专利名称：用于太阳能系统的光电聚能器的制作方法
技术领域：
一般地本发明涉及一种太阳能转化系统，尤其涉及配制成集中并引导进入多个光电电池的入射光的光电聚能器。
背景技术：
相对于其他形式的能量，太阳能被认为是可替代能源。太阳能转化系统用来将太阳能转化为电能。典型的太阳能转化系统包括将太阳能转化为即时使用的或存储起来随后使用的电能的光电模块、光电电池或太阳能电池。将太阳能向电能的转化包括光线的接收，例如太阳光，在太阳能电池中将太阳光吸收到太阳能电池中，正电荷和负电荷的产生和分离在太阳能电池中建立了电压，并且电荷通过与太阳能电池连接的端子聚集并传输。
太阳能模块主要用于住宅和商业区域，例如在由电力公司的网络供电的区域。由太阳能模块产生的电能的数量直接与模块吸收到电池内的太阳能的数量有关，这依次受电池效率、电池覆盖的表面区域和入射到电池的太阳光的强度或亮度影响。光电模块的成本随着被光电电池覆盖的表面区域的增加而增加。降低与光电模块有关的成本的一个方法是通过光学聚能技术。通过进行光学聚能，叠片内的电池覆盖区域被缩小。传统的用于更高水平的光学聚能的光学聚能器通常很笨重并且需要对光线有源跟踪。此外，传统的光学聚能器的成本更高。
因此，提供一种低水平静态光学聚能器来降低与效率损耗最小的太阳能模块有关的成本是有益的。
发明内容
根据本技术的一个方面，提供一种能量转化系统。该系统包括具有平表面和有图案的表面的第一光学盖。该有图案的表面配置成接收来自平表面的太阳能，随后集中并引导该太阳能。该系统还包括第二光学盖。该系统进一步包括在第一光学盖的有图案的表面和第二光学盖之间的光电电池层。光电电池层配置成接收来自有图案的表面的太阳能并将太阳能转化为电能。
根据本技术的另一个方面，提供一种能量转化系统。该系统包括由第一表面和第二表面组成的第一光学盖，其中第一表面包括平表面，第二表面包括有图案的表面，该有图案的表面配置成接收来自第一表面的太阳能，并进一步配置成集中并引导该太阳能。该系统还包括由第三有图案的表面和第四平表面组成的第二光学盖。该系统进一步包括多个设置在第一光学盖的有图案的表面和第二光学盖之间的双面光电电池，并且配置成接收来自有图案的表面的太阳能并将该太阳能转化为电能。进入光电电池的太阳能直接通过第一光学盖传送，或者通过第一光学该的全内反射传送，或者通过第二光学盖的全内反射传送，或者通过它们的结合传送。
根据本技术的另一个方面，提供一种太阳能聚能器。该太阳能聚能器包括平表面。该太阳能聚能器还包括包含多个相互连接或水平离散的有图案的表面，以及竖直三角形槽、棱锥结构、圆锥结构或它们的组合结构。该太阳能聚能器进一步包括形成在有图案的表面的反射层。
在参考附图阅读下述详细说明之后将更好地理解本发明的这些和其它特征、要点和优点，在附图中同样的特征始终表示同样的部件，其中图1是根据本技术的典型实施例的具有前光学盖、光电电池层和后光学盖的能量转化系统的示意图；图2是根据本技术的典型实施例的具有有图案的表面的前光学盖的透视图；图3是表示根据本技术的典型实施例的能量转化系统中的太阳能相互作用的示意图；图4是表示根据本技术的典型实施例的具有多个双面光电电池的能量转化系统中的太阳能相互作用的示意图；图5是表示根据本技术的某一方面的具有多个交叉三角形槽的能量转化系统的示意图；图6是表示根据本技术的典型实施例的具有多个交叉三角形槽的能量转化系统的示意图；图7是表示根据本技术的某一方面的具有多个交叉三角形槽的能量转化系统的示意图；
图8是表示根据本技术的典型实施例的布置在具有多个交叉三角形槽的前光学盖上的叠片的顶部平面视图；图9是表示根据本技术的典型实施例的具有棱锥点阵的能量转化系统的示意图；图10是表示根据本技术的某一方面的具有棱锥点阵的能量转化系统的示意图；图11是表示根据本技术的典型实施例的布置在具有多个棱锥结构的前光学盖上的叠片的顶部平面视图；图12是表示根据本技术的典型实施例的布置在具有多个棱锥和圆锥结构的前光学盖上的叠片的顶部平面视图；以及图13是表示根据本技术的典型实施例的能量转化系统的制造工艺的流程图。
具体实施例方式
正如下面详细讨论，本技术的实施例提供了一种具有太阳能聚能器的能量转化系统，该太阳能聚能器配置成接收太阳能，并进一步配置成将太阳能集中并引导到光电电池层。该太阳能聚能器配置成接收来自宽范围的入射通量角度的并具有最小衰减性能的光线。特别地，该太阳能聚能器由具有图案的表面的前盖组成，该有图案的表面配置成集中并引导太阳能。根据本技术，太阳能聚能器的成本与功率比降低了。这些技术还公开了入射到光电电池层的太阳能直接通过上述太阳能聚能器传送，或者通过太阳能聚能器的全内反射传送，或者通过它们的结合传送。这些技术的不同实施例将在下面参考图1-13进一步详细论述。
图1表示包括第一光学盖12、光电电池层14和第二光学盖16的能量转化系统10。在示范实施例中，该第一光学盖12表示为前盖，而第二光学盖16表示为后盖。光电电池层14介于前盖12和后盖16之间，并且可以由一个或多个光电电池组成。
该前盖12可以由透明材料组成，例如玻璃、聚碳酸酯、Lexan材料等。该前盖12具有第一表面18和有图案的第二表面20。该光电电池层14介于有图案的第二表面20和后盖16之间。该有图案的第二表面20配置成接收来自第一表面18的太阳能并且将该太阳能集中和引导到光电电池层14。该有图案的第二表面20可以利用现有技术形成，例如本领域技术人员熟知的玻璃成型、飞刀切削等。此外，前盖12可以为如图1所示的单独的材料片，或者可替换为一种复合结构，其中第一表面18和有图案的第二表面20分别制造并随后连接在一起形成前盖12。下面将更详细地说明该有图案的第二表面20的结构。该光电电池层14包括本领域技术人员熟知的半导体材料。该光电电池层12配置成接收来自有图案的第二表面20的太阳能，并将该太阳能转化为电能。后盖16可以由玻璃、聚氟乙烯膜、聚碳酸酯、Noryl、Lexan材料等组成。后盖16可以用作光学盖或用作支撑板。
图2表示具有有图案的第二表面20的前盖12。在该示范实施例中，该有图案的第二表面20包括多个等距的水平三角形槽22和在前盖12的长度和宽度上延伸的竖直三角形槽24。该水平和竖直三角形槽22，24相交形成多个等距的矩形区域26。该光电电池层14(在图1中表示)可以包括多个光电电池，并且可以直接设置在有图案的第二表面20的矩形区域26之下。多个光电电池电连接，并且还可以嵌入保护密封剂(未示出)。例如，保护密封剂可以包括乙烯醋酸乙烯酯。该保护密封剂配置成为光电电池提供强度，并且还在极端环境状态下保护光电电池。
图3表示能量转化系统10中的太阳能的相互作用。在示范实施例中，保护涂层29形成在前盖12的第一表面18来滤去紫外光同时传送可见光。在一个例子中，保护涂层29由sollx材料组成。提供保护涂层29可以有选择地滤去到达密封剂和光电电池15中的紫外光。保护涂层29还可以用来根据光电电池15的响应度来阻挡一部分红外光到达光电电池15。在另一个实施例中，可以将紫外线吸收材料添加在前盖12的材料上，来代替保护涂层29或附加在保护涂层29上。反射层30形成在前盖12的有图案的第二表面20上。在一个实施例中，该反射层30包括金属涂层。在另一个实施例中，该反射层30包括绝缘涂层。该反射层30配置成反射入射到三角形槽22，24的光线。
在一个实施例中，入射到光电电池15的光线28或者是直接通过前盖12传送到光电电池15，或者从有图案的第二表面20反射，并随后在碰撞(impinge)光电电池15之前从第一表面18反射。光线由于全内反射(TIR)而从第一表面18反射，在光线在折射率较高的介质中到达与折射率较低的介质界面的入射角成大于临界角的角度时发生全内反射。如本领域普通技术人员熟知的，临界角取决于相邻两种媒质折射率的差。在示范实施例中，在第一表面18的反射光线的入射角度取决于入射太阳光线的入射角度、三角形槽22，24的倾斜角度和前盖12的材料的折射率。三角形槽的倾斜角度如此选择，即使给定材料的平板区域入射光线的太阳能的聚集效率最大化。
图4表示本发明的另一实施例，并表示在能量转化系统10中的太阳能的相互作用。根据图4中所示的实施例，该系统10包括设置在介于前盖12和后盖16之间的密封剂31之内的多个光电电池15。在示范的实施例中，如本领域技术人员熟知的，光电电池15是双面电池。根据该示范的实施例，后盖16包括平表面21和有图案的表面23。反射层27形成在后盖16的有图案的表面23上。可以提供支撑板33(例如聚氟乙烯板)支撑后盖16。该前盖12、后盖16和密封剂31可以具有类似的折射率。
在示范实施例中，入射到双面光电电池15的光线或者直接通过前盖12传送到光电电池15，或者从后盖16的有图案的表面23反射，并随后在碰撞双面光电电池15之前从前盖12的第一表面18反射。如上面论述的，光线由于全内反射(TIR)而从第一表面18反射。从后盖16的有图案的表面23反射的光线也可以直接碰撞双面光电电池15。
图5表示能量转化系统10的另一实施例。在该示范实施例中，前盖12由玻璃组成。如上所述，该反射层30形成在前盖12的有图案的第二表面20上。后盖16由平板组成。光电电池15形成在有图案的第二表面20和后盖16之间。
图6表示能量转化系统10的另一实施例。在该示范实施例中，前盖12由聚碳酸酯组成。如上所述，反射层30形成在前盖12的有图案的第二表面20。根据示范实施例，后盖16由Noryl材料组成，并具有有图案的第三表面32和平的第四表面34。在示范实施例中，有图案的第二表面20和有图案的第三表面32包括多个等距水平三角形槽和竖直三角形槽。如上面论述的，该水平和竖直三角形槽交叉形成多个等距矩形区域。在另一个例子中，有图案的第二表面20和有图案的第三表面32包括多个等距水平三角形槽和竖直三角形槽、棱锥结构、圆锥结构或者它们的混合结构。光电电池层14的每个光电电池15介于有图案的第二表面20和有图案的第三表面32之间。光电电池15可以嵌入保护密封剂31。在示范实施例中，粘合涂层或密封剂36形成在后盖16的有图案的第三表面32上。
图7表示能量转化系统10的另一实施例。如上面论述的，前盖12可以包括玻璃、聚碳酸酯等。三角形槽的倾斜角度(θ)根据前盖12的折射率(nc)、光电电池15的宽度(Wc)和光电电池15的长度(Lc)来选择，从而确保光线在宽的光入射角度范围内发生全内反射。在示范实施例中，可以通过增加三角形槽的高度(hb)与前盖12的高度(hc)的比值来增强光电电池15捕获的光。三角形槽的宽度由参考变量“Wb”表示。三角形槽的曲率半径由参考变量“r”表示。三角形槽可以由金属涂层(例如银涂层)覆盖来反射入射光线。
在一个例子中，对于能量转化系统10的48％的电池覆盖率，前盖12的高度(hc)等于5.6mm，三角形槽的的高度(hb)等于3.6mm，三角形槽的宽度(Wb)等于12.5mm，光电电池的长度(Lc)等于25mm，光电电池的宽度(Wc)等于25mm并且三角形槽的倾斜角度(θ)等于34.5376度。
图8表示布置在具有有图案的第二表面20的前盖12上的叠片的顶部平面视图。在示范实施例中，有图案的第二表面20包括多个等距的排列成5行19列的水平三角形槽22和竖直三角形槽24。有图案的第二表面20的长度由参考变量“Ll”表示。有图案的第二表面20的宽度由参考变量“Wl”表示。光电电池的宽度由参考变量“Wc”表示。三角形槽的宽度由参考变量“Wb”表示。在一个例子中，“Ll”等于700mm，“Wl”等于175mm，“Wc”等于25mm并且“Wb”等于12.5mm。
图9表示具有有图案的第二表面20的前盖12的另一实施例。有图案的第二表面20包括形成棱锥点阵40的多个等距的棱锥结构38。多个光电电池15设置在棱锥结构38之间。如上面的实施例所示，入射到光电电池15的光线或者直接通过前盖12传送，或者从棱锥结构38反射(反射一次或者多次)，随后由于全内反射在碰撞到光电电池15之前从第一表面反射(如上所示反射一次或者多次)。提供棱锥结构38来接收宽范围的入射光线，并且为了使光电电池的尺寸为一个宽范围可以将棱锥结构38最优化。由于光浓度低并且相对均匀地穿过光电电池15，由于热效应的光电电池的性能降低被最小化。
图10表示能量转化系统10的另一实施例。在示范实施例中，前盖12由Lexan材料组成。在第一盖20的有图案的第二表面20和后盖16之间提供光电电池15。有图案的第二表面20包括多个与反射层30一起提供的棱锥结构38。在另一个例子中，具有图案的第二表面20包括多个等距的水平三角形槽和竖直三角形槽、棱锥结构、圆锥结构或其混合结构。
在示范实施例中，前盖12的高度由参考变量“hc”表示。棱锥结构的高度由参考变量“hb”表示。棱锥结构的倾斜角度由参考变量“θ”表示。光电电池的宽度由参考变量“Wc”表示。棱锥结构的宽度由参考变量“Wb”表示，并且后盖的厚度由参考变量“p”表示。在一个例子中，“hc”等于15.5mm，“hb”等于13.9mm，“θ”等于29度，“Wc”等于50mm，“Wb”等于50mm并且“p”等于1.5mm。
图11表示布置在具有有图案的第二表面20的前盖12上的叠片的另一实施例的顶部平面视图。在示范实施例中，有图案的第二表面20包括多个等距的棱锥结构38形成排列成7行27列的棱锥点阵40。有图案的第二表面20的长度由参考变量“Ll”表示，而有图案的第二表面20的宽度由参考变量“Wl”表示。在一个例子中，“Ll”等于1400mm，而“Wl”等于350mm。
图12表示布置在具有有图案的第二表面20的前盖上的叠片的另一实施例的顶部平面视图。有图案的第二表面20包括多个等距的棱锥结构38和圆锥结构42形成点阵。光电电池15设置在棱锥结构38和圆锥结构42之间。提供棱锥结构38和圆锥结构42来接收宽范围的入射光线，并且为了使光电电池的尺寸为一个宽范围可以将棱锥结构38和圆锥结构42最优化。在另一实施例中，有图案的第二表面20仅包括多个等距的圆锥结构42形成点阵。在圆锥结构42和光电电池15之间可以形成剩余空间。可以通过利用反射涂层、通过形成在前盖的剩余空间提供有反射层的微结构或者通过利用反射的后层来捕获一些入射到剩余空间的光线来降低剩余空间的影响。在上述实施例中表示的前盖12既提供了光浓度又提供了光引导功能。光电电池15中的太阳能光浓度低并且相对均匀。结果由于热效应使光电电池15的性能下降减小了。
参考图13，流程图表示了根据本技术的实施例的能量转化系统10提供的制造方法。如步骤44所示，该方法包括提供具有第一平表面18和第二有图案的表面20的第一光学盖12。第二有图案的表面20配置成集中并引导太阳能。在一个实施例中，有图案的第二表面20包括多个等距的水平三角形槽22和竖直三角形槽24。水平和竖直三角形槽22，24交叉形成多个等距的矩形区域26。在另一个实施例中，有图案的第二表面20包括多个等距的棱锥结构38形成棱锥点阵40。在另一个实施例中，有图案的第二表面20包括多个等距的圆锥结构42形成圆锥点阵。还在另一实施例中，有图案的第二表面可以包括多个等距的棱锥结构38和圆锥结构42的混合结构。如步骤46所示，该方法还可以包括在第一光学盖12的有图案的第二表面20上提供反射层30来反射入射光线。
如步骤48所示，该方法还可以包括在第一光学盖12的第一平表面18提供配置成选择性滤去紫外线的保护涂层29。该保护涂层29可以是吸附涂层、绝缘涂层或金属涂层。如步骤50所示，该方法还包括提供第二光学盖16。在一个实施例中，第二光学盖16由平板组成。在另一实施例中，第二光学盖16由有图案的第三表面32和平的第四表面34组成。如步骤52所示，该方法还包括提供密封在第二有图案的表面20和第二光学盖16之间的光电电池层14。该光电电池层14包括多个配置成接收来自有图案的第二表面20的太阳能并将太阳能转化成电能的光电电池。
这里在仅表示和说明了本发明的某些特征的同时，本领域技术人员可以进行很多修改和变化。因此可以理解的是，所附的权利要求书旨在覆盖在本发明的真正精神范围之内的所有的这样的修改和变化。
权利要求
1.一种能量转化系统(10)，包括第一光学盖(12)，包括第一表面(18)和第二表面(20)，其中第一表面(18)包括平表面，而第二表面(20)包括有图案的表面，配置成接收来自第一表面(18)的太阳能，并进一步配置成集中并引导该太阳能；第二光学盖(16)；以及多个光电电池(15)，设置在第一光学盖(12)的有图案的表面(20)和第二光学盖(16)之间，并且配置成接收来自有图案的表面(20)的太阳能，并将该太阳能转化成电能。
2.权利要求1的系统(10)，还包括覆盖在第一光学盖(12)的有图案的表面(20)上的反射层(30)。
3.权利要求1的系统(10)，其中该有图案的表面(20)包括多个等距的水平和竖直三角形槽(22，24)，交叉形成多个等距的矩形区域(26)。
4.权利要求1的系统(10)，其中该有图案的表面(20)包括等距的棱锥点阵(40)。
5.权利要求1的系统(10)，其中该有图案的表面(20)包括棱锥和圆锥的混合结构(38，42)。
6.权利要求1的系统(10)，其中多个光电电池(15)嵌入在保护密封剂(31)中。
7.权利要求1的系统(10)，还包括形成在第一盖(12)的平表面(18)上的保护涂层(29)，用来有选择地将可见光传送到多个光电电池(15)。
8.权利要求1的系统(10)，其中入射到光电电池(15)的太阳能直接通过第一光学盖(12)传送，或者通过第一光学盖(12)的全内反射传送，或者通过其结合传送。
9.一种能量转化系统(10)，包括第一光学盖(12)，包括第一表面(18)和第二表面(20)，其中该第一表面(18)包括平表面，而第二表面(20)包括有图案的表面，配置成接收来自第一表面(18)的太阳能，并进一步配置成集中并引导该太阳能；第二光学盖(16)，包括第三表面(32)和第四表面(34)，其中第三表面(32)包括有图案的表面，而第四表面(34)包括平表面；以及多个双面光电电池(15)，设置在第一光学盖(12)的有图案的表面(20)和第二光学盖(16)之间，并且配置成接收来自有图案的表面(20，32)的太阳能，并将该太阳能转化为电能，其中入射到光电电池(15)的太阳能直接通过第一光学盖(12)传送，或者通过第一光学盖(12)的全内反射传送，或者通过第二光学盖(16)的全内反射传送，或者通过其结合传送。
10.权利要求9的系统(10)，其中多个双面光电电池(15)嵌入在保护密封剂(31)中。
全文摘要
能量转化系统(10)包括具有平表面(18)和有图案的表面(20)的第一光学盖(12)。该有图案的表面(20)配置成接收来自平表面(18)的太阳能，随后集中并引导该太阳能。该系统(10)还包括第二光学盖(16)。该系统(10)进一步包括在第一光学盖(12)的有图案的表面(20)和第二光学盖(16)之间提供光电电池层(14)。该光电电池层(14)配置成接收来自有图案的表面(20)的太阳能，并且将该太阳能转化为电能。
文档编号H01L31/052GK1877865SQ20061009964
公开日2006年12月13日 申请日期2006年6月6日 优先权日2005年6月6日
发明者R·S·杜尔瓦苏拉 申请人:通用电气公司