專(zhuān)利名稱(chēng)：集能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種集能系統(tǒng)，特別是有關(guān)于一種收集太陽(yáng)光且可促進(jìn)光電轉(zhuǎn)換效率的集能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
太陽(yáng)光收集裝置是使用光伏特板收集太陽(yáng)光的光能來(lái)產(chǎn)生電能。光伏特板一般可區(qū)分為單階式以及多階式的結(jié)構(gòu)。
美國(guó)專(zhuān)利第6,399,874號(hào)公開(kāi)一種單階式光伏特板，該專(zhuān)利是使用菲涅耳(Fresnel)透鏡來(lái)收集太陽(yáng)光，并將收集的太陽(yáng)光照射在7厘米見(jiàn)方的太陽(yáng)能電池上。
利用多階方式組合的各種太陽(yáng)能電池，可獲得較高的光電轉(zhuǎn)換率。如美國(guó)專(zhuān)利第6,881,893號(hào)所公開(kāi)的裝置，該裝置利用放大鏡來(lái)聚焦光線(xiàn)，該放大鏡設(shè)置在一環(huán)形板的中央且該環(huán)形板作為該裝置的收集單元的上蓋。該收集單元可將光線(xiàn)收集在具有對(duì)稱(chēng)拋物線(xiàn)的斗狀單元中，該斗狀單元的底部中央具有光感應(yīng)器。
另外，如美國(guó)專(zhuān)利第6,700,054號(hào)公開(kāi)的多階式光收集裝置，是由具有寬大進(jìn)入孔的漏斗狀光接收器所組成。進(jìn)入的光線(xiàn)通過(guò)該漏斗壁、或經(jīng)由從該漏斗壁反射進(jìn)入具有凸面頂部的鈉鈣玻璃容器，且該鈉鈣玻璃容器中裝有高反射指數(shù)的礦物油。借由在玻璃壁及礦物油之間的接口，該玻璃容器可全反射大部分的光，并借由容器外的高光譜反射器將漏出的光反射進(jìn)入該玻璃容器中。因此，在該玻璃容器底部中央的光感應(yīng)器可吸收大部分進(jìn)入該收集裝置的光線(xiàn)。此裝置的缺點(diǎn)在于體積較為龐大、矩陣排列需較多空間且結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜。
傳統(tǒng)技術(shù)另有如美國(guó)專(zhuān)利6,061,181號(hào)所公開(kāi)的平面式非追蹤型太陽(yáng)能面板。該面板可在日照時(shí)間中可工作較長(zhǎng)的時(shí)間。該面板是由光伏特電池單元所組成且具有較大孔徑的光學(xué)透鏡。該面板的棱鏡矩陣作為光信道，將光導(dǎo)向光伏特電池。然而此種面板的結(jié)構(gòu)脆弱且不易制造。
另一種平面太陽(yáng)能板如美國(guó)專(zhuān)利第6,528,716號(hào)所公開(kāi)，該太陽(yáng)能板的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有優(yōu)選的轉(zhuǎn)換效率。請(qǐng)參照?qǐng)D1所示的平面太陽(yáng)能板100，基板101上設(shè)置有太陽(yáng)能電池層102以及反射鏡103。太陽(yáng)能電池實(shí)際上位于基板上的面積因?yàn)榉瓷溏R的存在而得以減少。然而，陽(yáng)光的入射角度會(huì)受限于兩相鄰傾斜的反射鏡反射面，進(jìn)而影響光的利用效率。
因此，本發(fā)明鑒于上述傳統(tǒng)的缺失，公開(kāi)一種集能系統(tǒng)。以下為本發(fā)明的簡(jiǎn)要說(shuō)明。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種集能系統(tǒng)，該集能系統(tǒng)包括一基板；一光感應(yīng)層，該光感應(yīng)層選擇性地設(shè)置在該基板上；以及多個(gè)凸透鏡，設(shè)置在該光感應(yīng)層上。該凸透鏡為半球形、薄球形、半圓柱狀或薄半圓柱狀。該凸透鏡在基板上呈矩陣排列并涂覆有抗反射層。光線(xiàn)經(jīng)由凸透鏡的折射得以集中于光感應(yīng)層上。因此，太陽(yáng)光在經(jīng)過(guò)較簡(jiǎn)化的折射路徑可到達(dá)光感應(yīng)層，因此太陽(yáng)能的收集得以最佳化。
依據(jù)本發(fā)明的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡的表面可進(jìn)一步包括至少一突起。
依據(jù)本發(fā)明的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡可為單層且材料可為玻璃或塑料。
依據(jù)本發(fā)明的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡可為多層且材料可為相同或或相異的材料，該多層是由以下任選的材料所構(gòu)成玻璃、塑料、礦物油、凝膠、水、氣體及真空。
從日升到日落的日照時(shí)間中，為了使各入射角度的光線(xiàn)能有效地捕捉至光感應(yīng)層，故該集能系統(tǒng)的凸透鏡與該光感應(yīng)層之間還包括一光通接口，該光通接口為單一材料且具有漸進(jìn)變化的折射指數(shù)。為了達(dá)到漸進(jìn)變化折射指數(shù)的效果，該光通接口亦可由一多個(gè)薄膜層所組成。該薄膜為一介電材料且折射指數(shù)高于2.1。在本發(fā)明中，該介電材料優(yōu)選為T(mén)iO2、Nb2O3或ZrO2。再者，同樣是為了達(dá)到漸進(jìn)變化折射指數(shù)的效果，該多層薄膜中與透鏡層相鄰的一層的介電材料，其折射指數(shù)介于該透鏡層與其它薄膜的折射指數(shù)之間。
本發(fā)明的集能系統(tǒng)，該光感應(yīng)層并不限于傳統(tǒng)的光伏特板，亦可為光熱轉(zhuǎn)換器或其組合。
本發(fā)明的集能系統(tǒng)借由將光導(dǎo)入凸透鏡與光感應(yīng)層之間的光通接口，可得到優(yōu)于傳統(tǒng)光伏特板的能源轉(zhuǎn)換效率，且在機(jī)構(gòu)上較傳統(tǒng)光伏特板簡(jiǎn)單，故成本較為低廉。



圖1顯示傳統(tǒng)的光伏特板； 圖2顯示依據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的集能系統(tǒng)； 圖3顯示圖2所示的集能系統(tǒng)中，凸透鏡沿X-X′切線(xiàn)的截面圖； 圖4A及圖4B顯示光經(jīng)過(guò)凸透鏡或未經(jīng)凸透鏡照射至光感應(yīng)層的示意圖； 圖5A及圖5B顯示光進(jìn)入半球狀凸透鏡以及半圓柱狀凸透鏡的透視圖； 圖6說(shuō)明較薄的半圓柱狀透鏡覆蓋于光感應(yīng)層的光通量的變化； 圖7顯示各平行光通過(guò)單一凸透鏡的截面圖； 圖8顯示不同薄膜組成的光通接口其反射光譜的比較； 圖9顯示本發(fā)明另一實(shí)施例的凸透鏡的截面圖； 圖10顯示本發(fā)明又一實(shí)施例的凸透鏡的截面圖；以及 圖11顯示相鄰二凸透鏡的距離的示意圖。
主要組件符號(hào)說(shuō)明 100平面太陽(yáng)能板 101基板 102太陽(yáng)能電池層 103反射鏡 200集能系統(tǒng) 201基板 202光感應(yīng)層 b，d距離 204，304，404，504凸透鏡d1，d2寬度 303光通界面 L長(zhǎng)度 400半圓柱狀凸透鏡 N1，N2，N3，N4法線(xiàn) 410，430，440面積 O圓心 4041，4042，4043層 r半徑 5041，5042，5043突起α照射角 A1，A2，A3，A4，A5光路徑θ夾角 A6，A7，A8，A9，A10光路徑 A01，A02，Ac1，Ac2截面積 B，B′，B″點(diǎn)
具體實(shí)施例方式 以下參照相關(guān)附圖，說(shuō)明依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種集能系統(tǒng)，其中相同的組件將以相同的組件標(biāo)號(hào)說(shuō)明。
圖2顯示依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種集能系統(tǒng)200。該集能系統(tǒng)200包括一基板201、光感應(yīng)層202以及多個(gè)凸透鏡204。該光感應(yīng)層202設(shè)置在該基板200上以及該凸透鏡204設(shè)置在該光感應(yīng)層202上。在本實(shí)施例中，該光感應(yīng)層202選擇性地設(shè)置在該基板201上，即該光感應(yīng)層202不需完全地覆蓋該基板201，只要凸透鏡204與基板201之間具有該光感應(yīng)層202即可。在本實(shí)施例中，該凸透鏡204為一半圓柱狀的凸透鏡且呈矩陣排列。依據(jù)本發(fā)明大的概念，該凸透鏡204亦可為多個(gè)呈矩陣排列的半球形、薄球形或薄圓柱狀凸透鏡。
圖3顯示圖2的集能系統(tǒng)中，單一半圓柱狀凸透鏡204沿X-X′切線(xiàn)的截面圖。需了解的是，無(wú)論是半圓柱狀或是半球狀的凸透鏡，其截面均為如圖3所示的半圓形。在圖3中，光照射至該半圓狀凸透鏡與凸透鏡底部的夾角，即光線(xiàn)的照射角為α。A1、A2、A3以及A4表示不同的平行光路徑，N1、N2、N3以及N4分別表示光路徑A1、A2、A3以及A4與該凸透鏡表面的交點(diǎn)所形成的法線(xiàn)。因此，如圖3所示各平行光路徑A1、A2、A3以及A4對(duì)于該凸透鏡表面所形成的入射角分別為α、0°、(90°-α)以及90°。
用于構(gòu)成該凸透鏡的大部分材料，如玻璃或塑料，其折射率大于空氣的折射率，因此照射至該凸透鏡表面的光線(xiàn)將通過(guò)該凸透鏡到達(dá)該凸透鏡下的光感應(yīng)層。從日出到日落的時(shí)間，光線(xiàn)照射至該光感應(yīng)層的照射角α介于0°至180°之間。
圖4A及圖4B顯示在相同的光感應(yīng)層寬度時(shí)，光經(jīng)過(guò)凸透鏡或未經(jīng)凸透鏡照射至光感應(yīng)層的示意圖。在圖4A中，該凸透鏡的底面寬度與圖4B的光感應(yīng)層的寬度同樣為2b，在照射角為α的情況下，圖4A中光經(jīng)過(guò)該凸面鏡照射的寬度為d1；且圖4B中，光不經(jīng)過(guò)該凸面鏡直接照射至該光感應(yīng)層的寬度為d2，因此 d1＝b(1+sinα)以及 d2＝2b sinα α＝90°時(shí)，d1＝d2，若α≠90°時(shí)，d1＞d2。
由上式可知，從日出到日落的絕大部分時(shí)間(即照射角α≠90°時(shí))，相較于不使用凸透鏡的光感應(yīng)層，本發(fā)明的光感應(yīng)層透過(guò)該凸透鏡可獲得較大的光通量。
圖5A及圖5B分別顯示照射角α的光進(jìn)入半球狀凸透鏡以及半圓柱狀凸透鏡的透視圖。如圖5A所示，光照射于半球狀凸透鏡的投影面積A01為一半徑b的半圓以及長(zhǎng)短軸分別為b以及b(sinα)的半橢圓形的組合，即d1＝b(1+sinα)。在圖5B中，半圓柱狀透鏡的一投影面積Ac1＝d2L，其中d2＝b(1+sinα)。在圖5B中，2b為該半圓柱的圓的直徑，L為該半圓柱狀透鏡的長(zhǎng)度。因此，在太陽(yáng)光入照角相對(duì)于天頂為-90度至+90度時(shí)，落入半球狀凸透鏡底部的光感應(yīng)層的光通量為所有該截面積區(qū)域的總和。
同樣地，在無(wú)半球狀或半圓柱狀凸透鏡覆蓋的光感應(yīng)層，光照射的截面積可分別以AO2＝πb2sinα以及Ac2＝2bLsinα表示。
如以上參數(shù)的定義，在覆蓋有半球狀凸透鏡或未覆蓋半球狀凸透鏡時(shí)，照射在光感應(yīng)層的總光通量的差異可由以下式(1)表示 其中A01＝πb2(1+sinα)/2，以及 A02＝πb2sinα。
另外，在覆蓋有半圓柱狀透鏡或未覆蓋半圓柱狀透鏡時(shí)，照射在光感應(yīng)層的總光通量的差異可由以下式(2)表示 Ac1＝Lb(1+sinα) Ac2＝2Lbsinα。
以下參照?qǐng)D6說(shuō)明薄半圓柱狀透鏡400覆蓋于光感應(yīng)層的光通量的變化。在本發(fā)明的敘述中，薄半圓柱狀凸透鏡表示該透鏡圓弧形成的圓心不落在該凸透鏡的底面上而落在底面下。在圖6中，該較薄的半圓柱狀透鏡的底面積的長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為2b。圓弧BB′構(gòu)成的圓周的圓心為O，半徑為r。線(xiàn)BB′的長(zhǎng)為2b且中心點(diǎn)為B″。θ角是線(xiàn)OB以及線(xiàn)OB″形成的夾角。因此，該較薄的半圓柱狀透鏡400的矩形底面積2bL即為光感應(yīng)層410的面積。d1以及d2為矩形截面430及矩形截面440的寬度。即，在該較薄的半圓柱狀透鏡400存在的情形下，平行光線(xiàn)的照射面為附圖所示的面積430(即d1L)，以及在該較薄的半圓柱狀透鏡400不存在的情形下，平行光線(xiàn)的照射面為附圖所示的面積440(d2L)。因此，光線(xiàn)射至光感應(yīng)層的光通量差異如以下式(3)所示 其中Ae1＝{r[1-cos(θ-α)]+2rsinθsinα}L，即表示加薄圓柱狀透鏡所投影出的面積；以及 Ae2＝L(2rsinθ)sinα，即未加薄圓柱所投影出的面積。
在半圓柱狀透鏡400存在的情形下，光感應(yīng)層接收的光通量?jī)?yōu)于無(wú)透鏡的的情況。在光線(xiàn)入射角小于180°的情形下，光感應(yīng)層的增進(jìn)效率如下表所示。
上表的數(shù)據(jù)顯示在薄圓柱狀凸透鏡具有不同的θ角時(shí)，覆蓋有透鏡層及未覆蓋透鏡層時(shí)，光感應(yīng)層的效率差異。在θ角為90°時(shí)表示該薄圓柱狀凸透鏡為一半圓形凸透鏡，故此時(shí)的增進(jìn)效率最佳。
依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例如圖7所示。圖7顯示各平行光A1、A2、A3以及A4通過(guò)單一凸透鏡304的截面圖。不同于圖3的是，該凸透鏡304表面涂覆有抗反射層，以及凸透鏡304與光感應(yīng)層302之間還包括一光通接口303。即各平行光A1、A2、A3以及A4經(jīng)過(guò)該凸透鏡304進(jìn)入光感應(yīng)層302之前，需通過(guò)該光通界面303。
該光通接口303可由至少一含空氣的空腔以及至少一層薄膜所堆棧而成，如空氣、氮化硅(Si3N4)、二氧化鈦(TiO2)或其組合。
圖8顯示不同薄膜組成的光通接口的反射光譜的比較。在圖8中，光通界面置于以多晶硅所組成的光感應(yīng)層上，且其上的凸透鏡的折射率n＝1.52，其中(a)表示該光通接口是由空氣以及氮化硅所構(gòu)成，(b)表示該光通界面依序由膠、氮化硅、二氧化鈦以及氮化硅所構(gòu)成，以及(c)表示該光通接口是由膠、氮化硅以及二氧化鈦所構(gòu)成。在以三層薄膜堆棧而成的光通接口中，若光感應(yīng)層302為多晶硅光伏特板時(shí)，該光通界面303與該多晶硅光伏特板相鄰的一層優(yōu)選為一氮化硅膜。該氮化硅膜有助于避免該多晶硅光伏特板中，硅氫鍵的懸鍵(dangling bond)的形成。因此該氮化硅膜可使得該多晶硅光伏特板的表面的氫鍵穩(wěn)定。在本實(shí)施例中，該氮化硅的厚度優(yōu)選為10nm。
入射光經(jīng)凸透鏡進(jìn)入光感應(yīng)層之前先經(jīng)過(guò)光通接口有助于光感應(yīng)層的能源轉(zhuǎn)換。在光感應(yīng)層為光伏特板且凸透鏡為成本低廉的塑料時(shí)，其能源轉(zhuǎn)換率可增加約33％。
圖9顯示本發(fā)明另一實(shí)施例的單一凸透鏡404的截面圖。相較于圖3，該凸透鏡404可由二種以上的材料所構(gòu)成。如(a)部分所示，層4041為玻璃時(shí)，層4042可為其它材料如玻璃、塑料、礦物油、凝膠、水、氣體及真空?；蛉?b)部分所示，層4042以及層4043彼此為相異的塑料、礦物油、凝膠、水、氣體或真空所組成。凸透鏡404可為半圓柱形透鏡或是半球形透鏡。在本實(shí)施例中，如光伏特板或光熱轉(zhuǎn)換裝置的光感應(yīng)層202置于該凸透鏡404的下方，該凸透鏡404可為矩陣排列于基板上。
圖10表示本發(fā)明另一凸透鏡的截面圖。在本實(shí)施例中，該凸透鏡可具有多個(gè)突起。如圖10所示，凸透鏡504的表面具有突起5041、5042以及5043。在本實(shí)施例中，突起5041、5042以及5043可分別視為一次球面透鏡。故對(duì)于突起5042而言，光入射角的有效范圍為光路徑A5及光路徑A8之間的角度范圍，對(duì)于突起5041而言，光入射角的有效范圍為光路徑A5及光路徑A6之間的角度范圍，以及對(duì)于突起5043而言，光入射角的有效范圍為光路徑A7及光路徑A8之間的角度范圍。該等突起可增加進(jìn)入凸透鏡504的光通量。
圖11顯示相鄰二凸透鏡的示意圖，說(shuō)明相鄰半圓柱狀凸透鏡204或半球形凸透鏡在基板上形成矩陣時(shí)，各凸透鏡間最小距離。在圖11中，凸透鏡截面形成的圓的直徑為2r，相鄰二凸透鏡204在基板上的距離為d。為使各透鏡的所獲得的光通量得以最大，故光路徑不應(yīng)被相鄰的凸透鏡所阻擋，即如圖11的光路徑A9所示。光路徑A9的照射角α＝tan-1(r/(r+d))。在此，相鄰的凸透鏡距離愈大(即d愈大)，光路徑愈不易被凸透鏡所阻擋，集能系統(tǒng)的總面積卻加大，故相鄰的凸透鏡距離須視需求而定。
借由以上所述，利用本發(fā)明的集能系統(tǒng)，可有效增加集能效率，故在同樣的電能或熱能輸出效果的要求的前提下，得以節(jié)省光感應(yīng)層的面積，特別是價(jià)格昂貴的多晶硅光伏特板。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發(fā)明的精神與范疇，而對(duì)其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包括于本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種集能系統(tǒng)，包括
一基板；
一光感應(yīng)層，選擇性地設(shè)置在該基板上；以及
至少一凸透鏡，置于該光感應(yīng)層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡為半球形、薄球形、半圓柱狀或薄半圓柱狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集能系統(tǒng)，其中該光感應(yīng)層為一多晶硅光伏特板、一光熱轉(zhuǎn)換器或其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡呈矩陣排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡與該光感應(yīng)層之間還包括一光通接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集能系統(tǒng)，其中該光通接口為單一材料且具有漸進(jìn)變化的折射指數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集能系統(tǒng)，其中該光通接口是由至少一薄膜層所組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集能系統(tǒng)，其中該薄膜是由空氣、膠、氮化硅、二氧化鈦或其組合所構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集能系統(tǒng)，其中該薄膜為一介電材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的集能系統(tǒng)，其中該介電材料為折射指數(shù)大于2.1的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集能系統(tǒng)，其中該介電材料為T(mén)iO2、Nb2O3或ZrO2。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集能系統(tǒng)，其中與該凸透鏡相鄰的該薄膜的介電材料，其折射指數(shù)介于該凸透鏡與其它該薄膜的折射指數(shù)之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集能系統(tǒng)，其中該光通接口以及該光感應(yīng)層之間還包括一氮化硅膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的集能系統(tǒng)，其中該氮化硅膜的厚度為10nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡涂覆有一抗反射層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡的表面還包括至少一突起。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的集能系統(tǒng)，其中該突起為一次球面透鏡。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡為單層且由玻璃或塑料所構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡是以多層相同或相異的材料所構(gòu)成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的集能系統(tǒng)，其中該凸透鏡的多層是由以下任選的材料所構(gòu)成玻璃、塑料、礦物油、凝膠、水、氣體及真空。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種集能系統(tǒng)，該集能系統(tǒng)包括一基板；一光感應(yīng)層，該光感應(yīng)層選擇性地設(shè)置在該基板上；以及多個(gè)凸透鏡，設(shè)置在該光感應(yīng)層上。該凸透鏡為半球形、薄球形、半圓柱狀或薄半圓柱狀。該凸透鏡在基板上呈矩陣排列并涂覆有抗反射層。
文檔編號(hào)H01L31/052GK101150149SQ20061015921
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者賀方涓, 林昆閱, 陳央嶙 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司