TWI495195B - 太陽能光電轉換裝置 - Google Patents

Description

太陽能光電轉換裝置

本發明係關於一種太陽能光電轉換裝置，特別是允許天線傳送及接收射頻訊號之太陽能光電轉換裝置。

近年來對於替代能源的需求大幅增加，在各國政府的鼓勵投資之下，太陽能光電轉換裝置的鋪設面積大幅成長，不但佈建在陽光充足但是人煙稀少的邊荒地區，也逐步擴及市區的建築物屋頂上，甚至與建築物結合，稱之為建築物整合光電轉換裝置(Building Integrated Photovoltaics，BIPV)。可以預見未來建築物的屋頂甚至外牆都有可能大量裝置太陽能光電轉換裝置，然而在都會地區的建築物屋頂常會架設一些無線通訊裝置，如行動電話基地台、點對點傳輸站、衛星接收器、無線電以及無線電視接收天線等，太陽能光電轉換裝置與無線通訊裝置因此會有爭奪樓頂面積甚至於有互相干擾對方運作的情形出現，基於這種趨勢，將兩者整合以充分發揮可貴的樓頂面積是有必要的。

另一方面，太陽能光電轉換裝置有可能會普遍裝置於建築物側邊的牆壁、窗戶，以及汽車的車頂、玻璃部份甚至是外殼的部份，若有無線通訊裝置在這些空間中，勢必會影響到通訊信號的強度。甚至行動通訊裝置如筆記型電腦、膝上型電腦、智慧型手機(Smart Phone)等本身也有可能會覆蓋太陽能光電轉換裝置，這些太陽能光電轉換裝置具有大量的金屬構造，直接置於天線的輻射路徑上必定會造成原本的無線通訊裝置在通訊功能上的阻礙，因此這必須要有特殊的解決手段才能讓兩者並存。

本發明利用單一或複數個太陽能光電轉換裝置其中之傳導電極之排列，形成頻率選擇面(Frequency Selective Surface，FSS)，置於射頻電磁波之路徑上，適當的調整太陽能光電轉換裝置中各單元的幾何參數，使得FSS的穿透頻率或是截止頻率調整至符合射頻通訊系統或是射頻天線的需求。

申言之，本發明係揭露一種太陽能光電轉換裝置，允許天線進行發射或接收射頻訊號，其包含太陽能光電轉換材料及傳導電極。太陽能光電轉換材料用以將光能轉換成電能，而傳導電極用以將太陽能光電轉換材料轉換所得之電能收集並傳導。傳導電極之排列構成一頻率選擇面，且頻率選擇面置於該天線之輻射發射或接收路徑上。頻率選擇面與該天線具有一間距，且頻率選擇面在該天線之主要輻射發射或接收路徑方向上之投影涵蓋該天線。

另外，前述太陽能光電轉換裝置可作為太陽能光電轉換裝置單元。根據本發明可將複數個太陽能光電轉換裝置單元組合成模組的形式，進行陣列排列，並利用如調整各太陽能光電轉換裝置單元或模組間之間距，形成所需之頻率選擇面。

以下具體實施手段係搭配圖式進行說明，其中所揭露之太陽光電轉換裝置之型式及數據，係為了使說明清楚，並非用以限定本發明。

太陽光電轉換裝置單元大致上是由以下的結構所組成：透明上保護層(通常是玻璃)、上電極、下電極、單元間的連接電極、光電轉換材料、保護層或承載結構等。一個完整的太陽光電轉換裝置模組包含多個單元，以串聯及並聯的方式連接，以提供系統所需要的輸出電壓以及電流。

以多晶矽及單晶矽為光電轉換材料的太陽光電轉換裝置，在大型模組中，通常以整片的晶圓(wafer)當作一個單元，但是在較小的裝置中，受限於面積以及模組輸出電壓的需求(需要多個單元串接提供較高的輸出電壓)，會將晶圓切割成較小的面積作為單元。但是切割晶圓需要額外的時間與成本，過小的單元組裝成模組時也比較耗時，因此一般而言在符合系統需求的前提下，就經濟效應而言，單元的大小應該越大越好，而且最好以整片的晶圓為優先。

常見的多晶矽的太陽能光電轉換裝置單元的上電極多為正交網格狀，包括等間距佈滿整片單元的手指電極(finger electrodes)，以及數量較少，略為粗厚，用來匯集手指電極上電流的匯流排電極(bus-bar electrodes)。而藉由連接電極將匯流排電極上的電流連接到相鄰單元的電極完成串聯的電性連結。多晶矽的太陽能光電轉換裝置單元通常採用不透光的金屬(相較於薄膜太陽能光電轉換裝置多採用透明但是導電性較差的透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO))，若電極間距過小，數量過多，遮蔽太多面積，將導致單元開孔率下降，可輸出的功率也會降低；另一方面若電極間距過大(相對於轉換材料中電子電洞的平均自由徑)，則電子電洞要移動到電極的距離較長，因此電子電洞再結合的機率將增加，導致轉換效率下降。一般多晶矽的太陽能光電轉換裝置單元(PV Cell)的手指電極的間距以目前技術來說約在2~4mm之間，而一個6英吋見方的PV Cell單元可能約有三條匯流排電極。下電極由於沒有遮光的考量，所以可能會以金屬鋪滿整個PV Cell單元的背面作為下電極。

本發明的基本精神是將整個太陽能光電轉換裝置單元當成頻率選擇面(Frequency Selective Surface，FSS)的週期單元，置於射頻電磁波之路徑上，適當的調整單元的幾何參數，使得FSS的穿透頻率或是截止頻率調整至符合射頻通訊系統或是射頻天線的需求。在單元的平面波穿透測試中，發現調整單元中的電極的週期間距，可以調整FSS單元的穿透頻率或是截止頻率。

[發明實施例一]

圖1揭示本發明第一實施例之一種太陽能光電轉換裝置10，其允許天線進行輻射發射或接收。太陽能光電轉換裝置10包含上電極11、下電極12以及太陽能光電轉換材料13。上電極11、下電極12分別位於太陽能光電轉換材料13之兩側。匯流排電極(bus-bar electrodes)16與上電極11、下電極12所包含之指狀電極15形成類網格狀，用來匯集上電極11、下電極12上的電流。太陽能光電轉換材料13可將光能轉換成電能。上電極11、下電極12形成傳導電極14，用以將太陽能光電轉換材料13轉換所得之電能收集並傳導至另一個太陽能光電轉換裝置或是傳導至電力系統或是電力儲存裝置。太陽能光電轉換材料13包括矽基半導體，如單晶矽、多晶矽、非晶矽薄膜、多晶矽薄膜，或是III-V族化合物如GaAs、AlGaAs、InGaP、InGaAsP與InP等，II-VI族以及I-III-VI族化合物如CdTe、CuInSe₂ (CIS)、CuGaInSe₂ (CGIS)、CuIn_1-x Ga_x S_1-y Se_y (CIGSS)等，以及有機染料，或是Multi-junction之複合結構等。

傳導電極14之排列構成一頻率選擇面17。本實施例中即上電極11及下電極12排列成頻率選擇面17。頻率選擇面17置於該天線18之輻射發射或接收路徑上。頻率選擇面17與該天線18具有一間距d，頻率選擇面17在該天線18之主要輻射發射或接收路徑方向上之投影涵蓋該天線18。

詳言之，太陽能光電轉換裝置10由一片厚度約為0.35mm，邊長約為150mm(約六英吋)的正方形多晶矽晶圓組成。上電極11及下電極12皆為類網格狀，各包括佈滿整片單元的手指電極15，以及數量較少，略為粗厚，用來匯集手指電極15上電流的匯流排電極16。承載結構可為對微波影響不大的玻璃或塑膠、壓克力等材質。手指狀電極15間距約為2.8mm，若欲整合之射頻通訊系統其微波信號為線性偏振，微波信號行進方向大約平行圖中的z方向，且偏振的方向大約平行圖中x方向，則藉由調整匯流排電極16的數量與間距，可以調整射頻電磁波穿透頻率的高低。一般說來，間距越大，匯流排電極16數量越少，相對應的射頻電磁波穿透頻率越低，反之則越高。當選擇匯流排電極16的間距約為25mm，匯流排電極16數目為6個，在不考慮材料損耗的情況之下，此時射頻電磁波穿透頻率可以涵蓋衛星通訊常用的C-band(例如3.4GHz-4.2GHz)，如圖2所示。所以由此種單元所組成之模組覆蓋在C-band的衛星天線上是可以將太陽能光電轉換裝置10對微波訊號的干擾降低。而在此實施例中，雖然匯流排電極16數目較一般的單元多，但是可以藉由適度的縮減電極寬度，將遮蔽的面積影響降低，而不至於大幅影響太陽能光電轉換裝置10的輸出功率。

上述類網格狀其中一實施例是正交網格狀。

圖3為此實施例於不同入射角之射頻電磁波穿透率對頻率作圖，入射角改變對其操作頻段穿透率影響不大。此實施例中，太陽能光電轉換裝置其與地面的夾角通常是以所舖設所在地的緯度為基準，再依四季做例如±15度內的調整。也就是太陽能光電轉換裝置10的受光面的法線方向約略指向赤道面，與衛星通訊裝置指向同步衛星的仰角相近，而在圖3中可以發現，即使水平方向的角度轉動了60度，射頻電磁波穿透的效果仍然不錯，故此設計在實用性上具有相當大的優勢。根據此實施例所設計出之太陽能光電轉換裝置10具有寬頻、能接受高入射角之射頻電磁波穿透特性，除適合衛星通訊之應用，也適合其它寬頻通訊等之應用。

上述之太陽能光電轉換裝置10可作為太陽能光電轉換裝置單元(PV cell)，而依實際需求將複數個太陽能光電轉換裝置單元排列成陣列形式，其中個別之太陽能光電轉換裝置單元具有頻率選擇面單元(FSS單元)，而可合成一頻率選擇面。

申言之，頻率選擇面單元的大小係藉由調整其所包含的太陽能光電轉換裝置單元的數量以及太陽能光電轉換裝置單元的大小來決定，該頻率選擇面單元與相鄰之頻率選擇面單元具有一間距，以調整頻率選擇面單元射頻電磁波的穿透/反射特性。該頻率選擇面具有過濾射頻電磁波之功能，能使射頻電磁波在通過該頻率選擇面時遭遇特定之衰減或是反射之特性。

[發明實施例二]

本發明第二實施例之太陽能光電轉換裝置單元的組成與第一個實施例相似，但是下電極的形式從類網格狀改為整面的金屬，即形成一反射面。在此狀況下的太陽能光電轉換裝置單元具有相當寬的電磁波截止頻帶，而電磁波穿透頻帶則相對較窄。此時可藉由調整太陽能光電轉換裝置單元的大小來控制穿透頻帶的頻率高低。單元越大，則穿透頻率越低，反之則越高。而藉由調整單元間的間距則可以控制穿透頻率的頻寬，一般說來，間距越大則穿透的頻寬越大。而此時若單元為正方形，X、Y方向相鄰單元的間距也相同，而單元具有X方向與Y方向之連接電極，使得FSS單元在X、Y方向電場偏振的電磁波訊號具有一頻率相同的電磁波穿透頻帶，這可以應用於相對窄頻的雙極化/圓極化射頻通訊應用，例如GPS信號接收器/發射器。

[發明實施例三]

參照圖4，與第二個實施例的太陽能光電轉換裝置單元類似。本實施例中，太陽能光電轉換裝置40係由複數個光電轉換裝置單元組成。上電極為網格狀電極41，且由匯流排電極46相連接，而下電極45則於各單元中鋪滿光電轉換材料47之另一側。

由於此時FSS單元具有比較寬的電磁波截止頻帶，電磁波穿透的比例較低，因此可以順勢依此特性設計為法布里-珀羅(Fabry-Perot，FP)共振腔44的可部分穿透層(電極) 41，與一個或多個射頻激發源43，以及一個額外加上的且平行此可部分穿透層41的反射面42組成共振腔式高增益天線。FP可部分穿透層41的穿透比率可以藉由調整太陽能光電轉換裝置單元的間距的比例。間距所佔整個週期的比例越高，則穿透的比例越高，反之則越低。由FSS所形成的FP可部分穿透層41與金屬反射面42形成FP共振腔44，兩者的間距例如約為欲穿透頻率的波長的一半，但此間距可以藉由賦予金屬反射面42上特殊的週期性結構(如Artificial Magnetic Conductor，AMC)藉以改變反射相位而縮小。在FP共振腔44中放置一個或多個射頻天線43當成激發源，可以達到非常高的指向性，與沒有FP可部分穿透層的天線相比，具有提高增益的作用(在不考慮材料損耗的情況之下，如圖5所示天線增益由約10dBi增加到約20dBi)。在多個激發源的情況下，如果調整各個射頻天線的相對發設/接收強度與相位，則可以達到斜向發射/接收射頻訊號的作用，以應付射頻電磁波傳播方向與PV Cell或是FSS平面法線方向不同的情況。

[發明實施例四]

如圖6所示，薄膜式太陽能光電轉換裝置單元60包括透明承載結構61(例如玻璃)、透明迎光面電極62(通常是由TCO所構成)、薄膜光電轉換材料63(常見的為非晶矽的多層結構)以及金屬背電極64等。

以上述非晶矽的薄膜式太陽能光電轉換裝置單元60為例，由於非晶矽的電子、電洞平均自由徑較短，因此電極需要涵蓋大部份的面積以有效吸收電荷，而TCO的導電度較差，因此也需要做成較寬的導線來導引電流以避免過高的歐姆損耗。金屬背電極64也充當反射層，將未被吸收的光子反射回光電轉換材料。因此透明迎光面電極62、薄膜光電轉換材料63、金屬背電極型64成類似電容的三明治結構，對射頻電磁波而言是一個相當窄頻的的帶通結構，若沒有做特殊的結構改變，射頻電磁波訊號穿透時會有相當大的損耗。

通常非晶矽的薄膜式的太陽能光電轉換裝置單元60的週期較小(例如約6mm~10mm)，單元間的間距也很小(例如約小於1mm)，電極的涵蓋範圍大，因此不易藉由調整單元的結構來達成FSS射頻電磁波穿透頻帶與截止頻帶的分佈。

如圖7所示，本發明以多個太陽能光電轉換裝置單元60組成一個模組71，再由結合多個模組71作陣列排列，形成一個太陽能光電轉換裝置70。其中太陽能光電轉換裝置單元60中之金屬背電極64也充當繞線層，連接至相鄰單元60的透明迎光面電極62。以此模組71做為FSS的單元具有比較大的設計、調整空間。調整模組71中單元60的大小與單元60的個數可以調整FSS單元的大小，進而調整其射頻電磁波穿透/截止頻帶的分布。相鄰模組71與模組71之間有較大的間距(雖然會損失一些輸出功率)，可以使FSS單元的穿透率增加，進而達到與實施例二以及實施例三相同整合效果。複數個太陽能光電轉換裝置單元60可進行電性串聯或並聯，以配合雙極化天線之應用。

[發明實施例五]

天線除了可以用來接收、發射無線信號，也可以用來接收電磁波能量。將天線結合整流元件，便可將高頻的電磁波轉換成直流電壓。例如藉由人造衛星將太陽能轉換成微波能量，再藉由微波的無線傳波路徑傳遞給無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，若此UAV表面也覆有太陽能光電轉換裝置，並將微波接收天線藉由上述實施例一至實施例四的方式巧妙的裝置於太陽能光電轉換裝置之下，如此便能擁有兩個補充性的供能途徑，以延長UAV的供電時間。另一方面，目前的矽基太陽能光電轉換裝置的吸收波長多以可見光至近紅外光的波長為主。而太陽輻射至地球表面的能量有一部份經過非彈性散射以及生物體吸收在放出的過程轉換至太赫茲(THz)頻率(波長約為10μm)的電磁輻射，此一部份的能量尚未被開發，殊為可惜。

如圖8所示，太陽能光電轉換裝置80包含天線81(包含一反射面84)、整流元件82以及太陽能光電轉換元件83。整流元件82具有允許GHz頻段通過之FSS，且將高頻THz頻段之電磁波轉換成直流電能。太陽能光電轉換元件83之FSS允許GHz頻段通過以進行訊號傳送或接收。太陽能光電轉換元件83之型式可如上述實施例一至實施例四所示者。如果將天線81藉由整流元件82將THz高頻的電磁波轉換成直流電能，再藉由上述實施例一至實施例四的方式裝置於太陽能光電轉換元件83之下，如此便能在同一面積下擁有雙頻段(光頻與THz頻率)的太陽能吸收機制，能更有效的擷取太陽的能量，並且能整合射頻電磁波通訊的功能。申言之，該電磁波能量之頻率可包含微波頻率、毫米波頻率或太赫茲頻率。

[發明實施例六]

如圖9所示，本實施例利用太陽能光電轉換裝置單元10作為FSS(其他實施例的太陽能光電轉換裝置單元亦可作為FSS)結構，而利用FSS來反射位於射頻電磁波92截止頻帶之電磁波之反射結構，用以改變射頻天線91所輻射之射頻電磁波之傳播方向。

如圖10所示，由射頻天線91所輻射之不同頻段f1及f2之電磁波92分別位於FSS結構之穿透頻帶與截止頻帶，可使不同頻段之射頻電磁波往不同方向傳播。如圖11所示，FSS對不同的極化p1及p2的雙極化射頻電磁波92具有不同的穿透/反設特性，因此本發明也可利用此一特性，以太陽能光電轉換裝置單元10作為FSS，引導不同極化的射頻電磁波往不同的方向傳播。

以上已將本發明專利申請案做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明專利申請案之較佳實施範例而已，當不能限定本發明專利申請案實施之範圍。即凡依本發明專利申請案申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利申請案之專利涵蓋範圍內。

10．．．太陽能光電轉換裝置

11．．．上電極

12．．．下電極

13．．．太陽能光電轉換材料

14．．．傳導電極

15．．．手指電極

16．．．匯流排電極

17．．．頻率選擇面

18．．．天線

40．．．太陽能光電轉換裝置

41．．．網格狀電極

42．．．反射面

43．．．射頻激發源

44．．．法布里-珀羅共振腔

45．．．下電極

46．．．匯流排電極

47．．．光電轉換材料

60．．．太陽能光電轉換裝置單元

61．．．透明承載結構

62．．．透明迎光面電極

63．．．薄膜光電轉換材料

64．．．金屬背電極

71．．．太陽能光電轉換裝置模組

70．．．太陽能光電轉換裝置

80．．．太陽能光電轉換裝置

81．．．天線

82．．．整流元件

83．．．太陽能光電轉換元件

84．．．反射面

91．．．天線

92．．．電磁波

圖1繪示本發明一實施例之太陽能光電轉換裝置。

圖2及3繪示圖1之太陽能光電轉換裝置之頻率與穿透率之關係圖。

圖4繪示本發明另一實施例之太陽能光電轉換裝置。

圖5繪示圖4之太陽能光電轉換裝置之頻率與天線增益之關係圖。

圖6及7繪示本發明又一實施例之太陽能光電轉換裝置。

圖8至11繪示本發明之太陽能光電轉換裝置之應用例。

10．．．太陽能光電轉換裝置

11．．．上電極

12．．．下電極

13．．．太陽能光電轉換材料

14．．．傳導電極

15．．．手指電極

16．．．匯流排電極

17．．．頻率選擇面

18．．．天線

Claims (15)

1. 一種太陽能光電轉換裝置，允許天線進行發射或接收射頻訊號，其包含：太陽能光電轉換材料，用以將光能轉換成電能；以及傳導電極，用以將太陽能光電轉換材料轉換所得之電能收集並傳導，其中該傳導電極包含：上電極，設於該太陽能光電轉換材料之一側；以及下電極，設於該太陽能光電轉換材料之另一側；其中該傳導電極之排列構成一頻率選擇面，該頻率選擇面置於該天線之輻射發射或接收路徑上，該頻率選擇面與該天線具有一間距，該頻率選擇面在該天線之主要輻射發射或接收路徑方向上之投影涵蓋該天線。
2. 根據請求項1所述之太陽能光電轉換裝置，其中該上電極及下電極之網格狀設計使得該頻率選擇面具寬頻之穿透頻帶，從而該天線得以發射或接收寬頻之射頻電磁波信號。
3. 根據請求項1所述之太陽能光電轉換裝置，其中該傳導電極之排列形成一具有可部分穿透特性之頻率選擇面，與另一平行於該頻率選擇面之反射面具有一間隔，以形成法布里-珀羅共振腔。
4. 根據請求項3所述之太陽能光電轉換裝置，其中該天線置於該法布里-珀羅共振腔中。
5. 根據請求項3所述之太陽能光電轉換裝置，其中該反射面具有週期性結構，使得該法布里-珀羅共振腔其間距小於波長之半。
6. 根據請求項1所述之太陽能光電轉換裝置，其中該頻率選擇面具有雙極化特性。
7. 根據請求項1所述之太陽能光電轉換裝置，其中該太陽能光電轉換材料包含矽基半導體、III-V族化合物、II-VI族、I-III-VI族化合物、有機染料、或前述之組合。
8. 根據請求項1所述之太陽能光電轉換裝置，其另包含一整流元件，將該天線所接收到的電磁波能量轉換成直流電能並輸出至電力系統或是電力儲存裝置。
9. 根據請求項8所述之太陽能光電轉換裝置，其中該電磁波能量之頻率係微波頻率、毫米波頻率或太赫茲頻率。
10. 一種太陽能光電轉換裝置，允許天線進行發射或接收射頻訊號，其包含：複數個太陽能光電轉換裝置單元，包含太陽能光電轉換材料與傳導電極，該複數個太陽能光電轉換裝置單元形成陣列排列，從而構成一頻率選擇面，該頻率選擇面置於該天線之輻射發射或接收路徑上，該頻率選擇面與該天線 具有一間距，該頻率選擇面在該天線之主要輻射發射或接收路徑方向上之投影涵蓋該天線，其中該傳導電極包含：上電極，設於該太陽能光電轉換材料之一側；以及下電極，設於該太陽能光電轉換材料之另一側。
11. 根據請求項10所述之太陽能光電轉換裝置，其中該陣列係由複數個太陽能光電轉換模組所組成，各太陽能光電轉換模組包含複數個該太陽能光電轉換裝置單元，且各該太陽能光電轉換裝置單元具有一頻率選擇面單元。
12. 根據請求項11所述之太陽能光電轉換裝置，其中該頻率選擇面單元的大小係藉由調整其所包含的太陽能光電轉換裝置單元的數量以及太陽能光電轉換裝置單元的大小來決定，該頻率選擇面單元與相鄰之頻率選擇面單元具有一間距，以調整頻率選擇面單元射頻電磁波的穿透/反射特性。
13. 根據請求項10所述之太陽能光電轉換裝置，其中該頻率選擇面具有過濾射頻電磁波之功能，能使射頻電磁波在通過該頻率選擇面時遭遇特定之衰減或是反射之特性。
14. 根據請求項10所述之太陽能光電轉換裝置，其中該太陽能光電轉換裝置單元係非晶矽薄膜形式。
15. 根據請求項10所述之太陽能光電轉換裝置，其中該複數個太陽能光電轉換裝置單元進行電性串聯或並聯，以配合雙極化天線之應用。