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WO2014188746A1 - ソーラシミュレータ - Google Patents

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WO2014188746A1
WO2014188746A1 PCT/JP2014/054342 JP2014054342W WO2014188746A1 WO 2014188746 A1 WO2014188746 A1 WO 2014188746A1 JP 2014054342 W JP2014054342 W JP 2014054342W WO 2014188746 A1 WO2014188746 A1 WO 2014188746A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
guide element
solar simulator
condensed
light guide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2014/054342
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
久保　修彦
高橋　邦明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Holonix International Co Ltd
Yamashita Denso Corp
Original Assignee
Holonix International Co Ltd
Yamashita Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Holonix International Co Ltd, Yamashita Denso Corp filed Critical Holonix International Co Ltd
Priority to JP2015518115A priority Critical patent/JPWO2014188746A1/ja
Publication of WO2014188746A1 publication Critical patent/WO2014188746A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S8/00—Lighting devices intended for fixed installation
    • F21S8/006—Solar simulators, e.g. for testing photovoltaic panels
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0019—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having reflective surfaces only (e.g. louvre systems, systems with multiple planar reflectors)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/84—Lamps with discharge constricted by high pressure
    • H01J61/86—Lamps with discharge constricted by high pressure with discharge additionally constricted by close spacing of electrodes, e.g. for optical projection

Definitions

  • the present invention relates to a solar simulator for measuring the photoelectric conversion characteristics (I / V characteristics) of an irradiated body such as a solar cell panel by irradiating artificial sunlight, for example, with the collected light.
  • the present invention relates to a solar simulator capable of irradiating an irradiation surface of an irradiation body.
  • a light source by a xenon lamp is disposed at a first focal point of an ellipsoidal collector mirror, and the reflected light is placed on the ellipsoidal collector mirror.
  • the light is incident on an integrator disposed near the second focal point of the light source to make uniform light, and further made incident on a collimator lens to make parallel light, and then the parallel light is irradiated to the irradiation surface, or It is comprised so that the condensing light which condensed light with the condensing lens may be irradiated to an irradiation surface.
  • an integrator (assembly of rod lenses) is used to make the irradiation light flux uniform, so that an image of this integrator is formed at the condensing point, and the in-plane of the irradiation surface is obtained. Distribution worsens extremely. In order to prevent such deterioration of the in-plane distribution, it is necessary to set a position before the condensing point (a position where the image of the integrator does not appear) as the irradiation position of the condensed light.
  • the irradiation area becomes 50 mm square (50 mm ⁇ 50 mm) or more, and the illuminance of about 16 SUN (1 SUN is 100 mW / cm 2 ) I could only get.
  • an object of the present invention is to provide a solar simulator capable of performing light irradiation so as to have a uniform in-plane distribution and a required illuminance.
  • Another object of the present invention is to provide a solar simulator capable of giving sufficient illuminance to a narrow irradiation surface of about 5 mm square to 15 mm square.
  • Still another object of the present invention is a solar simulator capable of providing sufficient illuminance to a narrow illuminated surface and capable of providing uniform in-plane distribution and required illuminance to a broad illuminated surface. To provide.
  • the reflector-integrated xenon arc lamp unit which fixes the positional relationship between the light emitting unit and the reflector and emits the condensed light, and the condenser emitted from the reflector-integrated xenon arc lamp unit
  • a light guide element configured such that light is incident on one end face in the axial direction and the incident light is repeatedly reflected on the inner surface and travels in the axial direction, and is emitted from the other end face in the axial direction of the light guide element
  • a condenser lens unit that uniformly irradiates the condensed light onto the irradiation surface, and the solar simulator is provided.
  • the reflector integrated xenon arc lamp unit in which the positional relationship between the light emitting unit and the reflecting mirror is fixed is used for the light source unit, the light emitting unit (lamp) and the reflecting mirror are integrated and the centering adjustment is completed From the fact that there is no need for centering work of the light emitting unit. For this reason, since it is not necessary to carry out complicated shaft alignment work at the time of lamp replacement etc., it does not take time and effort.
  • the reflecting mirror integrated type xenon arc lamp unit that emits such condensed light is used, the light collecting efficiency is high, and the spot diameter can be made extremely small.
  • the condensed light can be effectively incident on a light guide element (for example, having an outer diameter of 10 mm) having a small area of the incident surface, and the emission surface is regarded as a secondary light source.
  • a light guide element for example, having an outer diameter of 10 mm
  • the emission surface is regarded as a secondary light source.
  • continuous lighting to pulsed lighting of any pulse width or duty ratio is also possible.
  • a condensing lens unit converts the incident light from the light guide element into parallel light and emits the collimated light, and the collimated light from the first collimation lens condenses the condensed light onto the irradiation surface. It is preferable to have a condensing lens for irradiation.
  • the reflecting mirror-integrated xenon arc lamp unit itself is configured to emit the condensed light condensed toward one end face of the light guide element.
  • the reflecting mirror of the reflecting mirror-integrated xenon arc lamp unit is a reflecting mirror with an elliptical cross-section in the radial direction, in which a light emitting part by a xenon short arc is disposed at an elliptical focus.
  • the light emitting unit (lamp) and the reflecting mirror are integrated and the centering adjustment is completed, the centering operation of the light emitting unit becomes unnecessary. For this reason, since it is not necessary to carry out complicated shaft alignment work at the time of lamp replacement etc., it does not take time and effort.
  • the reflecting mirror integrated type xenon arc lamp unit that emits such condensed light is used, the light collecting efficiency is high, and the spot diameter can be made extremely small. Therefore, the condensed light can be effectively incident on a light guide element (for example, having an outer diameter of 10 mm) having a small area of the incident surface, and the emission surface is regarded as a secondary light source.
  • a light guide element for example, having an outer diameter of 10 mm
  • the emission surface is regarded as a secondary light source.
  • FIG. 2A is a side view and an elevation view schematically showing a structural example of a light guide element in the solar simulator of FIG. 1, wherein (A) is a prismatic light guide element, (B) is a cylindrical light guide element, 2.) is an example of a light guide element of hexagonal column type. It is sectional drawing containing the axis
  • (A) is a perspective view of the whole
  • (B) is a side view which shows only an adjustable screw part. It is a figure which shows the light distribution characteristic of the condensing beam radiate
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of an embodiment of the solar simulator according to the present invention, in which (A) shows the overall configuration and (B) shows a light guide element.
  • FIG. 2 schematically shows a structural example of the light guide element in the solar simulator according to the present embodiment, (A) shows an example of a prismatic light guide element, (B) shows an example of a cylindrical light guide element, (C) shows an example of a light guide element of a hexagonal column type.
  • FIG. 3 schematically shows an example of the internal structure of the lamp unit in the solar simulator of this embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows an example of the structure of the moving mechanism in the solar simulator according to the present embodiment, wherein (A) shows the whole, and (B) shows only the adjusting screw portion.
  • This embodiment is a case where the solar simulator of the present invention is configured as a concentrating solar simulator capable of giving sufficient illuminance to a narrow irradiation surface. That is, the present invention is applied to the case where artificial sunlight is condensed and irradiated to a relatively small area solar battery cell.
  • reference numeral 100 denotes a reflector integrated xenon short arc lamp unit which constitutes the light source unit of this embodiment.
  • the lamp unit 100 is mounted on a moving mechanism 110, and is configured to be mechanically movable in parallel with the optical axis 120.
  • a focal point 121 where the collected light emitted from the lamp unit 100 is focused is located on the light axis 120 on the light emitting surface side (left side in the figure) of the lamp unit 100.
  • a prismatic light guide element 130 in this embodiment is fixed and disposed coaxially with the optical axis 120.
  • a first collimation lens element 140 composed of a convex lens and a condensing lens element 150 composed of a convex lens are coaxially sequentially fixed on the optical axis 120 on the light emission side of the light guide element 130.
  • an irradiation surface which is a surface of a solar battery cell, is disposed on the light axis 120 on the light emission side of the condensing lens element 150.
  • the optical axis 120 is shown in a straight line, but by providing a reflection mirror (for example, after the light guide element 130) in the middle of the optical axis 120, the optical axis 120 is obtained. It is also possible to provide a more compact solar simulator in which the direction of is converted by 90 degrees. For example, it is also possible to arrange the lamp unit 100 horizontally, convert the direction of the optical axis 120 downward 90 degrees, and irradiate the solar battery cell from above.
  • the light guide element 130 is a transparent column that efficiently guides the light incident from one end surface (incident surface) 130a to the other end surface (emission surface) 130b by repeating internal reflection.
  • the light guide member is formed of, for example, synthetic quartz, quartz or acrylic resin, and all the outer surfaces are polished.
  • the light guide element 130 is configured such that its incident surface 130a can be located on or near the focal point 121 where the output condensed light of the lamp unit 100 is focused, and this incident surface 130a Is positioned on or near the focal point 121, most of the condensed light emitted from the lamp unit 100 is introduced into the light guide element 130 and is guided to the exit surface 130b.
  • the exit surface 130b of the light guide element 130 acts as a secondary light source.
  • the light guide element 130 a unique design specification in which six sides of a 10 mm square prism made of synthetic quartz are precisely polished is used.
  • the lamp unit 100 includes a reflector member 100a made of a ceramic material, a transparent window member 100b made of, for example, a sapphire material provided on the front surface of the reflector member 100a, a reflector member 100a and a transparent window member.
  • the cathode 100e has a pointed end facing the tip of the anode 100d, and a cathode support member 100f fixedly supporting the cathode 100e.
  • the anode 100 d and the cathode 100 e are disposed so that their tips face each other with a short gap (for example, about 1.5 mm) on the optical axis 120, and are integrated with the reflector member 100 a.
  • a voltage is applied between the anode 100d and the cathode 100e to generate a xenon short arc, whereby the short arc portion becomes a light emitting portion 100g.
  • the inner surface of the reflecting mirror member 100a is a reflecting mirror 100h in which the cross section including the axis is an elliptical shape, and the light emitting portion 100g by the short arc is located at the elliptic focus of the reflecting mirror 100h having an elliptical cross section. Is configured as.
  • the lamp unit 100 since the positional relationship between the light emitting unit 100g and the reflecting mirror 100h is fixed, the alignment operation of the light emitting unit 100g becomes unnecessary. Furthermore, since the light emitting unit 100g is disposed at the elliptical focal point of the reflecting mirror 100h, the light reflected by the reflecting mirror 100h and emitted to the front surface is condensed at the focal point 121.
  • Such a light collecting lamp unit 100 is commercially available as a CERMAX (registered trademark) lamp from Exeritas.
  • the moving mechanism 110 is, as shown in FIG. 4A, a base 111 on which a lamp unit base 101 fixedly formed on the bottom surface of the lamp unit 100 is fixed by a plurality of fixing screws 102, and the base 111
  • One or more optical bench carriers 112 fixed to the upper surface, an optical bench 113 in which the optical bench carrier 112 is slidably engaged in the optical axis direction, and an optical bench for the optical bench 113
  • a clamp knob 114 capable of locking the movement of the carrier 112, and a plurality of tilt adjustment screws 103 for finely adjusting the direction of the optical axis 120 of the lamp unit 100 by adjusting the distance of the lamp unit base 101 to the base 111 Have.
  • the lamp unit base 101 and the base 111 are formed of a flat plate of, for example, an aluminum material having a thickness of about 10 mm.
  • the optical bench 113 is a large and thin optical bench made of, for example, an aluminum material, and in the present embodiment, an aluminum optical bench OBT-500LH manufactured by Sigma Koki Co., Ltd. is used.
  • the optical bench carrier 112 is a carrier made of, for example, an aluminum material slidably mounted on the optical bench 113 in a direction 104 parallel to the optical axis 120. In the present embodiment, the aluminum optical bench of Sigma Light Co., Ltd.
  • two movable carriers CAA-120L are used in series, and the movable distance of the optical bench carrier 112 in the direction 104 is about ⁇ 100 mm.
  • the clamp knobs 114 are for locking the slide movement of the two optical bench carriers 112, respectively.
  • a total of three angle adjustment screws 103 are provided, two on the front side of the lamp unit 100 and one on the rear side.
  • FIG. 4B by turning these adjustment screws 103, their tips are brought into contact and pressed against the upper surface of the base 111, and the distance between the base 111 and the lamp unit base 101 is adjusted.
  • the fixing screw 102 By turning the fixing screw 102 in a state where the adjustment is completed, the state is fixed and held, whereby the tilt of the lamp unit 100 is finely adjusted and the direction of the optical axis 120 is corrected.
  • the first collimation lens element 140 is composed of a convex lens, and is configured to convert light emitted from the output surface 130 b of the light guide element 130 into uniform light substantially parallel to the optical axis 120.
  • Condenser lens element 150 is formed of a convex lens, and collects approximately parallel light incident from first collimation lens element 140 in a uniform distribution in the vicinity of an irradiation surface (for example, the surface of a solar battery cell) on optical axis 120. It is configured to glow.
  • an irradiation surface for example, the surface of a solar battery cell
  • the light emitted from the lamp unit 100 is focused on the focal point 121 on the optical axis 120.
  • the incident surface 130a of the light guide element 130 disposed coaxially with the optical axis 120 is located. Therefore, the light guide element 130 depends on the movement position of the lamp unit 100.
  • almost all of the condensed light emitted from the lamp unit 100 is incident.
  • the lamp unit 100 used in the present embodiment is XE1000-13F (1 kw) in CERMAX (registered trademark) manufactured by EXCELITAS, Inc., and the distance between the anode and the cathode (distance between electrodes) is 1.57 mm.
  • FIG. 5 shows the light distribution characteristic of the condensed beam emitted from the lamp unit 100. As shown in FIG. However, in the figure, the horizontal axis indicates the distance (mm) from the optical axis, and the vertical axis indicates the relative light output intensity (%).
  • the diameter of the collected beam containing a light flux with a light output intensity of 50% to 100% is about 3.40 mm ⁇
  • the diameter of the collected beam containing a light flux with a light output intensity of 10% to 100% is about 8.84 mm ⁇
  • the diameter of a collected beam containing a light flux with a light output intensity of 5% to 100% is about 12.7 mm ⁇ . Therefore, according to the present embodiment, substantially all of the emitted light emitted between the electrodes can be efficiently incident on the light guide element 130 having the 10 mm square incident surface 130 a, and the output surface 130 b of the light guide element 130. It is possible to perform uniform light irradiation of high illuminance (500 to 1000 SUN) on the irradiation surface of 5 mm square to 15 mm square by emission from the above.
  • the distance between the electrodes is about 4.5 mm
  • the elliptic mirror magnification F1 is an elliptic surface Assuming that the distance from the reflecting surface on the optical axis of the focusing mirror to the first focal point, and F2 is the distance from the reflecting surface on the optical axis of the elliptical focusing mirror to the second focal point, F2 / F1)
  • the focused beam diameter including light flux of 50% to 100% of light output intensity is about 9.6 mm ⁇
  • the focused beam diameter including light flux of 10% to 100% of light output intensity is about 64 mm ⁇
  • the diameter of the collected beam containing 5% to 100% of the luminous flux is about 72 mm ⁇ .
  • the diameter of the collected beam containing a light flux with a light output intensity of 5% to 100% is about 72 mm ⁇ , so a light guide element having an end face of 10 mm square is 1 ⁇ 5 to 1 ⁇ 6 of the light It can only be incident to a certain degree, and it is possible to irradiate only light with low illuminance to the irradiation surface of 5 mm square to 15 mm square. While it appears that using a xenon lamp with an output greater than 1 kW, for example a 2.5 kw xenon lamp, can provide higher illumination, in practice, using a high output xenon lamp does not result in high illumination.
  • the distance between the electrodes is as long as 7 mm, and the magnification of the ellipsoidal focusing mirror for using the 2.5 kw class xenon lamp is as large as about 18 times As a result, the light can not be efficiently condensed on the irradiation surface of 10 mm square.
  • the solar simulator of the present embodiment (however, the xenon lamp of the lamp unit 100 has a capacity of 1.6 kW), light was actually irradiated onto the irradiation surface of 10 mm square.
  • the condensed outgoing light from the lamp unit 100 is made incident on the incident surface 130a of the light guide element 130, this light is repeatedly reflected on the inner surface of the light guide element 130 as shown in FIG.
  • the light propagates in the direction, and has a distribution close to the Gaussian distribution on the exit surface 130 b of the light guide element 130.
  • the axial length L of the light guide element 130 is changed, the number of reflections is increased, so that the Gaussian distribution on the light emitting surface 130 b of the light guide element 130 is improved.
  • the exit surface 130b of the light guide element 130 is a secondary light source, and the light emitted from the secondary light source is a first collimation lens element 140 consisting of a convex lens of focal length F140 and a condenser lens element consisting of a convex lens of focal length F150
  • a first collimation lens element 140 consisting of a convex lens of focal length F140
  • a condenser lens element consisting of a convex lens of focal length F150
  • I / V measurement is performed at the illuminance at 1SUN, and assuming that the value of the short circuit current Isc at that time is 0.014 A, the illuminance is adjusted to be 1000 times the short circuit current Isc (14 A) The power was 1.4 kw and the illuminance of 1000 SUN was confirmed.
  • the focal length F140 of the first collimation lens element 140 and the focal length F150 of the condensing lens element 150 it is also possible to change the size of the light collecting irradiation surface by changing the focal length F140 of the first collimation lens element 140 and the focal length F150 of the condensing lens element 150.
  • the focal length F140 and the focal length F150 are equal in the light guide element 130 of 10 mm square, a light collection area of 10 mm square is obtained.
  • the focal length F150 of the focusing lens element 150 is increased, it becomes larger than 10 mm square, and when the focal length F150 of the focusing lens element 150 is decreased, the light collecting area becomes smaller than 10 mm square.
  • the incident surface 130 a of the light guide element 130 is translated by continuously translating the condensing lamp unit 100 configured to focus the emitted light on the focal point 121 along the optical axis 120.
  • the amount of light incident on the light is adjusted steplessly.
  • the lamp current is kept constant and does not change.
  • the focal point 121 is also retracted by the same predetermined distance.
  • the beam area at the position of the incident surface 130a of the light guide element 130 of the light emitted from the lamp unit 100 is expanded from the beam area before movement, and the light quantity incident on the light guide element 130 decreases according to the movement amount.
  • the light amount can be adjusted according to the linear movement distance of the lamp unit 100 in the direction of the optical axis 120. Since the linear movement distance of the lamp unit 100 can be minutely and steplessly and accurately controlled, the light amount adjustment can be minutely and steplessly precisely adjusted. In addition, since the angle of light incident on the light guide element 130 does not change significantly, the in-plane distribution does not change. Furthermore, since the configuration for performing such light amount adjustment is also control of only linear movement, it is very simple. Furthermore, since the power applied to the lamp is not changed at the time of light amount adjustment, no spectral change occurs.
  • the light source unit does not require an alignment mechanism and a separate reflecting mirror, significant cost reduction is also possible in that sense. Furthermore, since the light emitting unit and the reflecting mirror are integrated and the centering adjustment has been completed, the centering operation of the light emitting unit becomes unnecessary. For this reason, since it is not necessary to carry out complicated shaft alignment work at the time of lamp replacement etc., it does not take time and effort.
  • continuous current can be supplied to the lamp unit 100 for continuous lighting, but high luminance can be applied for a short time by supplying pulsed current with any pulse width or duty ratio to perform pulse lighting. Also, it is possible to prevent a voltage change due to a temperature rise of the solar cell, or to prevent the solar cell from being thermally damaged.
  • FIG. 6 schematically shows the overall configuration of another embodiment of the solar simulator according to the present invention.
  • This embodiment is a case where the solar simulator of the present invention is configured as a solar simulator capable of giving sufficient illuminance to a wide irradiation surface.
  • reference numeral 100 denotes a reflector integrated xenon short arc lamp unit which constitutes the light source unit of this embodiment.
  • the lamp unit 100 is mounted on a moving mechanism 110, and is configured to be mechanically movable in parallel with the optical axis 120.
  • a focal point 121 where the collected light emitted from the lamp unit 100 is focused is located on the light axis 120 on the light emitting surface side (left side in the figure) of the lamp unit 100.
  • a prismatic light guide element 130 in this embodiment is fixed and disposed coaxially with the optical axis 120.
  • a first collimation lens element 140 composed of a convex lens and a condensing lens element 150 composed of a convex lens are coaxially sequentially fixed on the optical axis 120 on the light emission side of the light guide element 130.
  • An integrator 160 and a second collimation lens element 170 formed of a convex lens are coaxially and sequentially fixed on the optical axis 120 on the light emission side of the condensing lens element 150.
  • an irradiation surface which is a surface of a solar battery cell, is disposed on the light axis 120 on the light emission side of the second collimation lens element 170.
  • a detachable unit (not shown) in which the integrator 160 and the second collimation lens element 170 are integrated is attached to the solar simulator in the embodiment of FIGS.
  • the configurations, functions and effects of the lamp unit 100, the light guide element 130, the first collimation lens element 140, and the condensing lens element 150 in the present embodiment are the same as in the embodiment of FIGS. , Detailed description is omitted.
  • the integrator 160 is an optical element which is made of an assembly of rod lenses and which makes the irradiation light flux uniform.
  • the integrator 160 is disposed at a condensing point (irradiated surface) on the optical axis 120 of the condensing lens element 150, and the light emitted from the integrator 160 is detected by the second collimation lens element 170. It is configured to be converted into parallel light and to be irradiated with a uniform distribution in the vicinity of an irradiation surface (for example, the surface of a solar battery cell) on the optical axis 120.
  • the operation on the light source side with respect to the integrator 160 in the present embodiment is the same as that of the embodiment of FIGS.
  • the integrator 160 and the second collimation lens element are positioned such that the integrator 160 is positioned at the focusing point of the focusing lens element 150.
  • an optical system having a low-intensity uniform distribution function is configured as in a conventional standard (1 SUN) solar simulator instead of a light collecting type.
  • a conventional standard solar simulator of this type an integrator is placed at the secondary focal point of the elliptical mirror, but the image of the lamp is formed at the secondary focal point (focus point). By arranging the integrator, it is performed to obtain a uniform distribution without unevenness.
  • the exit surface 130b of the light guide element 130 is used as a secondary light source of good Gaussian distribution without a lamp image, and the integrator 160 is disposed at the focusing point of the secondary light source. It is possible to provide a solar simulator which has the same function as the above solar simulator, but with significantly improved in-plane uniformity. Moreover, by arbitrarily determining the irradiation area, it is possible to freely select the illuminance of 1SUN to 10SUN.
  • the integrator 160 is disposed at this focusing point, collimated by the second collimation lens 170, and the irradiation area is 200 mm.
  • the illuminance at the condensing point (irradiated surface) is set to be as high as 1000 SUN as the standard illuminance.
  • the determination of the standard illumination 1SUN can be performed using a primary reference cell calibrated by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.
  • the short-circuit current (Isc) at 1 SUN in CPV (Condenser Cell) is measured. I / V measurement is performed assuming that it is Isc.
  • Isc at 1SUN is 0.01 A
  • ⁇ 1000 10 A.
  • two solar simulators that is, a concentrating solar simulator and a standard (for 1 SUN) solar simulator are required.
  • a standard solar simulator function can be obtained only by attaching the detachable unit having the integrator 160 and the second collimation lens element 170 to the concentrating solar simulator.
  • the present invention can be said to be a solar simulator having two functions of a condensing solar simulator and a standard solar simulator, and enables characteristic evaluation of 1SUN to 1000SUN in the same spectral distribution.
  • the optical axis 120 is shown in a straight line, but by providing a reflection mirror (for example, after the light guide element 130) in the middle of the optical axis 120, the direction of the optical axis 120 can be It is also possible to provide a more compact solar simulator with 90 degree conversion. For example, it is also possible to arrange the lamp unit 100 horizontally, convert the direction of the optical axis 120 downward 90 degrees, and irradiate the solar battery cell from above.

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Abstract

　ソーラシミュレータは、発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されており集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットと、反射鏡一体型キセノンアークランプユニットから出射された集光光が軸方向の一方の端面に入射されると共に入射された光が内面において反射を繰り返して軸方向に進むように構成されたライトガイド素子と、ライトガイド素子の軸方向の他方の端面から出射される光が入射すると共に照射面に集光光を均一に照射するレンズユニットとを備えている。

Description

ソーラシミュレータ
　本発明は、擬似太陽光を例えば太陽電池パネル等の被照射体に照射してこの被照射体の光電変換特性（Ｉ／Ｖ特性）を計測するソーラシミュレータに関し、特に、集光した光を被照射体の照射面に照射可能にしたソーラシミュレータに関する。
　従来のソーラシミュレータの一般的構成は、例えば特許文献１に示されているように、キセノンランプによる光源を楕円面集光鏡の第１の焦点に配置し、その反射光を楕円面集光鏡の第２の焦点近傍に配置されたインテグレータに入射させて均一光とし、さらにコリメータレンズに入射させて平行光とした後この平行光を照射面に照射するように構成されているか、又はこの平行光を集光レンズで集光した集光光を照射面に照射するように構成されている。
特許第４７１３２６８号公報
　このような従来のソーラシミュレータでは、照射光束を均一化するためのインテグレータ（ロッドレンズの集合体）を使用していることから集光点にこのインテグレータのイメージが結像し、照射面の面内分布が極端に悪化する。このような面内分布の悪化を防止するために、集光点の手前の位置（インテグレータのイメージが出ない位置）を集光光の照射位置とする必要があった。しかしながら、集光点ではなくこのようにインテグレータのイメージが結像しない位置を照射面とすると、その照射面積が５０ｍｍ角（５０ｍｍ×５０ｍｍ）以上となり、１６ＳＵＮ（１ＳＵＮは１００ｍＷ/ｃｍ２）程度の照度しか得ることができなかった。
　即ち、従来の一般的なインテグレータにおいては、５ｍｍ角のロッドレンズが例えば縦５枚及び横５枚で配置されていることから、全体の大きさが２５ｍｍ角となり、インテグレータのイメージを結ばない照射位置における面積は、５０ｍｍ角（＝２５００ｍｍ２）以上となってしまう。光源として１ｋｗのキセノンランプを使用した場合、出射した平行光束（２００ｍｍ角）をレンズにて集光させて得られる５０ｍｍ角の照射面では、面内分布が均一であると仮定しても１６ＳＵＮ程度の照度しか得られない。
　ソーラシミュレータとしては、照射光強度が１ＳＵＮの光源光を、１００～２００ＳＵＮの照度となるように集光することが要求されており、最近では、５００～１０００ＳＵＮ、さらには、１５００ＳＵＮの照度となるように集光することも要求されてきている。従って、従来のソーラシミュレータでは、均一な面内分布かつ要求される照度となるように光照射を行うことは不可能であった。
　さらに、従来のソーラシミュレータでは、１０ｍｍ角程度の集光面積に十分な照度で光照射を行うことが不可能であった。例えば、３００Ｗ（電極間距離３ｍｍ）のキセノンランプからの光を１０ｍｍφの光ファイバの入射端面に入射させるとその出射端面での照度（２０ｍｍφ）は１００００ｌｕｘとなるが、その３倍の照度を必要とするために１ｋｗ（電極間距離４.５ｍｍ）のキセノンランプからの光を入射させても、出射端面での照度は同じとなってしまう。その理由は、電極の大きさ及び電極間の距離の違いにより、キセノンランプの出射光のほんの一部しか１０ｍｍφの光ファイバに入射できないためである。これは２．５ｋｗ（電極間距離７ｍｍ）のキセノンランプを用いた場合にも同様であり、電極間距離もより長くなり電極もより大きくなるため、１０ｍｍ角の大きさ内に効率良く集光できないためである。即ち、照度を上げるためにランプ電力の大きなキセノンランプを使用しても、計算通りの照度を確保することは不可能であった。
　従って本発明の目的は、均一な面内分布かつ要求される照度となるように光照射を行うことが可能なソーラシミュレータを提供することにある。
　本発明の他の目的は、５ｍｍ角～１５ｍｍ角程度の狭い照射面に対して十分な照度を与えることが可能なソーラシミュレータを提供することにある。
　本発明のさらに他の目的は、狭い照射面に対して十分な照度を与えることが可能であると共に広い照射面に対して均一な面内分布かつ要求される照度を与えることも可能なソーラシミュレータを提供することにある。
　本発明によれば、発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されており集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットと、反射鏡一体型キセノンアークランプユニットから出射された集光光が軸方向の一方の端面に入射されると共に入射された光が内面において反射を繰り返して軸方向に進むように構成されたライトガイド素子と、ライトガイド素子の軸方向の他方の端面から出射される光が入射すると共に照射面に集光光を均一に照射する集光レンズユニットとを備えているソーラシミュレータが提供される。
　発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されている反射鏡一体型キセノンアークランプユニットを光源部に用いているので、発光部（ランプ）と反射鏡とが一体化されて軸出し調整済みであることから、発光部の軸出し作業が不要となる。このため、ランプ交換時等に煩雑な軸出し作業を行う必要がないので手間が掛からない。特に本発明では、このような集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットを用いているため、集光効率が高く、スポット径を極めて小さくすることができる。このため、入射面の面積が小さなライトガイド素子（例えば外径が１０ｍｍ）に集光光を有効に入射でき、その出射面が二次光源と見なすように構成されているため、小さなランプ電力にて５ｍｍ角～１５ｍｍ角の照射面を高照度（５００～１０００ＳＵＮ）で均一に照射することが可能となる。もちろん、連続点灯から任意のパルス幅又はデューティ比のパルス点灯も可能である。
　集光レンズユニットが、ライトガイド素子からの入射光を平行光に変換して出射する第１のコリメーションレンズと、第１のコリメーションレンズからの平行光を集光して照射面に集光光を照射する集光レンズとを備えていることが好ましい。
　集光レンズユニットから集光光が入射するインテグレータと、インテグレータからの入射光を平行光に変換して出射する第２のコリメーションレンズとをさらに備えていることも好ましい。
　反射鏡一体型キセノンアークランプユニット自体がライトガイド素子の一方の端面に向かって集光する集光光を出射するように構成されていることも好ましい。
　反射鏡一体型キセノンアークランプユニットの反射鏡は、キセノンショートアークによる発光部が楕円焦点に配置された、放射方向断面が楕円形状の反射鏡であることも好ましい。
　本発明によれば、発光部（ランプ）と反射鏡とが一体化されて軸出し調整済みであることから、発光部の軸出し作業が不要となる。このため、ランプ交換時等に煩雑な軸出し作業を行う必要がないので手間が掛からない。特に本発明では、このような集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットを用いているため、集光効率が高く、スポット径を極めて小さくすることができる。このため、入射面の面積が小さなライトガイド素子（例えば外径が１０ｍｍ）に集光光を有効に入射でき、その出射面が二次光源と見なすように構成されているため、小さなランプ電力にて５ｍｍ角～１５ｍｍ角の照射面を高照度（５００～１０００ＳＵＮ）で均一に照射することが可能となる。もちろん、連続点灯から任意のパルス幅又はデューティ比のパルス点灯も可能である。
本発明のソーラシミュレータの一実施形態における構成を概略的に示す図であり、（Ａ）は全体構成を示す図、（Ｂ）はライトガイド素子を示す図である。 図１のソーラシミュレータにおけるライトガイド素子の構造例を概略的に示す側面図及び立面図であり、（Ａ）は角柱型のライトガイド素子、（Ｂ）は円柱型のライトガイド素子、（Ｃ）は六角柱型のライトガイド素子の例である。 図１のソーラシミュレータにおけるランプユニットの内部構造の一例を概略的に示す軸を含む断面図である。 図１のソーラシミュレータにおける移動機構の構造の一例を概略的に示す図であり、（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）はアオリ調整ネジ部分のみを示す側面図である。 図１のソーラシミュレータにおけるランプユニットから出射される集光ビームの配光特性を示す図である。 本発明のソーラシミュレータの他の実施形態における全体構成を概略的に示す図である。
　１００　ランプユニット
　１００ａ　反射鏡部材
　１００ｂ　透明窓部材
　１００ｃ　ランプ室
　１００ｄ　アノード
　１００ｅ　カソード
　１００ｆ　カソード支持部材
　１００ｇ　発光部
　１００ｈ　反射鏡
　１０１　ランプユニットベース
　１０２　固定ネジ
　１０３　アオリ調整ネジ
　１０４　方向
　１１０　移動機構
　１１１　ベース
　１１２　光学ベンチ用キャリア
　１１３　光学ベンチ
　１１４　クランプ用つまみ
　１２０　光軸
　１２１　焦点
　１３０　ライトガイド素子
　１３０ａ　入射面
　１３０ｂ　出射面
　１４０　第１のコリメーションレンズ素子
　１５０　集光レンズ素子
　１６０　インテグレータ
　１７０　第２のコリメーションレンズ素子
　図１は本発明のソーラシミュレータの一実施形態における構成を概略的に示しており、（Ａ）は全体構成を、（Ｂ）はライトガイド素子をそれぞれ示している。図２は本実施形態のソーラシミュレータにおけるライトガイド素子の構造例を概略的に示しており、（Ａ）は角柱型のライトガイド素子の例、（Ｂ）は円柱型のライトガイド素子の例、（Ｃ）は六角柱型のライトガイド素子の例をそれぞれ示している。図３は本実施形態のソーラシミュレータにおけるランプユニットの内部構造の一例を概略的に示している。図４は本実施形態のソーラシミュレータにおける移動機構の構造の一例を概略的に示しており、（Ａ）は全体、（Ｂ）はアオリ調整ネジ部分のみをそれぞれ示している。本実施形態は、本発明のソーラシミュレータを、狭い照射面に対して十分な照度を与えることが可能な集光型ソーラシミュレータとして構成した場合である。即ち、比較的小面積の太陽電池セルに擬似太陽光を集光して照射する場合に適用される。
　図１（Ａ）において、１００は本実施形態の光源部を構成する反射鏡一体型キセノンショートアークランプユニットである。このランプユニット１００は、移動機構１１０上に取り付けられており、光軸１２０と平行に機械的に移動可能に構成されている。
　ランプユニット１００の光出射面側（図にて左側）の光軸１２０上には、このランプユニット１００から出射された集光光が合焦される焦点１２１が位置しており、この焦点１２１の近傍の光軸１２０上には、本実施形態では角柱型のライトガイド素子１３０が光軸１２０と同軸に固定配置されている。ライトガイド素子１３０の光出射側の光軸１２０上には、凸レンズからなる第１のコリメーションレンズ素子１４０と、凸レンズからなる集光レンズ素子１５０とが同軸に順次に固定配置されている。集光レンズ素子１５０の光出射側の光軸１２０上には、図示されていないが、例えば太陽電池セル表面である照射面が配置される。
　なお、図１（Ａ）においては、光軸１２０が直線状に示されているが、光軸１２０の途中に、（例えば、ライトガイド素子１３０の後に）反射ミラーを設けることにより、光軸１２０の方向を９０度変換させた、よりコンパクトなソーラシミュレータを提供することも可能である。例えば、ランプユニット１００を水平に配置し、光軸１２０の方向を下方に９０度変換して太陽電池セルに上方から照射するように構成することも可能である。
　図１（Ｂ）に示すように、ライトガイド素子１３０は、一方の端面（入射面）１３０ａから入射された光を内面反射を繰り返して他方の端面（出射面）１３０ｂへ効率良く導く透明な柱状導光部材であり、例えば合成石英、石英又はアクリル樹脂等で形成され、全ての外面が研磨されている。ライトガイド素子１３０は、その入射面１３０ａがランプユニット１００の出射集光光が合焦される焦点１２１上に又はその前後の近傍に位置することができるように構成されており、この入射面１３０ａが焦点１２１上又はその近傍に位置した際にランプユニット１００から出射される集光光のほとんどがこのライトガイド素子１３０内に入射し出射面１３０ｂへ導かれるように構成されている。ライトガイド素子１３０のこの出射面１３０ｂが二次光源として作用する。
　図２（Ａ）に示すように、ライトガイド素子１３０は、本実施形態では、その軸に垂直な断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形であり、軸方向長さＬがＬ＝５０ｍｍ～６０ｍｍの任意の長さである角柱型のライトガイド素子から形成されている。本実施形態では、ライトガイド素子１３０として、合成石英による１０ｍｍ角の角柱の６面を精密に研磨した独自設計仕様のものを使用している。
　また、図２（Ｂ）に示すように、ライトガイド素子を軸に垂直な断面が１０ｍｍφの円形であり、軸方向長さＬがＬ＝５０ｍｍ～６０ｍｍの任意の長さである円柱型としても良いし、図２（Ｃ）に示すように、ライトガイド素子を軸に垂直な断面が１０ｍｍ径の六角形であり、軸方向長さＬがＬ＝５０ｍｍ～６０ｍｍの任意の長さである六角柱型としても良いし、その他の軸に垂直な断面形状を有する柱状としても良い。
　ランプユニット１００は、図３に示すように、セラミック材料による反射鏡部材１００ａと、この反射鏡部材１００ａの前面に設けられた例えばサファイア材料による透明窓部材１００ｂと、反射鏡部材１００ａ及び透明窓部材１００ｂによって囲まれて密封形成されており、数気圧の高圧キセノンガスが封入されているランプ室１００ｃと、ランプ室１００ｃ内に先端が設けられたタングステン材料によるアノード１００ｄと、ランプ室１００ｃ内に設けられた先鋭端がアノード１００ｄの先端に対向しているカソード１００ｅと、カソード１００ｅを固定支持するカソード支持部材１００ｆとを備えている。
　アノード１００ｄ及びカソード１００ｅは、光軸１２０上において短い間隙（例えば、約１．５ｍｍ）で先端が互いに対向するように配置され、反射鏡部材１００ａに一体化されている。これらアノード１００ｄ及びカソード１００ｅ間に電圧が印加され、キセノンショートアークが生成されることにより、このショートアーク部分が発光部１００ｇとなる。
　反射鏡部材１００ａの内側表面は軸を含む断面が楕円形状である反射鏡１００ｈとなっており、この軸を含む断面形状が楕円の反射鏡１００ｈの楕円焦点にショートアークによる発光部１００ｇが位置するように構成されている。このように、このランプユニット１００においては、発光部１００ｇ及び反射鏡１００ｈ間の位置関係が固定されているため、発光部１００ｇの軸出し作業が不要となる。さらに、反射鏡１００ｈの楕円焦点に発光部１００ｇが配置されているため、反射鏡１００ｈによって反射され、前面に出射される光は、焦点１２１に集光することとなる。
　なお、このような集光型のランプユニット１００は、エクセリタス社より、ＣＥＲＭＡＸ（登録商標）ランプとして市販されている。
　移動機構１１０は、図４（Ａ）に示すように、ランプユニット１００の底面に固着されて形成されたランプユニットベース１０１が複数の固定ネジ１０２によって固定されているベース１１１と、このベース１１１が上面に固着されている１つ又は複数の光学ベンチ用キャリア１１２と、この光学ベンチ用キャリア１１２が光軸方向にスライド移動可能に係合している光学ベンチ１１３と、光学ベンチ１１３に対する光学ベンチ用キャリア１１２の移動をロック可能なクランプ用つまみ１１４と、ベース１１１に対するランプユニットベース１０１の距離を調整してランプユニット１００の光軸１２０の方向を微調整するための複数のアオリ調整ネジ１０３とを備えている。
　ランプユニットベース１０１及びベース１１１は厚さが約１０ｍｍ程度の例えばアルミニウム材料による平板から構成されている。光学ベンチ１１３は大型かつ薄型の例えばアルミニウム材料製の光学ベンチであり、本実施形態では、シグマ光機株式会社のアルミ光学ベンチＯＢＴ-５００ＬＨを用いている。光学ベンチ用キャリア１１２は、光学ベンチ１１３上を光軸１２０と平行な方向１０４にスライド可能に装着された例えばアルミニウム材料製のキャリアであり、本実施形態では、シグマ光機株式会社のアルミ光学ベンチ用キャリアＣＡＡ-１２０Ｌを２つ直列に並べて用いており、方向１０４への光学ベンチ用キャリア１１２の移動可能距離は約±１００ｍｍである。クランプ用つまみ１１４は、これら２つの光学ベンチ用キャリア１１２のスライド移動をそれぞれロックするためのものである。
　図４（Ａ）に示すように、本実施形態では、ランプユニット１００の前面側に２つ、後面側に１つ、計３つのアオリ調整ネジ１０３が設けられている。図４（Ｂ）に示すように、これらアオリ調整ネジ１０３を回すことによりその先端をベース１１１の上面に当接及び押圧させてベース１１１とランプユニットベース１０１と間の距離を調整する。調整が完了した状態で固定ネジ１０２を回すことにより、その状態が固定保持され、これによりランプユニット１００のアオリが微調整されて光軸１２０の方向が修正される。
　第１のコリメーションレンズ素子１４０は、凸レンズから構成されており、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂから出射する光を光軸１２０に略平行な均一光に変換するように構成されている。
　集光レンズ素子１５０は、凸レンズから構成されており、第１のコリメーションレンズ素子１４０から入射される略平行光を光軸１２０上の照射面（例えば太陽電池セル表面）の近傍に均一分布で集光するように構成されている。
　次に、本実施形態におけるソーラシミュレータの集光動作について説明する。
　ランプユニット１００からの出射光は、光軸１２０上の焦点１２１に合焦する。この焦点１２１の近傍には、光軸１２０と同軸に配置されたライトガイド素子１３０の入射面１３０ａが位置しており、従って、このライトガイド素子１３０には、ランプユニット１００の移動位置にもよるが、このランプユニット１００から出射される集光光のほとんど全てが入射される。以下、この点について、従来技術と比較して詳細に説明する。
　本実施形態で用いているランプユニット１００はエクセリタス社製のＣＥＲＭＡＸ（登録商標）におけるＸＥ１０００－１３Ｆ（１ｋｗ）であり、そのアノード及びカソード間距離（電極間距離）は１．５７ｍｍである。図５はこのランプユニット１００から出射される集光ビームの配光特性を示している。ただし、同図において、横軸は光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸は相対光出力強度（％）を示している。
　同図から分かるように、光出力強度５０％～１００％の光束を含む集光ビーム径は約３．４０ｍｍφ、光出力強度１０％～１００％の光束を含む集光ビーム径は約８．８４ｍｍφ、光出力強度５％～１００％の光束を含む集光ビーム径は約１２．７ｍｍφとなる。従って、本実施形態によれば、電極間で発光した出射光のほぼ全てを１０ｍｍ角の入射面１３０ａを有するライトガイド素子１３０に効率良く入射させることができ、このライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂからの出射により、５ｍｍ角～１５ｍｍ角の照射面に高照度（５００～１０００ＳＵＮ）の均一な光照射を行うことができる。
　これに比較して、１ｋＷのショートアークキセノンランプを楕円面集光鏡の焦点に配置した従来のソーラシミュレータによれば、電極間距離は４．５ｍｍ程度であり、楕円鏡倍率（Ｆ１を楕円面集光鏡の光軸上の反射面から第１の焦点までの距離、Ｆ２を楕円面集光鏡の光軸上の反射面から第２の焦点までの距離とした場合にＦ２／Ｆ１）を１６とした場合、光出力強度５０％～１００％の光束を含む集光ビーム径は約９．６ｍｍφ、光出力強度１０％～１００％の光束を含む集光ビーム径は約６４ｍｍφ、光出力強度５％～１００％の光束を含む集光ビーム径は約７２ｍｍφとなる。このように、光出力強度５％～１００％の光束を含む集光ビーム径が約７２ｍｍφとなってしまうため、１０ｍｍ角の端面を有するライトガイド素子にはその光の１／５～１／６程度しか入射できず、５ｍｍ角～１５ｍｍ角の照射面に対して、低照度の光照射しかできないのである。１ｋＷより大きな出力のキセノンランプ、例えば２．５ｋｗのキセノンランプを用いればより高い照度を提供できるように思われるが、実際には、大出力のキセノンランプを用いても高照度とはならない。その理由は、２．５ｋｗのキセノンランプによると、電極間距離が７ｍｍと長くなり、また、２．５ｋｗクラスのキセノンランプを使用するための楕円面集光鏡の倍率は約１８倍程度と大きくなるため、１０ｍｍ角の大きさの照射面に効率良く集光することはできないためである。
　本実施形態のソーラシミュレータ（ただし、ランプユニット１００のキセノンランプは容量が１．６ｋＷ）を用いて、１０ｍｍ角の大きさの照射面に実際に光照射した。
　ランプユニット１００からの集光した出射光をライトガイド素子１３０の入射面１３０ａに入射させると、図１（Ｂ）に示すように、この光はライトガイド素子１３０の内面にて反射を繰り返し、軸方向に伝搬し、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂではガウシアン分布に近い分布となる。このライトガイド素子１３０の軸方向長さＬを変えると、反射回数が増えることから、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂでのガウシアン分布が良好となる。ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂが二次光源となり、この二次光源からの出射光が焦点距離Ｆ１４０の凸レンズからなる第１のコリメーションレンズ素子１４０と、焦点距離Ｆ１５０の凸レンズからなる集光レンズ素子１５０とを介して照射面に均一に照射されることにより、１０００ＳＵＮの照度を得ることができた。具体的には、１ＳＵＮ時の照度でＩ／Ｖ測定を行い、その時の短絡電流Ｉｓｃの値が０．０１４Ａであるとすると、その１０００倍の短絡電流Ｉｓｃ（１４Ａ）となるよう照度を調節し、電力が１．４ｋｗで１０００ＳＵＮの照度を確認できた。
　なお、第１のコリメーションレンズ素子１４０の焦点距離Ｆ１４０、及び集光レンズ素子１５０の焦点距離Ｆ１５０を変えることで、集光照射面の大きさを変えることもできる。例えば、１０ｍｍ角のライトガイド素子１３０で焦点距離Ｆ１４０と焦点距離Ｆ１５０とが等しい場合、１０ｍｍ角の集光面積となる。集光レンズ素子１５０の焦点距離Ｆ１５０を大きくすれば１０ｍｍ角より大きくなり、集光レンズ素子１５０の焦点距離Ｆ１５０を小さくすれば１０ｍｍ角より小さな集光面積となる。
　次に、本実施形態におけるソーラシミュレータの光量調整動作について説明する。
　本実施形態では、出射光が焦点１２１に合焦するように構成された集光型のランプユニット１００を光軸１２０に沿って無段階に平行移動することにより、ライトガイド素子１３０の入射面１３０ａに入射される光量を無段階調整する構成となっている。ランプ電流は一定に維持され、変化させていない。
　即ち、ランプユニット１００を光軸１２０と平行に後方へ所定距離だけ移動させると、焦点１２１も同じ所定距離だけ後退する。これにより、ランプユニット１００から出射される光のライトガイド素子１３０の入射面１３０ａの位置におけるビーム面積は移動前のビーム面積から拡がり、ライトガイド素子１３０に入射される光量は移動量に応じて減少する。
　このように本実施形態では、ランプユニット１００の光軸１２０方向の直線移動距離に応じて光量を調整することができる。ランプユニット１００の直線移動距離は、微小にかつ無段階で精度良く制御可能であるため、光量調整も微小に、しかも無段階に、精度良く調整することができる。また、ライトガイド素子１３０に入射される光の角度が大きく変化しないため、面内分布に変化が生じない。さらに、このような光量調整を行うための構成も直線移動のみの制御であるため、非常に簡易である。さらにまた、光量調整を行う際にランプに印加される電力を変化させていないため、スペクトル変化を起こすこともない。
　光源部としては、軸出し機構及び別個の反射鏡が不要となるため、その意味からも大幅なコストダウンが可能である。さらに、発光部と反射鏡とが一体化されて軸出し調整済みであることから、発光部の軸出し作業が不要となる。このため、ランプ交換時等に煩雑な軸出し作業を行う必要がないので手間が掛からない。
　もちろん、絞り及びリングのような機械的減光フィルタを使用していないので、構成を簡略化でき、均一性の悪化や光の干渉による色ムラ発生に基づくスペクトル変化も全く生じない。
　さらに、本実施形態では、ランプユニット１００へ連続電流を流して連続点灯させることができるが、任意のパルス幅又はデューティ比のパルス電流を流してパルス点灯させることにより高照度を短時間印加して、太陽電池セルの温度上昇による電圧変化を防止したり、太陽電池セルが熱的ダメージを受けないようにすることもできる。
　図６は本発明のソーラシミュレータの他の実施形態における全体構成を概略的に示している。本実施形態は、本発明のソーラシミュレータを、広い照射面に対して十分な照度を与えることが可能なソーラシミュレータとして構成した場合である。
　図６において、１００は本実施形態の光源部を構成する反射鏡一体型キセノンショートアークランプユニットである。このランプユニット１００は、移動機構１１０上に取り付けられており、光軸１２０と平行に機械的に移動可能に構成されている。
　ランプユニット１００の光出射面側（図にて左側）の光軸１２０上には、このランプユニット１００から出射された集光光が合焦される焦点１２１が位置しており、この焦点１２１の近傍の光軸１２０上には、本実施形態では角柱型のライトガイド素子１３０が光軸１２０と同軸に固定配置されている。ライトガイド素子１３０の光出射側の光軸１２０上には、凸レンズからなる第１のコリメーションレンズ素子１４０と、凸レンズからなる集光レンズ素子１５０とが同軸に順次に固定配置されている。集光レンズ素子１５０の光出射側の光軸１２０上には、インテグレータ１６０と、凸レンズからなる第２のコリメーションレンズ素子１７０とが同軸に順次に固定配置されている。第２のコリメーションレンズ素子１７０の光出射側の光軸１２０上には、図示されていないが、例えば太陽電池セル表面である照射面が配置される。
　本実施形態は、図１～図５の実施形態におけるソーラシミュレータに、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ素子１７０を一体化した脱着可能ユニット（図示なし）を装着したものである。本実施形態におけるランプユニット１００、ライトガイド素子１３０、第１のコリメーションレンズ素子１４０及び集光レンズ素子１５０の構成、機能及び作用効果は、図１～図５の実施形態の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　インテグレータ１６０は、ロッドレンズの集合体からなり、照射光束を均一化するための光学素子である。本実施形態では、このインテグレータ１６０を、集光レンズ素子１５０の光軸１２０上の集光点（照射面）に位置するように配置し、インテグレータ１６０の出射光を第２のコリメーションレンズ素子１７０によって平行光に変換して光軸１２０上の照射面（例えば太陽電池セル表面）の近傍に均一分布で照射するように構成されている。なお、本実施形態におけるインテグレータ１６０より光源側の動作は図１～図５の実施形態の場合と同様である。
　このように、本実施形態においては、図１～図５の実施形態の光学系において、集光レンズ素子１５０の集光点にインテグレータ１６０が位置するように、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ素子１７０を一体化した脱着可能ユニットを装着することで、集光型ではなく、従来の標準的な（１ＳＵＮ用）ソーラシミュレータのように低照度の均一分布機能を有する光学系を構成している。なお、従来のこの種の標準的なソーラシミュレータでは、楕円鏡の２次焦点にインテグレータを配置しているが、これはその２次焦点（集光点）にランプのイメージが結像するので、インテグレータを配置することによってムラの無い均一な分布を得るために行っている。本実施形態では、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂをランプイメージの無い良好なガウシアン分布の２次光源とし、その２次光源の集光点にインテグレータ１６０を配置しているので、従来の標準的なソーラシミュレータと同じ機能を有しつつ面内の均一性を大幅に改善したソーラシミュレータを提供できる。しかも、照射面積を任意に決めることによって、１ＳＵＮ～１０ＳＵＮの照度を自由に選択可能となる。
　本実施形態の一例を説明すると、集光点の１５ｍｍ角において１０００ＳＵＮの照度の場合、この集光点にインテグレータ１６０を配置し、第２のコリメーションレンズ１７０にて平行光束とし、その照射面積を２００ｍｍ角（有効１５０ｍｍ角）とした場合、
　　面積比：１５ｍｍ角及び２００ｍｍ角の面積比＝約１７７．８
　　照度　：１０００ＳＵＮ／１７７．８＝約５．６ＳＵＮ×２０％（インテグレータ１６０における損失）＝約４．５ＳＵＮ、
　　可変照度：４．５ＳＵＮ～１ＳＵＮ（ランプユニット１００を光軸１２０で移動することにより、電力を変化させずに照度を変化させることができる）、
また、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ１７０を一体化した脱着ユニットを集光点から光源より遠ざかる方向（図６にて右方向）に移動することによっても照射面における照度を変化させることができる。ただし、この場合、照射面も移動した距離だけずれることとなる。
　また、図１～図５の実施形態においては、集光点（照射面）の照度が規格照度の１０００ＳＵＮと高照度となるように設定されている。一般的な標準のソーラシミュレータの場合、規格照度１ＳＵＮの決定は、産業技術総合研究所で校正された１次基準セルを用いて行うことができる。しかしながら、１０００ＳＵＮ時の照度決定においては、基準となるセルが存在しないため、現状ではＣＰＶ（集光型セル）の１ＳＵＮ時の短絡電流（Ｉｓｃ）を測定し、そのＩｓｃの１０００倍を１０００ＳＵＮ時のＩｓｃと仮定しＩ／Ｖ測定を行っている。仮に１ＳＵＮ時のＩｓｃが０．０１Ａの場合、１０００倍のＩｓｃは、Ｉｓｃ＝０．０１Ａ×１０００＝１０Ａとなる。ただし、この方法によると、集光型のソーラシミュレータと標準的な（１ＳＵＮ用）ソーラシミュレータとの２つのソーラシミュレータが必要となる。しかも、２つのソーラシミュレータそれぞれのスペクトル分布の相違も考慮する必要がある。しかしながら、本実施形態のように、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ素子１７０を有する脱着可能ユニットを集光型ソーラシミュレータに装着するのみで、標準的なソーラシミュレータの機能を得ることができるため、本発明は、集光型ソーラシミュレータと標準的なソーラシミュレータとの２つの機能を有するソーラシミュレータということができ、同じスペクトル分布において、１ＳＵＮ～１０００ＳＵＮの特性評価を可能としている。
　なお、図６においては、光軸１２０が直線状に示されているが、光軸１２０の途中に、（例えば、ライトガイド素子１３０の後に）反射ミラーを設けることにより、光軸１２０の方向を９０度変換させた、よりコンパクトなソーラシミュレータを提供することも可能である。例えば、ランプユニット１００を水平に配置し、光軸１２０の方向を下方に９０度変換して太陽電池セルに上方から照射するように構成することも可能である。
　以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

Claims (5)

  1. 　発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されており集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットと、該反射鏡一体型キセノンアークランプユニットから出射された集光光が軸方向の一方の端面に入射されると共に該入射された光が内面において反射を繰り返して軸方向に進むように構成されたライトガイド素子と、該ライトガイド素子の軸方向の他方の端面から出射される光が入射すると共に照射面に集光光を均一に照射する集光レンズユニットとを備えていることを特徴とするソーラシミュレータ。
  2. 　前記集光レンズユニットが、前記ライトガイド素子からの入射光を平行光に変換して出射する第１のコリメーションレンズと、該第１のコリメーションレンズからの平行光を集光して前記照射面に集光光を照射する集光レンズとを備えていることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
  3. 　前記集光レンズユニットから集光光が入射するインテグレータと、該インテグレータからの入射光を平行光に変換して出射する第２のコリメーションレンズとをさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載のソーラシミュレータ。
  4. 　前記反射鏡一体型キセノンアークランプユニット自体が前記ライトガイド素子の前記一方の端面に向かって集光する集光光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のソーラシミュレータ。
  5. 　前記反射鏡一体型キセノンアークランプユニットの前記反射鏡は、キセノンショートアークによる前記発光部が楕円焦点に配置された、放射方向断面が楕円形状の反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
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