CN101989822B - 太阳能光电转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种太阳能光电转换装置，允许天线进行发射或接收射频信号，其包含太阳能光电转换材料及传导电极。太阳能光电转换材料用以将光能转换成电能，而传导电极用以将太阳能光电转换材料转换所得的电能收集并传导。该传导电极的排列构成频率选择面，该频率选择面置于该天线的辐射发射或接收路径上。频率选择面与该天线具有间距，且频率选择面在该天线的主要辐射发射或接收路径方向上的投影涵盖该天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能光电转换装置，特别是允许天线传送及接收射频信号的太阳能光电转换装置。
背景技术
近年来对于替代能源的需求大幅增加，在各国政府的鼓励投资之下，太阳能光电转换装置的铺设面积大幅成长，不但布建在阳光充足但是人烟稀少的边荒地区，也逐步扩及市区的建筑物屋顶上，甚至与建筑物结合，称为建筑物集成光电转换装置(Building IntegratedPhotovoltaics，BIPV)。可以预见未来建筑物的屋顶甚至外墙都有可能大量装置太阳能光电转换装置，然而在城市地区的建筑物屋顶常会架设一些无线通讯装置，如移动电话基站、点对点传输站、卫星接收器、无线电以及无线电视接收天线等，太阳能光电转换装置与无线通讯装置因此会有争夺楼顶面积甚至于有互相干扰对方运行的情形出现，基于这种趋势，将两者集成以充分发挥可贵的楼顶面积是有必要的。
另一方面，太阳能光电转换装置有可能会普遍装置于建筑物侧边的墙壁、窗户，以及汽车的车顶、玻璃部分甚至是外壳的部分，若有无线通讯装置在这些空间中，势必会影响到通讯信号的强度。甚至移动通讯装置如笔记型电脑、膝上型电脑、智能型手机(Smart Phone)等本身也有可能会覆盖太阳能光电转换装置，这些太阳能光电转换装置具有大量的金属构造，直接置于天线的辐射路径上必定会造成原本的无线通讯装置在通讯功能上的阻碍，因此这必须要有特殊的解决手段才能让两者并存。
发明内容
本发明利用单一或多个太阳能光电转换装置其中的传导电极的排列，形成频率选择面(Frequency Selective Surface，FSS)，置于射频电磁波的路径上，适当的调整太阳能光电转换装置中各单元的几何参数，使得FSS的穿透频率或是截止频率调整至符合射频通讯系统或是射频天线的需求。
进一步地，本发明提出一种太阳能光电转换装置，允许天线进行发射或接收射频信号，其包含太阳能光电转换材料及传导电极。太阳能光电转换材料用以将光能转换成电能，而传导电极用以将太阳能光电转换材料转换所得的电能收集并传导。传导电极的排列构成频率选择面，且频率选择面置于该天线的辐射发射或接收路径上。频率选择面与该天线具有间距，且频率选择面在该天线的主要辐射发射或接收路径方向上的投影涵盖该天线。
另外，前述太阳能光电转换装置可作为太阳能光电转换装置单元。根据本发明可将多个太阳能光电转换装置单元组合成模块的形式，进行阵列排列，并利用如调整各太阳能光电转换装置单元或模块间的间距，形成所需的频率选择面。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的太阳能光电转换装置。
图2及3绘示图1的太阳能光电转换装置的频率与穿透率的关系图。
图4绘示本发明另一实施例的太阳能光电转换装置。
图5绘示图4的太阳能光电转换装置的频率与天线增益的关系图。
图6及7绘示本发明又一实施例的太阳能光电转换装置。
图8至11绘示本发明的太阳能光电转换装置的应用例。
主要元件符号说明
10太阳能光电转换装置 11上电极
12下电极 13太阳能光电转换材料
14传导电极 15手指电极
16总线电极 17频率选择面
18天线 40太阳能光电转换装置
41网格状电极 42反射面
43射频激发源 44法布里-珀罗共振腔
45下电极 46总线电极
47光电转换材料
60太阳能光电转换装置单元
61透明承载结构 62透明迎光面电极
63薄膜光电转换材料 64金属背电极
71太阳能光电转换装置模块
70太阳能光电转换装置
80太阳能光电转换装置 81天线
82整流元件 83太阳能光电转换元件
84反射面
91天线 92电磁波
具体实施方式
以下具体实施手段搭配附图进行说明，其中所揭露的太阳光电转换装置的型式及数据，是为了使说明清楚，并非用以限定本发明。
太阳光电转换装置单元大致上是由以下的结构所组成：透明上保护层(通常是玻璃)、上电极、下电极、单元间的连接电极、光电转换材料、保护层或承载结构等。一个完整的太阳光电转换装置模块包含多个单元，以串联及并联的方式连接，以提供系统所需要的输出电压以及电流。
以多晶硅及单晶硅为光电转换材料的太阳光电转换装置，在大型模块中，通常以整片的晶片(wafer)当作一个单元，但是在较小的装置中，受限于面积以及模块输出电压的需求(需要多个单元串接提供较高的输出电压)，会将晶片切割成较小的面积作为单元。但是切割晶片需要额外的时间与成本，过小的单元组装成模块时也比较耗时，因此一般而言在符合系统需求的前提下，就经济效应而言，单元的大小应该越大越好，而且最好以整片的晶片为优先。
常见的多晶硅的太阳能光电转换装置单元的上电极多为正交网格状，包括等间距布满整片单元的手指电极(finger electrodes)，以及数量较少，略为粗厚，用来汇集手指电极上电流的总线电极(bus-barelectrodes)。而通过连接电极将总线电极上的电流连接到相邻单元的电极完成串联的电性连结。多晶硅的太阳能光电转换装置单元通常采用不透光的金属(相比于薄膜太阳能光电转换装置多采用透明但是导电性较差的透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO))，若电极间距过小，数量过多，遮蔽太多面积，将导致单元开孔率下降，可输出的功率也会降低；另一方面若电极间距过大(相对于转换材料中电子空穴的平均自由径)，则电子空穴要移动到电极的距离较长，因此电子空穴再结合的机率将增加，导致转换效率下降。一般多晶硅的太阳能光电转换装置单元(PV Cell)的手指电极的间距以目前技术来说约在2～4mm之间，而一个6英寸见方的PV Cell单元可能约有三条总线电极。下电极由于没有遮光的考虑，所以可能会以金属铺满整个PV Cell单元的背面作为下电极。
本发明的基本精神是将整个太阳能光电转换装置单元当成频率选择面(Frequency Selective Surface，FSS)的周期单元，置于射频电磁波的路径上，适当的调整单元的几何参数，使得FSS的穿透频率或是截止频率调整至符合射频通讯系统或是射频天线的需求。在单元的平面波穿透测试中，发现调整单元中的电极的周期间距，可以调整FSS单元的穿透频率或是截止频率。
发明实施例一
图1揭示本发明第一实施例的一种太阳能光电转换装置10，其允许天线进行辐射发射或接收。太阳能光电转换装置10包含上电极11、下电极12以及太阳能光电转换材料13。上电极11、下电极12分别位于太阳能光电转换材料13的两侧。总线电极(bus-bar electrodes)16与上电极11、下电极12所包含的手指电极15形成类网格状，用来汇集上电极11、下电极12上的电流。太阳能光电转换材料13可将光能转换成电能。上电极11、下电极12形成传导电极14，用以将太阳能光电转换材料13转换所得的电能收集并传导至另一个太阳能光电转换装置或是传导至电力系统或是电力储存装置。太阳能光电转换材料13包括硅基半导体，如单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜、多晶硅薄膜，或是III-V族化合物如GaAs、AlGaAs、InGaP、InGaAsP与InP等，II-VI族以及I-III-VI族化合物如CdTe、CuInSe2(CIS)、CuGaInSe2(CGIS)、CuIn1-xGaxS1-ySey(CIGSS)等，以及有机染料，或是多结(Multi-junction)的复合结构等。
传导电极14的排列构成频率选择面17。本实施例中即上电极11及下电极12排列成频率选择面17。频率选择面17置于该天线18的辐射发射或接收路径上。频率选择面17与该天线18具有间距d，频率选择面17在该天线18的主要辐射发射或接收路径方向上的投影涵盖该天线18。
更具体地，太阳能光电转换装置10由一片厚度约为0.35mm，边长约为150mm(约六英寸)的正方形多晶硅晶片组成。上电极11及下电极12皆为类网格状，各包括布满整片单元的手指电极15，以及数量较少，略为粗厚，用来汇集手指电极15上电流的总线电极16。承载结构可为对微波影响不大的玻璃或塑料、丙烯酸(压克力)等材料。手指电极15间距约为2.8mm，若欲集成的射频通讯系统其微波信号为线性偏振，微波信号行进方向大约平行于图中的z方向，且偏振的方向大约平行于图中x方向，则通过调整总线电极16的数量与间距，可以调整射频电磁波穿透频率的高低。一般说来，间距越大，总线电极16数量越少，相对应的射频电磁波穿透频率越低，反之则越高。当选择总线电极16的间距约为25mm，总线电极16数目为6个，在不考虑材料损耗的情况之下，此时射频电磁波穿透频率可以涵盖卫星通讯常用的C-波段(例如3.4GHz-4.2GHz)，如图2所示。所以由此种单元所组成的模块覆盖在C-波段的卫星天线上是可以将太阳能光电转换装置10对微波信号的干扰降低。而在此实施例中，虽然总线电极16数目较一般的单元多，但是可以通过适度的缩减电极宽度，将遮蔽的面积影响降低，而不至于大幅影响太阳能光电转换装置10的输出功率。
上述类网格状其中一实施例是正交网格状。
图3为此实施例于不同入射角的射频电磁波穿透率对频率作图，入射角改变对其操作频段穿透率影响不大。此实施例中，太阳能光电转换装置其与地面的夹角通常是以所铺设所在地的纬度为基准，再依四季做例如±15度内的调整。也就是太阳能光电转换装置10的受光面的法线方向约略指向赤道面，与卫星通讯装置指向同步卫星的仰角相近，而在图3中可以发现，即使水平方向的角度转动了60度，射频电磁波穿透的效果仍然不错，故此设计在实用性上具有相当大的优势。根据此实施例所设计出的太阳能光电转换装置10具有宽频、能接受高入射角的射频电磁波穿透特性，除适合卫星通讯的应用，也适合其它宽频通讯等的应用。
上述的太阳能光电转换装置10可作为太阳能光电转换装置单元(PV cell)，而依实际需求将多个太阳能光电转换装置单元排列成阵列形式，其中个别的太阳能光电转换装置单元具有频率选择面单元(FSS单元)，而可合成频率选择面。
进一步地，频率选择面单元的大小通过调整其所包含的太阳能光电转换装置单元的数量以及太阳能光电转换装置单元的大小来决定，该频率选择面单元与相邻的频率选择面单元具有间距，以调整频率选择面单元射频电磁波的穿透/反射特性。该频率选择面具有过滤射频电磁波的功能，能使射频电磁波在通过该频率选择面时遭遇特定的衰减或是反射的特性。
发明实施例二
本发明第二实施例的太阳能光电转换装置单元的组成与第一个实施例相似，但是下电极的形式从类网格状改为整面的金属，即形成反射面。在此状况下的太阳能光电转换装置单元具有相当宽的电磁波截止频带，而电磁波穿透频带则相对较窄。此时可通过调整太阳能光电转换装置单元的大小来控制穿透频带的频率高低。单元越大，则穿透频率越低，反之则越高。而通过调整单元间的间距则可以控制穿透频率的频宽，一般说来，间距越大则穿透的频宽越大。而此时若单元为正方形，X、Y方向相邻单元的间距也相同，而单元具有X方向与Y方向的连接电极，使得FSS单元在X、Y方向电场偏振的电磁波信号具有频率相同的电磁波穿透频带，这可以应用于相对窄频的双极化/圆极化射频通讯应用，例如GPS信号接收器/发射器。
发明实施例三
参照图4，与第二个实施例的太阳能光电转换装置单元类似。本实施例中，太阳能光电转换装置40是由多个光电转换装置单元组成。上电极为网格状电极41，且由总线电极46相连接，而下电极45则于各单元中铺满光电转换材料47的另一侧。
由于此时FSS单元具有比较宽的电磁波截止频带，电磁波穿透的比例较低，因此可以顺势依此特性设计为法布里-珀罗(Fabry-Perot，FP)共振腔44的可部分穿透层(电极)41，与一个或多个射频激发源43，以及一个额外加上的且平行此可部分穿透层41的反射面42组成共振腔式高增益天线。FP可部分穿透层41的穿透比率可以通过调整太阳能光电转换装置单元的间距的比例。间距所占整个周期的比例越高，则穿透的比例越高，反之则越低。由FSS所形成的FP可部分穿透层41与金属反射面42形成FP共振腔44，两者的间距例如约为欲穿透频率的波长的一半，但此间距可以通过赋予金属反射面42上特殊的周期性结构(如人工磁导体Artificial Magnetic Conductor，AMC)藉以改变反射相位而缩小。在FP共振腔44中放置一个或多个射频天线43当成激发源，可以达到非常高的指向性，与没有FP可部分穿透层的天线相比，具有提高增益的作用(在不考虑材料损耗的情况之下，如图5所示天线增益由约10dBi增加到约20dBi)。在多个激发源的情况下，如果调整各个射频天线的相对发设/接收强度与相位，则可以达到斜向发射/接收射频信号的作用，以应付射频电磁波传播方向与PV Cell或是FSS平面法线方向不同的情况。
发明实施例四
如图6所示，薄膜式太阳能光电转换装置单元60包括透明承载结构61(例如玻璃)、透明迎光面电极62(通常是由TCO所构成)、薄膜光电转换材料63(常见的为非晶硅的多层结构)以及金属背电极64等。
以上述非晶硅的薄膜式太阳能光电转换装置单元60为例，由于非晶硅的电子、空穴平均自由径较短，因此电极需要涵盖大部分的面积以有效吸收电荷，而TCO的导电度较差，因此也需要做成较宽的导线来导引电流以避免过高的欧姆损耗。金属背电极64也充当反射层，将未被吸收的光子反射回光电转换材料。因此透明迎光面电极62、薄膜光电转换材料63、金属背电极型64成类似电容的三明治结构，对射频电磁波而言是一个相当窄频的带通结构，若没有做特殊的结构改变，射频电磁波信号穿透时会有相当大的损耗。
通常非晶硅的薄膜式的太阳能光电转换装置单元60的周期较小(例如约6mm～10mm)，单元间的间距也很小(例如约小于1mm)，电极的涵盖范围大，因此不易通过调整单元的结构来达成FSS射频电磁波穿透频带与截止频带的分布。
如图7所示，本发明以多个太阳能光电转换装置单元60组成一个模块71，再由结合多个模块71作阵列排列，形成一个太阳能光电转换装置70。其中太阳能光电转换装置单元60中的金属背电极64也充当绕线层，连接至相邻单元60的透明迎光面电极62。以此模块71做为FSS的单元具有比较大的设计、调整空间。调整模块71中单元60的大小与单元60的个数可以调整FSS单元的大小，进而调整其射频电磁波穿透/截止频带的分布。相邻模块71与模块71之间有较大的间距(虽然会损失一些输出功率)，可以使FSS单元的穿透率增加，进而达到与实施例二以及实施例三相同的集成效果。多个太阳能光电转换装置单元60可进行电性串联或并联，以配合双极化天线的应用。
发明实施例五
天线除了可以用来接收、发射无线信号，也可以用来接收电磁波能量。将天线结合整流元件，便可将高频的电磁波转换成直流电压。例如通过人造卫星将太阳能转换成微波能量，再通过微波的无线传波路径传递给无人飞行载具(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，若此UAV表面也覆有太阳能光电转换装置，并将微波接收天线通过上述实施例一至实施例四的方式巧妙的装置于太阳能光电转换装置之下，如此便能拥有两个补充性的供能途径，以延长UAV的供电时间。另一方面，目前的硅基太阳能光电转换装置的吸收波长多以可见光至近红外光的波长为主。而太阳辐射至地球表面的能量有一部分经过非弹性散射以及生物体吸收在放出的过程转换至太赫兹(THz)频率(波长约为10μm)的电磁辐射，此一部分的能量尚未被开发，殊为可惜。
如图8所示，太阳能光电转换装置80包含天线81(包含反射面84)、整流元件82以及太阳能光电转换元件83。整流元件82具有允许GHz频段通过的FSS，且将高频THz频段的电磁波转换成直流电能。太阳能光电转换元件83的FSS允许GHz频段通过以进行信号传送或接收。太阳能光电转换元件83的型式可如上述实施例一至实施例四所示。如果将天线81通过整流元件82将THz高频的电磁波转换成直流电能，再通过上述实施例一至实施例四的方式装置于太阳能光电转换元件83之下，如此便能在同一面积下拥有双频段(光频与THz频率)的太阳能吸收机制，能更有效的撷取太阳的能量，并且能集成射频电磁波通讯的功能。进一步地，该电磁波能量的频率可包含微波频率、毫米波频率或太赫兹频率。
发明实施例六
如图9所示，本实施例利用太阳能光电转换装置单元10作为FSS(其他实施例的太阳能光电转换装置单元也可作为FSS)结构，而利用FSS来反射位于射频电磁波92截止频带的电磁波的反射结构，用以改变射频天线91所辐射的射频电磁波的传播方向。
如图10所示，由射频天线91所辐射的不同频段f1及f2的电磁波92分别位于FSS结构的穿透频带与截止频带，可使不同频段的射频电磁波往不同方向传播。如图11所示，FSS对不同的极化p1及p2的双极化射频电磁波92具有不同的穿透/反射特性，因此本发明也可利用此一特性，以太阳能光电转换装置单元10作为FSS，引导不同极化的射频电磁波往不同的方向传播。
以上已将本发明专利申请案做一详细说明，但是以上所述，仅为本发明专利申请案的较佳实施范例而已，当不能限定本发明专利申请案实施的范围。即凡依本发明专利申请案申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明专利申请案的专利涵盖范围内。
Claims (15)
1.一种太阳能光电转换装置，允许天线进行发射或接收射频信号，所述太阳能光电转换装置包含：
太阳能光电转换材料，用以将光能转换成电能；以及
传导电极，用以将太阳能光电转换材料转换所得的电能收集并传导；
其中该传导电极的排列构成频率选择面，该频率选择面置于该天线的辐射发射或接收路径上，该频率选择面与该天线之间具有间距，该频率选择面在该天线的主要辐射发射或接收路径方向上的投影涵盖该天线。
2.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，其中该传导电极包含：
上电极，设于该太阳能光电转换材料的一侧；以及
下电极，设于该太阳能光电转换材料的另一侧；
其中该上电极及下电极的网格状设计使得该频率选择面具有宽频的穿透频带，从而该天线得以发射或接收宽频的射频电磁波信号。
3.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，其中该传导电极的排列形成具有可部分穿透特性的频率选择面，与另一平行于该频率选择面的反射面之间具有间隔，以形成法布里-珀罗共振腔。
4.根据权利要求3所述的太阳能光电转换装置，其中该天线置于该法布里-珀罗共振腔中。
5.根据权利要求3所述的太阳能光电转换装置，其中该反射面具有周期性结构，使得该法布里-珀罗共振腔的该频率选择面与该反射面之间的间距小于波长的一半。
6.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，其中该频率选择面具有双极化特性。
7.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，其中该太阳能光电转换材料包含硅基半导体、III-V族化合物、II-VI族、I-III-VI族化合物、有机染料、或硅基半导体、III-V族化合物、II-VI族、I-III-VI族化合物与有机染料的组合。
8.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，所述太阳能光电转换装置另包含整流元件，将该天线所接收到的电磁波能量转换成直流电能并输出至电力系统或是电力储存装置。
9.根据权利要求8所述的太阳能光电转换装置，其中该电磁波能量的频率为微波频率、毫米波频率或太赫兹频率。
10.一种太阳能光电转换装置，允许天线进行发射或接收射频信号，所述太阳能光电转换装置包含：
多个太阳能光电转换装置单元，包含太阳能光电转换材料与传导电极，该多个太阳能光电转换装置单元形成阵列排列，从而构成频率选择面，该频率选择面置于该天线的辐射发射或接收路径上，该频率选择面与该天线之间具有间距，该频率选择面在该天线的主要辐射发射或接收路径方向上的投影涵盖该天线。
11.根据权利要求10所述的太阳能光电转换装置，其中该阵列是由多个太阳能光电转换模块所组成，各太阳能光电转换模块包含多个该太阳能光电转换装置单元，且各该太阳能光电转换装置单元具有频率选择面单元。
12.根据权利要求11所述的太阳能光电转换装置，其中该频率选择面单元的大小通过调整所述太阳能光电转换装置所包含的太阳能光电转换装置单元的数量以及太阳能光电转换装置单元的大小来决定，该频率选择面单元与相邻的频率选择面单元之间具有间距，以调整频率选择面单元射频电磁波的穿透/反射特性。
13.根据权利要求10所述的太阳能光电转换装置，其中该频率选择面具有过滤射频电磁波的功能，能使射频电磁波在通过该频率选择面时遭遇特定的衰减或是反射的特性。
14.根据权利要求10所述的太阳能光电转换装置，其中该太阳能光电转换装置单元是非晶硅薄膜形式。
15.根据权利要求10所述的太阳能光电转换装置，其中该多个太阳能光电转换装置单元进行电性串联或并联，以配合双极化天线的应用。
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