(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面側に高さ位置が異なる第１主面及び第２主面が形成される基板と、
前記基板上に形成され、前記第１主面及び前記第２主面の両主面に跨って両主面の一部を取り囲む枠体と、
前記枠体内の前記第１主面上に形成される光電変換素子と、
前記第１主面上に形成され、前記光電変換素子の下面と電気的に接続される第１端子と、
前記第２主面上に形成され、前記光電変換素子の上面と電気的に接続される第２端子と、
前記枠体に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、
を備えた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、
前記枠体内に位置する前記第１主面の端部と、前記枠体内に位置する前記第２主面の端部とが、平面視して重なり合うことを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記第１端子及び前記第２端子は、前記枠体の内外にまで延在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４】
請求項３に記載の光電変換装置が複数個並列されており、隣接する光電変換装置同士の間で、第１光電変換装置の第１端子と第２光電変換装置の第２端子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。
【請求項５】
請求項４に記載の光電変換モジュールであって、
平面視して前記第１光電変換素子の第１端子と、前記第２光電変換素子の第２端子とが、導電性接続部材を介して接続され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、光電変換素子の小型化が求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置の小型化に寄与することが可能な光電変換装置、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、一主面側に高さ位置が異なる第１主面及び第２主面が形成される基板と、前記基板上に形成され、前記第１主面及び前記第２主面の両主面に跨って両主面の一部を取り囲む枠体と、前記枠体によって規定される空間内の前記第１主面上に形成される光電変換素子と、前記第１主面上に形成され、前記光電変換素子の下面と電気的に接続される第１端子と、前記第２主面上に形成され、前記光電変換素子の上面と電気的に接続される第２端子と、前記枠体に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、を備えたことを特徴とする。
【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、前記第１端子及び前記第２端子が、前記枠体の内外にまで延在されている光電変換装置が複数個並列されており、隣接する光電変換装置同士の間で、第１光電変換装置の第１端子と第２光電変換装置の第２端子とが接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、装置の小型化に寄与することが可能な光電変換装置、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】
【０００８】
【図１】本実施形態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】本実施形態に係る光電変換装置の断面図である。
【図３】本実施形態に係る光電変換装置の光電変換素子及び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同士の接続状態を示した断面図である。
【図５】図４に示すＡ部分の拡大断面図である。
【図６】一変形例に係る光電変換装置の集光部材を除いた断面図、及び平面図である。
【図７】図６に示す光電変換装置同士の接続状態を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
＜光電変換モジュールの概略構成＞
図１は、本実施形態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断面図である。また、図３は、光電変換素子及び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。
【００１１】
本実施形態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、本実施形態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。
【００１２】
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。
【００１３】
光電変換装置２は、図２に示すように、一主面側に高さ位置が異なる第１主面Ｓ１及び第２主面Ｓ２が形成された基板５と、基板５上に形成され、第１主面Ｓ１及び第２主面の両主面を跨って両主面の一部を取り囲む枠体６と、枠体６内の第１主面Ｓ１上に形成される光電変換素子３と、第１主面Ｓ１上に形成され、光電変換素子の下面と電気的に接続される第１端子７と、第２主面上に形成され、光電変換素子３の上面と電気的に接続される第２端子８と、枠体６に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９とを備えている。
【００１４】
基板５は、段差が形成されている。その段差の高さ位置が低い方の面に、第１主面Ｓ１が形成されている。また、段差の高さ位置が高い方の面に、第２主面Ｓ２が形成されている。基板５は、絶縁性の基板であって、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内に位置する第１主面Ｓ１の端部と、枠体６内に位置する第２主面Ｓ２の端部とが、平面視して重なり合うように設計されている。ここで、第１主面Ｓ１の端部と第２主面Ｓ２の端部が重なり合うとは、基板５に設けられている段差５を断面視したときに、第２主面Ｓ２と段差の側面とのなす角度が、８５度以上９５度以下である状態をいう。
【００１５】
基板５の第１主面Ｓ１上に形成される第１端子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。また、基板５の第２主面Ｓ２上に形成される第２端子８は、第１端子７と同様に、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。
【００１６】
また、光電変換素子３は、第１主面Ｓ１上に設けられ、第１端子７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、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、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、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の第１主面Ｓ１と対向する下面には、光電変換素子３の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第１端子７と電気的に接続されている。
【００１９】
また、光電変換素子３の上面に形成される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第２主面Ｓ２上に形成される第２端子８と電気的に接続される。
【００２０】
ここで、第１端子７は、正極として機能する。また、第２端子８は、負極として機能する。そして、光電変換素子３は、第１端子７と第２端子８と電気的に接続されており、第１端子７又は第２端子８を介して外部に電気を取り出すことができる。
【００２１】
枠体６は、第１主面Ｓ１及び第２主面Ｓ２の両主面の一部を取り囲むように、基板５上に形成される。そして、第１端子７は、枠体６の内部から枠体６の外部に向けて第１主面Ｓ１上に沿って延在されている。また、第２端子８は、枠体６の内部から枠体６の外部に向けて第２主面Ｓ２上に沿って延在されている。
【００２２】
枠体６は、絶縁性の基板であって、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。
【００２３】
また、枠体６の上部には、集光部材９を支持する支持部６ａが形成されている。支持部６ａ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。
【００２４】
集光部材９は、空間ＳＰを覆うように、枠体６の支持部６ａ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、基板５、枠体６及び集光部材９にて囲まれることで気密封止される。また、集光部材９は、枠体６の支持部６ａ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。
【００２５】
集光部材９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９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。
【００２６】
光電変換装置２は、ベース基板１０に接続部材１１を介して固定されている。
【００２７】
光電変換装置２は、平面視して枠体６で囲まれない領域には、第１端子７及び基板５を貫通する貫通孔Ｈ１と、第２端子８及び基板５を貫通する貫通孔Ｈ２が形成されている。かかる貫通孔Ｈ１及び貫通孔Ｈ２は、光電変換装置２とベース基板１０とを接続するための孔である。
【００２８】
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。
【００２９】
ベース基板１０には、螺子溝Ｈが形成されている。螺子溝Ｈは、光電変換装置２とベース基板１０とを重ね合わせたときに、光電変換装置２の貫通孔Ｈ１及び貫通孔Ｈ２と重なる領域に形成されている。そして、光電変換装置２とベース基板１０とを重ねた状態で、接続部材１１を介して固定される。
【００３０】
接続部材１１は、螺子として機能する。そして、接続部材１１は、貫通孔Ｈ１及び螺子溝Ｈに挿入して、貫通孔Ｈ１及び螺子溝Ｈと嵌合する。同様に、別の接続部材１１は、貫通孔Ｈ２及び螺子溝Ｈと嵌合する。なお、接続部材１１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、第１端子７及び第２端子８は、接続部材１１を介して、ベース基板１０と電気的に接続されることがなく、光電変換装置２にて蓄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。なお、接続部材１１は、貫通孔Ｈ１に対して挿入するものと、貫通孔Ｈ２に対して挿入するものとの長さが異なり、基板５の厚みに対応して設計されている。
【００３１】
図４又は図５は、光電変換装置２同士を接続した状態を示している。なお、図５は、図４のＡ部分を拡大した光電変換装置２同士の接続状態を示す断面図である。
【００３２】
光電変換装置２同士は、図４又は図５に示すように、導電性接続部材１２を介して接続される。導電性接続部材１２は、隣接する光電変換装置２同士の間において、一方の基板５の第１端子７上から、他方の基板５の第２端子８上まで形成されている。導電性接続部材１２は、導電性材料からなり、一方の基板５の第１端子７と他方の基板５の第２端子８とを電気的に接続する。なお、導電性接続部材１２は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金から成る。
【００３３】
導電性接続部材１２は、一方の基板５の第１主面Ｓ１上から、他方の基板５の第２主面Ｓ２が形成された端側面を介して、他方の基板５の第２主面Ｓ２上にまで延在される。その延在される導電性接続部材１２は、一方の光電変換装置２において逐電した電気を他方の光電変換装置２に伝達することができる。このようにして、光電変換装置２において逐電した電気を、隣接する光電変換装置２に送ることができる。そして、光電変換モジュール１は、複数個の直列した光電変換装置２を有しており、それぞれの光電変換装置２にて逐電した電気を光電変換モジュール１の端部から取り出すことができる。なお、導電性接続部材１２は、接続部材１１と直接接続されるものの、接続部材１１は絶縁性であるため、接続部材１１には電気が流れない。
【００３４】
本実施形態によれば、基板５に段差を設け、光電変換素子３と接続される第１端子７及び第２端子８の高さ位置を変えることで、第１端子７と第２端子８が直接接続されることがなく、光電変換素子３を実装する第１端子７上の面積を小さくすることができる。そして、枠体６で囲まれる領域を小さくすることができ、光電変換装置２を小型化することができる。
【００３５】
また、第２端子８が形成される基板５の第２主面Ｓ２の高さ位置を、光電変換素子３の上面の高さ位置よりも高い位置に設計することで、第１端子７と第２端子８の距離よりも、第２端子８と光電変換素子３の上面との距離を短くすることができる。そして、絶縁破壊による放電現象が、第２端子８から第１端子７に向けて起きようとしても、第２端子７と光電変換素子３との距離の方が短いため、第２端子８から光電変換素子３に向けて電気が流れやすく、放電現象が枠体６で囲まれる空間ＳＰ内で起きるのを抑制することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
＜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。
【００３８】
まず、基板５及び枠体６を準備する。基板５及び枠体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。
【００３９】
そして、基板５及び枠体６の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基板５及び枠体６を取り出す。
【００４０】
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。
【００４１】
そして、取り出した焼結前の基板５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第１端子７及び第２端子８を接合するためのメタライズ層を形成する。また、基板５と枠体６を接続したときに、両者の接する箇所であって、第１端子７及び第２端子８と離間する箇所に、メタライズ層を形成する。そして、基板５及び枠体６を焼成して、それぞれを個別に作製することができる。
【００４２】
次に、基板５の第１端子７及び第２端子８を接合するためのメタライズ層の上面に、それぞれ第１端子７、第２端子８をロウ材等により接合する。さらに、第１端子７及び代２端子８上に、枠体６をロウ材等により接合する。そして、接続された状態の基板５及び枠体６を作製することができる。
【００４３】
次に、基板５及び枠体６で囲まれる領域であって、第１端子７上に光電変換素子３を実装する。そして、第１端子７と光電変換素子３の下面とを電気的に接続する。また、枠体６で囲まれる領域の第２端子８から、光電変換素子３の上面に対して、ボンディングワイヤを介して電気的に接続する。そして、枠体６の支持部６ａに半田を介して集光部材９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。
【００４４】
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を準備する。なお、光電変換装置２及びベース基板１０には、貫通孔Ｈ１、貫通孔Ｈ２及び螺子溝Ｈを、予め設けておく。
【００４５】
ここでは、二つの光電変換装置２の接続方法について説明する。一方の光電変換装置２の第１端子７と他方の光電変換装置２の第２端子８とが隣り合うように、両者を配置する。そして、配置した二つの光電変換装置２をベース基板１０上に設ける。
【００４６】
次に、ベース基板１０上に配置した二つの光電変換装置２に対して、導電性接続部材１２を位置合わせする。導電性接続部材１２を、貫通孔Ｈ１、貫通孔Ｈ２及び螺子孔Ｈに対して位置決めした後、接続部材１１を介して配置した二つの光電変換装置２に接続する。その結果、二つの光電変換装置２をベース基板１０に対して固定することができる。
【００４７】
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をベース基板１０に配置して固定する。そして、受光部材４を配置した複数個の光電変換装置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。
【００４８】
＜変形例１＞
上記実施形態では、基板５に設けられる貫通孔Ｈ１、貫通孔Ｈ２を基板５に直接設けていたが、これに限られない。例えば、図６又は図７に示すように、貫通孔Ｈ１、貫通孔Ｈ２を設ける箇所を基板５から切り離して設けてもよい。
【００４９】
貫通孔Ｈ１及び貫通孔Ｈ２を設ける箇所を基板５から切り離し、基板５と別に、取付け部５ａ及び取付け部５ｂを設ける。
【００５０】
取付け部５ａ及び取付け部５ｂは、基板５と同様に、絶縁性の基板であって、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。
【００５１】
取付け部５ａには、接続部材１１を挿入する貫通孔Ｈ１が設けられている。また、取付け部５ｂにも接続部材１１を挿入する貫通孔Ｈ２が設けられている。なお、接続部材１１の長さは、取付け部５ａ又は取付け部５ｂの厚みに応じて、適宜適当なものを用いる。
【００５２】
また、取付け部５ａ上には、基板５の第１主面Ｓ１上から第１端子７ａが延在される。また、取付け部５ｂ上には、基板５の第２主面Ｓ２上から第２端子８ａが延在される。
【００５３】
取付け部５ａ、取付け部５ｂ及び接続部材１１を絶縁性の材料とすることで、第１端子７ａ又は第２端子８ａから電気がベース基板１０に流れないようにすることができる。
【００５４】
図５に示すように、変形例１に係る光電変換装置を複数個接続する場合、隣接する光電変換装置同士の間において、一方の取付け部５ａ上から他方の取付け部５ｂ上にかけて導電性接続部材１２を設けることで、一方の第１端７ａと他方の第２端子８ａを電気的に接続することができる。なお、導電性接続部材１２ａは、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金から成る。
【００５５】
ここで、隣接する光電変換装置同士の接続方法について説明する。
【００５６】
一方の基板５と取付け部５ａをベース基板１０上に位置決めし、他方の基板５と取付け部５ｂをベース基板１０上に位置決めする。同様に、導電性接続部材１２ａを一方の取付け部５ａから他方の取付け部５ｂ上に設ける。そして、接続部材１１を用いて、ベース基板１０上に取付け部５ａを介して第１端子７ａを固定することができる。同様に、接続部材１１を用いて、ベース基板１０上に取付け部５ｂを介して第２端子８ａを固定することができる。
【００５７】
接続部材１１を取付け部５ａ又は取付け部５ｂに対して固定する場合、接続部材１１から取付け部５ａ又は取付け部５ｂに応力が加わる。仮に、取付け部５ａ又は取付け部５ｂが、基板５に直接接続されていると、接続部材１１を介して取付け部５ａ又は取付け部５ｂに伝わる応力が、基板５に大きく伝わる。変形例１に係る光電変換装置は、取付け部５ａ及び取付け部５ｂを基板５から切り離して設けることで、接続部材１１から両取付け部に加わる応力が、基板５に伝わるのを低減することができる。その結果、接続部材１１から基板５に伝わる応力を緩和することで、基板５が変形するのを抑制することができ、しいては気密性の優れた光電変換装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００５８】
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  基板
６  枠体
６ａ  支持部
７  第１端子
８  第２端子
９  集光部材
１０  ベース基板
１１  接続部材
１２  導電性接続部材
Ｓ１  第１主面
Ｓ２  第２主面
ＳＰ  空間
Ｈ１  貫通孔
Ｈ２  貫通孔
Ｈ  螺子溝
【図１】
0005388754.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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