光電変換装置及び光電変換モジュール
【課題】本発明は、放熱性に優れた光電変換装置及び光電電変換モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】光電変換装置２であって、素子搭載基板５と、素子搭載基板５上に設けられる光電変換素子７と、素子搭載基板５上に光電変換素子７を取り囲むように設けられる枠体１０と、枠体１０と接合されるとともに、光電変換素子７の上方に設けられる集光部材９と、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられる放熱フィン１１と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】光電変換装置２であって、素子搭載基板５と、素子搭載基板５上に設けられる光電変換素子７と、素子搭載基板５上に光電変換素子７を取り囲むように設けられる枠体１０と、枠体１０と接合されるとともに、光電変換素子７の上方に設けられる集光部材９と、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられる放熱フィン１１と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置及びその光電変換装置を用いる光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光電変換素子を有する光電変換装置の開発が進められている。例示的な光電変換装置としては、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池装置がある。特に、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。この太陽電池装置の場合、光電変換素子は、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池素子である。集光された太陽光を効率良く太陽電池素子に照射する構造が、例えば、特許文献１に、開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７７０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、集光型の太陽電池装置では、太陽電池セルが実装された基板の熱を効率良く放熱することが重要であり、そのための技術が開発されている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れた光電変換装置及び光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る光電変換装置は、素子搭載基板と、光電変換素子と、枠体と、集光部材と、放熱フィンと、を備えたことを特徴とする。前記光電変換素子は、前記素子搭載基板上に設けられている。前記枠体は、前記素子搭載基板上に前記光電変換素子を取り囲むように設けられている。前記集光部材は、前記枠体と接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に設けられている。前記放熱フィンは、前記素子搭載基板上に設けられるとともに、前記枠体の外側で前記枠体と離間して設けられている。
【０００７】
また、本発明に係る光電変換モジュールは、前記光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられ、前記集光部材に光を集める受光部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、放熱性に優れた光電変換装置及び光電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る光電変換モジュールの概観を示す分解斜視図である。
【図２】本実施形態に係る光電変換装置の概観斜視図である。
【図３】図２に示す光電変換装置をＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【図４】本実施形態の変形例１に係る光電変換装置の断面図である。
【図５】本実施形態の変形例２に係る光電変換装置の断面図である。
【図６】本実施形態の変形例３に係る光電変換装置の断面図である。
【図７】本発明形態の変形例４に係る光電変換装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係る光電変換装置及び光電変換モジュールについて、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
＜実施形態＞
＜光電変換モジュール及び光電変換装置の構成＞
本実施形態に係る光電変換モジュール１は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽光発電モジュールである。また、本実施形態に係る光電変換装置２は、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子５を含んでいる。かかる光電変換素子７は、例えば、太陽光エネルギーを電力に変換する機能を備えている太陽電池素子である。
【００１２】
光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２と、複数の光電変換装置２の上方に設けられた受光部材３と外部基板４を含んで構成される。受光部材３は、外部からの光を受光するとともに、受光した光を集光部材９に集める機能を備えている。また、受光部材３は、複数個のレンズ部材３ｂが矩形のフレーム部材３ａに固定されることにより構成されている。受光部材３のレンズ部材３ｂは、例えば、ドーム状のフレネルレンズであり、例えば、アクリル樹脂等の光学的特性に優れた樹脂材料からなる。複数の光電変換装置２は、外部基板４に固定されている。そして、受光部材３は、外部基板４に固定された複数の光電変換装置２を覆っている。
【００１３】
受光部材３に入射された光は、光電変換装置２の集光部材９の上端部に集められる。すなわち、集光部材９は、受光部材３によって集められた光を光電変換素子７に導く機能を備えている。集光部材９に入射された光は、集光部材９の下端部から光電変換素子７の上面の受光面８に入射される。そして、光電変換素子７は、光エネルギーを電力に変換する。外部基板４は、光電変換装置２から発せられる熱を放散させる機能を備えている。外部基板４は、例えば、アルミニウム、銅、炭素−金属複合材等の金属材料からなる。なお、外部基板４の熱伝導率は、例えば、１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上５００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００１４】
光電変換装置２は、図３に示すように、素子搭載基板５と、素子搭載基板５上に設けられる光電変換素子７と、素子搭載基板５上に光電変換素子７を取り囲むように設けられる枠体１０と、枠体１０と接合されるとともに、光電変換素子７の上方に設けられる集光部材９と、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられる放熱フィン１１と、を備えている。
【００１５】
素子搭載基板５は、平面視したとき、矩形状に形成された部材である。素子搭載基板５は、絶縁性の材料からなり、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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックス材料からなる。または、素子搭載基板５は、これらの材料のうちの複数の材料を混合した複合系からなる。また、素子搭載基板５の厚みは、例えば、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。
【００１６】
また、素子搭載基板５の熱伝導率は、例えば、１５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上２５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、素子搭載基板５の熱膨張係数は、５（ｐｐｍ／℃）以上１０（ｐｐｍ／℃）以下に設定されている。なお、平面視したときの素子搭載基板５の形状は、矩形状に限らず、円形状等の形状にすることができる。
【００１７】
また、素子搭載基板５は、図３に示すように、光電変換素子７及びリード端子１２と電気的に接続される導電層６が素子搭載基板５の上面及び内部に設けられている。すなわち、光電変換素子７及びリード端子１２と電気的に接続される導電層６ａが、素子搭載基板
５の上面に設けられている。また、上面に設けられた導電層６ａと電気的に接続される導電層６ｂが、素子搭載基板５の内部に設けられている。導電層６は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン又はマンガン等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。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。
【００１８】
光電変換素子７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７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。また、集光部材９から集光された光を受光する受光面８が、光電変換素子７の上面に形成されている。
【００１９】
また、光電変換素子７の下面には下面電極が形成されている。光電変換素子７の下面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成されている。光電変換素子７は、低融点半田、導電性エポキシ樹脂等の接合材を介して、素子搭載基板５の上面に設けられている導電層６ａ上に搭載され、光電変換素子７の下面電極と導電層６ａとが電気的に接続されている。
【００２０】
また、光電変換素子７の上面には上面電極が設けられている。光電変換素子７の上面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成されている。光電変換素子７は、導電性ワイヤで、光電変換素子７の上面電極と導電層６ａとが電気的に接続されている。なお、光電変換素子７の上面電極と導電層６ａとの接続箇所は、複数箇所以上にすることにより、導電性ワイヤの１本あたりの電流が低減し、導電性ワイヤの熱の発生を抑制することができる。結果として、導電性ワイヤの信頼性を向上することができる。
【００２１】
また、導電性ワイヤの接続箇所を複数とすることにより、複数の接続個所で、電気的な接続が維持されるため、光電変換装置２が不良となることを防ぐことができる。また、光電変換装置２の電気的な接続を確保する点においても、光電変換素子７と導電層６との接続箇所は、複数個所とすることが好ましい。
【００２２】
集光部材９は、平面視したときに円形状に形成された部材である。集光部材９は、光電変換素子７に光を集光する機能を備えている。また、集光部材９は、透光性を有しており、受光部材３から届いた光を光電変換素子７に導く機能を備えている。集光部材９の透光性とは、光電変換素子７が、太陽電池素子である場合は、太陽光の少なくとも一部の波長領域に含まれる光が透過できることをいう。なお、集光部材９は、例えば、ホウ珪酸ガラス、プラスチック又は透光性樹脂等からなる。集光部材９は、平面視したときに、円形状に形成された部材であるが、円形状に限らず、枠体１０の形状に合わせて、矩形状等の形状にすることができる。
【００２３】
また、集光部材９は、枠体１０との接合のための金属層が、集光部材９の側面に全周にわたって形成される。また、集光部材９の側面の金属層は、蒸着法や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９の側面の金属層が、例えば、ロウ材、半田、低融点ガラス又はエポキシ樹脂等からなる接合部材を介して、枠体１０の全周にわたって枠体１０と接合される。接合方法は、例えば、ロウ接合、半田
接合又は樹脂接合等の方法からなる。
【００２４】
ロウ材は、例えば、銀−銅ロウ等からなる。半田は、金−錫系、金−ゲルマニウム系又は錫−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９は、枠体１０の上方で、枠体１０と接合されている。枠体１０については、後述する。
【００２５】
また、集光部材９は、光の反射によって断面積内の光エネルギーの強度分布を均等化する機能を有していればよい。
【００２６】
枠体１０は、平面視したときに、円形状に形成された部材である。枠体１０は、集光部材９を支持する機能を備えている。枠体１０は、枠体１０の上方で、集光部材９が接合される。枠体１０は、平面視したときに、円形状に形成された部材であるが、円形状に限らず、矩形状等の形状にすることができる。
【００２７】
また、枠体１０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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックス材料からなる。または、枠体１０は、これらの材料のうちの複数の材料を混合した混合系からなる。なお、枠体１０の熱伝導率は、例えば、１５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、枠体１０の熱膨張係数は、３（ｐｐｍ／℃）以上１０（ｐｐｍ／℃）以下に設定されている。
【００２８】
また、枠体１０は、集光部材９の側面の一部のみで接合されているので、枠体１０と集光部材９の接合面積を小さくすることできる。結果として、枠体１０から集光部材９への圧縮応力が低減でき、集光部材９の屈折率の変化による光電変換素子７の受光面８への照射光の位置ずれを抑制することができ、集光性を向上することができる。
【００２９】
また、枠体１０は、枠体１０の全周にわたって集光部材９と接合されるとともに、光電変換素子７の上方に空間２０を介して設けられている。結果として、光電変換素子７は、素子搭載基板５、枠体１０及び集光部材９で囲まれる空間２０内に設けられ、気密封止される。光電変換素子７が、内部の空間２０に設けられることによって、光電変換素子７を気密封止することができるため、光電変換素子７の耐湿性が向上し、光電変換素子７を長期にわたって信頼性良く作動させることができる。
【００３０】
放熱フィン１１は、光電変換素子７の周辺の熱を素子搭載基板５から効率よく放熱し、枠体１０に熱伝導するのを抑制するために、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられる。
【００３１】
放熱フィン１１が、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられているので、光電変換装置２は、放熱フィン１１を介して光電変換素子７の周辺の熱を光電変換装置２の外部に効率よく放熱することができる。素子搭載基板５及び光電変換素子７の温度上昇を抑制することができる。結果として、光電変換素子７の変換効率の低下を抑制することができる。また、放熱フィン１１が、枠体１０から離間して設けられているので、枠体１０への熱伝導を抑制することができる。
【００３２】
また、素子搭載基板５は、放熱フィン１１によって効率よく放熱されるので、素子搭載基板５に熱が滞留することを抑制することができ、素子搭載基板５と外部基板４との熱膨張差による素子搭載基板５の熱歪みを緩和することができる。ひいては、枠体１０、集光部材９に対する歪の影響が低減され、集光部材９に対する入射光の入射角度のずれを抑制することができる。結果として、集光部材９に入射する光を垂直に入光させることができ
、光電変換素子７の変換効率の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、放熱フィン１１は、枠体１０の形状に合わせてその外周に沿って形成されることが好ましい。放熱フィン１１は、例えば、アルミニウム、銅又は銀等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金、或いは焼結タングステンに銅を含浸したような複合材料、銅含浸タングステンに設けられた複数の貫通孔に銅を充填したような複合材料又は各種金属を層状に積層した複合材料等からなる。また、放熱フィン１１は、熱伝導性を良好にし、素子搭載基板５に搭載された光電変換素子７から発生する熱を効率よく外部に放熱させる機能を備えている。すなわち、光電変換素子７の周辺の熱が放熱フィン１１に熱伝導して効率よく光電変換装置２の外部に放熱される。
【００３４】
放熱フィン１１の形状は、図３に示すように、断面視したときに櫛歯形状の部材で、平面視したときに枠体１０の外側に壁状に形成される部材である。なお、放熱フィン１１の形状は、櫛歯形状に限らず、外部への放熱効果を有する形状であればよい。放熱フィン１１は、図３に示すように、３つの櫛歯で構成されているが、これに限らず、１つ又は２つ、或いは４つ以上の櫛歯で構成されてもよい。
【００３５】
また、放熱フィン１１の高さは、集光部材９への入射光が放熱フィン１１で遮られるのを防止する点で、枠体１０の上面の高さ又は集光部材９の上面の高さ以下に設定されることが好ましい。なお、放熱フィン１１の高さは、効果的に外部への放熱効果を有するように設定されればよい。
【００３６】
また、放熱フィン１１は、効果的に外部への放熱効果を有するように、熱櫛歯形状部の壁部の厚みＬ１は、断面視して、例えば、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。また、櫛歯形状部の空隙部の間隔Ｌ２は、断面視して、例えば、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。また、枠体１０と放熱フィン１１との空隙部の間隔Ｌ３は、断面視して、例えば、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に設定されている。また、全ての壁部の厚みが同一でなくてもよく、壁部の厚みＬ１は、それぞれ異なって設定されてもよい。また、全ての空隙部の間隔が同一でなくてもよく、空隙部の間隔Ｌ１は、それぞれ異なって設定されてもよい。
【００３７】
また、放熱フィン１１の熱伝導率は、例えば、１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上５００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、放熱フィン１１の熱膨張係数は、１０（ｐｐｍ／℃）以上２５（ｐｐｍ／℃）以下に設定されている。また、放熱フィン１１の厚みは、例えば、０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定される。また、放熱フィン１１の熱伝導率は、枠体１０の熱伝導率より大きく設定されている。
【００３８】
放熱フィン１１の熱伝導率が、枠体１０の熱伝導率より大きく設定されているので、光電変換素子７の周辺の熱は、放熱フィン１１を介して光電変換装置２の外部に効率よく放熱され、光電変換素子７の周辺の熱が枠体１０に熱伝導するのを抑制することができる。枠体１０への熱伝導が抑制されるので、集光部材９に対して熱膨張差による熱変形の発生を抑制することができる。結果として、光電変換装置２は、集光部材９から光電変換素子７の受光面８へ照射光の位置ずれが低減され、集光効率を向上することができる。
【００３９】
また、放熱フィン１１は、例えば、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで作製したインゴットを周知の切削加工や打ち抜き加工等の金属加工法を用いて所定形状にして形成される。
【００４０】
リード端子１２は、光電変換装置２が外部へ電気を取り出すための出力端子の機能を備えている。リード端子１２は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合
金又は銅等からなる。第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂは、接合材を介して、導電層６ａと電気的に接続されている。接合材は、例えば、銀−銅ロウ、金−錫半田、低融点半田又は導電性エポキシ樹脂等からなる。
【００４１】
また、第１のリード端子１２ａは、例えば、正極として機能する。また、第２のリード端子１２ｂは、例えば、負極として機能する。そして、光電変換素子７は、第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂに電気的に接続されており、第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂを介して外部に電気を取り出すことができる。
【００４２】
ここで、光電変換素子収納用パッケージについて説明する。光電変換素子収納用パッケージは、素子搭載基板５、枠体１０、放熱フィン１１で構成され、光電変換素子７及び集光部材９が未搭載の状態である。すなわち、光電変換素子収納用パッケージは、光電変換素子７が搭載される搭載部を有した素子搭載基板５と、素子搭載基板５上の搭載部を取り囲むように設けられる枠体１０と、を備えている。なお、枠体１０には、光電変換素子７の搭載予定位置より上方位置に設けられる予定の集光部材９が接合される。
【００４３】
＜光電変換装置及び光電変換モジュールの製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換モジュール１及び図２に示す光電変換装置２の製造方法を説明する。
【００４４】
まず、素子搭載基板５、枠体１０を準備する。素子搭載基板５、枠体１０は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加し、混合して得られた混合物によってそれぞれの形状に合わせてグリーンシートを成型する。また、金属ペーストは、タングステン又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、溶剤等を添加し、混合して作製する。また、素子搭載基板５は、図３に示すように、例えば、第１の素子搭載基板５ａ及び第２の素子搭載基板５ｂと２分割にして作製する。
【００４５】
グリーンシートの状態の素子搭載基板５ａは、光電変換素子７が搭載される領域に、例えば、スクリーン印刷法を用い、金属ペーストを印刷して、導電層６ａとなるメタライズ層を形成する。同様にして、グリーンシートの状態の素子搭載基板５ａは、枠体１０、リード端子１２及び放熱フィン１１が接合される領域に、メタライズ層を形成する。また、素子搭載基板５ｂと電気的な接続をするためのビア部に、例えば、スクリーン印刷法を用い、金属ペーストを充填して、導電層６ｂとなるメタライズ層を形成する。
【００４６】
また、グリーンシートの状態の第２の素子搭載基板５ｂは、第１の素子搭載基板５ａのビア部に形成されたビア部の導電層６ｂと電気的な接続をするための導電層６ｂとなるメタライズ層を、例えば、スクリーン印刷法を用い、金属ペーストを印刷して形成する。
【００４７】
さらに、焼結体の素子搭載基板５は、グリーンシート状態の第２の素子搭載基板５ｂ上に、グリーンシート状態の第１の素子搭載基板５ａを積層して、約１６００℃の温度で同時に焼成することにより、焼成後に、第１の素子搭載基板５ａ及び第２の素子搭載基板５ｂを一体化して作製する。
【００４８】
グリーンシートの状態の枠体１０は、同様にして、枠体１０と素子搭載基板５とが接合される領域に、メタライズ層を形成する。また、枠体１０と集光部材９とが接合される領域に、メタライズ層を形成する。そして、約１６００℃の温度で焼成し、焼結体の枠体１０を作製する。
【００４９】
素子搭載基板５及び枠体１０は、素子搭載基板５及び枠体１０に形成されたメタライズ層に、電解メッキ又は無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、ニッケルメッキ層を形成する。
【００５０】
放熱フィン１１は、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで作製したインゴットを所定形状に加工して作製する。
【００５１】
素子搭載基板５は、ニッケルメッキ層が形成されたメタライズ層に、枠体１０、放熱フィン１１及びリード端子１２を、例えば、Ａｕ−Ｃｕロウ材を介して接合する。
【００５２】
また、枠体１０、放熱フィン１１及びリード端子１２が接合された素子搭載基板５は、素子搭載基板５に露出しているニッケルメッキ層に、電解メッキ又は無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、更に、ニッケルメッキ層上に金メッキ層を形成する。
【００５３】
次に、素子搭載基板５は、枠体１０で取り囲まれる領域であって、素子搭載基板５の上面に形成された金メッキ層からなる導電層６ａ上に、例えば、Ａｕ−Ｓｎ半田によって光電変換素子７を搭載し、光電変換素子７の下面電極と導電層６ａを電気的に接続する。また、光電変換素子７は、光電変換素子７の上面電極に対して、導電性ワイヤを介して、光電変換素子７の上面電極と金メッキ層からなる導電層６ａとを電気的に接続する。
【００５４】
集光部材９は、モールド成形技術によって作製する。具体的には、集光部材９の金型内に、ホウ珪酸ガラスを投入し、加熱、プレスして成形する。さらに、当該成形品を冷却して金型から成形品を取り出すことで、集光部材９を作製する。そして、集光部材９の側面の全周にわたって、例えば、蒸着法によって、クロムの金属層を形成する。
【００５５】
そして、集光部材９は、半田等を介して、枠体１０に接合する。なお、集光部材９は、集光部材９を枠体１０に接合した後、枠体１０を素子搭載基板５に接合してもよい。このようにして、光電変換装置２を作製する。
【００５６】
ここで、光電変換モジュール１の作製方法について説明する。複数個の光電変換装置２と、外部基板４を準備する。光電変換装置２は、外部基板４に、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱伝導性の優れた樹脂等で固定される。また、素子搭載基板５の端部及び外部基板４に螺子孔を設け、螺子を介して固定してもよい。
【００５７】
ここでは、二つの光電変換装置２の接続方法について説明する。
【００５８】
まず、一方の光電変換装置２と他方の光電変換装置２とが隣り合うように、両者を外部基板４上に固定する。そして、配置した二つの光電変換装置２の素子搭載基板５に接合された第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂをそれぞれ延在して、互いに電気的に接続する。リード端子１２を延在して、隣り合う光電変換装置２を互いに電気的に接続することができるので、光電変換モジュール１を小型化することができる。また、リード端子１２を導電性ワイヤ等の接続部材を介して電気的に接続してもよい。同様にして、複数の光電変換装置２を外部基板４に配置して固定し、電気的に接続する。そして、外部基板４に配置した複数の光電変換装置２上に受光部材３を設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。
【００５９】
本発明は上述の実施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。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る光電変換装置のうち、本実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００６０】
＜変形例１＞
本実施形態に係る光電変換装置２では、放熱フィン１１の櫛歯形状は、櫛歯を構成するそれぞれの歯の高さを同一の高さにしているが、これに限らない。図４に示すように、放熱フィン１１の櫛歯形状が、素子搭載基板５の外周に向かって、櫛歯形状を階段状に高くする構成してもよい。放熱フィン１１が、素子搭載基板５の外周に向かって、櫛歯形状が階段状に高くなっている、すなわち、枠体１０側の放熱フィン１１の壁部の高さが低く設定されているので、放熱された熱が、枠体１０と放熱フィン１１の間の空隙部に滞留しにくくなり、外部空間に効果的に放熱することができるので、熱が枠体１０に熱伝導するのを抑制することができる。
【００６１】
＜変形例２＞
本実施形態に係る光電変換装置２では、放熱フィン１１が素子搭載基板５の上面に接合されているが、これに限らない。図５に示すように、素子搭載基板５は、枠体１０の外側に設けられた凹部を有し、放熱フィン１１は素子搭載基板の凹部１３内に配置される構成としてもよい。すなわち、放熱フィン１１の一部が素子搭載基板５の凹部１３内に埋設されている。放熱フィン１１が素子搭載基板５の凹部１３内に埋設されているので、光電変換装置２は、素子搭載基板５の光電変換素子７の周辺の熱が、放熱フィン１１に対して直接伝導しやすくなり、放熱フィン１１を介して外部に効率よく放熱することができる。
【００６２】
＜変形例３＞
本実施形態に係る光電変換装置２は、放熱フィン１１が素子搭載基板５の上面に接合されているが、これに限らない。図６に示すように、放熱フィン１１が、放熱フィン１１の下面は素子搭載基板５の凹部１３の底面と接合されるとともに、放熱フィン１１の側面は素子搭載基板５の凹部１３の内側面と空隙３０を介して配置される構成としてもよい。放熱フィン１１が素子搭載基板５の凹部１３の内側面と空隙３０を介して配置されているので、光電変換装置２は、素子搭載基板５の光電変換素子７の周辺の熱が、放熱フィン１１に伝導しやすくなり、放熱フィン１１を介して外部に効率よく放熱することができる。
【００６３】
また、放熱フィン１１が、凹部１３の内側面と空隙３０を介して配置されているので、放熱フィン１１と素子搭載基板５との熱膨張係数の違いによって生じる応力を緩和することができ、放熱フィン１１と素子搭載基板５とが応力によって剥離しにくくすることができる。
【００６４】
＜変形例４＞
本実施形態に係る光電変換装置２は、集光部材９が枠体１０の上部の位置で接合されているが、これに限らない。図７に示すように、集光部材９が枠体１０と集光部材９の側面の位置で接合される構成としてもよい。集光部材９が枠体１０と集光部材９の側面の位置で接合されているので、放熱フィン１１が素子搭載基板５に光電変換素子７の周辺部により近接して接合されることによって、光電変換素子７の周辺の熱を効率よく放熱フィン１１に伝導することができる。
【００６５】
また、放熱フィン１１が、光電変換素子７の周辺部に近接して接合されることによって、素子搭載基板５の寸法を小さくでき、光電変換装置２を小型化することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 光電変換モジュール
２ 光電変換装置
３ 受光部材
３ａ フレーム部材
３ｂ レンズ部材
４ 外部基板
５ 素子搭載基板
５ａ 第１の素子搭載基板
５ｂ 第２の素子搭載基板
６ 導電層
７ 光電変換素子
８ 受光面
９ 集光部材
１０ 枠体
１１ 放熱フィン
１２ａ 第１のリード端子
１２ｂ 第２のリード端子
１３ 凹部
２０ 空間
３０ 空隙
Ｌ１ 櫛歯形状部の壁部の厚み
Ｌ２ 櫛歯形状部の空隙部の間隔
Ｌ３ 枠体と放熱フィンの空隙部の間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置及びその光電変換装置を用いる光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光電変換素子を有する光電変換装置の開発が進められている。例示的な光電変換装置としては、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池装置がある。特に、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。この太陽電池装置の場合、光電変換素子は、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池素子である。集光された太陽光を効率良く太陽電池素子に照射する構造が、例えば、特許文献１に、開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７７０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、集光型の太陽電池装置では、太陽電池セルが実装された基板の熱を効率良く放熱することが重要であり、そのための技術が開発されている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れた光電変換装置及び光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る光電変換装置は、素子搭載基板と、光電変換素子と、枠体と、集光部材と、放熱フィンと、を備えたことを特徴とする。前記光電変換素子は、前記素子搭載基板上に設けられている。前記枠体は、前記素子搭載基板上に前記光電変換素子を取り囲むように設けられている。前記集光部材は、前記枠体と接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に設けられている。前記放熱フィンは、前記素子搭載基板上に設けられるとともに、前記枠体の外側で前記枠体と離間して設けられている。
【０００７】
また、本発明に係る光電変換モジュールは、前記光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられ、前記集光部材に光を集める受光部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、放熱性に優れた光電変換装置及び光電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る光電変換モジュールの概観を示す分解斜視図である。
【図２】本実施形態に係る光電変換装置の概観斜視図である。
【図３】図２に示す光電変換装置をＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【図４】本実施形態の変形例１に係る光電変換装置の断面図である。
【図５】本実施形態の変形例２に係る光電変換装置の断面図である。
【図６】本実施形態の変形例３に係る光電変換装置の断面図である。
【図７】本発明形態の変形例４に係る光電変換装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係る光電変換装置及び光電変換モジュールについて、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
＜実施形態＞
＜光電変換モジュール及び光電変換装置の構成＞
本実施形態に係る光電変換モジュール１は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽光発電モジュールである。また、本実施形態に係る光電変換装置２は、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子５を含んでいる。かかる光電変換素子７は、例えば、太陽光エネルギーを電力に変換する機能を備えている太陽電池素子である。
【００１２】
光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２と、複数の光電変換装置２の上方に設けられた受光部材３と外部基板４を含んで構成される。受光部材３は、外部からの光を受光するとともに、受光した光を集光部材９に集める機能を備えている。また、受光部材３は、複数個のレンズ部材３ｂが矩形のフレーム部材３ａに固定されることにより構成されている。受光部材３のレンズ部材３ｂは、例えば、ドーム状のフレネルレンズであり、例えば、アクリル樹脂等の光学的特性に優れた樹脂材料からなる。複数の光電変換装置２は、外部基板４に固定されている。そして、受光部材３は、外部基板４に固定された複数の光電変換装置２を覆っている。
【００１３】
受光部材３に入射された光は、光電変換装置２の集光部材９の上端部に集められる。すなわち、集光部材９は、受光部材３によって集められた光を光電変換素子７に導く機能を備えている。集光部材９に入射された光は、集光部材９の下端部から光電変換素子７の上面の受光面８に入射される。そして、光電変換素子７は、光エネルギーを電力に変換する。外部基板４は、光電変換装置２から発せられる熱を放散させる機能を備えている。外部基板４は、例えば、アルミニウム、銅、炭素−金属複合材等の金属材料からなる。なお、外部基板４の熱伝導率は、例えば、１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上５００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００１４】
光電変換装置２は、図３に示すように、素子搭載基板５と、素子搭載基板５上に設けられる光電変換素子７と、素子搭載基板５上に光電変換素子７を取り囲むように設けられる枠体１０と、枠体１０と接合されるとともに、光電変換素子７の上方に設けられる集光部材９と、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられる放熱フィン１１と、を備えている。
【００１５】
素子搭載基板５は、平面視したとき、矩形状に形成された部材である。素子搭載基板５は、絶縁性の材料からなり、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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックス材料からなる。または、素子搭載基板５は、これらの材料のうちの複数の材料を混合した複合系からなる。また、素子搭載基板５の厚みは、例えば、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。
【００１６】
また、素子搭載基板５の熱伝導率は、例えば、１５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上２５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、素子搭載基板５の熱膨張係数は、５（ｐｐｍ／℃）以上１０（ｐｐｍ／℃）以下に設定されている。なお、平面視したときの素子搭載基板５の形状は、矩形状に限らず、円形状等の形状にすることができる。
【００１７】
また、素子搭載基板５は、図３に示すように、光電変換素子７及びリード端子１２と電気的に接続される導電層６が素子搭載基板５の上面及び内部に設けられている。すなわち、光電変換素子７及びリード端子１２と電気的に接続される導電層６ａが、素子搭載基板
５の上面に設けられている。また、上面に設けられた導電層６ａと電気的に接続される導電層６ｂが、素子搭載基板５の内部に設けられている。導電層６は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン又はマンガン等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。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。
【００１８】
光電変換素子７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７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。また、集光部材９から集光された光を受光する受光面８が、光電変換素子７の上面に形成されている。
【００１９】
また、光電変換素子７の下面には下面電極が形成されている。光電変換素子７の下面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成されている。光電変換素子７は、低融点半田、導電性エポキシ樹脂等の接合材を介して、素子搭載基板５の上面に設けられている導電層６ａ上に搭載され、光電変換素子７の下面電極と導電層６ａとが電気的に接続されている。
【００２０】
また、光電変換素子７の上面には上面電極が設けられている。光電変換素子７の上面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成されている。光電変換素子７は、導電性ワイヤで、光電変換素子７の上面電極と導電層６ａとが電気的に接続されている。なお、光電変換素子７の上面電極と導電層６ａとの接続箇所は、複数箇所以上にすることにより、導電性ワイヤの１本あたりの電流が低減し、導電性ワイヤの熱の発生を抑制することができる。結果として、導電性ワイヤの信頼性を向上することができる。
【００２１】
また、導電性ワイヤの接続箇所を複数とすることにより、複数の接続個所で、電気的な接続が維持されるため、光電変換装置２が不良となることを防ぐことができる。また、光電変換装置２の電気的な接続を確保する点においても、光電変換素子７と導電層６との接続箇所は、複数個所とすることが好ましい。
【００２２】
集光部材９は、平面視したときに円形状に形成された部材である。集光部材９は、光電変換素子７に光を集光する機能を備えている。また、集光部材９は、透光性を有しており、受光部材３から届いた光を光電変換素子７に導く機能を備えている。集光部材９の透光性とは、光電変換素子７が、太陽電池素子である場合は、太陽光の少なくとも一部の波長領域に含まれる光が透過できることをいう。なお、集光部材９は、例えば、ホウ珪酸ガラス、プラスチック又は透光性樹脂等からなる。集光部材９は、平面視したときに、円形状に形成された部材であるが、円形状に限らず、枠体１０の形状に合わせて、矩形状等の形状にすることができる。
【００２３】
また、集光部材９は、枠体１０との接合のための金属層が、集光部材９の側面に全周にわたって形成される。また、集光部材９の側面の金属層は、蒸着法や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９の側面の金属層が、例えば、ロウ材、半田、低融点ガラス又はエポキシ樹脂等からなる接合部材を介して、枠体１０の全周にわたって枠体１０と接合される。接合方法は、例えば、ロウ接合、半田
接合又は樹脂接合等の方法からなる。
【００２４】
ロウ材は、例えば、銀−銅ロウ等からなる。半田は、金−錫系、金−ゲルマニウム系又は錫−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９は、枠体１０の上方で、枠体１０と接合されている。枠体１０については、後述する。
【００２５】
また、集光部材９は、光の反射によって断面積内の光エネルギーの強度分布を均等化する機能を有していればよい。
【００２６】
枠体１０は、平面視したときに、円形状に形成された部材である。枠体１０は、集光部材９を支持する機能を備えている。枠体１０は、枠体１０の上方で、集光部材９が接合される。枠体１０は、平面視したときに、円形状に形成された部材であるが、円形状に限らず、矩形状等の形状にすることができる。
【００２７】
また、枠体１０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、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックス材料からなる。または、枠体１０は、これらの材料のうちの複数の材料を混合した混合系からなる。なお、枠体１０の熱伝導率は、例えば、１５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、枠体１０の熱膨張係数は、３（ｐｐｍ／℃）以上１０（ｐｐｍ／℃）以下に設定されている。
【００２８】
また、枠体１０は、集光部材９の側面の一部のみで接合されているので、枠体１０と集光部材９の接合面積を小さくすることできる。結果として、枠体１０から集光部材９への圧縮応力が低減でき、集光部材９の屈折率の変化による光電変換素子７の受光面８への照射光の位置ずれを抑制することができ、集光性を向上することができる。
【００２９】
また、枠体１０は、枠体１０の全周にわたって集光部材９と接合されるとともに、光電変換素子７の上方に空間２０を介して設けられている。結果として、光電変換素子７は、素子搭載基板５、枠体１０及び集光部材９で囲まれる空間２０内に設けられ、気密封止される。光電変換素子７が、内部の空間２０に設けられることによって、光電変換素子７を気密封止することができるため、光電変換素子７の耐湿性が向上し、光電変換素子７を長期にわたって信頼性良く作動させることができる。
【００３０】
放熱フィン１１は、光電変換素子７の周辺の熱を素子搭載基板５から効率よく放熱し、枠体１０に熱伝導するのを抑制するために、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられる。
【００３１】
放熱フィン１１が、素子搭載基板５上に設けられるとともに、枠体１０の外側で枠体１０と離間して設けられているので、光電変換装置２は、放熱フィン１１を介して光電変換素子７の周辺の熱を光電変換装置２の外部に効率よく放熱することができる。素子搭載基板５及び光電変換素子７の温度上昇を抑制することができる。結果として、光電変換素子７の変換効率の低下を抑制することができる。また、放熱フィン１１が、枠体１０から離間して設けられているので、枠体１０への熱伝導を抑制することができる。
【００３２】
また、素子搭載基板５は、放熱フィン１１によって効率よく放熱されるので、素子搭載基板５に熱が滞留することを抑制することができ、素子搭載基板５と外部基板４との熱膨張差による素子搭載基板５の熱歪みを緩和することができる。ひいては、枠体１０、集光部材９に対する歪の影響が低減され、集光部材９に対する入射光の入射角度のずれを抑制することができる。結果として、集光部材９に入射する光を垂直に入光させることができ
、光電変換素子７の変換効率の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、放熱フィン１１は、枠体１０の形状に合わせてその外周に沿って形成されることが好ましい。放熱フィン１１は、例えば、アルミニウム、銅又は銀等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金、或いは焼結タングステンに銅を含浸したような複合材料、銅含浸タングステンに設けられた複数の貫通孔に銅を充填したような複合材料又は各種金属を層状に積層した複合材料等からなる。また、放熱フィン１１は、熱伝導性を良好にし、素子搭載基板５に搭載された光電変換素子７から発生する熱を効率よく外部に放熱させる機能を備えている。すなわち、光電変換素子７の周辺の熱が放熱フィン１１に熱伝導して効率よく光電変換装置２の外部に放熱される。
【００３４】
放熱フィン１１の形状は、図３に示すように、断面視したときに櫛歯形状の部材で、平面視したときに枠体１０の外側に壁状に形成される部材である。なお、放熱フィン１１の形状は、櫛歯形状に限らず、外部への放熱効果を有する形状であればよい。放熱フィン１１は、図３に示すように、３つの櫛歯で構成されているが、これに限らず、１つ又は２つ、或いは４つ以上の櫛歯で構成されてもよい。
【００３５】
また、放熱フィン１１の高さは、集光部材９への入射光が放熱フィン１１で遮られるのを防止する点で、枠体１０の上面の高さ又は集光部材９の上面の高さ以下に設定されることが好ましい。なお、放熱フィン１１の高さは、効果的に外部への放熱効果を有するように設定されればよい。
【００３６】
また、放熱フィン１１は、効果的に外部への放熱効果を有するように、熱櫛歯形状部の壁部の厚みＬ１は、断面視して、例えば、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。また、櫛歯形状部の空隙部の間隔Ｌ２は、断面視して、例えば、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。また、枠体１０と放熱フィン１１との空隙部の間隔Ｌ３は、断面視して、例えば、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に設定されている。また、全ての壁部の厚みが同一でなくてもよく、壁部の厚みＬ１は、それぞれ異なって設定されてもよい。また、全ての空隙部の間隔が同一でなくてもよく、空隙部の間隔Ｌ１は、それぞれ異なって設定されてもよい。
【００３７】
また、放熱フィン１１の熱伝導率は、例えば、１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上５００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、放熱フィン１１の熱膨張係数は、１０（ｐｐｍ／℃）以上２５（ｐｐｍ／℃）以下に設定されている。また、放熱フィン１１の厚みは、例えば、０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定される。また、放熱フィン１１の熱伝導率は、枠体１０の熱伝導率より大きく設定されている。
【００３８】
放熱フィン１１の熱伝導率が、枠体１０の熱伝導率より大きく設定されているので、光電変換素子７の周辺の熱は、放熱フィン１１を介して光電変換装置２の外部に効率よく放熱され、光電変換素子７の周辺の熱が枠体１０に熱伝導するのを抑制することができる。枠体１０への熱伝導が抑制されるので、集光部材９に対して熱膨張差による熱変形の発生を抑制することができる。結果として、光電変換装置２は、集光部材９から光電変換素子７の受光面８へ照射光の位置ずれが低減され、集光効率を向上することができる。
【００３９】
また、放熱フィン１１は、例えば、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで作製したインゴットを周知の切削加工や打ち抜き加工等の金属加工法を用いて所定形状にして形成される。
【００４０】
リード端子１２は、光電変換装置２が外部へ電気を取り出すための出力端子の機能を備えている。リード端子１２は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合
金又は銅等からなる。第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂは、接合材を介して、導電層６ａと電気的に接続されている。接合材は、例えば、銀−銅ロウ、金−錫半田、低融点半田又は導電性エポキシ樹脂等からなる。
【００４１】
また、第１のリード端子１２ａは、例えば、正極として機能する。また、第２のリード端子１２ｂは、例えば、負極として機能する。そして、光電変換素子７は、第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂに電気的に接続されており、第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂを介して外部に電気を取り出すことができる。
【００４２】
ここで、光電変換素子収納用パッケージについて説明する。光電変換素子収納用パッケージは、素子搭載基板５、枠体１０、放熱フィン１１で構成され、光電変換素子７及び集光部材９が未搭載の状態である。すなわち、光電変換素子収納用パッケージは、光電変換素子７が搭載される搭載部を有した素子搭載基板５と、素子搭載基板５上の搭載部を取り囲むように設けられる枠体１０と、を備えている。なお、枠体１０には、光電変換素子７の搭載予定位置より上方位置に設けられる予定の集光部材９が接合される。
【００４３】
＜光電変換装置及び光電変換モジュールの製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換モジュール１及び図２に示す光電変換装置２の製造方法を説明する。
【００４４】
まず、素子搭載基板５、枠体１０を準備する。素子搭載基板５、枠体１０は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加し、混合して得られた混合物によってそれぞれの形状に合わせてグリーンシートを成型する。また、金属ペーストは、タングステン又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、溶剤等を添加し、混合して作製する。また、素子搭載基板５は、図３に示すように、例えば、第１の素子搭載基板５ａ及び第２の素子搭載基板５ｂと２分割にして作製する。
【００４５】
グリーンシートの状態の素子搭載基板５ａは、光電変換素子７が搭載される領域に、例えば、スクリーン印刷法を用い、金属ペーストを印刷して、導電層６ａとなるメタライズ層を形成する。同様にして、グリーンシートの状態の素子搭載基板５ａは、枠体１０、リード端子１２及び放熱フィン１１が接合される領域に、メタライズ層を形成する。また、素子搭載基板５ｂと電気的な接続をするためのビア部に、例えば、スクリーン印刷法を用い、金属ペーストを充填して、導電層６ｂとなるメタライズ層を形成する。
【００４６】
また、グリーンシートの状態の第２の素子搭載基板５ｂは、第１の素子搭載基板５ａのビア部に形成されたビア部の導電層６ｂと電気的な接続をするための導電層６ｂとなるメタライズ層を、例えば、スクリーン印刷法を用い、金属ペーストを印刷して形成する。
【００４７】
さらに、焼結体の素子搭載基板５は、グリーンシート状態の第２の素子搭載基板５ｂ上に、グリーンシート状態の第１の素子搭載基板５ａを積層して、約１６００℃の温度で同時に焼成することにより、焼成後に、第１の素子搭載基板５ａ及び第２の素子搭載基板５ｂを一体化して作製する。
【００４８】
グリーンシートの状態の枠体１０は、同様にして、枠体１０と素子搭載基板５とが接合される領域に、メタライズ層を形成する。また、枠体１０と集光部材９とが接合される領域に、メタライズ層を形成する。そして、約１６００℃の温度で焼成し、焼結体の枠体１０を作製する。
【００４９】
素子搭載基板５及び枠体１０は、素子搭載基板５及び枠体１０に形成されたメタライズ層に、電解メッキ又は無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、ニッケルメッキ層を形成する。
【００５０】
放熱フィン１１は、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで作製したインゴットを所定形状に加工して作製する。
【００５１】
素子搭載基板５は、ニッケルメッキ層が形成されたメタライズ層に、枠体１０、放熱フィン１１及びリード端子１２を、例えば、Ａｕ−Ｃｕロウ材を介して接合する。
【００５２】
また、枠体１０、放熱フィン１１及びリード端子１２が接合された素子搭載基板５は、素子搭載基板５に露出しているニッケルメッキ層に、電解メッキ又は無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、更に、ニッケルメッキ層上に金メッキ層を形成する。
【００５３】
次に、素子搭載基板５は、枠体１０で取り囲まれる領域であって、素子搭載基板５の上面に形成された金メッキ層からなる導電層６ａ上に、例えば、Ａｕ−Ｓｎ半田によって光電変換素子７を搭載し、光電変換素子７の下面電極と導電層６ａを電気的に接続する。また、光電変換素子７は、光電変換素子７の上面電極に対して、導電性ワイヤを介して、光電変換素子７の上面電極と金メッキ層からなる導電層６ａとを電気的に接続する。
【００５４】
集光部材９は、モールド成形技術によって作製する。具体的には、集光部材９の金型内に、ホウ珪酸ガラスを投入し、加熱、プレスして成形する。さらに、当該成形品を冷却して金型から成形品を取り出すことで、集光部材９を作製する。そして、集光部材９の側面の全周にわたって、例えば、蒸着法によって、クロムの金属層を形成する。
【００５５】
そして、集光部材９は、半田等を介して、枠体１０に接合する。なお、集光部材９は、集光部材９を枠体１０に接合した後、枠体１０を素子搭載基板５に接合してもよい。このようにして、光電変換装置２を作製する。
【００５６】
ここで、光電変換モジュール１の作製方法について説明する。複数個の光電変換装置２と、外部基板４を準備する。光電変換装置２は、外部基板４に、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱伝導性の優れた樹脂等で固定される。また、素子搭載基板５の端部及び外部基板４に螺子孔を設け、螺子を介して固定してもよい。
【００５７】
ここでは、二つの光電変換装置２の接続方法について説明する。
【００５８】
まず、一方の光電変換装置２と他方の光電変換装置２とが隣り合うように、両者を外部基板４上に固定する。そして、配置した二つの光電変換装置２の素子搭載基板５に接合された第１のリード端子１２ａ及び第２のリード端子１２ｂをそれぞれ延在して、互いに電気的に接続する。リード端子１２を延在して、隣り合う光電変換装置２を互いに電気的に接続することができるので、光電変換モジュール１を小型化することができる。また、リード端子１２を導電性ワイヤ等の接続部材を介して電気的に接続してもよい。同様にして、複数の光電変換装置２を外部基板４に配置して固定し、電気的に接続する。そして、外部基板４に配置した複数の光電変換装置２上に受光部材３を設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。
【００５９】
本発明は上述の実施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。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る光電変換装置のうち、本実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００６０】
＜変形例１＞
本実施形態に係る光電変換装置２では、放熱フィン１１の櫛歯形状は、櫛歯を構成するそれぞれの歯の高さを同一の高さにしているが、これに限らない。図４に示すように、放熱フィン１１の櫛歯形状が、素子搭載基板５の外周に向かって、櫛歯形状を階段状に高くする構成してもよい。放熱フィン１１が、素子搭載基板５の外周に向かって、櫛歯形状が階段状に高くなっている、すなわち、枠体１０側の放熱フィン１１の壁部の高さが低く設定されているので、放熱された熱が、枠体１０と放熱フィン１１の間の空隙部に滞留しにくくなり、外部空間に効果的に放熱することができるので、熱が枠体１０に熱伝導するのを抑制することができる。
【００６１】
＜変形例２＞
本実施形態に係る光電変換装置２では、放熱フィン１１が素子搭載基板５の上面に接合されているが、これに限らない。図５に示すように、素子搭載基板５は、枠体１０の外側に設けられた凹部を有し、放熱フィン１１は素子搭載基板の凹部１３内に配置される構成としてもよい。すなわち、放熱フィン１１の一部が素子搭載基板５の凹部１３内に埋設されている。放熱フィン１１が素子搭載基板５の凹部１３内に埋設されているので、光電変換装置２は、素子搭載基板５の光電変換素子７の周辺の熱が、放熱フィン１１に対して直接伝導しやすくなり、放熱フィン１１を介して外部に効率よく放熱することができる。
【００６２】
＜変形例３＞
本実施形態に係る光電変換装置２は、放熱フィン１１が素子搭載基板５の上面に接合されているが、これに限らない。図６に示すように、放熱フィン１１が、放熱フィン１１の下面は素子搭載基板５の凹部１３の底面と接合されるとともに、放熱フィン１１の側面は素子搭載基板５の凹部１３の内側面と空隙３０を介して配置される構成としてもよい。放熱フィン１１が素子搭載基板５の凹部１３の内側面と空隙３０を介して配置されているので、光電変換装置２は、素子搭載基板５の光電変換素子７の周辺の熱が、放熱フィン１１に伝導しやすくなり、放熱フィン１１を介して外部に効率よく放熱することができる。
【００６３】
また、放熱フィン１１が、凹部１３の内側面と空隙３０を介して配置されているので、放熱フィン１１と素子搭載基板５との熱膨張係数の違いによって生じる応力を緩和することができ、放熱フィン１１と素子搭載基板５とが応力によって剥離しにくくすることができる。
【００６４】
＜変形例４＞
本実施形態に係る光電変換装置２は、集光部材９が枠体１０の上部の位置で接合されているが、これに限らない。図７に示すように、集光部材９が枠体１０と集光部材９の側面の位置で接合される構成としてもよい。集光部材９が枠体１０と集光部材９の側面の位置で接合されているので、放熱フィン１１が素子搭載基板５に光電変換素子７の周辺部により近接して接合されることによって、光電変換素子７の周辺の熱を効率よく放熱フィン１１に伝導することができる。
【００６５】
また、放熱フィン１１が、光電変換素子７の周辺部に近接して接合されることによって、素子搭載基板５の寸法を小さくでき、光電変換装置２を小型化することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 光電変換モジュール
２ 光電変換装置
３ 受光部材
３ａ フレーム部材
３ｂ レンズ部材
４ 外部基板
５ 素子搭載基板
５ａ 第１の素子搭載基板
５ｂ 第２の素子搭載基板
６ 導電層
７ 光電変換素子
８ 受光面
９ 集光部材
１０ 枠体
１１ 放熱フィン
１２ａ 第１のリード端子
１２ｂ 第２のリード端子
１３ 凹部
２０ 空間
３０ 空隙
Ｌ１ 櫛歯形状部の壁部の厚み
Ｌ２ 櫛歯形状部の空隙部の間隔
Ｌ３ 枠体と放熱フィンの空隙部の間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子搭載基板と、
前記素子搭載基板上に設けられる光電変換素子と、
前記素子搭載基板上に前記光電変換素子を取り囲むように設けられる枠体と、
前記枠体と接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に設けられる集光部材と、
前記素子搭載基板上に設けられるとともに、前記枠体の外側で前記枠体と離間して設けられる放熱フィンと、
を備えたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記放熱フィンの熱伝導率は、前記枠体の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記素子搭載基板は、前記枠体の外側に設けられた凹部を有し、
前記放熱フィンは、前記素子搭載基板の前記凹部内に配置されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３記載の光電変換装置であって、
前記放熱フィンは、該放熱フィンの下面は前記素子搭載基板の凹部の底面と接合されるとともに、前記放熱フィンの側面は前記素子搭載基板の凹部の内側面と空隙を介して配置されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
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と、
前記光電変換装置上に設けられ、前記集光部材に光を集める受光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換モジュール。
【請求項１】
素子搭載基板と、
前記素子搭載基板上に設けられる光電変換素子と、
前記素子搭載基板上に前記光電変換素子を取り囲むように設けられる枠体と、
前記枠体と接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に設けられる集光部材と、
前記素子搭載基板上に設けられるとともに、前記枠体の外側で前記枠体と離間して設けられる放熱フィンと、
を備えたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記放熱フィンの熱伝導率は、前記枠体の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記素子搭載基板は、前記枠体の外側に設けられた凹部を有し、
前記放熱フィンは、前記素子搭載基板の前記凹部内に配置されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３記載の光電変換装置であって、
前記放熱フィンは、該放熱フィンの下面は前記素子搭載基板の凹部の底面と接合されるとともに、前記放熱フィンの側面は前記素子搭載基板の凹部の内側面と空隙を介して配置されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
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と、
前記光電変換装置上に設けられ、前記集光部材に光を集める受光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１５９７９２（Ｐ２０１１−１５９７９２Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０１１６（Ｐ２０１０−２０１１６）
【出願日】平成２２年２月１日（２０１０．２．１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１日（２０１０．２．１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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