JP2013115121A - 集光型太陽電池装置用部品および集光型太陽電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換領域の中央部分に照射された光の一部が集光型太陽電池素子を透過した場合でも集光型太陽電池素子における光電変換効率の向上すること。
【解決手段】
集光型太陽電池装置は、集光型太陽電池装置用部材１と、集光型太陽電池装置用部材１に実装された集光型太陽電池素子２と、集光型太陽電池装置用部材１上に集光型太陽電池素子２を取り囲むように設けられている枠体３と、枠体３と接合されているとともに、集光型太陽電池素子２の上方に設けられている集光部材４とを含んでいる。光の一部が集光型太陽電池素子を透過しても、透過した光は散乱するように上方へ反射されて光電変換領域の全体に届くため、集光型太陽電池素子における光電変換効率が向上される。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光型太陽電池装置用部品および集光型太陽電池装置に関するものである。

近年、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。集光型太陽電池装置は、集光型太陽電池素子上に集光部材が設けられている。集光部材は、例えば、集光型太陽電池素子の上方に設けられたロッドレンズである。ロッドレンズは、光の強度むらを低減させつつ、集光型太陽電池素子に光を導く機能を有している。（例えば、特許文献１参照）。

特開2002−289898号公報

しかしながら、例えばロッドレンズによって集光型太陽電池素子に届く光の強度むらを低減させたとしても、なお集光型太陽電池素子の光電変換領域の中央部分における光強度が強くなる場合があり、集光型太陽電池素子の中央部分に照射された光の一部が集光型太陽電池素子の光電変換領域を透過してしまい、集光型太陽電池素子における光電変換効率の向上が困難な場合があった。

本発明の一つの態様によれば、集光型太陽電池装置用部品は、集光型太陽電池素子の搭載領域を含んでいる素子搭載部材を有している。素子搭載部材は、搭載領域の中央部分に設けられた光散乱部を有している。

本発明の他の態様によれば、集光型太陽電池装置は、上記構成の集光型太陽電池装置用部品と、集光型太陽電池素子とを有している。集光型太陽電池素子は、集光型太陽電池装置用部品の搭載領域に設けられており、光散乱部を覆っている。

本発明の一つの態様による集光型太陽電池装置用部品において、素子搭載部材が光散乱部を有しており、光散乱部が搭載領域の中央部分に設けられていることによって、仮に光電変換領域の中央部分における光強度が強く、光の一部が集光型太陽電池素子を透過しても、透過した光は散乱するように上方へ反射されて光電変換領域の全体に届くため、集光型太陽電池素子における光電変換効率が向上される。

本発明の第１の実施形態における集光型太陽電池装置の分解斜視図を示している。 図１に示した集光型太陽電池装置のＡ−Ａ線における縦断面図を示している。 （ａ）は本発明の第１の実施形態における集光型太陽電池素子の上面図を示しており、（ｂ）は本発明の第１の実施形態における集光型太陽電池素子の下面図を示している。 本発明の第２の実施形態における集光型太陽電池装置の分解斜視図を示している。 図４に示した集光型太陽電池装置のＢ−Ｂ線における縦断面図を示している。 （ａ）は本発明の第１の実施形態の他の例における集光型太陽電池素子の上面図を示しており、（ｂ）は本発明の第１の実施形態の他の例における集光型態様電池素子の下面図を示している。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態における集光型太陽電池装置は、図１および図２に示されているように、集光型太陽電池装置用部品１と、集光型太陽電池装置用部品１に実装された集光型太陽電池素子２と、集光型太陽電池装置用部品１上に集光型太陽電池素子２を取り囲むように設けられている枠体３と、枠体３と接合されているとともに、集光型太陽電池素子２の上方に設けられている集光部材４とを含んでいる。

図１において、集光型太陽電池装置は、仮想のｘｙｚ空間におけるｘｙ平面に実装されている。図１および図２において、上方向とは、仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

集光型太陽電池装置用部品１は、集光型太陽電池素子２の搭載領域111を有する素子搭
載部材11と、第１接続電極121と、第２接続電極122と、端子電極12とを含んでいる。素子搭載部材11は絶縁基体を含んでおり、搭載領域111の中央部分に凹部112を有している。凹部112は光散乱部113を含む内面を有している。素子搭載部材11の上面には第１接続電極121および第２接続電極122が設けられており、素子搭載部材11の下面には端子電極12が設けられている。第１接続電極121と端子電極12および第２接続電極122と端子電極12は素子搭載部材11の絶縁基体内部でそれぞれ電気的に接続されており、端子電極12は接続部材を介して外部回路基板に電気的に接続される。

素子搭載部材11が含んでいる絶縁基体は、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、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミック等のセラミックス、ガラスエポキシ、アクリルまたはエポキシ等の樹脂材料からなる。

第１接続電極121、第２接続電極122および端子電極12は、例えば、タングステン、モリブデンまたはマンガン等の金属材料からなり、例えば、スクリーン印刷法によるメタライズ形成技術を用いて形成される。

光散乱部113は、図１および図２に示された例のように、集光型太陽電池素子２の搭載
領域111の中央部分に設けられており、凹部112の内面に設けられている。

光の“散乱”の例としては、ポーラス状に形成された光散乱部113において光の全反射
によって起こる乱反射がある。ポーラス状に形成された光散乱部113は、複数の粒子およ
び複数のセルを含んでいる。例示的な粒子は、セラミック粒子である。セルの構造例は空隙である。セルの他の構造例は、粒子より光の屈折率の小さい媒質が充填されたものである。この他の構造例の場合、例えば、集光部材４の内側空間に粒子より光の屈折率の小さいガスが充填されている。

“ポーラス状”とは、複数の粒子を有する構造体において、15％から43％までの範囲に含まれる気孔率を有している。光散乱部113の気孔率の例示的な測定方法は、マイクロメ
リティクス（Micromeritics）社製のポアサイザー（Pore Sizer）9310型による水銀圧入
法である。

粒子は、セルより屈折率が大きい。粒子に入射された光は、粒子とセルとの界面において全反射される。粒子とセルとの界面は様々な方向を向いていることにより、光散乱部113に入射された光は乱反射される。

この例における集光型太陽電池装置は、光を散乱させる光散乱部113を有する素子搭載
部材11を含んでいることにより、集光型太陽電池素子２の光電変換領域２ａを透過した光を散乱させて集光型太陽電池素子２の広い領域に照射することができる。従って、集光型太陽電池装置は、集光型太陽電池素子２における光電変換の効率を向上させることができる。

光の“散乱”の他の例としては、粗面化された表面において光が複数の方向に反射されることにより起こる乱反射がある。“粗面化された表面”とは、例えば、0.4μｍから0.8μｍまでの範囲に含まれる算術平均粗さＲａを有する表面のことをいう。光散乱部113は
、例えばセラミックスまたは金属からなる。

本実施形態における集光型太陽電池装置は、光を散乱させる光散乱部113を有する素子
搭載部材11を含んでいることにより、ポーラス状に形成された光散乱部113と同様に、集
光型太陽電池素子２の光電変換領域２ａを透過した光を散乱させて集光型太陽電池素子２の広い領域に照射することができる。

光散乱部113は、素子搭載部材11の表面を上記したようなポーラス状とするか、もしく
は粗面化することによって設けられている。

光散乱部113の他の例としては、素子搭載部材11の表面に金属層またはセラミック層を
設けて、金属層またはセラミック層の表面をポーラス状または粗面化することによって設けたものがある。

集光型太陽電池素子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。集光型集光型太陽電池素子２は、光起電力効果により、受けた光エネルギーを即時に電力に変換して出力することができる。例えば、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（ＩｎＧａＰ）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（ＧａＡｓ）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（Ｇｅ）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。

集光型太陽電池素子２は、図３に示された例のように矩形状を有しており、上面には集光型太陽電池素子２の上面電極21が設けられており、下面には下面電極22が設けられている。上面電極21は、例えば図３（ａ）に示された例のように、平面視において集光型太陽電池素子２の外縁側に設けられている。また、上面電極21は導電性ワイヤ５によって第１接続電極121に電気的に接続されている。下面電極22は、例えば図３（ｂ）に示された例
のように、平面視で集光型太陽電池素子２の中央領域を取り囲むような枠形状を有している。また、下面電極22は、例えば低融点半田、導電性エポキシ樹脂等の接合材６を介して第２接続電極122と電気的に接続されている。なお、上面電極21の第１接続電極121に対する導電性ワイヤ５の接続箇所は、３箇所以上としても良い。これにより、導電性ワイヤ５の１本あたりの電流が低減され、熱の発生を抑制できる。上面電極21および下面電極22の
材料は、銀、アルミニウム等を用いることができる。

枠体３は、例えば平面視したときに、中央部に貫通孔のある矩形状に形成されている。枠体３は、集光部材４を支持する機能を有しており、枠体３の上方で枠体３と集光部材４とが接合される。枠体３は素子搭載部材11と同様の材料を用いることができる。なお、枠体３は平面視したときに、円形状等に形成してもよい。

枠体３は、集光部材４の側面の一部のみで接合されているので、枠体３と集光部材４の接合面積を小さくすることできる。結果として、枠体３から集光部材４への圧縮応力が低減でき、集光部材４の屈折率の変化による集光型太陽電池素子２の受光面への照射光の位置ずれを抑制することができ、集光性を向上できる。

また、枠体３は、枠体３の全周にわたって集光部材４と接合されるとともに、集光型太陽電池素子２を囲むように設けられている。したがって、集光型太陽電池素子２は、素子搭載部材11、枠体３および集光部材４で囲まれた空間内に設けられて気密封止される。集光型太陽電池素子２が、内部の空間に設けられることによって、集光型太陽電池素子２を気密封止することができるため、集光型太陽電池素子２の耐湿性が向上し、集光型太陽電池素子２を長期にわたって信頼性良く作動させることができる。

集光部材４は、集光型太陽電池素子２の上方に設けられており、例えば上端から下端に向かうに伴って断面積が小さくなる円錐台形状または角錐台形状を有している。集光部材４は、光を集光型太陽電池素子２に導く機能を備えている。集光部材４の上端に入射された光は、集光部材４の側面において繰り返し全反射されて、集光部材４の下端から集光型太陽電池素子２の上面の受光面に入射される。集光部材４は、光の反射によって入射された光の光エネルギーの強度分布を均等化するという機能を有している。集光部材４は、例えば、ホウ珪酸ガラス、プラスチックまたは透光性樹脂等からなる。

また、集光部材４は、枠体３との接合のための金属層が、集光部材４の側面に全周にわたって形成されている。また、集光部材４の側面の金属層は、蒸着法またはスパッタ法等の薄膜形成技術によって形成される。金属層は、例えば、チタン、白金、金、クロム、ニッケル、金、銀、銅、或いはそれらの合金等の金属材料からなる。集光部材４の側面の金属層が、例えば、ロウ材、半田、低融点ガラスまたはエポキシ樹脂等からなる接合部材を介して、枠体３の全周にわたって枠体３と接合される。接合方法は、例えば、ロウ接合、半田接合または樹脂接合等の方法からなる。

ロウ材は、例えば、銀−銅ロウ等からなる。半田は、金−錫系、金−ゲルマニウム系または錫−鉛系等からなる。また、低融点ガラスとは、ガラス転移点が６００℃以下のガラスのことをいう。また、集光部材４は、枠体３の上方で、枠体３と接合されている。

本実施形態における集光型太陽電池装置用部品１は、搭載領域111が光散乱部113を有しており、光散乱部113が搭載領域111の中央部分に設けられていることによって、仮に光電変換領域２ａの中央部分における光強度が強く、光の一部が集光型太陽電池素子２の光電変換領域２ａを透過しても、透過した光は散乱するように上方へ反射されて光電変換領域２ａの全体に届くため、集光型太陽電池素子２における光電変換効率が向上される。

本実施形態における集光型太陽電池装置用部品１は、素子搭載部材11が、搭載領域111
に設けられた凹部112をさらに有しており、光散乱部113が凹部112の底面に設けられてい
ることによって、光散乱部113と集光型太陽電池素子２との距離を長くできるので、光散
乱部113で反射された光が、集光型太陽電池素子２の光電変換領域２ａのより周縁側に届
くため、光の強度むらを低減できる。

素子搭載部材11が、絶縁基体を含んでおり、光散乱部113が絶縁基体の表面に設けられ
ている場合には、素子搭載部材11の表面に光散乱部113を有する部材を設けることなく、
光散乱部113を設けることができるので、光散乱部113と集光型太陽電池素子２との距離を小さくすることを抑制できる。

光散乱部113が、ポーラス状のセラミックスから成る場合には、光散乱部113で散乱されて反射される光の輝度が低下することを抑制できる。

素子搭載部材11が、絶縁基体と、絶縁基体上に設けられた金属層を含んでおり、光散乱部113が、金属層の表面に設けられている場合には、光散乱部113で散乱されて反射される光の輝度が低下することを抑制できる。

本実施形態における集光型太陽電池装置は、集光型太陽電池装置用部品１と、集光型太陽電池装置用部品１の搭載領域111に設けられており、光散乱部113を覆っている集光型太陽電池素子２とを備えていることから、光電変換効率を高めることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による集光型太陽電池装置について、図４および図５を参照しつつ説明する。

本発明の第２の実施形態における集光型太陽電池装置において、上記した第１の実施形態の集光型太陽電池装置と異なる点は、図５に示された例のように、光散乱部113が全体
的に凸曲面形状を有している点である。

光散乱部113が全体的に凸曲面形状を有していることから、光が凸曲面形状の表面で広
がるように反射されるので、光散乱部113で散乱された光が集光型太陽電池素子２の光電
変換領域２ａの全体に届くときの強度むらを低減できる。

なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、種々の変更は可能である。例えば、集光型太陽電池装置は、集光部材４が集光型太陽電池素子２の受光面に、透光性の接合部材によって接合されていてもよい。

また、集光型太陽電池装置は、枠体３および集光部材４が設けられていなくてもよい。

また、集光型太陽電池素子２の下面電極22は、図６に示された例のように網形状に設けられていてもよい。

１ 集光型太陽電池装置用部品
11 素子搭載部材
111 搭載領域
112 凹部
113 光散乱部
121 第１接続電極
122 第２接続電極
12 端子電極
２ 集光型太陽電池素子
２ａ 光電変換領域
21 上面電極
22 下面電極
３ 枠体
４ 集光部材
５ 導電性ワイヤ
６ 接合材

Claims (7)

1. 集光型太陽電池素子の搭載領域を有する素子搭載部材を備えており、
   該素子搭載部材が、前記搭載領域の中央部分に設けられた光散乱部を有していることを特徴とする集光型太陽電池装置用部品。
2. 前記素子搭載部材が、前記搭載領域に設けられた凹部をさらに有しており、
   前記光散乱部が、前記凹部の底面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の集光型太陽電池装置用部品。
3. 前記素子搭載部材が、絶縁基体を含んでおり、
   前記光散乱部が、前記絶縁基体の表面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の集光型太陽電池装置用部品。
4. 前記光散乱部が、ポーラス状のセラミックスから成ることを特徴とする請求項３記載の集光型太陽電池装置用部品。
5. 前記素子搭載部材が、絶縁基体と、該絶縁基体上に設けられた金属層を含んでおり、
   前記光散乱部が、前記金属層の表面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の集光型太陽電池装置用部品。
6. 前記光散乱部が、全体的に凸曲面形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の集光型太陽電池装置用部品。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された集光型太陽電池装置用部品と、
   該集光型太陽電池装置用部品の前記搭載領域に設けられており、前記光散乱部を覆っている集光型太陽電池素子とを備えたことを特徴とする集光型太陽電池装置。