太陽光および光起電力製造における光学的課題を解決する方法は常に複数存在し、各選択肢がすべてにおいて同等に優れているわけではない。本稿では、光学ガラス材料を競合する材料・工程・設計アプローチと、商業的に重要な基準—性能、耐久性、単価、納期—に基づいて比較する。
太陽光および光起電力製造における光学ガラス材料
太陽光および光起電力製造において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。太陽光製造は、非常に大きなガラス面積を、攻撃的なコスト目標および25年の屋外暴露と組み合わせる。コーティングは透過率を上げ汚れを減らすために使用され、ガラスは生産装置自体の工具および保護として使用される。紫外線、湿度、および熱サイクル下の耐久性が入場券である。
実際に重要な公差
ガラスは、発注書に常に記載されるべき少数の数値に基づいて売買される。屈折率公差と均質性は波面がどれだけ歪むかを決定し、通常は溶解バッチ全体の屈折率変動として示される。気泡・異物のクラスは内部欠陥の大きさと個数を制限し、気泡が損傷箇所となる結像経路やレーザー経路で重要である。縞（ストリア）グレードは、局所的な屈折率変動を引き起こす残留コード線を制御する。薄板やウェハ在庫では、機械的な数値も同様に重要である：厚み公差、厚み変動（TTV）、反り、表面粗さ。太陽光および光起電力製造において、仕様から最も頻繁に省略され、却下されるロットの原因となることが最も多い2つの属性は、熱処理後の反りと、切断ブランクのエッジ品質である。
代替手段との比較
ガラスは、サファイア、フッ化カルシウム、セレン化亜鉛などの結晶材料、PMMAやポリカーボネートなどのポリマー、および熱成形またはモールドガラスと競合する。ポリマーは安価で軽いが、光学平面度を維持できず、また傷がつく。結晶はガラスが到達できないスペクトル範囲—中赤外および遠赤外—をカバーし、サファイアは硬度と熱伝導性を加えるが、大きなコストプレミアムとサイズ制限を伴う。熱成形ガラスは非球面を安価に成形するが、厳密な平面度が要求される場合に研磨で除去しなければならない表面テクスチャを残す。太陽光および光起電力製造で使用される部品の大部分を占める、平坦でコーティングされ寸法精度の高い部品については、適切に選択された光学ガラス基板が、光学品質、コスト、供給の安定性の最良の組み合わせであり続ける。
基板と材料の選定
実用的な選択肢はカタログが示唆するよりも少ない。B270とソーダ石灰ガラスは、可視光部品の大部分をカバーし、低コストで迅速に研磨される。BK7は、波面が重要な結像経路において、より優れた均質性とより低い気泡含有量をもたらす。ホウケイ酸ガラス3.3やEagle XGのような無アルカリグレードは低熱膨張を加え、薄板やコーティングあるいははんだ付け工程を通じて平坦を保たねばならない部品の標準的な選択である。溶融石英と石英は、深紫外透過と極めて高いレーザー損傷閾値を兼ね備えるため、UVおよび高エネルギー用途をカバーする。サファイアは反対側に位置する：ほぼ耐擦傷性があり、中赤外まで動作し熱を伝導するが、異方性があり高価で加工に時間がかかる。ブルーガラスは特殊なケースであり、可視光を通しながら近赤外を除去する吸収型材料である。
コストと納期を左右する要因
材料コストは性能に対して線形ではなく、その跳躍は大きい。ソーダ石灰ガラスからBK7への移行は基板費用を約2倍にし、ホウケイ酸ガラスやEagle XGへの移行はさらに約2倍になる；溶融石英と石英はBK7の数倍であり、サファイアは同じブランクサイズでソーダ石灰ガラスの10倍に達し得る。しかし、これらの倍率はそれが意味する加工の方がはるかに重要である。より硬い材料は研削と研磨が遅く、サファイアはダイヤモンド工具を要し、石英はより長いコーティングサイクルを要する—したがって2つの材料選択肢間の真のコスト差は、通常、原料差の2〜3倍である。太陽光および光起電力製造において、最も安価な決定は通常、透過および熱要件を満たす最も特殊でない材料を使用し、節約した予算をより厳格な検査に充てることである。
太陽光および光起電力製造に特有の要件
太陽光および光起電力製造において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。太陽光製造は、非常に大きなガラス面積を、攻撃的なコスト目標および25年の屋外暴露と組み合わせる。コーティングは透過率を上げ汚れを減らすために使用され、ガラスは生産装置自体の工具および保護として使用される。紫外線、湿度、および熱サイクル下の耐久性が入場券である。
- 25年のUVおよび湿度安定性
- 均一な性能をもつ非常に大きなコーティング面積
- 撥水性または易清浄表面挙動
- 圧力下の平方メートルあたりコスト
モジュール耐久性のIEC 61215およびIEC 61730コンテキスト、およびコーティングガラスのRoHSおよびREACH宣言。
選定データ一覧
| 材料 | 屈折率 (nd) | 主な用途 | 備考 |
|---|---|---|---|
| B270 / ソーダ石灰ガラス | 1.523 | カバーガラス、フィルタ、照明 | 最も低コスト、研磨が早い |
| BK7 (N-BK7) | 1.517 | 一般的な光学部品、窓 | 優れた均質性、気泡が少ない |
| ホウケイ酸ガラス 3.3 | 1.471 | 耐熱窓、薄板ガラス | CTE 3.3 ppm/K |
| Eagle XG | 1.510 | ディスプレイ、薄板光学部品 | 無アルカリ、反りが極めて小さい |
| 溶融石英 / 石英 | 1.458 | UV、レーザー、高温 | 深紫外透過、高損傷閾値 |
| サファイア | 1.768 | 耐擦傷窓、IR | モース硬度9、異方性加工 |
| ブルーガラス (BG-type) | 1.52 - 1.55 | カメラ用IRカット | 吸収型NIR、色補正 |
| ガラスウェハ | varies | センサー、パッケージング | 0.1 - 1 mm、低TTV |
よくある質問
はんだ付けやオートクレーブ処理される部品にはどの材料を使用すべきですか？
ホウケイ酸ガラス3.3、Eagle XG、または溶融石英などの低熱膨張基板である。回避しようとしている故障は熱衝撃と工程後の反りであり、どちらも強度よりも熱膨張係数によって駆動される。
材料の選択は納期にどの程度影響しますか？
ソーダ石灰ガラス、B270、および標準ホウケイ酸ガラスは数日で在庫から出荷される。溶融石英、石英、およびサファイアは頻繁に受注生産であり、それらのより遅い研削および研磨速度は、材料の納期に数日から数週間を加える。
材料証明書は提供しますか？
はい。屈折率、透過率、膨張、および欠陥クラスの証明書が、完成部品の完全なトレーサビリティを可能にする溶解またはロット識別とともに、出荷に添付される。