(57)【要約】  【課題】  放熱性の向上に寄与することが可能な光電変換装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  光電変換装置１であって、基板４と、基板４上に設けられた光電変換素子２と、基板４上に設けられた、光電変換素子２を取り囲むように配置されたヒートシンク６と、ヒートシンク６の上方に設けられた、外部からの光を受光して光電変換素子２に受光した光を集める集光部材３と、を備え、ヒートシンク６は、縦断面視して光電変換素子２を取り囲む空間が、下部から上部に向けて広がって形成されたことを特徴とする。【選択図】図１
2012222307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた光電変換素子と、
前記基板上に設けられた、前記光電変換素子を取り囲むように配置されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上方に設けられた、外部からの光を受光して前記光電変換素子に受光した光を集める集光部材と、を備え、
前記ヒートシンクは、縦断面視して前記光電変換素子を取り囲む空間が、下部から上部に向けて広がって形成され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、
前記ヒートシンクの上部は、前記ヒートシンクの内側が前記ヒートシンクの外側よりも高さ位置が低くなるように傾斜していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記基板の下面には、平面透視して前記光電変換素子および前記ヒートシンクと重なる領域に、第２ヒートシンクが設けられた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、
前記第２ヒートシンクのフィン間隔は、前記ヒートシンクのフィン間隔よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。
【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（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１１７７９５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、光電変換素子が必要以上に高温になると、光電変換効率が低下する虞があるため、光電変換装置の放熱性を向上させることが求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱性の向上に寄与することが可能な光電変換装置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】
本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板と、前記基板上に設けられた光電変換素子と、前記基板上に設けられた、前記光電変換素子を取り囲むように配置されたヒートシンクと、前記ヒートシンクの上方に設けられた、外部からの光を受光して前記光電変換素子に受光した光を集める集光部材と、を備え、前記ヒートシンクは、縦断面視して前記光電変換素子を取り囲む空間が、下部から上部に向けて広がって形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、放熱性の向上に寄与することが可能な光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係る光電変換装置全体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分解斜視図である。
【図３】本実施形態に係る光電変換装置の一部の斜視図である。
【図４】本実施形態に係る光電変換装置の平面図であって、光電変換素子と電極との配置関係を示している。
【図５】本実施形態に係る光電変換装置の平面図であって、光電変換素子とヒートシンクとの配置関係を示している。
【図６】本実施形態に係る光電変換装置の断面図であって、光電変換素子とヒートシンクとの配置関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる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である。
【０００９】
＜光電変換装置の概略構成＞
図１は、本実施形態に係る光電変換装置全体の概観斜視図と、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分解斜視図である。また、図３は、集光部材、ヒートシンクを取り除いた光電変換装置であって、光電変換装置の内部を示す概観斜視図である。また、図４は、集光部材、ヒートシンクを取り除いた光電変換装置の平面図であって、光電変換素子と電極との配置関係を示している。また、図５は、集光部材を取り除いた光電変換装置の平面図であって、光電変換素子とヒートシンクとの配置関係を示している。また、図６は、図５のＸ−Ｘ’に沿った断面図であって、光電変換素子とヒートシンクとの配置関係を示している。
【００１０】
本実施形態に係る光電変換装置１は、太陽光を電力に変換する装置である。また、本実施形態に係る光電変換装置１は、光を受光する光電変換素子２と、光を集光する集光部材３とを含んでいる。光電変換素子２は、例えば太陽光を受光して発電する機能を備えている。集光部材３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。
【００１１】
光電変換素子２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２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２の一辺は、平面視して例えば、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さである。また、光電変換素子２は、例えば、０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚みである。
【００１２】
集光部材３は、光を受光するレンズ部材３ａと、レンズ部材３ａを支持するフレーム部材３ｂとを含んで構成されている。なお、レンズ部材３ａは凸レンズの他、軽量化のため、フレネルレンズを用いることができる。フレーム部材３ｂは、レンズ部材３ａを取り囲むようにして、レンズ部材３ａを支持している。なお、集光部材３は、例えば、ガラス、プラスチックまたは透光性樹脂等の透光性材料からなる。
【００１３】
光電変換素子２は、基板４上に設けられている。基板４は、絶縁性の材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス等のセラミック材料、或いは、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、基板４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。
【００１４】
基板４の上面には、光電変換素子２の電極５が設けられている。電極５は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトまたはクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。電極５は、第１電極端子５ａと、第１電極端子５ａと間をあけた第２電極端子５ｂからなる。
【００１５】
第１電極端子５ａは、光電変換素子２の直下に設けられている。第１電極端子５ａは、光電変換素子２の直下から、平面方向に延在して、隣接する光電変換装置１の第２電極端子５ｂとして機能する。第２電極端子５ｂは、光電変換素子２の上面とボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。そして、光電変換素子２にて発生した電気は、第１電極端子５ａまたは第２電極端子５ｂを介して外部に取り出すことができる。このように
して、複数の光電変換装置１同士を電気的に接続することができる。
【００１６】
第１電極端子５ａは、図４に示すように、平面視して凸状の形状であって、平面視して矩形状の部分から平面方向に突出した部分に光電変換素子２が実装される。また、第２電極端子５ｂは、平面視して凹状の形状であって、平面視して矩形状の部分から両端部から突出した部分を有している。そして、第２電極端子５ｂは、平面視して矩形状の部分から突出した両部分が、第１電極端子５ａの突出した部分を間に挟むように形成されている。
【００１７】
ヒートシンク６は、基板４上に設けられ、複数のフィンとしての凸部６ａが間をあけて光電変換素子２を取り囲むように配置されている。ヒートシンク６は、集光部材３を介して集められた光をヒートシンク６にて反射して光電変換素子２に集める機能を備えている。ヒートシンク６は、基板４上に形成された電極５上に設けられている。ヒートシンク６は、平面透視して集光部材３と重なる位置に配置されている。そして、集光部材３が光を集光して、ヒートシンク６に効率よく光を照射することができる。なお、ヒートシンク６は、例えば、銅、アルミニウム、モリブデンまたはタングステン等の熱伝導率の優れた材料からなる。なお、ヒートシンク６の熱伝導率は、例えば、１７０Ｗ／ｍｋ以上４００Ｗ／ｍｋ以下に設定されている。また、ヒートシンク６の熱膨張率は、例えば、４．５×１０−６以上２４×１０−６以下に設定されている。
【００１８】
ヒートシンク６は、縦断面視して光電変換素子２を取り囲む空間が、下部から上部に向けて広がって形成されている。ヒートシンク６が、光電変換素子２を取り囲む空間が下部から上部に向けて広がるように形成されることで、集光部材３を介して照射される光を光電変換素子２に集めやすくすることができる。ヒートシンク６が、光を光電変換素子２に集めることで、光電変換素子２の光電変換効率を向上させることができる。また、ヒートシンク６が、光が熱に変わって光電変換素子２が高温になろうとすると、光電変換素子２から基板４または電極５を介してヒートシンク６に熱を伝え、ヒートシンク６から外部に向かって放熱することができ、光電変換素子２が必要以上に高温になるのを抑制することができる。
【００１９】
ヒートシンク６は、平面視して枠状の一部を取り除いた形状であって、取り除いた個所が対向するような一対の部材からなる。なお、ヒートシンク６は、平面視して枠状の一部を取り除いてないと仮定した場合は、一辺の長さが、例えば、６ｍｍ以上４０ｍｍ以下に設定されている。また、枠状の一部を取り除いた個所の長さは、例えば、３．５ｍｍ以上１７ｍｍ以下に設定されている。また、ヒートシンク６の下部から上部までの長さは、例えば、６ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。また、ヒートシンク６のフィン同士の間の間隔は、例えば、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。
【００２０】
また、ヒートシンク６の一対の部材の一方が、第１電極端子５ａ上に設けられ、ヒートシンク６の一対の部材の他方が、第２電極端子５ｂ上に設けられる。そして、ヒートシンク６の一対の部材の一方とヒートシンク６の一対の部材の他方とが間をあけて配置されることで、両者が電気的に絶縁した関係になる。そして、ヒートシンク６の一対の部材の一方とヒートシンク６の一対の部材の他方との間から、ヒートシンク６が発する熱を外部に逃がしやすくすることができ、光電変換素子２の温度が高温になるのを抑制することができる。
【００２１】
ヒートシンク６の上部は、ヒートシンク６の内側がヒートシンク６の外側よりも高さ位置が低くなるように傾斜している。このように、ヒートシンク６の上部が傾斜することで、集光部材３を介して集めた光をヒートシンク６の内側に集めることができ、さらには光電変換素子２に多くの光を集光することができる。なお、ヒートシンク６の上部の傾斜角度は、基板４の上面に対して、例えば、１０度以上２０度以下の角度に設定されている。
【００２２】
また、ヒートシンク６の上部は、ヒートシンク６の内側に位置する凸部６ａよりもヒートシンク６の外側に位置する凸部６ａの上部の傾斜角度が大きくなるように設定されている。ヒートシンク６の外側に位置する凸部６ａの上部の傾斜角度を大きくすることで、ヒートシンク６の内側に多くの光を集光することができる。
【００２３】
基板４の下面には、平面透視して光電変換素子２およびヒートシンク６と重なる領域に、第２ヒートシンク７が設けられている。第２ヒートシンク７は、基板４に対して、例えば、例えば、鉛、錫または銀等を含む半田、或いはエポキシ樹脂等の接合材８を介して接合されている。第２ヒートシンク７が、光電変換素子２およびヒートシンク６と重なる領域に設けられることで、光電変換素子２またはヒートシンク６が高温になろうとすると、基板４および接合材８を介して伝わる熱を、第２ヒートシンク７から外部に向かって下方から放散することができる。そして、光電変換素子２またはヒートシンク６が必要以上に高温になるのを抑制することができ、光電変換素子２の光電変換効率が低下するのを抑制することができる。また、ヒートシンク６が基板４との熱膨張率の違いにより、基板４から剥離するのを抑制することができる。
【００２４】
第２ヒートシンク７は、板体と、板体の主面に複数のフィンとしての第２凸部７ａを設けた形状である。第２ヒートシンク７は、基板４の下面に設けられ、複数の第２凸部７ａが間をあけて一方向に沿って並んで配置されている。第２ヒートシンク７は、平面透視して光電変換素子２と重なる位置に配置されている。そして、光電変換素子２の熱を効率よく基板４および接合材８を介して第２ヒートシンク７に伝えることができる。なお、第２ヒートシンク７は、例えば、ヒートシンク６と同様の材料から構成されている。また、第２ヒートシンク７は、平面視したときの板体の一辺の長さが、例えば、６ｍｍ以上４０ｍｍ以下に設定されている。また、また、第２ヒートシンク７の下部から上部までの長さは、例えば、５ｍｍ以上８０ｍｍ以下に設定されている。また、第２ヒートシンク７のフィン同士の間の間隔は、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。
【００２５】
第２ヒートシンク７のフィン間隔は、ヒートシンク６のフィン間隔よりも大きく設定されている。ヒートシンク６のフィン同士の間の間隔を第２ヒートシンク７のフィン同士の間の間隔よりも狭くすることで、集光部材３から集光された光が、ヒートシンク６のフィン同士の間に入り込むのを少なくし、光電変換素子２に集めやすくすることができる。その結果、光電変換素子２の光電変換効率を効果的に向上させることができる。さらに、集光部材３から光電変換素子２に進行する光は、光電変換素子２の受光面に多く照射されるため、光電変換素子２の周辺に余分な熱の発生を抑制することができ、基板４の放熱特性を良好に維持することができる。
【００２６】
本実施形態によれば、光電変換素子２を取り囲むように基板４の上面にヒートシンク６を設け、集光部材３を介して光電変換素子２に照射する光を集めるとともに、光電変換素子２が高温になるのを抑制することができ、光電変換素子２が必要以上に高温になって光電変換効率が低下するのを抑えることができ、さらに光電変換装置１の放熱性を向上させることができる。
【００２７】
また、基板４の下面にも第２ヒートシンク７を設け、基板４の上面および下面の温度が高温に成るのを抑制することができ、基板４が反るのを抑えることで、基板４から光電変換素子２が剥離しにくくすることができ、光電変換装置１の電気特性を良好に維持することができる。
【００２８】
また、光電変換素子２の周囲の温度をヒートシンクを介して外部に放熱することができ、基板４が必要以上に高温になるのを抑制することができ、光電変換素子２の電気特性が
大きく変化するのを抑制することができ、光電変換素子２の光起電力効果を向上させることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
＜光電変換装置の製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換装置１の製造方法を説明する。まず、ヒートシンク６および第２ヒートシンク７を準備する。ヒートシンク６および第２ヒートシンク７は、鋳型に放熱性の優れた材料を流しこみ、流した材料を固めて鋳型から取り出すことで作製することができる。ヒートシンク６および第２ヒートシンク７は、光電変換素子２から伝わる熱を吸収して外部に放熱しやすくするために、例えば、アルミニウム、銅またはモリブデン等の放熱機能を備えた金属材料からなる。
【００３１】
基板４は、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、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得る。そして、基板４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４を取り出す。
【００３２】
また、タングステンまた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、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、取り出した焼結前の基板４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メタライズ層を形成する。さらに、焼結前の基板４を焼成して、基板４を作製することができる。
【００３３】
また、電極５としての第１電極端子５ａおよび第２電極端子５ｂを準備する。金属板をパンチング加工することで、第１電極端子５ａおよび第２電極端子５ｂを準備することができる。そして、基板４のメタライズ層上に、第１電極端子５ａおよび第２電極端子５ｂをろう材を介して接続する。
【００３４】
次に、ヒートシンク６をろう材を介して電極５に接続し、さらに、基板４の第１電極端子５ａの上面に対して、光電変換素子２を実装する。さらに、光電変換素子２の上面から第２電極端子５ｂの上面に対して、ボンディングワイヤを介して両者を電気的に接続する。さらに、第２ヒートシンク７を接合材８を介して基板４の下面に接続する。
【００３５】
次に、集光部材３を準備する。集光部材３は、例えば、モールド成形技術によって作製することができる。具体的には、集光部材３の金型内に、ホウ珪酸ガラスを投入し、加熱、プレスして成形する。さらに、当該成形品を冷却して金型から成形品を取り出すことで、集光部材３を作製することができる。なお、集光部材３の金型を任意の形状に設定することで、所望の集光部材３を作製することができる。
【００３６】
そして、集光部材３をヒートシンク６上に配置し、光電変換素子２に対して位置決めすることで、光電変換装置１を作製することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  光電変換装置
２  光電変換素子
３  集光部材
３ａ  レンズ部材
３ｂ  フレーム部材
４  基板
５  電極
５ａ  第１電極端子
５ｂ  第２電極端子
６  ヒートシンク
６ａ  凸部
７  第２ヒートシンク
７ａ  第２凸部
８  接合材
【図１】
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【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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