JP2011103351A - 光電変換装置、並びに光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率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。
【解決手段】光電変換装置であって、基板と、基板上に設けられる多角形状の素子と、前記基板上に設けられ、平面視したときに前記素子と間を空けて前記素子を取り囲む枠体と、前記枠体に接合されるとともに、前記枠体で囲まれる空間を覆う集光部材と、を備え、前記集光部材は、下部の外縁形状が前記素子の外縁形状の相似形であるとともに、上部が下方から上方に向かって幅広の逆円錐台状であって、平面透視したときに前記集光部材と前記素子とが重なることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

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。

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）。

特開２００９−１１７７９５号公報

光電変換装置の開発において、光電変換装置の光電変換効率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、光電変換効率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。

上記課題を解決するために、本発明の実施の態様に係る光電変換装置は、基板と、基板上に設けられる多角形状の素子と、前記基板上に設けられ、平面視したときに前記素子と間を空けて前記素子を取り囲む枠体と、前記枠体に接合されるとともに、前記枠体で囲まれる空間を覆う集光部材と、を備え、前記集光部材は、下部の外縁形状が前記素子の外縁形状の相似形であるとともに、上部が下方から上方に向かって幅広の逆円錐台状であって、平面透視したときに前記集光部材と前記素子とが重なることを特徴とする。

また、本発明の実施の態様に係る光電変換モジュールは、前記光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられる受光部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、光電変換効率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。

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。 本実施形態に係る集光部材と素子との関係を示す概観斜視図である。 一変形例に係る集光部材と素子との関係を示す概観斜視図である。 一変形例に係る集光部材と素子との関係を示す概観斜視図である。 一変形例に係る光電変換装置の断面図である。 一変形例に係る光電変換装置の断面図である。

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。

＜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。

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、素子として、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。

光電変換モジュール１は、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。

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。

光電変換装置２は、基板５と、基板５上に設けられる多角形状の光電変換素子３と、基板５上に設けられ、平面視したときに光電変換素子３と間を空けて光電変換素子３を取り囲む枠体６と、枠体６に接合されるとともに、枠体６で囲まれる空間ＳＰを覆う集光部材７と、を含んでいる。

基板５には、段差が形成されている。その段差の高さ位置が高い方の面に、第１主面領域Ｓ１が形成されている。また、段差の高さ位置が低い方の面に、第２主面領域Ｓ２が形成されている。基板５は、導電性の基板であって、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。また、基板５は、熱電導性の優れた材料からなり、基板５の熱伝導率は、例えば３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上５００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。なお、基板５の熱膨張率は、例えば５×１０^−６／℃以上２５×１０^−６／℃以下に設定されている。

光電変換素子３は、第１主面領域Ｓ１上に設けられ、基板５と接続される。そして、光電変換素子３と基板５とが電気的に接続される。

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。

基板５の第１主面Ｓ１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基板５と電気的に接続されている。

基板５の第２主面領域Ｓ２上には、枠体６が形成される。枠体６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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックス、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、枠体６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。なお、枠体６は、基板５上に形成され、土台として機能する第１枠体６ａと、第１枠体６ａ上に形成され、集光部材７を支持する第２枠体６ｂと、を含んでいる。

第１枠体６ａは、第１主面域Ｓ１を取り囲むように、基板５の第２主面領域Ｓ２上に形成される。そして、第１枠体６ａ上には、導電層８が形成されている。導電層８上には、断面視して導電層８を跨ぐようにして、第２枠体６ｂが形成されている。なお、導電層８は、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。

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枠体６ｂで囲まれる導電層８と電気的に接続される。そして、平面視したとき、導電層８は、第２枠体６ｂ内外に延在されているため、第２枠体６ｂで囲まれる領域から第２枠体６ｂで囲まれない領域に向けて電気を取り出すことができる。

ここで、基板５は、正極として機能する。また、導電層８は、負極として機能する。そして、光電変換素子３は、基板５及び導電層８と電気的に接続されており、基板５又は導電層８を介して外部に電気を取り出すことができる。

基板５は、第１主面領域Ｓ１の高さ位置が第２主面領域Ｓ２の高さ位置よりも高く設定されている。そのため、基板５と導電層８との間に流れる電流が、第２主面領域Ｓ２よりも高さ位置が高い第１主面領域Ｓ１を介して流れる。そして、光電変換素子３の下面と第１主面領域Ｓ１との間で電流が流れるため、電流の経路が基板５と導電層８との間で短く設定される。その結果、光電変換素子３で発電した電力のロスを低減した上で、電力を外部に取り出すことができる。

また、導電層８上であって、第２枠体６ｂで囲まれない領域には、外部と電気的に接続する導電板１０が形成されている。導電板１０は、光電変換素子３で発電した電力を外部に取り出すためのものである。なお、導電板１０は、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。

第１主面領域Ｓ１と第２主面領域Ｓ２の間に位置する基板５の側面と、第１枠体６ａとの間には、空隙Ａ１が設けられている。枠体６の下面の一部と基板５の第２主面領域Ｓ２とが接続される。なお、空隙Ａ１の長さは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。

基板５と枠体６とは、熱膨張率が異なり、基板５の熱膨張率が枠体６の熱膨張率よりも大きいため、例えば光電変換素子３の発する熱によって、基板５が熱膨張することがある。仮に、第１主面領域Ｓ１と第２主面領域Ｓ２の間に位置する基板５の側面と、枠体６の内壁面とが接しているとすると、基板５の熱膨張に起因して、基板５が枠体６の内壁面に応力を加え、枠体６にクラックが発生することがある。本実施形態によれば、第１主面領域Ｓ１と第２主面領域Ｓ２の間に位置する基板５の側面と、枠体６との間に空隙Ａ１を設けることで、基板５が熱膨張を起こしても枠体６と当接しにくいため、枠体６にクラックが発生するのを抑制することができる。

また、第２枠体６ｂの上部には、集光部材７を支持する支持部６ｃが形成されている。支持部６ｃは、第２枠体６ｂの上面から第２枠体６ｂの内壁面にかけて傾斜している。

集光部材７は、空間ＳＰを覆うように、第２枠体６ｂの支持部６ｃ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、枠体６及び集光部材７にて囲まれることで気密封止される。また、集光部材７は、第２枠体６ｂの支持部６ｃに対して、例えば半田、樹脂又はガラス等の接着部材９を介して固着される。

図５は、集光部材７と光電変換素子３との位置関係を示す概観斜視図である。また、図５の屈折した矢印ＬＣは、上方から下方に向かって反射しながら進行する光の行路を示している。

集光部材７は、図５に示すように、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７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。

集光部材７は、下部７ａの外縁形状が光電変換素子３の外縁形状の相似形であるとともに、上部７ｂが下方から上方に向かって幅広の逆円錐台状であって、平面透視したときに集光部材７と光電変換素子３とが重なるように設定されている。集光部材７の上部７ｂの横断面は、上方から下方に向かうにつれて、円状から多角柱状に変形している。

集光部材７の下部７ａは、多角柱状であって、平面透視したときに光電変換素子３と合わせる形状に設定されている。また、集光部材７の上部７ｂは、逆円錐台状に形成されている。そのため、受光部材４を介して集光部材７に集まる光は、まず、集光部材７の上部７ｂに進入する。そして、図５に示すように、集光部材７の上部７ｂに進入した光は、横断面が円状の上部７ｂ内おいて下部７ａに向かって収束する。このとき、仮に、上部の横断面が矩形状等の角がある形状の場合、集光部材７内から外部に向かって漏れ出る光が発生しやすくなるが、上部の横断面を円状とすることで、集光部材７内から外部に向かって漏れ出る光を低減することができる。

集光部材７の下部７ａに収束した光は、下部７ａの下面全面から放射されるため、平面視したときに集光部材７の下部７ａの外周内に光電変換素子３を配置することで、下部７ａから放射される光によって、光電変換素子３の上面全面を照らすことができる。

また、光電変換素子３は、平面透視したときに集光部材７の下部７ａの外周内に配置させるとともに、平面透視したときに光電変換素子３と集光部材７の下部７ａとが合致することが好ましい。両者を合致するように配置することで、集光部材７の下部７ａから放射される光を効率良く光電変換素子３に照射することができ、光電変換素子３の光電変換効率を良好にすることができる。つまり、光電変換素子３の受光面の形状に合わせて、集光部材７の下部７ａの形状と配置場所を決定することで、光電変換素子３の光電変換効率を優れたものにすることができる。

さらに、集光部材７から光電変換素子３に進行する光は、光電変換素子３の受光面に多く照射されるため、光電変換素子３の周辺に余分な熱の発生を抑制することができ、基板５の放熱特性を良好に維持することができる。

また、集光部材７と支持部６ｃとの接合箇所は、集光部材７の上部７ｂの側面である。集光部材７の上部７ｂは、横断面が円状であるため、支持部６ｃから集光部材７に加わる応力集中を分散することができ、集光部材７の上部７ｂに対して支持部６ｃから局所的に応力が集中するのを緩和することができる。その結果、集光部材７が破損するのを効果的に抑制することができる。

本実施形態によれば、集光部材７について、平面透視したときに下部７ａの外縁形状が光電変換素子３の外縁形状の相似形であるとともに、上部７ｂが下方から上方に向かって幅広の逆円錐台状であって、平面透視したときに集光部材７と光電変換素子３とが重なることによって、集光部材７内を進行する光を外部に漏れ出るのを抑制するとともに、集光部材７の下端から光電変換素子３に向かって進行する光を、効率良く光電変換素子３に照射することができ、光電変換効率を効果的に向上させることができる。

また、光電変換素子３の周囲を照らす光の量を少なくすることができ、基板５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。

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。上述した実施形態によれば、光電変換素子３の外縁が矩形状の場合、集光部材７の下部７ａを矩形柱状に形成したが、これに限られない。光電変換素子３の外縁形状と集光部材７の下部７ａの外縁形状が相似の関係であれば、例えば、図６に示すように、光電変換素子３の外縁形状を六角形とし、集光部材７の下部７ａの外縁形状を六角形に形成してもよい。また、集光部材７の下部７ａの外縁形状と光電変換素子３の外縁形状は相似の関係にあれば、図７に示すように、平面透視したときに集光部材７の下部７ａの外周内に位置するように、光電変換素子３を配置してもよい。

＜光電変換モジュールの製造方法＞
ここで、図１又は図２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２の製造方法を説明する。

まず、基板５、第１枠体６ａ及び第２枠体６ｂ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、光電変換素子３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。

枠体６は、第１枠体６ａと、第２枠体６ｂとを貼り合わせて作製することができる。第１枠体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。

そして、第１枠体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。

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。

そして、取り出した焼結前の第１枠体６ａ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導電層８を形成する。さらに、焼結前の第１枠体６ａを焼成して、第１枠体６ａを作製することができる。

また、第２枠体６ｂは、第１枠体６ａの作製方法と同様の方法を用いて、焼結前の支持部６ｃを有する第２枠体６ｂを作製することができる。そして、取り出した焼結前の第２枠体６ｂの支持部６ｃの表面であって、集光部材７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集光部材７を接合するためのメタライズ層を形成する。さらに、第２枠体６ｂの下面に対しても、メタライズ層を形成する。そして、焼結前の第２枠体６ｂを焼成して、第２枠体６ｂを作製することができる。

次に、集光部材７を準備する。集光部材７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７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７を作製することができる。なお、集光部材７の金型を任意の形状に設定することで、所望の集光部材７を作製することができる。

次に、第２枠体６ｂの下面に形成したメタライズ層にろう材を介して、第１枠体６ａの上面と貼り合わせて、両台を固着させることによって、枠体６を準備することができる。

そして、準備した基板５の第２主面Ｓ２上に枠体６を半田を介して接合する。

さらに、基板５の第１主面Ｓ１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の上面から第２枠体９で囲まれる導電層上８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。

また、第２枠体９外に位置する導電層８上に対して、導電板１０を例えば半田等を介して接合する。

次に、第２枠体６ｂ上に例えば半田等の接着部材９を介して集光部材７を接合する。そして、光電変換素子３を第１枠体６ａ、第２枠体６ｂ及び集光部材７によって封止することができる。このようにして、光電変換装置２を同時に作製することができる。

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。

＜変形例１＞
本発明は上述の実施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。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る光電変換モジュール及び光電変換装置のうち、本実施形態に係る光電変換モジュール１及び光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

上記実施形態では、集光部材７の下部７ａは、平面透視して上部７ｂの下端の領域と合わさる大きさに設定されているが、これに限られない。例えば、図８に示すように、集光部材７の下部７ａｙを、断面視したときに枠体６の内壁面に向かって突出するように形成してもよい。

また、枠体６の内壁面は、枠体６に集光部材７を接合した状態で、集光部材７の下部７ａｙの側面と対向する対向面なるように形成されている。そのため、枠体６に集光部材７を接合する際に、両者の位置合わせをするのに、枠体６の内壁面と集光部材７の下部７ａｙの側面との間の距離を調整することで、容易にアライメントすることができる。その結果、枠体６に対する集光部材７の位置関係を所望の状態にすることができ、集光部材７の集光効率７を良好にすることができる。

＜変形例２＞
上記実施形態では、集光部材７の下部の光電変換素子３と対向する下面は、光電変換素子３の上面と対向する平面状に形成されていたが、これに限られない。例えば、図９に示すように、集光部材７の下部７ａｚの光電変換素子３と対向する下面は、光電変換素子３に向かって突出する凸曲面に形成されていてもよい。

集光部材７の下部７ａｚの下面を凸曲面とすることで、集光部材７の上部７ｂから下部７ａｚに進行する光、集光部材７の下面の凸状の出射面に集光させることができ、その出射面から集光した光を、光電変換素子３に向かって進行させることができる。その結果、光電変換素子３の光電変換効率を効果的に向上させることができる。

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 枠体
６ａ 第１枠体
６ｂ 第２枠体
６ｃ 支持部
７ 集光部材
７ａ 下部
７ｂ 上部
８ 導電層
９ 接着部材
１０ 導電板
ＳＰ 空間
Ｓ１ 第１主面領域
Ｓ２ 第２主面領域
Ａ１ 空隙

Claims (5)

1. 基板と、
   基板上に設けられる多角形状の素子と、
   前記基板上に設けられ、平面視したときに前記素子と間を空けて前記素子を取り囲む枠体と、
   前記枠体に接合されるとともに、前記枠体で囲まれる空間を覆う集光部材と、を備え、
   前記集光部材は、下部の外縁形状が前記素子の外縁形状の相似形であるとともに、上部が下方から上方に向かって幅広の逆円錐台状であって、平面透視したときに前記集光部材と前記素子とが重なることを特徴とする光電変換装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記素子は、平面透視したときに前記集光部材の下部の外周内に位置することを特徴とする光電変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の発光装置であって、
   前記集光部材の下部の側面は、断面視したときに前記枠体の内壁面に向かって突出していることを特徴とする光電変換装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記集光部材の下部の前記素子と対向する下面は、前記素子に向かって突出する凸曲面であることを特徴とする光電変換装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換装置と、
   前記光電変換装置上に設けられる受光部材と、を備えたことを特徴とする光電変換モジュール。
   
   
   
   

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