(57)【要約】【課題】  気密封止された集光型太陽電池モジュールを実現する。【解決手段】    導電パターンが形成されたセル搭載基板と、セル搭載基板に実装される導電性枠体と、前記導電性枠体内にマウントされた太陽電池セルと、前記導電性枠体上面の外周部に実装された集光部支持枠体と、前記集光部支持枠体内に挿置された集光部とから成る集光型太陽電池モジュールであって、前記導電性枠体と前記太陽電池セルはそれぞれ導電パターン上にマウントされ、導電性枠体の内側には底面から所定の高さに段部を有し、前記太陽電池セル上面の電極と前記導電性枠体の段部には金属箔リードが接合され、前記導電性枠体上面であって実装された集光部支持枠体の内側に透明基板が接合されて気密封止される。【選択図】図１
2014170910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電パターンが形成されたセル搭載基板と、セル搭載基板に実装される導電性枠体と、前記導電性枠体内にマウントされた太陽電池セルと、前記導電性枠体上面の外周部に実装された集光部支持枠体と、前記集光部支持枠体内に挿置された集光部とから成る集光型太陽電池モジュールであって、前記導電性枠体と前記太陽電池セルはそれぞれ導電パターン上にマウントされ、導電性枠体の内側には底面から所定の高さに段部を有し、前記太陽電池セル上面の電極と前記導電性枠体の段部には金属箔リードが接合され、前記導電性枠体上面であって実装された集光部支持枠体の内側に透明基板が接合されて気密封止されたことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の集光型太陽電池モジュールであって、
セル搭載基板は、上層基板と下層基板の積層基板であって、前記上層基板には太陽電池セルがマウントされる第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンを囲んで前記導電性枠体が実装される第２の導電パターンと、セル搭載基板の端に第３の導電パターンとが形成され、下層基板に形成された第４の導電パターンは、複数の導電性スルーホールを介して前記第１の導電パターンに接続され、複数の導電性スルーホールを介して前記第３の導電パターンに接続されたことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の集光型太陽電池モジュールであって、
導電性枠体の段部の高さと太陽電池セルの高さが同じになるように第１の導電パターンの厚さを調整したことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュールであって、
太陽電池セルには二つの電極が端辺に対面して形成され、前記金属箔リードは太陽電池セルの受光領域を開口したフレーム状であり、前記二つの電極とそれぞれに近接する２辺の段部に接続されていることを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュールであって、
セル搭載基板は上層基板と下層基板の積層基板であり、上層基板には太陽電池セルがマウントされる予定域が開口され、導電性枠体が実装される領域には前記第２の導電パターンとセル搭載基板の端に前記第３の導電パターンが形成され、下層基板に形成された第４の導電パターンは、複数の導電性スルーホールを介して前記第３の導電パターンに接続され、太陽電池セルがマウントされる前記開口域の前記第４の導電パターン上には導電性厚膜が形成されていることを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項６】
導電性枠体とセル搭載基板の接合と、透明基板の導電性枠体上面への気密接合と、金属箔リードの太陽電池セル電極への接続とが低温の焼結性金属ペーストにより接合されることを特徴とする集光型太陽電池モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は気密封止された集光型太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】  集光型太陽電池は太陽エネルギーを集光レンズで何百倍にも集光し小さな太陽電池セルから電力に変換するものである。太陽電池セルは光電変換効率の高い多接合化合物半導体が使用されており、５ｍｍ□乃至は１０ｍｍ□と言った小さな半導体チップである。設置面積を増やさずに大きなエネルギーを得る電力インフラとして期待が高まっている。【０００３】  太陽光発電は集光型太陽光発電に限らず、発電コストをいかに下げるかに注力されている。安価な材料を使用した構造や製造方法が数多く提案されてきた。一つの例示として、太陽電池セルを外気から保護することが必要であるが、多くの従来技術は樹脂封止を採用している（例えば特許文献１）。樹脂封止の半導体は室内で使う家電用途では長寿命が認められるが、集光型太陽光発電のような厳しい耐候性、特に熱衝撃がある場合には不十分である。通信インフラの基地局に使用される半導体素子の多くはＨｅリークレベルの気密が確保された外囲器、及び組立方法が使用されていること、太陽電池セルが太陽光発電装置のキーデバイスであることを考え合わせると、信頼性の面で多くの実績がある構造や組立方法を検討すべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】  特開２０１０−２０６１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  気密封止された高信頼な太陽電池モジュールを安価に製作する構造及び製造方法が必要となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は、導電性枠体が実装されたセル搭載基板と、前記導電性枠体内にマウントされた太陽電池セルと、前記導電性枠体上面の外周部に実装された集光部支持枠体と、前記集光部支持枠体内に挿置された集光部とから成る集光型太陽電池モジュールであって、前記導電性枠体の内側には底面から所定の高さに段部が形成され、前記太陽電池セル上面の電極と前記導電性枠体の段部には金属箔リードが接合され、前記導電性枠体上面であって集光部支持枠体の内側には透明基板が接合されて気密封止されたことを特徴とする（請求項１）。【００１０】  この構成及び構造とすることにより、不具合確率の高いワイヤボンディングを金属箔リードに代替したうえで、透明基板の接合により気密封止を為すことができる。【００１１】  上記構造を具体化ならしめるために、セル搭載基板は上層基板と下層基板の積層基板であって、前記上層基板には太陽電池セルがマウントされる第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンを囲んで前記導電性枠体が実装される第２の導電パターンと、セル搭載基板の端に第３の導電パターンとが形成され、下層基板に形成された第４の導電パターンは、複数の導電性スルーホールを介して前記第１の導電パターンに接続され、複数の導電性スルーホールを介して前記第３の導電パターンに接続されたことを特徴とする（請求項２）。【００１２】  太陽電池セルには二つの電極が端辺に対面して形成され、前記金属箔リードは太陽電池セルの受光領域を開口したフレーム状であり、前記二つの電極とそれぞれに近接する２辺の段部に接続されていることを特徴とする（請求項３）。【００１２】  この構造とすることにより、寸法な小さな金属箔リードの取り扱いが容易になり、集光型太陽電池モジュールを簡便に組み立てることができる。【００１２】  セル搭載基板は上層基板と下層基板の積層基板であり、上層基板には太陽電池セルがマウントされる予定域が開口され、導電性枠体が実装される領域には前記第２の導電パターンとセル搭載基板の端に前記第３の導電パターンが形成され、下層基板に形成された第４の導電パターンは、複数の導電性スルーホールを介して前記第３の導電パターンに接続され、太陽電池セルがマウントされる前記開口域の前記第４の導電パターン上には導電性厚膜が形成されていることを特徴とする（請求項４）。【００１２】  本発明の構造を製作するに当たって、導電性枠体とセル搭載基板の接合と、透明基板の導電性枠体上面への気密接合と、金属箔リードの太陽電池セル電極への接続とが低温の焼結性金属ペーストにより接合されることを特徴とする（請求項５）。【００１２】  焼結性金属ペーストの一例としてのＡｇナノペーストは低温で焼結し下地に接合させることができる。異なる材質の熱膨張係数の違いで発生する残留応力を低減することができ、安価な材料の組み合わせを選択することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】  以上記載したように、従来技術では達成し得ない高い信頼性を確保した集光型太陽電池モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】  本発明の実施形態に係る集光型太陽電池モジュールの断面図を示す。
【図２】  本発明の実施形態に係る集光型太陽電池モジュールの主な部品構成を示す。
【図３ａ】  集光型太陽電池モジュールと金属箔リードを示す。
【図３ｂ】  集光型太陽電池モジュールに金属箔リードを接合した外観図を示す。
【図４】  セル搭載基板の構成を示す外観図である。
【図５】  本発明の別の実施形態に係る集光型太陽電池モジュール断面図を示す。
【図６】  本発明の集光型太陽電池モジュールを４個直列に動作させるモジュールの外観図である。
【図７】  本発明の集光型太陽電池モジュールを４個並列に動作させるモジュールの外観図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】  以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に集光型太陽電池モジュール１の断面図を示す。セル搭載基板（図２の１７）は上層基板７と下層基板８の積層基板であり、上層基板の上面に形成された第２の導電パターン１０に導電性枠体４がマウントされる。導電性枠体４の内側には所定の高さに段部５が形成される。太陽電池セル２は上層基板７に形成された第１の導電パターン１２にマウントされ、太陽電池セルの電極と段部５との接続は金属箔リード６により為される。導電性枠体４の上面には、その内周部側には透明基板３がマウントされ、導電性枠体４と接合されて気密封止される。導電性枠体４の外周部側には集光部支持枠体１５がマウントされ、集光部１６がそこに挿置される。
【００１６】  段部の高さと太陽電池セルの高さは同じであることが望ましい。しかし太陽電池セルの厚さは１００μｍ程度であり、マウントされた太陽電池セルの高さと同じ程度にすると導電性枠体が非常に薄くなり、平坦性や強度が確保できない恐れが出てくる。これを避けるために第１の導電パターンを厚く形成するのが好ましい。強度と厚さは導電性枠体の材質とも関係するので材質に応じて第１の導電パターンの厚さを設計すべきである。
【００１６】  図２には集光部（図１の１６）を除いて構成部品の形で示してある。太陽電池セル（図１の２）は図２では金属箔リードが取り付けられた形で示してある。図３ａに金属箔リード６と太陽電池セル２を個別に示しており、それらを接合したものを図３ｂに示す。金属箔リード６は太陽電池セル２の受光部を開口したフレーム状としている。こうすることにより金属箔リードの取り扱いが簡便になるからである。図２には金属箔リードを取り付けた太陽電池セル１６を構成部品の形で示した。
【００１７】  図２に示すセル搭載基板１７は上層基板と下層基板の積層基板であり、それぞれの導電パターンを図４に示す。上層基板７には、太陽電池セルがマウントされる予定域に第１の導電パターン１２を形成し、複数の導電性スルーホール１３が形成される。第１の導電パターン１２を囲むように第２の導電パターン１０が形成され、導電性枠体（図２の４）がマウントされる。また下層基板８には第４の導電パターン９が形成され、上層基板７と下層基板８を張り合わせると複数の導電性スルーホール１３は第４の導電パターン９に電気的に接続される。上層基板７の端には第３の導電パターン１１が形成され、複数の導電性スルーホール１４により第４の導電パターン９に電気的に接続される。導電パターン１１は集光型太陽電池モジュールの取り出し電極になる。もう一方の取り出し電極２１も図示してある。
【００１８】  図５に本発明に係る別の実施形態を示す。図１に示す上層基板７に、太陽電池セル２がマウントされる予定域を開口し導電性厚膜２２を形成したものである。図１に示す構造及び以下に記載する組立方法が適用できるようにしたものである。導電性厚膜は上層基板の厚さと同じにするのが良い。Ｃｕの厚めっき、導電性樹脂などが使用できる。
【００１９】  以下、本発明構造の組立及び材質について説明する。
【００１９】  本発明の構造（図１）は、概ね図２に示す構成の通りに各部品を接合していくことで組み立てることができる。接合において、機械的強度を確保する、気密性を確保する、可能な限り抵抗成分を減少させる必要がある部品の接合には低温の焼結性金属ペーストを使用する。低温の焼結性金属ペーストとは、金属ナノ粒子を有機膜で修飾し溶媒に分散させたもの、サブミクロン金属粒子を溶媒に分散させたもの、金属フレークに金属ナノ粒子を溶媒に混合分散したものである。金属粒子は銀が汎用的に使用されており、焼結温度は１３０℃から３００℃であり、３００℃以下であることが本発明構造における材料の選択肢を広げるため好適である。以下ではＡｇナノペースト（示差熱−熱重量同時測定において約２００℃で発熱ピークがみられるもの）を使用した例について説明する。
【００１９】  セル搭載基板１７に導電性枠体４を接合する。この接合ではＨｅリークレベルの気密性を確保することを目標としている。図４にセル搭載基板の構成を示したが、基板材料にはガラス、セラミック系（アルミナ、窒化ケイ素など）、多結晶ＳｉＣ、樹脂（エポキシ、ポリイミドなど）などが使用できる。Ｈｅリークレベルの気密性確保にとって好ましいのは無機基板である。導電性スルーホールや導電パターンを形成した多層基板はＬＴＣＣ基板、ＨＴＣＣ基板として広く使用されており好適である。しかし集光型太陽電池は１０００倍近くの集光も想定されているので、熱衝撃も過酷なものとなる。スルホールを無数に形成した多層基板が持たないことも考えられる。この場合には強度のある窒化ケイ素系セラミックを上層基板と下層基板に使用して貼り合わせるのが良い。導電性枠体としては熱膨張係数がガラス、セラミック系に近いコバール、４２アロイ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏなどの導電体が使用できる。しかしＡｇナノペーストは低温接合が可能なので、熱膨張係数の大きなＣｕ材を使用することも可能である。また硬度があり、かつ機械的強度のある樹脂やセラミックであれば金属皮膜を形成して導電性枠体とすることができる。この場合、金属性被膜は導電性枠体の全面に形成しなければならない。なお導電パターン、導電性枠体の表面はＡｕ膜、あるいはＡｇ膜にしておくのが良い。２００℃、１０ＭＰａ程度の加圧下で接合することで緻密な接合層が形成されＨｅリークレベルの気密性を確保することができる。
【００２０】  次に太陽電池セルをセル搭載基板にマウントするが、図３ａに示すように予め太陽電池セルの電極２０と金属箔リード６の接合を行っておくのが良い。太陽電池セルの電極には比抵抗の小さなＡｇ電極が通常使用されている。金属箔リードは厚さが２０μｍから５０μｍ程度のＣｕ箔を使用し、Ｃｕ箔の接合領域にＡｇナノペーストを印刷し太陽電池セルの電極に位置合せを行って加圧下、２００℃で熱処理する。加圧は１ＭＰａ以下で良好な接合強度が得られる。加圧を設計したうえで太陽電池セルへの荷重を軽減したい場合には、Ａｇナノペーストをバンプ状に複数形成すれば良い。Ｃｕ箔には最終仕上げとしてＡｕめっきを行うとより接合し易い。
【００２０】  図２に示すように金属箔リード付太陽電池セル１８をセル搭載基板にマウントし、金属箔リードは導電性枠体の段部５に接合する。マウント及び金属箔リードの接合を同時に行うにはＡｇナノペーストを使用するのが好適である。ペーストの成形性、柔軟性を利用して寸法誤差を吸収できる。太陽電池セルのマウントは無加圧でもボイドの無い接合層が得られるが、金属箔リードは段部に密着しないため荷重をかけて接合するのが良い。他の方法として金属箔リードの接合に超音波接合を使用することもできる。また太陽電池セルのマウントに導電性樹脂を使用しても良い。
【００２０】  透明基板３と導電性枠体４の接合はＨｅリークレベルの気密性を確保することを目標とする。透明基板としては予めガラス基板にシール状のＡｇ厚膜印刷（図２の３ｓ）を行ったものを、Ａｇナノペーストで金属枠体４に接合させる。接合条件は２００℃、１０ＭＰａ程度が良い。気密性の水準を落としても良い場合には、安価な材料として透明樹脂基板を選択することができる。
【００２０】  図１に示す集光部支持枠体１５は中に挿置する集光部１６の形状により幅、高さが決められる。これは導電性枠体のサイズにも影響する。集光部支持枠体としては樹脂成形したもの、アルミナセラミックの成形体などが使用できる。集光部の集光部支持枠体への固定には樹脂を使用するのが簡便であるが、これに拘らない。
【００２０】  図６、図７には本発明による構造及び組立方法を使用した集光型太陽電池モジュールの応用例を示した。図６は４個直列に配置し、図７は４個並列に配置したものである。なお集光部は除いて外観図を示した。
【符号の説明】
【００２４】１    集光型太陽電池モジュール
２    太陽電池セル
３    透明基板
３ｓ  シール状金属膜
４    金属枠体
５    段部
６    金属箔リード
７    上層基板
８    下層基板
９、１０、１１、１２  導電パターン
１３、１４  導電性スルーホール
１５  集光部支持フレーム
１６  集光部
１７  セル搭載基板
１８  金属箔リード付太陽電池セル
１９  開口部
２０  電極
２１  取り出し電極
２２  導電性厚膜
２３  取り出しリード
２４  導電パターン
【図１】
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【図２】
2014170910.tif 000004
【図３ａ】
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【図３ｂ】
2014170910.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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