专利名称：光生伏打屋顶瓦片系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及光生伏打电池或太阳能电池，且更特别的是，本 发明涉及一种将光生伏打电池整合在建筑元件如屋顶瓦片和建筑物正 面元件内的系统。
背景技术：
光生伏打能量正逐渐成为重要的电力来源。除了使用独立的光生 伏打发电机以外，家用和商用建筑上的屋顶也非常适于安装光生伏打 装置。为了使屋顶上的光生伏打装置被广泛接受和利用，它们必须满 足审美需求，且因此必须在外观和构型方面与常规屋顶整合在一起。 此外，它们必须达到常规的屋顶用材料的所有要求，这包括风雨密性、 对当地预期气候条件的耐受性以及满足当地规范和惯例的要求。除了 常规的屋顶用产品的要求以外，光生伏打屋顶用材料必须提供用于从 单元电连接至单元并且最终电连接进入建筑内的手段。
太阳能转换器如光生伏打转换器通常具有高材料成本、高安装成
本且因此导致所生产能量的成本(即每千瓦时(kWh)的成本)较高。 降低材料成本的一种方法是通过复杂的光学表面结构将太阳能辐射聚 集(将光聚焦)到光生伏打电池上。 一种新兴的技术在光生伏打屋顶 系统上采用了将吸收的光聚集且导引到光生伏打电池上的荧光收集 器。然而，通常会观察到有相当大量的光从荧光收集器中逸出而并未 被引导到光生伏打电池上，从而导致损失了净收集能量。这就降低了 光生伏打屋顶系统的效率。
因此，所希望的是设计一种将会解决上述问题的经过改进的技术。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能屋顶瓦片系统，所述 太阳能屋顶瓦片系统包括荧光收集器，所述荧光收集器具有多条边缘 且被构造以便通过表面接收光并通过全内反射将光导向所述边缘。所 述系统还包括被联接至所述边缘中的至少一条边缘且被构造以便接收所述光并将所述光转换成电功率的光生伏打电池。所述系统进一步包 括在所述至少一条边缘处被设置在所述荧光收集器与所述光生伏打电 池之间的光学匹配界面层。
根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能瓦片系统，所述太阳 能瓦片系统包括具有多条边缘和多条狭缝的荧光收集器，所述荧光收 集器被构造以便通过表面接收光并通过全内反射将光导向所述边缘。 所述多条狭缝所延伸的长度小于相邻边缘的整个长度。所述系统还包 括被设置在所述狭缝中的至少一条狭缝中且被构造以便接收所述光并 将所述光转换成电功率的光生伏打电池。所述系统进一步包括在所述 狭缝中被设置在所述荧光收集器与所述光生伏打电池之间的光学匹配 界面层。
根据本发明的另一方面，提供了一种组装太阳能屋顶盖瓦的方法。 所述方法包括将界面层设置在光生伏打屋顶瓦片的多条边缘中的至少 一条边缘上，所述光生伏打屋顶瓦片包括被构造以便通过表面接收光 并通过全内反射将光导向所述边缘的荧光收集器。所述界面层与所述 荧光收集器是光学匹配的。所述方法还包括沿所述边缘在邻近所述界 面层的位置处设置光生伏打电池。
在结合附图对下面的详细描述进行阅读的情况下，将会更好地理 解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中在所有附图中，使用
相似的附图标记表示相似的部件，其中
图1是根据本发明的多个方面的波状光生伏打屋顶瓦片系统的透 视图2是根据本发明的包括光学匹配界面层的图1所示的光生伏打 屋顶瓦片的透视图3是根据本发明的图1所示的光生伏打屋顶瓦片的部分剖视图4是根据本发明的图1所示的光生伏打瓦片的部分剖视图，图 中示出了入射在光生伏打屋顶瓦片上的光的光路；
图5是根据本发明的包括光生伏打边缘罩壳的典型的光生伏打屋 顶瓦片的剖视图6是根据本发明的光生伏打屋顶瓦片的另一可选实施例的透视
图7是根据本发明的包括光生伏打边缘罩壳的图6所示的光生伏 打屋顶瓦片的剖视图；和
图8是示出了根据本发明的组装光生伏打屋顶瓦片系统的典型方 法中所包括的多个步骤的流程图。
具体实施例方式
正如下文中详细描述地，本发明的实施例提供了一种光生伏打屋 顶瓦片系统和一种组装所述光生伏打屋顶瓦片系统的方法。所述光生 伏打屋顶瓦片系统包括被附接到位于屋顶瓦片上的荧光收集器上的至 少一个光生伏打电池。本发明的实施例披露了使光生伏打电池与屋顶 瓦片附接的多种模式。正如本文中所使用地，"荧光收集器"包括基 板和分散在所述基板中的具有从多个方向吸收光的吸收光谱的至少一 种颗粒。在一个实例中，吸收光谙可包括超过一百纳米。被吸收的光 通常从该至少一种颗粒被发射至荧光收集器的至少一条边缘。适当的 荧光收集器的进一步的细节可见于在2004年11月19日申请的题目为
"具有荧光收集器的具有光生伏打屋顶瓦片结构的屋顶用元件和建筑 物正面元件，，的公开号为US 2006-0107993 Al的美国专利中，所述专 利被转让给与本发明相同申请人的受让人，所述专利的整体内容在此 作为参考被引用。
现在参见附图，图1是根据本发明的一种典型的光生伏打屋顶瓦 片系统10的透视图。光生伏打屋顶瓦片系统10包括具有多条边缘16、 18、 20和22的交叠的波状光生伏打瓦片12和14。在此所使用的术语
"边缘"分别指的是光生伏打瓦片12和14的外端。光生伏打屋顶瓦 片系统10还包括被联接至边缘16、 18、 20和22中的至少一条边缘的 至少一个光生伏打电池24。在本发明的典型实施例中，光生伏打电池 24可被设置在其中一条边缘16上。光生伏打瓦片系统10还包括位于 顶表面28上的被构造以便接收入射光30并通过全内反射将所述入射 光导向边缘16、 18、 20和22的荧光收集器26。光生伏打电池24可包 括导线32以便提供用于电连接至电气面板、电气收集和分配系统或相 似系统(未示出)的手段。在典型实施例中，波状瓦片l2和"可进 行交叠以便覆盖具有光生伏打电池24的边缘，从而为光生伏打屋顶瓦
片系统10提供具有审美吸引力的外观。光生伏打电池24中所使用的 半导体材料的一些非限制性实例可包括硅、砷化镓、碲化镉、铜-铟硫 化物、铜-铟-镓-二硒化物、无定形硅和微晶硅。为了增强在边缘16 处到达光生伏打电池24的入射光30的强度，反射镜(未示出)可被 联接至未#1联接至光生伏打电池的其它边缘18、 20和22中的至少一 条边缘(例如从而使光从这种装有反射镜的边缘返回装置内部直至光 到达光生伏打电池)。
图2是根据本发明的一个方面的如图1所示的波状光生伏打瓦片12 的透视图，如图所示，光生伏打电池24被联接在边缘16处。光生伏 打电池24被构造以便接收源自于如图1所示的入射光30的通过全内 反射进行传输的光。为了增强光生伏打电池24上的内反射线的强度， 光学匹配的界面层34被设置在边缘16与光生伏打电池24之间。界面 层34是光学匹配的以使得入射在边缘16上的光射线折射进入界面层34 内并进一步折射进入光生伏打电池24内。这就导致提高了将光转换成 电功率的转换效率。
图3是图1所示的光生伏打瓦片12的部分剖视图。边缘16包括 设置在图1所示的荧光收集器26与光生伏打电池24之间的如图2所 示的光学匹配界面层34。光学匹配发生在介于荧光收集器26与界面层 34之间的界面36处和介于界面层34与光生伏打电池24之间的界面38 处。在特定实施例中，光学匹配界面层34的折射率可大约等于荧光收 集器26的折射率与光生伏打电池24的折射率的乘积的平方根。荧光 收集器26的材料的一些非限制性实例可包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸 甲酯中使用的陶资和聚苯乙烯。光学匹配界面层34的一些非限制性实 例可包括光学凝胶、油、光学粘结剂膜、光学透明板和胶。光学匹配 层34的厚度可通常在约0.01 mm与约1 mm之间的范围内变化。在目 前预想的实施例中，光生伏打电池24的层厚可在约5与约1咖间的范围内变化。
图4是图1所示的光生伏打瓦片12的部分剖视图，图中示出了如 图1所示的入射光30所进行的全内反射以及通过图2所示的光学匹配 界面层34实现的光学匹配。在所示的实例中，如图1所示的入射光30 通过全内反射在图1所示的荧光收集器26的底表面40与焚光收集器26 的如图1所示的顶表面28之间被传输，如光射线42所示。光射线42在顶表面28处被进一步反射直至其最终入射在边缘16上，如光射线44 所示。光射线44才艮据斯涅耳4斤射定律(Snell，s Law of refraction) 在介于荧光收集器26与光学匹配界面层34之间的图3所示的界面36 处作为射线46进行折射。折射射线46进一步入射在介于光学匹配层34 与光生伏打电池24之间的如图3所示的界面38处，如光射线48所示。 光射线48进行折射从而由于光学匹配而使得对于界面38而言与法线50 所成的入射角近似等于与法线所成的折射角。相似地，在另一实施例 中，入射光射线54可最终进行全内反射从而入射在界面36上，如先 射线56所示。光射线56可作为光射线58折射通过光学匹配界面层34 并作为光射线60进一步折射通过光生伏打电池24。
图5是根据本发明的典型的光生伏打瓦片62的剖视图，所述光生 伏打瓦片包括光生伏打边缘罩壳64以便提供对光生伏打电池66的保 护。光生伏打瓦片62分别包括相对的边缘68和70。光生伏打瓦片62 还包括被构造以便使入射光74朝向边缘68和70进行全内反射的荧光 收集器72。光生伏打电池66可在边缘68处通过光学匹配界面层76祐L 联接至荧光收集器72。如上所述，光学匹配界面层76在荧光收集器72 与光生伏打电池66之间提供了光学匹配，正如结合图4所示的情况那 样。光生伏打瓦片62还可包括被联接至边缘70的反射镜78。反射镜 78为入射光74提供了附加的反射以便提高光生伏打瓦片62的效率。
在实例中，入射光74可在底表面80和顶表面82处进行全内反射， 并被装有反射镜的边缘70中的每条边缘返回，导致产生一系列全内反 射的光射线84并最终产生在边缘68处入射在光生伏打电池66上的光 射线86。光生伏打边缘罩壳64可包围光生伏打电池66从而保护光生 伏打电池66不受极端气候条件以及其它环境影响的作用。光生伏打边 缘罩壳64还为光生伏打电池66提供了机械保护。相似地，反射镜边 缘罩壳88可包围反射镜78以便提供保护。光生伏打电池66可包括通 过接线盒92的作为电连接手段的导线90。涂层94可被设置在底表面 80和顶表面82上以便保护光生伏打瓦片62不受有害紫外射线的作用。 光生伏打边缘罩壳64可通过夹具96被夹持到荧光收集器72的顶表面 82和荧光收集器72的底表面80上。相似地，反射镜边缘罩壳可通过 夹具98被夹持到荧光收集器72的顶表面82和底表面80上。
图6是具有多条边缘102、 104、 106和108的光生伏打瓦片100
的另一典型实施例的透视图。光生伏打瓦片100可包括位于顶表面112 上的荧光收集器110，所述荧光收集器被构造以便通过顶表面112接收 入射光射线114并通过全内反射将入射光射线114导向边缘102、 104、 106和108。光生伏打瓦片100进一步包括位于荧光收集器110的顶表 面112上且位于邻近边缘102、104、106和108的位置处的多条狭槽116。 在一个实例中，狭缝116位于邻近边缘102和边缘106的位置处。在 目前预想的实施例中，狭缝116的长度小于边缘102、 104、 106和108 中任何边缘的长度。在另一实施例中，第二排狭缝116可被设置以便 与位于邻近边缘106的位置处的第一排狭缝中的狭缝116之间的间隙 交叠。这减少了通过介于狭缝116之间的间隙的光损失。进一步地， 这增加了光生伏打瓦片100的机械强度。光生伏打电池118可被设置 在狭缝116中的至少一条狭缝内且位于邻近光学匹配界面层120的位 置处。
光学匹配界面层120在光生伏打电池118与荧光收集器110之间 提供了光学匹配，因此提高了光生伏打瓦片100的总效率。在特定实 施例中，光学匹配界面层120的折射率大约是荧光收集器110的折射 率与光生伏打电池118的折射率的乘积的平方根。进一步地，光学匹 配界面层120可用作用于将光生伏打电池114胶粘在狭缝112内的粘 结剂。光生伏打电池118可包括导线122作为电连接手段。
图7是图6所示的光生伏打瓦片100的部分剖视图。光生伏打瓦 片100包括如图6所示的荧光收集器110，所述荧光收集器被构造以便 将如图6所示的入射光114导向位于邻近边缘102的位置处的光学匹 配界面层120。入射光114可在底表面124和顶表面126处进行全内反 射，导致产生一系列光射线128并最终作为光射线130入射在光学匹 配界面层120上。如图6所示的光生伏打电池118净皮设置在邻近光学 匹配界面层120的位置处。光学匹配界面层120净皮设置在荧光收集器110 与光生伏打电池118之间。光生伏打边缘罩壳132可被设置在光生伏 打电池118周围以便提供保护从而防止极端天气条件和其它环境影响 的作用。光生伏打边缘罩壳132还可为光生伏打电池118提供机械保 护。光生伏打边缘罩壳132可通过夹具134被夹持到荧光收集器110 的底表面124和荧光收集器110的边缘102上。这有助于避免对入射 光114进行的全内反射造成任何障碍。
图8是示出了组装光生伏打屋顶瓦片系统的典型方法136中所包 括的步骤的流程图。方法136包括在步骤138中将界面层设置在光生 伏打屋顶瓦片的多条边缘中的至少一条边缘上。在典型实施例中，界 面层可被设置在位于邻近光生伏打屋顶瓦片的多条边缘中的至少一条 边缘的位置处的狭缝中的至少一条狭缝中。在步骤140中，光生伏打 电池可沿边缘被设置在邻近界面层的位置处。在特定实施例中，界面 层和光生伏打电池可被设置在位于邻近光生伏打屋顶瓦片的多条边缘 中的至少一条边缘的位置处的多条狭缝中的至少一条狭缝中。在另一 实施例中，光生伏打边缘罩壳可被设置在光生伏打电池周围以便提供 机械保护和防止极端气候条件作用的保护。在又一实施例中，反射镜 可被设置在未被联接至光生伏打电池的边缘中的至少一条边缘上。
尽管在此仅对本发明的特定特征进行了示出和描述，但本领域技 术人员将易于做出多种变型和改变。因此，应该理解，所附权利要求 书旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这种变型和改变。
元件列表
10光生伏打屋顶瓦片系统
12光生伏打屋顶瓦片
14光生伏打屋顶瓦片
16外边缘
18外边缘
20外边缘
22外边缘
24光生伏打电池
26荧光收集器
28顶表面
30入射光
32导线
34光学匹配界面层 36界面 38界面 40底表面
42入射光射线
44光射线
46折射光射线
48折射光射线
50法线
54入射光射线
56折射光射线
58折射光射线
60折射光射线
62光生伏打屋顶瓦片
64光生伏打边缘罩壳
66光生伏打电池
68边缘
70边缘
72荧光收集器
74入射光
76光学匹配界面层
78反射镜
80底表面
82顶表面
84全内反射光射线
86入射光射线
88反射镜边缘罩壳
90电导线
92接线盒
94涂层
96夹具
98夹具
100光生伏打瓦片 102外边缘 104外边缘
106外边缘 108外边缘 110荧光收集器 112顶表面 114入射光射线 116狭缝
118光生伏打电池 120光学匹配界面层 122电导线 124底表面 126顶表面
128全内反射射线系列 130光射线
132光生伏打边缘罩壳 134夹具 136组装方法
138将界面层设置在光生伏打屋顶瓦片的多条边缘中的至少一条 边缘上
140沿边缘在邻近界面层的位置处设置光生伏打电池
权利要求
1、一种太阳能瓦片系统(10)，所述太阳能瓦片系统包括荧光收集器(26)，所述荧光收集器具有多条边缘(16)且被构造以便通过表面(28)接收光并通过全内反射将光(30)导向所述边缘(16)；光生伏打电池(24)，所述光生伏打电池被联接至所述边缘(16)中的至少一条边缘且被构造以便接收所述光(30)并将所述光(30)转换成电功率；和光学匹配界面层(34)，所述光学匹配界面层在所述至少一条边缘(16)处被设置在所述荧光收集器(26)与所述光生伏打电池(24)之间。
2 、根据权利要求1所述的系统(10 ),其中所述至少 一条边缘(16) 包括太阳能瓦片(12)的外端。
3 、根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述至少 一条边缘(16) 包括由位于所述荧光收集器(26 )中的狭缝(116 )限定出的边缘(16 )。
4、 根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述光学匹配界面层 (34)包括光学凝胶、油、光学粘结剂膜、光学透明板或胶。
5、 根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述光学匹配界面局 (34)具有大约等于所述荧光收集器(26)的折射率与所述光生伏打电池(24)的折射率的乘积的平方根的折射率。
6、 一种太阳能瓦片系统(100)，所述太阳能瓦片系统包括 具有多条边缘(102)和多条狭缝(116)的荧光收集器(110)，；所述焚光收集器被构造以便通过表面(112 )接收光(114 )并通过全 内反射将光(114)导向所述边缘(102)，其中所迷多条狭缝(116) 所延伸的长度小于相邻边缘的整个长度；光生伏打电池(118)，所述光生伏打电池被设置在位于邻近所述 边缘(102)中的一条边缘的位置处的所述狭缝(116)中的至少一条 狭缝中且被构造以便接收所述光(114 )并将所述光(114 )转换成电 功率；和在所述至少一条狭缝(116)处被设置在所述荧光收集器(110) 与所述光生伏打电池(118)之间的光学匹配界面层(120)。
7、 根据权利要求6所迷的系统(100)，其中所迷光学匹配界面 层(120)包括光学凝胶、油、光学粘结剂膜、光学透明板或胶。
8、 根据权利要求6所述的系统(100)，其中所述光学匹配界面 层(120)具有大约等于所述荧光收集器(110)的折射率与所述光生 伏打电池(118)的折射率的乘积的平方根的折射率。
9、 一种组装太阳能屋顶盖瓦的方法(136)，所述方法包括 将界面层(138)设置在光生伏打屋顶瓦片的多条边缘中的至少一条边缘上，所述光生伏打屋顶瓦片包括被构造以便通过表面接收光并 通过全内反射将光导向所述边缘的荧光收集器，所述界面层与所述荧 光收集器是光学匹配的；并且沿所述边缘在邻近所述界面层的位置处设置光生伏打电池(140)。
10、 根据权利要求9所述的方法(136),其中设置界面层(136) 包括将界面层设置在位于邻近所述光生伏打屋顶瓦片的所述多条边缘 中的至少一条边缘的位置处的多条狭缝中的至少一条狭缝内。
全文摘要
披露了一种太阳能瓦片系统(10)。所述太阳能瓦片系统(10)包括荧光收集器(26)，所述荧光收集器具有多条边缘(16)且被构造以便通过表面(28)接收光(30)且被构造以便通过全内反射将光(30)导向所述边缘(16)。所述系统(10)还包括光生伏打电池(24)，所述光生伏打电池被联接至所述边缘(16)中的至少一条边缘且被构造以便接收所述光(30)并将所述光(30)转换成电功率。所述系统(10)进一步包括光学匹配界面层(34)，所述光学匹配界面层在所述至少一条边缘(16)处被设置在所述荧光收集器(26)与所述光生伏打电池(24)之间。
文档编号H01L31/052GK101192633SQ20071019615
公开日2008年6月4日 申请日期2007年11月28日 优先权日2006年11月28日
发明者J·斯特罗姆伯格, M·A·策特尔, O·G·迈尔, O·S·贡扎莱斯 申请人:通用电气公司