TWI400812B - 太陽能電池模組及其電磁波收集裝置 - Google Patents

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Description

太陽能電池模組及其電磁波收集裝置
本發明是有關於一種電磁波收集裝置及具有該電磁波收集裝置之太陽能電池。
太陽能電池的發電原理是利用太陽能電池吸收特定波長的太陽光，然後將光能直接轉變成電能輸出。
近年來，太陽能電池快速發展，其中高聚光太陽能電池(High Concentration Photovoltaic,HCPV)更是受到廣泛的關注。高聚光太陽能電池包括太陽能晶片與聚光模組。太陽能晶片可將太陽能轉化成電能，而聚光模組可將太陽光匯聚在一起然後傳輸到太陽能晶片。
在習知技術中，聚光模組可分為折射式與反射式。其中，折射式聚光模組是經由聚光透鏡或者菲聶爾透鏡(Fresnel Lens)將太陽光做第一次聚焦，第一次聚焦後的太陽光經二次光學透鏡進行光點縮小及聚光均勻化的動作後進入太陽能晶片。反射式聚光模組是以拋物面或球面反射鏡將太陽光做第一次聚焦，第一次聚焦後的太陽光經二次光學透鏡進行光點縮小及聚光均勻化的動作後進入太陽能晶片。
然而，折射式或反射式聚光模組均需要垂直入射光，因此需搭配追日系統，造成聚光模組使用的不便。另外，在透鏡聚光的過程中，聚光模組需保持一定的體積以方便於聚光時控制焦點及焦距，因此難以縮小聚光模組之體積。
因此，如何縮小體積及提高使用的便利性，以擴展聚光模組及太陽能電池的應用實為相關領域之人員所重視的議題之一。
有鑑於此，本發明提供一種電磁波收集裝置，其可縮小體積及提高使用的便利性。
本發明還提供一種太陽能電池，其可提高使用的便利性。
本發明提出一種電磁波收集裝置，其包括柱狀電磁波傳導體與反射結構。反射結構位於柱狀電磁波傳導體軸心位置附近，其係由複數雙錐體反射單元串接而成。每一雙錐體反射單元具有第一反射層。
本發明又提出一種電磁波收集裝置，其包含板狀電磁波傳導體，具有第一表面與第二表面以及一位於第一表面的鋸齒狀反射結構，其中鋸齒狀反射結構係由複數反射單元所構成，其中每一反射單元具有一第一斜面與一第二斜面，上述第一斜面與第二斜面之交界處為呈現一弧面，其中至少第一斜面上形成有一反射層。
本發明提出一種太陽能電池模組，包括上述的電磁波收集裝置以及至少一能量轉換裝置靠近於電磁波收集裝置之至少其中一端面。
本發明之電磁波收集裝置及太陽能電池包括柱狀電磁波傳導體與反射結構，使得不同方向的光線均可垂直入射柱狀電磁波傳導體，無須追日系統的輔助，從而可以提升電磁波收集裝置及太陽能電池使用的方便性。而反射結構在柱狀電磁波傳導體的配合下，容易將光線朝預定的方向反射而使光線聚集在一起，並且由於其不受焦點與焦距控制之影響，因此有利於縮小電磁波收集裝置的體積。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1繪示為本發明實施例之一的電磁波收集裝置的立體示意圖。圖2A至圖2C為圖1所示電磁波收集裝置沿II-II’剖開的示意圖。
請參閱圖1與圖2A至圖2C，本發明實施例之一的電磁波收集裝置10包括柱狀電磁波傳導體12與反射結構14。在本實施例中，反射結構14位於柱狀電磁波傳導體12的軸心OO’位置附近，其係由複數雙錐體反射單元140串接而成，且每一雙錐體反射單元140具有第一反射層142。電磁波收集裝置10可以用於收集不同波長的電磁波，為便於描述，以下僅以光線來做說明。
承上述，柱狀電磁波傳導體12具有相對的第一端面122與第二端面124，以及連接第一端面122與第二端面124的表面126。
特別地，在本實施例中，為增大光線的利用率，電磁波收集裝置10還可包含抗反射層16，其設置於柱狀電磁波傳導體12之表面126上。抗反射層16可降低入射光線18發生全反射之機率，使得更多的光線能夠進入電磁波收集裝置10內部。
在柱狀電磁波傳導體12中，靠近反射結構14處的折射率大於靠近抗反射層16處的折射率。例如，電磁波傳導體12的折射率沿著從抗反射層16到反射結構14的方向逐漸增大或呈階梯式增大。
如圖2A所示，當光線18進入柱狀電磁波傳導體12後，會於第一反射層142反射，經反射的光線18a會先朝向遠離軸心OO’之方向前進，但由於柱狀電磁波傳導體12中折射率從抗反射層16到反射結構14的方向逐漸增大或呈階梯式增大，因此光線18a在柱狀電磁波傳導體12會逐漸轉向，進而改朝向軸心OO’前進。光線18a經過數次上述的反射與折射後，會集中於柱狀電磁波傳導體12的第二端面124，以達到聚光之效果。
反射結構14用於將射入其表面的光線18朝預定的方向反射。詳細來說，反射結構14的雙錐體反射單元140的第一反射層142可用於將入射其上的光線朝柱狀電磁波傳導體12的第二端面124的方向反射，從而將光線聚集在一起，從第二端面124出射。
圖2B為本發明另一實施例，在本實施例中，雙錐體反射單元140還包括第二反射層144。第二反射層144與第一反射層142相鄰。於本實施例中，第一反射層142之面積大於第二反射層144之面積。
再者，第二反射層144可用於將入射其上的光線朝柱狀電磁波傳導體12的第一端面122的方向反射，從而將光線聚集在一起。可以理解，為了有效利用進入柱狀電磁波傳導體12之光線，增大從第二端面124的出射光的強度，在第一端面122上還可設置反射層17，用於將照射在第一端面122的光線反射到第二端面124的方向，從而進一步增加從第二端面124出射光線的強度。
在本實施例中雙錐體反射單元140的第一反射層142或第二反射層144是在雙錐體反射單元140表面塗佈反射層來形成，反射層可以是銀、鋁或銅等高反射金屬，亦可以是由折射率不同的氧化物交互堆疊而成的分散式布拉格反射體(Distributed Bragg Reflector,DBR)。
上述第一反射層142與第二反射層144在圖2B沿著圖1的II-II’剖開示意圖裡，可以是斜面，且第一反射層142與第二反射層144之交界處夾一角度外，亦可如圖2C所示，第一反射層142與第二反射層144呈現為弧面且第一反射層142與第二反射層144之交界處亦呈現圓弧狀。不僅如此，上述的第一反射層142與相鄰的第二反射層144之間可以相互間隔、相鄰接或一體成形。
再者，反射結構14除了可以是位於柱狀電磁波傳導體12軸心附近外，亦可位於柱狀電磁波傳導體12內任意部位；此外，柱狀電磁波傳導體12可為各種柱狀，例如如圖3所示，本實施例中柱狀電磁波傳導體12的截面為圓形，亦可如圖4所示，柱狀電磁波傳導體12的截面為橢圓形，除此之外亦可以是三角形、矩形、其他多邊形或扇形；不僅如此，反射單元140除了可以如上述實施例所述為一完整的雙錐體結構外，如圖5所示，當柱狀電磁波傳導體12之截面為扇形時，反射單元140亦可以是部分的雙錐體結構。
上述電磁波收集裝置10包括柱狀電磁波傳導體12與反射結構14，不同方向的光線均可垂直入射柱狀電磁波傳導體12，無須追日系統的輔助，從而可以提升電磁波收集裝置10使用的方便性。反射結構14在柱狀電磁波傳導體12的配合下，容易將光線朝預定的方向反射而使光線聚集在一起，由於其不受焦點與焦距控制之影響，因此有利於縮小電磁波收集裝置10的體積。
圖6繪示為本發明另一實施例的電磁波收集裝置的剖面示意圖。請參閱圖6，電磁波收集裝置30與電磁波收集裝置10相似，其不同點在於：電磁波收集裝置30的反射結構34為實心結構。其中，上述之反射結構34係由具有光反射性的材料製備前述實施例之雙錐體反射單元140而直接形成。
圖7A至圖7B為本發明另一實施例。請參見圖7A，一板狀電磁波收集裝置40包括一具有第一表面422與第二表面424的電磁波傳導體42以及一反射結構44。電磁波傳導體42的第一表面422上可形成抗反射層46，反射結構44設置於板狀電磁波傳導體42的第二表面424上，並且此反射結構44係由複數反射單元440串接而成鋸齒狀反射結構，而每一個反射單元440至少具有一第一反射層442。
再者，亦可如圖7B所示每一個反射單元440具有一第二反射層444所構成的，且第一反射層442與第二反射層444之間相連接，其交界處可以夾一角度或呈現一弧面。
此外，上述實施例中，第二反射層444與第一反射層442之間可以相互鄰接或相互間隔。
不僅如此，上述的電磁波傳導體中，靠近第一表面422處的折射率小於靠近第二表面424處的折射率，而且折射率沿著從該第一表面422到第二表面424的方向逐漸增大或呈階梯式增大。
可以理解，本實施例中，反射單元440的第一反射層442或第二反射層444可以是銀、鋁或銅等高反射金屬，亦可以是由折射率不同的氧化物交互堆疊而成的分散式布拉格反射體(Distributed Bragg Reflector,DBR)。
圖8A與圖8B為上述圖7A中電磁波傳導體42沿著XX’剖面線之截面圖，如圖8A所示，第一表面422與第二表面424可以是相互平行的平面，第一反射層442亦平行於第一表面422及第二表面424，使電磁波傳導體42形成一板式電磁波傳導體；此外亦可如圖8B所示，第一表面422亦可以是弧面而第二表面424是一平面，使電磁波傳導體42形成光入射面為弧面之電磁波傳導體。
圖9A繪示為本發明另一實施例的太陽能電池模組的剖面示意圖。太陽能電池模組100包括電磁波收集裝置60與至少一能量轉換裝置70。電磁波收集裝置60可為上述實施例中任意一電磁波收集裝置，可以是如圖1至圖6所示之柱狀電磁波收集裝置，亦可以是圖7A至圖8B所示之板狀電磁波收集裝置。以下實施例以柱狀電磁波收集裝置為例進行說明，但本發明並不侷限於此。
在本實施例中，電磁波收集裝置60包括柱狀電磁波傳導體62以及反射結構64。柱狀電磁波傳導體62具有相對的第一端面622與第二端面624。能量轉換裝置70靠近第二端面624，反射層67則設置在第一端面622上。
使用時，柱狀電磁波傳導體62中的雙錐體反射單元640的第一反射層642將光線朝第二端面624的方向反射聚集，從而提高進入能量轉換裝置70的光強以提高光能量利用率。並且，採用電磁波收集裝置60可以代替習知技術中之追日系統，因此可提高太陽能電池100使用的便利性，從而擴大太陽能電池100的應用範圍。此外，第一端面622上設置反射層67，可使照射在第一端面622的光線被反射到第二端面624的方向，從而進一步增加進入能量轉換裝置70的光線強度，以提高太陽能電池100的光能量利用率。
圖9B繪示為本發明又一實施例的太陽能電池模組的剖面示意圖，除了可以如9A所示於第二端面624設置太陽能電池模組100外，亦可如9B所示於第一端面622上設置能量轉換裝置70’，用以接收經由第二反射層644所反射之光線。
此外，上述的能量轉換裝置係為太陽能電池，其材質可以是單晶矽、多晶矽、三五族半導體或硒化銅銦鎵(Copper indium gallium selenide)等物質之太陽能電池。
綜上所述，本發明之電磁波收集裝置及太陽能電池包括柱狀電磁波傳導體與反射結構，使得不同方向的光線均可垂直入射柱狀電磁波傳導體，因此可代替習知技術中之追日系統，從而可以提升電磁波收集裝置及太陽能電池使用的方便性。而反射結構在柱狀電磁波傳導體的配合下，容易將光線朝預定的方向反射而使光線聚集在一起，並且，由於其不受焦點與焦距控制之影響，因此還有利於縮小電磁波收集裝置的體積。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．太陽能電池
10、30、40、60．．．電磁波收集裝置
12、42、62．．．電磁波傳導體
122、622．．．第一端面
124、624．．．第二端面
126．．．表面
14、34、44、64．．．反射結構
140、440、640．．．反射單元
142、442、642．．．第一反射層
144、444、644．．．第二反射層
422．．．第一表面
424．．．第二表面
16、46．．．抗反射層
17、67．．．反射層
18、18a．．．光線
70、70’．．．能量轉換裝置
圖1繪示為本發明實施例之一的電磁波收集裝置的立體示意圖。
圖2A、圖2B與圖2C為圖1所示電磁波收集裝置沿II-II’剖開的示意圖。
圖3為圖1所示電磁波收集裝置沿III-III’剖開的示意圖。
圖4為圖1所示電磁波收集裝置沿III-III’剖開的另一示意圖。
圖5繪示為本發明另一實施例的電磁波收集裝置的剖面示意圖。
圖6繪示為本發明另一實施例的電磁波收集裝置的剖面示意圖。
圖7A與7B繪示為本發明另一實施例的電磁波收集裝置的剖面示意圖
圖8A與圖8B繪示圖7A所示電磁波收集裝置沿X-X’剖開的示意圖。
圖9A與9B繪示為本發明又一實施例的太陽能電池模組的剖面示意圖。
10．．．電磁波收集裝置
12．．．電磁波傳導體
14．．．反射結構
122．．．第一端面
124．．．第二端面
126．．．表面
140．．．反射單元
142．．．第一反射層
144．．．第二反射層
16．．．抗反射層

Claims (14)

  1. 一種電磁波收集裝置，其包括：一柱狀電磁波傳導體；以及一反射結構，位於該柱狀電磁波傳導體內，該反射結構係由複數完整或部分之雙錐體反射單元串接而成，其中每一該雙錐體反射單元上具有一第一反射層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波收集裝置，更包含一抗反射層，設置於該柱狀電磁波傳導體之表面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電磁波收集裝置，其中該電磁波傳導體中，靠近該反射結構處的折射率大於靠近該抗反射層處的折射率，或該電磁波傳導體的折射率沿著從該抗反射層到該反射結構的方向逐漸增大或呈階梯式增大。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波收集裝置，該雙錐體反射單元上具有一第二反射層，其中該第一反射層與該第二反射層可以相鄰接、相間隔或一體成形。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電磁波收集裝置，其中該第一反射層與該第二反射層之交界夾一角度或為一弧面，及/或該第一反射層與該第二反射層可以是斜面或弧面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波收集裝置，其中該反射結構為中空結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波收集裝置，其中該柱狀電磁波傳導體之截面係圓形、橢圓形、三角形、矩形、多邊形或扇形。
  8. 一種電磁波收集裝置，其包含：一板狀電磁波傳導體；一鋸齒狀反射結構包含一上表面具有複數反射單元與該 板狀電磁波傳導體相鄰接以及一下表面相對於該上表面，且該反射單元包含一第一斜面與一第二斜面，而該第一斜面與該第二斜面之交界處為一弧面；以及一第一反射層位於該第一斜面上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波收集裝置，更包含一第二反射層位於該第二斜面上。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波收集裝置，更包含一抗反射層，設置於該第一表面。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波收集裝置，其中該電磁波傳導體中，靠近該第一表面處的折射率大於靠近該第二表面處的折射率，或該電磁波傳導體的折射率沿著從該第一表面到該第二表面的方向逐漸增大或呈階梯式增大。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波收集裝置，其中該第一表面與該第二表面可以是平面或弧面。
  13. 一種太陽能電池模組，包含：一種選自申請專利範圍第1項至第12項中之任一項所述的電磁波收集裝置，以及一能量轉換裝置設置於該電磁波收集裝置之至少一端面。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之太陽能電池模組，其中該能量轉換裝置係為一太陽能電池，其材質可以是單晶矽、多晶矽、三五族半導體或硒化銅銦鎵等物質。
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