(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型材料から成る薄膜のｐ型熱電変換素子とｎ型材料から成る薄膜のｎ型熱電変換素子とが直接若しくは金属材料を介し接続された熱電変換ユニットを二次元的に単数あるいは複数配列させた熱電変換ユニット単体あるいはその集合体両面に、熱伝導率の異なる材料で構成された基板がそれぞれ設けられ、一方の基板側を高温側にかつ他方の基板側を低温側に配置して成る熱電変換モジュールにおいて、
上記各基板が、熱伝導率の低い材料で構成されかつ熱電変換ユニット単体あるいはその集合体の表面を被覆する低熱伝導部と、熱伝導率の高い材料で構成されかつ上記低熱伝導部の厚さ方向に沿って設けられた貫通孔若しくは凹部内に埋め込まれると共にその一端側がｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子の上記接続部位若しくはその近傍部位に接続または近接され他端側が低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部とで構成され、かつ、低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部の表面が熱伝導率の高い材料で構成される温度接触部に接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
熱伝導率の高い材料が金属であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
上記熱電変換ユニット単体あるいはその集合体が電気絶縁層を介して複数積層され、かつ、最外側に位置する一対の熱電変換ユニット単体あるいはその集合体の外面に上記基板がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
一方の基板における高熱伝導部表面が接続される温度接触部が高温側若しくは低温側に配置され、他方の基板における温度接触部が大気側に熱的に接した状態で配置される熱電変換モジュールにおいて、
上記基板における高熱伝導部の熱伝導度（κc）並びに断面積（Ｓc）と、上記基板における低熱伝導部の熱伝導度（κa）並びに断面積（Ｓa）とが、
１．２κa×Ｓa ≧ κc×Ｓc      （式１）
の関係を有し、かつ
０．８κa×Ｓa ≦ κc×Ｓc      （式２）
の関係を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
上記温度接触部の表面が、略黒色の酸化物膜あるいは熱伝導率の高い材料で被覆されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
低温側に配置される基板の上記温度接触部の表面が、粗面化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
低温側に配置される基板の上記温度接触部の表面に、放熱板が付加されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
上記基板における熱伝導率の低い材料が樹脂あるいはガラスであり、かつ、上記基板の熱電変換ユニット単体あるいはその集合体面から表面までの厚さが７５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
太陽電池の裏面側に請求項１〜８のいずれかに記載の熱電変換モジュールを接着させ、太陽電池と外気との温度差で発電させることを特徴とする発電装置。
【請求項１０】
太陽電池と熱電変換モジュールの接着に用いる接着剤の熱伝導率を（Ｗ／ｍＫ）、接着剤の厚みを（ｄ）としたとき、（Ｗ／ｍＫ）／（ｄ）の比が１０００以上であることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
上記熱電変換モジュールにおける太陽電池と接触していない面側の基板表面が、低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部に接続された各温度接触部により被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【請求項１２】
上記太陽電池が、アモルファス系Ｓｉ太陽電池であることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【請求項１３】
上記熱電変換モジュールにおける太陽電池と接触している面側の温度が、太陽電池と接触していない面側の温度より低くなったとき、電気の正負を切り替えるスイッチが熱電変換モジュールの回路中に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換モジュールとこの熱電変換モジュールを太陽電池に接続した発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化が進行し、天候不順や海水上昇等々の問題が現実的に深刻化してきた現在、温暖化ガスである二酸化炭素を排出しないエネルギー源として太陽電池の重要性は、日本だけでなく、欧州、米国でも認識され、家庭や事業所への導入が盛んになってきている。導入されている太陽電池の７割は、Ｓｉ系の太陽電池であり、そのほとんどは結晶系（単結晶あるいは多結晶系）である。
【０００３】
真夏の昼間、地球に降り注ぐ太陽エネルギーは１０００Ｗ／ｍ２程度であり、これらの太陽電池の最適条件下での平均的な発電量は１５０Ｗ／ｍ２程度である。つまり、変換効率は１５％程度である。しかし、現実的には、住んでいる場所の緯度、家の向き、障害物の存在の有無、季節の差、天候の良し悪し等に強く依存し、１５％という値は年間を通して実現されるものではない。
【０００４】
平均的な家庭での必要発電量は４ｋＷ程度であろうが、平均的な家庭が太陽電池を導入しようとする場合、２６ｍ２程度が必要となる。実効的な効率を考えると、４０ｍ２程度が必要であろう。そのような屋根面積の確保はそう容易なものではない。従って、面積をできるだけ小さくするには、少しでも変換効率の高い太陽電池ユニットが必要とされる。
【０００５】
また、真夏の昼間、太陽電池にとって最も発電量の多い時間帯では、太陽電池の温度は８０℃以上になる。結晶シリコン系太陽電池は８０℃まで温度が上がると、室温における変換効率より２０〜３０％も落ちる（図１参照）。効率が落ちることを補償しようとすると、屋根に載せる太陽電池の面積を大きくしなければならなくなり、高価になるだけでなく、屋根の上でその面積の確保も容易でないというのが現実である。太陽電池の実効的な効率がアップできれば、必要とされる屋根上の太陽電池面積も小さくてすみ、コスト低減にもつながる。これらの理由から、安価で発電効率の高い太陽電池が望まれる。
【０００６】
真夏の晴天の正午頃、太陽電池自体が８０℃近くなることを逆に利用し、熱電変換素子を裏面に貼付して発電しようというアイデアは過去にもあった（特許文献１、２参照）が、ビジネスとしては実現されていない。その理由は、できるだけ多く発電させるために、従来の熱電変換素子は、高温側と低温側との間ができるだけ断熱的になるような構造をとっていたことによる。そのため、従来の熱電変換素子を仮に太陽電池に接着すると、太陽電池の温度が更に上昇し、これに起因して太陽電池自体からの発電量が減るため、熱電変換素子を接着して発電量を補助しても意味が無いと考えられていたことが大きく影響していた。
【０００７】
更に、従来の熱電変換素子が作りにくいため、小さい面積での素子しか作られなかったこと、そのため、大きな太陽電池の裏に上記素子を接着する工程の複雑さも理由として挙げられる。
【０００８】
また、熱電変換素子があまりに高価であるという事情もある。これは、従来のゼーベック効果を利用した熱電変換素子の構造上、ｐ型とｎ型の素子を“π”の字状に結合して下基板に垂直に立てる構造とし、ｎ型−ｐ型−ｎ型−ｐ型というように直列につなぐ必要があり、更に、一般的に使用される熱電材料がＢｉ−Ｔｅ系であり、この材料がもろい材質の上、半田での接合が難しいという事情のため、ほとんど手作りでしか作られないためということが理由に挙げられる。
【０００９】
そのため、低価格であることが必須である太陽電池基板の裏面に使用するのは現実的ではなく、実際に商品としては市場に現れていなかった。
【００１０】
このような技術的背景の下、特許文献３と非特許文献１には、効率良く発電を行えるとする熱電変換素子が提案されている。すなわち、この熱電変換素子は、ｐ型材料から成る薄膜のｐ型熱電変換素子とｎ型材料から成る薄膜のｎ型熱電変換素子とが直列接続となるように成膜され、かつ、その両側に電極を成膜して熱電変換ユニットを構成すると共に、この熱電変換ユニットの両面に、熱伝導率の異なる２種類の材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板を設けたもので、熱電変換ユニット側に、熱伝導率の低い絶縁体であるポリイミド樹脂等の材料にて皮膜を設け、熱電変換ユニットの接合面と反対側に、熱伝導率の高い、銅等の金属材料が上記フィルム状基板の外面の一部分に位置するように設けられたものである。
【００１１】
このような構成を採用することにより、上記フィルム状基板の上下面に温度差を加えたときの各層の熱流束の違いからフィルム状基板内部に温度差を生じさせ、フィルム状基板の厚さ方向の温度勾配をフィルム状基板の面内方向の温度勾配に効率よく変換させ、この温度勾配を利用して、熱電変換ユニットで効率良く発電を行おうとするものであった。そして、特許文献３と非特許文献１に記載の発明は、機械的強度が高く、加工性に優れ、自動化が容易で大量生産が可能であり、更に、フレキシブルであることを生かし曲面等への設置も可能であるため設置場所が制限されない発電効率の高い熱電変換素子を提供することを目的としていた。
【００１２】
具体的には、マスクを利用し、樹脂シート上に素子構造を制御しながらスパッタリング法によりｐ型、ｎ型の熱電材料をそれぞれ成膜して熱電変換素子部を形成し、かつ、熱電変換素子部上に別の樹脂シートを貼り付けることで熱電変換素子をサンドイッチする。次に、この接着した樹脂シートの両外側面上でかつｐ型、ｎ型の熱電変換素子の接合部に相当する部位に、銅等の熱伝導の良い金属により、上記接合部と同等サイズで同形のパターンを形成する。
【００１３】
実際には、銅（図２中、material-Bと示す）が片面に塗布あるいは貼付されたポリイミドシート（図２中、material-Aと示す）を利用してその裏面に熱電変換素子（図２中、TE materialと示す）を形成し、もう１枚のポリイミドシートの銅が付いていない裏面側を上記熱電変換素子上に接着し、かつ、貼り合わせシートの両表面にある銅薄膜をエッチングして所望のパターンを切る。この構造体の断面を図２に示す。この銅部が、高温部、低温部に接触することになる。そこからの熱伝導で、樹脂シート面に平行な熱電変換素子内に温度差がついて発電するというものであった。
【００１４】
しかし、この方法では、高温側、低温側の温度接触部（以下、温度接触部と称する）からの熱伝導が樹脂内での熱拡散による熱伝導のみのため、熱電変換素子への熱伝導性が低く、熱電変換素子内での温度勾配が付きにくいことから発電量が小さくなってしまうということが課題となっていた。
【特許文献１】特開２００１−５３３２２号公報
【特許文献２】特開２００３−６９０７０号公報
【特許文献３】特開２００６−１８６２５５号公報
【非特許文献１】ＮＥＤＯ平成１８年度研究助成事業成果報告会  産業技術研究助成事業「エネルギー・環境技術」プロジェクトID：03B70010c＝「低温廃熱利用のためのシート状フレキシブル熱電変換素子の研究開発」の発表資料
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、特許文献３と非特許文献１で提案された熱電変換素子において課題となっていた、高温側、低温側の温度接触部からの熱伝導が樹脂内での熱拡散による熱伝導のみであることに起因した熱電変換素子への熱伝導性の低さ、熱電変換素子内での温度勾配が付きにくいことによる発電量が小さいという課題を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
そこで、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが接続された熱電変換ユニットを二次元的に単数あるいは複数配列させ、かつ、その両側に電極を形成して熱電変換ユニット単体あるいはその集合体を構成すると共に、この熱電変換ユニット単体あるいはその集合体両面に熱伝導率の異なる材料で構成された上記基板が設けられた熱電変換モジュールについて本発明者が鋭意検討を行ったところ、熱電変換モジュールの一方の面側における上記基板の熱伝導率の高い材料が、熱伝導率の低い材料内を貫通若しくは略貫通してｐ型熱電変換素子の上記接続部位若しくは近傍部位に接続または近接され、他方の面側における上記基板の熱伝導率の高い材料が、熱伝導率の低い材料内を貫通若しくは略貫通してｎ型熱電変換素子の上記接続部位若しくは近傍部位に接続または近接され、かつ、上記熱伝導率の高い材料の各表面側が、熱伝導率の高い材料で構成される温度接触部に接続させる構造を採ることで、高温部、低温部の温度が効率よく熱電変換ユニット（熱電素子部）に伝わるようになり、これにより熱電変換モジュール内に大きな温度差が実現されることを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見により完成されている。
【００１７】
すなわち、請求項１に係る発明は、
ｐ型材料から成る薄膜のｐ型熱電変換素子とｎ型材料から成る薄膜のｎ型熱電変換素子とが直接若しくは金属材料を介し接続された熱電変換ユニットを二次元的に単数あるいは複数配列させた熱電変換ユニット単体あるいはその集合体両面に、熱伝導率の異なる材料で構成された基板がそれぞれ設けられ、一方の基板側を高温側にかつ他方の基板側を低温側に配置して成る熱電変換モジュールを前提とし、
上記各基板が、熱伝導率の低い材料で構成されかつ熱電変換ユニット単体あるいはその集合体の表面を被覆する低熱伝導部と、熱伝導率の高い材料で構成されかつ上記低熱伝導部の厚さ方向に沿って設けられた貫通孔若しくは凹部内に埋め込まれると共にその一端側がｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子の上記接続部位若しくはその近傍部位に接続または近接され他端側が低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部とで構成され、かつ、低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部の表面が熱伝導率の高い材料で構成される温度接触部に接続されていることを特徴とする。
【００１８】
次に、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る熱電変換モジュールを前提とし、
熱伝導率の高い材料が金属であることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の発明に係る熱電変換モジュールを前提とし、
上記熱電変換ユニット単体あるいはその集合体が電気絶縁層を介して複数積層され、かつ、最外側に位置する一対の熱電変換ユニット単体あるいはその集合体の外面に上記基板がそれぞれ設けられていることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
一方の基板における高熱伝導部表面が接続される温度接触部が高温側若しくは低温側に配置され、他方の基板における温度接触部が大気側に熱的に接した状態で配置される請求項１〜３のいずれかに記載の発明に係る熱電変換モジュールを前提とし、
上記基板における高熱伝導部の熱伝導度（κc）並びに断面積（Ｓc）と、上記基板における低熱伝導部の熱伝導度（κa）並びに断面積（Ｓa）とが、
１．２κa×Ｓa ≧ κc×Ｓc      （式１）
の関係を有し、かつ
０．８κa×Ｓa ≦ κc×Ｓc      （式２）
の関係を有していることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項５に係る発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の発明に係る熱電変換モジュールを前提とし、
上記温度接触部の表面が、略黒色の酸化物膜あるいは熱伝導率の高い材料で被覆されていることを特徴とし、
請求項６に係る発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の発明に係る熱電変換モジュールを前提とし、
低温側に配置される基板の上記温度接触部の表面が、粗面化されていることを特徴とし、
請求項７に係る発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の発明に係る熱電変換モジュールを前提とし、
低温側に配置される基板の上記温度接触部の表面に、放熱板が付加されていることを特徴とし、
請求項８に係る発明は、
請求項１〜７のいずれかに記載の発明に係る熱電変換モジュールを前提とし、
上記基板における熱伝導率の低い材料が樹脂あるいはガラスであり、かつ、上記基板の熱電変換ユニット単体あるいはその集合体面から表面までの厚さが７５μｍ以上であることを特徴とするものである。
【００２０】
次に、請求項９に係る発明は、
発電装置を前提とし、
太陽電池の裏面側に請求項１〜８のいずれかに記載の熱電変換モジュールを接着させ、太陽電池と外気との温度差で発電させることを特徴とし、
請求項１０に係る発明は、
請求項９に記載の発明に係る発電装置を前提とし、
太陽電池と熱電変換モジュールの接着に用いる接着剤の熱伝導率を（Ｗ／ｍＫ）、接着剤の厚みを（ｄ）としたとき、（Ｗ／ｍＫ）／（ｄ）の比が１０００以上であることを特徴とし、
請求項１１に係る発明は、
請求項９に記載の発明に係る発電装置を前提とし、
上記熱電変換モジュールにおける太陽電池と接触していない面側の基板表面が、低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部に接続された各温度接触部により被覆されていることを特徴とし、
請求項１２に係る発明は、
請求項９に記載の発明に係る発電装置を前提とし、
上記太陽電池が、アモルファス系Ｓｉ太陽電池であることを特徴とし、
また、請求項１３に係る発明は、
請求項９に記載の発明に係る発電装置を前提とし、
上記熱電変換モジュールにおける太陽電池と接触している面側の温度が、太陽電池と接触していない面側の温度より低くなったとき、電気の正負を切り替えるスイッチが熱電変換モジュールの回路中に設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る熱電変換モジュールによれば、
ｐ型材料から成る薄膜のｐ型熱電変換素子とｎ型材料から成る薄膜のｎ型熱電変換素子とが直接若しくは金属材料を介し接続された熱電変換ユニットを二次元的に単数あるいは複数配列させた熱電変換ユニット単体あるいはその集合体両面に、熱伝導率の異なる材料で構成された基板がそれぞれ設けられ、一方の基板側を高温側にかつ他方の基板側を低温側に配置して成る熱電変換モジュールにおいて、
上記各基板が、熱伝導率の低い材料で構成されかつ熱電変換ユニット単体あるいはその集合体の表面を被覆する低熱伝導部と、熱伝導率の高い材料で構成されかつ上記低熱伝導部の厚さ方向に沿って設けられた貫通孔若しくは凹部内に埋め込まれると共にその一端側がｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子の上記接続部位若しくはその近傍部位に接続または近接され他端側が低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部とで構成され、かつ、低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部の表面が熱伝導率の高い材料で構成される温度接触部に接続される構造を有している。
【００２２】
このため、高温部、低温部の温度が、各温度接触部と各基板を介して効率よく熱電変換ユニット（熱電素子部）に伝わるようになり、これにより熱電変換モジュール内に大きな温度差が実現されることになることから発電量を増加、改善させることが可能となる。
【００２３】
また、本発明に係る熱電変換モジュールを太陽電池の裏面側に接着させることにより、太陽電池における発電効率の補助を行うことができ、太陽電池の実効的な発電効率を上げることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
まず、本発明に係る熱電変換モジュールは、図３に示すようにｐ型材料から成る薄膜のｐ型熱電変換素子とｎ型材料から成る薄膜のｎ型熱電変換素子とが接続された熱電変換ユニット１０の両面に、熱伝導率の異なる材料で構成された薄膜の基板２０、３０がそれぞれ設けられ、一方の基板側を高温側にかつ他方の基板側を低温側に配置して成る熱電変換モジュールであって、上記各基板２０、３０が、熱伝導率の低い材料で構成されかつ熱電変換ユニット１０表面を被覆する低熱伝導部２１、３１と、熱伝導率の高い材料で構成されかつ上記低熱伝導部２１、３１の厚さ方向に沿って設けられた貫通孔若しくは凹部内に埋め込まれると共にその一端側がｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子の上記接続部位若しくはその近傍部位に接続または近接され他端側が低熱伝導部２１、３１表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部２２、３２とで構成され、かつ、低熱伝導部２１、３１表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部２２、３２の表面が熱伝導率の高い材料で構成される温度接触部４０、５０に接続されていることを特徴としている。
【００２６】
そして、本発明に係る熱電変換モジュールの符号２０で示す基板側を高温側に、符号３０で示す基板側を低温側にそれぞれ配置した場合、高温の温度接触部４０における熱（温度）が高熱伝導部２２を介しｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子（熱電素子部）に伝わり、また、ｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子（熱電素子部）からの熱（温度）も高熱伝導部３２を介し低温の温度接触部５０に効率よく伝わるため、熱電変換モジュール内に大きな温度差を実現させることが可能となる。
【００２７】
１．熱電変換モジュールの構成
（ａ）熱電変換材料
熱電変換材料としては、高性能を有するＩｒＳｂ３、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ等のカルコゲン系化合物の他、熱電特性は低いが資源的に豊富なＦｅＳｉ２、ＳｉＧｅ等の珪化物が挙げられる。また、Ｓｉ半導体中のキャリアー濃度を１０２４(１／ｍ３)程度になるようにＰ、Ｂ、Ａｌ等種々の添加元素の単独または複合添加とその添加量を調整することにより、ゼーベック係数が極めて大きく、熱電変換効率を著しく高めたＳｉ基熱電変換材料も利用することができる。その他、公知のいずれの材質も採用可能である。Ｓｉに、Ｇｅ、Ｃ、Ｓｎのうち少なくとも１種を５〜１０原子％、Ｓｉをｐ型半導体またはｎ型半導体となすための添加元素のうち少なくとも１種を０．００１原子％〜２０原子％含有し、多結晶Ｓｉの粒界部に上記Ｇｅ、Ｃ、Ｓｎの１種以上あるいは更に添加元素の１種以上が析出した結晶組織を有するＳｉ基熱電変換材料等のＳｉ基熱電変換材料は熱電変換効率が著しく高いため好ましい。
（ｂ）熱伝導率の高い材料
上記基板の高熱伝導部や温度接触部を構成する熱伝導率の高い材料は金属等であることが好ましく、具体的には、銅、アルミニウム、その他、熱伝導度の高い金属、合金、セラミックス等が挙げられる。また、低温側に配置される基板と高温側に配置される基板の高熱伝導部については、両方とも同一の材料で構成してもよいし異なる材料を用いて構成してもよく任意である。
（ｃ）温度接触部
上記温度接触部の表面は、略黒色の酸化物膜あるいは熱伝導率の高い材料で被覆されていることが好ましい。上記材料としては、銅の酸化物、熱伝導度が高く対環境性の高い樹脂材料等が挙げられ、これにより、高温部、低温部の温度に追随しやすくなり、熱電変換モジュール内部での温度勾配が大きくなり、大発電が可能となり好ましい。
【００２８】
また、本発明の熱電変換モジュールにおいては、低温側に配置される基板の上記温度接触部（低温側温度接触部）の表面を粗面化することが好ましい。低温側温度接触部の表面を粗面化するには、砂吹き付け若しくはやすり等で傷つけることを行なえばよく、表面の粗さについては、実効的な表面積が見かけ上の面積の２倍あるいはそれ以上となるように粗くなっていれば効果が大きく、これにより熱伝達係数が２倍以上となるため有効である。
【００２９】
また、本発明の熱電変換モジュールにおいては、低温側温度接触部の表面に放熱板を付加した構成を採ることも可能である。このような構成を採ることにより、実効的な表面積を、見かけ上（単に寸法から見られる）表面積の２倍以上にすることが可能で、大きな熱伝達係数（２０Ｗ／ｍ２Ｋ以上）を得ることが可能となり、高温部と低温部の大きな温度差が得られ、発電量が大きくなる。
【００３０】
図４は、裏面側に熱電変換モジュールが接着された太陽電池における総発電量の樹脂厚依存性をシミュレーションした結果を示すグラフ図である。すなわち、低熱伝導部を構成する熱伝導率の低い材料として熱伝導度０．２Ｗ／ｍＫのポリイミド樹脂が適用された熱電変換モジュールを太陽電池の裏面に接着した場合、太陽電池の裏面温度を８０℃、大気温を３０℃としたとき、低熱伝導部を構成する上記ポリイミド樹脂の樹脂厚（μｍ）と太陽電池における総発電量との関係を示したものである。尚、上記樹脂厚は熱電変換ユニット単体あるいはその集合体面から低熱伝導部（基板）表面までの距離である。
（ｄ）熱伝導率の低い材料
上記基板の低熱伝導部を構成する熱伝導率の低い材料としては、ポリイミド、発砲スチロール等の樹脂あるいはガラスが挙げられる。そして、基板の熱電変換ユニット単体あるいはその集合体面から表面までの厚さが７５μｍ以上であると、図４に示されるように発電量が現実的な３０Ｗ／ｍ２以上となり好ましいことがわかる。上記基板の熱電変換ユニット単体あるいはその集合体面から表面までの厚さが７５μｍ未満であると、太陽電池の発電量をサポートするためという現実的要望値からは小さくなってしまう場合がある。太陽電池の補助としては、３０Ｗ／ｍ２以上の発電量が望まれるため（発電効率で示すと３％に対応する）、これを確保するため７５μｍ以上が好ましい。尚、低温側に配置される基板と高温側に配置される基板の低熱伝導部についても、両方とも同一の材料で構成してもよいし異なる材料を用いて構成してもよく任意である。
【００３１】
また、上記低熱伝導部を構成する材料は電気的に絶縁材料であり、熱伝導率のできるだけ低い材料が望ましく、目的によってポリイミド、発砲スチロール等の樹脂材料あるいはガラス材料を使い分けることができる。この低熱伝導部は、熱伝導率が低い方が望ましく、また、低熱伝導部の膜厚は、厚い方が熱電変換素子間の温度差が大きくなるので望ましい。
【００３２】
そして、断熱性が高い従来の立体型熱電変換素子を太陽電池の裏面側に接着した場合、上述したように太陽電池の温度が上昇する危険性があったが、１００μｍ程度の樹脂による低熱伝導部の断熱性はさほど問題にならない。尚、低熱伝導部があまり厚くなると太陽電池自体の温度上昇が問題になる可能性がある。但し、低熱伝導部が数ｍｍでは温度上昇の影響はさほどない。
【００３３】
２．熱電変換モジュールの製造
本発明に係る熱電変換モジュールは、上述したようにｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが直接若しくは金属材料を介し接続された熱電変換ユニットを二次元的に単数あるいは複数配列させた熱電変換ユニット単体あるいはその集合体両面に、低熱伝導部と高熱伝導部とで構成される基板がそれぞれ設けられた構造を有している。
【００３４】
例えば、上記低熱伝導部を構成する厚さ５００μｍのポリイミド樹脂シートの一方の面に、図５（Ａ）に示すようなｐ型用マスクを固定し、この状態でスパッタリング装置内に配置し、図５（Ｂ）に示すように例えばｐ型材料を１μｍ厚程度成膜する。
【００３５】
その後、図６（Ａ）に示すようなｎ型マスクを固定し、ｐ型材料と同じ膜厚となるようにｎ型材料を成膜し、薄膜のｐ型熱電変換素子１１と薄膜のｎ型熱電変換素子１２とが接続された図７（Ｂ）に示す熱電変換ユニット１０を二次元的に複数配列させた熱電変換ユニット集合体（図７Ａ参照）が得られる。
【００３６】
更に、図７（Ａ）に示すように、熱電変換ユニット１０が複数直列に配列された列ごとに電極１３、１４を付け、その上に他方側の低熱伝導部を構成する膜厚５００μｍ程度のポリイミド樹脂シートを接着して熱電変換ユニット集合体を挟持する。
【００３７】
次に、図８（Ｂ）に示すように、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２の接続部位（１．４ｍｍ×２．８ｍｍ）若しくはその近傍部位１５を狙って、高温側に対応する側から、直径０．５ｍｍの穴の開いたマスクを介しエキシマレーザを１２．５秒照射して、直径約０．５ｍｍで上記接続部位若しくはその近傍部位が見えるところまで貫通孔を開けると共に、その貫通孔に熱伝導性の良い接着剤を付加して、図８（Ａ）に示すように、例えば、直径０．５ｍｍ×０．５ｍｍ長の熱伝導性の高い銅材６０（高熱伝導部２２を構成する）を埋め込む。
【００３８】
同様に、低温側に対応する接続部位（高温側と反対面）若しくはその近傍部位に、直径０．５ｍｍの穴の開いたマスクを介しエキシマレーザを１２．５秒照射して、直径０．５ｍｍで接続部位若しくはその近傍部位が見える位置まで貫通孔を開ける。尚、１２．５秒以上の長時間照射をすると、熱電素子部も貫通される可能性があるが、１２．５秒で止めた場合、熱電素子部はほぼ残っていることが確認されている。その後、直径０．５ｍｍの銅材６０表面に熱伝導性を有する接着剤を塗り、上記貫通孔内に埋め込んで高熱伝導部とする。尚、銅材６０を埋め込んで高熱伝導部を構成した場合、高熱伝導部による熱電素子部との電気的な接合はできないこともあるが、熱的な接触さえ取れていれば問題はない。従って、銅材が埋め込まれる貫通孔は、熱電素子部側が閉止されその反対の表面側が開放された凹部で構成してもよく、銅材等で構成される高熱伝導部の一端側はｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子（熱電素子部）の接続部位若しくはその近傍部位１５に接続または近接されていればよい。尚、図８（Ｃ）は、断面矩形状の高熱伝導部２２、３２の一端側が、ｐ型熱電変換素子１１またはｎ型熱電変換素子（熱電素子部）１２の接続部位若しくはその近傍部位１５に接続または近接された状態を示す概念図である。
【００３９】
更に、基板における低熱伝導部２１の熱電変換ユニット１０の位置に対応する部位に膜が形成できるようなマスクを介して、図９に示すように高温側の温度接触部（例えば、Ｃｕを用い、膜厚約１０μｍ厚）４０をスパッタリングにより形成し、かつ、反対側の低熱伝導部３１にも低温側の温度接触部（放熱用薄膜と称する場合がある）を形成して図９に示す熱電変換モジュールが得られる。
【００４０】
尚、熱電変換ユニット１０内のｐ型熱電変換素子１１またはｎ型熱電変換素子１２の接続部位若しくはその近傍部位１５に熱的接触している高熱伝導部２２、３２の接触サイズと、高温側の温度接触部４０、低温側の温度接触部５０の断面サイズとは必ずしも一致しなくとも良い。特に、低温側温度接触部５０の断面サイズ（例えば大気との温度接触部の面積）は、ほぼ熱電変換ユニット１０全面に広がるほうが良い。これは、低温側の放熱が十分になされた方が、熱電変換素子内での発電が大きいからである。図１１のグラフ図は、放熱度との関係をシミュレーションした結果を示している。ここで、放熱係数というのは、低温側に配置される温度接触部の（低温部の面積）×（凸凹度）×（熱伝導度）という積に対応する量である。従って、面積は大きい方が良い。しかし、隣接する熱電変換ユニットまで温度接触部が広がると電気的に接触してしまうので、熱電変換ユニット毎に放熱のための熱伝導性の良い金属等で覆い、低温側の温度接触部と熱的に連結させることが良い。また、できるだけ放熱しやすいように、低温側の温度接触部の表面を凸凹にしたほうが良い。表面積を稼ぐため、立体構造にして放熱フィンを付ける方がより温度差が付きやすく、発電量が大きくなり効果的である。
【００４１】
また、本発明に係る熱電変換モジュールにおいては、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２から成る熱電変換ユニットが二次元的に単数あるいは複数配列された熱電変換ユニット単体あるいはその集合体を図１７に示すように電気絶縁層７０を介し複数積層させた構造にしてもよい。
【００４２】
３．基板における「高熱伝導部の断面積」と「低熱伝導部の断面積」の最適条件
一方の基板における高熱伝導部８１表面が接続される温度接触部８０が高温側若しくは低温側に配置され、他方の基板における温度接触部８０が大気側に熱的に接した状態で配置される本発明に係る熱電変換モジュールにおいて、
その発電量が最大となる熱流の条件は、
上記基板における高熱伝導部８１の熱伝導度（κc）並びに断面積（Ｓc）と、上記基板における低熱伝導部８２の熱伝導度（κa）並びに断面積（Ｓa）とが、
１．２κa×Ｓa ≧ κc×Ｓc      （式１）
の関係を有し、かつ
０．８κa×Ｓa ≦ κc×Ｓc      （式２）
の関係を有する場合である。
【００４３】
以下、熱電変換モジュール（但し、簡略化のため熱電変換ユニット集合体でなしに熱電変換ユニット単体を想定）内における熱流が図１２に示す熱流と仮定して説明する。
【００４４】
ここで、各記号の意味は以下の通りである。
【００４５】
Ｓ0：熱電変換ユニット（熱電素子８３）一つあたりの基板における断面積＝Ｓa＋Ｓc
Ｓc：熱電変換ユニット（熱電素子）一つあたりの基板における高熱伝導部の断面積
Ｓa：熱電変換ユニット（熱電素子）一つあたりの基板における低熱伝導部の断面積
Ｓt：熱電変換ユニット（熱電素子）一つあたりの断面積
ｄ：「低熱伝導部」の厚さ
Ｌ：熱電変換ユニット（熱電素子）の長さ
κc：高熱伝導部の熱伝導度
κa：低熱伝導材料の熱伝導度
κt：熱電変換ユニット（熱電素子）の熱伝導度
α：Ｔ5（大気）からの放熱係数
Ｐｆ：熱電変換ユニット（熱電素子）のパワーファクター＝ＳＢ２／（ρｎ＋ρｐ）
ρｎ＋ρｐ：ｎ型材料、ｐ型材料の電気伝導度
ＳＢ：ゼーベック係数
Ｑ0：熱電変換ユニット（熱電素子）一つあたりに太陽光から照射されるエネルギー
（１ｍ2では１０００Ｗ）、
また、これは、
Ｑ0＝α・Ｓ0・（Ｔ5−Ｔ4）：低温側の面から放出されるエネルギーにも等しい。
【００４６】
ここで、図１２に示す熱流（Ｑ）と上記定義との間に以下の関係式が成立する。
【００４７】
Ｑ1＝κc×Ｓc×（Ｔ1−Ｔ2）×２／ｄ
Ｑ2＝κa×Ｓa×（Ｔ1−Ｔ4）／ｄ
Ｑ3＝κa×Ｓc×（Ｔ1−Ｔ3）×２／ｄ
Ｑ4＝κa×Ｓc×（Ｔ2−Ｔ4）×２／ｄ
Ｑ5＝κc×Ｓc×（Ｔ3−Ｔ4）×２／ｄ
Ｑ6＝κt×Ｓt×（Ｔ2−Ｔ3）／Ｌ
また、上記熱流の間に、熱流連続の関係より以下の関係式が成立する。
【００４８】
Ｑ0＝Ｑ1＋Ｑ2＋Ｑ3
Ｑ1＝Ｑ4＋Ｑ6
Ｑ5＝Ｑ3＋Ｑ6
熱流連続の関係より求められたこれ等３式と、上記Ｑ0＝α・Ｓ0・（Ｔ5−Ｔ4）の合計４式を連立させると、４変数である各温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4を自動的に求めることができる。但し、Ｔ5は大気温度で、例えば３０℃というように固定した値である。
【００４９】
これらの関係式から求められた温度差（Ｔ2−Ｔ3）を用いれば、熱電変換ユニット（熱電素子）の発電量が求められる。
【００５０】
すなわち、熱電変換ユニット（熱電素子）一つあたりの発電量Ｐｗは、
Ｐｗ＝Ｐｆ×（Ｔ2−Ｔ3）２×Ｓt／Ｌ
の最大となる条件を求めればよい。
【００５１】
定性的には、発電量を決定する温度差ΔＴ＝｜Ｔ２−Ｔ３｜を大きくするには温度Ｔ１、温度Ｔ４の温度差を大きくする必要がある。
【００５２】
そのためには、低熱伝導材部の熱伝導度を出来るだけ小さくし、低熱伝導材部を厚くし、高温部、低温部に熱的に接続する高熱伝導部の熱伝導度を上げることが重要である。
【００５３】
高熱伝導部を太くすると、Ｔ1とＴ4の温度差が小さくなり、結局、Ｔ2とＴ3の温度差が小さくなる。また、高熱伝導部の断面積を小さくすると、Ｔ1、Ｔ4の温度差は大きくなるが、Ｔ2とＴ3の温度差は小さくなる。
【００５４】
このため、熱電変換モジュールの発電量を最大とする適正値が存在することがわかる。
【００５５】
上記結果、発電量Ｐｗが最大値となるのは、「κa×Ｓa」の値と「κc×Ｓc」の値が略等しい条件が満たされる付近であることがわかる。
【００５６】
最大の発電量の８割以上が確保される範囲を発電量の好ましい範囲として条件を求めると、
１．２κa×Ｓa ≧ κc×Ｓc      （式１）
と、
０．８κa×Ｓa ≦ κc×Ｓc      （式２）
の間が好ましい範囲であることが求められる。
【００５７】
４．発電装置
本発明に係る発電装置は、上記熱電変換モジュールが太陽電池の裏面側に接着され、太陽電池と外気温等との温度差で発電することを特徴とするものである。
【００５８】
このような構成にすることにより、太陽電池裏面と外気温の温度差を利用して発電させることができ、これによって太陽電池の温度上昇に起因した発電効率の低下を改善することができる。
【００５９】
ところで、本発明に係る発電装置においては、太陽電池と熱電変換モジュールとの接着に用いる接着剤の熱伝導率と接着剤の厚みが発電効率に関係し、接着剤の熱伝導率を（Ｗ／ｍＫ）、接着剤の厚みを（ｄ）としたとき、（Ｗ／ｍＫ）／（ｄ）の比が１０００以上であることが好ましい。０．1（Ｗ／ｍＫ）程度の低熱電度材料である樹脂内を流れる熱は、その厚みが１ｍｍ程度のとき、０．１／１０−３＝１００程度となる。太陽電池との接着部で熱抵抗となってはいけないので、上記樹脂の熱流と較べて接着部内の熱流は１０倍以上、すなわち、（Ｗ／ｍＫ）／（ｄ）の比が１０００以上あることが望ましい。
【００６０】
また、熱電変換モジュールにおける太陽電池と接触していない面側の各熱電変換ユニットの基板表面については、低熱伝導部表面の貫通孔若しくは凹部から露出する高熱伝導部に接続された各温度接触部により被覆されていることが好ましい。
【００６１】
ここで、本発明に係る熱電変換モジュールが接着される太陽電池の種類は特に限定されず、例えば、アモルファス系Ｓｉ太陽電池が挙げられる。アモルファス系Ｓｉ太陽電池は、結晶系Ｓｉ太陽電池と較べると太陽光の吸収係数が大きいためＳｉの膜厚は１μｍ以下で済む。また、アモルファス系Ｓｉを樹脂の上に成膜できることもありフレキシブルな太陽電池も作れる。但し、発電効率は低く、平均８％程度であるため、屋根の上に載せるタイプでは、４ｋＷを実現するには大面積が必要となり、安価でも使用範囲は限られている。しかし、アモルファス系Ｓｉ太陽電池は、結晶系Ｓｉ太陽電池と異なり、温度が上昇しても発電効率が落ちないという特色がある。従って、厚めの樹脂等で構成される基板により挟んだ本発明に係る熱電変換モジュールを、太陽電池の裏面に接着したタイプではより高効率の発電が実現できる。そして、どんなタイプの太陽電池に対しても、太陽電池自身の発電とは独立に本発明に係る熱電変換モジュールにより発電を付加できるので、どんなタイプの太陽電池にも本発明に係る熱電変換モジュールを利用することができる。
【００６２】
次に、本発明に係る発電装置においては、熱電変換モジュールにおける太陽電池と接触している面側の温度が、太陽電池と接触していない面側の温度より低くなったとき、電気の正負を切り替えるスイッチが熱電変換モジュールの回路中に設けられていることが好ましい。上記スイッチを設ける理由は、太陽電池と接触している面側の温度が必ずしも高温部になるとは限らず、外気温あるいは太陽電池の設置の仕方によっては低温部となり、逆電圧を発生することがあるからである。この場合、スイッチで正負を切り替える構造にしておけば、太陽のない夜でも発電が可能となる。従って、電気の正負を自動的に切り替えることのできるスイッチを回路中に設けておくことが好ましい。尚、本明細書においては、特に必要の無い限り、太陽電池の裏面との接着部側が高温部として説明している。
【００６３】
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
【実施例１】
【００６４】
厚さ５００μｍのポリイミド樹脂シートの一方の面に、図５（Ａ）に示すようなｐ型用マスクを固定し、この状態でスパッタリング装置内に配置し、ｐ型材料である鉄を１μｍ厚で図５（Ｂ）に示すパターン形状に成膜した。
【００６５】
次に、図６（Ａ）に示すようなｎ型マスクを固定し、ｐ型材料と同じ膜厚となるようにｎ型材料であるＮｉを図６（Ｂ）に示すパターン形状に成膜して、鉄から成る薄膜のｐ型熱電変換素子１１とＮｉから成る薄膜のｎ型熱電変換素子１２とが直接接続された熱電変換ユニット１０を、二次元的に横７列かつ縦８列に配列させた熱電変換ユニット集合体（図７Ａ参照）を得た。
【００６６】
更に、図７（Ａ）に示すように熱電変換ユニット１０が横７列に直列にされた列ごとに電極１３、１４を付け、３ｃｍ×３ｃｍの中に、全体で計１００個の熱電変換ユニット（熱電素子）を形成した後、その上に厚さ５００μｍ程度のポリイミド樹脂シートを接着して熱電変換ユニット集合体を挟持させた。
【００６７】
次に、図８（Ｂ）に示すように、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２の接続部位（１．４ｍｍ×２．８ｍｍ）を狙って、高温側に対応する側から直径０．５ｍｍの穴の開いたマスクを介しエキシマレーザをあてて、直径約０．５ｍｍで上記接続部位が見えるところまで貫通孔を開けると共に、その貫通孔に熱伝導性の良い接着剤（XILENCE社製  silver tim）を付加して、図８（Ａ）に示すように、直径０．５ｍｍ×０．５ｍｍ長の熱伝導性の高い銅材６０（高熱伝導部２２を構成する）を埋め込んだ。
【００６８】
同様に、低温側に対応する接続部位（高温側と反対面）に、直径０．５ｍｍの穴の開いたマスクを介しエキシマレーザをあてて、直径０．５ｍｍで接続部位が見える位置まで貫通孔を開けた。
【００６９】
尚、上記エキシマレーザの照射条件は以下の通りである。
【００７０】
エキシマレーザー：Exitech社製  エキシマレーザ加工機  PS2000
使用波長：２４８（ｎｍ）
使用した光学系：１０倍レンズ
発信周波数＝１００ Ｈｚ
エネルギー密度＝２ Ｊ／ｃｍ２となるように、約１ｃｍ×５ｃｍに広げた。
【００７１】
孔径：直径０．５ｍｍ
また、上記条件でポリイミド樹脂シートへの１照射（１００Ｈｚ）あたりの貫通孔の深さを計測したところ０．４μｍであり、厚さ５００μｍのポリイミド樹脂シートの場合、１２５０回の照射で十分であることが確認されたので１回１２．５秒照射することにした。
【００７２】
その後、図８（Ａ）に示すように直径０．５ｍｍ×０．５ｍｍ長の銅材６０表面に熱伝導性を有する接着剤（XILENCE社製  silver tim）を塗り、上記貫通孔内に埋め込んで高熱伝導部とした。尚、銅材６０を埋め込んで高熱伝導部を形成する作業において、上記接続部位の確認は厳密にはわかりにくいので、接続部位と高熱伝導部とは略接触（熱的接触）していればよい。
【００７３】
更に、低熱伝導部２１の熱電変換ユニット１０の位置に対応する部位に膜が形成できるようなマスクを介して、図９に示すように高温側の温度接触部（Ｃｕを用い、膜厚約１０μｍ厚）４０をスパッタリングにより形成し、かつ、反対側の低熱伝導部３１にも低温側の温度接触部（放熱用薄膜）を形成して図９に示す熱電変換モジュールを得た。
【００７４】
そして、得られた熱電変換モジュールの一方の表面を、市販の太陽電池（ダイワ太陽電池Ｌ型：単結晶Ｓｉ使用。１１０ｍｍ×６０ｍｍ）の裏側に、上記接着剤（XILENCE社製  silver tim）を用いて接着した。
【００７５】
夏の晴天時の正午頃、太陽電池を太陽の方向に向け、略１時間経過後、太陽電池の裏面の熱電変換モジュールの近傍の温度を計測したところ８３℃を示し、外気温は２８℃であった。そして、熱電変換モジュールの表面は６８℃であることから、熱電変換モジュールの高温側と低温側の温度差は１５℃（＝８３℃−６８℃）であると判断できる。
【００７６】
このとき、太陽電池の発電量は１．４Ｖ×４２０ｍＡ＝０．５９Ｗであった。これを１ｍ２での変換効率に換算すると８．９％である。一方、熱電変換モジュールからの電力は４５ｍＶ×３ｍＡ＝１３５μＷであった。
【００７７】
今回は、Ｆｅ−Ｎｉ系の熱伝導度が大きい材料で試したので電力は低かったが、同条件でＢｉ−Ｔｅ系を使用すると仮定すると２０Ｗ／ｍ２の電力となり、太陽電池の実効的な変換効率に換算すると２％となる。従って、太陽電池の効率をかなりの割合でカバーできることが確認される。
【実施例２】
【００７８】
実施例１と略同様にして熱電変換モジュールを作製した。尚、実施例１で用いたマスクを変更することにより、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子の配置について図１０に示すような高温部同士と低温部同士が隣り合うような構造配置とした。この構造配置の方が高温部と低温部のコントラストが作りやすい。
【００７９】
そして、この熱電変換モジュールを上記接着剤（XILENCE社製  silver tim）を用いてアモルファスシリコン樹脂製太陽電池（三洋製  ＡＴ-７６６５：５６ｍｍ×５８ｍｍ）の裏側に接着し、かつ、実施例１と同様の条件で測定を行なった。
【００８０】
樹脂製太陽電池の温度は略８０℃付近であった。熱電変換モジュールの温度は測れなかったが、熱電変換モジュールからの発電量は１５０μＷであった。アモルファスシリコン樹脂製太陽電池自体が半透明なため、実施例１よりも温度差がつきやすいと思われる。
【００８１】
このとき、太陽電池自体からの発電量は４Ｖ×１０ｍＡ＝４×１０−２Ｗであった。
【００８２】
これを１ｍ２の時の発電量に換算すると、１２．３Ｗ／ｍ２（変換効率では約１．２３％）となる。熱電変換素子の材料としてＢｉ−Ｔｅ系を用いると仮定し、ゼーベック係数、熱伝導度等を利用して計算すると発電量は２０Ｗ／ｍ２となり、アモルファスＳｉ樹脂製太陽電池よりも発電量が大きくなることが確認される。
【実施例３】
【００８３】
図１３（Ａ）に示すように片面に銅箔９０（膜厚８μｍ）が貼られたポリイミドシート９１（厚さ３８μｍ）の上記銅箔９０をエッチング処理して、図１３（Ｂ）に示すように帯状の熱電極９２を形成した。尚、これ等熱電極９２の形成部位は、以下に述べる熱電変換ユニット（熱電素子）の低温部、高温部の位置にそれぞれ対応するように設けられている。また、図１３（Ｂ）に示すように、上側に図示したポリイミドシート９１の片面には３本の帯状の熱電極９２が設けられ、下側に図示したポリイミドシート９１の片面には２本の帯状の熱電極９２がそれぞれ設けられており、これ等２枚のポリイミドシート９１の銅箔９０が貼り付けられていない面同士を重ねた際、上記帯状の熱電極９２がそれぞれ重なり合わないような位置関係となるように各熱電極９２が設けられている。
【００８４】
次に、２本の帯状の熱電極９２が設けられたポリイミドシート９１の他方の面（銅箔９０が貼り付けられていない面）上に、図１３（Ｃ）に示すように、ＢｉＴｅとＳｂＴｅを用いて、スパッタリング法によりｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２を形成し、かつ、これ等素子の一端側において電極（金属材料）９３により接続されたコ字形状を有する複数の熱電変換ユニット（熱電素子）すなわち熱電変換ユニット集合体を作製した。
【００８５】
尚、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２とで構成される一対の熱電素子（熱電変換ユニット）のサイズを５ｍｍ×５ｍｍとし、かつ、複数の熱電素子が配列されている有効な部分の大きさは５ｃｍ×５ｃｍである。従って、ポリイミドシート９１の上記面上には１０対×１０対＝１００個の熱電素子が作製されている。
【００８６】
次に、上記熱電変換ユニット集合体が形成されたポリイミドシート９１（すなわち、２本の帯状の熱電極９２が設けられたポリイミドシート）の上記集合体が形成された面側に、熱電変換ユニット集合体が形成されていない他方のポリイミドシート９１（すなわち、３本の帯状の熱電極９２が設けられかつ熱電変換ユニット集合体が形成されていないポリイミドシート）の平面側を図１３（Ｄ）に示すように重ね合わせ、かつ、接着剤を介し接着して上記熱電変換ユニット集合体が一対のポリイミドシート９１で挟持された構造体を作製した。
【００８７】
尚、一対のポリイミドシート９１で上記熱電変換ユニット集合体が挟持された構造体のｐ型熱電変換素子１１、ｎ型熱電変換素子１２、電極（金属材料）９３、および、帯状の熱電極９２の位置関係は、図１４に示すようになっている。
【００８８】
次に、上記熱電変換ユニット集合体が一対のポリイミドシート９１で挟持された構造体に対し、その上下から図１５（Ａ）に示すように一対の発泡スチロール板９７、９７を重合させ、更に、上記発泡スチロール板９７、９７の外面に対し、黄銅棒９４が一面に半田付けされた熱伝導の良い一対の銅板９５（厚さ０．５ｍｍ）で挟んで、図１５（Ｂ）に示す構造を有する実施例３に係る熱電変換モジュールを作製した。尚、上記黄銅棒９４は発泡スチロール板９７を貫通し、その先端が上記熱電極９２の各位置に熱的に接触するような配置となっている。
【００８９】
そして、実施例３に係る熱電変換モジュールについて、一方の銅板９５側を８０℃のホットプレートに熱的に密着させ、他方の面側は約３０℃の大気に自由放熱させた。その上で、低温側に配置された上記熱電極９２の中央部温度、大気に接触した銅板９５の温度をそれぞれ計測した。
【００９０】
更に、一列の熱電素子（１０対の熱電変換ユニットが対応する）における有効面積５ｍｍ×５０ｍｍに対し、直径サイズ（表１の「黄銅棒の半径」欄参照）が変更された黄銅棒９４（黄銅棒の熱伝導度＝約１３０Ｗ／ｍＫ）を２本（各熱電極島当たり２本）銅板９５に半田付けし、黄銅棒９４が各熱電極に熱的に接触するように配置してその発電量を測定した。結果を表１に示す。尚、発泡スチロールの熱伝導度は（０．０７Ｗ／ｍＫ）である。
【００９１】
【表１】
0005087757.tif 000002
発電量が最大値となる条件は、表１の「(κc×Ｓc)／(κa×Ｓa)」欄の結果から、
１．２κa×Ｓa ≧ κc×Ｓc（式１）、かつ、０．８κa×Ｓa ≦ κc×Ｓc（式２）の関係を満たしている中で成立していることが確認された。
【実施例４】
【００９２】
実施例３と同様、一方の面に銅箔で構成された帯状の熱電極が設けられその反対面側に熱電変換ユニット集合体が設けられた第１層のユニット集合体を作製した。その際、実施例３と異なり、ポリイミドシート９１上のｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２の厚さが約１ｎｍとなるように、１０対×１０対＝１００個の熱電変換ユニットを成膜した（図１７参照）。
【００９３】
次に、上記第１層のユニット集合体の上に、電気絶縁層７０としてシリカ層を１０ｎｍ厚で作製し、このシリカ層上に、上記第１層のユニット集合体と同様に第２層のユニット集合体を作製し、更に、第３層のユニット集合体を作製し（図１７参照）、以下、同様にして第１００層のユニット集合体まで重ねて最上層にシリカ層を形成した。
【００９４】
次に、最上層の上記シリカ層上に、一方の面に銅箔で構成された帯状の熱電極が設けられポリイミドシートを接着してユニット集合体の積層部１００を作製し、かつ、その上下から図１６並びに図１８に示すように一対の発泡スチロール板９７、９７を重合させ、更に、上記発泡スチロール板９７、９７の外面に対し、黄銅棒９４が一面に半田付けされた熱伝導の良い一対の銅板９５で挟んで実施例４に係る熱電変換モジュールを作製した。
【００９５】
尚、上記黄銅棒９４は発泡スチロール板９７を貫通し、その先端が熱電極の各位置に熱的に接触するような配置となっている。
【００９６】
そして、実施例４に係る熱電変換モジュールについて、一方の銅板側をホットプレートに熱的に密着させ、他方の面側は約２５℃の大気に自由放熱させた状態で、実施例３と同様にしてその発電量を測定した。結果を表２に示す。
【００９７】
【表２】
0005087757.tif 000003
実施例４の積層型の場合、実施例３の１層型より少し出力が大きかった理由は、薄膜型にして二次元性が出たためと思われる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明に係る熱電変換モジュールによれば熱電変換モジュール内に大きな温度差が実現されることから発電量を増加、改善させることが可能となり、また、本発明に係る熱電変換モジュールを太陽電池の裏面側に接着させることにより太陽電池の実効的な発電効率を上げることが可能となる。従って、本発明に係る熱電変換モジュールは太陽電池に組み込まれて利用される産業上の利用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】従来の結晶Ｓｉ系太陽電池の温度特性を示すグラフ図。
【図２】従来技術に係る熱電変換素子の主要部構成を示す断面図。
【図３】本発明に係る熱電変換モジュールの概略斜視図。
【図４】裏面側に熱電変換モジュールが接着された太陽電池の総発電量の樹脂厚依存性をシミュレーションした結果を示すグラフ図。
【図５】図５（Ａ）は本発明に係る熱電変換モジュールを製造する際に用いられるｐ型材料用マスクの一例を示す平面図、図５（Ｂ）は上記ｐ型材料用マスクを用いて形成されたｐ型熱電変換素子のパターンを示す概略斜視図。
【図６】図６（Ａ）は本発明に係る熱電変換モジュールを製造する際に用いられるｎ型材料用マスクの一例を示す平面図、図６（Ｂ）は上記ｎ型材料用マスクを用いて形成されたｎ型熱電変換素子のパターンを示す概略斜視図。
【図７】図７（Ａ）はｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが接続された熱電変換ユニットを、二次元的に複数配列させた熱電変換ユニット集合体の平面図、図７（Ｂ）はｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが直接接続された熱電変換ユニットのパターンを示す概略斜視図。
【図８】図８（Ａ）は本発明に係る熱電変換モジュールの貫通孔に高熱伝導部を構成する銅材が埋め込まれる状態を示す説明図、図８（Ｂ）は上記貫通孔が設けられるｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子の接続部位若しくはその近傍部位を示す説明図、図８（Ｃ）は断面矩形状の高熱伝導部の一端側がｐ型熱電変換素子またはｎ型熱電変換素子の接続部位若しくはその近傍部位に接続または近接された状態を示す概念図。
【図９】本発明に係る熱電変換モジュールの平面図。
【図１０】ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが接続された変形例に係る熱電変換モジュールの平面図。
【図１１】本発明に係る熱電変換モジュールの低温側温度接触部における放熱係数と総発電量との関係をシミュレーションした結果を示すグラフ図。
【図１２】本発明に係る熱電変換モジュール内における熱流の概略図。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は実施例３に係る熱電変換モジュールの製造工程を示す説明図。
【図１４】実施例３に係る熱電変換モジュールの製造途中における平面図。
【図１５】図１５（Ａ）〜図１５（Ｂ）も実施例３に係る熱電変換モジュールの製造工程を示す説明図。
【図１６】実施例４に係る熱電変換モジュールの構成を示す分解斜視図。
【図１７】実施例４に係る熱電変換モジュールの一部の構成を示す斜視図。
【図１８】実施例４に係る熱電変換モジュールの概略断面図。
【符号の説明】
【０１００】
１０  熱電変換ユニット
１１  ｐ型熱電変換素子
１２  ｎ型熱電変換素子
１３  電極
１４  電極
２０  基板
２１  低熱伝導部
２２  高熱伝導部
３０  基板
３１  低熱伝導部
３２  高熱伝導部
４０  温度接触部
５０  温度接触部
６０  銅材
７０  電気絶縁層
８０  温度接触部
８１  高熱伝導部
８２  低熱伝導部
８３  熱電変換ユニット（熱電素子）
９０  銅箔
９１  ポリイミドシート
９２  熱電極
９３  電極（金属材料）
９４  黄銅棒
９５  銅板
９７  発泡スチロール板
１００  積層部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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