(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面側に第１主面領域と、前記第１主面領域の外周に設けられる第２主面領域とを有する導電性基板と、
前記導電性基板の前記第２主面領域上に形成され、前記第１主面領域を取り囲む枠体と、
前記枠体内の前記第１主面領域上に形成され、下面が前記導電性基板と電気的に接続された光電変換素子と、
前記枠体の内外にわたって設けられるとともに、前記光電変換素子の上面と電気的に接続される導電層と、
前記枠体と接合されるとともに、前記枠体で囲まれる空間を覆う集光部材と、
を備え、前記導電性基板の端部が、平面視して前記枠体で囲まれる領域内に位置していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記導電性基板は、前記第１主面領域の高さ位置が前記第２主面領域の高さ位置よりも高く設定されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記第１主面領域と前記第２主面領域の間に位置する前記導電性基板の側面と、前記枠体との間には、空隙が設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光電変換装置であって、
前記導電性基板の一主面側に、前記第２主面領域の外周を取り囲む第３主面領域が形成されており、
前記第３主面領域と前記枠体の下面との間には空隙が設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光電変換装置が複数個併設されており、隣接する光電変換装置同士の間で、一方の光電変換装置の導電性基板と他方の光電変換装置の導電性基板が接続されていることを特徴とする光電変換モジュール。
【請求項６】
請求項４に記載の光電変換装置が複数個併設されており、隣接する光電変換装置同士の間で、一方の光電変換装置の導電性基板と他方の光電変換装置の導電層とが接続されていることを特徴とする光電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、並びにその光電変換装置を用いる光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光電変換素子を有する光電変換装置の開発が進められている。例示的な光電変換装置としては、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池装置がある。特に、発電効率の向上を目的として、集光型の太陽電池装置の開発が進められている。光電変換装置は、光エネルギーを電力エネルギーに変換する光電変換素子を有している。光電変換装置が例えば太陽電池装置の場合、光電変換素子は、太陽エネルギーを電力エネルギーに変換する太陽電池素子である（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２７４３０１号公報
【特許文献２】特開２００８−９１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光電変換装置の開発において、放熱性の優れた光電変換装置が求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱性の優れた光電変換装置、並びに光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光電変換装置は、一主面側に第１主面領域と、前記第１主面領域の外周に設けられる第２主面領域とを有する導電性基板と、前記導電性基板の前記第２主面領域上に形成され、前記第１主面領域を取り囲む枠体と、前記枠体内の前記第１主面領域上に形成され、下面が前記導電性基板と電気的に接続された光電変換素子と、前記枠体の内外にわたって設けられるとともに、前記光電変換素子の上面と電気的に接続される導電層と、前記枠体と接合されるとともに、前記枠体で囲まれる空間を覆う集光部材と、を備え、前記導電性基板の端部が、平面視して前記枠体で囲まれる領域内に位置していることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の第２の態様に係る光電変換モジュールは、光電変換装置が複数個併設されており、隣接する光電変換装置同士の間で、一方の光電変換装置の導電性基板と他方の光電変換装置の導電性基板が接続されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の第３の態様に係る光電変換モジュールは、光電変換装置が複数個併設されており、隣接する光電変換装置同士の間で、一方の光電変換装置の導電性基板と他方の光電変換装置の導電層とが接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、放熱性の優れた光電変換装置、並びに光電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】参考例に係る光電変換モジュールの概観を示す分解斜視図である。
【図２】参考例に係る光電変換装置の概観斜視図である。
【図３】参考例に係る光電変換装置の集光部材を除いた概観斜視図である。
【図４】図３に示す光電変換装置の平面図である。
【図５】参考例に係る光電変換装置の断面図である。
【図６】参考例に係る光電変換装置を電気的に直列に接続した状態を示す、光電変換装置の断面図である。
【図７】集光部材を取り除いた光電変換装置を複数個、電気的に直列に接続した状態を示す光電変換装置の概観斜視図である。
【図８】参考例に係る光電変換装置を電気的に並列に接続した状態を示す、光電変換装置の断面図である。
【図９】集光部材を取り除いた光電変換装置を複数個、電気的に並列に接続した状態を示す光電変換装置の概観斜視図である。
【図１０】本実施形態に係る光電変換装置の断面図である。
【図１１】一変形例に係る光電変換装置の断面図である。
【図１２】一変形例に係る光電変換装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる光電変換モジュール、及び光電変換装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。
【００１１】
＜光電変換モジュールの概略構成＞
図１は、参考例に係る光電変換モジュールの概観斜視図と、その一部を拡大した分解斜視図である。また、図２は、図１に示す光電変換装置の概観斜視図である。また、図３は、集光部材を取り除いた光電変換装置の概観斜視図である。また、図４は、集光部材を取り除いた光電変換装置の平面図である。また、図５は、光電変換装置の断面図である。
【００１２】
参考例に係る光電変換モジュール１は、太陽光を電力に変換する太陽光発電モジュールである。また、参考例に係る光電変換装置２は、光を集光する光電変換素子３を含んでいる。かかる光電変換素子３は、例えば太陽光を集光して発電する機能を備えている。
【００１３】
光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２と、光を受光する受光部材４とを含んでいる。受光部材４は、例えばドーム形状のフレネルレンズである。受光部材４は、外部からの光を受光するとともに、受光した光を光電変換装置２に集める機能を備えている。なお、受光部材４は、例えばガラス、プラスチック又は透光性樹脂等からなる。かかる受光部材４は、フレーム部材４ａとレンズ部材４ｂとを含んでおり、レンズ部材４ｂを取り囲むようにフレーム部材４ａにて固定されている。
【００１４】
光電変換装置２は、一主面側に第１主面領域Ｓ１と、第１主面領域Ｓ１の外周に設けられる第２主面領域Ｓ２とを有する導電性基板５と、導電性基板５の第２主面領域Ｓ２上に形成され、第１主面領域Ｓ１を取り囲む枠体６とを含んでいる。さらに、光電変換装置２は、枠体６内の第１主面領域Ｓ１上に形成される光電変換素子３と、枠体６上に形成され、枠体６の内外にわたって設けられるとともに、光電変換素子３の上面と電気的に接続される導電層７と、枠体６と接合されるとともに、枠体６で囲まれる空間ＳＰを覆う集光部材８とを含んでいる。
【００１５】
導電性基板５は、段差が形成されている。その段差の高さ位置が高い方の面に、第１主面領域Ｓ１が形成されている。また、段差の高さ位置が低い方の面に、第２主面領域Ｓ２が形成されている。導電性基板５は、導電性の基板であって、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト又はクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。また、導電性基板５は、熱電導性の優れた材料からなり、導電性基板５の熱伝導率は、例えば３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上５００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。なお、導電性基板５の熱膨張率は、例えば５×１０−６／℃以上２５×１０−６／℃以下に設定されている。
【００１６】
また、光電変換素子３は、第１主面領域Ｓ１上に設けられ、導電性基板５と接続される。
【００１７】
光電変換素子３は、例えば、III−Ｖ族化合物半導体を含んでいる太陽電池素子である。光電変換素子３は、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力することができる。例示的な太陽電池素子は、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型セルの構造を有している。インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）トップセルは、例えば６６０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ミドルセルは、例えば６６０ｎｍから８９０ｎｍまでの波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ゲルマニウム（Ｇｅ）ボトムセルは、例えば８９０ｎｍから２０００ｎｍまでの波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。３つのセルは、トンネル接合を介して直列に接続されている。開放電圧は、３つのセルの起電圧の和である。なお、光電変換素子３の一辺は、例えば３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さである。また、光電変換素子３は、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚みである。
【００１８】
光電変換素子３の下面には、下面電極パターンが形成されている。かかる下面電極パターンが、例えば半田を介して導電性基板５と電気的に接続されている。
【００１９】
また、光電変換素子３の上面には、上面電極パターンが形成されている。かかる上面電極パターンは、例えばワイヤを介して枠体６上に形成される導電層７と電気的に接続される。
【００２０】
ここで、導電性基板５は、正極として機能する。また、導電層７は、負極として機能する。そして、光電変換素子３は、導電性基板５及び導電層７と電気的に接続されており、導電性基板５又は導電層７を介して外部に電気を取り出すことができる。
【００２１】
導電性基板５は、第１主面領域Ｓ１の高さ位置が第２主面領域Ｓ２の高さ位置よりも高く設定されている。そのため、導電性基板５と導電層７との間に流れる電流が、第２主面領域Ｓ２よりも高さ位置が高い第１主面領域Ｓ１を介して流れる。そして、光電変換素子３の下面と第１主面領域Ｓ１との間で電流が流れるため、電流の経路が導電性基板５と導電層７との間で短く設定される。その結果、光電変換素子３で発電した電力のロスを低減した上で、電力を外部に取り出すことができる。
【００２２】
枠体６は、第１主面領域Ｓ１を取り囲むように、導電性基板５の第２主面領域Ｓ２上に形成される。そして、導電層７は、枠体６の内外にまで延在されている。なお、導電層７は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト又はクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。
【００２３】
枠体６は、絶縁性の材料からなり、例えば、アルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、枠体６の熱膨張率は、例えば４×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下に設定されている。なお、枠体６は、導電性基板５上に形成され、光電変換素子３を取り囲む第１枠体６ａと、第１枠体６ａ上に形成され、集光部材８と接続される第２枠体６ｂから構成されている。
【００２４】
第１主面領域Ｓ１と第２主面領域Ｓ２の間に位置する導電性基板５の側面と、枠体６の第１枠体６ａとの間には、空隙Ａ１が設けられている。枠体６の下面の一部と導電性基板５の第２主面領域Ｓ２とが接続される。なお、空隙Ａ１の長さは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。
【００２５】
導電性基板５と枠体６とは、熱膨張率が異なり、導電性基板５の熱膨張率が枠体６の熱膨張率よりも大きいため、例えば光電変換素子３の発する熱によって、導電性基板５が熱膨張することがある。仮に、第１主面領域Ｓ１と第２主面領域Ｓ２の間に位置する導電性基板５の側面と、枠体６の内壁面とが接しているとすると、導電性基板５の熱膨張に起因して、導電性基板５が枠体６の内壁面に応力を加え、枠体６にクラックが発生することがある。本実施形態によれば、第１主面領域Ｓ１と第２主面領域Ｓ２の間に位置する導電性基板５の側面と、枠体６との間に空隙Ａ１を設けることで、導電性基板５が熱膨張を起こしても枠体６と当接しにくいため、枠体６にクラックが発生するのを抑制することができる。
【００２６】
また、枠体６の上部には、集光部材８を支持する支持部６ｃが形成されている。支持部６ｃは、枠体６の上面から枠体６の内壁面にかけて傾斜している。
【００２７】
集光部材８は、空間ＳＰを覆うように、枠体６の支持部６ｃに接続される。そして、空間ＳＰ内に位置する光電変換素子３は、導電性基板５、枠体６及び集光部材８にて囲まれることで気密封止される。また、集光部材８は、枠体６の支持部６ｃに対して、例えば半田、樹脂又はガラスを介して固着される。
【００２８】
集光部材８は、受光部材４を介して透過した光を集光し、集光した光を光電変換素子３に集中させる機能を備えている。なお、集光部材８は、例えばガラス、プラスチック又は透光性樹脂等からなる。
【００２９】
また、図５に示すように、枠体６の外部に位置する導電層７上には、外部と電気的に接続する端子９が形成されている。端子９は、光電変換素子３で発電した電力を外部に取り出すためのものである。なお、端子９は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト又はクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。
【００３０】
図６は、二つの光電変換装置２を電気的に接続した状態を示す、光電変換モジュール１の断面図である。図７は、集光部材を取り除いた複数の光電変換装置２が電気的に直列に接続された状態を示す、光電変換モジュール１の概観斜視図である。
【００３１】
光電変換装置２は、図６に示すように、ベース基板１０上に絶縁層１１を介して固定されている。絶縁層１１は、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱伝導性の優れた樹脂、或いはアルミナ又は窒化アルミ二ウム等のセラミック材料から成る。絶縁層１１は、光電変換素子３から導電性基板５に伝わる熱を放散させる機能を備えている。
【００３２】
ベース基板１０は、光電変換装置２に伝わる熱を外部に放熱する機能を備えている。光電変換装置２は、受光部材４を介して伝わる光のエネルギーの一部が、熱に変換されて、発熱する。そのため、ベース基板１０は、光電変換装置２と絶縁層１１を介して接続されており、光電変換装置２から伝わる熱を吸収して外部に放熱する。なお、ベース基板１０は、例えばアルミ二ウム、銅又はモリブデン等の放熱機能を備えた金属材料からなる。
【００３３】
また、導電性基板５、絶縁層１１及びベース基板１０には、平面視して枠体６で囲まれない領域に、螺子溝Ｈが形成されている。そして、螺子溝Ｈに、螺子１２挿入して、導電性基板５、絶縁層１１及びベース基板１０を固定する。なお、螺子１２は、絶縁性の部材であって、例えばプラスチック又は樹脂等から成る。そのため、螺子１２を介して、導電性基板５とベース基板１０が電気的に接続されることがなく、光電変換装置２にて発電した電気がベース基板１０に流れないように設計されている。
【００３４】
図７は、集光部材８を取り除いた光電変換装置２を、電気的に直列に接続した状態を示す複数の光電変換装置２の概観斜視図である。
【００３５】
図７に示すように、隣接する光電変換装置２同士の間において、一方の光電変換装置２の導電性基板５が他方の光電変換装置２の導電層７と端子９を介して電気的に接続されている。図７に示すように、光電変換装置２で発電した電気を隣接する光電変換装置２に流して、外部に電気を取り出すことができる。
【００３６】
図８は、集光部材８を取り除いた光電変換装置２を、電気的に並列に接続した状態を示す複数の光電変換装置２の概観斜視図である。
【００３７】
図８に示すように、光電変換装置２が複数個併設されており、隣接する光電変換装置２同士の間で、一方の光電変換装置２の導電性基板５と他方の光電変換装置２の導電性基板５が接続されている。図８に示すように、複数の光電変換装置２で発電した電気を、それぞれの光電変換装置２から直接外部に向かって取り出すことができる。
【００３８】
参考例によれば、光電変換素子３が導電性基板５上に直接接続されることで、光電変換素子３で発生する熱を導電性基板５に効率良く伝えることができ、光電変換素子３が高温
になるのを有効に抑制することができる。また、光電変換素子３が高温になりにくくすることができ、光電変換素子３の電気的特性が変化するのを効果的に抑制することができる。
【００３９】
なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
【００４０】
＜光電変換モジュールの製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換モジュール１及び図２に示す光電変換装置の製造方法を説明する。
【００４１】
まず、導電性基板５を準備する。導電性基板５は、導電性基板の鋳型に溶かした導電性金属を注入し、それを冷却して鋳型から取り出すことで作製することができる。
【００４２】
また、枠体６を準備する。枠体６が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して混合物を得る。
【００４３】
そして、枠体６の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の枠体６を取り出す。
【００４４】
また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。
【００４５】
そして、取り出した焼結前の第１枠体６ａの上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って端子９を接合するための導電層７を形成する。そして、第１枠体６ａ及び第２枠体６ｂを接合した状態で同時焼成することによって、枠体６を作製することができる。
【００４６】
次に、導電性基板５の第２主面領域Ｓ２上に枠体６をロウ材等により接合する。そして、枠体６で囲まれる導電性基板５上に光電変換素子３を実装する。そして、光電変換素子３の下面と導電性基板５の上面とを電気的に接続する。さらに、枠体６で囲まれる導電層７上から、光電変換素子３の上面に対して、例えばボンディングワイヤを接続する。
【００４７】
次に、枠体６の支持部６ｃに半田を介して集光部材８を固着する。このようにして、光電変換装置２を作製することができる。
【００４８】
次に、光電変換モジュール１の作製方法について説明する。まず、複数個の光電変換装置２と、ベース基板１０及び絶縁層１１を準備する。なお、光電変換装置２、ベース基板１０及び絶縁層１１には、螺子溝Ｈを、予め設けておく。
【００４９】
ここでは、二つの光電変換装置２の電気的に直列に接続する方法について説明する。一方の光電変換装置２の端子９と他方の光電変換装置２の導電性基板５とが隣り合うように、二つの光電変換装置２を配置する。また、ベース基板１０上に絶縁層１１を設ける。そして、隣り合う二つの光電変換装置２を絶縁層１１上に配置する。
【００５０】
次に、絶縁層１１上に配置した二つの光電変換装置２の螺子孔Ｈに対して、螺子１２を挿入し、光電変換装置２をベース基板１０及び絶縁層１１に対して螺子止めすることができる。
【００５１】
このようにして、光電変換装置２をベース基板１０に固定することができる。同様にして、複数個の光電変換装置２を、絶縁層１１を介してベース基板１０上に配置して固定する。そして、受光部材４を光電変換装置２上に設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。
【００５２】
＜本実施形態＞
上記参考例では、平面視して枠体６で囲まれない領域にまで導電性基板５の端部が延在されていたが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、導電性基板５の端部が、平面視して枠体６で囲まれる領域内に位置していてもよい。
【００５３】
導電性基板５の端部を平面視して枠体６で囲まれる領域内に設けることで、光電変換素子３から導電性基板５に伝わる熱を、枠体６にまで伝わりにくくすることができる。枠体６に光電変換素子３にて発生した熱を伝えにくくすることによって、枠体６から集光部材８に伝わる熱を低減することができる。仮に、枠体６から集光部材８に熱が多く伝わると、枠体６と集光部材８を接続する接続部材が溶けて、集光部材８の位置ずれが発生する虞がある。集光部材８の位置ずれが発生すると、集光部材８を進行する光が空間ＳＰを介して光電変換素子３に集まりにくくなる。その結果、光電変換素子３の発電特性が悪化することになる。一方、本実施形態によれば、導電性基板５の端部を平面視して枠体６で囲まれる領域内に設けることで、導電性基板５から枠体６に伝わる熱を低減することができ、ひいては光電変換素子３の電気特性を良好に維持することができる。
【００５４】
＜変形例１＞
上記実施形態では、導電性基板５の端部が、平面視して枠体６で囲まれる領域内に位置するようにしたが、図１１に示すように、導電性基板５の両側面の一部を第１枠体６ａの下面に沿って外方に向かって延在するようにしてもよい。
【００５５】
図１１に示す光電変換装置２は、導電性基板６の一主面側に、第２主面領域Ｓ２の外周を取り囲む第３主面領域Ｓ３が形成されており、第３主面領域Ｓ３と枠体６の下面との間には空隙Ａ２が設けられている。
【００５６】
図１１に示すように、導電性基板５の下面の面積を大きくするとともに、実施形態と同様に、導電性基板５と枠体６との両者が接する箇所を平面視して枠体６内にする。実施形態に示す光電変換装置２は、導電性基板５の下面の面積を大きくすることで、ベース基板上に固定する光電変換装置２の安定性を向上させることができる。また、実施形態と同様に、導電性基板５から枠体６に伝わる熱を低減することができる。
【００５７】
＜変形例３＞
上記変形例２では、導電性基板５の両側面の一部を第１枠体６ａの下面に沿って外方に向かって延在するようにしたが、図１２に示すように、導電性基板５の一方の側面の一部を第１枠体６ａの下面に沿って外方に向かって延在するようにしてもよい。
【００５８】
図１２に示す光電変換装置２は、導電性基板５の一方の側面の一部を第１枠体６ａの下面に沿って外方に向かって延在している。そして、導電性基板５の他方の側面の一部は、平面視して枠体６内に収まるように設定されている。
【００５９】
導電性基板５の一方の側面の一部を第１枠体６ａの下面に沿って外方に延在させることで、光電変換装置２中の電流の流れが、導電性基板５から光電変換素子３を介して端子９まで流れるのに、余分な電流が導電性基板５中に分散して流れにくくすることができる。つまり、導電性基板５の他方の側面の一部を延在して設けないことで、導電性基板５の他方の側面の一部に電流が流れず、導電性基板５中に電流が分散しないようにすることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  光電変換モジュール
２  光電変換装置
３  光電変換素子
４  受光部材
４ａ  フレーム部材
４ｂ  レンズ部材
５  導電性基板
６  枠体
６ａ  第１枠体
６ｂ  第２枠体
６ｃ  支持部
７  導電層
８  集光部材
９  端子
１０  ベース基板
１１  絶縁層
１２  螺子
Ｓ１  第１主面領域
Ｓ２  第２主面領域
ＳＰ  空間
Ａ１  空隙
Ｈ  螺子溝
【図１】
0005441576.tif 000002
【図２】
0005441576.tif 000003
【図３】
0005441576.tif 000004
【図４】
0005441576.tif 000005
【図５】
0005441576.tif 000006
【図６】
0005441576.tif 000007
【図７】
0005441576.tif 000008
【図８】
0005441576.tif 000009
【図９】
0005441576.tif 000010
【図１０】
0005441576.tif 000011
【図１１】
0005441576.tif 000012
【図１２】
0005441576.tif 000013