JP6235264B2

JP6235264B2 - 光電変換装置および光電変換システム

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Publication number: JP6235264B2
Application number: JP2013154676A
Authority: JP
Inventors: 宏樹伊藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: JP2014123710A

Description

本発明は、例えば太陽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等に関するものである。

これまで提案されてきた光電変換装置は、例えば下記特許文献１に示されているように、基体上に実装された光電変換素子と、基体上に設けられた集光部材（以下、光学エレメントともいう）とを有するものであった。入射光は、光学エレメントによって集められて、光電変換素子に導かれる。そして、光電変換素子において、光エネルギーが電気エネルギーに変換されるものである。なお、光学エレメント等において発生された熱は、例えば基体の下面に設けられた放熱部材等から放散されるものである。

特開2012−28671号公報

背景技術において説明された光電変換装置においては、光学エレメントにおいて発生された熱が光学エレメント内にこもりやすく、例えば光学エレメントの変形等によって、光電変換素子へ効率的に光を導くことが困難となる可能性があった。したがって、背景技術において説明された光電変換装置においては、光電変換効率が低下する可能性があった。なお、背景技術において説明された光電変換装置においては、例えば光学エレメントの下端部に熱がこもる可能性があった。

本発明の一つの態様による光電変換装置は、光電変換素子の実装領域を含む側面を有している第１の基体部と、第１の基体部の実装領域に対向するように第１の基体部に並んで配置され、冷却流体が流れる内部空間を有している第２の基体部と、第１の基体部および第２の基体部を上に設け、第１の基体部および第２の基体部を連結しており、第１の基体部および第２の基体部と一体である共通基体部と、第２の基体部に設けられており、入射光を実装領域の方向へ反射する光反射部を有する光学エレメントとを含んでいる光電変換装置用部品と、該光電変換装置用部品の前記第１の基体部に設けられた光電変換素子と、前記光電変換装置用部品の前記第２の基体部の前記内部空間に流される冷却流体とを備えており、前記冷却流体が前記光反射部まで達するか否かで前記入射光の反射状態を制御可能である。

本発明の一つの態様による光電変換装置において、光電変換素子の実装領域を含む側面を有している第１の基体部と、第１の基体部の実装領域に対向するように第１の基体部に並んで配置され、冷却流体が流れる内部空間を有している第２の基体部と、第１の基体部および第２の基体部を上に設け、第１の基体部および第２の基体部を連結しており、第１の基体部および第２の基体部と一体である共通基体部と、第２の基体部に設けられており、入射光を実装領域の方向へ反射する光反射部を有する光学エレメントとを含んでいる光電変換装置用部品と、該光電変換装置用部品の前記第１の基体部に設けられた光電変換素子と、前記光電変換装置用部品の前記第２の基体部の前記内部空間に流される冷却流体とを備えており、前記冷却流体が前記光反射部まで達するか否かで前記入射光の反射状態を制御可能であることによって、光学エレメントにおいて発生された熱を第２の基体部から放散させることが可能となり、光学エレメントにおける放熱性を向上させて、光電変換の効率を向上させることが可能となる。

（ａ）は本発明の実施形態における光電変換装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された光電変換装置の縦断面図である。（ａ）は図１に示された光学エレメントを示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示された光学エレメントのＡ−Ａにおける縦断面図である。（ａ）〜（ｄ）は図２に示された光学エレメントの他の例を示す縦断面図である。図１に示された光電変換装置の他の例を示す縦断面図である。図１に示された光電変換装置の他の例を示す縦断面図である。図１に示された光電変換装置の他の例を示す縦断面図である。（ａ）および（ｂ）は図６に示された光電変換装置の変形例を示す縦断面図である。図６に示された光電変換装置の他の例を示す縦断面図である。本発明の実施形態における光電変換システムを示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態における光電変換装置および光電変換システムについて図面を参照して説明する。

（光電変換装置）
本発明の実施形態における光電変換装置は、図１（ａ）および（ｂ）に示されているように、第１および第２の基体部11および12を含む基体１と、第２の基体部12に設けられた光学エレメント２と、第１の基体部11に設けられた光電変換素子３とを含んでいる。基体１および光学エレメント２によって光電変換装置用部品が構成されている。光電変換装置は、光学エレメント２の上方に設けられた集光レンズ４をさらに含んでいる。

本実施形態において、光電変換装置は、例えば、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する集光型太陽電池である。

基体１は、上述したように第１および第２の基体部11および12を含んでおり、さらに、第１および第２の基体部11および12を連結する共通基体部13を含んでいる。第１の基体部11は、共通基体部13上に設けられており、光電変換素子３の実装領域11ａを含む側面を有している。第２の基体部12は、共通基体部13上に設けられており、第１の基体部11に並んで配置されている。第２の基体部12は、第１の基体部11の実装領域11ａに対向するようにかつ第１の基体部11との間に空間が設けられるように配置されている。

第１および第２の基体部11，12、共通基体部13を含む基体１は、例えばアルミニウム、鉄、銅またはそれらの合金等の金属材料から成る。このように、基体１が金属材料から成る場合には、光学エレメント２および光電変換素子３の放熱性を向上させることができる。また、放熱性の観点においては、基体１がセラミックスから成っていてもよい。

光電変換装置が集光レンズ４を有している場合には、入射光が光学エレメント２に集められるため、光学エレメント２における温度が上昇する可能性がある。この場合に、光学エレメント２の放熱性が向上されていると、例えば光学エレメント２の変形が低減されて、光電変換素子３における光電変換効率が向上される。

また、光電変換素子３に入射光が集められるため、光電変換素子３の温度が上昇する可能性がある。光電変換素子３の温度が上昇し過ぎると、光電変換素子３における光電変換特性に影響がある場合がある。光電変換素子３の放熱性が向上されていると、光電変換素子３における光電変換効率を向上させることができる。

なお、本実施形態の光電変換装置において、光電変換素子３が設けられる第１の基体部11と光学エレメント２が設けられる第２の基体部12とが別の構成部分として形成されていることによって、光学エレメント２によって発生された熱の伝導経路から光電変換素子３を外すことが可能となり、光電変換素子３の温度上昇を低減させることができる。

光学エレメント２は、第１の基体部11の実装領域11ａに対向するように第２の基体部12に設けられており、入射光を光電変換素子３の実装領域11ａの方向へ反射する光反射部22を有している。光学エレメント２は、光電変換素子３の実装領域11ａに対向する位置に設
けられている。

光学エレメント２は、光入射面21と、光入射面21から入射された光を反射する光反射部22と、反射光が導出される光出射面23とを有している。

光学エレメント２の一つの例としては、図３（ａ）に示されているように、エレメント本体部２ａと光反射部22に設けられた光反射層２ｂとを有するものがある。エレメント本体部２ａは、例えばガラスまたは透明樹脂等の光透過性の材料から成る。光反射層２ｂは、例えば金属層または誘電体多層膜によって構成される。金属層としては、例えばＡｇなどの反射率の高い層を形成することにより得られる。誘電体多層膜としては、例えばＳｉＯ_２などの低屈折率の酸化膜と、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ_２、ＳｉＯ_３、Ｎｂ₂Ｏ₅などの高屈折率の酸化膜とを、真空蒸着などにより交互に形成することにより得られる。また、金属層上に誘電体多層膜をさらに形成することで反射率を向上させたり、保護層として機能させることが可能である。

また、光学エレメント２の他の例としては、図３（ｂ）に示されているように、特定の波長領域の光を吸収する光吸収層２ｃをさらに有しているものがある。光吸収層２ｃは、光電変換に用いられない波長領域の光（集光型太陽電池の場合、例えば赤外線領域の光）を吸収するものである。光電変換に用いられない波長領域の光が光吸収層２ｃによって吸収されて光電変換素子３へ反射されないことによって、光電変換素子３における温度上昇が低減されて、光電変換素子３における光電変換効率が向上される。

また、光学エレメント２の他の例としては、図３（ｃ）に示されているように、エレメント本体部２ａと第２の基体部12が有する空洞部12ａとの光屈折率差によって光の全反射を起こすものがある。この例における光学エレメント２は、光の全反射を用いているために、反射における光の損失が低減されており、光電変換素子３における光電変換量を増大させることができる。

また、光学エレメント２の他の例としては、図３（ｄ）に示されているように、光出射面23において光電変換に不要な波長領域の光（例えば赤外光）が反射されるものがある。光電変換に不要な波長領域の光（例えば赤外光）を反射させるためには、例えば誘電体多層膜から成る光学膜２ｄを形成しておくとよい。例えば、光電変換に不要な波長領域の光（例えば赤外光）を反射させて光電変換素子３へ届かないようにすることによって、光電変換素子３の温度上昇を低減させて、光電変換素子３における光電変換効率を向上させることができる。誘電体多層膜としては、例えばＳｉＯ_２などの低屈折率の酸化膜と、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ_２、ＳｉＯ_３、Ｎｂ₂Ｏ₅などの高屈折率の酸化膜とを、真空蒸着などにより交互に形成することにより得られる。

また、光学エレメント２の他の例としては、図４に示されているように、第２の基体部12に凹面状の光反射部22を有するものがある。凹面状の光反射部22は例えば第２の基体部12を所定の形状となるように加工した後、研磨して形成することが可能である。なお、エレメント本体部２ａは第２の基体部12とは別体として凹面状の光反射部22を有する板部材等としてもよい。また、凹面状の光反射部22に設けられた光反射層とを有するものがある。光反射層は、例えば金属層または誘電体多層膜によって構成される。金属層としては、図３（ａ）に示されている例と同様に例えばＡｇ等の反射率の高い層を形成することにより得られる。誘電体多層膜としては、図３（ａ）に示されている例と同様に例えばＳｉＯ_２などの低屈折率の酸化膜と、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ_２、ＳｉＯ_３、Ｎｂ₂Ｏ₅などの高屈折率の酸化膜とを、真空蒸着などにより交互に形成することにより得られる。また、金属層上に誘電体多層膜をさらに形成することで反射率を向上させたり、保護層として機能させることが可能である。また、この例における光学エレメント２においても、光反射層上に、
前述した特定の波長領域の光を吸収する光吸収層２ｃをさらに有していてもよい。なお、第２の基体部12とは別体とした場合のエレメント本体部２ａは、例えばアルミニウム、鉄、銅またはそれらの合金等の金属材料、セラミックスから成る。

光学エレメント２が、特に温度上昇しやすい光反射部22またはその近傍において第２の基体部12に接合されているため、光学エレメント２における放熱性が向上されている。すなわち、光学エレメント２の発熱部分から直接的に放熱を行うことができる。

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（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以上８９０ｎｍ以下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以上２０００ｎｍ以下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４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４は、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚みである。

集光レンズ４は、光学エレメント２の上方に設けられており、入射光を光学エレメント２へ集めるために用いられるものである。集光レンズ４は、ガラスまたは透明樹脂等の光透過性の材料から成り、曲率設計または回折格子の形成によって、集光することが可能となっている。

本実施形態における光電変換装置において、光電変換素子３が、光学エレメント２が設けられた第２の基体部12に並んで配置されており第２の基体部12とは別部分である第１の基体部11に設けられていることによって、光学エレメント２において発生した熱の伝導経路から光電変換素子３を外されており、光学エレメント２において発生した熱が光電変換素子３へ伝わりにくくなっている。よって、光電変換素子３における温度上昇を低減させることができ、光電変換効率を向上させることが可能となる。

なお、光電変換装置において、第１の基体部11が第１の放熱フィン５を有している場合には、光電変換素子３によって発生された熱の放散性を向上させることができ、光電変換素子３の温度上昇を低減させることができる。よって、光電変換素子３における光電変換効率を向上させることができる。第１の放熱フィン５は、例えば、第１の基体部11の側面のうち光電変換素子３の実装領域11ａの反対側に位置する領域に設けられている。

また、光電変換装置において、第２の基体部12が第２の放熱フィン６を有している場合には、光学エレメント２によって発生された熱の放散性を向上させることができ、例えば光学エレメント２の変形が低減されて、光電変換素子３における光電変換効率が向上される。なお、第２の放熱フィン６が第２の基体部12の側面のうち光電変換素子３に対向する部分の反対側に設けられていると、光電変換素子３に対する熱の影響を低減できる。

なお、上述した放熱フィン５および放熱フィン６は、第１の基体部11および第２の基体部12と一体的に形成されたものであるが、放熱フィン５および放熱フィン６は、第１の基体部11および第２の基体部12と別部材によって構成されているものであってもよい。

また、共通基体部13の下面に放熱フィンを有する構造であってもよい。

（光電変換装置の他の例１）
以下、本実施形態の光電変換装置の他の例について図５を参照して説明する。他の例における光電変換装置において、第２の基体部12が内部空間12ｂを有しており、光学エレメント２が、光電変換に必要な波長領域の光を反射して光電変換に不要な波長領域の光を透過させる光反射部22を有している。

光反射部22は、例えばそれぞれ異なる光屈折率を有する複数の誘電体層から成る誘電体多層膜から成り、光電変換に必要な波長領域の光（例えば可視光）を反射して、光電変換に不要な波長領域の光（例えば赤外光）を透過するように設計されている。誘電体多層膜としては、例えばＳｉＯ_２などの低屈折率の酸化膜と、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ_２、ＳｉＯ_３、Ｎｂ₂Ｏ₅などの高屈折率の酸化膜とを、真空蒸着などにより交互に形成することにより得られる。

他の例における光電変換装置において、光学エレメント２が、光電変換に必要な波長領域の光を反射して光電変換に不要な波長領域の光を透過させる光反射部22を有していることによって、光電変換素子３に届く光電変換に不要な波長領域の光が低減されて、光電変換素子における温度上昇が低減される。よって、光電変換素子３における光電変換効率を向上させることができる。

（光電変換装置の他の例２）
以下、本実施形態の光電変換装置の他の例について図６を参照して説明する。他の例における光電変換装置において、第１および第２の基体部11および12は、冷却流体14が流れる内部空間11ｂおよび12ｂを有している。冷却流体14は、例えば冷却水である。

他の例における光電変換装置は、第１の基体部11の内部空間11ｂに冷却媒体14が流れるものであることによって、光電変換素子３の温度上昇を低減させることができ、光電変換素子３における光電変換効率を向上させることができる。

また、他の例における光電変換装置は、第２の基体部12の内部空間12ｂに冷却媒体14が流れるものであることによって、光学エレメント２の放熱性を向上させて、例えば光学エレメント２の変形を低減させて、光学エレメント２における光学特性を向上させることができる。よって、光電変換素子３における光電変換量を向上させることができる。

なお、他の例における光電変換装置において、共通基体部13は、第１および第２の基体部11ｂおよび12ｂにつながっている内部空間13ｂを有しており、この内部空間13ｂに冷却媒体14が流れる。

また、光反射部22が、光電変換には不要な赤外線領域の光を反射せずに透過させるものであると、光電変換素子３における発熱を低減させることができ、光電変換素子３におけるエネルギー変換の効率を向上させることができる。よって、例えば光電変換装置が太陽電池である場合、光電変換装置における発電効率を向上させることができる。

また、図７（ａ）および（ｂ）に示されているように、冷却流体14が光学エレメント２の光反射部22まで達するか否かで入射光の反射状態を制御し得るものであると、例えば光電変換素子３における温度上昇を低減させることができる。また、入射光の反射状態を制御し得るものであると、例えば光電変換素子３における不要な光電変換を減らすことができる。

図７（ａ）に示されているように、冷却流体14が光学エレメント２の光反射部22まで達しない場合には、入射光は、光学エレメント２の光反射部22において、光学エレメント２
の光屈折率と基体部12の内部空間12ｂの光屈折率との差によって全反射を起こして、光電変換素子３の方向へ反射させる。また、図７（ｂ）に示されているように、冷却媒体14が光学エレメント２の光反射部22まで達している場合には、光学エレメント２の光屈折率と基体部12の内部空間12ｂ（実際には流される冷却媒体14）の光屈折率との差が小さくなり光の全反射が起こらず、入射光は下方へ透過する。

なお、図７に示された光電変換装置においても、光電変換に不要な波長領域の光（例えば赤外線領域の光）を透過させる光反射部22としておくと、光電変換素子３における温度上昇が低減されて、光電変換素子３における光電変換効率が向上される。

なお、図８に示されているように、内部空間11ｂ、12ｂおよび13ｂが流路構造になっていてもよい。

（光電変換システム）
以下、本発明の実施形態における光電変換システムについて図９を参照して説明する。

光電変換システムは、複数の光電変換装置を含んでいるものであって、それぞれの光電変換装置は、図７に示された構造を有している。この光電変換システムにおいては、複数の光電変換装置のそれぞれにおける冷却媒体14の状態を個別に制御し得るものである。このような構成によって、複数の光電変換装置のそれぞれの光学エレメント２における光の反射状態を制御できる。よって、複数の光電変換素子３における光電変換の状態を制御でき、光電変換システム全体における光電変換量を制御することが可能となる。

また、平面視において複数の光電装置のそれぞれの第２の基体部12を回転可能な構造にしておくと、光電変換素子３への集光効率を向上させることができ、光電変換効率を向上させることが可能となる。

１基体
11 第１の基体部
12 第２の基体部
13 共通基体部
２光学エレメント
３光電変換素子
４集光レンズ
５，６放熱フィン

Claims

光電変換素子の実装領域を含む側面を有している第１の基体部と、該第１の基体部の前記実装領域に対向するように前記第１の基体部に並んで配置され、冷却流体が流れる内部空間を有している第２の基体部と、前記第１の基体部および前記第２の基体部を上に設け、前記第１の基体部および前記第２の基体部を連結しており、前記第１の基体部および前記第２の基体部と一体である共通基体部と、前記第２の基体部に設けられており、入射光を前記実装領域の方向へ反射する光反射部を有する光学エレメントとを備えている光電変換装置用部品と、
該光電変換装置用部品の前記第１の基体部に設けられた光電変換素子と、
前記光電変換装置用部品の前記第２の基体部の前記内部空間に流される冷却流体とを備えており、
前記冷却流体が前記光反射部まで達するか否かで前記入射光の反射状態を制御可能であることを特徴とする光電変換装置。
前記光反射部は、赤外線領域の光を反射せずに透過または吸収させることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の基体部が第１の放熱フィンを有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換装置。
前記第２の基体部が第２の放熱フィンを有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換装置。
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を複数備えており、
該複数の光電変換装置のそれぞれにおいて前記入射光の反射状態を制御し得ることを特徴とする光電変換システム。