JP4948535B2 - パネル形半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、受光又は発光機能のあるパネル形半導体モジュールに関し、特に複数のロッド状の半導体素子（半導体デバイス）を用いて構成した半導体モジュールに関する。
これまで、外部レンズを装備し少ない受光面積で大きな出力を得る太陽電池（太陽電池モジュール、太陽電池パネル）が種々提案されている。しかし、シリコン太陽電池のように大面積化が進み、太陽電池セルや太陽電池モジュールの製造コストが低下したため、外部レンズ等で集光して使用する例は少なくなった。
一方、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）のように高価な化合物半導体を用いた太陽電池では、外部レンズ等で集光する方が経済的であるとされ多くの文献に提案されている。
米国特許第４，１３６，４３６号、本願の発明者による米国特許第６，２０４，５４５号に示すにように、粒状のシリコン結晶から球形又は部分球形の太陽電池セルを製作することにより、高価なシリコン原材料の有効利用を図る技術も提案されている。
本願の発明者は、特開２００１−１６８３６９号公報に、球状の太陽電池セルを採用した太陽電池モジュールにおいて裏面側に反射板を密着状に設けた例を提案した。また、国際公開ＷＯ０３／０５６６３３号公報に、球状の太陽電池セルをそれよりも大きな直径の合成樹脂製のカプセル内に収容し、内部に合成樹脂を充填して集光するようにしたものを提案した。これらは、外部レンズの場合よりも集光倍率が小さくなるが、比較的簡単な構造で実現可能である。
米国特許第５，４８２，５６８号公報には、ケースにコーン状の複数の反射ミラーを設け、コーンの底部に平面受光形の太陽電池セルを配置し、コーンで集光した太陽光を太陽電池セルの上面に照射し、コーンの下面側から放熱するようにしたマイクロミラー太陽電池が開示されている。平面形状の太陽電池セルが採用されているため、太陽電池セルの上面でしか受光できず、反射損失も少なくないため入射光の利用効率を十分に高めるのが難しい。このマイクロミラー太陽電池では、太陽電池セルが集光により温度上昇するのを防止するため、ケースの底部に太陽電池セルを取り付けて温度上昇を小さくする思想が採用されている。
米国特許第５，３５５，８７３号公報には、球状の太陽電池セルを用いた集光形太陽電池モジュールが開示されている。薄い金属板製のシート（共通電極）には内面を反射面にした複数のほぼ半球面状の凹部が形成され、凹部の中心部には太陽電池セルを支持する脚部が形成され、導電性メッシュに複数の太陽電池セルの中段部が支持されて、複数の太陽電池セルが複数の凹部にセットされて脚部に電気的に接続され、複数の太陽電池セルは、導電性メッシュとシートにより並列接続されている。太陽電池セルには、上下両端部に電極が形成されていないので、太陽電池セル内部の電流分布が不均一となり、発電効率を高めにくい。しかも、シートに装着される全部の太陽電池セルが並列接続となるため、太陽電池モジュールの出力電圧を高める上で不便である。
米国出願公開第２００２／００９６２０６号公報には、部分球面状の複数の凹部の中心部に球状の太陽電池セルを夫々装着し、凹部の内面を反射面にし、複数の凹部を２枚の薄金属板と、その薄金属板の間に装着した絶縁層とで構成し、球状の太陽電池セルの下端部分において２枚の薄金属板を太陽電池セルの正負の電極に接続することにより、複数の太陽電池セルを並列接続した太陽電池モジュールが開示されている。
この太陽電池モジュールにおいては、球状太陽電池セルの下端部分を２枚の薄金属板に電気的に接続しているため、球状太陽電池セルの上半の受光面から正負の電極までの距離が大きくなり、出力電流取り出しの抵抗損が大きくなるという欠点がある。しかも、この太陽電池モジュールでは、全ての太陽電池セルが並列接続されるため、太陽電池モジュールの出力電圧を高める上で不便である。
本願の発明者は、国際公開ＷＯ０２／３５６１２号公報において、ロッド形の受光用又は発光用半導体素子であって、その両端面に１対の電極を形成した半導体素子と、それを採用した太陽電池モジュールを開示した。しかし、このロッド形半導体素子においては、素子の直径に対する長さの比率を大きくすると、電極間抵抗が増大するため、その比率は約１．５以下に設定することが望ましい。
米国特許第４，１３６，４３６号公報 米国特許第６，２０４，５４５号公報 特開２００１−１６８３６９号公報 国際公開ＷＯ０３／０５６６３３号公報 米国特許第５，４８２，５６８号公報 米国特許第５，３５５，８７３号公報 米国出願公開第２００２／００９６２０６号公報
前記公報に記載の太陽電池モジュールのように、球状又は部分球状の粒状の太陽電池セルを用いて太陽電池モジュールを構成する場合、太陽電池セルの電極をモジュールの正極側と負極側の導体に電気的に接続する接続個所や結線個所の数が多くなり、量産する上で不利である。
球状太陽電池セルを部分球面状の凹部の中心部に装着し、凹部の表面の反射面で集光して太陽電池セルに太陽光を照射する構成では、凹部と凹部の間に隙間が発生するため、入射太陽光の利用率を高める上で不利である。しかも、平面視において太陽電池セルの受光面に対する集光用凹部の受光面の比率をあまり大きくすることができないため、太陽電池モジュールの表面における光入力に対する出力を高めることが難しい。
粒状の太陽電池セルを採用した太陽電池モジュールにおいて、レンズにより集光するためには、平面視円形のレンズが太陽電池セルの数だけ必要となり、レンズの数が多くなり、構造が複雑化する。
光反射式の集光機構を採用する場合には、太陽電池セルの温度上昇が大きくなるので、太陽電池セルを効果的に冷却する冷却機構が必要になるが、部分球面的な反射面を採用する場合には、冷却用流体を流す流路形状を滑らかに構成することが難しく、冷却性能を高めることが容易ではない。
太陽電池モジュールに組み込む複数の太陽電池セルを全て並列接続する場合には、太陽電池モジュールの出力電圧が太陽電池セルの出力電圧と等しくなるが、太陽電池モジュールの出力電圧を変更可能であることが望ましく、複数の発光ダイオードを組み込んだ発光パネルではそのパネルへの入力電圧を変更可能であることが望ましい。
本願発明の目的は、電極間抵抗を増すことなく受光面積を大きくできる半導体素子を採用したパネル形半導体モジュールを提供すること、半導体素子を電気的に接続する接続個所や結線個所の数を少なくすることができるパネル形半導体モジュールを提供すること、集光倍率を大きくすることができるパネル形半導体モジュールを提供すること、レンズ部を形成するのに有利なパネル形半導体モジュールを提供すること、冷却性能を高めるのに有利なパネル形半導体モジュールを提供すること、などである。
本発明に係るパネル形半導体モジュールは、受光又は発光機能のあるパネル形半導体モジュールにおいて、受光又は発光機能と軸心を有する複数のロッド形の半導体素子であって、導電方向を揃え且つ軸心を行方向に向けて複数行複数列に配置された複数の半導体素子と、各行の複数の半導体素子を電気的に並列接続し且つ各列の複数の半導体素子を電気的に直列接続する導電接続機構と、前記複数の半導体素子が装着され且つ前記導電接続機構を構成する導電性の内装金属ケースとを備えている。
そして、前記の複数の半導体素子の各々は、ｐ形又はｎ形の半導体結晶からなるロッド形の基材と、この基材の表層部の帯状部分以外の部分に形成された基材と異なる導電形の別導電層と、前記基材と別導電層とで形成されたほぼ円筒形のｐｎ接合と、前記基材の軸心を挟んだ両側の表面部分に軸心と平行に帯状に形成され且つ前記基材の前記帯状部分および別導電層に夫々オーミック接続された第１，第２電極とを備えている。
そして、前記内装金属ケースは、各行の複数の半導体素子を夫々収容する複数の反射面形成溝であって、開口部から底部に向かって溝幅が減少する複数の反射面形成溝を備え、各反射面形成溝は、光反射可能な底板部とこの底板部の端部から上方へ一体的に延びる光反射可能な１対の傾斜板部とで構成されている。
そして、前記各底板部の幅方向中央部に取付台部が突出状に形成されると共に、その取付台部に対応行の複数の半導体素子が載置され且つそれら半導体素子の第１，第２電極の一方が電気的に接続され、各反射面形成溝の一方の傾斜板部に電気的に接続され且つ対応行の複数の半導体素子の第１，第２電極の他方に電気的に接続された複数のフィンガーリードが形成され、前記各底板部のうちの取付台部の片側部位に、対応行の複数の半導体素子の第１，第２電極を短絡する導電部分を分断する為の分断スリットが、行方向の全長に亙って形成されている。
半導体素子は、基材と基材の導電形とは異なる導電形の別導電層とｐｎ接合と第１，第２電極とを有し、第１，第２電極は基材の軸心の両側の表面部分に軸心と平行に帯状に形成されて基材と別導電層にオーミック接続されているため、基材の直径に対する軸心方向長さの比率を大きくしても、第１，第２電極間の距離が基材の直径以上になることはなく、第１，第２電極間の電気抵抗が大きくならないから、上記の比率を所望の値まで大きくすることができる。それ故、半導体素子の長さを大きくし、複数の半導体素子を電気的に接続する接続個所の数を少なくし、導電接続機構の構成を簡単化することができる。
導電接続機構は、各行の複数の半導体素子を並列接続すると共に各列の複数の半導体素子を直列接続しているため、一部の半導体素子がなんらかの原因で機能停止しても、その機能停止した半導体素子を迂回する回路により電流が流れるため、正常な半導体素子が機能停止することがない。
内装金属ケースは、開口部から底部に向かって溝幅が減少する複数の反射面形成溝を備え、各反射面形成溝は光反射可能な底板部と１対の光反射可能な傾斜板部とで構成され、この反射面形成溝の底板部の中央部の取付台部に対応行の複数の半導体素子が載置され、それら複数の半導体素子の第１，第２電極の一方が電気的に接続されている。
そのため、受光用半導体モジュールである場合には、反射面形成溝の反射面で集光した光を半導体素子に入射させることができる。反射面形成溝の開口部の幅は半導体素子の直径の３〜４倍又はそれ以上の大きさに形成することができ、半導体素子の受光面に対する反射面形成溝（集光部）の面積の比率を大きくし、集光倍率を大きくすることができる。つまり、少数の半導体素子を有効活用して高い出力を得ることができる。
しかも、半導体素子は、反射面形成溝の底板部の中央部に突出した取付台部に載置してあるため、底板部で反射した光を半導体素子の下半部へ入射させることができる。
複数の反射面形成溝の各々に各行の複数の半導体素子を収容しているため、複数の反射面形成溝に対応する複数の円筒レンズを採用する上で有利である。内装金属ケースにより形成される複数の反射面形成溝の各々は、底板部と１対の傾斜板部とで形成されているため、１枚の金属板で内装金属ケースを構成することが可能で、部材数を少なくし、構造を簡単化することができる。
本発明の従属請求項の構成として，次のような種々を構成を採用してもよい。
（１）前記フィンガーリードは、傾斜板部の上半部に形成された切り起し片の下端部をほぼ直角に折り曲げることにより形成された。
（２）前記内装金属ケースの各分断スリットは、各行の複数の半導体素子の第１，第２電極の一方を前記取付台に接続し且つ第１，第２電極の他方をフィンガーリードに接続後に、複数のタイバー部を打ち抜いて連続する分断スリットに形成される。
（３）前記内装金属ケースの下面側に外嵌状に装着される外装金属ケースであって、内装金属ケースとほぼ相似の断面形状を有する外装金属ケースと、前記内装金属ケースと外装金属ケースの間に電気絶縁性合成樹脂層とを設け、この電気絶縁性合成樹脂層を介して内装金属ケースと外装金属ケースとを一体的に固着した。
（４）前記（３）において、外装金属ケースの行方向の両端部には、内装金属ケースの端部よりも所定長さ行方向外側まで延びる延長部が形成され、この延長部に形成されるケース収容溝に絶縁材料製の側栓ブロックが内嵌装着して固定された。
（５）前記（４）において、内装金属ケースの反射面形成溝に柔軟性のある透明な絶縁性合成樹脂材が、前記半導体素子と前記フィンガーリードを埋め込む状態に充填された。
（６）前記（４）において、内装金属ケースの上面側を覆う透明なガラス製又は合成樹脂製のカバー部材であって、内装金属ケースと前記側栓ブロックに固着されたカバー部材を設けた。
（７）前記（６）において、カバー部材には、複数行の半導体素子に夫々対応する複数の円筒レンズ部を形成した。
（８）前記（３）において、前記外装金属ケースの外面側に冷却用流体を流す為の通路を形成するダクト部材を設けた。
（９）この半導体素子の表面のうち、第１，第２電極を除く表面部分に、反射防止膜が形成された。
（１０）前記半導体素子の基材がｐ形のＳｉ単結晶又はＳｉ多結晶で構成され、前記別導電層がｎ形不純物としてのＰ又はＳｂ又はＡｓを拡散して構成され、前記半導体素子が太陽電池セルに構成された。
（１１）前記半導体素子の基材がｎ形のＳｉ単結晶又はＳｉ多結晶で構成され、前記別導電層がｐ形不純物としてのＢ又はＧａ又はＡｌを拡散して構成され、前記半導体素子が太陽電池セルに構成された
（１２）前記半導体素子が発光機能のある発光ダイオード素子に構成された。
本発明の実施例１に係る太陽電池モジュールの斜視図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII −III 線断面図である。 太陽電池モジュールのカバー部材を外した状態の平面図である。 図４の要部拡大図である。 側栓ブロックの斜視図である。 内装金属ケースの反射面形成溝の要部斜視図である。 半導体素子の拡大断面図である。 図８のIX−IX線断面図である。 半導体素子の拡大斜視図である。 導電接続機構の等価回路の回路図である。 変更例に係る図７相当図である。 実施例２に係る太陽電池モジュールの図２相当図である。 実施例３に係る発光用半導体素子の拡大断面図である。 図１３のXIV −XIV 線断面図である。
Ｍ，Ｍａ 太陽電池モジュール（パネル形半導体モジュール）
１ 半導体素子
２ 導電接続機構
３ 内装金属ケース
４ 外装金属ケース
４Ａ 延長部
５ カバー部材
５ａ 円筒レンズ部
６ 絶縁性合成樹脂材
７ 合成樹脂層
８ 側栓ブロック
１１ 基材
１２ 拡散層
１３ ｐｎ接合
１４ 正電極
１５ 負電極
１６ 反射防止膜
２０ 反射面形成溝
２１ 底板部
２１ａ 取付台部
２２，２３ 傾斜板部
２５，２５Ａ フィンガーリード
２６ 分断スリット
３５ ダクト部材
４０ 発光用半導体素子（発光ダイオード素子）
４１ 基材
４２ 拡散層
４３ ｐｎ接合
４４ 正電極
４５ 負電極
４６ 反射防止膜
本発明のパネル形半導体モジュールは、基本的には、受光又は発光機能のあるロッド形の半導体素子であって、複数行複数列に整列された複数の半導体素子と、各行の複数の半導体素子を並列接続し且つ各列の複数の半導体素子を直列接続する導電接続機構と、複数の半導体素子が装着され且つ導電接続機構を構成する内装金属ケースとを備え、この内装金属ケースに複数行の半導体素子を夫々収容する複数の反射面形成溝であって、開口から底部へ向かって溝幅が減少する複数の反射面形成溝を形成したものである。
この実施例１に係る半導体モジュールは、太陽光を受光して発電する太陽電池モジュール（太陽電池パネル）であり、この太陽電池モジュールＭについて図面を参照しながら説明する。図１〜図５に示すように、太陽電池モジュールＭは、受光機能のある複数の半導体素子１、これら半導体素子１を電気的に接続する導電接続機構２（図１１参照）、複数の半導体素子１を収容する内装金属ケース３、この内装金属ケース３の下面側に外嵌された外装金属ケース４、内装金属ケース３の上面を覆う透明なカバー部材５、内装金属ケース３の内部に充填されたシリコーンゴムからなる絶縁性合成樹脂材６、内装金属ケース３と外装金属ケース４とを接着する合成樹脂層７、複数の側栓ブロック８、２枚の補強板９などを備えている。
図８〜図１０に示すように、半導体素子１は、軸心１ａを有するほぼ円形（円形に近い部分円形）の断面を有するロッド形の太陽電池セルである。この半導体素子１は、ｐ形シリコン単結晶からなるロッド形の基材１１と、ｎ形拡散層１２（これが、基材１１の導電形と異なる導電形の別導電層に相当する）と、ｐｎ接合１３と、正負の電極１４，１５と、反射防止膜１６とを有し、太陽光を受光して約０．５〜０．６Ｖの光起電力を発生するものである。
上記の基材１１は、直径約１．８ｍｍ、長さ約５ｍｍの円柱状のｐ形シリコン単結晶の底部に、その円柱の軸心１ａ（図９参照）と平行な帯状の平坦面１１ａ（例えば、幅約０．６ｍｍ）を形成したものであり、上記の拡散層１２は、この基材１１の表層部のうちの、平坦面１１ａとその両側近傍部を含む帯状部分以外の部分に、Ｐ（リン）を０．５〜１．０μｍの深さまで熱拡散させることにより形成されたｎ形導電層である。
ｐ形の基材１１とｎ形の拡散層１２とでほぼ円筒形（円筒形に近い部分円筒形）のｐｎ接合１３が形成され、このｐｎ接合１３は半導体素子１の軸心１ａの外周側の大部分を取り囲んでいる。基材１１の平坦面１１ａに幅約０．４ｍｍの帯状の正電極１４が設けられ、基材１１の表面部のうち、軸心１ａを挟んで正電極１４と反対側に幅約０．４ｍｍの帯状の負電極１５が設けられている。正電極１４は銀にアルミニウムを加えたペーストを焼成して形成され、負電極１５は銀に少量のアンチモンを加えたペーストを焼成して形成される。こうして、正負の電極１４，１５は、基材１１の軸心１ａの両側の表面部分に軸心１ａと平行に帯状に形成され、正電極１４は基材１１にオーミック接続され、負電極１５は拡散層１２にオーミック接続されている。
半導体素子１の表面のうち、正負の電極１４，１５を除く表面部分に、反射防止とシリコン表面のパッシベーション用のシリコン酸化皮膜又はシリコン窒化膜からなる反射防止膜１６が形成されている。この半導体素子１に太陽光ｂｍが照射され、基材１１のシリコン単結晶に吸収されると、キャリア（電子と正孔）が発生し、ｐｎ接合１３により電子と正孔が分離され、正電極１４と負電極１５間に光起電力が発生する。この半導体素子１は、軸心１ａと直交する方向から入射する太陽光の入射方向が変化しても一様な受光感度を有し、広い種々の方向からの太陽光ｂｍを効率的に受光して発電する。
図１０に示すように、正電極１４と負電極１５とが基材１１の軸心１ａに対してほぼ対称の位置にあるため、基材１１の軸心１ａと直交する任意の平面上において、受光された太陽光ｂｍにより基材１１で発生したキャリアは、例えば、周方向に異なる位置Ａ，Ｂ，Ｃについて、正負の電極１４，１５に至る距離の和はほぼ等しく、（ａ＋ｂ）≒（ａ’＋ｂ’）≒（ａ”＋ｂ”）のようになるので、光電流の分布は、基材１１の軸心１ａに対して均一になり、偏りによる抵抗損を低減することができる。
図２、図４、図５、図７に示すように、複数の半導体素子１は、内装金属ケース３の複数の反射面形成溝２０内に導電方向を揃え且つ軸心１ａを行方向に向けて複数行複数列に配置されている。複数の半導体素子１は、正電極１４が下端に位置し、負電極１５が上端に位置するように導電方向を鉛直下方向きに揃えられている。
内装金属ケース３は、鉄・ニッケル合金（Ｎｉ４２％、Ｆｅ５８％）の薄板（例えば、厚さ０．４ｍｍ）をプレス機械により所定形状の金型を用いて打ち抜き成形加工することで、一体品に構成され、この内装金属ケース３の受光側の内面は、光反射性能を高める為、鏡面仕上げされるか、又は金メッキ皮膜と銀メッキ皮膜の何れかが形成されている。
図２、図４、図５、図７に示すように、内装金属ケース３は、複数行の半導体素子１の行数と同数の樋状の反射面形成溝２０と、左右両端部のフランジ部３ｆ及び連結端子板３ａを備えている。反射面形成溝２０は、開口から底部に向かって溝幅がリニアに減少する逆台形断面に形成されている。各反射面形成溝２０は、底板部２１と、この底板部２１の両端から上方へ延びる１対の傾斜板部２２，２３とで形成され、隣接する反射面形成溝２０の傾斜板部２２，２３の上端部は小幅の連結板部２４で連らなっている。
各底板部２１の幅方向中央部には断面台形状の取付台部２１ａが上側へ突出状に形成され、この取付台部２１ａに対応行の複数の半導体素子１が載置され、それら半導体素子１の正電極１４が取付台部２１ａに導電性エポキシ樹脂で接着され電気的に接続されている。各反射面形成溝２０の右側の傾斜板部２３の中段部から一体的に延びて対応行の複数の半導体素子１の負電極１５が夫々電気的に接続される複数のフィンガーリード２５が形成され、半導体素子１の負電極１５は、フィンガーリード２５に導電性エポキシ樹脂で接着されて電気的に接続されている。各フィンガーリード２５は、右側の傾斜板部２３の上半部に形成された切り起し片の下端部をほぼ直角に折り曲げたものである（図７参照）。
図２に示すように、各底板部２１のうちの取付台部２１ａの右側部位に、対応行の複数の半導体素子１の複数の正電極１４から複数のフィンガーリード２５への導通を分断する為の分断スリット２６であって、対応行の複数の半導体素子１の正電極１４と負電極１５を短絡する導電部分を分断する分断スリット２６が、行方向の全長（内装金属ケース３の全長）に亙って形成されている。
各分断スリット２６は、各行の複数の半導体素子１の正電極１４を取付台部２１ａに接着し且つ負電極１５をフィンガーリード２５に接着後に、複数のタイバー打抜き部２６ａの所のタイバー部（図示略）を打ち抜いて連続する分断スリット２６に形成される。
上記のように、内装金属ケース３に複数の半導体素子１を複数行複数列に装着し、各半導体素子１の正電極１４を取付台部２１ａに接続すると共に負電極１５をフィンガーリード２５に接続し、各反射面形成溝２０の底板部２１に分断スリット２６を形成した状態では、各行の半導体素子１は内装金属ケース３と複数のフィンガーリード２５により並列接続され、各列の複数の半導体素子１は、内装金属ケース３と複数のフィンガーリード２５により直列接続された状態になる。このように、複数のフィンガーリード２５を含む内装金属ケース３により、各列の複数の半導体素子１を電気的に直列接続し且つ各行の複数の半導体素子１を電気的に並列接続する導電接続機構２（図１１参照）が構成されている。
図２〜図５、図７に示すように、内装金属ケース３の下面側に、内装金属ケース３とほぼ相似の断面形状を有する外装金属ケース４が外嵌状に装着される。この外装金属ケース４は、内装金属ケース３と同様の鉄・ニッケル合金板（例えば厚さ０．４ｍｍ）を成形加工したものであり、この外装金属ケース４の列方向の両端部分にはフランジ部４ｆが形成され、外装金属ケース４の行方向の両端部には、内装金属ケース３の端部よりも所定長さ行方向外側まで延びる延長部４Ａが形成されている。内装金属ケース３と外装金属ケース４は、それらの間に充填されたポリイミド樹脂のような耐熱絶縁性接着剤からなる電気絶縁性合成樹脂層７（厚さ０．１〜０．５ｍｍ）を介して一体的に固着されている。
図３、図５〜図７に示すように、内装金属ケース３の行方向端部を完全に封止する為、外装金属ケース４の延長部４Ａに形成されるケース収容溝２７に絶縁材料（例えば、セラミック又はガラス材料）の側栓ブロック８が内嵌され、ポリイミド樹脂のような耐熱絶縁性合成樹脂接着剤で接着固定されている。尚、受光性を高めるため側栓ブロック８の内面には傾斜板部２２，２３と同様に傾斜した傾斜面８ａが形成されている。
図２に示すように、内装金属ケース３の各反射面形成溝２０に柔軟性のある透明なシリコーンゴムからなる絶縁性合成樹脂材６が、半導体素子１とフィンガーリード２５を埋め込む状態に充填され、その後減圧下で脱泡してから合成樹脂材６がキュアされる。
図１、図２、図３に示すように、内装金属ケース３の上面側を覆う透明なガラス製又は合成樹脂製のカバー部材５であって、内装金属ケース３と側栓ブロック８に固着されたカバー部材５が設けられている。このカバー部材５は白板強化ガラス製のもの又は硼珪酸ガラス製のものが望ましい。カバー部材５の上面側部分には、複数行の半導体素子１に夫々対応する複数の円筒レンズ部５ａが形成され、カバー部材５の下部には、複数の反射面形成溝２０の上部に内嵌される係合部５ｂが形成され、図１、図２におけるカバー部材５の左端部分と右端部分には平板部５ｃが形成されている。
このカバー部材５を内装金属ケース３に固定する際には、カバー部材５の下面側表面の全面にシリコーン樹脂を厚く塗布した状態で、カバー部材５を内装金属ケース３に装着し、カバー部材５を複数の反射面形成溝２０のシリコーンゴム６（絶縁性合成樹脂材）及び傾斜板部２２，２３と、内装金属ケース３のその他の上面部分と、複数の側栓ブロック８の内側側面に接着し、全体を減圧した状態で加熱することで、シリコーン樹脂からなる接着封止材２９を硬化させる。尚、各反射面形成溝２０内の空間は全てシリコーンゴム６と接着封止材２９とで埋めた状態となる。上記のカバー部材５の左右の平板部５ｃの位置において、この平板部５ｃとフランジ部３ｆ，４ｆとは金属製または合成樹脂製の複数のボルト３０により締結される。但し、ボルト３０はフランジ部３ｆに対して絶縁状態になっている。
図１、図３に示すように、複数の側栓ブロック８と内装金属ケース３の一体性を強化するため、複数の側栓ブロック８の上面を塞ぐボリイミド樹脂製の補強板９が設けられ、前記の接着封止材２９と同じ接着封止材で固着されている。
図１〜図５に示すように、内装金属ケース３の左右の両端部には、複数の太陽電池モジュールＭを電気的に接続したり、出力取出し用結線を連結する為の端子としての外部へ露出状の連結端子板３ａが、行方向の全長に延びるように形成され、各連結端子板３ａには複数のボルト穴３１が形成されている。
図１１は、上記の太陽電池モジュールＭの複数の半導体素子１と導電接続機構２の等価回路を示す図であり、半導体素子１はダイオード１Ａで図示され、この等価回路において、各行の複数のダイオード１Ａは並列接続され、各列の複数のダイオード１Ａは直列接続され、全部のダイオード１Ａがメッシュ状回路で直並列接続され、正極端子１８と負極端子１９の間に光起電力が発生する。
次に、以上説明した太陽電池モジュールＭの作用、効果について説明する。
この太陽電池モジュールＭに採用したロッド形の半導体素子１は、軸心に対してほぼ対称性を有し、種々の方向（約２７０度の方向）からの太陽光を受光できるから、広い角度で受光感度を有する。内装金属ケース３は、開口部から底部に向かって溝幅がリニアに減少する複数の反射面形成溝２０を備え、各反射面形成溝２０の底部に各行の複数の半導体素子１が組み込まれ、反射面形成溝２０の内面は光反射面に形成されている。それ故、太陽光は、反射面形成溝２０の内面で多重反射を繰り返して半導体素子１に集中する。
反射面形成溝２０の開口部の幅は半導体素子１の直径の３〜１５倍の大きさに形成可能であり、各行の半導体素子１の受光投影断面積に対する反射面形成溝２０（集光部）の水平面積の比率を大きくし、集光倍率を大きくしたので、半導体素子１の必要数又は受光面積を少なくすることができ、シリコンのコストや製作コストの面で有利になる。しかも、半導体素子１は、反射面形成溝２０の底板部２１の取付台部２１ａの上に固定してあるため、底板部２１で反射した反射光や散乱光を半導体素子１へ入射させやすくなり、半導体素子１の受光範囲が拡大し、また、半導体素子１の位置決めや導電性エポキシ樹脂による固着が容易になる。
反射面形成溝２０の半導体素子１を埋めるように透明で柔軟性のあるシリコーンゴム６を設けたため、外部からの衝撃や水分や空気に対して半導体素子１が完全に保護され、太陽電池モジュールＭの温度変化による膨張、収縮がシリコーンゴム６で吸収される。また、シリコーンゴム６の屈折率は、カバー部材５及び反射防止膜１６の屈折率と近似しているため、界面における反射損が小さくなる。さらに、シリコーンゴム６により半導体素子１同士が光学的に結合されるため、集光された直接光だけでなく内部で多重反射した散乱光が半導体素子１に入射しやすくなる。
しかも、カバー部材５には、各反射面形成溝２０に対応する円筒レンズ部５ａが形成されているため、この円筒レンズ部５ａによる集光を介して太陽光のエネルギー密度を約５〜１５倍程度に高めることができ、円筒レンズ部５ａによる集光と反射面形成溝２０による集光により半導体素子１の出力を、それらの集光がない場合と比べて、約７〜１５倍程度に高めることができる。
導電接続機構２は、各行の複数の半導体素子１を並列接続すると共に各列の複数の半導体素子１を直列接続しているため、一部の半導体素子１が何らかの原因（断線、接続不良、日陰など）で機能停止しても、その機能停止した半導体素子１を迂回する回路により電流が流れるため、正常な半導体素子１が機能停止することがない。
半導体素子１はほぼ円柱状のロッド形に形成され、正負の電極１４，１５は軸心の両側の表面部分に軸心と平行に帯状に形成されて基材１１と拡散層１２にオーミック接続されているため、基材１１の軸心方向長さ／直径の比率を大きしても、正負の電極１４，１５間の距離が基材１１の直径以下であり、正負の電極１４，１５間の電気抵抗を小さく維持できるから、半導体素子１の長さを大きくし、複数の半導体素子１を電気的に接続する接続個所の数を少なくし、導電接続機構２の構成を簡単化することができる。
太陽電池モジュールＭは温度上昇しやすく、温度上昇すると発電効率が低下するが、薄金属板製の一体的に接着した内装金属ケース３と外装金属ケース４を採用し、内装金属ケース３に複数の樋状の反射面形成溝２０を形成し、その内面側を反射集光器として活用し、裏面側を放熱器として活用している。特に、反射面形成溝２０の底板部２１に上方へ膨出した取付台部２１ａを形成してＷ形断面に形成したので、剛性・強度が向上し、放熱面積が大きくなる。太陽電池モジュールＭが吸収した熱エネルギーは、内装金属ケース３、薄膜状のポリイミドの合成樹脂層７、外装金属ケース４に伝わり外部へ放熱される。
内装金属ケース３の反射面形成溝２０はシリコーンゴム６を入れる容器と、カバー部材５の係合部５ｂを係合させて位置決め固定する受容部とを兼用している。
反射面形成溝２０の片方の傾斜板部２３に各半導体素子１に対応するフィンガーリード２５を一体的に形成し、このフィンガーリード２５を半導体素子１の負電極１５に導電性エポキシ樹脂で接着するため、別個の接続リードを省略できる。
フィンガーリード２５は傾斜板部２３に形成する切り起こし片として、内装金属ケース３の製作時に製作できる。組み立て時に、各行の複数の半導体素子１の正電極１４を取付台部２１ａに導電性エポキシ樹脂で接着してから、切り起こし片を折り曲げてフィンガーリード２５とし、半導体素子１の負電極１５に導電性エポキシ樹脂で接着する。太陽電池モジュールＭにおける全部のフィンガーリード２５を半導体素子１の負電極１５に接着してから、複数のタイバー打ち抜き部２６ａの部位を連結していたタイバー部（図示略）を打ち抜き加工する。尚、フィンガーリード２５は半導体素子１を取り付ける位置のマーカーとしても活用する。上記の複数のタイバー部により、内装金属ケース３を成形加工した際の内装金属ケース３の一体性を維持でき、内装金属ケース３を１枚の金属板で構成可能となり、部材数を少なくし、構造を簡単化することができる。
次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１）図１２に示すように、前記フィンガーリード２５に代えて、内装金属ケース３とは別体の接続片５０であって鉄・ニッケル合金などの導電性薄金属板を打ち抜き加工して形成した接続片５０を、半導体素子１に対応する位置に設け、接続片５０の下部に左方へ水平に延びるフィンガーリード２５Ａを形成する。
接続片５０は、内装金属ケース３の連結板部２４に接着される連結片部５０ａと、その両側の傾斜板部２２，２３に接着される傾斜片部５０ｂ，５０ｃと、フィンガーリード２５Ａとを一体形成したもので、例えば導電性エポキシ樹脂にて連結板部２４とその両側の傾斜板部２２，２３に接着され、フィンガーリード２５Ａの先端部が対応する半導体素子１の負電極１５に導電性エポキシ樹脂にて接着され電気的に接続される。尚、連結片部５０ａと傾斜片部５０ｂ，５０ｃの幅は例えば２〜３ｍｍであり、フィンガーリード２５Ａの幅は例えば０．５〜１ｍｍである。
２）前記の太陽電池モジュールＭは、９つの反射面形成溝２０を設けた例であるが、行の数は数１０行にし、列の数も数１０列にしてもよい。内装金属ケース３の材質、正負電極１４，１５の材質、外装金属ケース４の材質、種々の合成樹脂材料などは、前記の例に限定されず、当業者ならば適宜変更可能である。
半導体素子１の基材１１の直径も前記の例に限定されるものでなく、約１．０〜２．５ｍｍの大きさでもよい。半導体素子１の軸心方向の長さも前記の例に限定されるものでなく、５．０ｍｍ以上の任意の長さに設定可能であり、各行の全長に亘る半導体素子１に形成してもよいが、この場合、行方向に適当間隔おきに複数のフィンガーリード２５を設けることが望ましい。
３）半導体素子１の基材１１をｐ形シリコン多結晶で構成してもよく、拡散層１２を形成するｎ形不純物としてＳｂ又はＡｓを採用してもよい。また、半導体素子１の基材１１をｎ形シリコンの単結晶又は多結晶で構成し、拡散層を形成するｐ形不純物としてＢ又はＧａ又はＡｌを採用してもよい。また、ｐｎ接合１３は、拡散層１２により形成するとは限らず、基材１１の表層部への成膜やイオン注入により、基材１１の導電形と異なる導電形の別導電層を形成することによっても形成することができる。
４）半導体素子１の基材１１に形成した平坦面１１ａを省略し、基材１１を円形断面のロッド形状にし、負電極１５と同様の形状の正電極としてもよい。尚、この場合、正負の電極を識別するために、正負の電極を色の異なる金属材料で構成してもよい。
５）内装金属ケース３に形成する反射面形成溝２０の断面形状も、前記の例に限定される訳ではなく、開口部から底部に向かって溝幅がリニア又は非リニアに減少するような溝であって集光機能を発揮可能な溝であればよい。１つの太陽電池モジュールＭにおける内装金属ケース３を成形加工した複数枚の金属板で構成してもよい。
図１３に示すように、この太陽電池モジュールＭａ（パネル形半導体モジュール）は、前記太陽電池モジュールＭの下側の外面側にダクト部材３５を設けたものであり、このダクト部材３５以外の構成については前記太陽電池モジュールＭと同様であるので、同一の部材に同一の符号を付して説明を省略する。ダクト部材３５は、外装金属ケース４との間に空気又は冷却水などの冷却用流体を強制的に又は自然対流により流通させるための冷媒通路３６を形成する逆台形状の本体部３５ａと、この本体部３５ａの左右両端から延びるフランジ部３５ｆとを有し、フランジ部３５ｆは、カバー部材５の平板部５ｃと内装金属ケース３のフランジ部３ｆと外装金属ケース４のフランジ部４ｆの下面側に重ね合せて複数のボルト３０により締結されている。
上記の冷媒通路３６に空気又は冷却水などの冷媒を流すことで、内装金属ケース３及び外装金属ケース４、半導体素子１を効果的に冷却することができる。特に、内装金属ケース３及び外装金属ケース４の外表面に凹凸が多いため伝熱面積も大きく、半導体素子１から冷媒までの距離も小さいため、高い冷却性能を発揮できる。
この実施例は、パネル形半導体モジュールである反射機構付き高出力発光ダイオードモジュールに適用する発光用半導体素子（発光ダイオード）に関するものであり、この反射機構付き高出力発光ダイオードモジュールは、前記太陽電池モジュールＭの半導体素子１の代わりに、発光用半導体素子を組み込んだ構造のものである。
以下、発光用半導体素子について説明する。
図１４、図１５に示すように、発光用半導体素子４０は、ｎ形半導体結晶からなるロッド形の基材４１と、この基材４１の表層部に形成されたｐ形の拡散層４２（基材と異なる導電形の別導電層に相当する）と、基材４１と拡散層４２とで形成されたほぼ円筒形のｐｎ接合４３と、正負の電極４４，４５と、反射防止膜４６とを有する。
基材４１は直径１．０ｍｍで長さが５ｍｍのｎ形のＧａＡｓの結晶で構成され、下端部には軸心４１ａと平行な平坦面４１ｂ（幅約０．２〜０．３ｍｍ）が帯状に形成されている。拡散層４２は、基材４１の表層部のうち、平坦面４１ｂとその周方向両端近傍部からなる帯状部分を除く部分にｐ形不純物であるＺｎ（亜鉛）を０．５〜１．０μｍの深さまで熱拡散させることで形成される。正負の電極４４，４５は銀を主成分とするものであり、負電極４５は平坦面４１ｂの幅中央部に全長に亘る帯状に形成されて基材４１にオーミック接続され、正電極４４は基材４１の軸心４１ａに対して負電極４５と反対側において拡散層４２の表面部に形成され、拡散層４２にオーミック接続されている。
基材４１と拡散層４２の表面のうちの、正負の電極４４，４５を除く部分には、薄いシリコン酸化皮膜又はシリコン窒化皮膜からなる反射防止膜４６であってパッシベーション機能を有する反射防止膜４６が形成されている。この発光用半導体素子４０は、正電極４４から負電極４５に順方向の電流を流すと、ｐｎ接合４３の近傍から赤外線が発生する。ｐｎ接合４３が円筒形に近い部分円筒形であるため、発生した赤外線は、半導体素子４０の表面を垂直に通過して外部に放射する。そのため、平面形ｐｎ接合を有する従来の発光ダイオードに比べて、光の内部反射損失が少なくなり、発光効率が向上する。
この発光用半導体素子４０を前記実施例の半導体素子１の代わりに組み込んだ反射機構付き高出力発光ダイオードモジュールにおいては、正極端子から負極端子に順方向の電流を供給すると、全部の発光用半導体素子４０に順方向の電流が流れて赤外線が放射される。発光用半導体素子４０から出力された赤外線は、反射面形成溝２０から直接又は反射面での反射を経てカバー部材５の円筒レンズ部５ａから外部へ放射される。
発光用半導体素子４０では、順電流を増せば光出力が増大するが、変換損失により発熱して温度上昇が生じ発光効率が低下する。この発光ダイオードモジュールは、前記太陽電池モジュールＭと同様に放熱性に優れるためモジュールの温度上昇を抑制することができる。それ故、少ない発光用半導体素子４０に大きな電流を供給して大きな光出力を得ることができるため、発光ダイオードモジュールの製作コストを低減することができる。
この発光ダイオードモジュールは、医療機器や種々の赤外線センサや赤外線照明の光源などの産業分野の赤外線発生装置として活用することができる。
次に、前記発光ダイオードモジュール、発光用半導体素子４０を部分的に変更する例について説明する。
１）この発光ダイオードモジュールにおいても、前記太陽電池モジュールＭａと同様のダクト部材を設けてもよい。
２）発光ダイオードとしては、種々の半導体材料で製作され半導体材料の特性に依存する種々の発光波長の光を発生させるものは公知であり、そのような種々の半導体材料で製作した発光ダイオードを採用してもよい。赤外線以外に、可視光線や紫外線を発生させる発光ダイオードを採用することもある。
例えば、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＳｉＣのうらから選択した半導体結晶で基材を構成してもよい。ＳｉＣは、６方晶系の結晶であり、６角柱の単結晶が得られるので、そのような６角柱の単結晶で基材を構成してもよい。
また、発光用半導体素子のｐｎ接合は、拡散層により形成するとは限らず、基材の表層部への成膜やイオン注入により、基材の導電形と異なる導電形の別導電層を形成することによっても形成することができる。
太陽電池モジュールは太陽光発電装置として種々の分野で利用することができ、発光ダイオードモジュールは発生する光の種類に応じて種々の分野で利用することができる。

Claims (13)

  1. 受光又は発光機能のあるパネル形半導体モジュールにおいて、
    受光又は発光機能と軸心を有する複数のロッド形の半導体素子であって、導電方向を揃え且つ軸心を行方向に向けて複数行複数列に配置された複数の半導体素子と、
    各行の複数の半導体素子を電気的に並列接続し且つ各列の複数の半導体素子を電気的に直列接続する導電接続機構と、
    前記複数の半導体素子が装着され且つ前記導電接続機構を構成する導電性の内装金属ケースとを備え、
    複数の半導体素子の各々は、
    ｐ形又はｎ形の半導体結晶からなるロッド形の基材と、
    この基材の表層部の帯状部分以外の部分に形成された基材と異なる導電形の別導電層と、前記基材と別導電層とで形成されたほぼ円筒形のｐｎ接合と、
    前記基材の軸心を挟んだ両側の表面部分に軸心と平行に帯状に形成され且つ前記基材の前記帯状部分および別導電層に夫々オーミック接続された第１，第２電極とを備え、
    前記内装金属ケースは、各行の複数の半導体素子を夫々収容する複数の反射面形成溝であって、開口部から底部に向かって溝幅が減少する複数の反射面形成溝を備え、
    各反射面形成溝は、光反射可能な底板部とこの底板部の端部から上方へ一体的に延びる光反射可能な１対の傾斜板部とで構成され、
    前記各底板部の幅方向中央部に取付台部が突出状に形成されると共に、その取付台部に対応行の複数の半導体素子が載置され且つそれら半導体素子の第１，第２電極の一方が電気的に接続され、
    各反射面形成溝の一方の傾斜板部に電気的に接続され且つ対応行の複数の半導体素子の第１，第２電極の他方に電気的に夫々接続された金属製の複数のフィンガーリードが形成され、前記各底板部のうちの取付台部の片側部位に、対応行の複数の半導体素子の第１，第２電極を短絡する導電部分を分断する為の分断スリットが、行方向の全長に亙って形成された、ことを特徴とするパネル形半導体モジュール。
  2. 前記フィンガーリードは、傾斜板部の上半部に形成された切り起し片の下端部をほぼ直角に折り曲げることにより形成されたことを特徴とする請求項１に記載のパネル形半導体モジュール。
  3. 前記内装金属ケースの各分断スリットは、各行の複数の半導体素子の第１，第２電極の一方を前記取付台部に接続し且つ第１，第２電極の他方をフィンガーリードに接続後に、複数のタイバー部を打ち抜いて連続する分断スリットに形成されることを特徴とする請求項２に記載のパネル形半導体モジュール。
  4. 前記内装金属ケースの下面側に外嵌状に装着される外装金属ケースであって、内装金属ケースとほぼ相似の断面形状を有する外装金属ケースと、前記内装金属ケースと外装金属ケースの間に電気絶縁性合成樹脂層とを設け、この電気絶縁性合成樹脂層を介して内装金属ケースと外装金属ケースとを一体的に固着したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパネル形半導体モジュール。
  5. 前記外装金属ケースの行方向の両端部には、内装金属ケースの端部よりも所定長さ行方向外側まで延びる延長部が形成され、この延長部に形成されるケース収容溝に絶縁材料製の側栓ブロックが内嵌装着して固定されたことを特徴とする請求項４に記載のパネル形半導体モジュール。
  6. 前記内装金属ケースの反射面形成溝に柔軟性のある透明な絶縁性合成樹脂材が、前記半導体素子と前記フィンガーリードを埋め込む状態に充填されたことを特徴とする請求項５に記載のパネル形半導体モジュール。
  7. 前記内装金属ケースの上面側を覆う透明なガラス製又は合成樹脂製のカバー部材であって、内装金属ケースと前記側栓ブロックに固着されたカバー部材を設けたことを特徴とする請求項５に記載のパネル形半導体モジュール。
  8. 前記カバー部材には、複数行の半導体素子に夫々対応する複数の円筒レンズ部を形成したことを特徴とする請求項７に記載のパネル形半導体モジュール。
  9. 前記外装金属ケースの外面側に冷却用流体を流す為の通路を形成するダクト部材を設けたことを特徴とする請求項４に記載のパネル形半導体モジュール。
  10. 前記半導体素子の表面のうち、第１，第２電極を除く表面部分に、反射防止膜が形成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパネル形半導体モジュール。
  11. 前記半導体素子の基材がｐ形のＳｉ単結晶又はＳｉ多結晶で構成され、前記別導電層がｎ形不純物としてのＰ又はＳｂ又はＡｓを拡散して構成され、前記半導体素子が太陽電池セルに構成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパネル形半導体モジュール。
  12. 前記半導体素子の基材がｎ形のＳｉ単結晶又はＳｉ多結晶で構成され、前記別導電層がｐ形不純物としてのＢ又はＧａ又はＡｌを拡散して構成され、前記半導体素子が太陽電池セルに構成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパネル形半導体モジュール。
  13. 前記半導体素子が発光機能のある発光ダイオード素子に構成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパネル形半導体モジュール。
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