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TW201803145A - 用於寬受光角之整合多介電層之堆疊混合拋物線集中器 - Google Patents

用於寬受光角之整合多介電層之堆疊混合拋物線集中器

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TW201803145A
TW201803145A TW106106007A TW106106007A TW201803145A TW 201803145 A TW201803145 A TW 201803145A TW 106106007 A TW106106007 A TW 106106007A TW 106106007 A TW106106007 A TW 106106007A TW 201803145 A TW201803145 A TW 201803145A
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TW
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concentrator
substrate
array
parabolic
photovoltaic
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TW106106007A
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TWI746521B (zh
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史堤芬 Ｒ 佛瑞特
李圭相
李秉俊
Original Assignee
美國密西根州立大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 美國密西根州立大學 filed Critical 美國密西根州立大學
Publication of TW201803145A publication Critical patent/TW201803145A/zh
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Abstract

本發明係關於混合抛物線集中器。在一個實施方案中，混合抛物線集中器可包括具有基底、側壁及用於接收光之孔口之抛物線陣列及具有折射率之介電層。在另一實施方案中，堆疊混合抛物線集中器可包括具有基底、側壁及用於接收光之孔口之抛物線陣列及該陣列內之多介電層。每一介電層可具有折射率，且該折射率可隨每一介電層自該抛物線陣列之該基底移動至該光接收孔口而降低。

Description

用於寬受光角之整合多介電層之堆疊混合拋物線集中器
本發明概言之係關於太陽能集中器。更具體而言，且不進行限制，本發明係關於混合抛物線集中器及其製造方法。
許多市售太陽能電池模組包括太陽能集中器，該集中器可降低模組之總體成本且增強其性能。集中器藉由將入射光集中至較小區域來增加性能，從而增加強度，乃因強度與面積成反比。此外，藉由降低模組之面積，集中器降低所需太陽能電池材料之量，藉此降低成本。 然而，太陽能集中器通常具有窄的受光角。舉例而言，許多市售太陽能集中器具有小於3°之受光角，且許多混合抛物線集中器具有在0.1°與0.5°之間之受光角，乃因集中因數與受光角之正弦之平方成反比。除該等窄的受光角以外，太陽能集中器遭受差的集中效率。 一個解法係調節集中器之位置以便最大化光在受光角內進入集中器之時間。然而，該等調節無論係在一天之中(追隨日光沿日光路徑之縱向移動)抑或在一年之中(追隨日光沿日光路徑之橫向移動)抑或在其組合下實施，均可能需要昂貴的電腦系統。 因此，業內需要具有寬受光角以便降低及/或消除對由日光路徑引起之調節之需要之太陽能集中器。
本發明之CPC解決了此需要。有利地，此可組合適用於CPC之集中因數(例如，通常介於4與10之間)與增加之受光角。該等CPC具有許多用途，包括用於(例如)無需位置調節之低成本平板光伏打中；用於低輪廓大面積太陽能電池模組；等等。 在一些實施例中，所揭示之CPC可包括單一介電層。有利地，在一態樣中，如本文所揭示之CPC在距光軸最近及最遠之角度下可展現改良之集中因數。 在其他實施例中，所揭示之CPC可包括堆疊之介電層。有利地，在一態樣中，如本文所揭示之堆疊CPC在距光軸介於(例如) 20°與70°之間之角度下可展現改良之集中因數。 根據本發明之一個實施例，混合抛物線集中器(CPC)包含具有基底、側壁及用於接收光之孔口之抛物線陣列；及具有折射率之介電層。 介電材料為業內已知且熟習此項技術者將能基於本發明選擇適宜材料。在一些實施例中，介電層可包含PMMA或二氧化鈦中之至少一者。在一些實施例中，抛物線陣列可包含至少一種塑膠。舉例而言，抛物線陣列可包含二醇改質之聚對苯二甲酸乙二酯(PETG)。在某些態樣中，抛物線陣列可具有介於0.5 mm與0.75 mm之間之厚度。 在一些實施例中，抛物線陣列可包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。在一些實施例中，抛物線陣列可進一步包含兩個抛物線沿水平軸之疊加。 在一些實施例中，抛物線陣列之基底可具有例如大於光伏打或光伏打之陣列之面積之大面積。在某些實施例中，基底可具有10,000 mm2 或更大之面積。陣列之基底可具有期望形狀，例如矩形形狀或正方形形狀。CPC可具有低輪廓(例如，側壁可具有不大於基底長度之一半之高度)。CPC亦可在基底及/或側壁上包括反射膜。在一些實施例中，反射膜包含銀及鋁中之至少一者。在某些態樣中，反射膜可具有至少500 nm之厚度。 CPC可進一步包括光伏打。在一些實施例中，光伏打可具有大的面積，例如，小的屋頂之大小，或約275 m2 。在其他實施例中，光伏打可具有(例如)介於1與5 mm2 之間之小面積。在其他實施例中，光伏打可具有(例如)約3600 mm2 之面積。光伏打可形成為正方形、矩形或任何其他適於整合或附接至抛物線基底之形狀。在一些實施例中，光伏打可具有小於陣列基底之面積之面積。舉例而言，光伏打可具有不大於基底面積之三分之二之面積。在某些態樣中，光伏打可使用一或多種黏著劑附接至基底。在某些態樣中，光伏打可至少部分整合於基底上。舉例而言，光伏打可轉印至陣列之基底上。 CPC可進一步包括擴散器。在某些態樣中，擴散器可安置於抛物線陣列之基底中不包括光伏打之部分上。在某些態樣中，擴散器可展現朗伯反射(Lambertian reflectance)。在其他態樣中，擴散器可展現近似朗伯反射。在一些實施例中，CPC之擴散器可包含磨砂玻璃、奈米粒子陣列、微透鏡陣列或諸如此類。 根據本發明之另一實施例，堆疊混合抛物線集中器(CPC)包含具有基底、側壁及用於接收光之孔口之抛物線陣列；及在陣列內之多介電層，每一介電層均具有折射率，其中折射率隨每一介電層自抛物線陣列之基底移動至光接收孔口而降低。舉例而言，在一些實施例中，堆疊之CPC可包括第一介電層及在該第一介電層上方之第二介電層，且該第一介電層之折射率可大於該第二介電層之折射率。在其他實施例中，堆疊之CPC在抛物線陣列內可包括至少三個、四個、五個、六個、七個或八個介電層，且折射率可隨每一介電層自抛物線陣列之基底移動至光接收孔口而降低。 介電材料為業內已知且熟習此項技術者將能基於本發明來選擇適宜材料。在一些實施例中，至少一個介電層可包含PMMA。在一些實施例中，至少一個介電層可包含二氧化鈦。 在一些實施例中，抛物線陣列可包含至少一種塑膠。舉例而言，抛物線陣列可包含二醇改質之聚對苯二甲酸乙二酯(PETG)。在某些態樣中，抛物線陣列可具有介於0.5 mm與0.75 mm之間之厚度。 在一些實施例中，抛物線陣列可包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。在一些實施例中，抛物線陣列可進一步包含兩個抛物線沿水平軸之疊加。在某些態樣中，水平軸可位於介電層之間。在其他態樣中，水平軸可以其他方式定位。 在一些實施例中，抛物線陣列之基底可具有例如大於光伏打或光伏打之陣列之面積之大面積。在某些實施例中，基底可具有10,000 mm2 或更大之面積。陣列之基底可具有期望形狀，例如矩形形狀或正方形形狀。CPC可具有低輪廓(例如，側壁可具有不大於基底長度之一半之高度)。CPC亦可在基底及/或側壁上包括反射膜。在一些實施例中，反射膜包含銀及鋁中之至少一者。在某些態樣中，反射膜可具有至少500 nm之厚度。 堆疊CPC可進一步包括光伏打。在一些實施例中，光伏打可具有大面積，例如，小的屋頂之大小，或約275 m2 。在其他實施例中，光伏打可具有小面積，例如，介於1mm2 與5 mm2 之間。在其他實施例中，光伏打可具有例如約3600 mm2 之面積。光伏打可形成為正方形、矩形或任何其他適於整合或附接至抛物線基底之形狀。在一些實施例中，光伏打可具有小於陣列基底之面積之面積。舉例而言，光伏打可具有不大於基底面積之三分之二之面積。在某些態樣中，光伏打可使用一或多種黏著劑附接至基底。在某些態樣中，光伏打可至少部分地整合於基底上。舉例而言，光伏打可轉印至陣列之基底上。 堆疊之CPC可進一步包括擴散器。在某些態樣中，擴散器可安置於抛物線陣列之基底中不包括光伏打之部分上。在某些態樣中，擴散器可展現朗伯反射。在其他態樣中，擴散器可展現近似的朗伯反射。在一些實施例中，堆疊之CPC之擴散器可包含磨砂玻璃、奈米粒子陣列、微透鏡陣列或諸如此類。 在另一態樣中，製造具有期望形狀之混合抛物線集中器之方法包含將熱及真空施加至熱塑性塑膠及具有期望形狀之金屬真空模具；使熱塑性塑膠冷卻至(例如)室溫，以形成具有基底及側壁及期望形狀之抛物線陣列；將反射膜沈積於熱塑性塑膠表面上；及將抛物線陣列內之多介電層沈積於反射膜上方。 在一些實施例中，施加熱及真空可包括將熱塑性塑膠及金屬模具施加至具有第一溫度之加熱裝置中；藉助金屬模具之基底上包括之孔施加真空；及使加熱裝置之溫度升高至第二溫度。在某些態樣中，第二溫度可高於該第一溫度。 在一些實施例中，該方法可進一步包括在施加熱及真空之前將熱塑性塑膠固定至金屬模具。在另一實施例中，該方法可包括在例如冷卻至室溫之後使熱塑性塑膠自金屬模具脫離。在另一實施例中，該方法可包括在例如冷卻至室溫之後將光伏打轉移至熱塑性塑膠之基底上。 在一些實施例中，該方法可進一步包括使用真空熱沈積、電子束沈積或濺鍍中之至少一者沈積反射膜。在某些態樣中，反射膜可包括鋁或銀中之至少一者。在某些態樣中，反射膜可具有至少500 nm之厚度。 在一些實施例中，方法可進一步包括使用溶膠-凝膠製程填充介電層。
相關申請案之交叉參考 本申請案主張對2016年2月22日提出申請之美國臨時專利申請案第62/298,162號之優先權，該案係全文以引用方式併入本文中。聯合研究協議 本申請案之標的物係由、代表及/或結合聯合大學協作研究協定(joint university-corporation research agreement)的以下各方中之一方或多方作出：密歇根大學(University of Michigan)之董事及NanoFlex電力公司(NanoFlex Power Corporation)。該協定在製備本申請案之標的物之日期時及其之前有效，且係作為在該協定之範圍內所採取之活動的結果而作出。 除非上下文另外明確指出，否則本文所用單數形式「一(a、an)」及「該」包括複數個指示物。 本文所用術語「層」係指光敏器件中主要尺寸係X-Y(亦即沿其長度及寬度)之部件或組件，且通常正交於照射之入射平面。應瞭解，術語「層」無需限於材料之單一層或薄片。層可包含數個材料薄片之積層或組合。另外，應理解，某些層之表面(包含此等層與其他材料或層之界面)可能不完整，其中該等表面表示與其他材料或層之互穿、纏結或回旋網路。同樣，亦應瞭解，層可為不連續的，使得該層沿X-Y尺寸之連續性可被其他層及/或材料破壞或以其他方式打斷。 如本文所用表述「安置於……上」、「位於……上方」、「沈積於……上方」及諸如此類允許其他材料或層存在於所安置材料與其上或上方安置該材料之材料之間。同樣，表述「接合至」允許在所接合材料與其所接合之材料之間存在其他材料或層。 在本發明之一個態樣中，揭示混合抛物線集中器(CPC)(圖1)。混合抛物線集中器用於收集及集中光，例如用於太陽能發電。 如圖1中所繪示，CPC 100可包括具有基底103、側壁101及用於接收光之孔口之抛物線陣列。在一些實施例中，抛物線陣列可包含至少一種塑膠。舉例而言，抛物線陣列可包含二醇改質之聚對苯二甲酸乙二酯(PETG)。在某些態樣中，抛物線陣列可具有介於0.5 mm與0.75 mm之間之厚度。 在一些實施例中，抛物線陣列可包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。在一些實施例中，抛物線陣列可進一步包含兩個抛物線沿水平軸之疊加。 CPC 100可進一步包括光伏打105。光伏打105不限於光伏打之任一具體類型。舉例而言，光伏打105可包括一或多個傳統晶態矽(c-Si)太陽能電池。傳統c-Si太陽能電池通常由多晶及單晶矽製得。在其他態樣中，光伏打105可包括一或多個薄膜太陽能電池。舉例而言，薄膜太陽能電池可包括砷化鎵(GaAs)太陽能電池、碲化鎘(CdTe)太陽能電池、銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池、非晶形薄膜矽(a-Si, TF-Si)太陽能電池等。藉助其他實例，薄膜太陽能電池可包括第三代技術，如有機太陽能電池、染料敏化之太陽能電池、聚合物太陽能電池、量子點太陽能電池、銅鋅錫硫太陽能電池、奈米晶體太陽能電池、微晶太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池等。在其他態樣中，光伏打105可包括一或多個多接面太陽能電池。多接面太陽能電池通常包括砷化鎵(GaAs)及/或其他半導體材料。光伏打105亦可包括傳統晶態矽太陽能電池、薄膜太陽能電池及/或多接面太陽能電池之任一組合。 在某些態樣中，光伏打105可具有大面積，例如，小的屋頂之大小，或約275 m2 。在其他態樣中，光伏打105可具有例如介於1mm2 及5 mm2 之間之小面積。在其他態樣中，光伏打可具有例如約3600 mm2 之面積。當然，具有不同面積之光伏打之其他態樣係可能的。在某些態樣中，光伏打105可包含對稱形狀，但包括不規則形狀之其他實施例係可能的。在某些態樣中，光伏打105可包含平行四邊形、菱形、矩形、正方形或諸如此類。 基底103可具有例如大於光伏打或光伏打之陣列之大面積。在某些實施例中，基底具有例如約10,000 mm2 之面積。在一些實施例中，基底103具有大於光伏打105之面積(例如，約1.5倍大)之面積。當然，具有不同面積之基底之其他實施例係可能的。類似地，基底103對光伏打105之面積之比率亦可顯著變化。 在某些態樣中，側壁101可具有例如具有小於2:1之縱橫比之低輪廓。舉例而言，若基底103具有至少一個100 mm之長度，則側壁101可具有小於50 mm(例如，30 mm)之高度。當然，CPC 100之側壁101之高度可顯著變化。 在一些實施例中，CPC 100可經佈置使得光伏打105完全置於基底103上。在某些態樣中，光伏打105可位於基底103之中心上，或若基底103包含不規則形狀，則該光伏打可大致位於基底103之中心上。 混合抛物線集中器(CPC) 100可進一步包括安置於基底103上之擴散器107。如圖1中所繪示，擴散器107可安置於基底103中不包括光伏打105之部分上。在某些態樣中，擴散器107可展現朗伯反射。在其他態樣中，擴散器107可展現近似的朗伯反射。舉例而言，擴散器107可包含磨砂玻璃、奈米粒子陣列、微透鏡陣列或諸如此類。 CPC 100之幾何結構可適於最大化集中器內之內部總反射。舉例而言，CPC 100之基底103及側壁101可經調節以隨機化來自擴散器107之反射。有利地，此可降低擴散器107直接反射回至空氣中之光之量。 混合抛物線集中器(CPC) 100可進一步包括沈積於基底103或側壁101中之至少一者上之反射膜(未顯示)。在一些實施例中，反射膜可包含鋁或銀中之至少一者。在某些態樣中，反射膜可具有至少500 nm之厚度。在一些實施例中，反射膜可整合基底103或側壁101中之至少一者。 混合抛物線集中器(CPC) 100可進一步包括介電層109。在一些實施例中，介電層109可具有介於1.3與1.5之間之折射率。舉例而言，介電層109可包含聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)。在其他實施例中，介電層109可具有介於2.3與2.5之間之折射率。舉例而言，介電層109可包含二氧化鈦。 本發明之另一態樣係關於堆疊混合抛物線集中器(CPC) (圖2、圖3及圖4)。即便圖2、圖3及圖4繪示分別具有兩個、三個及四個介電層之堆疊CPC，但包括五個、六個、七個或八個層之其他實施例亦係可能的。儘管混合抛物線集中器通常用於太陽能發電中，但所揭示實施例之其他用途係可能的。 如圖2中所繪示，堆疊之CPC 200可包括具有基底103及側壁101之抛物線陣列。與CPC 100類似，堆疊之CPC 200可包括基底203、側壁201、用於接收光之孔口、光伏打205及擴散器207。 堆疊之混合抛物線集中器(CPC) 200可進一步包括第一介電層209及第二介電層211。在一些實施例中，第一介電層209可具有介於2.3與2.5之間之折射率。舉例而言，第一介電層209可包含二氧化鈦。在一些實施例中，第二介電層211可具有介於1.3與1.5之間之折射率。舉例而言，第二介電層211可包含聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)。 在一些實施例中，抛物線陣列可包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。此外，如圖2中所繪示，抛物線陣列可進一步包含兩個抛物線沿水平軸之疊加。舉例而言，側壁201包括包含第一抛物線之旋轉體積之部分201a及包含第二抛物線之旋轉體積之部分201b。如圖2中進一步繪示，水平軸可位於陣列內之第一介電層209與第二介電層211之間。在其他實施例中，水平軸可以其他方式定位。 如圖3中所繪示，堆疊之CPC 300可包括具有基底303及側壁301之抛物線陣列。與CPC 100類似，堆疊之CPC 300可包括基底303、側壁301、用於接收光之孔口、光伏打305及擴散器307。 堆疊之混合抛物線集中器(CPC) 300可進一步包括第一介電層309、第二介電層311及第三介電層313。在一些實施例中，第一介電層309可具有大於第二介電層311之折射率之折射率，且第二介電層311可具有大於第三介電層313之折射率之折射率。 在一些實施例中，抛物線陣列可包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。在一些實施例中，抛物線陣列可進一步包含兩個抛物線沿水平軸之疊加，正如圖2中所繪示。在某些態樣中，水平軸可位於介電層之間，例如，在第一介電層309與第二介電層311之間或在第二介電層311與第三介電層313之間。在其他實施例中，水平軸可以其他方式定位。 如圖4中所繪示，堆疊之CPC 400可包括具有基底403及側壁401之抛物線陣列。與CPC 100類似，堆疊之CPC 400可包括基底403、側壁401、用於接收光之孔口、光伏打405及擴散器407。 堆疊之混合抛物線集中器(CPC) 400可進一步包括第一介電層409、第二介電層411、第三介電層413及第四介電層415。在一些實施例中，第一介電層409可具有大於第二介電層411之折射率之折射率，第二介電層411可具有大於第三介電層413之折射率之折射率，且第三介電層413可具有大於第四介電層415之折射率之折射率。 在一些實施例中，抛物線陣列可包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。在一些實施例中，抛物線陣列可進一步包含兩個抛物線沿水平軸之疊加，正如圖2中所繪示。在某些態樣中，水平軸可位於介電層之間，例如，在第一介電層409與第二介電層411之間，在第二介電層411與第三介電層413之間，或在第三介電層413與第四介電層415之間。在其他實施例中，水平軸可以其他方式定位。 本發明之另一態樣係關於製造具有期望形狀之混合抛物線集中器(CPC)之方法(圖5)。方法500可包括步驟510，將熱及真空施加至熱塑性塑膠及具有期望形狀之模具。在某些態樣中，模具可包括一或多種金屬。 在某些態樣中，熱塑性塑膠可具有例如介於80℃與100℃之間之低玻璃轉換溫度。舉例而言，熱塑性可包括二醇改質之聚對苯二甲酸乙二酯(PETG)。在某些態樣中，熱塑性可包含薄的薄片，例如，具有介於0.5 mm與0.75 mm之間之厚度之薄片。 在某些態樣中，模具在且基底處可包括孔以允許施加真空。另外，在一些實施例中，可使用聚(4,4'-氧基二伸苯基-均苯四甲醯亞胺)將熱塑性塑膠固定至模具。舉例而言，Kapton膠帶係包括聚(4,4'-氧基二伸苯基-均苯四甲醯亞胺)之市售膠帶。 在某些態樣中，可在施加熱及真空之前(例如)使用如上文所闡述之Kapton膠帶將熱塑性塑膠固定至模具。此外，如圖6中所繪示，加熱及真空可包含方法600。方法600可包括(例如)步驟610，將熱塑性塑膠及金屬模具置於烘箱(或其他適當加熱裝置)中。 在某些態樣中，方法600可包括步驟620，將真空施加至於烘箱中之熱塑性塑膠及模具中。方法600可進一步包括步驟630，使烘箱(或其他適當加熱裝置)之溫度升高至介於95℃與98℃之間並保持約15分鐘至20分鐘。 返回至圖5，方法500可進一步包括步驟520，冷卻熱塑性塑膠，例如冷卻至室溫，以形成具有基底及側壁及期望形狀之抛物線陣列。在某些態樣中，在冷卻後熱塑性塑膠可自模具脫離。 在某些態樣中，可在例如冷卻至室溫之後將光伏打轉移至熱形成之CPC之基底上。在某些態樣中，光伏打可包含一或多個太陽能電池條。 舉例而言，如圖7中所繪示，轉移光伏打可包含方法700。方法700可包括(例如)步驟710，製備彈性PDMS印模。在某些態樣中，PDMS印模可使用丙烯腈丁二烯苯乙烯塑膠模具來製備。舉例而言，塑膠模具可使用3D打印機來成型。 方法700可進一步包括步驟720，用Pd/Au塗覆CPC之基底及光伏打之底面。舉例而言，塗覆可包含使用電子蒸發藉助陰影遮罩來沈積Pd/Au (例如，以5nm/100nm)。在一些實施例中，方法700可進一步包括步驟730，使用PDMS印模將光伏打轉印至CPC之基底上。舉例而言，轉印可包含無黏著劑之低壓冷焊接合。 在一些實施例中，方法700可進一步包括使光伏打與CPC對準。舉例而言，光伏打可使用錐形夾具來對準。在某些態樣中，在對準期間不與CPC之側壁接觸。 藉助其他實例，光伏打可使用快速非破壞性磊晶剝離(ND-ELO)及冷焊接合之組合來形成，如圖8之方法800中所繪示。有利地，使用ND-ELO允許選擇性去除傳統磊晶剝離中所使用之保護層，藉此允許磊晶剝離中所使用之基板(例如，GaAs基板)幾乎無限期的再利用。此可藉由將基板之成本自材料費用轉化為資本投資來降低光伏打製造之總體成本。 方法800可包括步驟810，在磊晶層表面上沈積Au層。在某些態樣中，Au層可具有至少350 nm之厚度。方法800可進一步包括步驟820，圖案化Au層以形成遮罩。舉例而言，圖案化可包括使用光微影。 在某些態樣中，方法800可進一步包括步驟830，使用濕法化學蝕刻形成由溝槽隔開之檯面之陣列。舉例而言，溝槽可各自具有至少500 mm之寬度。有利地，蝕刻可在活性磊晶層與犧牲層之間之界面處停止。 如圖8中所繪示，方法800可進一步包括步驟840，使試樣接合至Kapton薄片。舉例而言，接合可包括冷焊接合。在某些態樣中，Kapton薄片可為厚的(例如，至少25 mm厚) E型Kapton薄片。在某些態樣中，Kapton薄片可用Cr/Au塗層來塗覆。舉例而言，Cr/Au塗層可包含4nm/350nm之塗層混合物。在某些態樣中，使用晶圓上之圖案化Au來接合界面。 方法800可進一步包括步驟850，將試樣浸沒於稀釋的熱HF中。在某些態樣中，稀釋持續約30分鐘。在某些態樣中，方法800可進一步包括步驟860，沿溝槽分離剝離組件。舉例而言，分離組件可包括使用CO2 雷射劃線器。在某些態樣中，雷射劃線器可具有至少300 mm之鋸口。 返回至圖5，方法500可進一步包括步驟530，在基底及/或側壁上沈積反射膜。舉例而言，反射膜可包含銀或鋁中之至少一者。在某些態樣中，反射膜可具有500 nm或更大之厚度。在某些態樣中，沈積反射膜可包含真空熱沈積反射膜、電子束沈積反射膜或濺鍍反射膜中之至少一者。在某些態樣中，步驟530可進一步包括使用陰影遮罩掩蔽光伏打同時沈積反射膜。 然而，在一些實施例中，反射膜可整合抛物線陣列且因此步驟530可自方法500省略。在該等實施例中，在施加熱及真空時，反射膜隨熱塑性塑膠變形。 方法500可進一步包括步驟540，填充陣列內之介電層。在某些態樣中，填充介電層可包含使用溶膠-凝膠製程。 實例性技術揭示於K. Lee、J. Lee、B. A. Mazor及S. R. Forrest之「Transforming the cost of solar-to-electrical energy conversion: Integrating thin-film GaAs solar cells with non-tracking mini-concentrators,」Light Sci. Appl. , 第4卷, 第5期, 第e288頁, 2015年5月中，其係以引用方式併入本文中。溶膠-凝膠製程之實例係自A. E. Comyns,Sol-gel Technology for Thin Films, Fibers, Preforms, Electronics, and Specialty Shapes , ISBN 0-8155-1154-X以引用方式併入。 上文所揭示實施例中之任何材料及層均可根據業內已知之任何技術來沈積。實例 現將藉由以下非限制性實例來更詳細地闡述本發明。應瞭解，熟悉此項技術者可設想與本文所提供之本發明一致之其他實施例。 為證實混合抛物線集中器之有效性，使用電腦模擬實施以下實例性實驗。作為該等集中器之有效性之證實，使用TracePro射線追蹤工具追蹤入射射線且計算集中因數。 如下設置模擬。將光伏打設計為具有長度62.5 mm之邊(且因此具有3906.25 mm2 之面積)之正方形，且集中器經設計使得其基底長度為100 mm且其高度為30 mm。光伏打包含砷化鎵(GaAs)太陽能電池之陣列。集中器之基底經設計使得擴散器安置於基底中不包括光伏打之區域上。假定擴散器為朗伯反射器。 下部介電層包含二氧化鈦(因此具有2.38之折射率)且具有15 mm之高度。上部介電層包含聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA) (因此具有1.49之折射率)且具有15 mm之高度。假定集中器之側壁為完美反射器。假定正方形集中器具有約90%之光學效率。在集中器具有不同形狀之其他實施例中，效率可能更高或更低。 模擬假定集中器係藉由經太陽之溫度照射之準直黑體輻射源照射。假定光伏打電池為完美吸收器。 圖9顯示基於模擬之CPC及堆疊CPC之集中因數。如可看出，集中器在超過約160°時可展現至少1sun之集中。該集中可顯著高於大多數先前研發之集中器。此外，由於CPC之低輪廓(亦即與100 mm之寬度相比，30 mm之高度)，兩種集中器在正常入射下均可展現約2.5 sun之集中。 圖10A顯示沿光軸進入堆疊CPC之射線之一個模擬。如可看出，由於由折射率之失配造成之總內部反射，光可陷獲於每一介電層中。圖10B顯示以角度進入堆疊CPC之射線之另一模擬。 圖11A顯示沿具有包含兩個抛物線沿水平軸之疊加之側壁之堆疊CPC之光軸進入之射線之一個模擬。圖11B顯示以角度進入具有包含兩個抛物線沿水平軸之疊加之側壁之堆疊CPC之射線之另一模擬。如可看出，在堆疊CPC具有包含兩個抛物線沿水平軸之疊加之側壁時該堆疊CPC之效率可增加。 出於闡釋之目的，已呈現上述說明。其並非詳盡無遺且不限於所揭示之精確形式或實施例。自對說明書之考量及對所揭示實施例之實踐將明瞭實施例之修改及改動。 此外，儘管本文已闡述闡釋性實施例，但範圍包括具有等效要素、修改、省略、組合(例如，遍及各實施例之態樣)、基於本發明之改動及/或變更之任何及所有實施例。申請專利範圍中之要素應基於申請專利範圍中所採用之語言廣泛地解釋且其並不限於本說明書中或在本申請案之執行期間所闡述之實例，該等實例應視為非排他性的。此外，所揭示方法之步驟可以任一方式修改，包括對步驟重排序及/或插入或刪除步驟。 自詳細說明書可明瞭本發明之特徵及優點，且因此隨附申請專利範圍意欲涵蓋在本發明之真實精神及範圍內之所有系統及方法。如本文所用冠詞「一(a及an)」意指「一或多個」。類似地，除非在給定語境中明確，否則複數詞之使用並不一定表示複數個。除非另有明確指示，否則諸如「及」或「或」等詞語意指「及/或」。此外，由於熟習此項技術者將構想出許多修改及變化，故不期望將本發明限於所闡釋及闡述之確切構築及操作，且因此，屬本發明之範圍內之所有適宜修改及等效物皆可被採取。 自對本說明書之考量及對本文所揭示實施例之實踐，熟習此項技術者將明瞭其他實施例。說明書及實例意欲僅視為例示性，且所揭示實施例之真實範圍及精神係由以下申請專利範圍來指示。
100‧‧‧混合抛物線集中器
101‧‧‧側壁
103‧‧‧基底
105‧‧‧光伏打
107‧‧‧擴散器
109‧‧‧介電層
200‧‧‧堆疊之混合抛物線集中器
203‧‧‧基底
205‧‧‧光伏打
207‧‧‧擴散器
209‧‧‧第一介電層
211‧‧‧第二介電層
201a‧‧‧包含第一抛物線之旋轉體積之部分
201b‧‧‧包含第二抛物線之旋轉體積之部分
300‧‧‧堆疊之混合抛物線集中器
301‧‧‧側壁
303‧‧‧基底
305‧‧‧光伏打
307‧‧‧擴散器
309‧‧‧第一介電層
311‧‧‧第二介電層
313‧‧‧第三介電層
400‧‧‧堆疊之混合抛物線集中器
401‧‧‧側壁
403‧‧‧基底
405‧‧‧光伏打
407‧‧‧擴散器
409‧‧‧第一介電層
411‧‧‧第二介電層
413‧‧‧第三介電層
415‧‧‧第四介電層
圖1. 顯示根據本發明實施例之實例性混合抛物線集中器(CPC)。 圖2. 顯示根據本發明之實施例具有兩個介電層之實例性堆疊混合抛物線集中器(CPC)。 圖3. 顯示根據本發明之實施例具有三個介電層之實例性堆疊混合抛物線集中器(CPC)。 圖4. 顯示根據本發明之實施例具有四個介電層之實例性堆疊混合抛物線集中器(CPC)。 圖5. 顯示根據本發明之實施例繪示製造CPC之實例性方法之流程圖。 圖6. 顯示根據本發明之實施例繪示施加熱及真空至熱塑性塑膠之實例性方法之流程圖。 圖7. 顯示根據本發明之實施例繪示將光伏打轉移至CPC之抛物線陣列之實例性方法之流程圖。 圖8. 顯示根據本發明之實施例繪示製造用於CPC之光伏打之實例性方法之流程圖。 圖9. 顯示圖1及圖2之實例性CPC及堆疊CPC之集中因數之實例。該等實例源於電腦模擬。 圖10A及圖10B. 圖10A顯示實例性堆疊CPC之射線跡線之實例。圖10B顯示圖10A之實例性堆疊CPC之射線跡線之另一實例。該等實例源於使用TracePro射線追蹤工具之電腦模擬。 圖11A及圖11B. 圖11A顯示具有包含兩個抛物線沿水平軸之疊加之側壁之實例性堆疊CPC之射線跡線之實例。圖11B顯示圖11A之實例性堆疊CPC之射線跡線之實例。該等實例源於使用TracePro射線追蹤工具之電腦模擬。
100‧‧‧混合抛物線集中器
101‧‧‧側壁
103‧‧‧基底
105‧‧‧光伏打
107‧‧‧擴散器
109‧‧‧介電層

Claims (63)

  1. 一種混合抛物線集中器，其包含： 具有基底、側壁及用於接收光之孔口之抛物線陣列；及 具有折射率之介電層。
  2. 如請求項1之集中器，其中該抛物線陣列包含至少一種塑膠。
  3. 如請求項2之集中器，其中該至少一種塑膠包含PETG。
  4. 如請求項1之集中器，其中該抛物線陣列具有介於0.5 mm與0.75 mm之間之厚度。
  5. 如請求項1之集中器，其中該抛物線陣列包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。
  6. 如請求項1之集中器，其中該抛物線陣列包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加與兩個抛物線沿水平軸之疊加之組合。
  7. 如請求項1之集中器，其中該基底具有矩形形狀。
  8. 如請求項7之集中器，其中該基底具有正方形形狀。
  9. 如請求項1之集中器，其中該基底具有至少10,000 mm2 之面積。
  10. 如請求項1之集中器，其中該側壁具有不大於該基底之至少一個長度之一半之高度。
  11. 如請求項1之集中器，其中該介電層包含PMMA及二氧化鈦中之至少一者。
  12. 如請求項1之集中器，其進一步包含： 光伏打， 其中該光伏打位於該抛物線陣列之該基底上，且 該光伏打具有小於該基底之面積之面積。
  13. 如請求項12之集中器，其中該光伏打包含GaAs太陽能電池之陣列。
  14. 如請求項12之集中器，其中該光伏打係使用一或多種黏著劑附接至該基底。
  15. 如請求項12之集中器，其中該光伏打至少部分地整合於該基底上。
  16. 如請求項15之集中器，其中該光伏打係轉印至該陣列之該基底上。
  17. 如請求項12之集中器，其中該光伏打具有不超過該基底面積之三分之二之面積。
  18. 如請求項12之集中器，其進一步包含： 擴散器， 其中該擴散器係安置於該抛物線陣列之該基底中不包括該光伏打之部分上。
  19. 如請求項18之集中器，其中該擴散器包含磨砂玻璃、奈米粒子陣列或微透鏡陣列中之至少一者。
  20. 如請求項1之集中器，其進一步包含： 反射膜， 其中該反射膜係安置於該側壁及該基底中之至少一者上。
  21. 如請求項20之集中器，其中該反射膜包含銀或鋁中之至少一者。
  22. 如請求項20之集中器，其中該反射膜整合該側壁或該基底中之至少一者。
  23. 一種堆疊混合抛物線集中器，其包含： 具有基底、側壁及用於接收光之孔口之抛物線陣列；及 該陣列內之多介電層，每一介電層具有折射率，其中該折射率隨每一介電層自該抛物線陣列之該基底移動至該光接收孔口而降低。
  24. 如請求項23之集中器，其中該抛物線陣列包含至少一種塑膠。
  25. 如請求項24之集中器，其中該至少一種塑膠包含PETG。
  26. 如請求項23之集中器，其中該抛物線陣列具有介於0.5 mm與0.75 mm之間之厚度。
  27. 如請求項23之集中器，其中該抛物線陣列包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加。
  28. 如請求項23之集中器，其中該抛物線陣列包含兩個抛物線沿垂直軸之疊加與兩個抛物線沿水平軸之疊加之組合。
  29. 如請求項28之集中器，其中該水平軸係位於該陣列內該等介電層中之兩者之間。
  30. 如請求項23之集中器，其中該基底具有矩形形狀。
  31. 如請求項30之集中器，其中該基底具有正方形形狀。
  32. 如請求項23之集中器，其中該基底具有至少10,000 mm2 之面積。
  33. 如請求項23之集中器，其中該側壁具有不大於該基底之至少一個長度之一半之高度。
  34. 如請求項23之集中器，其中該多介電層包含至少兩個介電層。
  35. 如請求項34之集中器，其中該等多介電層包含至少三個介電層。
  36. 如請求項35之集中器，其中該等多介電層包含至少四個介電層。
  37. 如請求項23之集中器，其中至少一個介電層包含PMMA。
  38. 如請求項23之集中器，其中至少一個介電層包含氧化鈦。
  39. 如請求項23之集中器，其進一步包含： 光伏打， 其中該光伏打係位於該抛物線陣列之該基底上，且 該光伏打具有小於該基底之面積之面積。
  40. 如請求項39之集中器，其中該光伏打包含GaAs太陽能電池之陣列。
  41. 如請求項39之集中器，其中該光伏打係使用一或多種黏著劑附接至該基底。
  42. 如請求項39之集中器，其中該光伏打至少部分地整合於該基底上。
  43. 如請求項42之集中器，其中該光伏打係轉印至該陣列之該基底上。
  44. 如請求項39之集中器，其中該光伏打具有不超過該基底面積之三分之二之面積。
  45. 如請求項39之集中器，其進一步包含： 擴散器， 其中該擴散器係安置於該抛物線陣列之該基底中不包括該光伏打之部分上。
  46. 如請求項45之集中器，其中該擴散器包含磨砂玻璃、奈米粒子陣列或微透鏡陣列中之至少一者。
  47. 如請求項23之集中器，其進一步包含： 反射膜， 其中該反射膜係安置於該側壁或該基底中之至少一者上。
  48. 如請求項47之集中器，其中該反射膜包含銀或鋁中之至少一者。
  49. 如請求項47之集中器，其中該反射膜整合該側壁或該基底中之至少一者。
  50. 一種製造具有期望形狀之混合抛物線集中器之方法，其包含： 將熱及真空施加至熱塑性塑膠及具有該期望形狀之金屬真空模具； 冷卻該熱塑性塑膠以形成具有基底及側壁及該期望形狀之抛物線陣列；及 用多介電層填充該陣列。
  51. 如請求項50之方法，其中該熱塑性塑膠包含PETG。
  52. 如請求項50之方法，其中該熱塑性塑膠具有介於0.5 mm與0.75 mm之間之厚度。
  53. 如請求項50之方法，其中該介電層包含PMMA及二氧化鈦中之至少一者。
  54. 如請求項50之方法，其中將熱及真空施加至熱塑性塑膠及具有該期望形狀之金屬真空模具包含： 將該熱塑性塑膠及金屬模具置於具有第一溫度之加熱裝置中； 藉助該金屬模具之該基底上包括之孔施加該真空；及 使該加熱裝置之該溫度升高至第二溫度， 其中該第二溫度高於該第一溫度。
  55. 如請求項50之方法，其中該熱塑性塑膠係在施加熱及真空之前固定至該金屬模具。
  56. 如請求項50之方法，其中該熱塑性塑膠係在冷卻之後自該金屬模具脫離。
  57. 如請求項50之方法，其進一步包含在冷卻之後將光伏打置於該熱塑性塑膠之該基底上。
  58. 如請求項57之方法，其中該光伏打包含GaAs太陽能電池之陣列。
  59. 如請求項50之方法，其進一步包含在該側壁或該基底中之至少一者上沈積反射膜。
  60. 如請求項59之方法，其中沈積反射膜包含真空熱沈積、電子束沈積或濺鍍中之至少一者。
  61. 如請求項59之方法，其中該反射膜包含銀或鋁中之至少一者。
  62. 如請求項49之方法，其中該反射膜具有至少500 nm之厚度。
  63. 如請求項50之方法，其中填充該介電層包含使用溶膠-凝膠方法。
TW106106007A 2016-02-22 2017-02-22 混合拋物線集中器、堆疊混合拋物線集中器、及製造具有期望形狀之混合拋物線集中器之方法 TWI746521B (zh)

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