BR112019017450A2 - escudo óptico para célula fotovoltaica - Google Patents

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Kari Rinko
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Abstract

escudo óptico para célula fotovoltaica, que compreende pelo menos um elemento portador (11), o referido elemento portador compreende várias cavidades opticamente funcionais incorporadas (51) dispostas em pelo menos um padrão de relevo óptico pré-determinado (52), em que cada cavidade opticamente funcional incorporada no referidos elemento portador seja posicionada e alinhada sobre uma estrutura de super-fície individual, tal como um eletrodo, um contato, um dedo de contato, ou um barramento disposto na superfície da célula fotovoltaica.

Description

“ESCUDO ÓPTICO PARA CÉLULA FOTOVOLTAICA”
Campo de Aplicação [001] A presente invenção refere-se ao campo da ciência óptica. Mais especificamente, a presente invenção apresenta um escudo óptico para estruturas de superfície tais como contatos, eletrodos, dedos coletores e barramentos, providos em uma célula fotovoltaica.
Descrição do Estado da Técnica [002] Grosso modo, uma célula fotovoltaica (FV) ou um material fotovoltaico, especialmente silício poli e monocristalino, tem estruturas de superfície tais como contatos, eletrodos, dedos coletores e/ou barramentos que cobrem de 5% até 10% da superfície da célula fotovoltaica. Esses contatos de superfície são geralmente compostos de eletrodos de prata produzidos por impressão de máscara e têm 85% de refletividade. Tais contatos geralmente causam reflexo e perda de sombreamento, que significa aproximadamente entre 5% a 10% de perda óptica e, em geral, a mesma quantidade em redução de eletricidade na saída da célula.
[003] Por outro lado, a minimização da quantidade total e do tamanho das estruturas de superfície na superfície (superior) da célula fotovoltaica causará maior resistência e perdas de eletricidade associadas para a saída geral de energia da célula. Em relação a isso, o desenho convencional de contato e/ou de eletrodo traz uma compensação entre esses dois parâmetros.
[004] Além disso, o tamanho, a quantidade, os períodos e/ou a localização das estruturas de células fotovoltaicas mencionadas têm impacto sobre tais fatores, como resistência elétrica interna, corrente elétrica transmitida e alta dopagem regional versus baixa dopagem regional. Esses fatores causam diminuição ou aumento na saída de energia total da célula fotovoltaica.
[005] Atualmente e se espera que também no futuro, a
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2/17 arquitetura, a concepção e a construção de células fotovoltaicas são/serão baseadas na provisão de contatos e/ou eletrodos na superfície da referida célula (Figuras 1A e 1B). As soluções sem contato disponíveis combinam um preço de fabricação mais alto com rendimentos inferior; assim, o domínio de tais soluções na concepção e na arquitetura de células fotovoltaicas não é um assunto de relevância imediata.
Breve Descrição da Invenção [006] O objetivo da presente invenção é, pelo menos, suavizar cada um dos problemas oriundos das limitações e desvantagens relacionadas ao estado da técnica. O objetivo é alcançado por meio de várias modalidades de montagem de um escudo óptico para célula fotovoltaica, de acordo com o que é definido na reivindicação independente 1.
[007] Em uma modalidade preferida, apresenta-se um escudo óptico para célula fotovoltaica com, pelo menos, um elemento portador que compreende várias cavidades opticamente funcionais incorporadas dispostas em pelo menos um padrão de relevo óptico pré-determinado, em que cada cavidade opticamente funcional incorporada em, pelo menos, um dos referidos elementos portadores seja posicionada e alinhada sobre uma estrutura de superfície individual provida na superfície da célula fotovoltaica, tal como um eletrodo, um contato, um dedo coletor, ou um barramento.
[008] Em algumas modalidades, o escudo óptico compreende ainda um elemento de camada de base plano e nivelado disposto, em relação a pelo menos um elemento portador, de modo que as cavidades opticamente funcionais fiquem entre as camadas definidas por, pelo menos, um elemento portador e o elemento de camada de base.
[009] Em algumas modalidades, as cavidades opticamente funcionais são preenchidas com um meio material interno tendo um índice de refração diferente do índice de refração de um meio material que fica em volta dessas cavidades. Em outras modalidades, cada cavidade opticamente
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3/17 funcional incorporada é configurada, em relação ao seu tamanho, ao seu formato, às suas dimensões e às suas disposições, para pelo menos uma função refletiva, uma função refrativa, uma função defletora, e uma função difrativa.
[010] Em algumas modalidades, pelo menos um elemento portador e/ou elemento de base é feito de polímero plástico, vidro ou resina.
[011] Em algumas modalidades preferidas, as cavidades opticamente funcionais incorporadas são providas na forma de ranhuras em formato ‘V’.
[012] Em algumas modalidades, as cavidades são preenchidas com um meio material interno fornecido na forma de fluído ou sólida, podendo esse material ser selecionado de um grupo que consiste em: ar, gás e líquido.
[013] Em outras modalidades, cada cavidade opticamente funcional incorporada é pelo menos parcialmente revestida por uma camada opticamente funcional, na qual uma função óptica da referida camada inclui pelo menos uma de: reflexão especular, reflexão difusa ou reflexão seletiva de comprimento de onda.
[014] Em algumas modalidades, em termos de parâmetros dimensionais e sua disposição dentro do padrão de relevo óptico, as cavidades opticamente funcionais incorporadas individuais corresponderem às estruturas de superfície providas na superfície da célula fotovoltaica.
[015] Em algumas modalidades adicionais, o escudo óptico compreende pelo menos dois elementos portadores dispostos um sobre o outro, em que cada elemento portador compreende várias cavidades opticamente funcionais incorporadas dispostas em pelo menos um padrão de relevo óptico pré-determinado, e em que as dimensões, o formato e a periodicidade das referidas cavidades opticamente funcionais em pelo menos um padrão de relevo óptico sejam individualmente ajustáveis para cada elemento portador.
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4/17 [016] Em algumas modalidades, o escudo óptico é configurado para cobrir a totalidade da superfície da célula fotovoltaica. Em algumas outras modalidades, o escudo óptico é configurado com vários elementos discretos, em que cada elemento é posicionado e alinhado sobre a estrutura de superfície individual provida na superfície da célula fotovoltaica. Em outras modalidades ainda, o escudo óptico reivindicado compreende os elementos discretos dispostos de modo a formar uma grade.
[017] O escudo óptico pode ser configurado ainda como um filme, uma placa ou uma tira.
[018] Em um outro aspecto, a célula fotovoltaica é provida, conforme definido na reivindicação independente 17 e compreende o escudo óptico de acordo com um aspecto prévio. Em algumas modalidades, a célula fotovoltaica compreende um escudo óptico disposto sob sua cobertura de proteção.
[019] A utilidade da presente invenção é oriunda de uma série de premissas dependendo de cada uma de suas modalidades particulares. Primeiramente, a presente invenção tem por base a óptica de cavidade incorporada e totalmente integrada, provida como várias cavidades opticamente funcionais formando pelo menos um padrão de relevo óptico dentro de um elemento portador, que forma um escudo óptico para essas estruturas de superfície de uma célula fotovoltaica como os contatos, eletrodos, dedos coletores e/ou barramentos.
[020] A solução óptica incorporada apresentada neste instrumento permite evitar reflexão da luz e perdas por sombreamento causadas por contatos e/ou eletrodos em uma célula fotovoltaica convencional (vide a Figura 1B que mostra a luz recebida 31, incidente sobre uma estrutura de superfície 10, sendo imediatamente refletida 32 do lado de fora da célula fotovoltaica). Os recurso ópticos incorporados, tais como as cavidades opticamente funcionais, são posicionados próximos às estruturas individuais de
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5/17 superfície identificadas acima, formando, assim, um escudo óptico que guia a luz para dentro das superfícies de silício fotovoltaico, de modo a prevenir, assim, que a luz atinja as referidas estruturas de superfície individuais e, consequentemente, reflita para fora da célula fotovoltaica.
[021] A presente invenção fornece, ainda, flexibilização em termos de dimensões, formas e periodicidade variáveis das cavidades opticamente funcionais e de seus materiais de preenchimento, dentro de pelo menos um padrão de relevo óptico, no qual o referido padrão pode ser configurado como óptico-refrativo, óptico-difrativo ou óptico-híbrido - este último combinando funções de reflexão, deflexão, refração e/ou difração. Soluções de multicamadas podem ser ainda produzidas, considerando o fato de a primeira camada formar um escudo óptico e a segunda ou demais camadas, que compreendam a cavidade-óptica integrada do mesmo modo que a primeira camada, receber função óptica adicional, tais como direcionamento e redirecionamento de luz, difusão, reflexão, acoplamento e similares.
[022] O termo “estrutura de superfície” é utilizado na presente apresentação para indicar geralmente os contatos, eletrodos, dedos coletores, barramentos e similares providos na superfície da célula fotovoltaica.
Breve Descrição dos Desenhos [023] Diferentes modalidades da presente invenção tornarse-ão evidentes ao considerar sua descrição detalhada e seus desenhos, em que:
- As Figuras 1A e 1B ilustram soluções convencionais para uma célula fotovoltaica 101, na qual a Figura 1A mostra as linhas de contato 10 na superfície de uma célula solar (fotovoltaica), e a Figura 1B mostra um painel solar 101 com um ou vários contatos 10 na sua superfície superior, a partir da qual a luz incidente 31 é refletida (raio refletido 32) de modo que nenhuma absorção de fóton pode ocorrer.
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- As Figuras 2, 3 e 4 ilustram uma solução de escudo óptico, conforme diversas modalidades da presente invenção.
- A Figura 6 mostra um escudo óptico antes de sua laminação na superfície da célula fotovoltaica.
- A Figura 7 mostra uma solução de escudo óptico discreto, conforme alguma modalidade.
- As Figuras 8A e 8B mostram diferentes modalidades de uma célula fotovoltaica 201,201 A, conforme algum aspecto.
Descrição Detalhada das Modalidades [024] Neste instrumento serão apresentadas modalidades detalhadas da presente invenção com referência aos desenhos que o acompanham. Os mesmos caracteres de referência são utilizados em todos os desenhos para referir-se aos mesmos elementos. As seguintes citações serão utilizadas para os elementos:
- 201,201A - uma célula fotovoltaica;
-10 - uma estrutura de superfície na superfície da célula fotovoltaica;
-11, 11A - um elemento portador com uma função óptica;
-12 - um corpo da célula fotovoltaica;
-13 - uma camada adesiva;
-14 - uma camada protetora superior para a célula fotovoltaica;
- 20, 20A - uma montagem do escudo óptico;
- 21 - um elemento de camada base para um elemento portador 11;
- 31,32 - luz incidente e lux refletida, respectivamente;
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- 33 - luz recebida;
- 51,51A - cavidades opticamente funcionais;
- 52, 52A - um padrão de relevo óptico.
[025] A Figura 2 ilustra na referência 20 um conceito basilar de várias modalidades de uma montagem do escudo óptico, doravante o escudo óptico para célula fotovoltaica, indicado pela referência numérica 201. O escudo óptico 20 compreende, dessa forma, pelo menos um elemento portador plano e nivelado 11, com várias cavidades opticamente funcionais 51 dispostas em pelo menos um padrão de relevo óptico pré-determinado 52 (destacado pela linha em negrito na Figura 2). O referido elemento portador 11, pelo menos um, é preferencialmente feito de plástico polímero, vidro, resina ou material cerâmico.
[026] Em uma modalidade, o elemento portador 11, que forma o escudo óptico 20, fica vantajosamente disposto na superfície (superior) de um corpo 12 da célula fotovoltaica.
[027] Preferivelmente, o escudo óptico é fornecido como um elemento plano, nivelado e uniforme com lados mais altos e mais baixos macios e inquebráveis. De modo a implementar isso, o escudo óptico configurado como na 20A e representado na Figura 2 como uma caixa tracejada, compreende ainda um elemento de camada base 21, configurado como uma camada inteiramente plana e nivelada feita do mesmo material do elemento portador 11, ou de um material alternativo selecionado de: plástico polímero, vidro, resina ou material cerâmico. Por exemplo, as camadas 11 e 21 podem ser feitas de plástico polímero; alternativamente, a camada portadora 11 pode ser um plástico polímero, e o elemento de camada base 21 pode ser de vidro. A montagem do escudo óptico 20A pode fornecer cobertura para toda a superfície do corpo da célula fotovoltaica 12. A modalidade 20A também é mostrada na Figura 6.
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8/17 [028] Em algumas instâncias, o elemento portador 11 fica disposto entre o corpo da referida célula fotovoltaica e sua cobertura de proteção, tal como vidro ou plástico (não mostrado) de proteção. Portanto, a célula fotovoltaica 201 pode compreender o escudo óptico 20 disposto sob a cobertura da camada protetiva, adequadamente.
[029] De maneira alternativa, o escudo óptico 20 pode ser provido como uma camada aderente a superfície inferior (uma superfície voltada para a célula fotovoltaica) da cobertura de proteção (não mostrada), ou uma parte integral da referida cobertura de proteção.
[030] Cada cavidade opticamente funcional 51 é também posicionada e alinhada sobre uma estrutura de superfície individual 10 provida na superfície da célula fotovoltaica 201. A estrutura de superfície individual 10 é provida de uma maneira não exclusiva como um eletrodo, um contato (um bloco ou uma placa de contato), um dedo coletor, ou um barramento.
[031] Todas as estruturas mencionadas acima são condutoras elétricas e configuradas para conduzir corrente contínua (DC) das células fotovoltaicas para o(s) inversor(es). Os dedos coletores (também chamados fingers) são linhas metálicas finas que coletam e entregam energia da célula solar para os barramentos. Os barramentos (também conhecido como busbar) são normalmente feitos de alumínio ou banhados a prata e cobre e dispostos de maneira perpendicular aos dedos coletores.
[032] As cavidades ópticas 51 formam, assim, um padrão óptico completamente incorporado integrado a uma interface entre o elemento portador 11 e a camada base 21 (modalidade 20A), ou entre o elemento portador 11 e a superfície do corpo da célula fotovoltaica 12 (modalidade 20).
[033] As cavidades opticamente funcionais 51 são dimensionadas dentro de uma variação de 10 a 1000 pm em altura, estando,
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9/17 portanto, de acordo com as dimensões e tamanho da superfície basilar das estruturas da célula fotovoltaica 10. Em relação às cavidades 51, A provisão do escudo óptico 20 configurado não é, entretanto, excluída para subestruturas em nanoescala.
[034] O escudo óptico 20 é dessa forma formado por pelo menos um elemento portador 11 com várias cavidades opticamente funcionais incorporadas 51 (óptica de cavidade), e tal óptica de cavidade tem por base um meio material interno na forma de fluído (ar, gás, líquido) ou sólido, tendo índice de refração otimizado em comparação ao material que fica à sua volta. As cavidades 51 são dessa forma preferencialmente preenchidas com um meio material interno tendo índice de refração diferente do índice de refração de um meio material que fica em volta dessas cavidades. Preferencialmente, o índice de refração do meio é inferior ao índice de refração do material que fica em volta dessas cavidades. Um meio material interno preferido (material de preenchimento) é o ar. Outro meio material interno preferido é um material substancialmente sólido com um baixo índice de refração, como silício, que possibilita a provisão de uma função de refletância total interna (TIR). Pelo “material de baixo índice de refração” nos referimos ao material cujo índice de refração é inferior ao índice de refração do meio material que fica em volta dessas cavidades, tal como o material do qual é feito o elemento portador 11.
[035] Por outro lado, cada cavidade opticamente funcional incorporada 51 pode ser pelo menos parcialmente revestida por uma camada opticamente funcional (não mostrada), em que uma função óptica da referida camada includes pelo menos uma: reflexão especular, reflexão difusa e reflexão seletiva de comprimento de onda. Esse revestimento pode ser parcialmente ou totalmente aplicado dentro de todas as paredes da cavidade. Revestimentos híbridos com características nano-ópticas constituem outra solução realizável. Dessa forma, o revestimento pode compreender nanocristais, por exemplo, e ser configurado como um revestimento antirreflexivo (AR) e/ou um revestimento
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10/17 autolimpante.
[036] Em uma modalidade preferida, as cavidades 51 são providas na forma de ranhuras ou depressões que se estendem para cada uma das direções do elemento portador 11. Em algumas configurações, as referidas ranhuras são dispostas substancialmente nas linhas paralelas. Em outras configurações, as ranhuras podem ser posicionadas em sentido contrário para formar uma grade.
[037] Em modalidades preferidas, as cavidades (ranhuras) 51 são configuradas como ranhuras no formato de V (ranhuras em V), preferencialmente as ranhuras em V invertidas (no formato de V de cabeça para baixo). Na prática, em termos de dimensões, tais como tamanho, largura, altura e comprimento, o padrão 52, incluindo as cavidades 51, depende das dimensões das estruturas de superfície 10, consequentemente. Além das ranhuras, as cavidades 51 podem ser providas ainda como elementos distintos, tais como depressões em formato V (por exemplo, prismática). Ademais, fora ou adicionalmente a formatos em V, as cavidades podem ser formatadas de maneira diferente, tais como formas triangulares inclinadas, formas retangulares, formas trapezoidais, formas de lentes côncavas e similares. O padrão 52 pode, assim, ser formado com um perfil único (todas as cavidades têm forma idêntica) ou variável (todas as cavidades têm formatos que variam).
[038] É preferível que as dimensões, o formato e o periodicidade das cavidades opticamente funcionais dentro de cada padrão de relevo óptico, sejam individualmente ajustáveis para cada elemento portador. O termo “ajustável” é utilizado com o significado de “variável” ou “modificável”.
[039] Ao posicionar e alinhar o padrão de relevo 52 predeterminado, normalmente a solução de ranhura em V na parte superior das estruturas de superfície (por exemplo, contatos e/ou eletrodos), a luz incidente
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11/17 é refletida por TIR para ser desviada do caminho original (Figura 2). Desse modo, ao invés de ser refletida para fora da célula fotovoltaica ou absorvida pelas estruturas condutoras 10, como normalmente ocorre em soluções convencionais, a luz incidente 31 é incorporada, direcionada para a célula fotovoltaica e coletada na sua superfície de silício, contribuindo, assim, para a geração de energia. Essa luz incorporada e de contribuição para geração de energia é referida como “luz recebida” e é indicado pela numeração de referência 33. A geração de elétrons em uma a célula fotovoltaica pode ser considerada uma função de fluxo de fótons. A taxa de geração G é diretamente proporcional ao fluxo de fótons por área unitária por segundo, No, de acordo com a Equação 1.
Equação 1: G = aNoeax [040] Toda luz incidente 31, como a luz solar, por exemplo, que atinge o painel solar ou é incorporada a ele é retratada na sua superfície superior, que geralmente é feita de vidro ou plástico; assim sendo, a distribuição angular dentro de uma pilha de célula solar é definida em ±42° a partir da normal da superfície. De modo a ter toda luz incidente 31 para experenciar a função TIR na superfície da ranhura em V 51, o perfil da ranhura com um ângulo aberto (também referido como um ângulo de prisma ou um ângulo alfa (a) de ranhura em V, Figura 4) de, pelo menos, 12° é necessário. Entretanto, quando se considera a iluminação do sol durante todo o período anual, a referida distribuição angular é concentrada maiormente em ±50° da normal da superfície. Portanto, o perfil do ângulo da ranhura em V pode ser desenhado com uma abertura mais larga e ainda proporcionar boa eficiência de coleta. Os dados na Tabela 1 abaixo são resultado de uma simulação utilizando dados de iluminação por raio solares anuais e cumulativos de Marrocos com e sem a solução de ranhura em V (o escudo óptico 20) no painel solar. A área de cobertura para todas as estruturas de superfície 10, tais como contatos de superfície, no modelo foi cerca de 10%.
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Tabela 1. Dados comparativos obtidos dos painéis solares com e sem o escudo óptico 20. As soluções que compreendem o escudo óptico 20 são referidas como cavidade de ar do “Sistema de Coletor-Armazenador Integrados (ICS)” com ângulos de prisma variantes.
Energia luminosa coletada Melhora percentual para e normalizada painel comum
Painel sem quaisquer contatos (referência) 1
Painel comum com contatos isolados 0,898
Cavidade de ar do ICS, ângulo do prisma de 12a 0,999 10,2%
Cavidade de ar do ICS, ângulo do prisma de 30a 0,993 9,6%
Cavidade de ar do ICS, ângulo do prisma de 50a 0,982 8,6%
Cavidade de ar do ICS, ângulo do prisma de 70a 0,952 5,7% [041] A partir dos resultados comparativos acima, fica claro que o desenho de contato da superfície pode ser otimizado para minimizar as perdas elétricas sem que isso leve a considerar a perda por reflexão e/ou sombreamento. A perda elétrica é definida pela multiplicação da corrente pela resistência. A princípio, a área total ocupada pelas estruturas de superfície 10 pode ser tão alta quanto 20 a 30% em relação a toda a célula ou painel solar, de modo que possa possibilitar a coleta de 95 a 98% de toda a luz (incidente) disponível pela utilização da óptica na montagem do escudo de contato 20. Isso é uma característica importante, se considerarmos a otimização do desenho das estruturas de superfície 10, como as camadas de contato, em um emissor (ou seja, a superfície superior do corpo 12 da célula fotovoltaica). Uma perda de potência fracionária pode ser anotada como uma função de uma distância ‘S’ entre as estruturas 10, tais como os indicativos de contato (vide equação 2), em que a distância ‘S’ é apresentada como uma distância entre pontos intermediários das estruturas 10 (Figura 3). Deve-se observar que a distância ‘S’ é fornecida elevada ao quadrado (S2). Em teoria, reduções de perda de potência significativa podem ser alcançadas quando a distância ‘S’ é reduzida duas ou três vezes, em comparação a soluções convencionais.
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Equação 2:
P _ Ploss _ P SHmp %iOSt “ ~ 12Vmp [042] Figura 5 apresenta ainda uma configuração multicamada, em que a célula fotovoltaica 201A compreende o escudo óptico 20 com pelo menos dois elementos portadores 11, 11 A, em que cada elemento portador compreende várias cavidades opticamente funcionais incorporadas 51, 51A dispostas em pelo menos um padrão de relevo óptico pré-determinado 52, 52A. O elemento portador 11 forma, assim, uma estrutura de escudo para a superfície da célula fotovoltaica 12 e as estruturas de superfície 10 localizadas nela, enquanto o elemento portador 11A suporta uma função óptica opcional, incluindo, entre outros: direcionamento e redirecionamento de luz, difusão, reflexão, acoplamento e similares.
[043] Para todas as configurações, é preferível que as dimensões, o formato e a periodicidade das cavidades 51, 51 A, dentro do padrão 52, 52A, sejam ajustáveis para cada elemento portador 11, 11A individualmente.
[044] O escudo óptico 20 da presente invenção pode ser fabricado e integrado a uma célula fotovoltaica 201, 201A por meio de métodos de produção convencionais. A configuração básica para o escudo óptico 20 é um filme, de preferência, um filme fino. E o referido filme é colocado em cada célula fotovoltaica durante a produção como para alinhar as cavidades 51 sobre as estruturas de superfície 10. Esse filme de escudo óptico é produzido preferencialmente por métodos rolo a rolo ou rolo a folha, que gera moldes de acordo com o tamanho da célula fotovoltaica. Esse método pode produzir grandes volumes a um custo baixo. O material do filme pode ser de plástico óptico, resina ou cerâmica. Um material preferido é o
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14/17 silício óptico, que é altamente resistente a raios UV e temperatura, especialmente em aplicações de longo prazo.
[045] O escudo de contato óptico 20 fornecido como um filme pode ser aplicado diretamente em cada célula fotovoltaica por uma unidade de laminação alinhada após a fabricação das estruturas de superfície 10, tais como os contatos e os revestimentos antirreflexivos, por exemplo. Essa é uma solução bastante aplicável para disposições reduzidas. Portanto, cada célula fotovoltaica será manuseada normalmente em uma próxima fase do processo. O adesivo de laminação 13 (Figura 4) escolhido de: silício, EVA, camadas à base de alceno e similares, também pode ser utilizado.
[046] Em outras modalidades, o escudo óptico 20, configurado como um filme, pode ser aplicado na base de uma camada superior de vidro que forma uma cobertura de proteção da célula fotovoltaica. Nesse exemplo, todo o alinhamento da cobertura de vidro (em termos de cavidades 51) precisa emparelhar-se com todas as células fotovoltaicas no módulo.
[047] A distância ‘d’ (Figura 4) entre o escudo de contato óptico 20 e a superfície da célula fotovoltaica, os perfis de cavidades ópticas, os parâmetros de ângulo superior (ângulo de prisma, alfa) e sua relação com a cobertura das superfície de contato (toda uma área ocupada pelas estruturas de superfície 10) podem ser simuladas e otimizadas. A Figura 4 e a Tabela 2 apresentam, dessa forma, várias soluções simuladas e otimizadas que atingiram ganhos.
Tabela 2. Soluções simuladas e otimizadas para um escudo de contato óptico 20, configurado na forma de filme, de acordo com a presente invenção, e ganho alcançado.
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Distância d da superfície de Angulo de abertura do Cobertura da superfície de Energia luminosa disponível Ganho silício/mm______________________ângulo a/°______________contato c/°________________coletada____________________________
0.106 31.333 8.556 0.994 108.6 %
0.106 37.778 8.556 0.993 108.6 %
0.040 44.222 8.556 0.991 108.4 %
0.171 18.444 8.556 0.990 108.3 %
0.106 44.222 8.556 0.990 108.3 %
0.171 31.333 8.556 0.987 107.9 %
0.171 24.889 8.556 0.987 107.9 %
0.040 50.667 8.556 0.986 107.9 %
0.171 37.778 8.556 0.986 107.8 %
0.106 50.667 8.556 0.985 107.7 %
0.171 44.222 8.556 0.983 107.5 %
0.040 57.111 8.556 0.982 107.3 %
0.106 57.111 8.556 0.980 107.2 %
0.237 18.444 8.556 0.979 107.1 %
0.171 50.667 8.556 0.979 107.1 %
0.237 31.333 8.556 0.976 106.8 %
0.237 24.889 8.556 0.976 106.7 %
0.237 37.778 8.556 0.975 106.7 %
0.302 18.444 8.556 0.974 106.6 %
0.040 63.556 8.556 0.974 106.5 %
0.171 57.111 8.556 0.973 106.4 %
0.106 63.556 8.556 0.972 106.3 %
0.237 44.222 8.556 0.972 106.3 %
0.302 31.333 8.556 0.971 106.2 %
0.302 24.889 8.556 0.971 106.2 %
0.302 37.778 8.556 0.970 106.1 %
0.040 18.444 4.778 0.999 105.0 %
0.106 18.444 4.778 0.999 104.9 %
0.040 24.889 4.778 0.998 104.8 %
0.106 24.889 4.778 0.998 104.8 %
0.171 18.444 4.778 0.997 104.7 %
0.040 31.333 4.778 0.996 104.6 %
0.106 31.333 4.778 0.996 104.6 %
0.171 24.889 4.778 0.995 104.5 %
0.171 31.333 4.778 0.994 104.4 %
0.040 37.778 4.778 0.993 104.2 %
0.106 37.778 4.778 0.993 104.2 %
0.171 37.778 4.778 0.992 104.1 %
0.237 18.444 4.778 0.991 104.1 %
0.106 44.222 4.778 0.991 104.1 %
0.040 50.667 4.778 0.990 104.0 %
0.237 24.889 4.778 0.990 104.0 %
0.040 44.222 4.778 0.990 104.0 %
0.106 50.667 4.778 0.990 104.0 %
0.171 44.222 4.778 0.989 103.9 %
0.237 31.333 4.778 0.989 103.8 %
0.040 57.111 4.778 0.987 103.7 %
0.106 57.111 4.778 0.987 103.7 %
0.171 50.667 4.778 0.987 103.7 %
0.237 37.778 4.778 0.986 103.6 %
0.302 18.444 4.778 0.986 103.5 %
0.106 63.556 4.778 0.985 103.5 %
0.040 63.556 4.778 0.985 103.5 %
[048] A Figura 6 mostra, dessa forma, um escudo de contato óptico 20, 20A com as cavidades de meio preenchidas (por exemplo, de ar) 51 antes de sua laminação em uma célula fotovoltaica. Uma linha tracejada entre as camadas 11 e 21 é indicativa de que ambas as configurações (com e sem a camada base 21) são possíveis.
[049] Há ainda referência à Figura 7 mostrando o escudo óptico 20, 20A configurado como vários elementos discretos (indicado pelos blocos (i), (ii) e (iii)). Cada elemento (i), (ii) e (iii) pode ser provido como um filme individual, uma placa ou uma tira disposta sobre o corpo de uma célula fotovoltaica de modo a estar alinhado com a disposição das estruturas de superfície 10 (por exemplo, os contatos). Em algumas modalidades (configuração 20), o elemento discreto (iii) compreende, pelo menos, um
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16/17 elemento portador 11; em outras modalidades (configuração 21), as estruturas discretas (i) e (ii) compreendem, ainda, a camada base 21. Cada estrutura discreta pode compreender uma única cavidade 51 ou várias cavidades. Estruturas discretas são distribuídas sobre a superfície da célula fotovoltaica; entretanto, sem prover cobertura integral a ela.
[050] Em outras modalidades, as estruturas discretas (i), (ii) e/ou (iii) podem ser dispostas de modo a formar uma grade. A grade pode ser formada por várias estruturas discretas na forma de tiras dispostas transversalmente, ou por várias estruturas na forma de placa ou filme individuais dispostas na forma de linhas, conforme uma ordem pré-determinada.
[051] Vale notar que cada estrutura discreta (i), (ii) e/ou (iii) compreende, no mínimo, um elemento de cavidade óptica 51, e que as referidas estruturas discretas estão alinhadas com as estruturas de superfície 10 distribuídas sobre a célula solar.
[052] As figuras 8A e 8B apresentam diferentes modalidades da célula fotovoltaica 201,201 A, compreendendo o escudo óptico configurado como na 20, 20A. O escudo 20, 20A pode ser configurado como uma estrutura na forma de filme contínuo ou placa que forneçam plena cobertura para toda a superfície da célula fotovoltaica, ou como uma estrutura discreta distribuída sobre os elementos de óptica da cavidade 51.
[053] O escudo óptico pode ser laminado por vários métodos e durante diferentes estágios de produção, tais como: a) em uma superfície do corpo da célula fotovoltaica 12, e b) entre o corpo da célula fotovoltaica 12 e uma camada protetora 14, como, por exemplo, vidro.
[054] O escudo óptico 20, 20A pode ser, dessa forma, provido com uma camada adesiva 13 de um lado (Figura 8A) ou em ambos os lados (nas faces mais inferiores e mais superiores, Figura 8B).
[055] O escudo óptico 20, 20A pode ser montado ainda no
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17/17 corpo de uma célula fotovoltaica 12 por um dispositivo de produção automatizado, no qual a montagem é implementada: a) de modo preciso na superfície do corpo da célula fotovoltaica 12; b) em toda a superfície do módulo fotovoltaico; e/ou c) para formar um “contato por fio” com uma superfície da célula fotovoltaica ou um módulo durante a instalação.
[056] A presente invenção minimiza a perda de potência óptica que consiste em perdas causadas por reflexão, perdas por sombreamento e perdas por absorção de luz incidente nas estruturas de contato. A montagem do escudo óptico apresentada neste instrumento é uma solução simples e econômica que mitiga as perdas mencionadas acima e traz ganho de eficiência em relação a saída de energia de células fotovoltaicas.
[057] Ao utilizar a montagem de escudo óptico ora apresentada, as perdas elétricas podem ser minimizadas pela 1) quantidade aumentada das estruturas de superfície 10 e seu tamanho, e pela 2) redução da distância, intervalo e período entre as estruturas de superfície 10, alcançando, assim, uma corrente elétrica reduzida por uma estrutura de superfície 10 (um contato) e resistência.
[058] Além disso, esta invenção tem suporte para a utilização de regiões altamente dopadas com fósforo (silício) sob grandes estruturas da superfície 10, como os contatos, de modo a aumentar a condutividade. Isso é benéfico quando regiões com alta e baixa dopagem são utilizadas, alcançando, dessa forma, alta condutividade e baixa carga de portador.
[059] Fica claro para um técnico no assunto que, com o avanço da tecnologia, as idéias básicas da presente invenção têm por objetivo abranger várias modificações incluídas no seu espírito e escopo. A invenção e suas modalidades não estão, dessa forma, limitadas aos exemplos descritos acima; de outro modo, elas podem geralmente variar conforme o escopo das reivindicações anexadas.

Claims (18)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. ESCUDO ÓPTICO (20, 20A) PARA CÉLULA FOTOVOLTAICA, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um elemento portador (11), o referido elemento portador compreende várias cavidades opticamente funcionais incorporadas (51) dispostas em pelo menos um padrão de relevo óptico pré-determinado (52), em que cada cavidade opticamente funcional incorporada em pelo menos um referido elemento portador é posicionada e alinhada sobre uma estrutura de superfície individual (10) provida na superfície do corpo da célula fotovoltaica (12).
  2. 2. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a estrutura de superfície individual (10) provida na superfície da célula fotovoltaica ser um eletrodo, um contato, um dedo coletor, ou um barramento.
  3. 3. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de compreender ainda um elemento de camada base plano e nivelado (21) disposto, em relação a pelo menos um elemento portador (11), de modo que as cavidades opticamente funcionais (51) fiquem entre os elementos (11,21).
  4. 4. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as referidas cavidades opticamente funcionais (51) serem preenchidas com um meio material interno tendo um índice de refração diferente do índice de refração de um meio material que fica em volta dessas cavidades.
  5. 5. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de cada cavidade opticamente funcional incorporada (51) ser configurada em relação ao seu tamanho, ao seu formato, às suas dimensões e às suas disposições, por pelo menos uma função refletiva, uma função refrativa, uma função defletora, e uma função difrativa.
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  6. 6. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de pelo menos um elemento portador (11) e/ou o elemento de camada base (21) ser de plástico polímero, vidro ou resina.
  7. 7. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as referidas cavidades opticamente funcionais incorporadas (51) serem providas na forma de ranhuras em formato V.
  8. 8. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as referidas cavidades opticamente funcionais incorporadas (51) serem preenchidas com um meio material interno fornecido na forma de fluído ou sólida.
  9. 9. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o meio material interno na forma de fluído ser selecionado de um grupo que consiste em: ar, gás e líquido.
  10. 10. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de cada cavidade opticamente funcional incorporada (51) ser pelo menos parcialmente revestida por uma camada opticamente funcional em que a função óptica da referida camada inclua, pelo menos, uma: reflexão especular, reflexão difusa ou reflexão seletiva de comprimento de onda.
  11. 11. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de, em termos de parâmetros dimensionais e sua disposição no padrão de relevo óptico (52), as cavidades opticamente funcionais incorporadas (51) individuais corresponderem às estruturas de superfície (10) providas na superfície da célula fotovoltaica.
  12. 12. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos
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    3/3 dois elementos portadores (11,11 A), sendo que cada elemento contenha várias cavidades opticamente funcionais incorporadas (51, 51 A) dispostas em, pelo menos, um padrão de relevo óptico pré-determinado (52, 52A), e em que as dimensões, o formato e a periodicidade das referidas cavidades opticamente funcionais em pelo menos um padrão de relevo óptico sejam individualmente ajustáveis para cada elemento portador.
  13. 13. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser configurado para cobrir a totalidade da superfície da célula fotovoltaica.
  14. 14. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 12, caracterizado pelo fato de ser configurado com vários elementos discretos (i), (ii) e/ou (iii), no qual cada elemento é posicionado e alinhado sobre a estrutura de superfície individual (10) provida na superfície do corpo da célula fotovoltaica (12).
  15. 15. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de os elementos discretos (i), (ii) e/ou (iii) estarem dispostos de modo a formar uma grade.
  16. 16. ESCUDO ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser configurado como um filme, uma placa ou uma tira.
  17. 17. CÉLULA FOTOVOLTAICA (201,201 A), caracterizada pelo fato de compreender um escudo óptico (20, 20A) conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 16.
  18. 18. CÉLULA FOTOVOLTAICA, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de compreender um escudo óptico (20) disposto sob sua a cobertura de proteção.
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