JP2013247212A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率を良好に維持することが可能な光電変換装置を提供する。
【解決手段】光電変換装置であって、金属基板２と、金属基板２上に設けられたセラミック基板と、セラミック基板上に設けられた第１電極層４と、セラミック基板上に設けられた第２電極層５と、第１電極層４上に設けられた光電変換素子６と、金属基板２上に光電変換素子６を取り囲むように設けられた枠体７と、枠体７上に、平面視して光電変換素子６と重なるように光透過性部材が設けられた蓋体と、を備えている。
【選択図】図９

Description

本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に関する。

近年、光電変換素子を有する小型の光電変換装置の開発が進められている。特に、発電効率の向上を目的として、光電変換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）。なお、特許文献１に開示された光電変換装置は、光電変換素子に光を集める柱状の集光レンズがパッケージ内に設けられている。

特開２０１１−１３８９７０号公報

光電変換装置の開発において、集光レンズによりパッケージ内の光電変換素子に光を集めると、パッケージ内の温度が上昇し、光を電気に変換する光電変換が所望環境温度で行われず、光電変換効率が停滞化する虞がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光電変換効率を良好に維持することが可能な光電変換装置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、本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、上面に矩形状の中央領域、前記中央領域を取り囲む矩形枠状の周辺領域および前記周辺領域を取り囲む外周領域を有する矩形状の金属基板と、前記金属基板上に前記中央領域から前記周辺領域にかけて外周が前記周辺領域の外周に重なるように設けられた矩形状のセラミック基板と、前記セラミック基板上に、平面視して前記周辺領域の外縁の１つの辺から前記中央領域にかけて設けられた第１電極層と、前記セラミック基板上に、平面視して前記周辺領域の外縁の前記１つの辺を除く３つの辺に沿って連続して設けられた第２電極層と、前記第１電極層上のうち平面視して前記中央領域に設けられ、前記第１電極層および前記第２電極層に電気的に接続された光電変換素子と、前記金属基板上の前記外周領域に設けられた、前記周辺領域を取り囲む枠体と、前記枠体上に、平面視して前記光電変換素子と重なるように光透過性部材が設けられた蓋体と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、光電変換効率を良好に維持することが可能な光電変換装置を提供することができる。

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内部を示した概観斜視図あって、光透過性部材を備えた蓋体を取り外した状態である。 本実施形態に係る光電変換総意の概観斜視図であって、金属基板上の中央領域、周辺領域および外周領域を示している。 本実施形態に係る光電変換装置の概観斜視図であって、金属基板上のセラミック基板を示している。 本実施形態に係る光電変換装置の概観斜視図であって、セラミック基板上の第１電極層および第２電極層を示している。 本実施形態に係る光電変換装置の概観斜視図であって、第１電極層上の光電変換素子およびバイパスダイオードを示している。 本実施形態に係る光電変換装置の内部の断面を示した分解斜視図である。 図７に示したＡ部分の部分拡大図である。 本実施形態に係る光電変換装置の内部の断面を示した分解斜視図である。 図９に示したＢ部分の部分拡大図である。 本実施形態に係る光電変換装置の光電変換素子とバイパスダイオードとの電気的接続関係を示している。

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。

＜光電変換装置の構成＞
本実施形態に係る光電変換装置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。光電変換装置１は、金属基板２と、金属基板２上に設けられたセラミック基板３と、セラミック基板３上に設けられた第１電極層４と、セラミック基板３上に設けられた第２電極層５と、第１電極層４上に設けられた光電変換素子６と、金属基板２上に光電変換素子６を取り囲むように設けられた枠体７と、枠体７上に、平面視して光電変換素子６と重なるように光透過性部材８が設けられた蓋体９と、を備えている。

金属基板２は、矩形状であって、上面に矩形状の中央領域Ｒ１、中央領域Ｒ１を取り矩形枠状の囲む周辺領域Ｒ２および周辺領域Ｒ２を取り囲む矩形枠状の外周領域Ｒ３とを有している。金属基板２は、放熱性に優れた金属材料からなり、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトまたはクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。なお、金属基板２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。金属基板２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。

金属基板２は、対角線上の二角のそれぞれから外部に向かって突出した一対の固定部２ａが設けられている。一対の固定部２ａの間にボルトや螺子等の固定部材を位置決めして、金属基板２を固定する。また、金属基板２は、一対の固定部２ａが設けられていない対角線上の二角が、面取りされている。金属基板２は、平面視して、一対の固定部２ａを除いて一辺の長さが、例えば１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下に設定されている。また、金属基板２の上下方向の厚みが、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

セラミック基板３は、金属基板２の上面の中央領域Ｒ１から周辺領域Ｒ２にかけて外周が周辺領域Ｒ２の外周に重なるように設けられている。セラミック基板３は、第１電極層４および第２電極層５を設けることが可能な板状体である。セラミック基板３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ス等の絶縁層を単層または複数層積層したものである。なお、セラミック基板３の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。セラミック基板３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。

セラミック基板３は、金属基板２、第１電極層４および第２電極層５とをそれぞれ電気的に絶縁するものである。セラミック基板３の上面および下面には、例えば、モリブデン
またはマンガン等の金属ペーストを焼結したメタライズ層が形成されるとともに、ニッケルまたは金等からなるメッキ層が形成されている。そして、セラミック基板３は、セラミック基板３の下面に形成された鍍金層によって、金属基板２と例えば半田またはろう材等の接合部材を介して接続される。また、セラミック基板３は、セラミック基板３の上面に形成された鍍金層によって、第１電極層４および第２電極層５と例えば半田またはろう材等の接合部材を介して接続される。なお、セラミック基板３は、平面視して、一辺の長さが例えば８ｍｍ以上９８ｍｍ以下に設定されている。また、セラミック基板３の上下方向の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。

第１電極層４は、セラミック基板３上であって、平面視して周辺領域Ｒ２の１つの辺から中央領域Ｒ１にかけて設けられている。第１電極層４は、平面視して中央領域Ｒ１と重なる箇所に光電変換素子６が設けられて、光電変換素子６の下面と電気的に接続される。第１電極層４および第２電極層５は、光電変換素子６で起電した電力を外部に取り出すためのものである。第１電極層４は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトまた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電極層４は、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットに対して、従来周知の圧延加工または打ち抜き加工などの金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。また、第１電極層４の表面は、酸化腐食の防止または光電変換素子６を実装するために、電気めっき法または無電解めっき法を用いて、ニッケルまたは金等の鍍金層が形成されている。

第２電極層５は、平面視して周辺領域Ｒ２の第１電極層４が設けられた１つの辺を除いた３つの辺に沿って連続して設けられている。第２電極層５は、ワイヤを介して光電変換素子６の上面と電気的に接続される。第２電極層５は、第１電極層４と同様に、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトまたはクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。

第２電極層５は、第１電極層４と同様に、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットに対して、従来周知の圧延加工または打ち抜き加工などの金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。また、第２電極層５の表面は、酸化腐食の防止のために、電気めっき法または無電解めっき法を用いて、ニッケルまたは金等の鍍金層が形成されている。

光電変換素子６は、第１電極層４上であって平面視して中央領域Ｒ１に設けられる。そして、光電変換素子６は、第１電極層４と電気的に接続される。

光電変換素子６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６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６は、平面視して一辺の長さが、例えば３ｍｍ以上８０ｍｍ以下である。また、光電変換素子６の上下方向の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

枠体７は、金属基板２の外周領域Ｒ３に設けられ、周辺領域Ｒ２を取り囲んでいる。枠
体７は、放熱性に優れた金属材料からなり、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトまたはクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。なお、枠体７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。枠体７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。

枠体７は、枠体７で取り囲む矩形状の内部空間に配置された、第１電極層４、第２電極層５および光電変換素子６を外部から保護するものである。枠体７は、平面視して四隅が面取りされている。なお、枠体７は、平面視して一辺の長さが、例えば１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下に設定されている。枠体７の上下方向の厚みは、例えば３ｍｍ以上３０ｍｍ以下に設定されている。

枠体７は、高さ方向の途中に一対の貫通孔７ａが設けられている。一対の貫通孔７ａは、中央領域Ｒ１を間に挟んで対向して配置されている。貫通孔７ａは、第１端子１０または第２端子１１が接触せずに枠体７内から枠体７外に延在することが可能な大きさであって、例えば矩形状に形成されている。また、貫通孔７ａは、平面方向に沿った方向の長さが例えば０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、平面方向に直交する方向の長さが例えば２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であって、上下方向の長さが例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。

第１端子１０は、第１電極層４上から枠体７の一対の貫通孔７ａの一方を通って枠体７外に延在されている。第１端子１０は、第１電極層４と半田またはろう材を介して電気的に接続されている。また、第２端子１１は、第２電極層５上から枠体７の一対の貫通孔７ａの他方を通って枠体７外に延在されている。第２端子１１は、第２電極層５と半田またはろう材を介して電気的に接続されている。

第１端子１０および第２端子１１は、第１電極層４および第２電極層５を介して光電変換素子６で起電した電力を外部に取り出すことができる。第１端子１０および第２端子１１は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトまた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端子１０は、図１０に示すように、板状の金属板を折り曲げた形状に、枠体７の貫通孔７ａに通した状態で、枠体７外から枠体７内に必要以上に進入するのを防止するストッパー１０ａが設けられている。第２端子１１は、第１端子１０と同形状に形成されている。第１端子１０および第２端子１１は、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットに対して、従来周知の圧延加工または打ち抜き加工などの金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。また、第１端子１０および第２端子１１の表面は、酸化腐食の防止のために、電気めっき法または無電解めっき法を用いて、ニッケルまたは金等の鍍金層が形成されている。

第１端子１０は、枠体７の貫通孔７ａに通した状態で、ストッパー１０ａと枠体７との間に、絶縁性のセラミック材料からなる中間部材１２が設けられている。中間部材１２は、ストッパー１０ａの内面と枠体７の外面との間に介在されることで、第１端子１０と枠体７とが接触するのを防止することができる。そして、第１端子１０と枠体７とが電気的に接続されないようにすることができる。

蓋体９は、枠体７上に、平面視して光電変換素子６と重なるように設けられている。蓋体９は、平面視して中央領域Ｒ１の外縁に沿った箇所から光電変換素子６に向かって延在され、平面視して光電変換素子６を取り囲む壁部９ａが設けられている。そして、光透過性部材８は、壁部９ａの下端に設けられている。

光透過性部材８が設けられた蓋体９は、枠体７内に設けられた、第１電極層４、第２電極層５および光電変換素子６を外部から保護するものであって、光透過性部材８を介して光が光電変換素子６に照射される。蓋体９は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトまたはクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。

蓋体９は、平面視して四隅が面取りされている。蓋体９は、平面視して外縁の一辺の長さが、例えば１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下に設定されている。蓋体９の壁部９ａを除いた上下方向の厚みは、例えば０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。また、壁部９ａは、上下方向の厚みが、例えば１ｍｍ以上２５ｍｍ以下に設定されている。なお、壁部９ａは、壁部９ａの下端に光透過性部材８を設けた状態で、光透過性部材８の下面が光電変換素子６に接触しないほどの距離を、光電変換素子６の上面との間に空けておく。

光透過性部材８は、太陽光等の光が透過して、光透過性部材８の直下に位置する光電変換素子６に光を照射することができる。光透過性部材８は、例えば、ガラス、サファイアまたはシリコーン樹脂等の透光性材料からなる。光透過性部材８は、矩形状であって、平面視して一辺の長さが例えば６ｍｍ以上９６ｍｍ以下に設定されている。透光性基板８は、上下方向の厚みが例えば０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。光透過性部材８は、光電変換素子６の受光面の形状に合わさった形状である。そして、光電変換素子６の受光面に多くの光が照射されるため、光電変換素子６の周辺に余分な熱の発生を抑制することができ、金属基板２の放熱特性を良好に維持することができる。

光透過性部材８は、蓋体９の壁部９ａの下端に、例えば半田、ろう材、低融点ガラスまたは熱硬化性樹脂等の材料を介して接続される。例えばサファイアからなる光透過性部材８の上面の外周部で、平面視して壁部９ａの下端と重複する部位にメタライズ層を下地とする鍍金層が形成されるとともに、この鍍金層を介して光透過性部材８が壁部９ａの下端にろう材で接合固定される。

光透過性部材８は、蓋体９の壁部９ａの下端に設けられているため、壁部９ａの内面で反射した光が、壁部９ａと光透過性部材８によって形成された蓋体９の凹部の底に集まる。そして、光は、蓋体９の凹部の底から光透過性部材８を介して、その直下に位置する光電変換素子６を照射する。

光透過性部材８と光電変換素子６との間の距離は、例えば５ｍｍ以下と非常に小さく、光透過性部材８を通った光の殆どはそのまま光電変換素子６に到達する。光透過性部材８の下面と光電変換素子６との距離を短くすることで、光透過性部材８を透過してパッケージ内に入射した光は光電変換素子６の周囲に広がり難く、光透過性部材８から光電変換素子６に効率よく照射されるとともに、金属基板２、枠体７および蓋体９で囲まれるパッケージ内の空間を小さくすることができる。光電変換素子６が発電する際や光が照射された際等では、光電変換素子６の温度が高くなり、パッケージ内の温度も上昇するが、パッケージ内の空間を小さく設定したことで、発生した熱をすばやく放熱性の優れた金属材料に伝えて、外部に熱を放散しやすくすることができる。

バイパスダイオード１３は、図６に示すように、第１電極層４上であって、周辺領域Ｒ２の四隅の一箇所に設けられている。バイパスダイオード１３は、図１１に示すように、光電変換素子６に対して電気的に並列に接続されている。そして、光電変換素子６に不具合が発生して光電変換できなくなった場合、不具合が発生していない他の光電変換素子６によって光電変換された電流は、バイパスダイオード１３から成るバイパス回路に流れる。さらに、複数の光電変換装置１への逆電流を防止するため、逆流防止ダイオードを直列に複数の光電変換装置１に接続してもよい。なお、バイパスダイオード１３は、第１電極層４の上面と接続され、第２電極層５の上面とワイヤを介して電気的に接続される。

仮に、パッケージ内に集光レンズを設けた場合は、集光レンズによって光を集めるため、光電変換素子の温度が必要以上に上昇しやすい。そして、パッケージ内の空間が大きいと、密封封止した空間では空気の熱膨張によって、パッケージの強度が保てず、パッケージ自体が破壊される虞が高まる。本実施形態によれば、パッケージ内に集光レンズを設けず、板状の光透過性部材８が設けられている。そして、パッケージ内の空間を減らすとともに、パッケージの低背化を実現することができる。その結果、パッケージ内の空気が熱膨張する量を減らすことができ、パッケージが破壊されるのを抑制することができる。

また、仮に、パッケージを密封封止しなくても、パッケージを構成する各部材の熱膨張率の違いによって、パッケージが破壊される虞が高まる。そして、集光レンズと光電変換素子との相対距離が変化して、光電変換効率が低下してしまう。また、集光レンズによって、光電変換素子に光を集めると、必要以上に光電変換素子の温度が上昇し、光電変換素子が光を電気に変換する電気特性が大きく変化する虞がある。つまり、光電変換が光電変換素子の所望環境温度条件範囲内で行われず、光電変換効率が停滞する虞がある。そこで、本実施形態によれば、光電変換素子の直上に光透過性部材を配置することで、光透過性部材を通った光を光電変換素子に当てて、光電変換を行なうようにすることができる。そして、光電変換素子に光を必要以上に集めずに、光電変換素子が必要以上に高温になるのを抑制することができ、所望環境温度範囲内で光電変換しやすくすることができ、光電変換効率を良好に維持することができる。

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。

＜光電変換装置の製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換装置１の製造方法を説明する。まず、金属基板２、第１電極層４、第２電極層５、枠体７、蓋体９、第１端子１０および第２端子１１等の金属部材を準備する。各金属部材は、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。金属基板２は、光電変換素子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、例えばアルミニウム、銅、タングステンまたはモリブデン等の放熱機能を備えた金属材料からなる。なお、蓋体９は、光透過性部材８を蓋体９の壁部９ａの下端に固定しておく。

次に、セラミック基板３および中間部材１２等のセラミック部材を準備する。セラミック基板３は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウムの原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得る。そして、セラミック基板３を板状に形成して乾燥させた後、焼結前のセラミック基板３を取り出す。

また、タングステンまた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、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、焼結前のセラミック基板３を焼成して、所望の形状に切断することによってセラミック基板３を作製することができる。なお、中間部材１２も、セラミック基板３の作製方法と同様の方法を用いて、中間部材１２を作製することができる。

各金属部材および各セラミック部材を組み合わせるとともに、光電変換素子６を第１電極層４上の中央領域Ｒ１上に設ける。また、バイパスダイオード１３を枠体７で囲まれる第１電極層４上の一部に設ける。さらに、蓋体９を用いて、枠体７で囲まれた領域を被覆するように封止することができる。このようにして、光電変換装置１を作成することができる。

１ 光電変換装置
２ 金属基板
２ａ 固定部
３ セラミック基板
４ 第１電極層
５ 第２電極層
６ 光電変換素子
７ 枠体
７ａ 貫通孔
８ 光透過性部材
９ 蓋体
９ａ 壁部
１０ 第１端子
１１ 第２端子
１２ 中間部材
１３ バイパスダイオード
Ｒ１ 中央領域
Ｒ２ 周辺領域
Ｒ３ 外周領域

Claims (3)

1. 上面に矩形状の中央領域、前記中央領域を取り囲む矩形枠状の周辺領域および前記周辺領域を取り囲む外周領域を有する矩形状の金属基板と、
   前記金属基板上に前記中央領域から前記周辺領域にかけて外周が前記周辺領域の外周に重なるように設けられた矩形状のセラミック基板と、
   前記セラミック基板上に、平面視して前記周辺領域の外縁の１つの辺から前記中央領域にかけて設けられた第１電極層と、
   前記セラミック基板上に、平面視して前記周辺領域の外縁の前記１つの辺を除く３つの辺に沿って連続して設けられた第２電極層と、
   前記第１電極層上のうち平面視して前記中央領域に設けられ、前記第１電極層および前記第２電極層に電気的に接続された光電変換素子と、
   前記金属基板上の前記外周領域に設けられた、前記周辺領域を取り囲む枠体と、
   前記枠体上に、平面視して前記光電変換素子と重なるように光透過性部材が設けられた蓋体と、を備えたことを特徴とする光電変換装置。
2. 請求項１に記載の光電変換装置であって、
   前記蓋体は、平面視して前記中央領域の外縁に沿った箇所から前記セラミック基板に向かって延在した、平面視して前記光電変換素子を取り囲む壁部を有しており、前記光透過性部材は、前記壁部の下端に取り付けられていることを特徴とする光電変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の光電変換装置であって、
   前記枠体は、高さ方向の途中に一対の貫通孔が設けられており、
   前記一対の貫通孔の一方を通って前記第１電極層に電気的に接続された第１端子が設けられ、前記一対の貫通孔の他方を通って前記第２電極層に電気的に接続された第２端子が設けられていることを特徴とする光電変換装置。

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