专利名称：多波段集光及能量转换模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集光及能量转换模块，特别是一种能将太阳或其它光线依其波长集光并进行能量转换的模块。
背景技术：
现今有许多太阳能电池的技术，但是目前没有一种太阳能电池的吸收频谱能完全吻合太阳光的发光频谱。图1为太阳光(AM 1. 5G)的发光频谱。图2为列举三种不同的太阳能电池对太阳光具有不同的吸收频谱。参照图1及图2，大部分的太阳能电池仅能吸收某些特定波段的太阳光。因此，在现有的太阳能电池的技术上，使得太阳光无法被有效地利用，需要多波段太阳能吸收技术，以更加有效地利用不同波段的太阳能。传统多波段太阳能吸收技术所使用的是垂直堆栈技术，即串接式太阳电池 (tandem solar cell)。串接式太阳电池是将两个或三个不同的太阳能电池在垂直方向上堆栈在一起，以增加太阳能电池的吸收频谱。但是由于材料本身的穿透率，越下层的材料层的通光量会越低，因而降低其吸光量。并且，具有不同吸收频谱的太阳能电池具有不同的晶格常数(lattice constant)。晶格常数的不匹配容易在交界处产生一些缺陷，因而影响其光电流的收集。因此，在交界处则需多堆栈一层材料，以降低交界处的电阻值，同时解决晶格常数不匹配的问题，但是却相对地增加了制作的成本和复杂度。于垂直堆栈技术上，可堆栈三个太阳能电池和四个太阳能电池，但是随着堆栈层数的增加，制作的成本和复杂度也随着增加，而提升的效率不一定呈线性的增加，并影响工艺的成品率。于太阳能电池缺料的压力下，集光器的使用便略显重要。集光比的定义为集光器的受光面积比上在聚光斑上所放置太阳能电池的受光面积。当具有越高集光比的太阳能发电系统，所使用的太阳能电池材料也会越少。在一现有技术上，利用拱形菲涅尔透镜(arched Fresnel lens)将太阳光集光到太阳能电池上，以提高入射光的强度并降低太阳能材料的使用率。但是太阳能电池的吸收频谱有别于太阳光的发光频谱，未吸收的太阳能会转换成热能，因而提高了太阳能电池基板的温度，如此一来便降低了太阳能电池的转换效率。因此需要额外设计散热片。但是散热片的设计却增加了太阳能发电系统的成本与复杂度。在另一现有技术上，则采用离轴菲涅尔透镜(off-axis Fresnel lens)的设计。根据离轴菲涅尔透镜的设计原理，不同波长会因为高色散材质的特性，而集光在光入射轴向 (axial direction)上不同的位置。接着，将不同的太阳能电池放置于光入射轴向的附近， 使得不同波长的光可以被不同的太阳能电池吸收。但如此的设计会造成入射光会具有较大的入射角度而影响收光效率，并且高色散材质具有不易取得的问题。相关技术与研究可参考US6281426、US5498297及US4204881等美国专利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多波段集光及能量转换模块，以解决现有技术所存在的问题。为了实现上述目的，本发明提供了一种多波段集光及能量转换模块，包括多波段集光器和能量转换组件组。多波段集光器包括光栅与集光组件。光栅位于集光组件的表面上。能量转换组件组包含多个能量转换组件。该些能量转换组件侧边相邻地设置在集光组件的集光平面上， 且能量转换组件的收光面面向集光组件。为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种多波段集光及能量转换模块，包括一多波段集光器与一能量转换组件组。多波段集光器将入射光源依波长分光与集光，其包括一光栅与集光组件。光栅可将入射光源依波长分光。集光组件可将入射光源集光于一集光面上。能量转换组件组包含多个能量转换组件，能量转换组件设置在集光组件的集光面上，且能量转换组件组的一收光面面向集光组件。其中，入射光源先经过多波段集光器的分光与集光后，形成不同波段的多个光束入射到能量转换组件组。为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种多波段集光及能量转换模块，包括一多波段集光器与一能量转换组件组。多波段集光器将一入射光源依波长分光与集光于多个聚光斑。能量转换组件组包含多个能量转换组件，能量转换组件个别对应并配置于聚光斑处，能量转换组件具有个别的吸收频谱峰值，且每一能量转换组件的吸收频谱峰值对应于能量转换组件所在聚光斑的一光束的波长。本发明的技术效果在于根据本发明的多波段集光及能量转换模块，利用多波段集光器(集光组件和光栅)将太阳光或其它光线(即入射光源)分出不同波段的光束，并使其集光于各自对应的能量转换组件，以使能量转换组件能转换其所对应波长的光束，而得到良好的能量转换效率，进而提升总能量转换效率。并且，多波段集光器的使用还可降低能量转换组件材料的使用率。再者，集光后的太阳光或其它光线可以小角度入射至能量转换组件，可降低太阳光或其它光线的反射率。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为显示太阳光(AM 1. 5G)的发光频谱；图2为显示三种能量转换组件的吸收频谱；图3为本发明第一实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图4为本发明第二实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图5为本发明第三实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图6为本发明第四实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图7为本发明第五实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图8为本发明第六实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图9为一本发明的实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图10为一实施例的光栅的细部结构示意图11为一实施例的次聚光斑与总聚光斑的示意图；图12为本发明多个第一实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图；图13为本发明第七实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图。其中，附图标记10太阳能发电系统100、100-1、100-2、100-3多波段集光及能量转换模块102太阳光110、110-1、110-2、110-3 多波段集光器112集光组件112a 出射面112b 入射面114 光栅II5、Il6 次光栅130能量转换组件组130a 收光面130-1，130-2，130-3 能量转换组件组131、132、133能量转换组件140 二次镜A集光面D、D，宽度d 周期L 光轴λ 1、λ 2、λ 3 波长Η1、Η2、Η3 连线TL 切线T 厚度
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述于本发明中，利用多波段集光器将入射光源如太阳光或其它光线，分出不同波段的光束，并使其集光在光入射横向上不同的位置，以形成不同的聚光斑。前述不同波段的光束可以是指在不同光频谱范围区间，或指特定光波长。以下为了便于说明，将以太阳光为例，但本发明并不以此为限，也可为环境光或其它光线。接着，在各个聚光斑上，设置对应的能量转换组件。此处的能量转换组件可以是但不限于光电转换组件或热电转换组件。前述对应设置，可以是将前述的能量转换组件的吸收频谱峰值与聚光斑的光束的波段(波长)相对应(注能量转换组件对太阳光具有不同的吸收频谱峰值)，举例而言，若能量转换组件吸收频谱峰值为500奈米(nm)，则将之配置于光束的光波段涵盖此峰值的聚光斑处即可。如此一来，各能量转换组件即可具有良好的转换效率，进而提升总能量转换效率。同时，又可降低热能的产生。于此，由于多波段集光器具有集光的特性，因此可以提高多波段集光器的集光比，以及降低能量转换组件材料的
使用率。图3为根据本发明的多波段集光及能量转换模块的示意图。多波段集光及能量转换模块100包括多波段集光器110和能量转换组件组130。多波段集光器110包括一光栅 114和集光组件112。其中，光栅114位于集光组件112的一表面上。多波段集光器110的集光组件112将入射光源集光于一集光面A上。光栅114将入射于多波段集光器110的入射光源依波段分光，以形成多个光束，例如可将入射的太阳光102依据不同的波长λ 1、λ 2 和λ3分为三波段光束。此三波段光束虽为特定波长为例，但并不以此为限，也可以是三个相异波长范围的波段光束，例如以入1、入2和λ 3为中心波长的三个波段的光束。至于多波段集光器110先将太阳光102分光再进行集光，或先进行集光再分光，均能实现本发明的目的。本实施例先行分光后再集光。前述的集光面A在本实施例中虽以一平面方式示意，但并不以此为限，集光面A也可以是对应集光组件112的集光特性而变化，例如一曲面或依续连接的多个线段。能量转换组件组130包含有多个光电转换组件或热电转换组件，前述的多个能量转换组件对光线(光能量)具有不同的吸收频谱峰值。在本实施例中，能量转换组件组130 包含三个能量转换组件131、132、133，且能量转换组件131、132、133具有不同的吸收波段 (吸收频谱峰值)。该些能量转换组件131、132、133侧边相邻地设置，各个能量转换组件 132/133的吸收波段可接续相邻配置的前一能量转换组件131/132的吸收波段，即能量转换组件131、132、133的吸收波段不重叠。能量转换组件组130设置于集光组件112的集光面A上，且能量转换组件组130的收光面130a (即各能量转换组件131、132、133的收光面 130a)面向集光组件112，使集光后的光线能入射至能量转换组件131、132、133中。要说的是，在此虽列举能量转换组件组130的能量转换组件131、132、133侧边相邻设置为例，但并不以此为限，只要能量转换组件组130设置在集光组件112的集光面A上，使集光后的光线能入射至能量转换组件组130中即可。此外，集光面A可与集光组件112的光轴L形成一夹角。此夹角可介于60度到120度之间。在一实施例中，集光面A可大致上垂直于集光组件112的光轴L。依本实施例，太阳光经过光栅114及集光组件112后会形成具有相异波段的多个光束，这些光束在集光面A上形成聚光斑，而各能量转换组件131、132、133则依其吸收光谱峰值对应配置于各光束所形成的聚光斑位置，因此，能量转换组件131、132、133另一列举配置方式则是将各能量转换组件131、132、133收光面130a的中心轴(即为其垂直入射的轴)对应于各光束的光轴，意即，能量转换组件131、132、133收光面130a的中心轴与与其对应的光束的光轴L间的夹角在0度到20度之间(或160度到180度之间)，能得到良好的收光效果，进一步提升能量转换效率。集光组件112包含一出射面11 与一入射面112b，其中入射面112b用以接收入射光源，经由出射面11 出光并集光于集光面A上。其中，集光组件112的出射面11 的大小可覆盖能量转换组件组130的收光面130a。在一实施例中，能量转换组件组130的宽度D’可小于或等于集光组件112的宽度D的二分之一。在另一实施例中，能量转换组件组 130的收光面130a小于或等于集光组件112的出射面11 垂直投影在水平面上的面积的二分之一。
光栅114可贴合或制作于集光组件112的一侧的表面上。换言之，集光组件112 和光栅114可为独立的两组件，或者为一体成型的单一构件。如图3所示，光栅114贴合于集光组件112的入射面112b上。此外，集光组件112可为透镜，在本实施例中，该集光组件 112为一双凸透镜，但不以此为限。当太阳光102进入到多波段集光及能量转换模块100时，会先经过多波段集光器 110，经由多波段集光器110的分光与集光后，形成多个不同波段的光束入射到能量转换组件组130。在图3的实施例中，太阳光102经过多波段集光器110时，首先进入到光栅114， 将入射的太阳光102分光为三个不同波长的光束，并经由入射面112b入射至集光组件112， 分光后的光束于集光组件112集光后，会经由出射面11 的出光，而在集光面A上依不同波长(λ 1、λ 2和λ 3)集光到不同的聚光斑上。能量转换组件组130中的能量转换组件 131、132、133设置在这些聚光斑上。详细来说，各能量转换组件131、132、133设置在其相对应吸收频谱峰值的不同波段光束的聚光斑上。即，能量转换组件131、132、133的吸收频谱峰值会相应于形成其设置处上的聚光斑的光的波长(λ 、λ2和λ;3)。换言之，能量转换组件131、132、133的吸收波段会包含对应的波长(λ 、λ 2或λ ；3)。或者是，对应的波长 (入1、λ2或λ3)位于能量转换组件131、132或133的吸收频谱的中央。于此，集光组件112可致使太阳光102(即入射光源)在集光后以小角度的入射角入射至各个能量转换组件131、132、133。在一实施例中，此入射角可介于一 30度到30度之间。此处的入射角指入射的光束与能量转换组件131、132、133收光面130a的法线之间的夹角。请参考图4，与图3的实施例不同之处在于，本实施例所采用的集光组件112为平凸透镜。同样地，当太阳光102进入到多波段集光及能量转换模块100时，会先经过多波段集光器110，经由多波段集光器110的分光与集光后，形成多个不同波段的光束入射到能量转换组件组130。请参考图5，与图3、图4的实施例不同之处在于，本实施例所采用的集光组件112 为菲涅尔透镜(Fresnel lens)。在一实施例中，菲涅尔透镜可使用二维集光式菲涅尔透镜。 此外，菲涅尔透镜也可为一维集光式。同样地，当太阳光102进入到多波段集光及能量转换模块100时，会先经过多波段集光器110，经由多波段集光器110的分光与集光后，形成多个不同波段的光束入射到能量转换组件组130。请参考图6，与图3的实施例不同之处在于，本实施例中的光栅114设置于集光组件112的出射面11 上。因此，当太阳光102进入到多波段集光器110时，首先经由入射面112b入射至集光组件112，并于集光组件112集光后，会经由出射面11 的出光，而进入到光栅114中，并将集光后的太阳光102分光为三个不同波长的光束，在集光面A上依不同波长(λ 、λ2和λ3)集光到不同的聚光斑上，而被设置在相对应位置的能量转换组件 131、132、133所接收。由上述的实施例可知，在多波段集光器110中，光栅114可设置于集光组件112的入射面112b或出射面112a，并不以此为限。请参考图7，与图6的实施例不同之处在于，本实施例所采用的集光组件112为平凸透镜。由于光栅114设置于集光组件112的出射面112a(即平凸透镜的平面)上，因此， 在本实施例中，所使用的光栅114可为等周期光栅，即光栅114投影到平凸透镜中的曲面的切线TL的周期(间距(pitch))均相等。而图6的实施例，光栅114设置于集光组件112的出射面112a(即双凸透镜的凸面)上，所使用的光栅114也可为等周期光栅，即光栅114 投影到双凸透镜的切线TL的周期(间距)均相等。要说的是，在此仅列举光栅114投影到切线TL的周期可为等周期的设计，本领域技术人员当知光栅114的周期可有不同设计的变化，并不以所列举者为限。请参照图8，图示为一反射式的多波段集光及能量转换模块100，与前述实施例所不同的是，太阳光102是来自于相对应于能量转换组件组130的收光面130a背面方向入光 (进入多波段集光器110)，而非如前述实施例的太阳光102由能量转换组件组130的收光面130a方向入光。因此，在本实施例中，采用的集光组件112可为反射式集光透镜，其中可于集光组件112的出射面11 或入射面112b形成反射面，且光栅114形成于集光组件112 的出射面11 上。当太阳光102进入到多波段集光器110时，先经由光栅114的分光后， 进入到集光组件112中进行集光，由于出射面11 或入射面112b为反射面，因此分光后的光束会在集光组件112中反射，并集光在集光面A上，再进入到位于集光面A的能量转换组件组130。在另一实施例中，多波段集光器110可一体成型，即集光组件112与光栅114为一体，此时，可在光栅114的表面上设置反射层，例如是涂布金属。当太阳光102进入到多波段集光器110时，会直接在光栅114中反射、集光与分光，同样使得光源集光在集光面A 上。多波段集光及能量转换模块100在实际的设计上，举例来说，可参照图9，于此采用双凸透镜作为集光组件112，光栅114可设计成将入射光依照波长分光为λ 1、λ 2和λ 3 的三波段光，其中λ 1 = 500nm、λ 2 = 600nm以及λ 3 = 700nm，其相对应设置在集光面A 聚光斑位置的能量转换组件131、132、133，可选择如图2中的能量转换组件131、132、133， 分别对于波长为500nm、600nm以及700nm的波段光具有良好的吸收系数。当太阳光102垂直入射时，多波段集光及能量转换模块100的设计条件可为集光组件112的宽度D和厚度T 分别为8cm和lcm，集光组件112所使用材质的折射率为1.49、集光组件112的曲率半径(R) 为12. 8cm、光栅114投影到切线TL的周期d为5mm、光栅114的绕射阶数(m)为-1、能量转换组件组130的总宽度D’为1. 5cm以及集光组件112的入射面112b的中心点到能量转换组件131、132、133收光面130a的中心点的连线H1、H2、H3长度分别为27. 60cm、27. 63cm 和27. 66cm，连线HI、H2、H3与收光面130a法线的夹角分别为5. 74°、6· 89°和8. 05°。此外，参照图10，光栅114可由二个以上的次光栅115、116所构成。该些次光栅 115、116可交错排列。再者，该些次光栅115、116可具有相同周期，也可具有不同周期，可依实际需求而有不同的设计。于此，各个次光栅115、116可将入射光源在集光面A上形成各自的次聚光斑，以至于透过次聚光斑的叠加来得到一中心平坦的总聚光斑，进而避免能量过度集中。换言之，对应于各个能量转换组件131、132、133的各个聚光斑可由二个以上的次聚光斑所构成。如此即可避免因能量过度集中而造成能量转换组件组130的温度上升。关于前述次聚光斑与总聚光斑的示意图请参考图11，图中的水平轴为集光面A的水平位置，垂直轴则为相对强度，从图中可以看出，多个邻近的次聚光斑集结而成一个总聚光斑 (图中仅以次聚光斑1及次聚光斑2示意，但并非本发明的限制)。参照图12，在一太阳能发电系统10中，可设置有二个以上的多波段集光及能量转换模块 100-1、100-2、100-3。该些多波段集光及能量转换模块100-1、100-2、100_3可并排配置。即，多波段集光及能量转换模块100-1、100-2、100-3的多波段集光器110-1、110-2,110-3侧边相邻地依序配置。而不同多波段集光及能量转换模块100-1、100-2、100-3的能量转换组件组130-1、 130-2、130-3则不相互邻接，即彼此间隔开。根据本发明的多波段集光及能量转换模块，利用多波段集光器(集光组件和光栅)将太阳光分出不同波段的光束，并使其集光于各自对应的能量转换组件，以致使能量转换组件具有良好的转换效率，进而提升总能量转换效率。并且，多波段集光器的使用还可降低能量转换组件材料的使用率。最后，请参阅图13，其为根据本发明第七实施例的多波段集光及能量转换模块的结构示意图。多波段集光及能量转换模块100包括多波段集光器110、能量转换组件组130 以及配置于多波段集光器110与能量转换组件组130之间的二次镜140。多波段集光器110 包括光栅114和集光组件112。多波段集光器110的集光组件112将入射光源集光于一集光面A上。光栅114将入射于多波段集光器110的入射光源依波段分光为光束。二次镜140 用以导引被分光与集光的光束于多个聚光斑。因此，当被集光的光束经过二次镜140后，可以减少光束入射于能量转换组件组130的入射角的偏差，而不致造成聚光斑偏离能量转换组件组130。因此，能量转换组件组130即可依据其吸收波段将入射光线做能量转换。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种多波段集光及能量转换模块，其特征在于，包括一多波段集光器，包括一集光组件；以及一光栅，位于该集光组件的一表面上；以及一能量转换组件组，包含多个能量转换组件，该些能量转换组件侧边相邻地设置在该集光组件的一集光面上，且该些能量转换组件的一收光面面向该集光组件。
2.如权利要求1所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该集光组件的该集光面与该集光组件的一光轴形成一夹角，该夹角介于60度到120度。
3.如权利要求1所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该集光组件使一入射光源以一入射角入射至该些能量转换组件，且该入射角介于-30度到30度之间。
4.如权利要求1所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该集光组件的一出射面的大小覆盖该能量转换组件组的该收光面。
5.如权利要求4所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该能量转换组件组的宽度小于或等于该集光组件的宽度的二分之一。
6.如权利要求4所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该能量转换组件组的该收光面小于或等于该集光组件的该出射面垂直投影在水平面上的面积的二分之一。
7.如权利要求1所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该集光组件包含一出射面与一入射面，该光栅位于该集光组件的该入射面或该出射面其中之一。
8.如权利要求1所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该集光组件为一透镜，该透镜为一双凸透镜、一平凸透镜、一菲涅尔透镜或一反射式集光透镜。
9.如权利要求1所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，还包含一二次镜，该二次镜配置于该多波段集光器及该能量转换组件组之间。
10.一种多波段集光及能量转换模块，其特征在于，包括一多波段集光器，将一入射光源依波长分光与集光，其包括一集光组件，将该入射光源集光于一集光面上；以及一光栅，将该入射光源依波段分光；以及一能量转换组件组，包含多个能量转换组件，设置在该集光组件的该集光面上，且该能量转换组件组的一收光面面向该集光组件；其中，该入射光源先经过该多波段集光器的分光与集光后，形成不同波段的多个光束入射到该能量转换组件组。
11.如权利要求10所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该些能量转换组件的该收光面的一中心轴与与其对应的每一该些光束的一光轴间的夹角在O度到20度之间。
12.如权利要求10所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该集光组件包含一出射面与一入射面，该光栅设置于该出射面或该入射面其中之一上。
13.如权利要求10所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，不同波段的该些光束在该集光面上会集光到不同的聚光斑，且该些能量转换组件设置在该些聚光斑上。
14.如权利要求13所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该些能量转换组件对该入射光源具有不同的吸收频谱，且该些能量转换组件设置在相对应吸收频谱的不同波段的该些光束的该些聚光斑上。
15.如权利要求10所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，还包含一二次镜， 该二次镜配置于该多波段集光器及该能量转换组件组之间。
16.一种多波段集光及能量转换模块，其特征在于，包括一多波段集光器，将一入射光源依波长分光与集光于多个聚光斑；以及一能量转换组件组，包含多个能量转换组件，该些能量转换组件个别对应并配置于该些聚光斑处，该些能量转换组件具有个别的吸收频谱峰值，且每一该能量转换组件的该吸收频谱峰值对应于该能量转换组件所在该聚光斑的一光束的波长。
17.如权利要求16所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该多波段集光器包括一光栅，将该入射光源依波长分光，以形成多个该光束；以及一集光组件，将该光束集光于该些聚光斑。
18.如权利要求17所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该光栅包含多个次光栅，且该些次光栅交错排列。
19.如权利要求16所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该多波段集光器包括一集光组件，将该入射光源进行集光；以及一光栅，将集光后的该光源依波长分光于该些聚光斑。
20.如权利要求19所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，该光栅包含多个次光栅，以将集光后的该光源依波长分光于多个次聚光斑，每一该聚光斑可由二个以上的该些次聚光斑所构成。
21.如权利要求16所述的多波段集光及能量转换模块，其特征在于，还包含一二次镜， 该二次镜配置于该多波段集光器及该能量转换组件组之间，用以导引该被分光与集光的光源于该些聚光斑。
全文摘要
一种多波段集光及能量转换模块，包含多波段集光器和能量转换组件组，多波段集光器将一入射光源依波长分光与集光于多个聚光斑。能量转换组件组包含有多个能量转换组件且分别配置于聚光斑处，且该些能量转换组件的吸收频谱峰值对应其所在位置聚光斑的光束的波长，以使得能量转换组件具有良好的能量转换效率，进而提高总能量转换效率。
文档编号G02B19/00GK102544171SQ20101060923
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者林俊廷, 林晖雄 申请人:财团法人工业技术研究院