技術 光電変換装置、並びに光電変換モジュール

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。

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）。

0003

特開２００６−２７８５８１号公報

0004

光電変換装置の開発において、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、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。

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、基板と、基板上に配置される基台と、前記基板上に設けられ、平面視したときに前記基台と間を空けて前記基台を取り囲む第１枠体と、前記基台上に設けられ、前記基台上から前記第１枠体外まで延在される第１導電板と、前記基台上に前記第１導電板と間を空けて設けられ、前記基台上から前記第１枠体外まで延在される第２導電板と、前記基台上に位置する前記第１導電板上に実装され、前記第１導電板及び前記第２導電板と電気的に接続される素子と、前記第１枠体上であって前記第１導電板及び前記第２導電板上を横切るように設けられ、前記素子を取り囲む第２枠体と、前記第２枠体に接合されるとともに、前記第１枠体及び前記第２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、前記光電変換装置が複数個配列されており、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導電板が第２光電変換装置内にまで延在され、当該延在された前記第１光電変換装置の第１導電体が前記第２光電変換装置の第２導電板であることを特徴とする。

0007

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、並びに光電変換モジュールを提供することができる。

0008

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。
本実施形態に係る光電変換装置の概観斜視図である。
本実施形態に係る光電変換装置の一部の分解斜視図である。
本実施形態に係る光電変換装置の断面図である。
図４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。
本実施形態に係る光電変換装置の分解斜視図である。
図６に示す光電変換装置同士を分解した状態を示す断面図である。

0009

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、並びに光電変換モジュール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概観斜視図である。また、図３は、集光部材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、光電変換装置の断面図である。

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を含んで構成されている。さらに、光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２上に設けられ、光を受光する受光部材４を含んでいる。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。

0013

受光部材４は、光を受光するレンズ部材４ａと、レンズ部材４ａを支持するフレーム部材４ｂとを含んで構成されている。フレーム部材４ｂは、レンズ部材４ａを取り囲むようにして、レンズ部材４ａを支持している。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の透光性材料からなる。

0014

光電変換装置２は、図２から図４に示すように、基板５と、基板５上に配置される基台６と、基板５上に設けられ、平面視したときに基台６と間を空けて基台６を取り囲む第１枠体７と、を含んでいる。さらに、光電変換装置２は、基台６上に設けられ、基台６上から第１枠体７外まで延在される第１導電板８ａと、基台６上に第１導電板８ａと間を空けて設けられ、基台６上から第１枠体７外まで延在される第２導電板８ｂと、を含んでいる。さらにまた、光電変換装置２は、基台６上に設けられ、第１導電板８ａ上に実装され、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂと電気的に接続される素子としての光電変換素子３と、第１枠体７上であって第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂ上を横切るように設けられ、光電変換素子３を取り囲む第２枠体９と、第２枠体９に接合されるとともに、第１枠体７及び第２枠体９で囲まれる空間ＳＰを覆う集光部材１０と、を備えている。

0015

基板５は、平板であって、基台６を実装するためのものである。基板５は、例えばアルミ二ウム、銅又はタングステン等の放熱性に優れた材料のいずれかを含む。なお、基板５の熱伝導率は、例えば１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上４００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。

0016

基台６は、基板５上に、例えば半田、樹脂又はガラスを介して固着される。基台６は、後述する第１導電板８ａ、第２導電板８ｂ及び光電変換素子３を設けるためのものである。受光部材４が受光した光が、集光部材１０を介して光電変換素子３を照らすため、基台６が高温になることがある。そこで、基台６を放熱性に優れた材料とすることで、基台６から基板５に向かって熱を外部に放出することができる。

0017

基台６は、本実施形態では二層からなり、上層としての基台上部６ａと、下層としての基台下部６ｂとからなる。そして、基台上部６ａは、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂと絶縁される材料からなり、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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスから成る。なお、基台上部６ａの熱伝導率は、例えば１６Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。

0018

また、基台下部６ｂは、基台上部６ａから伝わる熱を、効率良く基板５に伝えるものである。基台上部６ａと基台下部６ｂとは、例えば半田、樹脂又はガラスを介して固着される。基台下部６ｂは、例えば、銅、タングステン又はモリブデン等の熱伝導性の優れた材料のいずれかを含む。なお、基台下部６ｂの熱伝導率は、例えば１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上４００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。

0019

第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂは、基台６の基台上部６ａ上に、例えば半田、樹脂又はガラス等を介して固着される。第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂは、後述するように光電変換素子３にて起電した電力を流すためのものである。第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂは、矩形状の板体であって、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。そして、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂは、長手方向の長さが、例えば２ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であって、短手方向の長さが、例えば０．５ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であって、厚みが例えば０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定されている。

0020

第１導電板８ａは、基台６上に設けられるとともに、その上面に光電変換素子３が実装される。そして、第１導電板８ａは、基台６上から第１枠体７外にまで延在される。

0021

第２導電板８ｂは、第１導電板８ａと間を空けて、基台６上に併設するとともに、第１枠体７外にまで延在される。なお、第１導電板８ａと第２導電板８ｂは、一方向に沿って設けられている。

0022

図５は、光電変換装置の断面図であって、光電変換装置を二つ併設した状態を示している。

0023

図５に示すように、左側に位置する光電変換装置を第１光電変換装置２ａとし、右側に位置する光電変換装置を第２光電変換装置２ｂとする。このとき、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａは、第２光電変換装置２ｂ内にまで延在される。そして、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａが、第２光電変換装置２ｂ内の基台６上にまで設けられる。

0024

第２光電変換装置２ｂにおいて、第２光電変換装置２ｂの光電変換素子３は、光電変換素子３の上面が、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａと電気的に接続される。

0025

また、第２光電変換装置２ｂにおいては、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａが、第２光電変換装置２ｂの第２導電板８ｂとして機能する。なお、第２光電変換装置２ａの第１導電板８ａと第２光電変換装置２ｂの第２導電板８ｂが一体ものである。

0026

光電変換素子３は、基台６と重なる領域であって第１導電板８ａ上に実装される。そして、光電変換素子３と第１導電板８ａとが電気的に接続される。

0027

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。

0028

第１導電板８ａの上面と対向する光電変換素子３の下面には、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導電板８ａと電気的に接続されている。

0029

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導電板８ｂと電気的に接続される。そして、光電変換素子３は、第２導電板８ｂを介して外部に電気を取り出すことができる。

0030

第１枠体７は、基板５上に形成されるとともに、基台６を取り囲むように設けられている。第１枠体７は、後述する第２枠体９とともに、光電変換素子３を封止するためのものである。第１枠体７は、基台６と間Ｂを空けて配置されている。そして、基台６と第１枠体７とを空間を介して配列することで、光電変換素子３にて発生した熱が、基台６から直接第１枠体７に伝わるのを抑制することができる。

0031

第１枠体７は、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂと電気的に絶縁する絶縁材料からなる。第１枠体７は、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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスから成る。

0032

また、第１枠体７には、基台６上から第１枠体７外にまで延在される第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂを設ける凹部Ｃが設けられている。凹部Ｃは、第１枠体７の対向する両面の上部に設けられている。第１枠体７上にまで延在される第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂは、凹部Ｃに嵌合される。そのため、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂが第１枠体７から位置ずれしにくく、基台６に対する第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂの位置決めが容易となる。

0033

凹部Ｃの底面の高さ位置は、基台６の上面の高さ位置と合わさるように設定されている。両面の高さ位置の誤差は、例えば０．５ｍｍ以下に設定されている。そのため、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂは、基台６と第１枠体７にて同じ高さで支持されるため、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂが傾斜しにくく、第１導電板８ａ又は第２導電板８ｂに対して第１枠体７の端部又は基台６の端部から加わる応力を緩和することができる。

0034

また、第１枠体７の上面の高さ位置であって、凹部Ｃが形成されていない箇所は、基台６上に形成した第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂの上面の高さ位置と合わさるように設定されている。両面の高さ位置の誤差は、例えば０．５ｍｍ以下に設定されている。

0035

また、凹部Ｃは、第１枠体７の対向する一対の二辺にそれぞれ設けられている。図５に示すように、一方の凹部Ｃは、第１光電変換装置２ａの第２導電板８ｂを設けるものであって、他方の凹部Ｃは、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａ（第２光電変換装置２ｂの第２導電板８ｂ）を設けるものである。

0036

第２枠体９は、第１枠体７上であって、第１枠体７と重なる領域に形成される。第２枠体９は、基台６上に実装される光電変換素子３を取り囲み、第１枠体７とともに光電変換素子３を封止するものである。

0037

第２枠体９は、第１枠体７上に形成されるとともに、凹部Ｃに設けられる第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂ上に形成される。そして、第２枠体９は、第１枠体７の凹部Ｃに位置する第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂを第１枠体７と第２枠体９で挟んで支持する。そして、第１枠体７及び第２枠体９で光電変換素子３を封止する。また、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂが、第１枠体７の凹部Ｃによって両側面及び下面を位置決めされ、第２枠体９の下面によって上面が位置決めされる。

0038

第２枠体９は、第１枠体７と同様に、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂと電気的に絶縁する絶縁材料からなる。第１枠体７は、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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスから成る。

0039

第２枠体９の上部には、集光部材１０を支持する支持部９ａが形成されている。支持部９ａは、第２枠体９の上面から第２枠体９の内壁面にかけて傾斜している。

0040

集光部材１０は、空間ＳＰを覆うように、第２枠体９の支持部９ａ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、第１枠体７、第２枠体９及び集光部材１０にて囲まれることで気密封止される。また、集光部材１０は、第２枠体９の支持部９ａに対して、例えば半田、樹脂又はガラス等の接着部１１を介して固着される。

0041

集光部材１０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１０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。

0042

本実施形態によれば、第１枠体７と基台６との間Ｂを空けて設けることで、光電変換素子３の熱を基台６に伝達し、基台６から基板５に伝えやすくすることができる。そして、第１枠体７及び第２枠体９に伝わる熱を少なくすることで、集光部材１０を支持する第１枠体７及び第２枠体９が熱膨張を低減することができ、集光部材１０と光電変換素子３の光軸の位置ずれを抑制することができる。その結果、光電変換素子３に効率良く光を集光させることができ、光電変換素子３の光起電力効果を良好に維持することができる。

0043

また、光電変換素子３に伝わる熱を基板５に向かって良好に伝達することで、光電変換素子３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３の光起電力効果を向上させることができる。

0044

さらに、隣接する光電変換装置２同士の間で、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａが第２光電変換装置２ｂ内にまで延在されていることで、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａを両装置間で共通に使用することができ、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂに流れる電気の阻害要因を少なくすることができ、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂを介して外部に取り出す電力を向上させることができる。また、本実施形態の光電変換モジュール１は、部品点数を少なくすることができ、生産性を効果的に向上させることができる。

0045

また、隣接する光電変換装置２同士の間で、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａが第２光電変換装置２ｂ内にまで延在されていることで、第１光電変換装置２ａの第１導電板８ａを両装置間で共通に使用することができ、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂが占有する面積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。

0046

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。

0047

＜光電変換モジュールの製造方法＞
図６は、光電変換装置の分解斜視図である。図７は、隣接する二つの光電変換装置の分解した状態を示す、光電変換装置の断面図である。

0048

ここで、図６又は図７を用いて、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。

0049

まず、基板５、基台６、第１枠体７及び第２枠体９を準備する。基板５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。基板５は、基台６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。

0050

基台６は、基台上部６ａと、基台下部６ｂとを貼り合わせて作製することができる。基台上部６ａ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。

0051

そして、基台上部６ａの型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基板上部６を取り出す。

0052

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。

0053

そして、取り出した焼結前の基台上部６ａの下面に対して、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基台下部６ｂを接合するためのメタライズ層を形成する。さらに、基板上部６ａを焼成して、基台上部６ａに作製することができる。

0054

基台下部６ｂは、基板５の作製方法と同様に、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。

0055

次に、基台上部６ａの下面に形成したメタライズ層にろう材を介して、基台下部６ｂの上面と貼り合わせて、両台を固着させることによって、基台６を準備することができる。

0056

また、第１枠体７及び第２枠体９は、基台上部６ａの作製方法と同様の方法で作製することができる。第１枠体７及び第２枠体９が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、例えば酸化アルミニウム、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。

0057

そして、第１枠体７及び第２枠体９の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の第１枠体７及び第２枠体９を取り出す。

0058

そして、取り出した焼結前の第１枠体７の上面であって、第２枠体９と貼り合わせる箇所に対して、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２枠体９を接合するためのメタライズ層を形成する。さらに、第１枠体７及び第２枠体９を焼成して、第１枠体７及び第２枠体９を作製することができる。

0059

そして、準備した基板５上に基台６を半田を介して接合する。さらに、基台６と間を空けて、第１枠体７を基板５上に半田を介して接合する。

0060

次に、図７に示すように、基台６及び第１枠体７上に第１導電板８ａを例えば半田を介して接合する。第１導電板８ａは、基台６上から第１枠体７の凹部Ｃ上にかけて設ける。なお、第１導電板８ａは、隣接する第１光電変換装置２ａの基台６上から第２光電変換装置２ｂの第１枠体７上にまで延在される大きさのものを用いる。

0061

そして、第１導電板８ａ及び第２導電板８ｂを載置した第１枠体７上に第２枠体９を例えば半田を介して接合する。さらに、基台６上に設けられた第１導電板８ａ上に対して、光電変換素子３を実装する。さらに、光電変換素子３の上面から隣接する基台６上から延在される第２導電板８ｂ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。

0062

次に、第２枠体９上に例えば半田等の接着部を介して集光部材１０を接合する。そして、光電変換素子３を第１枠体７、第２枠体９及び集光部材１０によって封止することができる。このようにして、複数の光電変換装置２を同時に作製することができる。

0063

複数の光電変換装置２上に受光部材４を設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。

0064

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レンズ部材
４ｂフレーム部材
５基板
６基台
６ａ 基台上部
６ｂ 基台下部
７ 第１枠体
８ａ 第１導電板
８ｂ 第２導電板
９ 第２枠体
９ａ 支持部
１０集光部材
１１接着部
ＳＰ 空間
Ｂ 間
Ｃ 凹部