元件11和光电变换元件13结合的单元，在分布折射率型平面透镜的光密度为 高光密度的位置处，形成与光电变换元件13的大小·形状相对应的作为定位单元19的槽 19a，通过在该槽19a中设置光电变换元件(太阳能电池等)13，可以实现光学·机械结合。在这里，所谓“光学结合”是指将光密度变换元件(聚光元件)11和光电变换元件 (太阳能电池等)13以形成期望的聚光率的方式在同轴上接近配置这一情况。所谓“机械 结合”是指利用粘接或合型等进行一体化这一情况。通过在分布折射率型平面透镜的焦点位置处，形成与所使用的太阳能电池的大 小·形状相对应的槽19a，可以在该槽19a中将太阳能电池嵌合，并高精度且容易地实现光 学·机械结合。此外，对于本发明所涉及的光电变换单元，无论焦距如何，只要将光电变换元件 (太阳能电池等)13与光密度变换元件11接近地配置并一体化，以使聚光位置位于适当的 位置即可。光密度变换元件11并不限定为平面透镜。例如，也可以利用以锥状变细的波导 路进行聚光，变细的波导路部分成为所期望的聚光面积即可。图3是替代平方分布型波导路的锥状波导路的剖面图。构成该锥状波导路的光密度变换元件11，在与入射端面平行的剖面内，折射率大 于或等于一定值的高折射区域15的截面积从入射端面侧至出射端面侧连续变化。由此，光 密度变换元件11可以沿所形成的高折射区域部分的形状将光任意引导。图4是配置多个而阵列化的光电变换单元的斜视图。光电变换单元100也可以配置多个而阵列化。通过使用多个作为光密度变换元件 11的例如分布折射率型平面透镜而阵列化，将太阳能电池与各个分布折射率型平面透镜相 对应地设置，从而可以以优异的量产性，廉价地制造将例如太阳能电池及分布折射率型平 面透镜密集地集合而成的高密度·高效率太阳能发电单元200。
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另外，对于光电变换单元100，如果使光从与光密度变换元件11被用作为所述太 阳能发电单元时相反的方向、即从设置太阳能电池的一侧入射，则该光密度变换元件11变 为使光扩散的元件。因此，本光电变换单元100中通过取代太阳能电池，而使用发光介质 (LED、EL等)作为光电变换元件13，由此可以用作通常照明或显示装置用的照明(例如平 面显示器的背光)。由此，在光电变换单元100中，仅光密度变换元件11及光电变换单元100这两个 部件以光学 机械的方式直接结合，不易产生由于存在中间部件而导致的光学损耗、或机械 方面的精度降低。因此，根据上述结构的光电变换单元100，由于具有下述部件而构成，S卩光密度 变换元件11，其将入射至入射端面的光在使光密度变化后从出射端面射出；以及光电变换 元件13，其在光密度变换元件的光密度较高侧的端面上，与该光密度变换元件一体化，因 此，可以仅通过将两个部件以光学 机械的方式直接结合而构成单元，与由多于两个部件的 结构部件构成的现有单元相比，可以提高光学结合的效率、机械结合的稳定性。此外，作为实现更大的太阳光受光面积的方法，具有将单个聚光元件的受光面积 扩大的方法。在此情况下，通过使用所述超材料而构成的聚光元件等，可以扩大受光面积。 此时，如果同时采用抑制聚光元件的厚度增加的手段，则从聚光元件的设置容易性等方面 来说是有用的。另外，作为其他方法，如图4所示，还具有使用多个聚光元件(图中例子为 分布折射率型平面透镜)而阵列化的方法。在此情况下，也可以将太阳能电池与各个平面 透镜相对应地设置，如果1个不够则使用多个，并将它们阵列化。详细且参照特定的实施方式对本发明进行了说明，但在不脱离本发明的精神和主 旨的范围内可以进行各种变更或修改，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。本申请 基于2008年5月13日申请的日本专利申请(特愿2008-U6195)，在此引用其内容作为参 照。
权利要求
1.一种光电变换单元，其特征在于，具有光密度变换元件，其将入射至入射端面的光在出射端面中使光密度变化后射出；以及光电变换元件，其配置为接近所述光密度变换元件中光密度为高密度的端面，与所述 光密度变换元件一体化。
2.根据权利要求1所述的光电变换单元，其特征在于，所述光电变换元件为太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的光电变换单元，其特征在于，所述光电变换元件为发光介质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，所述光密度变换元件为分布折射率型，即，在与入射端面平行的剖面内，折射率分布在 径向上是变化的，在与入射端面垂直的方向上实质上是均勻的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，所述光密度变换元件在与入射端面平行的剖面内，折射率大于或等于一定值的高折射 率区域的截面积，从入射端面侧至出射端面侧连续变化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，形成所述光密度变换元件的基体部件使用石英玻璃，通过改变在该玻璃中添加的杂质 的添加量，而在所述光密度变换元件内形成折射率分布。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的光电变换单元，其特征在于，形成所述光密度变换元件的基体部件使用石英玻璃，通过改变在该玻璃中形成的空孔 密度，而在所述光密度变换元件内形成折射率分布。
8.根据权利要求6或7所述的光电变换单元，其特征在于，作为所述基体部件，取代石英玻璃而使用折射率的绝对值大的物质。
9.根据权利要求1所述的光电变换单元，其特征在于，在所述光密度变换元件中，相对于一侧端面，在另一侧端面的光密度为高密度的规定 位置处，设置有定位所述光电变换元件的定位单元。
10.一种光电变换单元，其特征在于，配置多个权利要求1至9中任一项所述的光电变换单元而阵列化。
全文摘要
本发明得到一种光电变换单元，其提高光学结合的效率、机械结合的稳定性。该光电变换单元具有光密度变换元件(11)，其将入射至入射端面的光在出射端面中使光密度变化后射出；以及光电变换元件(13)。将光电变换元件(13)配置为接近光密度变换元件(11)的光密度较高侧，与该光密度变换元件(11)一体化。光电变换元件(13)可以为太阳能电池或发光介质。优选光密度变换元件(11)在剖面内的径向折射率分布为平方分布。另外，光密度变换元件(11)的基体部件使用石英玻璃，可以通过改变在该玻璃中添加的杂质的添加量而形成折射率分布。
文档编号H01L33/00GK102084278SQ20098011739
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者中西哲也, 仲前一男, 屉冈英资 申请人:住友电气工业株式会社