JP2015159151A - 集光型光電変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 新たにバンドギャップ設計をする必要がなく、太陽電池メーカー以外でも入手可能な既存の太陽電池を用いて容易に製造することができ、放熱設計が容易であり、集光倍率を高めても変換効率の低下を抑制できる集光型光電変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】 集光レンズと、前記集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備えた集光型光電変換装置であって、前記光電変換素子は、貫通孔を有する散乱光用太陽電池と、前記散乱光用太陽電池の前記貫通孔内に配置される集光用太陽電池とからなり、前記集光レンズは、透明な熱硬化性樹脂からなり、前記光電変換素子は、外部接続基板上に搭載されているものであることを特徴とする集光型光電変換装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、集光型光電変換装置及びその製造方法に関する。

従来から、光電変換装置として、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電装置が実用化されているが、低コスト化を実現し、さらに多くの発電量を得るために、集光レンズで集光した太陽光を集光レンズの受光面積より小さい太陽電池素子に照射して電
力を取り出すタイプの集光型光電変換装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来の集光型光電変換装置においては、晴天時には通常のシリコン太陽
電池を用いた平板の太陽電池モジュールと比較して多くの発電量が得られるが、曇天時に
はほとんど発電量が得られないといった問題があった。

上記の問題を解決するために、散乱光用シリコン太陽電池の上に集光用多接合型化合物半導体太陽電池を載せて、散乱光用シリコン太陽電池と集光用多接合型化合物半導体太陽電池とを電気的に接続する構成の集光型光電変換装置が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００６−３３９５２２号公報 特開２００９−１４７０７７号公報

特許文献２において提案されている集光型光電変換装置について、図７を参照しながら以下に説明する。
図７において、集光型光電変換装置３は、散乱光用太陽電池であるシリコン太陽電池１００と、シリコン太陽電池１００上に形成された集光用太陽電池である多接合型化合物半導体太陽電池２００とを有している。
なお、集光型光電変換装置３は、上部が受光面になっており、集光用太陽電池である多接合型化合物半導体太陽電池２００に集光する集光レンズ（不図示）を上部に有している。

シリコン太陽電池１００は、ｐ型シリコン基板１１３と、ｐ型シリコン基板１１３の受光面側に形成されたｎ型不純物ドーピング領域１１４と、ｐ型シリコン基板１１３の受光面と反対側に形成されたｐ型不純物ドーピング領域１１２とからなり、ｎ型不純物ドーピング領域１１４は、第１エミッタ層１１４ａと、第１エミッタ層１１４ａの周囲に設けられた第２エミッタ層１１４ｂとからなる。

第２エミッタ層１１４ｂの表面にはｎ電極１１５が形成されており、ｐ型不純物ドーピング領域１１２の表面にはｐ電極１１１が形成されている。
また、第１エミッタ層１１４a上には一部絶縁膜１１７を介してＬ字形状の接合電極１１６が形成されている。

多接合型化合物半導体太陽電池２００は、受光面側の第１の化合物半導体太陽電池５２３と、受光面と反対側にある第２の化合物半導体太陽電池５２４と、第１の化合物半導体太陽電池５２３と第２の化合物半導体太陽電池５２４との間にあるトンネル接合層５１８とを有している。
第１の化合物半導体太陽電池５２３と、第２の化合物半導体太陽電池５２４とは、トンネル接合層５１８によって接合されている。

第１の化合物半導体太陽電池５２３は、バンドギャップ幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下の半導体層によって形成された第１のｐｎ接合５２５を含んでおり、受光面側の第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６と、受光面と反対側の第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７とを有している。
第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６は複数のｎ型化合物半導体層が積層されることで形成され、第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７は複数のｐ型化合物半導体層が積層されることで形成されている。

第２の化合物半導体太陽電池５２４は、バンドギャップ幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の半導体層によって形成された第２のｐｎ接合５２６を含んでおり、受光面側の第２のｎ型化合物半導体層積層体５１９と、受光面と反対側の第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０とを有している。
第２のｎ型化合物半導体層積層体５１９は複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成され、第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０は複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成されている。

第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６の受光面側の表面にはｎ電極５２１が設けられており、第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０の受光面側と反対の表面にはｐ電極５２２が設けられている。

そして、多接合型化合物半導体太陽電池２００のｐ電極５２２がシリコン太陽電池１００の接合電極１１６上に設置されて電気的に接続されることにより、集光型光電変換装置３が形成されている。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、上記で説明した集光型光電変換装置３は、以下の問題点があることがわかった。
第１の問題点は、各サブセル（すなわち、集光用太陽電池及び散乱光用太陽電池）のバンドギャップ設計が困難であるため、高効率化が困難であるというものである。
すなわち、多接合型化合物半導体太陽電池とシリコン太陽電池の２種類の太陽電池を用いており、発電効率を向上させる為にそれぞれの太陽電池で主に吸収する波長を調整する必要があるが、どの波長をどの太陽電池で吸収させるかどうかの調整が難しく、結果的にバンドギャップ設計が難しくなるというものである。
この影響はシリコン太陽電池の面積に対する多接合型化合物半導体太陽電池の面積の比（通常は１より小さい）が比較的大きくなる場合に、すなわち、多接合型化合物半導体太陽電池の影になるシリコン太陽電池の面積が大きくなるほど、顕著となることが予想される。

第２の問題点は、太陽電池メーカー以外は製造が困難であるというものである。
すなわち、製造装置に億単位の半導体製造装置が必要となり、中小企業等の小さい会社では設備投資が難しく製造が困難になるというものである。

第３の問題点は、放熱設計が困難であるというものである。
すなわち、上記の集光型光電変換装置３は、集光用太陽電池である多接合型化合物半導体太陽電池２００がシリコン太陽電池１００上に配置されており、集光により発生した熱は多接合型太陽電池２００からシリコン太陽電池１００へ拡散するため、発生した熱がシリコン太陽電池１００を一度経由することにより、発生した熱を直接外部に逃がすことが出来ないため、放熱設計が困難になるというものである。

第４の問題点は、シリコン太陽電池の変換効率は温度上昇により低下しやすいため、集光倍率を高められないというものである。
すなわち、集光により多接合型化合物半導体太陽電池２００にて主に発生した熱がシリコン太陽電池１００に拡散してくるため、集光倍率を高めると、シリコン太陽電池１００の温度上昇により変換効率の低下が生じるというものである。
また、局所的な高温化はシリコン太陽電池に応力分布を生じさせるため、長期信頼性の観点からも問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、新たにバンドギャップ設計をする必要がなく、太陽電池メーカー以外でも入手可能な既存の太陽電池を用いて容易に製造することができ、放熱設計が容易であり、集光倍率を高めても変換効率の低下を抑制できる集光型光電変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、集光レンズと、前記集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備えた集光型光電変換装置であって、前記光電変換素子は、貫通孔を有する散乱光用太陽電池と、前記散乱光用太陽電池の前記貫通孔内に配置される集光用太陽電池とからなり、前記集光レンズは、透明な熱硬化性樹脂からなり、前記光電変換素子は、外部接続基板上に搭載されているものであることを特徴とする集光型光電変換装置を提供する。

このように、集光用太陽電池が散乱光用太陽電池の貫通孔内に配置され、光電変換素子を構成する散乱光用太陽電池及び集光用太陽電池が外部接続基板上に搭載される構成になっており、既存の集光用太陽電池と既存の散乱光用太陽電池とを組み合わせて電気的に接続すれば集光型光電変換装置となるので、新たにバンドキャップ設計する必要がなく、太陽電池メーカー以外でも容易に製造することができる構成になっている。
また、集光用太陽電池が外部接続基板上に搭載されているので、集光用太陽電池で発生した熱を直接外部接続基板に拡散させることができるため、散乱光用太陽電池への熱の拡散を防止できるとともに、放熱設計を容易にすることができる構成になっている。

このとき、前記散乱光用太陽電池と前記集光用太陽電池は、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、薄膜シリコン型、ＨＩＴ型、ＣＩＧＳ型、ＣｄＴｅ型、色素増感型、有機半導体型、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型の少なくとも１つ以上から構成されることができる。
このように、散乱光用太陽電池及び集光用太陽電池として、上記のようなタイプの太陽電池を好適に用いることができる。

このとき、前記透明な熱硬化性樹脂がシリコーンを含む材料であることが好ましい。
集光レンズを構成する透明な熱硬化性樹脂として、シリコーンを含む材料を好適に用いることができる。

このとき、散乱用太陽電池及び集光用太陽電池の集光レンズ側の表面に、光散乱防止材、蛍光体、量子ドットの少なくとも１つ以上を含む樹脂層又はガラス質層を有することが好ましい。
このような構成により、散乱用太陽電池及び集光用太陽電池の発電効率を向上させることができる。

このとき、前記散乱光用太陽電池の前記外部接続基板側の面に、前記散乱光用太陽電池を透過してきた光を反射又は散乱させる反射層を有することが好ましい。
このような構成により、散乱用太陽電池の発電効率を向上させることができる。

このとき、前記集光レンズと前記光電変換素子とが、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で光の透過率が８０％以上の透明な熱硬化性樹脂で、一体成型、封止されてことが好ましい。
このような構成により、散乱用太陽電池及び集光用太陽電池の発電効率を維持しながら、光電変換素子の耐湿性を向上させることができる。

また、本発明は、集光レンズと、前記集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備えた集光型光電変換装置であって、前記光電変換素子は、基材となるシリコン太陽電池と、前記シリコン太陽電池に形成された貫通孔内に配置されたＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池とを有し、前記光電変換素子は、外部接続基板上に搭載されているものであることを特徴とする集光型光電変換装置を提供する。

このように、集光用太陽電池であるＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池が、散乱光用太陽電池であるシリコン太陽電池の貫通孔内に配置され、光電変換素子を構成するシリコン太陽電池及びＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池が外部接続基板上に搭載される構成になっており、既存のＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池と既存のシリコン太陽電池とを組み合わせて電気的に接続すれば集光型光電変換装置となるので、新たにバンドキャップ設計する必要がなく、太陽電池メーカー以外でも容易に製造することができる。
また、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池が外部接続基板上に搭載されているので、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池で発生した熱を直接外部接続基板に拡散させることができるため、シリコン太陽電池への熱の拡散を防止でき、シリコン太陽電池の発電効率の低下を抑制できるとともに、放熱設計を容易にすることができる。

このとき、前記シリコン太陽電池、前記ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池の少なくとも１つ以上の前記集光レンズ側表面に、シリコーン樹脂を含む材料と波長調整可能な蛍光体とを混合した樹脂層が設けられていることが好ましい。
このような構成により、シリコン太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池の少なくとも一方の発電効率を向上させることができる。

このとき、シリコン太陽電池又はＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池の少なくとも１つ以上の前記集光レンズ側表面に、ポリシラザン類を主成分とする材料と波長調整可能な蛍光体とを混合して形成されるガラス質層が設けられていることも好ましい。
このような構成によっても、シリコン太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池の少なくとも一方の発電効率を向上させることができる。

また、本発明は、上記の集光型光電変換装置を製造する方法であって、前記光電変換素子を前記外部接続基板と一体化した後に、型を用いて、前記透明な熱硬化性樹脂で前記光電変換素子の前記外部接続基板と反対側の面に集光レンズを成形硬化させることを特徴とする集光型光電変換装置の製造方法を提供する。

上記の集光型光電変換装置の集光レンズを、このような製造方法を用いて製造することができる。

このとき、前記散乱光用太陽電池に形成される前記貫通孔を、ドリル、レーザー、エッチングの少なくとも１つ以上の加工方法によって形成することができる。
散乱光用太陽電池に形成される貫通孔を形成する際に、上記のような加工方法を好適に用いることができる。

このとき、前記集光レンズと前記光電変換素子とを、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で光の透過率が８０％以上の透明な熱硬化性樹脂を用いて、注型、トランスファー成型、圧縮成型、射出成型の少なくとも１つ以上によって、一体成型、封止することが好ましい。
集光レンズと前記光電変換素子とを一体成型、封止する際に、上記のような製造方法を好適に用いることができる。

また、本発明は、上記の集光型光電変換装置を製造する方法であって、前記樹脂層又は前記ガラス質層を、フィルム貼り合せ、スプレー、スピンコート、印刷、蒸着、金型による成形の少なくとも１つ以上によって形成することを特徴とする集光型光電変換装置の製造方法を提供する。

上記の集光型光電変換装置の樹脂層又はガラス質層は、このような製造方法によって製造することができる。

また、本発明は、上記の集光型光電変換装置を製造する方法であって、前記光電変換素子を前記外部接続基板と一体化した後に、型を用いて、透明なシリコーン樹脂を含む材料で前記光電変換素子の前記外部接続基板と反対側の面に集光レンズを成形硬化させることを特徴とする集光型光電変換装置の製造方法を提供する。

上記の集光型光電変換装置の集光レンズを、このような製造方法を用いて製造することができる。

以上のように、本発明によれば、集光用太陽電池が散乱光用太陽電池の貫通孔内に配置され、光電変換素子を構成する散乱光用太陽電池及び集光用太陽電池が外部接続基板上に搭載される構成になっており、既存の集光用太陽電池と既存の散乱光用太陽電池とを組み合わせて電気的に接続すれば集光型光電変換装置となるので、新たにバンドキャップ設計する必要がなく、太陽電池メーカー以外でも容易に製造することができる。
また、本発明によれば、集光用太陽電池が外部接続基板上に搭載されているので、集光用太陽電池で発生した熱を直接外部接続基板に拡散させることができるため、散乱光用太陽電池への熱の拡散を防止できるとともに、放熱設計を容易にすることができる。

本発明の集光型光電変換装置を示す断面図及び斜視図である。 本発明の集光型光電変換装置の集光レンズを示す断面図である。 本発明の集光型光電変換装置の具体例を示す断面図及び斜視図である。 本発明の集光型光電変換装置の具体例の集光レンズを示す断面図である。 本発明の集光型光電変換装置の具体例のＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池を拡大した断面図である。 比較例１の集光型光電変換装置を示す断面図である。 従来の集光型光電変換装置を示す断面図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

上述のように、特許文献２で提案されている集光型光電変換装置には、以下の問題点があった。
第１の問題点は、各サブセル（すなわち、集光用太陽電池及び散乱光用太陽電池）のバンドギャップ設計が困難であるため、高効率化が困難であるというものである。
第２の問題点は、太陽電池メーカー以外は製造が困難であるというものである。
第３の問題点は、放熱設計が困難であるというものである。
第４の問題点は、シリコン太陽電池の変換効率は温度上昇により低下しやすいため、集光倍率を高められないというものである。

そこで、本発明者らは、新たにバンドギャップ設計をする必要がなく、太陽電池メーカー以外でも容易に製造することができ、放熱設計が容易であり、集光倍率を高めても変換効率の低下を抑制できる集光型光電変換装置について鋭意検討を重ねた。
その結果、集光用太陽電池を散乱光用太陽電池の貫通孔内に配置し、光電変換素子を構成する散乱光用太陽電池及び集光用太陽電池が外部接続基板上に搭載される構成にすることで、既存の集光用太陽電池と既存の散乱光用太陽電池とを組み合わせて電気的に接続すれば集光型光電変換装置となるので、新たにバンドキャップ設計する必要がなく、太陽電池メーカー以外でも容易に製造することができ、さらに、集光用太陽電池を外部接続基板上に搭載しているので、集光用太陽電池で発生した熱を直接外部接続基板に拡散させることができるため、散乱光用太陽電池への熱の拡散を防止できるとともに、放熱設計を容易にすることができることを見出し、本発明をなすに至った。

以下、図１〜図２を参照しながら、本発明の集光型光電変換装置を説明する。
図１（ａ）は本発明の集光型光電変換装置１の断面図を示しており、図１（ｂ）は本発明の集光型光電変換装置１の斜視図を示しており、図２は本発明の集光型光電変換装置１の集光レンズ３４を示す断面図を示している。

図１において、集光型光電変換装置１は、貫通孔１６を有する散乱光用太陽電池１０と、散乱光用太陽電池１０の貫通孔１６内に配置される集光用太陽電池２０とからなる光電変換素子３０を有している。
そして、集光型光電変換装置１は、上部が受光面になっており、集光用太陽電池２０に集光する透明な熱硬化性樹脂からな集光レンズ３４（図２参照）を上部に有している。

光電変換素子３０を構成する散乱光用太陽電池１０及び集光用太陽電池２０はそれぞれ、基体３２と外部接続配線３３とからなる外部接続基板３１上に搭載されており、外部接続基板３１を介して外部に接続されている。

本発明の集光型光電変換装置１は、集光用太陽電池２０が散乱光用太陽電池１０の貫通孔１６内に配置され、光電変換素子３０を構成する散乱光用太陽電池１０及び集光用太陽電池２０が外部接続基板３１上に搭載される構成になっているので、既存の集光用太陽電池と既存の散乱光用太陽電池とを組み合わせて電気的に接続すれば集光型光電変換装置とすることができるので、新たにバンドキャップ設計する必要がなく、太陽電池メーカー以外でも容易に製造することができる構成になっている。
また、本発明の集光型光電変換装置１は、集光用太陽電池２０が外部接続基板３１上に搭載されているので、集光用太陽電池２０で発生した熱を直接外部接続基板３１に拡散させることができるため、散乱光用太陽電池１０への熱の拡散を防止できるとともに、放熱設計を容易にすることができる構成になっている。

散乱光用太陽電池１０と集光用太陽電池は２０、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、薄膜シリコン型、ＨＩＴ型、ＣＩＧＳ型、ＣｄＴｅ型、色素増感型、有機半導体型、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型の少なくとも１つ以上から構成されることができる。
このように、散乱光用太陽電池及び集光用太陽電池として、上記のようなタイプの太陽電池を好適に用いることができる。

集光レンズ３４を構成する透明な熱硬化性樹脂が、シリコーンを含む材料であることが好ましい。
集光レンズを構成する透明な熱硬化性樹脂として、シリコーンを含む材料を好適に用いることができる。

散乱用太陽電池１０及び集光用太陽電池２０の集光レンズ３４側の表面に、光散乱防止材、蛍光体、量子ドットの少なくとも１つ以上を含む樹脂層又はガラス質層を有することが好ましい。
このような構成により、散乱用太陽電池１０及び集光用太陽電池２０の発電効率を向上させることができる。

上記の樹脂層又はガラス質層を、フィルム貼り合せ、スプレー、スピンコート、印刷、蒸着、金型による成形の少なくとも１つ以上によって形成することができる。

散乱光用太陽電池１０の外部接続基板３１側の面に、散乱光用太陽電池を透過してきた光を反射又は散乱させる反射層を有することが好ましい。
このような構成により、散乱用太陽電池１０の発電効率を向上させることができる。

集光レンズ１０と光電変換素子３０とが、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で光の透過率が８０％以上の透明な熱硬化性樹脂で、一体成型、封止されてことが好ましい。
このような構成により、散乱用太陽電池１０及び集光用太陽電池２０の発電効率を維持しながら、光電変換素子の耐湿性を向上させることができる。

光電変換素子３０を外部接続基板３１と一体化した後に、型を用いて、透明な熱硬化性樹脂で光電変換素子３０の外部接続基板３１と反対側の面に集光レンズ３４を成型硬化させることで、集光レンズ３４を形成することができる。
集光型光電変換装置１の集光レンズ３４を、このような製造方法を用いて製造することができる。

散乱光用太陽電池１０に形成される貫通孔１６を、ドリル、レーザー、エッチングの少なくとも１つ以上の加工によって形成することができる。
散乱光用太陽電池に形成される貫通孔を形成する際に、上記のような加工方法を好適に用いることができる。

集光レンズと光電変換素子とを、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で光の透過率が８０％以上の透明な熱硬化性樹脂を用いて、注型、トランスファー成型、圧縮成型、射出成型の少なくとも１つ以上によって、一体成型、封止することが好ましい。
集光レンズと光電変換素子とを一体成型、封止する際に、上記のような製造方法を好適に用いることができる。

次に、図３〜図５を参照しながら、本発明の集光型光電変換装置１において、散乱光用太陽電池としてシリコン太陽電池１０’を用い、集光用太陽電池としてＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’を用いた集光型光電変換装置２について説明する。

図３（ａ）は本発明の集光型光電変換装置２の断面図を示しており、図３（ｂ）は本発明の集光型光電変換装置２の斜視図を示しており、図４は本発明の集光型光電変換装置２の集光レンズ３４を示す断面図を示しており、図５はＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’を拡大した断面図を示している。

図３において、集光型光電変換装置２は、貫通孔１６を有するシリコン太陽電池１０’と、シリコン太陽電池１０’の貫通孔１６内に配置されるＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’とからなる光電変換素子３０を有している。
そして、集光型光電変換装置２は、上部が受光面になっており、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’に集光する集光レンズ３４（図４参照）を上部に有している。

光電変換素子３０を構成するシリコン太陽電池１０’及びＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’はそれぞれ、基体３２と外部接続配線３３とからなる外部接続基板３１上に搭載されており、外部接続基板３１を介して外部に接続されている。

シリコン太陽電池１０’は、ｐ型シリコン基板１３と、ｐ型シリコン基板１３の集光レンズ３４側に形成されたｎ型不純物ドーピング領域１４と、ｐ型シリコン基板１３の外部接続基板３１側に形成されたｐ型不純物ドーピング領域１２とからなる。

ｎ型不純物ドーピング領域１４の表面にはｎ電極１５が形成されており、ｐ型不純物ドーピング領域１２の表面にはｐ電極１１が形成されている。
そして、シリコン太陽電池１０’は、ｐ電極１１と外部接続配線３３とが接するように、外部接続基板３１に電気的に接続されている。

ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’は、集光レンズ３４側の第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２８と、外部接続基板３１側にある第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２７と、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２８と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２７との間にあるトンネル接合層２４とを有している。
第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２８と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２７とは、トンネル接合層２４によって接合されている。
トンネル接合層２４、例えば、図５に示すように、ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層２４ａと、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層２４ｂからなる。

第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２８は、バンドギャップ幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下の半導体層によって形成された第１のｐｎ接合３５を含んでおり、集光レンズ３４側の第１のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２６と、外部接続基板３１側の第１のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２５とを有している。
第１のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２６は、複数のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が積層されることで形成され、例えば、図５に示すように、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２６ａと、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２６ｂと、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層２６ｃからなる。
第１のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２５は、複数のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が積層されることで形成され、例えば、図５に示すように、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層２５ａと、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層２５ｂからなる。

第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池２７は、バンドギャップ幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の半導体層によって形成された第２のｐｎ接合３６を含んでおり、集光レンズ３４側の第２のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２３と、外部接続基板３１側の第２のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２２とを有している。
第２のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２３は、複数のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が積層されることにより形成され、例えば、図５に示すように、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２３ａと、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層２３ｂからなる。
第２のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２２は、複数のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が積層されることにより形成され、例えば、図５に示すように、ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層２２ａと、ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層２２ｂと、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２ｃからなる。

第１のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２６の受光面側の表面にはｎ電極２９が設けられており、第２のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体２２の外部接続基板３１側の表面にはｐ電極２１が設けられている。
そして、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’は、ｐ電極２１と外部接続配線３３とが接するように、外部接続基板３１に電気的に接続されている。

本発明の集光型光電変換装置２は、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’がシリコン太陽電池１０’の貫通孔１６内に配置され、光電変換素子３０を構成するシリコン太陽電池１０’及びＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’が外部接続基板３１上に搭載される構成になっているので、既存のＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池と既存のシリコン太陽電池とを組み合わせて電気的に接続すれば集光型光電変換装置とすることができるので、新たにバンドキャップ設計する必要がなく、太陽電池メーカー以外でも容易に製造することができる。
また、本発明の集光型光電変換装置２は、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’が外部接続基板３１上に搭載されているので、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’で発生した熱を直接外部接続基板３１に拡散させることができるため、シリコン太陽電池１０’への熱の拡散を防止でき、シリコン太陽電池１０’の発電効率の低下を抑制できるとともに、放熱設計を容易にすることができる。

シリコン太陽電池１０’、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’の少なくとも１つ以上の集光レンズ３４側表面に、シリコーン樹脂を含む材料と波長調整可能な蛍光体とを混合した樹脂層が設けられていることが好ましい。
このような構成により、シリコン太陽電池１０’、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’の少なくとも一方の発電効率を向上させることができる。

シリコン太陽電池１０’、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’の少なくとも１つ以上の集光レンズ３４側表面に、ポリシラザン類を主成分とする材料と波長調整可能な蛍光体とを混合した樹脂層が設けられていることが好ましい。
このような構成により、シリコン太陽電池１０’、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’の少なくとも一方の発電効率を向上させることができる。

光電変換素子３０を外部接続基板３１と一体化した後に、型を用いて、透明なシリコーン樹脂を含む材料で光電変換素子３０の外部接続基板３１と反対側の面に集光レンズ３４を成形硬化させることができる。
集光型光電変換装置２の集光レンズ３４を、このような製造方法を用いて製造することができる。

以下、実施例、比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
まず、エッチング法によって貫通孔１６を形成したシリコン太陽電池１０’を準備した。
次に、シリコン太陽電池１０’と、シリコン太陽電池１０’の貫通孔１６部分に搭載するＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’とを半田ペーストを用いて、外部接続基板３１であるＰＣＢ基板に搭載した。
次に、ＵＶオゾン処理を実施した。
次に、光電変換素子３０及び外部接続基板３１を金型に配置し、シリコーン樹脂（ＬＰＳ−３５４１ 信越化学工業製）を圧縮成型にて集光レンズ３４を一体成型し、集光型光電変換装置２を作製した。

（実施例２）
まず、エッチング法によって貫通孔１６を形成したシリコン太陽電池１０’を準備した。
次に、シリコン太陽電池１０’と、シリコン太陽電池１０’の貫通孔１６部分に搭載するＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’とを半田ペーストを用いて、外部接続基板３１であるＰＣＢ基板に搭載した。
次に、ＵＶオゾン処理を実施した。
次に、シリコン太陽電池１０’の表面に、シリコーン樹脂（ＡＦ−５００：信越化学工業製）と蛍光体を混合し作製した樹脂フィルムを真空ラミネータ装置（ニチゴーモートン製）にて貼り付けた。
次に、外部接続基板３１と接続した光電変換素子３０を金型に配置し、シリコーン樹脂（ＬＰＳ−３５４１ 信越化学工業製）を圧縮成型にて集光レンズ３４を一体成型し、集光型光電変換装置２を作製した。

（実施例３）
まず、エッチング法によって貫通孔１６を形成したシリコン太陽電池１０’を準備した。
次に、シリコン太陽電池１０’と、シリコン太陽電池１０’の貫通孔１６部分に搭載するＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’とを半田ペーストを用いて、外部接続基板３１であるＰＣＢ基板に搭載した。
次に、ＵＶオゾン処理を実施した。
次に、シリコン太陽電池１０’の表面にポリシラザンと蛍光体を混合した材料をスピンコートにて塗布し、硬化させて、ガラス質層を作製した。
次に、外部接続基板３１と接続した光電変換素子３０を金型に配置し、シリコーン樹脂（ＬＰＳ−３５４１ 信越化学工業製）を圧縮成型にて集光レンズ３４を一体成型し、集光型光電変換装置２を作製した。

（比較例１）
図６を参照しながら、比較例１の集光型光電変換装置４について、説明する。
まず、シリコン太陽電池１０’を半田ペーストを用いて、基体４２、外部接続配線４３からなる外部接続基板４１であるＰＣＢ基板に搭載し、ＵＶオゾン処理を実施した。
次に、シリコン太陽電池１０’の表面にＡｇペースト（信越化学工業製）をスクリーン印刷し、集光用太陽電池であるＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’を搭載する電極層３２を作製した。
電極層３２作製後、鉛フリー半田を用いて集光用太陽電池であるＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池２０’を電極層３２上に搭載した。
次に、外部接続基板４１に搭載した光電変換素子３０を金型に配置し、シリコーン樹脂（ＬＰＳ−３５４１ 信越化学工業製）を圧縮成型にて、集光レンズ３４と外部接続基板４１を保有する光電変換素子３０を一体成型し、集光型光電変換装置４を作製した。

実施例１〜３の集光型光電変換装置２のそれぞれについて、実太陽光を用いて、２５℃におけるトータルの発電効率を測定した。
さらに、シリコン太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池についても同様にして発電効率を測定した。なお、発電効率は、（太陽電池からの電気出力／太陽電池に入った太陽エネルギー）×１００（％）で定義されるものである。
その結果を表１に示す。

表１からわかるように、既存のシリコン太陽電池と、既存のＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池とを組み合わせて作製した実施例１〜３の集光型光電変換装置において、シリコン太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池を単独で用いるよりも発電効率を飛躍的に向上させることができた。

また、実太陽光を用いて、実施例１〜３の集光型光電変換装置２のそれぞれについて、試験開始３０分後のトータルの発電効率とそのシリコン太陽電池のジャンクション温度を測定した。
さらに、比較例１の集光型光電変換装置４についても同様の測定を行った。
その結果を表２に示す。

表２からわかるように、シリコン太陽電池とＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池を独立させて組み合わせた実施例１〜３の集光型光電変換装置２では、シリコン太陽電池上にＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池を積層した比較例１の集光型光電変換装置４と比較して、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池の発熱によるシリコン太陽電池への影響が抑えられ、シリコン太陽電池のジャンクション温度が大きく上昇しない。これによりジャンクション温度の上昇による発電効率の減少を１０％以内に維持可能であり、放熱性について問題は無いことがわかった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１、２、３、４…集光型光電変換装置、
１０…散乱光用太陽電池、 １０’…シリコン太陽電池（散乱光用太陽電池）、
１１…ｐ電極、 １２…ｐ型不純物ドーピング領域、 １３…ｐ型シリコン基板、
１４…ｎ型不純物ドーピング領域、 １５…ｎ電極、 １６…貫通孔、
２０…集光用太陽電池、
２０’…ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池（集光用太陽電池）、 ２１…ｐ電極、
２２…第２のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体、
２２ａ…ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層、 ２２ｂ…ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層、
２２ｃ…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、
２３…第２のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体、
２３ａ…ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層、 ２３ｂ…ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層、
２４…トンネル接合層、 ２４ａ…ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層、
２４ｂ…ｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層、
２５…第１のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体、
２５ａ…ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層、 ２５ｂ…ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層、
２６…第１のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層積層体、
２６ａ…ｎ型ＧａＡｓコンタクト層、 ２６ｂ…ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層、
２６ｃ…ｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層、
２７…第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池、
２８…第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池、 ２９…ｎ電極、
３０…光電変換素子、 ３１…外部接続基板、 ３２…基体、 ３３…外部接続配線、
３４…集光レンズ、 ３５…第１のｐｎ接合、 ３６…第２のｐｎ接合、
４１…外部接続基板、 ４２…基体、 ４３…外部接続配線、
１００…シリコン太陽電池（散乱光用太陽電池）、 １１１…ｐ電極、
１１２…ｐ型不純物ドーピング領域、 １１３…ｐ型シリコン基板、
１１４…ｎ型不純物ドーピング領域、 １１４ａ…第１のエミッタ層、
１１４ｂ…第２のエミッタ層、 １１５…ｎ電極、 １１６…接合電極、
１１７…絶縁膜、
２００…多接合型化合物半導体太陽電池（集光用太陽電池）、
５１６…第１のｎ型化合物半導体層積層体、
５１７…第１のｐ型化合物半導体層積層体、 ５１８…トンネル接合層、
５１９…第２のｎ型化合物半導体層積層体、
５２０…第２のｐ型化合物半導体層積層体、 ５２１…ｎ電極、 ５２２…ｐ電極、
５２３…第１の化合物半導体太陽電池、 ５２４…第２の化合物半導体太陽電池、
５２５…第１のｐｎ接合、 ５２６…第２のｐｎ接合。

第３の問題点は、放熱設計が困難であるというものである。
すなわち、上記の集光型光電変換装置３は、集光用太陽電池である多接合型化合物半導体太陽電池２００がシリコン太陽電池１００上に配置されており、集光により発生した熱は多接合型化合物半導体太陽電池２００からシリコン太陽電池１００へ拡散するため、発生した熱がシリコン太陽電池１００を一度経由することにより、発生した熱を直接外部に逃がすことが出来ないため、放熱設計が困難になるというものである。

図１において、集光型光電変換装置１は、貫通孔１６を有する散乱光用太陽電池１０と、散乱光用太陽電池１０の貫通孔１６内に配置される集光用太陽電池２０とからなる光電変換素子３０を有している。
そして、集光型光電変換装置１は、上部が受光面になっており、集光用太陽電池２０に集光する透明な熱硬化性樹脂からなる集光レンズ３４（図２参照）を上部に有している。

散乱光用太陽電池１０と集光用太陽電池２０は、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、薄膜シリコン型、ＨＩＴ型、ＣＩＧＳ型、ＣｄＴｅ型、色素増感型、有機半導体型、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型の少なくとも１つ以上から構成されることができる。
このように、散乱光用太陽電池及び集光用太陽電池として、上記のようなタイプの太陽電池を好適に用いることができる。

Claims (14)

1. 集光レンズと、前記集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備えた集光型光電変換装置であって、
   前記光電変換素子は、貫通孔を有する散乱光用太陽電池と、前記散乱光用太陽電池の前記貫通孔内に配置される集光用太陽電池とからなり、
   前記集光レンズは、透明な熱硬化性樹脂からなり、
   前記光電変換素子は、外部接続基板上に搭載されているものであることを特徴とする集光型光電変換装置。
2. 前記散乱光用太陽電池と前記集光用太陽電池は、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、薄膜シリコン型、ＨＩＴ型、ＣＩＧＳ型、ＣｄＴｅ型、色素増感型、有機半導体型、ＩＩＩ−Ｖ族多接合型の少なくとも１つ以上から構成されることを特徴とする請求項１に記載の集光型光電変換装置。
3. 前記透明な熱硬化性樹脂がシリコーンを含む材料であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の集光型光電変換装置。
4. 前記散乱用太陽電池及び前記集光用太陽電池の前記集光レンズ側の表面に、光散乱防止材、蛍光体、量子ドットの少なくとも１つ以上を含む樹脂層又はガラス質層を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の集光型光電変換装置。
5. 前記散乱光用太陽電池の前記外部接続基板側の面に、前記散乱光用太陽電池を透過してきた光を反射又は散乱させる反射層を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の集光型光電変換装置。
6. 前記集光レンズと前記光電変換素子とが、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で光の透過率が８０％以上の透明な熱硬化性樹脂で、一体成型、封止されているものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の集光型光電変換装置。
7. 集光レンズと、前記集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備えた集光型光電変換装置であって、
   前記光電変換素子は、基材となるシリコン太陽電池と、前記シリコン太陽電池に形成された貫通孔内に配置されたＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池とを有し、
   前記光電変換素子は、外部接続基板上に搭載されているものであることを特徴とする集光型光電変換装置。
8. 前記シリコン太陽電池、前記ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池の少なくとも１つ以上の前記集光レンズ側表面に、シリコーン樹脂を含む材料と波長調整可能な蛍光体とを混合した樹脂層が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の集光型光電変換装置。
9. 前記シリコン太陽電池、前記ＩＩＩ−Ｖ族多接合型太陽電池の少なくとも１つ以上の前記集光レンズ側表面に、ポリシラザン類を主成分とする材料と波長調整可能な蛍光体とを混合して形成されるガラス質層が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の集光型光電変換装置。
10. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の集光型光電変換装置を製造する方法であって、
    前記光電変換素子を前記外部接続基板と一体化した後に、型を用いて、前記透明な熱硬化性樹脂で前記光電変換素子の前記外部接続基板と反対側の面に集光レンズを成形硬化させることを特徴とする集光型光電変換装置の製造方法。
11. 前記散乱光用太陽電池に形成される前記貫通孔を、ドリル、レーザー、エッチングの少なくとも１つ以上の加工方法によって形成することを特徴とする請求項１０に記載の集光型光電変換装置の製造方法。
12. 前記集光レンズと前記光電変換素子とを、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で光の透過率が８０％以上の透明な熱硬化性樹脂を用いて、注型、トランスファー成型、圧縮成型、射出成型の少なくとも１つ以上によって、一体成型、封止することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の集光型光電変換装置の製造方法。
13. 請求項４に記載の集光型光電変換装置を製造する方法であって、
    前記樹脂層又は前記ガラス質層を、フィルム貼り合せ、スプレー、スピンコート、印刷、蒸着、金型による成形の少なくとも１つ以上によって形成することを特徴とする集光型光電変換装置の製造方法。
14. 請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の集光型光電変換装置を製造する方法であって、
    前記光電変換素子を前記外部接続基板と一体化した後に、型を用いて、透明なシリコーン樹脂を含む材料で前記光電変換素子の前記外部接続基板と反対側の面に集光レンズを成形硬化させることを特徴とする集光型光電変換装置の製造方法。

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