专利名称：一种光学透镜结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学透镜结构，尤其涉及一种适用于太阳能电池装置上且是 属于菲涅尔形式(Fresnel Type)的光学透镜结构。
背景技术：
随着能源渐渐短缺与人类对于能源却越来越高需求的环境之下，新能源的开发已 是刻不容缓的工作。但是，回归思考地球各式的能源最终仍来自于太阳，再加上人类对环境 保护的重视及降低污染的诉求，直接使用洁净的太阳能发电将是未来的能源开发重点。 由于工业的快速发展，石化燃料逐步耗竭与温室效应气体排放的问题日益受到全 球各国的关切，稳定的能源供应已成为全球性的重大课题。相较于传统燃煤、燃气式或核能 发电，太阳能电池(solar cell)利用光发电效应直接将太阳能转换成电能，而不会伴随着 产生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等温室效应气体及污染性气体，并减少对石化燃料 的依赖，提供更安全自主的电源来源。 关于太阳电池的种类繁多，目前世界各国除了积极提高传统硅基太阳能电池转换
效率外，高效率ni-v族半导体太阳电池制作技术的开发为另一发展重点。而结合高效率
III-V族半导体太阳电池与菲涅尔透镜(Fresnel Type)的聚光型太阳能发电系统，因为可 以大幅降低发电成本也备受瞩目。然而，此种采用ni-v族半导体太阳电池与菲涅尔透镜 的现有的聚光型太阳能发电系统仍存有一缺点，因为其所使用的菲涅尔透镜往往具有环数 过多过密集状况(常超过100圈以上)，因此其光学转换效率反而受限，而有待进一步改良。 因此，本实用新型提供一高效率的光学透镜，通过所述光学透镜上所刻录的一中 心圆以及与所述中心圆呈同心圆环状由小到大排列的多个折射部，将光线来源集中聚光于 一基板上所设置的ni-v族半导体晶片，进一步利用所述III-V族半导体晶片将光能转换 成电能并储存于一电池中，以提供其他用电装置所需的电力来源。
发明内容本实用新型的主要目的在于提供一种光学透镜，其透过于光学透镜刻录一中心圆 以及与所述中心圆呈同心圆环状由小到大排列的多个折射部，以达到增加聚光效率的目 的。 为达上述的目的，本实用新型在于提供一种光学透镜结构，其适用于装置在一太 阳能电池装置上。其中，所述光学透镜结构包括有一平滑面以及一突出面，且于所述突出 面上刻录一中心圆以及与所述中心圆呈同心圆环状由小到大排列的多个折射部，而所述折 射部为锯齿形态且以所述中心圆为中心呈多个的同心环状排列，其圈数最佳可以是11至 22圈其中之一。 另外，所述太阳能电池装置包括有多个光学透镜、一框体、以及一基板。所述框体 为一多个格体所构成的矩形阵列，并于所述格体内分别设置有所述光学透镜。所述基板设 置于所述框体的下方，且于所述基板上设置有多半导体晶片并分别与所述格体内所固接的所述光学透镜的所述突出面相对应。通过多个所述光学透镜将光线集中聚光于所述半导体 晶片之上，使其光能转换成电能，以提供其他用电装置所需的电力来源。 与现有技术相比，本实用新型所述的光学透镜，其透过于光学透镜刻录一中心圆 以及与所述中心圆呈同心圆环状由小到大排列的多个折射部，以达到增加聚光效率的目 的。
图1为本实用新型光学透镜结构的立体示意图； 图2A为本实用新型光学透镜结构的A-A剖面示意图； 图2B为本实用新型光学透镜结构的部分剖面放大示意图； 图3为本实用新型光学透镜结构的侧视示意图； 图4为本实用新型具有光学透镜的太阳能电池装置立体分解示意图； 图5为本实用新型具有光学透镜的太阳能电池装置剖面示意图。 附图标记说明l-光学透镜；ll-平滑面；12-突出面；121_中心圆；122、122'-折 射部；1221-顶端；1222-连接处；1223-折射面；2-太阳能电池装置；21-框体；211_格体；
22-基板；221-半导体晶片；23-电池。
具体实施方式为了能更清楚地描述本实用新型所提出的光学透镜结构以及具有所述光学透镜 的太阳能电池装置，以下将配合附图详细说明之。 请参阅图l所示，为本实用新型光学透镜结构的立体示意图。其中，所述光学透镜 1呈一正方形透明薄板结构且包括有分别位于相对两表面上的一平滑面11以及一突出面 12。在一实施例中，所述平滑面11用以接收太阳光线，并经由所述突出面12将透射的光线 加以集中聚光；当然，也可以是由突出面12来接收太阳光线并将透射的光线加以集中聚光 后再由平滑面11射出。此外，在所述突出面12上并刻录了一中心圆121以及与所述中心 圆121呈同心圆环状由小到大排列的多个折射部122。 所述光学透镜1为一菲涅尔透镜(Fresnel Lens)，由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材 料注压而成的透光薄片，而在所述突出面12所刻录的所述折射部122利用光的干涉及扰射 和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的。本实用新型的所述光学透镜1所需的要求标 准很高，因此一片优质的透镜必须具备表面光泽、纹理清晰的条件，其厚度可控制在lmm 15mm之间，特性为面积较大、厚度薄及检测距离远。 请参阅图2A所示，为本实用新型光学透镜结构的A-A剖面示意图。其中，所述突 出面12所设的所述折射部122为锯齿形态且以所述中心圆121为中心呈多个的同心环状 排列。在本实用新型光学透镜1结构的较佳实施例中，所述折射部122的圈数影响所述光 学透镜1的光学效率，而所述折射部122的圈数为11至22圈其中之一时，所述光学透镜1 的光学效率则大致为最佳的状态，令所述光学透镜1达到具有80%以上的光学效率。 请参阅下表一，为当在相同尺寸且相同焦距的光学透镜1上设置不同圈数的折射 部122时，其光学效率值、以及与具有170圈的折射部122的光学效率值相比的比例值。由 表一中可发现，当折射部122圈数越少时其光学效率越高，可是相对地其光学透镜1整体的厚度、体积及重量都会越大。为了达到兼具光学透镜1的尺寸轻薄与良好光学效率，本实用
新型特别设计出让折射部122的圈数介于11至22圈之间的独特结构，不仅可令本实用新
型光学透镜1的光学效率较170圈光学透镜高出10%以上，且更能维持菲涅尔透镜所具有
的轻薄特性。 表一
圈数光学效率光学效率比170圈增加比例
110. 8292511. 4%
130. 8284511. 3%
170. 8246510. 8%
220. 8192410. 0%
330. 807698. 5%
640. 778684. 6%
1700. 744510% 请参阅图2B所示，为本实用新型光学透镜结构的部分剖面放大示意图。其中，于 锯齿形态的所述折射部122其顶端1221以及相邻两折射部122、122'的连接处1222设为弧 状的导角，所述导角方便于制造所述光学透镜1拔模时所需，且所述折射部122上的一折射 面1223曲度取决于所述光学透镜1的放大倍率、焦距及材料折射系数，而所述折射面1223 可以是一球面透镜或非球面透镜所构成的曲度。由于此所述的每一圈折射部122的折射面 1223表面曲度的设计方式属于现有技术且非本实用新型的技术特征，因此不予赘述。 请参阅图3所示，为本实用新型光学透镜结构的侧视示意图。其中，本实用新型的 光学透镜1的较佳形成数据，也就是所述光学透镜1的第n圈折射部122的半径rn必须符
合以下的公式(xri) — (o.3xn) ^ rn ^ (xri) + (o.3 xn)。其中
rn是光学透镜1的第n圈折射部122的半径；n是折射部的圈数；巧是第1圈折射部122 (也 就是中心圆)的半径。 举例来说，当所述光学透镜1的折射部122的总圈数为17圈(也就是n = 17)，且 光学透镜1的外框尺寸(也就是最外圈半径值)为100mm(也就是巧7 = 100mm)时，所述中 心圆的半径巧为 公 式
(# x n ) - (0.3 x ri) ^ r17= 100mm 《(x n ) + (0.3 x所 以 xn《100mm《(VI^+0.3) x巧 所 以
mm^ 《100/ ( VT7-0.3) mm所以22.60855mm《ri《26.15675mm在此区间决定rl
的值后，便能将此ri值代回(V^Xn)-(o.3xri)《rn < x巧)+ (o.3xn)
5的公式来依序计算出r2， r3， . . . rn—工的值了 。 请参阅图4所示，为本实用新型具有光学透镜的太阳能电池装置立体分解示意 图。由于太阳电池种类繁多，目前世界各国除了积极提高传统硅基太阳能电池转换效率外，
结合高效率ni-v族半导体晶片与菲涅尔透镜的聚光型太阳能发电系统，可因此大幅降低
发电成本所以备受各界瞩目也成为本实用新型的发展重点。其中，具有如图l所示的所述 光学透镜1所构成的太阳能电池装置2包括有多个光学透镜1、一框体21、一基板22、以 及一电池23。 所述框体21为一多个格体211所构成的矩形阵列，并z各别的所述格体211内分 别设置有一前述的所述光学透镜1。所述基板22设置于所述框体21的下方，且所述基板 22具有一电路回路，并在其上设置有多个半导体晶片221，而所述半导体晶片221分别与所 述格体211内所设置的所述光学透镜1的所述突出面12相对应，并接收来自于所述光学透 镜1所集中的光束。在本实用新型具有所述光学透镜1的太阳能电池装置2中，所述半导 体晶片221可以是III-V族半导体晶片。 早期太阳能电池仅限于硅单晶太阳能电池，直到80年代才开始应用采用液态磊 晶技术(Liquid Phase Epitaxy, LPE)的砷化镓(GaAs)太阳能电池随着太阳能电池技术的 发展，采用金属有机气相磊晶技术(Metal Organic V即or Phase Epitaxy, M0VPE)制备的 GaAs单结和多结叠层III-V族化合物半导体晶片的太阳能电池已成为很有希望的下一代 高效率能源。 本实用新型具有所述光学透镜1的太阳能电池装置2中，所述半导体晶片221也 就是III-V族半导体晶片(GaAs，InP，InGaP)所构成的太阳能电池光电转换效率高，其转换 效率大致为26% 28%，若是以多接面串叠(InGaP/GaAs〃InGaAs，multijunctiontandem cell)的方式来制作，其最高转换效率可达33.3%。故本实用新型运用III-V族半导体晶 片221所构成的太阳能电池装置2其信赖性与可靠度较高，长时间于室外使用时不易老化 质变，且受外界温度变化的影响较低。 请参阅图五所示，为本实用新型具有光学透镜的太阳能电池装置剖面示意图。 其中，通过多个所述光学透镜l将光线透过所述突出面12集中聚光于所述半导体晶片 221(11I-V族半导体晶片)之上，并由所述基板22使其光能转换成电能并储存于所述基板 22所连接的所述电池23内，以提供其他用电装置所需的电力来源。所述电池23可以是充 电式锂电池、以及镍氢电池其中之一。在另一实施例中，本实用新型所述的具有光学透镜的 太阳能电池装置也可以不是连接于电池23而是直接连接到公共电力系统而成为发电系统 或发电厂的其中之一供电来源，换句话说，图5所示的编号23的元件也可以不是电池而是 发电系统中的一供电来源。 综上所述，在本实用新型的光学透镜1结构包括有一平滑面11以及一突出面 12，且在所述突出面12上刻录一中心圆121以及与所述中心圆121呈同心圆环状由小到大 排列的多个折射部122，而所述折射部122为锯齿形态且以所述中心圆121为中心呈多个的 同心环状排列，其中，光透射率最佳的所述折射部122圈数可以是11至22圈其中之一。 在另一实施例中，具有所述光学透镜1的太阳能电池装置2包括有多个光学透镜 1、一框体21、一基板22、以及一电池23。所述框体21为一多个格体211所构成的矩形阵 列，并于所述格体211内分别设置有所述光学透镜1。所述基板22设置于所述框体21的下
6方，且在所述基板22上设置有多半导体晶片221并分别与所述格体211内所设置的所述光 学透镜1的所述突出面12相对应通过多个所述光学透镜1将光线集中聚光于所述半导体 晶片221之上，使其光能转换成电能并储存于所述基板22所连接的所述电池23 (或是发电 系统中的一供电来源)内，以提供其他用电装置所需的电力来源。 但是以上所述的实施例不应用于限制本实用新型的可应用范围，本实用新型的保 护范围应以本实用新型的申请专利范围内容所界定技术精神及其均等变化所含括的范围 为主。即大凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化及修饰，仍将不失本实用新型的 要义所在，也不脱离本实用新型的精神和范围，因此都应视为本实用新型的进一步实施状 况。
权利要求一种光学透镜结构，其包括有一平滑面以及一突出面，且所述突出面上刻录一中心圆以及与所述中心圆呈同心圆环状由小到大排列的多个锯齿形态的折射部；其特征在于，所述折射部的圈数为11至22圈其中之一。
2. 如权利要求l所述的光学透镜结构，其特征在于，所述光学透镜的第n圈折射部的半径rn必须符合以下的公式 <formula>formula see original document page 2</formula>其中rn是光学透镜的第n圈折射部的半径、n是折射部的圈数、且巧是第1圈折射部也就是中心圆的半径。
3. 如权利要求1所述的光学透镜结构，其特征在于，环状锯齿形态的所述折射部的顶 端以及相邻两折射部的连接处设为弧状的导角。
4. 一种包括如权利要求1所述的光学透镜结构的太阳能电池，，其特征在于，包括有 多个所述光学透镜结构；一框体，为一多个格体所构成的矩形阵列，并在各个所述格体内分别设置有一个所述 光学透镜；以及一基板，具有一电路回路且设置于所述框体的下方，还在所述基板上设置有多个半导 体晶片，所述半导体晶片并分别与所述格体内所固接的所述光学透镜相对应，使多个所述 光学透镜能将光线分别聚光于所述多个半导体晶片之上。
5. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池的半导体晶片为 III-V族半导体晶片。
专利摘要本实用新型提供了一种光学透镜结构，其适用于装置在一太阳能电池装置上。所述光学透镜包括有一平滑面以及一突出面，且于所述突出面上刻录一中心圆以及与所述中心圆呈同心圆环状由小到大排列的多个折射部。所述折射部为锯齿形态且以所述中心圆为中心呈多个的同心环状排列，其圈数最佳为11至22圈其中之一。所述太阳能电池装置包括有多个所述光学透镜、一框体、以及一基板。通过所述框体内所固接的多个光学透镜将光线分别聚光于所述基板上所设置的半导体晶片之上，使其光能转换成电能，以提供其他用电装置所需的电力来源。
文档编号H01L31/052GK201503504SQ200920149460
公开日2010年6月9日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者吴志颖, 萧金廷, 蔡雄宇, 陈建成 申请人:和光光学股份有限公司