ソーラーセルおよびソーラーセル付き電子時計

【課題】従来のソーラーセル付き電子時計は、文字板の見返し部に沿ってソーラーセルを湾曲させて貼り付けるが、この湾曲歪みに起因して、ソーラーセルに亀裂が発生し、この結果、ソーラーセルの光起電力を得られなくなってしまうという問題があった。
【解決手段】短辺と長辺を有する帯状の樹脂基板の表面から、下部電極と光電変換層と上部電極と保護膜とを順次積層してなり、保護膜に形成されたスルーホールを介して、下部電極と上部電極のそれぞれに電気的に接続する第１、第２の取り出し電極から、光電変換層で発生する光起電力を取り出せるようにしたソーラーセルにおいて、保護膜に形成されたスルーホールを、スルーホール開口端部近傍の短手方向の幅がスルーホール中心に向かって広くなる様に形成した。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーラーセル、およびそのソーラーセルを搭載したソーラーセル付き電子時計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年は、電子時計の低消費電力化と、ソーラーセルで発電した電力を効率よく充放電できる電子回路の改良により、小面積のソーラーセルで電子時計を駆動できるソーラーセル付き電子時計が数多く提供されている。
【０００３】
従来の、ソーラーセル付き電子時計は、細長い帯状ソーラーセルを、風防ガラスと文字板間の内周壁、すなわち見返し部の外周に、文字板に対して略垂直に湾曲して配置した構造となっている（例えば、特許文献１参照のこと）。
【０００４】
以下、特許文献１に記載された従来のソーラーセル付き電子時計を図面に基づいて説明する。図８は、従来のソーラーセル付き電子時計の外観正面図である。図９は、従来のソーラーセル付き電子時計の部分断面図であり、図８におけるＢ−Ｂ’の部分断面を示している。
【０００５】
図８、図９に示すように、従来のソーラーセル付き電子時計８００は、ケース８８内に文字板８５と指針８４を載せたムーブメント８７を収容し、ケース８８上面を風防ガラス８３で覆っている。そして、見返しリング８２の外周、つまり、文字板８５と風防ガラス８３の間隙の文字板外周に、ソーラーセルブロック８０を配置している。このソーラーセルブロック８０は、見返しリング８２の外周に帯状のソーラーセル９１を貼り付けてある。外部からの光は、風防ガラス８３と見返しリング８２を透過して、ソーラーセル９１に到達し、光エネルギーを電気エネルギーに変換して、電子時計を駆動する。
【０００６】
上記構成のソーラーセル付き電子時計８００とすれば、不透明な文字板を使用することができるようになり、自由な時計のデザイン設計が可能となる。
【０００７】
次に、上記ソーラーセル付き電子時計に搭載されるソーラーセルについて、以下、図面に基づいて説明する。図１０（ａ）は、このソーラーセル付き電子時計に搭載されるソーラーセルの平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における取出し電極付近の拡大図を、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）におけるＣ−Ｃ’の断面部分を示している。
【０００８】
図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、ソーラーセル９１は、透明基板９１ａの表面に、透明導電膜である下部電極９１ｂと、内部にＰＩＮ接合（Ｉ型真性半導体:Intrinsic semiconductorのシリコン膜をＰ型、Ｎ型のシリコン膜ではさんだ接合）を含む非晶質半導体からなる光電変換層９１ｃと、金属層からなる上部電極９１ｄを積層形成して、最上層を、樹脂ペーストからなる保護膜９１ｆで覆ってある。
【０００９】
なお、この保護膜９１ｆは、下部電極９１ｂ、光電変換層９１ｃ、上部電極９１ｄを外部環境から保護する為、また、外部に電気が漏れないよう絶縁性を保つ為に十分厚く形成されている。
【００１０】
また、図１０（ｂ）（ｃ）に示すように、最上層に形成した保護膜９１ｆに形成されたスルーホール９１ｊ、９１ｋから、下部電極９１ｂと上部電極９１ｄを露出させ、そのスルーホール９１ｊ、９１ｋへ、樹脂バインダーに導電粒子が混入された材料からなる導電
性ペーストを充填することにより形成された取り出し電極９１ｈ、９１ｉにより、光電変換層９１ｃで発電した光起電力を、外部に取り出せる様になっている。
【００１１】
この保護膜９１ｆ、および取り出し電極９１ｈ、９１ｉは、ともにスクリーン印刷法を用いて、所望の箇所にペースト材を塗布した後に、このペースト材を硬化させて形成している。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２７０３６６号公報（第３−５頁、第１−５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前述に記載のソーラーセル９１を、図９に記載したソーラーセル付き電子時計８００に搭載した場合に、比較的大きなサイズの男性向け円形文字板のソーラーセル付き電子時計（２６〜３０φ）では特に問題を生じないが、文字板サイズが小さい女性向けソーラーセル付き電子時計（１６〜２０φ）に搭載した場合には、以下の問題が生じていた。図１１は、従来のソーラーセル９１を湾曲させたときに生じる問題点を示す図面である。
【００１４】
図８、図９に示した、円形形状の文字板８５のソーラーセル付き電子時計８００では、ソーラーセル９１を見返しリング８２の外周に沿って湾曲させて貼り付けている。従って、文字板外形を小さくした場合は、必然的にこのソーラーセル９１の曲率が大きくなり、ソーラーセル９１には大きな曲げ応力が掛かり、セルが歪んだ状態となる。
【００１５】
ここで、図１０（ｂ）（ｃ）に示すように、従来のソーラーセル９１は、セルを十分に保護し、かつ十分な絶縁性を保つ様に、保護膜９１ｆを厚く形成した後に、取り出し電極９１ｈ、９１ｉを形成している。そのため、保護膜９１ｆの開口部であるスルーホール９１ｊ、９１ｋの縁部で、ソーラーセル９１の厚み方向において、段差が生じる。
【００１６】
ここで、光電変換領域１１１で、保護膜９１ｆと取り出し電極９１ｈがオーバーラップする箇所の厚み１０２と、取り出し電極９１ｈの厚み１０３とを比較すると、保護膜９１ｆの分だけ、スルーホール領域１１１の部分の厚みが薄くなっているのが判る。この保護膜９１ｆと取り出し電極９１ｈとは、主剤がともに樹脂材料で形成されている。したがって、図１１（ａ）（ｂ）に示す様に、ソーラーセル９１を湾曲させたときに、この樹脂材料層の厚い領域と薄い領域とで、光電変換層９１ｃ側に掛かる応力の度合いが異なり、これによりこの取り出し電極９１ｈ、９１ｉ形成領域内で、歪み応力が生じる。
【００１７】
ここで、スルーホール領域１１１の短辺は、帯状のソーラーセル９１の短辺と平行にして配置されているので、スルーホール領域１１１の短辺方向の窪み縁部の形状は、セルを湾曲させたときに掛かる応力方向（図中の点線方向）と一致することとなる。すると、先に示したように、スルーホール領域１１１の内側と外側とに掛かる応力の度合いが異なるため、この境界部分に応力が集中する。ここで、ソーラーセル９１を構成する部材は、脆性材料にて形成されている為、セル内の層に亀裂１１２が発生してしまう場合がある。
【００１８】
そして、このスルーホール領域１１１に強い歪み応力が加わったままとすると、その亀裂１１２が拡大して光電変換層９１ｃも破壊し、それにより上部電極９１ｄが下部電極９１ｂと接触してしまう場合がある。そして、この様なセル内での上下電極ショートが起こると、ソーラーセル９１で発生する光起電力を出力できなくなってしまう。なお、この様な現象は、ソーラーセル９１を単セル構造とした場合に、特に顕著となる。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ソーラーセルを大きく湾曲させて様々な
環境下にあっても、常に安定して所望の光電変換量を得ることができるソーラーセルおよびソーラーセル付き電子時計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明のソーラーセルおよびソーラーセル付き電子時計は、基本的には下記記載の構成要件を採用するものである。
本発明のソーラーセルは、短辺と長辺を有する帯状の樹脂基板の表面から、下部電極と光電変換層と上部電極と保護膜とを順次積層してなり、保護膜に形成されたスルーホールを介して、下部電極と上部電極のそれぞれに電気的に接続する第１、第２の取り出し電極から、光電変換層で発生する光起電力を取り出せるようにしたセルにおいて、保護膜に形成されたスルーホールが、スルーホール開口端部近傍の短手方向の幅がスルーホール中心に向かって広くなる様に形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
この様に構成することで、本発明のソーラーセルは、ソーラーセルを大きく湾曲させてスルーホール開口端部の短手方向の段差に大きな応力が加わったとしても、スルーホール開口端部近傍の短手方向の幅がスルーホール中心に向かって広くなる様に形成する事で応力が分散し、上部電極の亀裂、光電変換層の破壊が生じることを防ぐことができる。その為、保護膜の開口部であるスルーホール近傍での、ソーラーセルの短手方向の段差による亀裂によってソーラーセルの機能が損なわれることは無い。
【００２２】
また、上記スルーホールの形状は、円または楕円形状とするのが望ましい。
【００２３】
本発明のソーラーセル付き電子時計は、上記したソーラーセルにおけるセルの長手方向を湾曲させて、文字板の外周部に、当該文字板に対して略垂直に配置したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
以上に述べたように、本発明のソーラーセルとすることで、ソーラーセルにおいてスルーホール端部近傍の短手方向の段差部分への応力が分散する。その結果、上部電極の亀裂、光電変換層の破壊が生じることがなくなり、ソーラーセルの機能が損なわれることは無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のソーラーセル付き電子時計の最大の特徴は、大きな曲率で湾曲させて電子時計に装着できる信頼性の高いソーラーセルの構造にあるが、本発明のソーラーセル付き電子時計の基本的な構造および外観は、従来技術の説明で図８、図９に基づいて示した従来のソーラーセル付き電子時計と略同じである。以下に、本発明のソーラーセル付き電子時計の構成およびそれに搭載されるソーラーセルの構成例を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２６】
まず、本発明のソーラーセル付き電子時計の実施形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明のソーラーセル付き電子時計の部分断面図である。図２は、本発明のソーラーセル付き電子時計の分解斜視図である。ここで、図１の本発明のソーラーセル付き電子時計の部分断面図は、図８に示した従来のソーラーセル付き電子時計の外観正面図におけるＢ−Ｂ’に対応する部分断面を示している。
【００２７】
図１および図２に示すように、本発明のソーラーセル付き電子時計１００は、ケース１８内に、文字板１５と指針１４を載せたムーブメント１７を収容し、ケース１８上面を風防ガラス１３で覆っている。そして、このソーラーセルブロック１０は、見返し部、つまり、文字板１５と風防ガラス１３の間隙の文字板外周に配置している。
【００２８】
また、このソーラーセルブロック１０については後に詳述するが、透光性の見返しリング１２の外周に細長い帯状のソーラーセル１１を貼り付けてあり、文字板１５に対して略垂直に配置されている。そして、外部からの光は、風防ガラス１３と見返しリング１２を透過してソーラーセル１１に到達し、光エネルギーを電気エネルギーに変換して、ムーブメント１７に内蔵される二次電池（図示せず）にこの電気エネルギーを蓄える。そして、ここで蓄えられた電気エネルギーにより、電子時計を駆動する。
【００２９】
この様に、見返し部にソーラーセル１１を配置する利点は、表面が褐色のソーラーセル１１が目立たず、文字板１５の材質やデザインの制約がなくなり、かつ、明るい色の文字板も採用できることである。また、文字板１５外周に透光性の見返しリング１２を配置して、この見返しリング１２の外周に細長い帯状ソーラーセル１１を貼り付けることで、表面が褐色のソーラーセル１１が直接見え難くなるため、さらに時計デザインの自由度が向上する。
【００３０】
次に、図１に示した本発明のソーラーセル付き電子時計１００におけるソーラーセルブロック１０の詳細を図面に基づいて説明する。図３は、図１に示した本発明に係るソーラーセルブロック１０の斜視図である。
【００３１】
図３に示すように、３１ｊ、３１ｋはソーラーセル１１で発生する光起電力を上部電極、下部電極から取り出すために設けられたスルーホールであり、３１ｈ、３１ｉはスルーホールを介して、外部に光起電力を取り出すための取り出し電極である。また、見返しリング１２は、光透過性の樹脂製材料により成型されてなる。そして、ソーラーセル１１は、帯状に形成された樹脂製の透明基板上に、下部電極と、非晶質シリコン層からなる光電変換層と上部電極を順次積層した単セル構造となっている。
【００３２】
また、ソーラーセル１１は、透明樹脂を基板とする可撓性のフレキシブルソーラーセルであって、見返しリング１２の外周の曲率に倣って湾曲させて光学接着することにより、ソーラーセルブロック１０を形成している。この様にして光エネルギーを、見返しリング１２を透過してソーラーセル１１に取り込む。
【００３３】
なお、このソーラーセル１１は、取り出し電極３１ｈ、３１ｉの部分を帯状のソーラーセル１１の端部で突出させて、図１に示したムーブメント１７の電源供給端子に接続して固定される。
【００３４】
また、このソーラーセル１１は、帯状のセルの長辺方向の外形幅を、略同じとしてあることから、複数個の帯状のソーラーセル１１を同時に製造するにあたって、これら複数個の帯状のソーラーセル１１を同一基板上に並べて形成し、個々のソーラーセルを帯状に分割する製法に適している。このソーラーセル１１の具体的な形状寸法例を挙げると、長辺Ｌ＝６４ｍｍ、巾Ｗ＝１．８５ｍｍ、厚みｔ＝１５０μｍ程度である。
【００３５】
次に、本発明のソーラーセル付き電子時計１００におけるソーラーセル１１の全体像を図面に基づいて説明する。図４（ａ）は、本発明のソーラーセルの平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したソーラーセル１１のＡ−Ａ’断面に対応している。
【００３６】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、本発明のソーラーセル１１は、帯状の透明基板３１ａの表面に、下部電極３１ｂと、非晶質半導体からなる光電変換層３１ｃとを有する。そして、この光電変換層３１ｃの上層には、アルミニウム層３１ｄとチタン層３１ｅからなる金属層を順に積層形成した上部電極を有し、これら積層部分全体を、樹脂ペーストからなる保護膜３１ｆで覆っている。そして、ソーラーセル１１で発生する光起電力を上部電極
、下部電極から取り出すために、スルーホール３１ｊ、３１ｋが設けられ、このスルーホール３１ｊ、３１ｋに、樹脂バインダーに導電粒子が混入された材料からなる導電性ペーストが充填されて、ソーラーセル１１の片方の端部に集約した、四角形状の取り出し電極３１ｈ、３１ｉが形成されている。
【００３７】
なお、この保護膜３１ｆの開口部であるスルーホール３１ｊ、３１ｋの形状は、図４（ａ）に示す様に、スルーホール開口端部近傍の短手方向（図中Ｙ方向）の幅が、スルーホール中心に向かう方向（図中Ｘ方向）に向けて広くなる様に、本図では円形状としている。
【００３８】
ここで、図４で示した、本発明のソーラーセル１１を湾曲させたときの作用について説明する。図５は、本発明のソーラーセルの作用を説明するための図面である。
【００３９】
図５に示すように、本発明のソーラーセル１１の光電変換層１２を形成した面を外側にしてセルを湾曲させたとき、ソーラーセル１１は従来と同様に、保護膜３１ｆと取り出し電極３１ｈとのオーバーラップした厚い樹脂層エリアと、取り出し電極３１ｈのみの薄い樹脂層エリアを有する構成となっている。ところが、本発明のソーラーセル１１は、円形状のスルーホール３１ｊ、３１ｋがあり、これにより円形状の段差を有する構成となるので、この円形状の段差と、セルの短手方向と水平の応力（図中の点線）との関係において、局所的な歪みを緩和させる。つまり、本発明のソーラーセル１１は、スルーホール領域１１１の保護膜３１ｆと、段差の方向と一致する部分が、従来の構成に比べて極端に少ないので、ソーラーセル１１に掛かる歪み応力が分散される。
【００４０】
この様に、本発明のソーラーセル１１は、スルーホール開口端部近傍の短手方向の幅が、スルーホール中心に向かって広くなる様に形成している為、ソーラーセル１１を大きく湾曲させても、スルーホール近傍の短手方向の段差における応力が分散し、金属層からなる上部電極の亀裂、および光電変換層３１ｃの破壊を極力防ぐことができる。
【００４１】
次に、本発明のソーラーセル１１の製造プロセスを詳述する。図６、図７は、本発明のソーラーセル１１の製造工程を示す図面である。
【００４２】
まず、図６（ａ）に示すように、樹脂製の透明基板３１ａ上に透明な下部電極３１ｂを形成する。透明基板３１ａはこの基板上に光電変換層を含む各層を形成する土台となる基板で、後工程で行う成膜工程やエッチング工程に耐えるように、耐熱性、耐化学薬品、機械的強度に優れた、透光性のＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）を使用する。なお、透明基板３１ａ上に形成する下部電極３１ｂは、透明性と導電性に優れたＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ_２（酸化錫）等で形成するが、ここでは、ＩＴＯ膜をスパッタリング法で形成している。
【００４３】
次に、図６（ｂ）に示す様に、透明な下部電極３１ｂ上に、ＰＩＮ接合で構成された非晶質シリコン層からなる光電変換層３１ｃと、上部電極層を順次形成する。この光電変換層３１ｃは、下部基板３１ｂ表面に直接プラズマＣＶＤ法で形成する。また、上部電極層は、光電変換層側から、アルミニウム層３１ｄとチタン層３１ｅをスパッタリング法で順次積層して形成する。
【００４４】
次に、図６（ｃ）に示す様に、図６（ｂ）で得た構造体の表面にレジスト膜をスピンナーで塗布し、写真露光と現像処理によりパターン化されたレジスト膜３３を形成する。次いで、エッチングによりこのレジスト膜３３で覆われていない部位の光電変換層３１ｃとアルミニウム層３１ｄとチタン層３１ｅを共にエッチング除去し、最後にレジスト膜３３を除去して、図６（ｄ）に示す構造体を得る。なお、図６（ｄ）に示す構造体は、図の右
側に示す部位のチタン層３１ｅ、アルミニウム層３１ｄ、および光電変換層３１ｃが除去されて、下部電極３１ｂが表面に露出した形態となっている。
【００４５】
次に、図６（ｅ）に示す様に、図６（ｃ）で示した工程と同様に、レジスト膜をスピンナーで塗布し、写真露光と現像処理によりパターン化されたレジスト膜３４を形成する。次いで、エッチングによりこのレジスト膜３４から露出する透明電極３１ｂをエッチング除去し、最後にレジスト膜３４を除去して、図６（ｆ）に示す構造体を得る。本図面に示す構造体は、下部電極３１ｂにおける図の右端部が除去され、透明基板３１ａが表面に露出した形態を示している。
【００４６】
なお、上述の上部電極を構成するアルミニウム層３１ｄは、透明基板３１ａを通して光電変換層３１ｃに入射した光の内、光電変換層３１ｃで光電変換されずに通過した光を、高反射率のアルミニウム層３１ｄにより再度光電変換層３１ｃに反射させるために必要な金属層である。ここで、レジスト膜３３、あるいはレジスト膜３４を除去するエッチャント液が強アルカリであるため、この金属層をアルミニウム層３１ｄでのみで構成すると、このアルミニウム層３１ｄが浸食されてしまう。そこで、本発明においては、アルミニウム層３１ｄを保護するために、チタン層３１ｅをアルミニウム層３１ｄの表面に形成している。
【００４７】
次に、図７（ｇ）に示す様に、取り出し電極形成領域３１ｈ’および３１ｉ’を除く全面に、エポキシ系樹脂からなる保護膜３１ｆをスクリーン印刷する。
【００４８】
次に、図７（ｈ）に示す様に、前工程である図７（ｇ）で保護膜３１ｆを形成しなかった取り出し電極形成領域３１ｈ’および３１ｉ’に、フェノール系樹脂にカーボンやグラファイトを含有する導電ペーストを印刷して、取り出し電極３１ｈおよび３１ｉを形成し、目的のソーラーセル１１が完成する。
【００４９】
この様にして形成した本発明のソーラーセル１１は、保護膜３１ｆに形成されたスルーホールが、スルーホール開口端部近傍の短手方向の幅が、スルーホール中心に向かって広くなる形状に形成されている。この様に構成することで、本発明のソーラーセル付き電子時計は、ソーラーセル１１を大きく湾曲させてスルーホール開口端部の短手方向の段差に大きな応力が加わったとしても、スルーホール開口端部近傍の段差における応力が分散する。その結果、ソーラーセル１１を構成する積層膜の亀裂を防ぐことができるようになり、ソーラーセル１１の機能が保たれて、信頼性の高いソーラーセル付き電子時計１００となる。
【００５０】
なお、以上の説明では、保護膜３１ｆのスルーホールの形状を、円形状とした場合について説明したが、スルーホール開口端部近傍の短手方向の幅が、スルーホール中心に向かって広くなる形状に形成であれば、これを楕円形状としても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
さらに、保護膜３１ｆのスルーホールの形状を、複数の円を足し合わせた変形円、もしくは変形楕円型とした変形楕円形状とした場合であっても、本発明と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明のソーラーセル付き電子時計の構成例を示す部分断面図である。
【図２】本発明のソーラーセル付き電子時計の構成例を示す分解斜視図である。
【図３】本発明に係るソーラーセルブロックの斜視図である。
【図４】本発明のソーラーセルの平面図及び断面図である。
【図５】本発明のソーラーセルの斜視図である。
【図６】本発明のソーラーセルの製造工程を示す図である。
【図７】図６の続きの製造工程を示す図である。
【図８】従来のソーラーセル付き電子時計の外観正面図である。
【図９】従来のソーラーセル付き電子時計の部分断面図である。
【図１０】従来のソーラーセルの構成を示す平面図及び断面図である。
【図１１】従来のソーラーセル付き電子時計で発生する問題点を説明するための図面である。
【符号の説明】
【００５３】
１００ソーラーセル付き電子時計
１０ソーラーセルブロック
１１ソーラーセル
１２見返しリング
１３風防ガラス
１４指針
１５文字板
１７ムーブメント
１８ケース
３１ａ透明基板
３１ｂ下部電極
３１ｃ光電変換層
３１ｄアルミニウム層
３１ｅチタン層
３１ｆ保護膜
３１ｈ、３１ｉ取り出し電極
３１ｊ、３１ｋスルーホール
３３、３４レジスト膜
３１ｈ’、３１ｉ’ 取り出し電極形成領域
１１１スルーホール領域

【特許請求の範囲】
【請求項１】
短辺と長辺を有する帯状の樹脂基板の表面から、下部電極と光電変換層と上部電極と保護膜とを順次積層してなり、前記保護膜に形成されたスルーホールを介して、前記下部電極と前記上部電極のそれぞれに電気的に接続する第１、第２の取り出し電極から、前記光電変換層で発生する光起電力を取り出せるようにしたソーラーセルにおいて、
前記保護膜に形成された前記スルーホールは、スルーホール開口端部近傍の短手方向の幅がスルーホール中心に向かって広くなる様に形成されている
ことを特徴とするソーラーセル。
【請求項２】
前記スルーホールの形状は、円または楕円形状である
ことを特徴とする請求項１に記載のソーラーセル。
【請求項３】
請求項１または２に記載のソーラーセルにおける前記セルの長手方向を湾曲させて、文字板の外周部に、当該文字板に対して略垂直に配置した
ことを特徴とするソーラーセル付き電子時計。

【図１】