太阳能装置的制造方法
【专利说明】太阳能装置
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求提交于2013年7月1日的美国临时专利申请61/841565的权益，其公开内容全文以引用方式并入本文。
【背景技术】
[0003]将光伏装置和系统安装和/或整合到商业和居住建筑中是已知的。此类系统通常限于常规的屋顶型系统，所述屋顶型系统可具有有限的光伏能力和极低的美学吸引力。常规的屋顶型系统通常取决于支架系统，所述支架系统通常(例如)不适于以有吸引力和便利的方式整合到竖直建筑物面内并且在其他构型中也可具有有限的适合性。
[0004]在聚光型光伏应用中，通过使用常规的太阳能聚光反射镜来将宽带太阳能引导到光伏电池或太阳能热传递元件上。然而，从太阳能聚光反射镜反射到太阳能元件上的某些波长的电磁辐射会对太阳能元件产生不利影响。例如，红外光谱中的某些波长可使某些光伏电池的温度不利地升高。这样，光伏电池可损失效率，并随时间推移会因过度的热暴露而劣化。此外，能够反射可见光的宽带反射镜在某些角度下可能很刺眼，因此出于美学原因会让部分人感觉不快。宽带反射镜还在太阳能聚热板中用于加热流体，但仍旧因为不够美观而不被用于建筑一体化中，并且在不循导太阳光的系统中其散乱反射也导致非常刺眼。长期暴露于紫外(UV)光通常也会导致光伏电池的组件过早劣化。一些太阳能聚光反射镜已在2009年11月19日公布的国际专利申请公布W0 2009/140493 (Hebrink等人)中有所公开，所述太阳能聚光反射镜反射对应于所选太阳能电池的吸收带宽的波长并且透射或吸收此带宽之外的光的绝大部分。
【发明内容】
[0005]在一个方面，本发明描述了一种太阳能装置，包括:
[0006]具有吸收带宽的光伏电池或太阳能集热器中的至少一者，所述吸收带宽包括太阳光谱的近红外波长区域的至少一部分(即，在从800nm至1200nm的范围内的至少一部分)(例如，至少在lOOnm范围内；在一些实施例中，至少在200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm 或甚至至少 lOOOnm 范围内)；
[0007]可见光透射反射器，该可见光透射反射器具有大致相背对的第一主表面和第二主表面，该可见光透射反射器被定位成将光从第一主表面反射到光伏电池或太阳能集热器中的至少一者上，该可见光透射反射器包括具有光学叠堆的多层光学膜，所述光学叠堆包括具有不同折射率的多个交替的第一光学层和第二光学层，其中所述多层光学膜反射对应于光伏电池或太阳能集热器中至少一者的吸收带宽的波长范围内的光的至少一部分；以及
[0008]图形膜(在一些实施例中，为部分地透射的图形膜)或发光显示器(例如，液晶显示器)中的至少一者，相比于可见光透射反射器的第一主表面，该至少一者被定位成更靠近可见光透射反射器的第二主表面，其中存在的图形膜或发光显示器透过可见光透射反射器可见。
[0009]在另一方面，本发明描述了一种太阳能装置，包括:
[0010]具有吸收带宽的光伏电池或太阳能集热器中的至少一者，所述吸收带宽包括太阳光谱的近红外波长区域的至少一部分(即，在从800nm至1200nm的范围内的至少一部分)；
[0011]可见光透射反射器，该可见光透射反射器具有大致相背对的第一主表面和第二主表面，该可见光透射反射器被定位成将光从第一主表面反射到光伏电池或太阳能集热器中的至少一者上，该可见光透射反射器包括具有光学叠堆的多层光学膜，所述光学叠堆包括具有不同折射率的多个交替的第一光学层和第二光学层，其中所述多层光学膜反射对应于光伏电池或太阳能集热器中的至少一者的吸收带宽的波长范围内的光的至少一部分；以及
[0012]部分地透射的图形膜，相比于可见光透射反射器的第二主表面，该部分地透射的图形膜被定位成更靠近可见光透射反射器的第一主表面，其中经反射的红外光透射通过部分地透射的图形膜。
[0013]“图形膜”是吸收具有可见或近红外范围内的波长的至少一些光并且反射其中反射光包含一些图形内容的可见范围内的至少一些光的任何膜。图形内容可包括图案、图像或其他视觉标记。图形膜可为印刷膜，或图形可通过除印刷之外的方式形成。例如，图形膜可为具有图案化布置方式的孔的打孔反射膜。图形也可通过压印形成。在一些实施例中，图形膜是部分地透射的图形膜(例如，用于背光标识(例如，背光交通标识)中时)。可商购获得的图形膜的示例包括美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company, St.Paul, MN)以商品名“D1-N0C”销售的图形膜。
[0014]“光伏电池”是将电磁能(例如，光，包括近红外光)转换成电的半导体电气装置。
[0015]“太阳能集热器”是可将来自太阳的电磁能(即，日光，包括红外能)转换成热能的
目.ο
[0016]“太阳能装置”是可将来自太阳的电磁能(即，日光，包括红外能)转换成电或热能以供别处使用的装置。
[0017]术语“聚合物”是指基本上由一种或多种重复单体单元组成的大分子化合物，或者基本上由一种或多种类似重复单体单元组成的大分子化合物的混合物。
[0018]本文所述的太阳能装置可以在建筑物的侧面和/或屋顶以及窗户上例如用作标识(例如，广告标识或交通标识)。太阳能装置可以被安装例如作为建筑物的一部分，并允许被定位成更靠近可见光透射反射器的第二主表面的所述图形膜或发光显示器的可见性。图形膜可具有例如木瓦、瓷砖、砖、灰泥或木纹的印制外观，以使建筑物更加美观。
【附图说明】
[0019]图1是本文所述太阳能装置的一个示例性实施例的示意性前视图。
[0020]图1Α是图1所示太阳能装置示例性实施例的示意性侧视图。
[0021]图2是本文所述太阳能装置的一个示例性实施例在使用中的示意性侧视图。
[0022]图3是本文所述太阳能装置的一个示例性实施例在使用中的示意性侧视图。
【具体实施方式】
[0023]参见图1和图1Α，太阳能装置100包括光伏电池或太阳能集热器101、可见光透射反射器103和图形膜或发光显示器105。
[0024]参见图2，太阳能装置200包括光伏电池或太阳能集热器201、可见光透射反射器203和图形膜或发光显示器205。来自太阳210的入射日光207直接照射到光伏电池或太阳能集热器201和可见光透射反射器203上。来自太阳210的能量209的近红外部分从可见光透射反射器203反射到光伏电池或太阳能集热器201上。图形膜或发光显示器205透过可见光透射反射器203可见。
[0025]参见图3，太阳能装置300包括光伏电池或太阳能集热器301、可见光透射反射器303和部分地透射的图形膜或发光显示器305。来自太阳310的入射日光307透过部分地透射的图形膜或发光显示器305照射到光伏电池或太阳能集热器301和可见光透射反射器303上。来自太阳310的能量309的近红外部分从可见光透射反射器303透过部分地透射的图形膜或发光显示器305反射到光伏电池或太阳能集热器301上。
[0026]示例性光伏电池包括结晶硅单结电池、带状硅电池、非晶硅光伏电池、铜铟镓砸电池、碲化锦光伏电池、有机光伏电池和砷化镓电池。
[0027]示例性太阳能集热器包括釉面黑色平板、附接到黑色太阳能吸收翅片的黑色水管和围绕吸收剂管的真空玻璃管，以及将额外的红外光反射到太阳能吸收管上的复合抛物面聚光器。
[0028]本文所述的太阳能装置包括可见光透射反射器，该可见光透射反射器包括具有光学叠堆的多层光学膜，所述光学叠堆包括具有不同折射率的多个交替的第一光学层和第二光学层。具有至少一种第一聚合物和一种第二聚合物的交替层的常规多层光学膜可用于制造可见光透射反射器。通过选择具有适当折射率的适当层对、层厚、和/或层对数量，光学叠堆可被设计用于透射或反射所需波长的光。
[0029]通过对第一光学层和第二光学层的适当选择，可将本文所公开的太阳能装置中的可见光透射反射器设计成能反射或透射所需带宽的光。在光学叠堆中的光学层之间的每个界面处产生反射，所述层分别具有不同的折射率ndP η 2。在相邻光学层的界面处不反射的光通常穿过连续的层并且在随后的光学层中被吸收，在随后的界面处反射或者完全透射通过光学叠堆。通常，将给定层对中的光学层选择为(例如)对需要反射性的那些光波长基本上透明。在层对界面处未被反射的光传送至下一层对界面，在此处光的一部分被反射并且未反射光继续前进，以此类推。增加光学叠堆中的光学层数可提供更大的光学功率。以此方式，具有多个光学层的光学层叠堆能够产生高度反射性。例如，如果层对之间的折射率较小，则光学叠堆可能达不到所需的反射率，但通过增加层对数就可以实现足够的反射率。在本发明的一些实施例中，光学叠堆包括至少2个第一光学层和至少2个第二光学层、至少5个第一光学层和至少5个第二光学层、至少50个第一光学层和至少50个第二光学层、至少200个第一光学层和至少200个第二光学层、至少500个第一光学层和至少500个第二光学层、或者至少1000个第一光学层和至少1000个第二光学层。通常，第一光学层的至少一部分和第二光学层的至少一部分紧密接触。
[0030]通常，相邻光学层的界面的反射率与反射波长下第一光学层和第二光学层上的折射率差值的平方成正比。层对之间的折射率的绝对差值(n1-rg通常为0.1或更大。第一光学层和第二光学层之间较高的折射率差值可用于(例如)提供较高的光学功率(如，反射性)，因此能够获得较大的反射带宽。然而，在本发明中，根据所选的层对，层对之间的绝对差值可小于0.20 (在一些实施例中，小于0.15,0.10,0.05或者甚至小于0.03)。
[0031]每个层的厚度均可通过改变反射量或变动反射波长范围来影响光学叠堆的性能。光学层通常具有待反射波长的约四分之一的平均单个层厚度、以及待反射波长的约二分之一的层对厚度。光学层各自可以是四分之一波长厚，或者光学层可以具有不同的光学厚度，只要层对的光学厚度之和为波长的一半(或其倍数)。例如，为了反射800纳米(nm)的光，平均单个层厚度将为约200nm，并且平均层对厚度将为约400nm。第一光学层和第二光学层可具有相同的厚度。作为另外一种选择，光学叠堆可包括具有不同厚度的光学层以增加反射波长范围。具有多于两个层对的光学叠堆可包括具有不同光学厚度以在波长范围上提供反射性的光学层。例如，光学叠堆可包括单独进行调节以实现具有特定波长的垂直入射光的最佳反射的层对，或者可包括反射较大带宽上的光的层对厚度的梯度。特定层对的垂直反射率主要取决于各个层的光学厚度，其中光学厚度定义为层的实际厚度与其折射率的乘积。从光学层叠堆反射的光的强度随其层对的数量和各个层对中的光学层的折射率差而变化。比率常常称为“f比率”)与给定层对在指定波长下的反射率有关。在f比率中，njP 112为层对中的第一光学层和第二光学层在指定波长下的相应折射率，并且山和屯为层对中的第一光学层和第二光学层的相应厚度。通过适当选择折射率、光学层厚度和f比率，可对第一级反射的强度实施某种程度的控制。
[0032]可使用公式λ/2 = 114+??来调节光学层以反射法向入射角下的波长、的光。在其他角度处，层对的光学厚度取决于穿过组合光学层的距离(其大于层的厚度)和光学层的三个光轴中至少两个光轴上的折射率。
[0033]可用于本文所公开的可见光透射反射器的多层光学膜中的光学叠堆通常全部或大部分包括四分之一波膜叠堆。在这种情况下，控制光谱需要控制膜叠堆中的层厚分布。结合用显微镜技术所获得的层分布信息，使用例如美国专利6，783，349(Neavin等人)中所提出的轴杆设备，可以调节这些光学叠堆的层厚度分布以提供改善的光谱特征。
[0034]层厚分布控制的基本方法涉及根据目标层厚度分布和所测量层厚度分布的差异来调整轴杆区功率设置。调节给定反馈区域中的层厚度值所需的轴杆功率的增加首先会以该加热器区域中生成层的所得厚度的每纳米变化的热输入(瓦特)来校准。可使用24个轴杆区域对27