CN101635314A

CN101635314A - 太阳能电池的聚光装置

Info

Publication number: CN101635314A
Application number: CN200810133733A
Authority: CN
Inventors: 许嘉良; 吴俊毅
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: CN101635314B

Abstract

本发明公开一种用于收集一光线的太阳能电池聚光装置，其包含有一抛物面状反射镜、一椭圆球壳状反射镜以及至少一太阳能电池芯片。抛物面状反射镜的凹口面对入射的光线，抛物面状反射镜的底部具有一第一开孔。椭圆球壳状反射镜具有一第二开孔，且椭圆球壳状反射镜于第二开孔处接合于抛物面状反射镜的第一开孔处，并且抛物面状反射镜的焦点位置与椭圆球壳状反射镜的一焦点位置约略相同。太阳能电池芯片设置于椭圆球壳状反射镜的两焦点的至少其中之一上。

Description

太阳能电池的聚光装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池聚光装置，尤其是涉及一种可提升光线利用率的太阳能电池聚光装置。

背景技术

能源是近十年来的热门话题也是未来产业发展的重点指标。虽然石化产业的发展造就生活的便利，但也同时衍生出环境污染的困境，因此纯净能源为永续发展的关键，而太阳能即为其中的一大主轴。

目前，太阳能电池(solar cell)可以区分为硅基与化合物半导体等形式，其中以硅基太阳能电池的技术门槛为最低且制作工艺成本便宜，因而成为目前市场主流，但其转换效率局限于仅将有限光谱的太阳光转为电能，因而并非最高。近年来，通过使用由化合物半导体所制成的太阳能电池，例如：砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)等，在实质上已成功地将太阳辐射的转换效率提升至超过36％。

然而，产生大量的太阳能电池表面是非常昂贵的。因此，必须使入射的太阳光聚光至一非常小的面积，例如小于1平方毫米，进而仅需提供小表面的太阳能电池，因此，若以此种聚光方式配合小表面的太阳能电池相较于仅利用整个较大表面的太阳能电池来聚光，小表面的太阳能电池仅需少于较大表面的太阳能电池的1％的材料。另外，由于太阳能电池所接收到的太阳光经聚焦后，更可提升太阳光利用率，而太阳能电池所产生的光电流也相对地增加。因此，改善太阳能电池聚光装置将太阳光更有效地聚焦于太阳能电池上，以增加单位面积聚焦于太阳能电池的光强度，进而提升太阳光的利用率，实为业界努力的目标。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一太阳能电池聚光装置，以提升光线的利用率。

本发明提供一种太阳能电池聚光装置，用于收集一光线，其包含有一抛物面状反射镜以及一椭圆球壳状反射镜。抛物面状反射镜的底部具有一第一开孔，且抛物面状反射镜具有一抛物面焦点。椭圆球壳状反射镜具有一第二开孔与抛物面状反射镜的第一开孔接合，并具有一第一焦点与一第二焦点。抛物面焦点的位置与此第一焦点的位置约略相同，并且其中第一焦点与第二焦点的至少其中之一者上设置有至少一太阳能电池芯片。

本发明另提供一种太阳能电池聚光装置，用于收集一光线，其包含有一透镜以及一椭圆球壳状反射镜。透镜的凸面面对光线的入射方向，且具有一透镜焦点位于透镜相对光线入射方向的另一侧。椭圆球壳状反射镜具有一面对透镜的第二开口，且设置于透镜面对光线的入射方向的另一侧，其中椭圆球壳状反射镜具有一第一焦点与一第二焦点，且第一焦点的位置与透镜焦点的位置约略相同。第一焦点与第二焦点至少其中之一者上设置有至少一太阳能电池芯片。

本发明另提供一种太阳能电池聚光装置，用于收集一光线，其包含有一抛物面反射镜以及一透明载板。抛物面反射镜的光轴与光线的入射方向约略平行，且抛物面反射镜具有一抛物面焦点。透明载板上设置有至少一太阳能电池芯片，且透明载板设置有太阳能电池芯片的部分约略位于抛物面焦点上。

本发明又提供一种太阳能电池的聚光装置，用于收集一光线，其包含有一第一反射镜以及一第二弧面。第一反射镜包含一具有一第一曲率的第一弧面，其中第一弧面具有至少一第一焦点与一第二焦点，且第一焦点与第二焦点的至少其中之一上设置有至少一太阳能电池芯片。第二弧面的底部具有一第一开孔以与第一反射镜相接，且第二弧面具有一第二曲率使第二弧面具有一第三焦点，其中第三焦点的位置与第一焦点的位置约略相同。

本发明提供太阳能电池聚光装置，将太阳能电池芯片设置于椭圆球壳状反射镜与抛物面反射镜的焦点，使其可在小面积下吸收高强度的光线，进而提升光线的利用率。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例的太阳能电池的聚光装置的剖面示意图；

图2为本发明太阳能电池的聚光装置的第一较佳实施例的另一实施样态的剖面示意图；

图3为本发明第二较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图；

图4为本发明第三较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图；

图5为本发明第四较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图；

图6为本发明第五较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图；

图7为本发明第六较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图。

主要元件符号说明

第一反射镜，椭圆球壳状

50 太阳能电池聚光装置 52

反射镜

第二反射镜，抛物面状反

54

56 第一弧面

射镜

57 第二弧面 58 第一开孔

60 第一焦点 62 第二焦点

64 第三焦点，抛物面焦点 66 第二开孔

68 长轴 70 光轴

72 第一太阳能电池芯片 74 第一开口

76 第二太阳能电池芯片 78 椭圆球壳

80 第一反射层 82 透光层

84 抗反射层 86 第二反射层

90 太阳能电池聚光装置 92 透明椭圆球体

94 第一反射层 100 太阳能电池聚光装置

102 透镜 104 椭圆球壳状反射镜

106 第二弧面 108 透镜焦点

110 第二开口 112 第一焦点

114 第二焦点 116 光轴

118 长轴 120 第一太阳能电池芯片

122 第二太阳能电池芯片 124 椭圆球壳

126 反射层 150 太阳能电池聚光装置

152 透明椭圆球体 154 反射层

200 太阳能电池聚光装置 202 椭圆球壳状反射镜

204 透明基座 206 透镜

208 光轴 210 第一太阳能电池芯片

212 第二焦点 214 基座反射层

216 第一焦点 218 第二太阳能电池芯片

250 太阳能电池聚光装置 252 抛物面反射镜

254 透明载板 256 凹口

258 光轴 260 抛物面焦点

262 太阳能电池芯片 264 太阳能电池芯片

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明第一较佳实施例的太阳能电池的聚光装置的剖面示意图。如图1所示，一种用于收集光线例如太阳光的太阳能电池聚光装置50，包含有一第一反射镜52以及一第二反射镜54，其中第一反射镜52包含一具有一第一曲率的第一弧面56，且第二反射镜54的底部具有一第一开孔58以与第一反射镜52相接，而第一弧面56具有至少一第一焦点60与一第二焦点62。第二反射镜54包含一具有一第二曲率的第二弧面57，且第二弧面57具有一第三焦点64，其中第三焦点64的位置与第一焦点60的位置约略相同，且第一曲率不等于第二曲率。第一实施例以第一反射镜52为一椭圆球壳状反射镜52且第二反射镜54为一抛物面状反射镜54为例，而第二弧面57的第三焦点64即为抛物面状反射镜54的抛物面焦点64。在本实施例中，椭圆球壳状反射镜52另具有一第二开孔66，其中第二开孔66位于椭圆球壳状反射镜52邻近于第一焦点60的一端。在本实施例中，抛物面状反射镜54在第一开孔58处接合于椭圆球壳状反射镜52的第二开孔66处，并且椭圆球壳状反射镜52的一长轴68设置于抛物面状反射镜54的光轴70上。

值得注意的是，抛物面状反射镜54的抛物面焦点64与椭圆球壳状反射镜52的第一焦点60的位置约略相同。使抛物面状反射镜54的光轴70与光线的入射方向约略平行，光线因而得以平行光轴70射抛物面状反射镜54。根据抛物面的光学原理，入射方向与光轴70平行的光线会聚焦于抛物面状反射镜54的抛物面焦点64上，并且由于抛物面焦点64位于椭圆球壳状反射镜52的第一焦点60上，根据椭圆的光学原理，通过椭圆球壳状反射镜52的第一焦点60的光线会通过椭圆球壳状反射镜52反射至第二焦点62上，因此平行入射太阳能电池聚光装置50的光线会聚焦于椭圆球壳状反射镜52的第二焦点62上。

此外，第一焦点60与第二焦点62的至少其中之一者上可设置有至少一太阳能电池芯片，而在本实施例中是将一第一太阳能电池芯片72设置于椭圆球壳状反射镜52的第二焦点62，且抛物面状反射镜54具有一第一开口74，通过将抛物面状反射镜54面对光线入射方向，以收集平行入射太阳能电池聚光装置50的光线。由此可知，太阳能电池芯片50可收集通过第一开口74的开口截面积的光线，并且由于抛物面状反射镜54收集了其第一开口74的开口截面积大小的光线，通过太阳能电池聚光装置50聚焦于第二焦点62上，因此位于第二焦点62上的第一太阳能电池芯片72更撷取了相当抛物面状反射镜54的第一开口74的开口截面积大小的光线强度，增加了单位面积所撷取的光线光强度，亦即提升了光线的利用率。

另外，本实施例的第一太阳能电池芯片72并不限于设置于第二焦点62，也可设置于第一焦点60。并且，太阳能电池聚光装置50可另包含有第二太阳能电池芯片76，与第一太阳能电池芯片72分别设置于第一焦点60与第二焦点62上，其中第二太阳能电池芯片76可设置于一连接于椭圆球壳状反射镜52的内表面的透明支架(图未示)上。本实施例的第一与第二太阳能电池芯片72、76为多接面(Multi Junction Solar Cell)的半导体化合物太阳能电池芯片，但本发明也不限于此。第一与第二太阳能电池芯片72、76也可为单接面(Single Junction Solar Cell)的半导体化合物太阳能电池芯片，其中第一与第二太阳能电池芯片72、76可吸收不同波段的光线。此外，第一与第二太阳能电池芯片72、76并不限于半导体化合物太阳能电池芯片，也可为其他材料的太阳能电池芯片。

此外，在本实施例中，椭圆球壳状反射镜52为一椭圆球壳78以及一第一反射层80所构成，且第一反射层80设置于椭圆球壳78的内表面上，其中第一反射层80的材料为具高反射特性材料所构成。另外，椭圆球壳状反射镜52也可为一具有高反射特性材料的椭圆球壳体，而高反射特性材料包括但不限于铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、锡(Pb)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、铍化金(AuBe)、锗化金(AuGe)、锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、上述材料的组合、布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)或金属所构成。另外，本实施例的椭圆球壳状反射镜52位于长轴68的另一端的底部为一平坦面，此底部邻近于第二焦点62以利设置第一太阳能电池芯片72。但本发明也不限于此，椭圆球壳状反射镜52位于第二焦点62端的底部也可为一椭圆面，而第一太阳能电池芯片72则可设置于一连接于椭圆球壳状反射镜52的内表面的透明支架上。

请参考图2，图2为本发明太阳能电池的聚光装置的第一较佳实施例的另一实施样态的剖面示意图。如图2所示，值得注意的是，此实施样态的太阳能电池聚光装置50可另包含有一透光层82，设置于抛物面状反射镜54与椭圆球壳状反射镜52的一交界处，并且与椭圆球壳状反射镜52的第二开孔66接合，使外界的光线必须通过透光层82才能进入椭圆球壳反射镜52中。透光层82包含有一抗反射层84以及一第二反射层86，其中抗反射层84设置于面对于抛物面状反射镜54的一侧，而第二反射层86设置于面对于椭圆球壳状反射镜52的一侧。通过透光层82中的第二反射层86，可避免部分已进入椭圆球壳状反射镜52的光线由椭圆球壳状反射镜52的第二开孔66射出，并且通过抗反射层84，可避免外界的光线因穿透介质时所产生的反射而无法进入椭圆球壳状反射镜52内，因此可减少光线的散失，以有效利用入射太阳能电池聚光装置50的光线。值得注意的是，透光层82的较佳情况可与椭圆球壳状反射镜52形成一椭圆球状，亦即透光层82面对于椭圆球壳状反射镜52的表面与椭圆球壳状反射镜52的内表面形成一椭圆球面，让已进入椭圆球壳状反射镜52且经过第一焦点60的光线可通过第二反射层86与椭圆球壳状反射镜52的反射再聚焦于第二焦点62上，使光线得以充分利用。此外，第二反射层86较佳为布拉格反射镜或分光镜等具有反射特性的材料，但本发明并不以此为限。

值得注意的是，本发明的太阳能电池聚光装置也可有其他形态，而并不限于上述实施例的结构，并且，为了方便说明起见，与第一实施例相同的部分元件将使用相同标号标注，且不重复赘述。请参考图3，图3为本发明第二较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图。如图3所示，相比较于第一实施例，在本实施例的太阳能电池聚光装置90中，椭圆球壳状反射镜52为一透明椭圆球体92以及一第一反射层94所构成，且第一反射层94设置于透明椭圆球体92的外表面上。

请参考图4，图4为本发明第三较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图。如图4所示，相较于第一实施例，本实施例的太阳能电池聚光装置100包含有一透镜102以及一椭圆球壳状反射镜104，其中一第二弧面106位于透镜102的表面，其中透镜102具有一透镜焦点108，位于透镜102相对一光线的入射方向的另一侧，并利用透镜102来取代第一实施例的抛物面状反射镜，以达到聚集光线的功效。其中，椭圆球壳状反射镜104设置于透镜102面对光线的入射方向的另一侧，且具有一第二开口110、一第一焦点112以及一第二焦点114，其中第二开口110面对透镜102，且邻近于第一焦点112。透镜焦点108的位置与椭圆球壳状反射镜104的第一焦点112的位置约略相同。透镜102的材料可为树酯、压克力、介电材料、SU-8、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(Epoxy)、丙烯酸树脂(AcrylicResin)、环烯烃聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亚胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、硅胶(Silicone)、玻璃、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氮化硅(SiN_X)、二氧化钛(TiO₂)、旋涂玻璃(SOG)、上述材料的组合或其他透明材料所构成，但本发明并不以此为限。

通过使透镜102的光轴116与入射的光线平行，并且将椭圆球壳状反射镜104的长轴118设置于透镜102的光轴116上，光线可经由透镜102的折射，而聚焦至透镜焦点108，也为椭圆球壳状反射镜104的第一焦点112，然后，根据椭圆的光学原理，经过第一焦点112的光线可再被聚焦于椭圆球壳状反射镜104的第二焦点114，使得一第一太阳能电池芯片120可在小面积的情况下吸收强度较大的光线，因而提升光线的利用率。本实施例的第一太阳能电池芯片120也并不限于设置于第二焦点114，也可设置于第一焦点112。并且，太阳能电池聚光装置100可另包含有一第二太阳能电池芯片122，与第一太阳能电池芯片120分别设置于第一焦点112与第二焦点114上，其中第二太阳能电池芯片122可设置于一连接于椭圆球壳状反射镜104的内表面的透明支架上。在本实施例中，椭圆球壳状反射镜104为一椭圆球壳124以及一反射层126所构成，且反射层126设置于椭圆球壳124的内表面上，但本发明并不限于此，椭圆球壳状反射镜104也可为一具有高反射特性材料的椭圆球壳体，而高反射特性材料与反射层126的材料包括但不限于铟、锡、铝、金、铂、锌、银、钛、锡、锗、铜、镍、铍化金、锗化金、锌化金、锡化铅、上述材料的组合、布拉格反射镜或金属所构成。

请参考图5，图5为本发明第四较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图。并且，为了方便说明起见，与第三实施例相同的部分元件将使用相同标号标注，且不重复赘述。如图5所示，相较于第三实施例，在本实施例的太阳能电池聚光装置150中，椭圆球壳状反射镜104为一透明椭圆球体152以及一反射层154所构成，且反射层154设置于透明椭圆球体152的外表面上。

请参考图6，图6为本发明第五较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图。如图6所示，相较于第三实施例，在本实施例的一太阳能电池聚光装置200中，本实施例的一椭圆球壳状反射镜202为一沿第三实施例的椭圆球壳状反射镜的长轴方向剖面的约略四分之一椭圆球壳。并且，本实施例的太阳能电池聚光装置200另包含有一透明基座204，其一表面沿着一透镜206的一光轴208且面对于椭圆球壳状反射镜202的内表面设置，其中具有约略四分之一椭圆球状的椭圆球壳状反射镜202接合于透明基座204的此表面上，并且一第一太阳能电池芯片210设置于此表面上且位于椭圆球壳状反射镜202的一第二焦点212上。

由于光线聚焦于第一太阳能电池芯片210上，容易使第一太阳能电池芯片210产生大量的热量。本实施例的透明基座204具有散热功能，可将第一太阳能电池芯片210上受到光线照射所产生的热量加以散热，避免第一太阳能电池芯片210的温度过高，产生不正常的运作。并且透明基座204可连接至一冷却器(图未示)上，用于将传导至透明基座204上的热量加以冷却，以达到良好的散热效果。另外，透明基座204包含有一基座反射层214，设置于透明基座204的表面上，且基座反射层214较佳可延伸至椭圆球壳状反射镜202的一第一焦点216上，将部分经由透镜206聚焦至第一焦点216的光线反射至椭圆球壳状反射镜202上，然后再聚焦至第二焦点212上，因此可有效地提升光线的利用率。其中，透明基座204可为钻石、陶瓷、氧化锌或蓝宝石所构成，且基座反射层214可为布拉格反射镜或分光镜，让光线从基座反射层214面对椭圆球壳状反射镜202的另一侧聚焦于第一焦点216时得以穿透基座反射层214，而让光线从基座反射层214面对椭圆球壳状反射镜202的一侧聚焦于第一焦点216时得以通过基座反射层214反射，然后再经由椭圆球壳状反射镜202反射至第二焦点212上，因此本实施也可有效利用大面积入射的光线。

本实施例的第一太阳能电池芯片210也并不限于设置于第二焦点212，另可设置于第一焦点216。并且，太阳能电池聚光装置200可另包含有一第二太阳能电池芯片218，与第一太阳能电池芯片210分别设置于第一焦点216与第二焦点212上。此外，本实施例的透镜206边缘的曲率可依照实际需求来加以调整，使透过透镜206边缘聚焦的光线得以聚焦于第二焦点212。

请参考图7，图7为本发明第六较佳实施例的太阳能电池聚光装置的剖面示意图。如图7所示，本实施例的太阳能电池聚光装置250包含有一抛物面反射镜252以及一透明载板254，其中抛物面反射镜252的一凹口256面对入射的光线，且抛物面反射镜252的一光轴258设置约略平行于光线的入射方向，并且抛物面反射镜252具有一抛物面焦点260。另外，透明载板254的材料较佳为钻石、陶瓷、氧化锌或蓝宝石所构成，但并不以此为限。本实施例的透明载板254设置于抛物面焦点260上，使二设置于透明载板254上的太阳能电池芯片262，264位于抛物面焦点260处的两侧，并且通过透明载板254的散热功能，可将太阳能电池芯片262，264上所产生的热量加以传导至冷却器上。因此当光线被聚焦于抛物面焦点260时，光线会先通过设置于抛物面焦点260两侧的太阳能电池芯片262，264，因此不仅光线可有效地被利用，而且吸收光线的太阳能电池芯片262，264也可有效地被散热。本发明的太阳能电池芯片262，264的数量并不限于此，而太阳能电池芯片262，264的数量可为至少一个以上，但以实际需求的情况而定。

综上所述，本发明提供太阳能电池聚光装置，将太阳能电池芯片设置于椭圆球壳状反射镜与抛物面反射镜的焦点，使其可在小面积下吸收高强度的光线，不只可缩小使用的太阳能电池芯片的大小，更可提升太阳能电池芯片吸收单位面积光线的强度，因而改善光线的利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种太阳能电池的聚光装置，用于收集一光线，其包含有：

一抛物面反射镜，其中该抛物面反射镜具有一抛物面焦点；以及

一透明载板，其中该透明载板上设置有至少一太阳能电池芯片，且该透明载板设置有该太阳能电池芯片的部分约略设置于该抛物面焦点上。

2.一种太阳能电池的聚光装置，用于收集一光线，其包含有：

一第一反射镜，该第一反射镜包含一具有一第一曲率的第一弧面，其中该第一弧面具有至少一第一焦点与一第二焦点，且该第一焦点与该第二焦点的至少其中之一上设置有至少一太阳能电池芯片；以及

一第二弧面，其中该第二弧面的底部具有一第一开孔以与该第一反射镜相接，且该第二弧面具有一第二曲率使该第二弧面具有一第三焦点，其中该第三焦点的位置与该第一焦点的位置约略相同。

3.如权利要求2所述的太阳能电池的聚光装置，其中该第二弧面位于一第二反射镜的表面。

4.如权利要求2所述的太阳能电池的聚光装置，其中该第二弧面位于一透镜的表面，其中该透镜具有一透镜焦点，位于该透镜相对一光线的入射方向的另一侧。

5.如权利要求4所述的太阳能电池的聚光装置，其中该第一反射镜为一沿椭圆的长轴方向剖面的约略四分之一椭圆球壳。

6.如权利要求5所述的太阳能电池的聚光装置，另包含有一透明基座，该透明基座的一表面沿着该透镜的一光轴且面对于该第一反射镜的一内表面设置。

7.如权利要求6所述的太阳能电池的聚光装置，另包含有一基座反射层，该基座反射层设置于该透明基座的该表面上。

8.如权利要求6所述的太阳能电池的聚光装置，其中该太阳能电池芯片设置于该透明基座的该表面上。

9.如权利要求4所述的太阳能电池的聚光装置，其中该第一反射镜为一椭圆球壳体，且该椭圆球壳体具有反射特性。

10.如权利要求2所述的太阳能电池的聚光装置，其中该第一曲率不等于该第二曲率。

11.如权利要求2所述的太阳能电池的聚光装置，其中该第一反射镜为一椭圆球壳状反射镜，且该第二弧面为一抛物面状反射镜。

12.如权利要求11所述的太阳能电池的聚光装置，其中该椭圆球壳状反射镜的材料包含有铟、锡、铝、金、铂、锌、银、钛、锡、锗、铜、镍、铍化金、锗化金、锌化金、锡化铅、上述材料的组合、布拉格反射层或金属。