专利名称：全息增强光伏(hepv)太阳能模块的制作方法
全息增强光伏(HEPV)太阳能模块 发明人G.V.米农和C.W.韩
相关申请的交叉引用 本申请要求2007年4月17日提交的临时申请60/923， 869的优先权。2005年4 月18日提交的公开文本575197在此作为参考。
背景技术：
冷光太阳能集中器在本领域是已知的并且用于俘获和收集来自发光中心的分散 在平面薄片中的光。冷光集中器利用光波导中的全内反射来俘获从发光中心发出的光的一 部分。发光中心以360度立体角再辐射较长波长光，并且因此其在将光引导至板的一个边 缘或者边缘的小区域时是无效的。 本领域已知的太阳能集中器的一个例子利用全息图和棱镜或板；参见例如授权给 Afian等人的美国专利No. 4， 863， 224。然而，该太阳能集中器需要与太阳对准并且不提供 任何被动的太阳追踪能力。 本领域还已知，光收集装置包括全息图和用于收集单一入射角的单色光的全反射 表面；参见例如授权给Ando等人的美国专利No. 5， 268， 985。然而Ando等人使用单一入射 角和单一波长，因而需要追踪机制并且不能利用整个太阳光谱。 现有技术中已知的又一集中器为电磁波集中器；参见例如授权给Tremblay的美 国专利No. 4， 505， 264。电磁波集中器利用多介质导向板来会聚电磁能。该发明具有在导向 板中存在多重反射损耗以及在某些更经济有效的实施例中存在高吸收损耗的缺点。该发明 还可能具有困难的光学结构问题并因此制造起来更昂贵。 1999年3月2日授权的美国专利5， 877， 874和2001年8月14日授权的美国专 利6，274，860公开了一种用于会聚太阳辐射的装置，其使用全息平面集中器(HPC)以用于 收集和会聚光辐射。HPC包括平的高度透明的板和安装在其表面上的至少一个复用全息光 学膜。该复用全息光学膜具有记录于其中的多个衍射结构，所述衍射结构具有角度复用和 光谱复用的一个或多个区域。可以配置区域中的两个或更多以提供空间的复用。尽管该专 利的教导对于其预期的目的是必然有用的，但是试图找到在这之上的改进；本发明提出了 这样的改进。 仍然需要这样的太阳能集中器，即其减小太阳辐射会聚中的能量损耗并且在减小 或消除追踪需求的同时利用太阳光谱的大部分。
图1为示出根据本发明的一个方面的具有垂直入射光的平面太阳能集中器的侧视图。 图2为类似于图1的视图，但是示出了光损耗源。 图3为类似于图2的视图，但是包括根据本发明的一个方面的两个反射全息图以 减小光损耗。
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图4为类似于图3的视图，但是包括两个反射全息图，其中根据本发明的一个方面 使一个反射全息图的背面镀银。 图5为示出根据本发明的另一个方面的包括与太阳能电池相联合的柱面透镜的 平面太阳能集中器的侧视图。 图6为类似于图1的视图，示出被透射光栅衍射的光的带宽。 图7为类似于图6的视图，但是示出被反射光栅衍射的光的带宽。 图8为类似于图1的视图，示出由以陡峭的角度被衍射的光导致的高菲涅尔反射。 图9为类似于图1的视图，但是具有非垂直入射光。 图10为类似于图9的视图，但是具有以极度偏角入射的入射光。 图11-13示出体积透过型全息图的记录(图11)和回放(图12-13)。 图14-18示出在基板上构建全息图的步骤。
具体实施例方式
A.平面太阳能集中器的例子 在本发明中，我们公开了一种质量轻、高效且低成本的平面太阳能集中器。图1示 出本发明的平面太阳能集中器10的一个实施例。如图l所示，它使用在顶侧(较接近太阳 的侧)上的透射光栅12和在底面或相对面上的第一反射光栅14以将太阳光16会聚到单 面或双面太阳能电池18上。存在刚性结构(未示出)以支撑光栅和太阳能电池。
全息增强光伏太阳能模块包括具有基本上相互平行的外主表面和内主表面的第 一基板。该第一基板是光学透明的并且包括位于光学透明的基板的内主表面上的透射光 栅。该太阳能模块进一步包括具有基本上相互平行的外主表面和内主表面的第二基板。第 二基板包括位于第二基板的内主表面上的反射光栅。至少一个太阳能电池插入在透射光栅 和反射光栅之间并且被定向为与它们垂直。 在一些实施例中，两个基板彼此平行，成O度。在其他实施例中，这两个基板彼此
不平行，相差15度之多。"基本上平行"意思是指两个基板在0到15度的范围内。 在一些实施例中，透射光栅12和第一反射光栅14均以全息膜的形式被创建，全息
膜比光栅本身更薄更轻。因此，短语"光栅"和"全息图"在此经常互换使用。 此处使用的光栅(透射和反射)可以包括被支撑在基板上的全息材料膜，其被配
置以用作光栅；下面描述这样的光栅的形成。可替代地，光栅可包括形成在基板本身的表面
中的光栅或全息图。 光栅全息图可由不同类型的介质制成，例如重铬酸盐明胶(DCG)、卤化银、溶胶凝 胶、光聚合物或塑料上的凹凸印。反射光全息图也可具有位于其后面的可选镀银反射器。
如图2所示，对于以较不陡峭的角度被衍射的光，它的菲涅尔反射较低并且光可 以从透射全息图出射，以20表示。 为了防止光从透射全息图出射，我们可以将第二反射全息图22添加至结构10'， 邻近透射全息图12，以使光改向回到腔24中。第二反射全息图22将以更陡峭的角度使光 改向回到腔24中。图3中示出反射全息图22的添加。 我们也可以在第一反射全息图14后面放置镀银镜26以进一步防止光从第一反射 全息图出射。图4中示出添加镀银镜26以形成结构10"。
图5中示出，可以在每个太阳能电池18的一面或两面上与太阳能电池18相结合 地放置柱面透镜28，以进一步将光16会聚到结构10"'中的太阳能电池上。
B.关于垂直入射太阳光的考虑 针对不同的颜色，入射到透射光栅12上的太阳光16将被分散为不同的角度。红 光(较长波长)将相对于表面法线以较大角度被衍射，紫光(较短波长)将以较小角度被 衍射。精确角度可通过下面在公式1中给出的光栅方程来计算。 更具体地，当光以垂直入射进入透射全息图12时，仅有光带宽A A将被衍射。衍 射光角度越陡峭，带宽越小。只有满足光栅方程的那些波长将被衍射。其结果在图6中示 出。在这种情况下，从透射全息图12发生光16的衍射。 对于入射光16的没有被透射全息图12衍射的那些部分，它们直接穿过透射全息 图至反射全息图14上。类似于图6的图7示出光从反射全息图18的衍射。看得见光谱被 从图6中的情形反转。 反射全息图被制造为其在太阳能电池18(未在图6和7中示出，但是在例如图1 中被示出了 )的方向上衍射光。反射全息图14具有的与透射全息图12相同的特性在于 光越陡峭地被衍射，带宽就越小。如图8中所示，以陡峭角度被衍射的光当其到达透射全息 图12时将经历高菲涅耳反射。 可以将在下面被更详细地讨论的双面太阳能电池18垂直放置在光栅膜12、 14之 间；参见图1。落在透射光栅12的较接近双面电池18的区域上的太阳光16将直接被衍射 到太阳能电池上。落在更远离双面太阳能电池18的太阳光16将被衍射到底部全息图(反 射全息图14)上。底部上的全息图14为反射光栅并且会将落在其上的光衍射到双面太阳 能电池18上。我们这样设计光栅14 :使得光会以单跳到达太阳能电池18。在另一实施例 中，可以利用光的多跳。 上光栅12和下光栅14之间的距离在大约3到200mm的范围内，典型的距离是大 约0. 5英寸(12. 7mm)。将使用严格耦合波方法计算和计算机模拟双面电池18之间的距离， 以确定最佳可能效率。作为例子，对于包括多个太阳能电池18的太阳能模块10、 10'、10"、 10"'，间隔距离、中心间距可以在大约12至800mm的范围内。
C.非垂直入射太阳光的考虑 当太阳光16不是垂直入射时，那么对于不同颜色的衍射角会改变。根据光栅方 程，双面电池18的左边的所有衍射角会在入射光的方向上偏移。入射太阳光现在能照亮透 射光栅的更远离双面电池的区域并且仍直接衍射到电池上。 在双面电池18的右边发生相反的效应。为了使光直接衍射到电池18上，入射太 阳光16现在不得不照亮透射光栅12的更靠近双面电池的区域，这是因为衍射角不像关于 表面法线时那样大。这在图9中示出。 光栅方程确定对于不同颜色的精确的角度改变量。因此被衍射的光的量也会改 变。如果衍射光栅在垂直入射时是优化的，那么当入射光是非垂直入射时，衍射效率会变降 低。 D.极端偏角下的太阳光的考虑 当太阳光以极端偏角入射到全息图上时，透射光栅12将不在布拉格上并且不会 衍射太阳光。如果太阳光以足够陡的角度且足够靠近双面电池，那么光会直接落到其上。
图10(其是和图1相似的视图)示出在入射光16以这样的极端偏角而不是法线
(如图1所示)入射的情况下，所得到的由太阳能电池18进行的光俘获。 如果太阳光进一步远离，那么其将落在有镀银背衬的光栅上。该光栅将不在布拉
格上并且不会将进来的光分散成不同的颜色。然而，因为其有镀银背衬，所以光将以与入射
角相同的角度被反射到双面电池上。 E.全息图的构造 如图11中示出的，体积透过型全息图12是通过使空气中的光敏记录媒质32的同 一面上的有两个不同的角度e工和92的两激光束30、30'相干涉而制造的。激光有波长 入。 在激光束30、30'进入光敏媒质32后，根据斯涅耳定律它们被折射。两激光束在
媒质中的干涉产生条纹并且可以通过光栅方程来描述，n sin 9丄+n sine2 = m入/ Ax， 方程1 其中，n为媒质的折射系数，e工和9 2为记录角，m为衍射级次，A为记录波长，Ax 为光栅周期的X分量。条纹倾斜由e工和92之间角的平分线决定。光栅方程根据光栅周 期、波长和入射角来预测衍射角。 光栅方程不预测被衍射的光的量。使用被称为严格耦合波方法的数值方法来预测
被衍射的光的量。记录媒质32可以为容积式材料，例如光聚合物、卤化银或重铬酸盐明胶。
如果媒质32为卤化银或重铬酸盐明胶，那么它需要在曝光后进行化学处理。接收更多曝光
的膜的区域有更高的折射系数，并且接收更少曝光的区域有更低的折射系数。 在全息图12的回放过程中，如果光16以角度e工入射在全息图上，那么被衍射的
光将为另一记录角度92。这种情况在图12中被示出。 角度e 2被定义为+1级，而直接透射过的光是第o(oth)级。如果光以角度e 2入 射在全息图上，那么被衍射的光为^。这种情况在图13中被示出。 通过使用光致抗蚀剂材料42或其他光敏材料以沉积在例如金属、玻璃或任何可 以支持厚度变化的材料的基板44上，来形成表面起伏光栅40。这种结构在图14中被示出。
存在对不同的波长敏感的不同类型的光致抗蚀剂。如上面参考图11所讨论的，可 以像干涉测量地曝光体积全息图那样利用两激光束干涉测量地曝光光致抗蚀剂。所得到的 结构在图15中被示出。 在曝光之后，将结构40浸入蚀刻剂中以除去光致刻蚀剂42的未曝光部分，从而使 基板44的部分曝露。所得到的结构在图16中被示出。 然后，将结构40置入化学蚀刻剂中以除去基板44被曝光的部分达到确定的深度， 如图17所示。 最后，通过另一种蚀刻剂除去光致抗蚀剂42并且形成表面起伏光栅46，如图18所 示。表面起伏光栅可使用作为母版(master)以将许多光栅拷贝到金属箔或可压縮材料上。 以这种方式，透射光栅12可在光学透明的基板中形成，而反射光栅14可在基板中形成。
进行全息记录以形成光栅的例子在例如美国专利5， 877， 874和6， 274， 860中示 出，在此通过引用将其全部内容并入。 在此公开的全息增强光伏太阳能模块可找到各种应用，包括但不限于，在建筑物 中作为窗户和天窗。
权利要求
一种全息增强光伏太阳能模块(10，10’，10”，10”’)，包括第一基板，其具有基本上相互平行的外主表面和内主表面，所述第一基板是光学透明的并且包括位于所述光学透明的基板的所述内主表面上的透射光栅全息图(12)；第二基板，其具有基本上相互平行的外主表面和内主表面，所述第二基板包括位于所述第二基板的所述内主表面上的反射光栅全息图(14)；以及至少一个太阳能电池(18)，其插入在所述透射光栅全息图和所述反射光栅全息图之间并且被定向为与所述透射光栅全息图和所述反射光栅全息图垂直。
2. 根据权利要求l所述的太阳能模块(10，10'，10"，10"')，其中所述至少一个太阳能电池(18)为单面的或双面的。
3. 根据权利要求2所述的太阳能模块(IO"')，其中柱面透镜(28)与所述太阳能电池(18)的至少一面相联合。
4. 根据权利要求l所述的太阳能模块(10，10'，10"，10"')，其中所述第一基板的所述内表面和所述第二基板的所述内表面间隔开大约3至200mm的范围内的距离。
5. 根据权利要求1所述的太阳能模块(10， 10' ， 10"， 10"')，包括间隔距离、中心间距在大约12至800mm的范围内的多个太阳能电池(18)。
6. 根据权利要求l所述的太阳能模块(IO")，进一步包括位于所述反射光栅全息图(14)后面的镀银反射器表面。
7. 根据权利要求l所述的太阳能模块(10，10'，10"，10"')，被定向为使得太阳辐射(16)入射在所述第一基板的所述外表面上。
8. 根据权利要求l所述的太阳能模块(IO')，进一步包括形成在所述透射光栅(12)上的反射光栅全息图(22)。
9. 根据权利要求l所述的太阳能模块(10，10'，10"，10"')，其中所述透射光栅全息图(12)或者被支撑在或者被形成在所述光学透明的基板的所述内主表面上。
10. 根据权利要求l所述的太阳能模块(10，10'，10"，10"')，其中所述反射光栅全息图(14)或者被支撑在或者被形成在所述第二基板的所述内主表面上。
11. 一种用于制造权利要求l的所述全息增强光伏太阳能模块(10，10'，10"，10"')的方法，所述方法包括提供所述第一基板，所述第一基板包括位于所述光学透明的基板的所述内主表面上的所述透射光栅全息图(12);提供所述第二基板，所述第二基板包括位于所述第二基板的所述内主表面上的所述反射光栅全息图(14);以及在所述透射光栅全息图和所述反射光栅全息图之间插入所述至少一个太阳能电池(18)并将其定向为与所述透射光栅全息图和所述反射光栅全息图垂直。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述透射光栅全息图(12)是通过使光敏记录媒质(32)的相同面上的有两个不同的角度(^， 92)的两激光束(30，30')相干涉而制备的。
13. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述反射光栅全息图(14)是通过使光敏记录媒质(32)的相同面上的有两个不同的角度(^， 92)的两激光束(30，30')相干涉而制备的。
14. 一种用于将太阳光辐射(16)引导到至少一个太阳能电池(18)的方法，所述方法包括提供权利要求1的所述全息增强光伏太阳能模块(10，10'，10"，10"');以及将所述太阳辐射引入到所述第一基板的所述外主表面上。
全文摘要
一种全息增强光伏太阳能模块(10，10’，10”，10”’)包括具有基本上相互平行的外主表面和内主表面的第一基板，该第一基板是光学透明的并且包括位于所述光学透明的基板的内主表面上的透射光栅(12)；具有基本上相互平行的外主表面和内主表面的第二基板，第二基板具有位于第二基板的内主表面上的反射光栅(14)；以及插入在透射光栅和反射光栅之间并且被定向为与它们垂直的至少一个太阳能电池(18)。
文档编号H01L31/042GK101702953SQ200880012221
公开日2010年5月5日 申请日期2008年4月17日 优先权日2007年4月17日
发明者C·W·韩, G·V·米农 申请人:特拉太阳全息摄影西班牙有限公司