(57)【要約】【課題】  太陽集光器デバイスを冷却する方法を提供する。【解決手段】  太陽集光器デバイス及びその製造法が提供される。一態様において、太陽集光器デバイスが提供される。太陽集光器デバイスは、少なくとも１つの太陽光変換器セルと、ヒートシンクと、太陽光変換器セルとヒートシンクの間にあってデバイスの動作中に太陽光変換器セルとヒートシンクを熱的に結合するように配置された液体金属とを備える。太陽光変換器セルがゲルマニウム（Ｇｅ）基板上に作成された３重接合型半導体太陽光変換器セルを含むことができる。ヒートシンクは蒸気チャンバ型ヒートシンクを含むことができる。液体金属はガリウム（Ｇａ）合金を含み、約５平方ミリメートル摂氏度毎ワット（ｍｍ２℃／Ｗ）以下の熱抵抗を有することができる。【選択図】      図１
2009088504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽集光器デバイスであって、
少なくとも１つの太陽光変換器セルと、
ヒートシンクと、
前記太陽光変換器セルと前記ヒートシンクの間にあって、前記デバイスの動作中に前記太陽光変換器セルと前記ヒートシンクを熱的に結合するように配置された液体金属と
を備えるデバイス。
【請求項２】
前記太陽光変換器セルは、ゲルマニウム基板上に作成された３重接合型半導体太陽光変換器セルを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記太陽光変換器セルは、
基板と、
前記基板上の、ゲルマニウムを含む第１太陽電池と、
前記第１太陽電池上の、ガリウム砒素を含む第２太陽電池と、
前記第２太陽電池上の、ガリウムインジウムリンを含む第３太陽電池と
を備える３重接合型半導体太陽光変換器セルである、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記液体金属はガリウム合金を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記液体金属は、１０．５℃と１５℃の間の融点をもつように構成されたガリウム合金を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記液体金属は、インジウム、ビスマス、アンチモン、スズ及び鉛のうちの１つ又は複数を有するガリウム合金を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記太陽光変換器セルを前記ヒートシンクに締め付けるように構成された固定器具と、
前記固定器具と前記ヒートシンクの間にあって、前記太陽光変換器セルを囲み、前記液体金属を前記太陽光変換器セルと前記ヒートシンクの間に維持するように構成されたガスケット・アセンブリと
をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記固定器具と前記ヒートシンクの間にあって、少なくとも部分的に前記太陽光変換器セルを囲み、前記液体金属を湿気から隔離するように配置された乾燥剤挿入物をさらに含む、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記太陽光変換器セル及び前記ヒートシンクの前記液体金属と接触する１つ又は複数の表面は、その上の付着層及び該付着層上の濡れ層を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記付着層は、チタン、クロム、ステンレス・スチール、タンタル、タングステン、モリブデン、ニッケル及びバナジウムのうちの１つ又は複数を含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記濡れ層は金及び白金のうちの１つ又は複数を含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記太陽光変換器セルに取り付けられたインタポーザ・ガスケットであって、前記液体金属を該インタポーザ・ガスケットと前記ヒートシンクの間に保持するように構成されたインタポーザ・ガスケットをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記インタポーザ・ガスケットは金属を含み、前記太陽光変換器セルにハンダ付けされる、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記インタポーザ・ガスケットの前記液体金属と接触する１つ又は複数の表面は、その上の付着層及び該付着層上の濡れ層を備える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記付着層は、チタン、クロム、ステンレス・スチール、タンタル、タングステン、モリブデン、ニッケル及びバナジウムのうちの１つ又は複数を含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記濡れ層は金及び白金のうちの１つ又は複数を含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
太陽集光器デバイスを製造する方法であって、
少なくとも１つの太陽光変換器セルを準備するステップと、
ヒートシンクを準備するステップと、
前記太陽光変換器セルと前記ヒートシンクの間に、前記デバイスの動作中に前記太陽光変換器セルと前記ヒートシンクを熱的に結合するように構成された液体金属を配置するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽集光器デバイスに関し、より具体的には太陽集光器デバイスを冷却する技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
増加するエネルギー・コストは、太陽エネルギーを従来のエネルギー源に対する魅力的な代替エネルギーにする。太陽光を有用な電気に変換する１つの方法は、典型的にはミラー及びレンズを用いて太陽光を太陽光変換器セル上に集光する太陽集光器デバイスを使用するものである。そこで太陽電池は太陽光エネルギーを電気に変換する。
【０００３】
太陽集光器デバイスは、全パネル型太陽デバイスに比較してより少数の太陽光変換器セルを用いるので有利である。しかし、より少数の太陽光変換器セルは、所与の出力に対して各々の太陽光変換器セルがより高レベルの入射太陽エネルギーに適応する必要があることを意味する。太陽集光器デバイスが広範囲の実施に対して実用的となるためには、これらのデバイスが高効率（光エネルギーの電気への変換効率）で動作することも望ましい。
【０００４】
太陽光デバイス技術の改善が進むにつれて、入射エネルギー・レベルの容量が増加し続け、効率要件の改善が進むであろうことが期待される。しかし、太陽集光器デバイスのエネルギー・レベルの容量を制限する一つの因子は、熱管理である。即ち、太陽電池は特定の温度範囲内で動作する。例えば、半導体太陽電池は普通、周囲温度３５℃又はそれ以上において、摂氏約８５度（℃）の温度における動作に制限される。より高い入射太陽エネルギー・レベルは、太陽光変換器セルの過熱を防ぐために除去すべき大量の廃熱を生じる。
【０００５】
太陽光変換器セルを用いる多くの用途において、コストは一つの因子である。従って、受動的冷却のような安価な冷却技法は魅力的な選択肢である。即ち、幾つかの太陽集光器デバイスの構成においては、蒸気チャンバ型ヒートシンクが太陽光変換器セルに結合して、動作中に熱を周囲空気に消散させるように働く。
【０００６】
しかしながら、太陽光変換器セルとヒートシンクの間の接続部は、太陽光変換器セルからヒートシンクへ移動する熱量を制限する可能性がある。例えば、蒸気チャンバ型ヒートシンクは一般に、それらを太陽光変換器セルに直接ハンダ付けするのに必要となる温度には耐えられないので、太陽光変換器セルをヒートシンクに熱的に結合させるのに、普通は熱接続部材料（ＴＩＭ）が用いられる。しかし、普通のＴＩＭは、入射太陽エネルギー・レベルが１平方センチメートル当たり約１００ワット（Ｗ／ｃｍ２）を越える又はそれに等しいとき、太陽光変換器セルを許容動作温度に維持するのに必要な熱移動を可能にしない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、太陽光変換器セルのエネルギー・レベルの容量を増加させるための、太陽光変換器セルを冷却する改善された技法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、太陽集光器デバイス及びその製造方法を提供する。本発明の一態様において、太陽集光器デバイスが提供される。太陽集光器デバイスは、少なくとも１つの太陽光変換器セルと、ヒートシンクと、太陽光変換器セルとヒートシンクの間にあって、デバイスの動作中に太陽光変換器セルとヒートシンクを熱的に結合するように配置された液体金属とを含む。太陽光変換器セルは、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板上に作成された３重接合型半導体太陽光変換器セルを含むことができる。ヒートシンクは蒸気チャンバ型ヒートシンクを含むことができる。液体金属はガリウム（Ｇａ）合金を含み、約５平方ミリメートル摂氏度毎ワット（ｍｍ２℃／Ｗ）以下の熱抵抗を有することができる。
【０００９】
本発明の別の態様において、太陽集光器デバイスの製造法が提供される。この方法は以下のステップを含む。少なくとも１つの太陽光変換器セルを準備する。ヒートシンクを準備する。太陽光変換器セルとヒートシンクの間に液体金属を配置する。液体金属は、デバイスの動作中に太陽光変換器セルとヒートシンクを熱的に結合するように配置する。
【００１０】
本発明のより完全な理解、及び本発明の更なる特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することにより得られるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は例示的な太陽集光器デバイス１００の断面図を示す図である。太陽集光器デバイス１００は、太陽光変換器セル１０２、ヒートシンク１０４、及び、太陽光変換器セル１０２とヒートシンク１０４の間の液体金属１０６を備える。以下に詳述するように、液体金属１０６は太陽集光器デバイス１００の作動中に、太陽光変換器セル１０２とヒートシンク１０４の間の熱接続として働く（即ち、太陽光変換器セル１０２をヒートシンク１０４に熱的に結合する）ように配置する。
【００１２】
描画を容易にするために、図１は単一の太陽光変換器セルを有する太陽集光器デバイスを示す。しかし、複数の太陽光変換器セルを共通のヒートシンクに結合できることを理解されたい。幾つかの場合には、複数の太陽光変換器セルを共通のヒートシンクに結合することは、この構成が部品数、コスト及び製造時間の削減をもたらすのゆえに好ましい。さらに、ここで説明する液体金属熱接続は、例えば、太陽光変換器セルとヒートシンクの間の熱膨張による移動が自由に起こることを可能にして、複数の太陽光変換器セルを共通のヒートシンクに結合させることを可能にする（以下を参照）。
【００１３】
例示的な実施形態によれば、太陽光変換器セル１０２は多重接合型半導体太陽光変換器セルである。一実施例としてだけであるが、太陽光変換器セル１０２は、平坦なゲルマニウム（Ｇｅ）基板上に作成された３重接合型半導体太陽光変換器セルとすることができる。例示的な３重接合型半導体太陽光変換器セルを図３に示す（後述）。本技法によれば、太陽光変換器セル１０２は、約４００ｓｕｎｓ（即ち、４０ワット毎平方センチメートル（Ｗ／ｃｍ２））の入射太陽エネルギー・レベルで約２０パーセント（％）を上回る効率（光エネルギーの電気への変換効率）を有する。
【００１４】
ヒートシンク１０４は、金属ベース又は蒸気チャンバに接続したフィン・アセンブリ（図示せず）を備えることができる。ヒートシンク１０４が蒸気チャンバを備える場合には、ヒートシンク１０４は本明細書では蒸気チャンバ型ヒートシンクと呼ぶ。例示的な蒸気チャンバ型ヒートシンクは図４に示す（後述）。さらに、ヒートシンクは、内部に収容した流体の蒸発／凝縮により太陽光変換器セルを冷却するように働く１つ又は複数のヒートパイプ（図示せず）を備えることができる。
【００１５】
従来の太陽集光器デバイスにおいては、熱グリース、接着剤、ゲル材料、ペースト、及び／又は有機マトリックス中の熱伝導金属若しくは酸化物（本明細書では集合的に「熱接続材料」又は「ＴＩＭ」と呼ぶ）が太陽光変換器セルとヒートシンクの間に配置される。しかし、これら従来のＴＩＭの熱抵抗は約１５平方ミリメートル摂氏度毎ワット（ｍｍ２℃／Ｗ）である。
【００１６】
従って、太陽光変換器セルが１０００ｓｕｎｓ（即ち、１００Ｗ／ｃｍ２）の入射エネルギーで動作する場合には、太陽光変換器セルとヒートシンクの接続部を横切って摂氏１５度（℃）が観測される。太陽光変換器セルを８５℃（半導体太陽光変換器セルに対する典型的な値）で動作させることが望ましい場合には、この１５℃の降下、即ち熱抵抗は、接続部を横切る合計熱収支の３０％の損失を示す。この熱抵抗は、周囲温度を上昇させるのに等しい効果を有するので冷却をより困難にする。
【００１７】
本教示によれば、液体金属、即ち液体金属１０６は太陽光変換器セルとヒートシンクの間にあって太陽光変換器セルとヒートシンクの間の熱接続部を形成する。本明細書で用いる用語「熱接続部」は、太陽光変換器セルとヒートシンクの間の、熱エネルギーを移動させることができる任意の接続部を意味する。
【００１８】
例示的な実施形態によれば、液体金属はガリウム（Ｇａ）合金、例えばＧａ−インジウム（Ｉｎ）−スズ（Ｓｎ）共晶合金を含む。本技法に用いるのに適切なＧａ合金は、それに限定はされないが、約１０．５℃と約１５℃の間に融点をもつＧａ合金を含む。従って、一般に、この金属は、普通約８５℃以下の通常の動作温度を含んだ、約１５℃を越える温度において液体（即ち液体状態）のままである。幾つかの場合に、Ｇａ合金は付加的に
Ｉｎ（上記の例におけるように）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、Ｓｎ（上記の例におけるように）及び鉛（Ｐｂ）のうちの１つ又は複数を含むことができる。合金組成の変化は、例えば、合金の融点及び／又は腐食性質に影響を及ぼす。液体金属の熱性能、即ち、従来のペーストに対比した熱性能は、以下で図６の記述に関連して説明する。
【００１９】
本教示によれば、液体金属１０６は約５ｍｍ２℃／Ｗ以下の熱抵抗を有する。例えば、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ共晶合金を含む液体金属は約２ｍｍ２℃／Ｗの熱抵抗を有する。従って、太陽光変換器セルが１００Ｗ／ｃｍ２の入射エネルギーで動作する上記の実施例において、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ共晶合金を含む液体金属の使用は、従来のＴＩＭの１５℃降下を２℃降下に削減する
【００２０】
熱接続部としての液体金属の使用は幾つかの顕著な利益をもたらす。第１に、上で強調したように、液体金属は従来のＴＩＭに比べて著しく高効率の熱接続部を与える。従って、より高価な冷却法に変えることなしに、より高いエネルギー・レベルの動作を液体金属を熱接続部として用いて維持することができる。
【００２１】
第２に、熱伝導性であることに加えて、液体金属はまた電気伝導性である。従って、幾つかの実施形態において、液体金属は太陽光変換器セルへの電気導管としてさらに機能することができる。この利益は高エネルギー・レベルにおいて、例えば、太陽光変換器セルからの２０アンペア又はそれ以上の電流（本明細書では「光電流」と呼ぶ）を伝導する必要があるときに重要である。例示的な実施形態によれば、太陽光変換器セルは２つの電極を備える。１つの電極は太陽光変換器セルの下面（即ち、ヒートシンクに面する太陽光変換器セルの面）を含む。他方の電極は太陽光変換器セルの上面上（即ち、ヒートシンクと反対側の太陽光変換器セルの面上）のグリッドとして形成される。従って、液体金属が太陽光変換器セルへの電気導管として機能するとき、光電流は太陽光変換器セルから液体金属を通してヒートシンク（そこから光電流は、例えばワイヤを用いて負荷まで伝導される）まで通る。
【００２２】
第３に、幾つかの従来のＴＩＭの使用には、付加的な時間のかかる処理ステップが必要である。例えば、従来の熱接続部接着材料（上で強調した）は一般に硬化サイクルを必要とする。液体金属の使用は、何らそのような時間のかかる処理ステップを含まない。
【００２３】
第４に、太陽光変換器セルは固定器具１０８を用いてヒートシンクに、それらの間に液体金属の一部分を閉じ込めるように締め付けられる。液体金属は、最小の締付け圧力により太陽光変換器セルとヒートシンクの間に均一に分布させることが非常に容易である。対照的に、従来の熱グリース（上で強調したように）は液体金属よりも大きな粘性を有するので、太陽光変換器セルとヒートシンクの表面にわたって適切に広げるのに、比例的により大量の締付け圧力を必要とすることになる。太陽光変換器セルは典型的には約１ミリメートル（ｍｍ）未満の厚さであり、通常の半導体チップ（例えば、マイクロプロセッサ）よりも小さな構造支持部を有するので、太陽光変換器セルは過剰な機械的歪みによる破砕のために容易に損傷する可能性がある。
【００２４】
第５に、液体金属の熱接続部は、使用中に太陽光変換器セルとヒートシンクが互いに独立に膨張及び収縮し、そして互いに対して滑動することを可能にする。この特性は、太陽集光器デバイスが著しい温度サイクリングを受けるので重要である。
【００２５】
第６に、液体金属の熱接続部は、太陽集光器デバイスを、例えば現場で、必要に応じて容易に分解／作り直し及び再組み立てすることを可能にする。対照的に、多くの従来のＴＩＭ、例えば熱接続部接着材料（上で強調した）は一般に、容易に作り直すことができない恒久的又は半恒久的結合を生じる。
【００２６】
太陽集光器デバイスは、使用中に広範囲の過酷な気象条件、例えば紫外線並びに極端な温度及び湿度に対する長時間の露出を経験する。腐食性物質、例えば塩水噴霧及び大気汚染もまた幾つかの環境において存在する。これらの条件にもかかわらず、太陽集光器デバイスは一般に、約１０年と約２０年の間の寿命を有することが期待される。
【００２７】
液体金属がこれらの条件に耐え得ることを確実にするために、液体金属を環境要因から保護するための幾つかのコンポーネントを備え付ける。図１に示すように、液体金属１０６（点付き模様で表した）は、太陽光変換器セル１０２とヒートシンク１０４の間（同様に固定器具１０８の一部分の下）の熱接続部に、固定器具１０８とヒートシンク１０４の間にあって太陽光変換器セル１０２を囲むガスケット・アセンブリ１１０によって保持される。
【００２８】
ガスケット・アセンブリ１１０の拡大図１００ａに示すように、ガスケット・アセンブリ１１０はガスケット１１２と潤滑剤シール１１４を含む。ガスケット１１２は密封型であり、例えば金属又は金属コーティングされたプラスチックの密封ガスケットを含む。例示的な実施形態によれば、ガスケット１１２は電気鋳造型金属密封ガスケットを含む。電気鋳造型金属密封ガスケットは、緊密な設計公差を可能にして固定器具１０８とヒートシンク１０４の間の適切なシールを生じるので有益である。潤滑剤シール１１４を形成するのに好ましい潤滑剤は、それに限定はされないが、ペルフルオロポリエーテルのような低い水蒸気輸送速度をもつ潤滑剤を含む。ガスケット１１２及び潤滑剤シール１１４は、それら自体で熱接続部において液体金属を収容するように働く。
【００２９】
乾燥剤挿入物１１６もまた、固定器具１０８とヒートシンク１０４の間にあって太陽光変換器セル１０２を囲む。例示的な実施形態によれば、乾燥剤挿入物１１６は１つ又は複数の乾燥材料、例えばシリカゲル、モレキュラーシーブ、及びポリマー・マトリックス中に分散した乾燥材料などを含む。適切なポリマー・マトリックスは、それに限定はされないが、シリコーンゴムを含む。図１は太陽集光器デバイスの断面図を示す。このように、図１に示す実施形態においては、固定器具１０８、ガスケット・アセンブリ１１０及び乾燥剤挿入物１１６は、太陽光変換器セル１０２の１つ又は複数の面の周りで連続的であることを理解されたい。
【００３０】
熱接続部に液体金属を保持することに加えて、ガスケット・アセンブリ１１０は乾燥剤挿入物１１６と共に、湿気及び腐食性化学物資、並びにシステム内の他の成分（例えば、デバイス・パッケージからの融剤又はガス放出材料）から液体金属を隔離するのに用いられる。液体金属を湿気から保護するためには、乾燥剤挿入物は太陽光変換器セルの回りで連続的であることが好ましいが、その必要はないことに注目されたい。乾燥剤挿入物が太陽光変換器セルの回りで連続的である、即ちそれを囲む場合には、乾燥剤挿入物は、液体金属を太陽光変換器セルとヒートシンクの間の接続部に閉じ込める付加的な役割を果たすように構築することができる。この場合、乾燥剤挿入物は、著しい衝撃荷重が予想されるときに望まれる付加的なガスケットとして働く。
【００３１】
例示的な実施形態によれば、ヒートシンク及び太陽光変換器セルの液体金属と接触する表面は、濡れ層と組み合せた付着層でコーティングされる。即ち、付着層は、濡れ層をベース材料、即ち、太陽光変換器セル及び／又はヒートシンクのベース材料に付着させるように働く。濡れ層は液体金属に対する濡れ表面を与える。さらに、付着／濡れ層は液体金属をヒートシンク材料から隔離するように働く。例えば、ヒートシンクがアルミニウム（Ａｌ）及び／又は銅（Ｃｕ）を含む（後で詳述するように）場合、そして液体金属がＧａを含む（前述のように）場合には、付着／濡れ層がないとＡｌ／ＣｕとＧａの間に望ましくない相互作用が生じる可能性がある。
【００３２】
例示的な実施形態によれば、付着層は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ステンレス・スチール、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）のうちの１つ又は複数を含み、濡れ層は、金（Ａｕ）及び白金（Ｐｔ）のうちの１つ又は複数を含む。例えば、ヒートシンク及び太陽光変換器セルの液体金属と接触する表面は、Ｔｉ層上のＡｕ層で覆うことができる。層を堆積させるとき、Ｔｉ層の酸化を防ぐために、Ｔｉ層を堆積させた直後にＡｕ層を堆積させる必要がある。酸化物のない表面のみが液体金属の適切な濡れを可能にするので、表面酸化物の生成は防止すべきである。
【００３３】
太陽集光器デバイス１００は、太陽光を太陽光変換器セル１０２に集光するための１つ又は複数のミラー及び／又はレンズ（図示せず）をさらに含むことができる。その結果、約２０００ｓｕｎｓ（即ち、２００Ｗ／ｃｍ２）までの入射エネルギー・レベルを現場で期待することができる。実験室での試験では、２００Ｗ／ｃｍ２を超える入射エネルギー・レベルが立証された。
【００３４】
図２は、例示的な太陽集光器デバイス２００の断面図を示す図である。太陽集光器デバイス２００は、インタポーザ・ガスケット２２０に取り付けた（例えば、ハンドを用いて）太陽光変換器セル２０２、ヒートシンク２０４、及び、インタポーザ・ガスケット２２０とヒートシンク２０４の間の液体金属２０６を備える。液体金属２０６は、太陽集光器デバイス２００の動作中に、インタポーザ・ガスケット２２０とヒートシンク２０４の間の熱接続部として働く（即ち、太陽光変換器セル２０２をヒートシンクに熱的に結合する）ように配置する。
【００３５】
描画を容易にするために、図２は単一の太陽光変換器セルを有する太陽集光器デバイスを示している。しかし、複数の太陽光変換器セルを共通のヒートシンクに結合できることを理解されたい。
【００３６】
例示的な実施形態によれば、太陽光変換器セル２０２は多重接合型半導体太陽光変換器セルである。一実施例としてだけであるが、太陽光変換器セル２０２は、平坦なＧｅ基板上に作成された３重接合型半導体太陽光変換器セルとすることができる。例示的な３重接合型半導体太陽光変換器セルを図３に示す（後述）。本技法によれば、太陽光変換器セル２０２は、約４００ｓｕｎｓ（即ち、４０Ｗ／ｃｍ２）の入射太陽エネルギー・レベルで約２０パーセント（％）を上回る効率（光エネルギーの電気への変換効率）を有する。
【００３７】
ヒートシンク２０４は、金属ベース又は蒸気チャンバに接続したフィン・アセンブリ（図示せず）を備えることができる。ヒートシンク２０４が蒸気チャンバを備える場合には、ヒートシンク２０４は本明細書では蒸気チャンバ型ヒートシンクと呼ぶ。例示的な蒸気チャンバ型ヒートシンクは図４に示す（後述）。さらに、ヒートシンク２０４は、内部に収容した流体の蒸発／凝縮により太陽光変換器セルを冷却するように働く１つ又は複数のヒートパイプ（図示せず）を備えることができる。
【００３８】
例示的な実施形態によれば、液体金属２０６はガリウム（Ｇａ）合金、例えばＧａ−ＩｎＳｎ共晶合金を含む。本技法に用いるのに適切なＧａ合金は、それに限定はされないが、約１０．５℃と約１５℃の間に融点をもつＧａ合金を含む。従って、一般に、この金属は、普通約８５℃以下の通常の動作温度を含んだ、約１５℃を越える温度において液体（即ち液体状態）のままである。幾つかの場合に、Ｇａ合金は付加的にＩｎ（上記の例におけるように）、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｓｎ（上記の例におけるように）及びＰｂのうちの１つ又は複数を含むことができる。合金組成の変化は、例えば、合金の融点及び／又は腐食性質に影響を及ぼす。液体金属の熱性能、即ち、従来のペーストに対比した熱性能は、以下で図６の記述に関連して説明する。本教示によれば、液体金属２０６は約５ｍｍ２℃／Ｗ以下の熱抵抗を有する。
【００３９】
太陽光変換器セル２０２はインタポーザ・ガスケット２２０に取り付けられる。図２に示すように、インタポーザ・ガスケット２２０は、平坦な中央部（太陽光変換器セル２０２の取り付け表面を与える）と湾曲縁部（ヒートシンク２０４に対するシールを形成して、液体金属をインタポーザ・ガスケット２２０とヒートシンク２０４の間に収容する）をもつように形成することができる。例示的な実施形態によれば、インタポーザ・ガスケット２２０は薄い金属ガスケットを含み、太陽光変換器セル２０２はインタポーザ・ガスケット２２０ハンダ付けする。インタポーザ・ガスケット２２０は、Ｎｉ、ステンレス・スチール、鉄（Ｆｅ）、Ｃｕ及びＡｌなど、シート状にすることができる任意の金属を含むことができる。例示的な実施形態によれば、インタポーザ・ガスケットはＮｉを含む。さらに、インタポーザ・ガスケット２２０は、約０．０５ｍｍの厚さをもつことができる。
【００４０】
図２に示すように、液体金属２０６（点付き模様で表した）は、インタポーザ・ガスケット２２０とヒートシンク２０４の間の熱接続部に、インタポーザ・ガスケット２２０によって保持される。この実施形態において、インタポーザ・ガスケット２２０は、太陽光変換器セル２０２をヒートシンク２０４に熱的に結合させるために不可欠であることに注目されたい。
【００４１】
例示的な実施形態によれば、ヒートシンク及びインタポーザ・ガスケットの液体金属と接触する表面は、濡れ層と組み合せた付着層でコーティングされる。即ち、付着層は、濡れ層をベース材料、即ち、インタポーザ・ガスケット及び／又はヒートシンクのベース材料に付着させるように働く。濡れ層は液体金属に対する濡れ表面を与える。さらに、付着／濡れ層は液体金属をインタポーザ・ガスケット／ヒートシンク材料から隔離するように働く。例えば、ヒートシンクがＡｌ及び／又はＣｕを含む（後で詳述するように）場合、そして液体金属がＧａを含む（前述のように）場合には、付着／濡れ層がないとＡｌ／ＣｕとＧａの間に望ましくない相互作用が生じる可能性がある。
【００４２】
例示的な実施形態によれば、付着層は、Ｔｉ、Ｃｒ、ステンレス・スチール、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖのうちの１つ又は複数を含み、濡れ層は、ＡｕとＰｔのうちの１つ又は複数を含む。例えば、ヒートシンク及びインタポーザ・ガスケットの液体金属と接触する表面は、Ｔｉ層上のＡｕ層で覆うことができる。層を堆積させるとき、Ｔｉ層の酸化を防ぐために、Ｔｉ層を堆積させた直後にＡｕ層を堆積させる必要がある。酸化物のない表面のみが液体金属の適切な濡れを可能にするので、表面酸化物の生成は防止すべきである。
【００４３】
乾燥剤挿入物２１６がインタポーザ・ガスケット２２０とヒートシンク２０４の間にあって、湿気及び腐食性化学物資、並びにシステム内の他の成分から液体金属を隔離するように働く。例示的な実施形態によれば、乾燥剤挿入物２１６は１つ又は複数の乾燥剤材料、例えばシリカゲル、モレキュラーシーブ、及びポリマー・マトリックス中に分散した乾燥剤材料などを含む。適切なポリマー・マトリックスは、それに限定はされないが、シリコーンゴムを含む。図２は太陽集光器デバイスの断面図である。このように、図２に示す実施形態においては、固定器具２０８、インタポーザ・ガスケット２２０及び乾燥剤挿入物２１６は連続的な構造体であることを理解されたい。液体金属を湿気から保護するためには、乾燥剤挿入物は連続的であることが好ましいが、その必要はないことに注目されたい。乾燥剤挿入物が連続的である場合には、乾燥剤挿入物は、液体金属をインタポーザ・ガスケットとヒートシンクの間の接続部に閉じ込める付加的な役割を果たすように構築することができる。この場合、乾燥剤挿入物は、著しい衝撃荷重が予想されるときに望まれる付加的なガスケットとして働く。
【００４４】
太陽集光器デバイス２００は、太陽光を太陽光変換器セル２０の上に集光するための１つ又は複数のミラー及び／又はレンズ（図示せず）をさらに含むことができる。その結果、約２０００ｓｕｎｓ（即ち、２００Ｗ／ｃｍ２）までの入射エネルギー・レベルを現場で期待することができる。実験室での試験では、２００Ｗ／ｃｍ２を超える入射エネルギー・レベルが立証された。
【００４５】
図３は、例示的な３重接合型半導体太陽光変換器セル３００の断面図を示す図である。３重接合型半導体太陽光変換器セル３００は、それぞれ図１及び図２の記述に関連して上で説明した太陽光変換器セル１０２及び／又は太陽光変換器セル２０２の１つの可能な構成を表す。３重接合型半導体太陽光変換器セル３００は、基板３０２、太陽電池３０４、３０６及び３０８、並びに反射防止コーティング３１０を備える。例示的な実施形態によれば、基板３０２はＧｅ基板を含み、約２００マイクロメートル（μｍ）の厚さを有する。前に強調したように、３重接合型半導体太陽光変換器セル３００などの太陽光変換器セルは約１ｍｍ未満の全厚を有することができる。
【００４６】
太陽電池３０４はトンネル・ダイオード（図示せず）によって太陽電池３０６から分離することができる。同様に、太陽電池３０６はトンネル・ダイオード（図示せず）によって太陽電池３０８から分離することができる。太陽電池３０４、３０６、３０８の各々は、集団として太陽電池３０４、３０６、３０８が可能な限り多くの太陽スペクトルを吸収するように構成する必要がある。一実施例としてだけであるが、太陽電池３０４はＧｅを含むことができ、太陽電池３０６はガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含むことができ、太陽電池３０８はガリムウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）を含むことができる。
【００４７】
図４は、例示的な蒸気チャンバ型ヒートシンク４００の断面図を示す図である。蒸気チャンバ型ヒートシンク４００は、それぞれ図１及び図２の記述に関連して上で説明したヒートシンク１０４及び／又はヒートシンク２０４の一つの可能な構成を表す。蒸気チャンバ型ヒートシンク４００は、蒸気チャンバ４０２、及び蒸気チャンバ４０２に取り付けたフィン・アセンブリ４０４を備える。蒸気チャンバは、例えば固体金属ブロックと比較して、より効率的な熱輸送を可能にする。即ち、矢印４０６で示すように、蒸気チャンバはフィン・アセンブリへの対流による熱輸送を可能にする。
【００４８】
１つの例示的な実施形態によれば、蒸気チャンバ４０２とフィン・アセンブリ４０４は両方ともにＡｌ及び／又はＣｕを含む。フィン・アセンブリはまた、熱負荷をより効率的に分散させるヒートパイプ（図示せず）を含むことができる。
【００４９】
図５は、太陽集光器デバイスを製造する例示的な方法５００を示す図である。ステップ５０２において、少なくとも１つの太陽光変換器セルを準備する。太陽光変換器セルは３重接合型半導体太陽光変換器セル（前述の）を含むことができる。ステップ５０４において、ヒートシンクを準備する。ヒートシンクは蒸気チャンバ型ヒートシンク（前述の）を含むことができる。ステップ５０６において、液体金属を太陽光変換器セルとヒートシンクの間に配置して、デバイスの動作中に太陽光変換器セルとヒートシンクの間の熱接続部を形成するように用いる。例示的な実施形態によれば、液体金属はＧａ−Ｉｎ−Ｓｎ合金（前述の）を含む。
【００５０】
図６は、従来のペーストに対比して液体金属の熱性能を示すグラフ６００である。具体的にはグラフ６００は、Ｇａ−Ｉｎ合金を含む液体金属を２つの従来のペースト、即ち、Ｓｈｉｎ−ＥｔｓｕＧ７５１及びＳｈｉｎ−ＥｔｓｕＸ２３−７７８３（日本、東京所在の信越化学株式会社製の）と比較する。約２５μｍの厚さで比較すると、液体金属は従来のペーストの各々（即ち、約１３ｍｍ２℃／Ｗの平均熱抵抗を有する）よりも低い熱抵抗（即ち、２ｍｍ２℃／Ｗ）を示す。
【００５１】
本明細書では本発明の例証的な実施形態を説明したが、本発明はそれらの正確な実施形態には限定されず、当業者であれば種々の他の改変及び変更を本発明の範囲から逸脱せずに施すことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態による例示的な太陽集光器デバイスの断面図を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による別の例示的な太陽集光器デバイスの断面図を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による例示的な３重接合型半導体太陽光変換器セルの断面図を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による例示的な蒸気チャンバ型ヒートシンクの断面図を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による太陽集光器デバイスを製造する例示的な方法を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による液体金属の熱性能を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
１００、２００：太陽集光器デバイス
１００ａ：ガスケット・アセンブリの拡大図
１０２、２０２、３００：太陽光変換器セル
１０４、２０４：ヒートシンク
１０６、２０６：液体金属
１０８、２０８：固定器具
１１０：ガスケット・アセンブリ
１１２：ガスケット
１１４：潤滑剤シール
１１６、２１６：乾燥剤挿入物
２２０：インタポーザ・ガスケット
３０２：基板
３０４、３０６、３０８：太陽電池
３１０：反射防止コーティング
４００：蒸気チャンバ型ヒートシンク
４０２：蒸気チャンバ
４０４：フィン・アセンブリ
４０６：矢印
５００：方法
５０２、５０４、５０６：ステップ
６００：グラフ
【図１】
2009088504.tif 000003
【図２】
2009088504.tif 000004
【図３】
2009088504.tif 000005
【図４】
2009088504.tif 000006
【図５】
2009088504.tif 000007
【図６】
2009088504.tif 000008