TWI575766B - 光伏系統及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關一種發電系統及其製造方法，特別是一種光伏系統及其製造方法。
傳統的一種光伏系統包含由玻璃所組成之光波導元件，用以導引太陽光照射一光伏電池，以產生一電力。然而，為了增加發電效率，通常需要在光波導元件之一表面設置反射板或散射結構，使光伏電池吸收更多太陽光。因此，相對地提高了生產成本以及光伏系統之元件複雜程度。
綜上所述，如何提供一種可簡便地提升發電效率的光伏系統及其製造方法便是目前極需努力的目標。
本發明提供一種光伏系統及其製造方法，其是利用一發光染料聚集為粒徑較大之一微粒且分散於波導本體中，以散射光線。同時，發光染料將外部光線中之一第一光線轉換為一第二光線，其中第二光線之波長大於第一光線之波長，以配合各種光伏電池所需之工作波長範圍。其中，發光染料聚集之微粒可提升光伏電池之發電效率，而無需設置散射層，以降低光伏系統之生產成本以及元件複雜程度。
本發明一實施例之光伏系統包含一波導本體、一發光染料以及一光伏電池。波導本體，其具有一入光面以及一第一出光面，其中一外部光線經由入光面入射至波導本體。發光染料，其聚集為粒徑較大之一微粒且分散於波導本體中，以散射光線以及將外部光線中之一第一光線轉換為一第二光線，其中第二光線之波長大於第一光線之波長。光伏電池，其嵌設於第一出光面內或設置於第一出光面外，用以接收波導本體中照射至光伏電池之光線，以產生一電力。
本發明另一實施例之光伏系統之製造方法包含：設置一光伏電池於一模具；充填一波導材料於模具中，並固化波導材料以形成一波導本體，其具有一入光面以及一第一出光面，其中光伏電池嵌設於第一出光面內或設置於第一出光面外，以及一發光染料聚集為粒徑較大之一微粒且分散於波導本體中，以散射光線以及將入射至該波導本體之一外部光線中之一第一光線轉換為一第二光線，其中第二光線之波長大於第一光線之波長。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。
請參照圖1，本發明之一實施例之光伏系統包含一波導本體10、一發光染料以及一光伏電池30。波導本體10具有一入光面11以及一第一出光面12，其中一外部光線L經由入光面11入射至波導本體10。於本實施例中，入光面11為一可彎曲之平面，但不限於此。請一併參照圖2a以及圖2b，為了使波導本體10聚集更多的外部光線L，入光面11包含至少一曲面。於圖2a之一實施例中，入光面11為一突出半球面；於圖2b之一實施例中，入光面11包含矩陣排列之多個半球狀曲面，用以聚集來自不同照射角度之太陽光。具有通常知識者當可進行適當之修改變化，本發明並未限定波導本體10之形狀。
為了增加光伏電池之發電效率，波導本體更包含一微結構，其設置於波導本體中入光面以及第一出光面以外之任一表面，用以增加照射至第一出光面之光線。請參照圖2b，於一實施例中，微結構14設置於波導本體10之一第二出光面13側。舉例而言，微結構14可為角錐形微結構、半球形微結構、矩形微結構、粗糙化微結構或以上之組合。
請一併參照圖2a以圖2b，波導本體10更包含一相對於入光面11之一第二出光面13，其利用透射第二出光面13之光線Lt以提供一照明，其中第一出光面12連接入光面11以及第二出光面13。可以理解的是，第一出光面12可為一平面或多個平面連接組成之連續面，但不以此為限。
波導本體10之波導材料包含熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，TPE)以及光固化聚合物(Photocureable polymer，PCP)至少其中之一。其中，熱塑性彈性體是一種高回彈性、環保、無毒又安全的材料，質地較塑膠類粒子柔軟且具有彈性。其加工過程無須硫化，有優異的著色性，耐候性等特色。舉例而言，熱塑性彈性體波導材料包含熱塑性橡膠彈性體(Thermoplastic Rubber，TPR)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic Vulcanizate，TPV)、熱可塑性聚氨酯樹脂(Thermoplastic Polyurethane，TPP)以及熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic Polyether Ester Elastomer，TPEE)；而光固化聚合物包含聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)，其亦為一種熱可塑性聚氨酯樹脂(Thermoplastic Polyurethane，TPP)材料。其中常用之可撓性波導材料及所屬分類列舉如表1，但不以此為限。 表1
本發明之波導材料具有可撓性、塑形性以及耐候性，且適用於一體成型製程，同時可以封裝各式電子元件並提供保護，適用於各種安裝場所。舉例而言，請一併參照圖1以及圖2b，波導本體10封裝至少一光伏電池30，其嵌設於第一出光面12內，用以接收波導本體10中照射至光伏電池30之光線，但不以此為限。於另一實施例中，請參照圖2a，光伏電池30設置於第一出光面12外，亦可接收波導本體10中照射至光伏電池30之光線，以產生一電力。
請繼續參照圖1，發光染料聚集為粒徑較大之一微粒20且分散於波導本體10中。發光染料具有使入射光線之波長產生紅位移(red-shift)之光學特性，其可將外部光線L中之一第一光線轉換為一第二光線，其中第二光線之波長大於第一光線之波長。舉例而言，請參照圖3，發光染料7-氨基-4-甲基香豆素吸收紫外光(波長範圍300至400 nm)以產生藍光(波長範圍400至500 nm)。請參照圖4，螢光素鈉吸收紫外光以及藍光(波長範圍300至500 nm)以產生紫綠光以及紅光(波長範圍500至700 nm)。傳統的光波導元件製造技術會在光波導玻璃中均勻摻雜發光染料，以避免發光染料互相聚集。然而，本發明之發光染料分散於上述可撓性波導材料中，將隨著發光染料濃度增加而聚集為微米等級以上之微粒，以散射光線。
於圖1所示之一實施例中，以下說明不同濃度之發光染料，將改變波導本體之穿透率以及提升光伏電池之發電效率。請參照圖5，在一聚二甲基矽氧烷所組成之波導材料中，將發光染料7-氨基-4-甲基香豆素之摻雜濃度由87.12 mg/L增加至174.24 mg/L，在波導本體之第二出光面外側所量測得到之穿透率將隨著降低，表示外部光線有更多部份被波導本體所捕捉而未穿透波導本體。請同時參照圖6，可發現光伏電池之光電轉換效率也隨著發光染料摻雜濃度增加而提升，表示外部光線有更多部份被波導本體所捕捉而用以提供光伏電池發電。需注意者，藍光(波長範圍400至500 nm)頻譜之光電轉換效率提升，可能與發光染料7-氨基-4-甲基香豆素因濃度增加而吸收更多紫外光(波長範圍300至400 nm)以產生更多藍光(波長範圍400至500 nm)有關。但綠光和紅光頻譜之光電轉換效率提升，尚無法以上述紅位移機制解釋。此外，進一步量測發光染料之微粒影像可知，發光染料聚集為粒徑介於1至100微米之微粒。光電轉換效率較佳者，其微粒之平均粒徑為29微米。因此，在圖6中長波長頻譜之光電轉換效率提升，是由於發光染料聚集之微粒散射更多波導本體中之綠光和紅光以照射光伏電池所致。請參照圖7，顯示光伏系統之電壓與電流隨發光染料濃度變化關係圖，其中光伏電池之開路電壓、短路電流、填充因子以及效率如下表2所示。
同理，在一聚二甲基矽氧烷所組成之波導材料中，將發光染料螢光素鈉之濃度由41.21 mg/L逐漸提升至412.12 mg/L 8，在波導本體之第二出光面外量測所得之波導本體穿透率亦隨之降低，如圖8所示。在波導本體之第二出光面外側所量測得到之穿透率將隨著降低，表示外部光線有更多部份被波導本體所捕捉而未穿透波導本體。請同時參照圖9，可發現光伏電池之光電轉換效率也隨著發光染料摻雜濃度增加而提升，表示外部光線有更多部份被波導本體所捕捉而用以提供光伏電池發電。其中，量測發光染料之微粒影像可知，發光染料聚集為粒徑介於1至100微米之微粒。請參照圖10，顯示光伏系統之電壓與電流隨發光染料濃度變化關係圖，其中光伏電池之開路電壓、短路電流、填充因子以及效率如下表2所示。 表2
承上所述，發光染料聚集為粒徑較大之一微粒可散射波導本體中之任何光線，包含第二光線以及外部光線中未受轉換之其他波長範圍光線。於一實施例中，如圖2a所示，微粒20分散於靠近第二出光面13側，用以散射光線，以增加照射至光伏電池30之光線。惟具有通常知識者如果想要利用透射第二出光面13之光線Lt以提供一照明，可藉由調整發光染料之摻雜濃度以控制微粒之平均粒徑小於80微米，以避免波導本體之穿透率偏低。因此，發光染料聚集之微粒可以取代傳統摻雜之散射微粒或反射板。
可以理解的是，因為波導材料具有透光性、可撓性、塑形性以及耐候性，且發光染料可以轉換外部光線之部分波長範圍，本發明之光伏系統可應用於建築物之對外窗，用以提供植物工廠或室內照明所需之光線。其中，太陽光中對生物有害之紫外光將被發光染料轉會為長波長之可見光，因此本發明之光伏系統具有抗紫外光之功效。
以下說明本發明一實施例之光伏系統之製造方法，可選用之波導材料包含熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，TPE)以及光固化聚合物(Photocureable polymer，PCP)至少其中之一。舉例而言，波導材料包含聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚氨酯(Polyurethane，PU)、環烯烴共聚物(Cycloolefin copolymer，COC)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate)，PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate，PMMA)、環己二醇 (polyethylene terephthalate，PETG)、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯(Styrene methyl metacrylate，SMMA)、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(styrene-ethylene/butylene-styrene，SEBS)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone，PVP)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)至少其中之一。於一實施例中，選用聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)之波導材料因具有高透光性、高可撓性及可塑性，以製作可導引太陽光之一種照明系統。事先備製一波導材料如下：吸取適量PDMS並依比例加入固化劑，例如PDMS與固化劑之容積比為10：1，且均勻攪拌後靜置一段時間或放置於真空腔體中去除氣泡，其中固化劑之種類不限於光固化劑或熱固化劑。
首先，設置一光伏電池於一模具。接著，充填一波導材料於模具中，並固化波導材料以形成一波導本體，其具有一入光面以及一第一出光面；其中光伏電池嵌設於第一出光面內或設置於第一出光面外，以及一發光染料聚集為粒徑較大之一微粒且分散於波導本體中，以散射光線以及將入射至波導本體之一外部光線中之一第一光線轉換為一第二光線，其中第二光線之波長大於第一光線之波長。
於一實施例中，波導本體更包含一相對於入光面之一第二出光面，其利用透射第二出光面之光線以提供一照明，其中第一出光面連接入光面以及第二出光面。於一實施例中，微粒20設置於靠近第二出光面側。
於一實施例中，發光染料包含7-氨基-4-甲基香豆素以及螢光素鈉至少其中之一。於一實施例中，其中充填波導材料之步驟更包含於波導材料中調整發光染料之一摻雜濃度，以控制微粒之平均粒徑，但控制平均粒徑之方法並不限於此。於另一實施例中，可藉由化學沉積方式預先將發光染料聚集為微粒。舉例而言，填充波導材料於模具中，控制製程參數並半固化波導材料以形成一波導本體，再將預先聚集之微粒摻雜在波導本體中靠近第二出光面側，以分散於波導本體中，接著再完全固化波導本體。於一實施例中，可控制微粒之平均粒徑介於1至80微米。較佳者，其微粒之平均粒徑介於20至30微米，已如前所述，在此不再贅述。
為了增加光伏電池之發電效率，於一實施例中，模具內壁具有一反向微結構，使波導本體形成對應之一微結構，其設置於波導本體中入光面以及第一出光面以外之任一表面。舉例而言，微結構可為角錐形微結構、半球形微結構、矩形微結構、粗糙化微結構或以上之組合。於另一實施例中，藉由模具設計將使入光面具有至少一曲面，已如前所述，在此不再贅述。
綜合上述，本發明之一種光伏系統及其製造方法，其是利用一發光染料聚集為粒徑較大之一微粒且分散於波導本體中，以散射光線，並提升發電效率。同時，發光染料將外部光線中之一第一光線轉換為一第二光線，其中第二光線之波長大於第一光線之波長，以配合各種光伏電池所需之工作波長範圍。相較於傳統技術，本發明之光伏系統利用發光染料聚集之微粒即可提升光伏電池之發電效率，而無需設置散射層，以降低光伏系統之生產成本以及元件複雜程度。此外，本發明之光伏系統可應用於建築物之對外窗，用以提供植物工廠或室內照明所需之光線，且具有抗紫外光之功效。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
L‧‧‧外部光源
Lt‧‧‧光線
10‧‧‧波導本體
11‧‧‧入光面
12‧‧‧第一出光面
13‧‧‧第二出光面
14‧‧‧微結構
20‧‧‧微粒
30‧‧‧光伏電池
Lt‧‧‧光線
10‧‧‧波導本體
11‧‧‧入光面
12‧‧‧第一出光面
13‧‧‧第二出光面
14‧‧‧微結構
20‧‧‧微粒
30‧‧‧光伏電池
圖1為一示意圖，顯示本發明一實施例之光伏系統。 圖2a為一示意圖，顯示本發明另一實施例之光伏系統。 圖2b為一示意圖，顯示本發明再一實施例之光伏系統。 圖3為一曲線圖，顯示本發明一實施例之發光染料之發光光譜。 圖4為一曲線圖，顯示本發明另一實施例之發光染料之發光光譜。 圖5為一曲線圖，顯示本發明一實施例之光伏系統之穿透光譜。 圖6為一曲線圖，顯示本發明一實施例之光伏系統之光電轉換效率。 圖7為一曲線圖，顯示本發明一實施例之光伏系統之電壓與電流關係。 圖8為一曲線圖，顯示本發明另一實施例之光伏系統之穿透光譜。 圖9為一曲線圖，顯示本發明另一實施例之光伏系統之光電轉換效率。 圖10為一曲線圖，顯示本發明另一實施例之光伏系統之電壓與電流關係。
L‧‧‧外部光源
Lt‧‧‧光線
10‧‧‧波導本體
11‧‧‧入光面
12‧‧‧第一出光面
13‧‧‧第二出光面
20‧‧‧微粒
30‧‧‧光伏電池
Claims (22)
- 一種光伏系統，包含：一波導本體，其具有一入光面以及一第一出光面，其中一外部光線經由該入光面入射至該波導本體；一發光染料，其聚集為粒徑較大之一微粒且分散於該波導本體中，以散射光線以及將該外部光線中之一第一光線轉換為一第二光線，其中該第二光線之波長大於該第一光線之波長；以及一光伏電池，其嵌設於該第一出光面內或設置於該第一出光面外，用以接收該波導本體中照射至該光伏電池之光線，以產生一電力。
- 如請求項1所述之光伏系統，其中該波導本體更包含一相對於該入光面之一第二出光面，其利用透射該第二出光面之光線以提供一照明，其中該第一出光面連接該入光面以及該第二出光面。
- 如請求項2所述之光伏系統，其中該微粒靠近該第二出光面側。
- 如請求項1所述之光伏系統，其中該微粒之平均粒徑介於1至80微米。
- 如請求項1所述之光伏系統，其中該微粒之平均粒徑介於20至30微米。
- 如請求項1所述之光伏系統，其中該發光染料包含7-氨基-4-甲基香豆素以及螢光素鈉至少其中之一。
- 如請求項1所述之光伏系統，其中該波導本體之一波導材料具有可撓性，其包含熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，TPE)以及光固化聚合物(Photocureable polymer，PCP)至少其中之一。
- 如請求項7所述之光伏系統，其中該波導本體之該波導材料包含聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚氨酯(Polyurethane，PU)、環烯烴共聚物(Cycloolefin copolymer，COC)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate)，PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate，PMMA)、環己二醇(polyethylene terephthalate，PETG)、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯(Styrene methyl metacrylate，SMMA)、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(styrene-ethylene/butylene-styrene，SEBS)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone，PVP)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)至少其中之一。
- 如請求項1所述之光伏系統，其中該入光面包含至少一曲面。
- 如請求項1所述之光伏系統，其中該波導本體更包含一微結構，其設置於該波導本體中該入光面以及該第一出光面以外之任一表面。
- 一種光伏系統之製造方法，包含：設置一光伏電池於一模具；充填一波導材料於該模具中，並固化該波導材料以形成一波導本體，其具有一入光面以及一第一出光面，其中該光伏電池嵌設於該第一出光面內或設置於該第一出光面外，以及一發光染料聚集為粒徑較大之一微粒且分散於該波導本體中，以散射光線以及將入射至該波導本體之一外部光線中之一第一光線轉換為一第二光線，其中該第二光線之波長大於該第一光線之波長。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中該波導本體更包含一相對於該入光面之一第二出光面，其利用透射該第二出光面之光線以提供一照明，其中該第一出光面連接該入光面以及該第二出光面。
- 如請求項12所述之光伏系統之製造方法，其中該微粒靠近該第二出光面側。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中充填之步驟更包含於該波導材料中調整該發光染料之一摻雜濃度，以控制該微粒之平均粒徑。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，更包含將該發光染料聚集為該微粒，以分散於該波導本體中。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中該微粒之平均粒徑介於1至80微米。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中該微粒之平均粒徑介於20至30微米。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中該發光染料包含7-氨基-4-甲基香豆素以及螢光素鈉至少其中之一。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中該波導材料具有可撓性，其包含熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，TPE)以及光固化聚合物(Photocureable polymer，PCP)至少其中之一。
- 如請求項19所述之光伏系統之製造方法，其中該波導本體之波導材料包含聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚氨酯(Polyurethane，PU)、環烯烴共聚物(Cycloolefin copolymer，COC)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate)，PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate，PMMA)、環己二醇(polyethylene terephthalate，PETG)、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯(Styrene methyl metacrylate，SMMA)、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(styrene-ethylene/butylene-styrene，SEBS)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone，PVP)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)至少其中之一。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中該入光面包含至少一曲面。
- 如請求項11所述之光伏系統之製造方法，其中該模具內壁具有一反向微結構，使該波導本體形成對應之一微結構，其設置於該波導本體中該入光面以及該第一出光面以外之任一表面。
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