CN102884641B - 具有可切换的照明/反射的光伏电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结合了能量转换和照明选择的光伏电池装置和一种控制这样的装置的方法。其包括用于改变光吸收从而改变光伏电池（例如太阳能电池板）的外观的响应元件、反射器或光源。也可能使所述响应元件或反射器与光源结合，从而提供额外的照明。在与传感器和控制单元结合时，能够获得环境智能太阳能电池板和环境智能照明***。发光太阳能集中器（LSC）和发光装置的结合也是可能的，在这种情况下光伏电池在受到照射时对储能装置充电。所述能量储集对耦合至所述发光板的侧面的一个或多个光源供电。将所述光源发射的光耦合到所述板内，并由所述发光板对其进行（部分）转换。由此将得到均匀发光的板。

Description

具有可切换的照明/反射的光伏电池装置

技术领域

本发明总体涉及包括被布置为通过光伏效应将太阳光或者任何其他光源的能量转换成电能的电池或电池组的光伏电池装置。可以采用所述电池组制作太阳能电池板、太阳能模块、光伏阵列、太阳能集中器等。

背景技术

诸如光伏电池或太阳能电池的可再生绿色能源具有越来越高的重要性。对清洁能源的需求也不断增加。这样的光伏电池在日间收集光能，夜间则不工作。可以将其与太阳能集中器结合，或者可以使其直接暴露于太阳光下。放置这样的太阳能电池板的良好处所是建筑物朝南的前表面或者是在地上。反而，在夜间，由于可获得的光较少，而且太阳能电池的光吸收高，因而覆盖着太阳能电池板的建筑如看起来非常黑，因而需要其他照明提供方位，改善外观。

此外，在例如WO2006/088369A2中描述了并且在图2中示意性地示出了发光太阳能集中器（LSC）的原理。其基于含有诸如荧光染料的发光体40的透明（聚合物或玻璃）基质或板30。（太阳能）辐射被发光体40吸收并朝各个方向重新发射。除了荧光染料之外，也可以使用诸如量子点或量子杆的半导体纳米晶体或者磷光体作为发光体40。由于聚合物或玻璃板30内的内反射的原因，大部分重发射的光被引导到板30的能够附接太阳能电池20的侧面。因而，只须将小的太阳能电池20的有效面积用于相对较大的采集太阳光的面积，从而使所述装置在经济上有利。

到目前为止，LSC都被设计成一种低成本、大面积的太阳能电池。其内在颜色及其变化使得它们成为了有望结合到例如建筑物中的建筑砌块。然而，现有技术中的LSC的效率尚不足以与常规硅太阳能电池竞争，大规模地生成LSC作为替代能源还遥遥无期。因此，LSC的另一个潜在市场是作为较小的（消费）产品中的“装饰性”电源。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有提高的效率和/或降低的光吸收的光伏电池装置。

这一目的是通过根据本发明实施例的光伏电池装置和根据本发明实施例的控制光伏电池装置的方法实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种光伏电池装置，包括：

至少一个光伏电池，用于将所述光伏电池装置接收到的光能转换成电能；以及

至少一个光发射元件，适于可切换地将电能转换成光能；

其中，所述光伏电池装置适于提供其中所述至少一个光发射元件激活的第一工作模式以及其中所述至少一个光发射元件不激活而所述至少一个光伏电池激活的第二工作模式，

其中所述光伏电池装置还包括布置在所述至少一个光伏电池和所述至少一个光发射元件之间的可切换反射器，其适于在所述第一工作模式期间将所述至少一个光发射元件生成的所述光能朝向所述至少一个光发射元件反射回来，所述可切换反射器在所述第二工作模式期间是透明的从而使所述至少一个光伏电池能够接收光能。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制光伏电池装置的方法，所述方法包括：

在第一工作模式期间将所述光伏电池装置的光发射元件设置到激活状态，从而将电能转换成光能；以及

在第二工作模式期间将所述光发射元件设置到非激活状态，将所述光伏电池设置到激活状态，从而将所述光伏电池装置接收到的光能转换成电能，

其中所述光伏电池装置还包括布置在所述光伏电池和所述光发射元件之间的可切换反射器，其适于在所述第一工作模式期间将所述光发射元件生成的所述光能朝向所述光发射元件反射回来，所述可切换反射器在所述第二工作模式期间是透明的从而使所述光伏电池能够接收光能。

相应地，在光伏电池装置中提供光发射或反射元件，可以在第一工作模式期间将所述元件设置或切换成激活状态，从而将电能转换成光能，或者在所述光伏电池装置接收到的光能抵达光伏电池装置的光伏电池之前反射所述光能的至少一部分。在第二工作模式下，可以将所述光发射或反射元件设置或切换到非激活状态，可以将所述光伏电池切换到激活状态，从而将所述光伏电池装置接收到的光能转换成电能。这样做实现了例如在光伏电池不必激活时从所述光伏电池装置间歇地发射光或反射光，由此在这样的时候防止光吸收。此外，能够在太阳能集中器中有利地使用所提出的能量生成能力和照明应用的组合，从而提高效率以及提供均匀光发射。

根据上述解决方案的第一方面，所述光伏电池装置还可以包括用于使接收到的光能射向所述至少一个光伏电池的太阳能集中器，其中，在第一工作模式期间通过所述至少一个光伏电池生成的并存储在储能装置中的电能对所述至少一个光发射或反射元件供电。光伏电池在受到照射时可以对所述储能装置充电，可以采用所述储能装置为所述光发射元件供电：可以将所述光发射元件发射的光耦合回所述太阳能集中器，从而提供均匀的光发射。

在所述第一方面的具体实现中，所述太阳能集中器可以包括集成了发光体的透明板，所述发光体适于吸收辐射并向所有的方向重发射光，其中，使所述至少一个光伏电池以及所述至少一个光发射或反射元件附接到所述透明板的较小侧表面的至少其中之一，并且其中，通过所述透明板的较大的上、下表面的至少其中之一接收光能。在更加具体的例子中，可以将至少一个反射镜布置到所述较小侧表面中的另一个上或者布置到所述较大上、下表面中的另一个上。在另一个更加具体的例子中，可以使所述至少一个光伏电池和所述至少一个光发射或反射元件附接到所述透明板的同一侧表面上，并使其彼此相邻布置。因而，在上述实现中，可以采用所述透明板的较大的上表面和/或下表面作为不需要任何外部电源的透明光源。

根据上述解决方案的第二方面，所述光伏电池装置还可以包括布置在所述至少一个光伏电池和所述至少一个光发射或反射元件之间的可切换反射器，其适于在第一工作模式期间将所述至少一个光发射或反射元件生成的光能朝向所述至少一个光发射或反射元件反射回来。在一种具体的实现中，所述至少一个光发射或反射元件可以包括多个用于生成不同颜色的光的光源，所述多个光源相互挨着或者相互层叠放置。在一种更为具体的实现中，可以通过遥置磷光体层增强照明效果，所述磷光体层用于响应于所述至少一个光发射或反射元件的照明生成光能。因而，在日间可以使所述反射器透明，从而使所述光伏电池能够俘获太阳光。夜间可以开启反射器，从而降低光吸收，并反射光源生成的光。

例如，可以利用用于检测环境光水平的光传感器和用于响应于所述光传感器的输出将所述至少一个光发射或反射元件以及所述可切换反射器切换至激活状态的控制单元对所述可切换反射器加以控制。由此，可以调整照明设置，并且能够获得环境智能照明***。

根据所提出的解决方案的第三方面，所述至少一个光发射或反射元件可以是覆盖所述至少一个光伏电池的响应元件，在第二工作模式期间将所述响应元件切换到透明状态，在第一工作模式期间将所述响应元件切换到反射的非透明模式，并且其中，响应于光照射水平或外加电压电平的变化对所述响应元件进行切换。作为一个额外的选择，所述响应元件可以具有处于透明状态和非透明状态之间的至少一个额外的光学状态。因而，采用所述响应元件改变光吸收，从而改变所述光伏电池的外观。可以在日间将覆盖所述光伏电池（例如，太阳能电池板）的响应元件切换至透明状态，在夜间将其切换至非透明因而反射的状态。

在一种更为具体的实现中，所述至少一个光发射或反射元件可以包括设置于所述响应元件的顶部的额外响应元件或元件图案，从而提高或修改反射能力。

作为一个额外的选择，可以将至少一个光源布置到所述至少一个光伏电池的顶部或者与之挨着布置，所述至少一个光源在第一工作模式期间工作，其中，所述响应元件适于在接收自所述至少一个光源的光穿过所述响应元件传播时对所述光漫射。其提供的优点在于，在所述响应元件的非透明状态期间能够实现额外的照明。作为另一个选择，所述至少一个光源可以包括至少三个具有不同颜色的不同光源。由此，能够在第一工作模式期间在所述光伏电池上显示具有颜色的照明和像素（例如，用于实现静或者活动的图像或视频）。

根据所提出的解决方案的第四方面，可以额外提供至少一个波导，将所述至少一个光发射或反射元件生成的光能耦合到所述波导内，并在预定位置使光能从所述波导耦出。在第四方面的具体例子中，可以在所述至少一个光伏电池之上按照预定图案布置多个波导。由此能够避免遮蔽，省去空间要求以及复杂的布线或电极布置，从而防止光伏电池的能量转换效率的降低。

在另一个具体的例子中，所述至少一个波导可以包括在耦合到所述至少一个波导内的光能穿过所述波导传播时对所述光能进行反射或衍射的集成光学部件。作为替代的或者额外的选择，所述至少一个波导可以包括光栅结构、全息结构、光子晶体结构和多层涂覆层的至少其中之一，从而在耦合到所述至少一个波导内的光能穿过所述波导传播时对所述光能提供反射或衍射效果。由此使光伏电池在第一工作模式下的照明或光照能够增强、结构化或受到修改。

本发明的这些和其他方面将通过下文描述的实施例变得明了，并将参考其得到阐述。

附图说明

在下述附图中：

图1A和图1B示出了光伏电池装置的放置选择；

图2示出了能够设置于光伏电池装置内的发光太阳能集中器的示意性侧视图；

图3示出了根据第一实施例的具有发光太阳能集中器的光伏电池装置的示意性透视分解图；

图4示出了根据第二实施例的具有发光太阳能集中器的光伏电池装置的示意性透视分解图；

图5示出了根据第三实施例的具有发光太阳能集中器的光伏电池装置的示意性透视局部分解图；

图6示出了根据第四实施例的具有光源和可切换反射器的光伏电池装置的截面图；

图7示出了根据第五实施例的具有多个相邻的光源和可切换反射器的光伏电池装置的截面图；

图8示出了根据第六实施例的具有多个叠置光源和可切换反射器的光伏电池装置的截面图；

图9示出了根据第七实施例的具有光源、磷光体层和可切换反射器的光伏电池装置的截面图；

图10示出了用于根据第四到第七实施例的具有光源和可切换反射器的光伏电池装置的控制***的示意性方框图；

图11A和11B示出了根据第八实施例的具有响应元件的光伏电池装置的截面图和平面图；

图12A到12C示出了根据第九实施例的具有响应元件的光伏电池装置的截面图；

图13A到13C示出了根据第十实施例的具有响应元件的光伏电池装置的截面图；

图14A和14B示出了根据第十一实施例的具有多个响应元件的光伏电池装置的截面图；

图15A和15B示出了根据第十二实施例的具有响应元件和光源的光伏电池装置的不同工作模式的截面图；

图16A和16B示出了根据第十三实施例的具有响应元件和多色光源的光伏电池装置的截面图；

图17A和17B示出了将光伏电池装置放置到建筑物上的不同选择；

图18A和18B示出了根据第十四实施例的具有波导的光伏电池装置的截面图；

图19A和19B示出了根据第十五实施例的具有多个波导的光伏电池装置的截面图；

图20A和20B示出了根据第十六实施例的具有多个波导的光伏电池装置的平面图；

图21A和21B示出了根据第十七实施例的具有波导图案的光伏电池装置的平面图；

图22A和22B示出了根据第十八实施例的具有波导和集成的磷光体元件的光伏电池装置的截面图；

图23A和23B示出了根据第十九实施例的具有波导和集成光学功能的光伏电池装置的截面图；

图24A和24B示出了根据第二十实施例的具有波导和分散的反射元件的光伏电池装置的截面图；以及

图25A和25B示出了根据第二十一实施例的具有波导和周期性结构的光伏电池装置的截面图。

具体实施方式

图1A和1B示出了放置光伏电池装置或者对其定位的不同选择，例如，所述光伏电池装置是具有多个光伏电池20的太阳能电池板、太阳能模块或光伏阵列。这样的光伏电池20在日间收集光能，夜间则不工作。可以将其放置到地10上（图1A），或者可以将其放置到建筑物12面向南方的前表面上（图1B）。

出于上述或者其他目的，可能希望将小的光伏电池有效面积用于相对较大的收集太阳光的面积，从而使光伏电池装置在经济上有利。可以通过太阳能集中器实现这一目的。由于聚合物或玻璃基质或者聚合物或玻璃板内的内反射的原因，大部分重发射的光被引导至所述板的侧面，可以使光电池附接到所述侧面上，从而降低所述电池的有效面积。

图2示出了能够设置于光伏电池装置内的发光太阳能集中器（LSC）的示意性侧视图。

其以透明（聚合物或玻璃）基质或板30为基础，所述基质或板含有荧光染料或者生色团或发光体（点）40，它们吸收太阳光（虚线箭头）并发射被光伏电池或者更具体而言被太阳能电池20吸收的波长更长的光（实线箭头）。辐射被发光体40吸收并朝向各个方向重发射。除了荧光染料之外，也可以使用诸如量子点或量子杆的半导体纳米晶体或者磷光体作为发光体40。由于透明板30内的内反射的原因，大部分重发射的光被引导到透明板30的能够附接太阳能电池20的侧面。因而，只须将小的太阳能电池20的有效面积用于相对较大的采集太阳光的面积，从而使所述装置在经济上有利。

发光装置（LED）当前正在经历着快速的发展，而且（不久的）将来将替代常规光源。LED的低功耗和小工作面积将实现新的应用、架构，并且将促进现有产品中的集成。

提出通过向LSC引入发光功能实现对应用性、效率和装饰性方面的显著改进。一种可能的应用实例可以是光导装置等，其含有耦出结构，其中，LED或其他光源附接至所述侧面之一。这样的装置通常需要可再充电电池支持其工作，可以采用（例如）外部太阳能电池对所述可再充电电池充电。提出采用集成的太阳能电池替代外部电源。因而，所述装置由LSC和发光装置的组合构成。对由含有发光体的发光基质以及附接至所述侧面的太阳能电池构成的常规LSC进行扩展，使之具有至少一个光源（例如，LED）和储能装置。所述太阳能电池在受到照射时对所述储能装置（例如，电池）充电。所述电池对耦合至发光板的侧面的一个或多个LED供电。将所述LED发射的光耦合到所述板内，并通过发光基质对其进行（部分）转换。由此得到了均匀发光的板。

图3示出了根据第一实施例的具有LSC的光伏电池装置的示意性透视分解图。

所述装置包括透明基质或板30，其沿竖直的z向的尺寸显著小于水平的x和y方向的尺寸。在透明板30内或者在透明板30的上面集成了吸收（太阳能）辐射并向所有方向重发射光的发光体40。使一个或多个太阳能电池20附接到所述透明板30的较小的侧面上。使一个或多个LED50（的阵列）附接到所述基质的其他较小的侧面上。可以使反射镜60附接到其余的较小的侧面上。可以在太阳能电池20、LED（阵列）50或镜60的背面集成储能装置。所述储能装置也可以是单独的部件，而未集成到所述装置内。

文中公开的本发明使LSC的能量生成能力与照明应用相结合。除了太阳能电池20以外，将一个或多个优选为LED50的小光源安装到LSC的侧面上。在第一LSC工作模式中，将太阳能转换成电，并将其存储在集成的电池（即储能装置）内。在第二LED工作模式中，将LED50（由所述电池供电）发射的光耦合到所述透明板30内。透明板30内（或者顶部）的发光体40吸收所述光并向各个方向重发射光。所述重发射的光将（假设发光体的量子效率为100%）：

a)通过逃逸锥面逃逸出所述平板；

b)被射向所述板30的侧面，在该处其被太阳能电池20吸收；或者

c)被射向所述板30的侧面，在该处其被LED50或者所附接的镜60反射，并且/或者

d)被另一发光体40再次吸收，之后遵循步骤（a）-（c）被再一次重发射。

由于内反射的原因，从透明板30经由逃逸锥面逃逸的光将导致产生从前端和/或后端均匀发射光的平板。

所提出的LSC-LED是一种在LSC工作模式下由太阳能发电从而对电池充电的光伏电池装置。在LED工作模式下，所述装置由同一电池供电，从而提供由所述板发出的均匀光。

图4示出了根据第二实施例的具有LSC的光伏电池装置的示意性透视分解图。

LED50可以具有相对较小的面积，因此不必覆盖透明板30的整个一个侧表面。因此，在第二实施例中，使LED50挨着太阳能电池20或镜60放置。在图4中示出了使LED50挨着太阳能电池20放置的示范性情况。

根据透明板30的几何结构、太阳能电池20的效率、LED50的效率和尺寸以及应用的类型，能够找到这些部件中的每者的数量的最佳值，以及将其安装在哪些侧面上。例如，可以优选使太阳能电池20处于LED50的对面，或者在另一实施例中，可以优选使镜60处于LED的对面。

图5示出了根据第三实施例的具有发光太阳能集中器的光伏电池装置的示意性透视局部分解图。

在所述第三实施例中，根据应用（例如，对于非透明灯而言），优选还将后镜（back-mirror）65放置到所述装置的底面（或上面）上，如图5所示。通过这种方式，未被透明板10吸收的（太阳能）辐射再次被反射回透明板10内，使得其具有了另一次被吸收的机会。此外，在LED工作模式期间，发光体40发射的光只能从透明板30的一个侧面逃逸。

就具体实现而言，透明板30的基质可以在例如400和900nm之间的范围内，优选在例如300-1000nm的范围内是透明的。其可以由聚合物构成，也可以由聚合物的混合物构成，例如，甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、甲基丙烯酸十二酯（LMA）、甲基丙烯酸2-羟乙酯（HEMA）和二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDM）。在制作聚合物基质时，可以从纯单体开始，或者从诸如聚甲基丙烯酸乙酯的预聚合材料开始，也可以从单体和预聚合物的混合物开始。所述基质也可以由诸如玻璃（二氧化硅）、氧化铝或二氧化钛的无机透明材料构成。

可以将***到透明板30内（或者位于其顶部）用于吸收和重发射光的发光体40划分为三个不同的材料类别：

1.荧光有机染料是有优势的发光体，因为其具有高量子效率和相对较高的光稳定性。

2.半导体纳米晶体或量子点（QD）。这些无机纳米颗粒具有吸收带宽、发射带窄的优点。

3.无机磷光体（稀土离子）的优点在于具有接近100%的效率并且具有光稳定性。

上述发光体40（处于一类当中或者是不同类的组合）的混合物可以是有利的，因为一般而言能够吸收更宽的谱内的辐射。例如，QD能够充当宽带吸收体，并将其能量转移至具有窄的红移发射带的磷光体。QD和染料的组合可以通过类似的方式发挥优势。将不同的染料结合到一个透明板30内还将使吸收带变宽，并且能够将高能量光向下变换成低能量光。此外，还可以通过***不同发光体40的混合物调节（例如，出于审美或发送信号的原因）所述板在LED工作模式期间的颜色。

附接至所述装置的侧面的太阳能电池20原则上可以是任何当前可得的电池。太阳能电池的选择取决于对所使用的发光体40的发射带的最佳覆盖、总效率、成本以及制作出具有要求的尺寸的电池的可能性。可以根据LSC-LED装置的具体效率/成本期望选择现有类型之一的硅太阳能电池（单晶、多晶、非晶或薄膜）。GaAs或InGaP电池价格更高一些，但是在希望LSC-LED具有高的总效率的情况下，其可以是有利的。在某些特定的情况下，薄膜CdTe太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池或串列电池也可能是有利的。

就非矩形的LSC-LED装置而言，可以采用能够适应LSC的形状的柔性类型太阳能电池20。

附接至LSC的侧面的LED50可以是无机LED，其在发光体40吸收光的区域内发光。可以将现有的紫外线（UV）、蓝光或绿光发射LED，例如，InGaN或GaN用于这一应用。发光体40可以将LED50发射的光转换成所选的其他波长。

假设采用蓝光或UVLED50，那么具有处于该范围内的吸收带的发光体40可以存在于基质内（或其顶部），从而吸收所述光并将其转换成能量较低的光。在这种情况下，可以将吸收LED50发射的光的发光体40设置为按照一定的浓度梯度分布于透明板30（的体积内或表面上）。通过使该发光体40的浓度朝所述侧面降低，能够使LED50发射的光在透明板30的范围内以均等分布的方式被吸收（和重发射）。有机LED（O-LED）也可能适于作为所提出的根据第一到第三实施例的LSC-LED装置中的光源。

所述储能装置可以是可再充电电池或超电容。可以将其作为附接至镜60、太阳能电池20或LED50的薄膜部件集成，从而得到紧凑的LSC-LED装置。在其他应用中，所述储能装置可以是未直接集成到LSC-LED装置内的单独部件。尽管这样增大了LSC-LED装置的总尺寸，但是其可能更具成本效率。

所提出的LSC-LED装置适用于室内或室外孤立型照明应用。对于室内应用而言，可以提供低功率消费品，其中，所述LSC-LED装置不仅向所述应用（例如，遥控器）提供能量，还充当所述应用的发光部分，所述发光部分可以是功能性的和/或装饰性的。例如，其他室内应用可以是装饰性用具（例如，花瓶），或者可以作为新型建筑材料集成到建筑物内（例如，作为窗/透明灯）。

对于室外应用而言，可以提供孤立型室外照明（公园、小路等）或者孤立型广告照明（晚上发光的字符/符号）。

另一应用可以是仅以LED工作模式工作的阅读灯，其以可再充电电池为电源。作为外部电源（来自电网或外部太阳能电池）的替代（或者除此之外）可以采用在同一装置内集成的太阳能电池20（和镜60）对所述电池充电。

对于在可见区域完全透明的透明灯（或阅读灯）而言，可以采用与红外（IR）发射器结合的UVLED。为了实现装饰性目的，所述灯可以具有颜色。如果采用发射可见光的发光体，那么所述灯在日间（即使只存在漫射的太阳光）和夜间（如果LED是开启的）都将发光。应当注意，一种令人感兴趣的做法可以是使所提出的LSC-LED装置与可以用于标志（例如，用于紧急出口）的发光板的进行结合，所述发光板含有具有倾斜发光侧面的字符和/或简单图画。可以通过在LSC板的正面或背面按照优选角度做出小的沟槽而获得所述字符或图画，其中，所述优选角度处于15和75度之间。所述沟槽将发光体或生色团重发射的光有效地耦出，从而使所述字符和/或图画在LSC和LED工作模式下都清晰可见。因而，通过提供耦出结构和/或图案化发光材料将入射光（例如，太阳光、LED、OLED光等）转换成了用于标志图样的发光光。

作为替代，所提出的结合了能量转换和照明/反射能力的光伏电池装置可以包括具有（O）LED的可切换反射器。在日间，所述可切换反射器或反射元件是透明的，来自太阳或其他光源的光被太阳能电池俘获（太阳能发电模式）。夜晚，开启所述可切换反射器或反射元件，从而反射所述光源产生的光的全部或至少一部分（照明模式）。出于这一目的，提出采用诸如透明OLED、LED和遥置磷光体照明配置的扩展光源的至少其中之一。

作为一种额外的选择，可以集成传感器和控制机构，其中，所述传感器能够检测环境照明水平，所述控制机构基于所述传感器的输出将光源和可切换反射器设置到功能开态（即，激活状态）。所述传感器还可以测量人的出现或动作，以调整照明设置，通过这种方式获得了一种环境智能照明***。可以将所述LED布置到所述太阳能电池（集中器）的顶部，或者使所述LED分开挨着光伏电池放置。

图6示出了根据第四实施例的具有光源55和可切换反射器70的光伏电池装置的截面图。光源55可以是透明OLED或LED，可以将其放置到可切换反射器70的顶部，从而覆盖整个具有其太阳能电池的太阳能电池板25。例如，可以将透射型大面积照明OLED作为光源55直接放置到可切换反射器70的顶部。

也可能以相互挨着的方式或者按照相互层叠的方式采用多个光源，将联系第五和第六实施例对此予以说明。

图7示出了根据第五实施例的具有多个相邻的光源56和可切换反射器70的光伏电池装置的截面图。使多个光源56在覆盖整个太阳能电池板25的可切换反射器70的顶部相互挨着放置。例如，所述多个光源56可以是红色（R）的、绿色（G）的和蓝色（B）的发射OLED，或者可以是任何其他颜色组合。通过这种方式能够获得所有可能的光的颜色。通过这种配置，可以在照明模式期间将所述装置用于标志图样、信号发送、成像或视频目的。

另一种可能性是采用边发射白色LED。在采用RGB边发射LED的情况下，也可以将所述装置用于标志图样、信号发送、成像或视频目的。

图8示出了根据第六实施例的具有多个叠置的光源55-1到55-3和可切换反射器70的光伏电池装置的截面图。将所述叠置的多个光源55-1到55-3相互层叠，并放置到可切换反射器70的顶部，从而覆盖整个太阳能电池板25。可以再采用RGBOLED或者其他颜色组合。此外，也可以采用这一配置来提高太阳能电池板25发射的光的量。

除了OLED和LED以外，还可以采用遥置磷光体照明配置。

图9示出了根据第七实施例的具有光源、磷光体层和可切换反射器的光伏电池装置的截面图。可以将遥置磷光体配置或层80布置到处于LED50之上的透明载体层上，从而使之受到LED50发射的光的激励。

对于上述第四到第七实施例的修改而言，所述光源55和可切换反射器70可以只局部覆盖所述太阳能电池板25。由此，能够将光源55和可切换反射器70成形为图形文本的形式，因而可以将所述装置用于标志图样、文本或图像应用。

具有可切换反射器70和固态照明（SSL）光源55的太阳能电池板25可以具有任何形状，例如，曲面形状或者成角度的形状。

所述可切换反射器70可以包括但不限于聚合物分散液晶（PDLC）、液晶凝胶（LC凝胶）、胆甾醇型LC装置、共面电泳装置、电润湿装置、电致变色装置、悬浮颗粒装置、可切换光子带隙装置等。

希望可切换反射器70在透明模式下具有高透射率。采用诸如PDLC、LC凝胶和其他装置的装置能够获得超过80%的优选透射率。

图10示出了用于根据第四到第七实施例的具有光源55和可切换反射器70的光伏电池装置的控制***的示意性方框图。所述控制***可以是集成的，其包括传感器85和控制单元（例如，控制器、中央处理单元（CPU）等）90。所述传感器85适于检测环境照明水平，所述控制单元90适于根据所述传感器的输出将光源55和可切换反射器70设定至功能开态（即，照明模式期间的激活状态）。

所述传感器85还可以测量人的出现或动作，以调整照明设置，通过这种方式能够获得环境智能照明***。

作为另一替代方案，所提出的结合了能量转换和照明/反射能力的光伏电池装置可以包括至少一个用于改变具有其太阳能电池或光伏电池的太阳能电池板的外观的响应元件。覆盖太阳能电池板的响应元件在日间处于透明状态（太阳能发电模式），在夜间则处于非透明状态（反射模式）。例如，覆盖太阳能电池板的响应元件在暴露于太阳光下时从有色状态变为透明状态（例如，热致变色、光致变色）。也可能以电的方式调整所述外观，例如，采用聚合物分散液晶（PDLC）、液晶凝胶（LC凝胶）、胆甾醇型液晶单元、电致变色单元、电润湿装置、（共面可切换）电泳装置、悬浮颗粒装置、可切换光子带隙装置等。

此外，可以采用电可切换响应元件，例如，PDLC、LC凝胶、电泳和电润湿。也可能使这些元件与LED结合，从而在黑暗中提供额外的照明。提出了将处于太阳能电池板顶部的光源放置到所述响应层的后面。此外，与图10类似，在与传感器和控制单元结合时，将获得环境智能装饰板和环境智能照明***。

图11A和11B示出了根据第八实施例的具有响应元件70的光伏电池装置的截面图（左侧部分）和平面图（右侧部分）。

日间，太阳能电池板25在收集模式下工作，此时响应元件70处于透明模式（图11A）。在太阳能电池板25的不工作模式（例如，在夜间），响应元件70处于非透明状态，例如白色反射状态（图11B）。响应元件70可以是以非电的方式可调节的（例如，热致变色、光致变色）或者可以是电可调节的（如图11A和11B所示）。

图12A到12C示出了根据第九实施例的具有响应元件72的光伏电池装置的截面图。这里，响应元件72根据例如电压电平或者环境光的水平具有两个以上的光学状态。由此，可以将响应元件72设置到例如透射状态（图12A）、半透射状态（图12B）和非透射从而反射的状态（图12C）。

图13A到13C示出了根据第十实施例的具有响应元件74的光伏电池装置的截面图。这里，可以将响应元件74配置为在（阳光充足的）日间也具有非透明状态（图13B）。

图14A和14B示出了根据第十一实施例的具有多个响应元件76、78的光伏电池装置的截面图。这里，太阳能电池板25设有第一响应元件76和布置在所述第一响应元件76的顶部的第二响应元件78。第二响应元件78可以具有与第一响应元件76相同的尺寸，因而可以覆盖相同的太阳能电池板25的面积（图14A），或者可以将第二响应元件配置成一定的图案或者多个子元件，因而可以只局部覆盖所述第一响应元件76（图14B）。在第一种情况下，可以通过单独切换所述两个响应元件76、78而设置不同程度的透射率。在后一种情况下，可以由第二响应元件生成文本或图像，从而用于标志图样或信号发送目的。

图15A和15B示出了根据第十二实施例的具有响应元件79和光源50、52的光伏电池装置的不同工作模式的截面图。

在所述第十二实施例中，使响应元件79与LED结合，从而在黑暗中提供额外的照明。提出将光源50放置到具有其太阳能电池20的太阳能电池板的顶部（图15A），或者将光源52分开挨着响应层79后面的太阳能电池20放置（图15B）。在将光源（例如，LED）50、52放到响应元件79后面时，如果所述响应元件79能够提供衍射效果，那么安装了所述太阳能电池板的建筑物将能够获得漫射照明外观。

图16A和16B示出了根据第十三实施例的具有响应元件和多色光源52R、52G和52B的光伏电池装置的截面图。可以采用所述与多色光源（例如，RGBLED）52R、52G、52B的组合生成动态颜色效果。可以将所述多色光源52R、52B、52GRGB放置到太阳能电池板的顶部（图16A）或者使其在用于实现多色（例如RGB）照明的漫射的响应层79的后面分开挨着光伏电池20放置（图16B）。

此外，在如图10所示与传感器和控制单元结合时，能够获得环境智能装饰板和环境智能照明***。

图17A和17B示出了将光伏电池装置放置到建筑物上的不同选择。

可以使太阳能电池20与太阳能集中器结合，并集成到窗14内（图17A），或者可以使太阳能电池20在建筑物12的前表面上直接暴露于太阳光下（图17B）。

如上文所述，可以使太阳能电池20与太阳能集中器结合，或者可以使其直接暴露于太阳光下。已经证实这样的太阳能集中器能够使***的效率提高十倍以上。可以将这样的结构集成到窗内，但是也可以将其安装到建筑物的前表面上。尽管在日间能够采用这样的结构发电，但是如上文所述已经提出采用光学部件为太阳能电池赋予额外的（例如）夜间照明功能。然而，在上文的第一到第十三实施例中描述的配置要么会遮蔽落到太阳能电池上的光，要么会在它们之间占据空间，从而导致效率降低。此外，这些光伏电池装置采用复杂的导线结构或电极图案来驱动其电源。因而，可能降低能量转换效率。此外，在这样的装置中结合数百光源是相当昂贵的。

因此，作为另一替代方案，所提出的结合了能量转换和照明/反射能力的光伏电池装置可以包括波导，其中，将光源（例如，LED和/或激光器）生成的光耦合到处于所述太阳能电池和/或太阳能集中器的前面的波导内，并使其在预期位置耦出。因而，能够在不降低效率的情况下实现预期的光照或照明功能。

此外，还可以将其他光学部件（比如，磷光体颗粒、磷光体陶瓷、光学功能和反射薄片）集成到所述波导内，从而提供所述太阳能电池板的增强的照明效果。此外，在与传感器和控制单元结合时，能够获得环境智能太阳能照明***。

图18A和18B示出了根据第十四实施例的具有波导100的光伏电池装置的截面图。在图18A中，将来自LED50的光耦合到布置在具有太阳能电池20的太阳能电池板上的波导100内。在图18B中，将来自激光器（二极管）54的光耦合到波导100内。

图19A和19B示出了根据第十五实施例的具有多个波导100-1到100-3的光伏电池装置的截面图。这里，按照相互层叠的方式提供两个（图19A）或三个（19B）可以具有不同长度的波导100-1到100-3。通过相应的光源50-1到50-3（例如LED或激光器）将光耦合到波导内。

图20A和20B示出了根据第十六实施例的具有多个波导100或者100-x和100-y的光伏电池装置的平面图。这里，使多个波导100或100-x和100-y相互挨着放置到太阳能电池20的顶部。在20B中，提供第一层平行的波导100-x，并使其具有沿第一方向的取向，在所述第一层的下面或顶上提供第二层平行的波导100-y，其中，第二层的波导100-y具有沿垂直于所述第一方向的第二方向的取向。在图20A中，通过相应的光源50（例如，LED或激光器）将两个不同的光束耦合到每一波导100内，而在图20B中，则通过相应的单个光源50将一个光束耦合到每一波导100-x、100-y内。

在下面的第十七实施例中，采用光纤102、104作为具有提高的照明效果的波导。

图21A和21B示出了根据第十七实施例的具有光纤波导图案的光伏电池装置的平面图。在图21A中，在太阳能电池上提供具有曲流形状的单条光纤波导图案102，而在图21B中，将额外的第二波导图案104按照90度的角位移布置到所述第一光纤波导图案102的顶部。通过相应的光源50（例如LED或激光器）将光耦合到两个光纤波导图案内。

也可以将光学部件集成到所述波导内，从而增强太阳能电池板的照明效果，下述实施例中将对此予以说明。

图22A和22B示出了根据第十八实施例的具有波导和集成的磷光体元件82、84的光伏电池装置的截面图。

在第十八实施例中，将磷光体颗粒（图22A）和/或磷光体陶瓷（图22B）集成到布置在太阳能电池20的板顶部的波导100内。光源50（例如，LED或激光器）可以适于将蓝-紫光或者UV光耦合到波导100内，在该处其与磷光体光结合，从而为所述光伏电池照明装置获得了包括白色在内的所有其他颜色。例如，可以使磷光体颗粒82散布在波导100内。可以在波导100内或者在波导100的顶部提供磷光体陶瓷84，从而使其形成预期的图案。也可能从不同的表面生成不同颜色的光。此外，可以采用各种磷光体形状，以创造其他照明效果。

图23A和23B示出了根据第十九实施例的具有波导100和集成光学功能110、120的光伏电池装置的截面图。在图23A中，通过将气泡结合到波导100内实现所述光学功能，而在图23B中，通过在波导100内和/或波导100上提供沟槽实现所述光学功能。

图24A和24B示出了根据第二十实施例的具有波导100和分散的反射元件130、132的光伏电池装置的截面图。在图24A中，所述反射元件是在波导100内提供的具有不规则形状的反射颗粒130，而在图24B中，所述反射元件是在波导100内提供的反射薄片132或者其他具有平坦形状的元件。

作为额外的或者替代的选择，波导100可以设有各种周期性结构，其将表现出取决于角度的波长反射和衍射效果。可以采用光栅结构或者多层涂覆层获得这些效果。也可能采用全息结构以及光子晶体结构。可以在波导100内包含所提出的结构和层，从而使其表现出取决于角度的波长反射和衍射，由此产生太阳能电池板的增强的照明效果。

图25A和25B示出了根据第二十一实施例的具有波导100和周期性结构140、150的光伏电池装置的截面图。在图25A中，所述周期性结构是在波导100上提供的光子晶体140，而在图25B中，所述周期性结构是在波导100的顶部提供的多层涂覆层150。

上述第十四到第二十一实施例可以再次如结合图10所描述的那样与传感器和控制单元（以及用于孤立用途的任选的储能装置）结合，从而提供环境智能光伏电池照明***。

总之，描述了一种结合了能量转换和照明选择的光伏电池装置和用于控制这样的装置的方法。其包括用于改变光吸收从而改变光伏电池（例如太阳能电池板）的外观的响应元件、反射器或光源。也可能使所述响应元件或反射器与光源结合，从而提供额外的照明。在与传感器和控制单元结合时，能够获得环境智能太阳能电池板和环境智能照明***。发光太阳能集中器（LSC）和发光装置的结合也是可能的，在这种情况下光伏电池在受到照射时对储能装置充电。所述能量储集对耦合至发光板的侧面的一个或多个光源供电。将所述光源发射的光耦合到所述板内，并由所述发光板对其进行（部分）转换。由此将得到均匀发光的板。

尽管在附图和前述说明中对本发明给出了详细的图示和描述，但是应当将这样的图示和描述看作是说明性的或者示范性的，而非限定性的。本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图、公开的内容和所附权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实不表示不能有利地采用这些措施的组合。

不应将权利要求中的任何附图标记解释为限制其范围。

本发明涉及一种结合了能量转换和照明选择的光伏电池装置和一种控制这样的装置的方法。其包括用于改变光吸收从而改变光伏电池（例如太阳能电池板）的外观的响应元件、反射器或光源。也可能使所述响应元件或反射器与光源结合，从而提供额外的照明。在与传感器和控制单元结合时，能够获得环境智能太阳能电池板和环境智能照明***。发光太阳能集中器（LSC）和发光装置的结合也是可能的，在这种情况下光伏电池在受到照射时对储能装置充电。所述能量储集对耦合至所述发光板的侧面的一个或多个光源供电。将所述光源发射的光耦合到所述板内，并由所述发光板对其进行（部分）转换。由此将得到均匀发光的板。

Claims (14)

1.一种光伏电池装置，包括：

至少一个光伏电池（20），用于将所述光伏电池装置接收到的光能转换成电能；以及

至少一个光发射元件（50；52；54；55；56；72；74；76；78；79），适于可切换地将电能转换成光能；

其中，所述光伏电池装置适于提供其中所述至少一个光发射元件（50；52；54；55；56；72；74；76；78；79）激活的第一工作模式以及其中所述至少一个光发射元件（50；52；54；55；56；72；74；76；78；79）不激活而所述至少一个光伏电池激活的第二工作模式，

其中所述光伏电池装置还包括布置在所述至少一个光伏电池（20）和所述至少一个光发射元件（50；55；56）之间的可切换反射器（70），其适于在所述第一工作模式期间将所述至少一个光发射元件（50；55；56）生成的所述光能朝向所述至少一个光发射元件（50；55；56）反射回来，所述可切换反射器（70）在所述第二工作模式期间是透明的从而使所述至少一个光伏电池（20）能够接收光能。

2.根据权利要求1所述的装置，

还包括太阳能集中器，用于使所述接收到的光能射向所述至少一个光伏电池（20），其中，在所述第一工作模式期间，通过由所述至少一个光伏电池生成的并存储在储能装置内的电能对所述至少一个光发射元件（50）供电。

3.根据权利要求2所述的装置，

其中，所述太阳能集中器包括集成了发光体（40）的透明板（30），所述发光体适于吸收辐射并向所有的方向重发射光，其中，使所述至少一个光伏电池（20）以及所述至少一个光发射元件（50）附接到所述透明板（30）的较小侧表面的至少其中之一，并且其中，通过所述透明板（30）的较大的上、下表面的至少其中之一接收光能。

4.根据权利要求3所述的装置，

还包括布置在所述较小侧表面中的另一个上或者所述较大的上、下表面中的另一个上的至少一个反射镜（60，65），或者还包括用于将入射光转换成用于标志图样用途的发光的耦出结构和/或图案化发光材料。

5.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述至少一个光发射元件（55；56）包括多个用于生成不同颜色的光的光源（55-1，55-2，55-3），所述多个光源相互挨着或者相互层叠布置；或者其中，提供遥置磷光体层（80），从而响应于所述至少一个光发射元件（50）的照明生成光能。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括：

用于检测环境光水平的光传感器（85）；以及

用于响应于所述光传感器（85）的输出将所述至少一个光发射元件（55）和所述可切换反射器（70）切换到激活状态的控制单元（90）。

7.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述至少一个光发射元件（50；52；54；55；56；72；74；76；78；79）包括至少一个覆盖所述至少一个光伏电池（20）的响应元件（72；74；76；78；79），其在所述第二工作模式期间被切换至透明状态，在所述第一工作模式期间被切换至反射的非透明模式，并且其中，响应于光照射水平或者外加电压电平的变化对所述响应元件进行切换。

8.根据权利要求7所述的装置，

其中，所述响应元件（72；74；76；79）具有至少一个处于所述透明状态和所述非透明状态之间的额外光学状态。

9.根据权利要求7所述的装置，

还包括至少一个布置在所述至少一个光伏电池（20）的顶部或者与之挨着布置的光源（50；52），所述光源在所述第一工作模式期间工作，其中，所述响应元件（79）适于在接收自所述至少一个光源（50；52）的光穿过所述响应元件（79）传播时对其进行漫射。

10.根据权利要求1所述的装置，

还包括至少一个波导（100；102，104），使所述至少一个光发射元件（50；52；54；55；56；72；74；76；78；79）生成的光能耦合到所述至少一个波导内，并使光能在预定位置从所述至少一个波导耦出。

11.根据权利要求10所述的装置，

其中，在所述至少一个光伏电池（20）之上按照预定图案布置多个所述波导（102，104）。

12.根据权利要求10或11所述的装置，

其中，所述至少一个波导（100；102，104）包括集成光学部件（82；84；110；130；132），在耦合到所述至少一个波导（100；102，104）内的所述光能穿过所述波导（100；102，104）传播时，所述集成光学部件对所述光能进行反射或衍射；或者所述至少一个波导包括光栅结构（120）、全息结构、光子晶体结构和多层涂覆层（140；150）的至少其中之一，从而在耦合到所述至少一个波导（100；102，104）内的所述光能穿过所述波导（100；102，104）传播时对所述光能提供反射或衍射效果。

13.一种控制光伏电池装置的方法，所述方法包括：

在第一工作模式期间将所述光伏电池装置的光发射元件（50；52；54；55；56；72；74；76；78；79）设置到激活状态，从而将电能转换成光能；以及

在第二工作模式期间将所述光发射元件（50；52；54；55；56；72；74；76；78；79）设置到非激活状态，将所述光伏电池（20）设置到激活状态，从而将所述光伏电池装置接收到的光能转换成电能，

其中所述光伏电池装置还包括布置在所述光伏电池（20）和所述光发射元件（50；55；56）之间的可切换反射器（70），其适于在所述第一工作模式期间将所述光发射元件（50；55；56）生成的所述光能朝向所述光发射元件（50；55；56）反射回来，所述可切换反射器（70）在所述第二工作模式期间是透明的从而使所述光伏电池（20）能够接收光能。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中所述第一工作模式用于消费品或建筑物上的标志图样、照明、图像显示的至少其中之一。