CN102356473A - 提高光路径长度的光伏(pv)增强膜和制造光伏增强膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能转换组件(100)，通过提供吸收反射阳光(106)的附加机会而有效地捕获太阳能(104)。组件(100)包括一个或更多个太阳能电池(410)，其每一个都包括光接收表面(414)。在光接收表面(414)上入射的光(522)的一小部分被反射。组件(400)包括诸如塑料的透明材料的光伏(PV)增强膜(420)，其设置为覆盖光接收表面(414)的至少一部分。PV增强膜(420)包括基板(426)，其设置为接近或邻接光接收表面(414)。膜(420)包括在基板(426)上与光接收表面(414)相对的多个全内部反射(TIR)元件(428)。TIR元件(428)透射初始接收或入射的光到太阳能电池的光接收表面而不显著地聚集，然后利用TIR捕捉反射光(524、528)的实质部分(532、554)，以为吸收提供附加的机会，从而将典型损耗的光转换成电。

Description

提高光路径长度的光伏(PV)增强膜和制造光伏增强膜的方法
技术领域
本发明总体上涉及将太阳能转换为电的装置和系统的制造方法，例如利用光伏效应(photovoltaic effect)将太阳能直接转换为电的装置，并且本发明特别涉及诸如太阳能电池的模块、阵列或面板的PV装置的制造方法，该太阳能电池包括PV增强(或陷光)层或膜，以更好地捕捉或捕获入射在PV装置的前表面或接收表面上的来自太阳的光或射线，以实现增强的吸收和太阳能到电的转换。上述制造方法特别适合于生产PV增强膜，其构造为当太阳垂直于太阳能电池(或太阳能模块、阵列或面板)的前表面时以及也在具有倾斜角时减少入射光的反射或损耗，从而减少以包括PV增强膜的PV装置来跟踪太阳位置的需要。
背景技术
随着对于可再生能量、包括利用太阳能量的日益关注，对于更加有效太阳能电池的需求持续增长。太阳能电池或光伏(PV)电池是通过光伏效应将太阳能转换成电的装置，并且太阳能电池广泛地应用于多种装置中，范围涉及人造卫星和其它应用，包括远离传统电源的便携式消费电子装置。近来，具有电池阵列或PV模块(或太阳能面板)的大型太阳能量收集系统用于给电网提供电力而分配给消费者。几个问题限制了太阳能电池的实施，包括材料和制造的成本、诸如铅的材料的环境问题以及电池的低效率。结果，研究者继续寻求降低制造成本的途径和提高太阳能电池以及包括这样电池的面板、模块或阵列的效率的途径。例如，现有的太阳能电池，例如基于硅基板的太阳能电池，典型地效率为10％至20％，因此即使是效率的小幅增长(例如，百分之一至百分之几)也可能在太阳能转换成有用的电上表现出很大的相对增益(例如，对于一个电池的设计，1％至2％的效率增长表现为5％至20％或者更高的效率增益)。尽管具有这些限制，但是太阳能电池和PV阵列的制造和安装近年来迅猛增加。某些估计表明，PV生产每两年翻一倍，使其成为世界上增长最快的能源技术，约90％的生产量是连接电网的电力系统，其安装在地上(例如在太阳农场)或者建筑屋顶/墙壁上。全球变暖的问题和世界各国政府提供的财政支持可能只会增加对PV阵列的需求以及对更有效太阳能电池的需求。
太阳能电池或光伏电池(或PV装置)直接将阳光转换成电，并且通常由与计算机芯片中采用的材料类似的半导体材料制造。当阳光由这些材料吸收时，太阳能使其原子释放的电子自由，这允许电子流过材料而产生电。光(即，光子)到电的转换过程称为光伏(PV)效应。实际上，太阳能电池典型地合并成具有大量电池(例如，达到40个或更多个电池)的模块，并且一组这样的模块(例如，达到10个或更多个)安装在每侧可达到几米或更大的PV阵列或太阳能面板中，而每个电池在尺寸上典型地仅达到100至150平方厘米。这些平板PV阵列以固定的角度面对太阳(例如，向南方)安装，或者它们可安装在跟随太阳位置的跟踪装置上，以允许它们整天更好地捕获太阳光。太阳能电池可采用薄膜技术形成，以利用只有几微米厚的半导体材料层。
太阳能电池的性能是根据其将阳光转换为电的效率来度量。只有一定能量的阳光有效地作用而产生电，并且大量所需能量的阳光可能从太阳能电池的表面反射，或者被其材料吸收而没有产生电。由于这些和其它区域的阳光损耗，因此典型的太阳能电池可能具有约5％至20％范围的效率，而某些高效太阳能电池要求高达22％或更高的效率。例如，对于实际大小(例如，约100cm2)、晶体硅型的太阳能电池(例如，HIT太阳能电池，其由被超薄非晶硅层围绕的单一薄晶体硅晶片组成)，22％的能量转换效率于2007年宣布，作为世界纪录的事件。低效率意味着需要较大的阵列提供特定量的电，从而增加了材料和制造成本。因此，改善太阳能电池的效率而保持每个电池的成本下降仍然是太阳能量工业的重要目标。
即使在PV阵列设置为垂直于太阳的射线时，对于典型的太阳能电池而言阳光也被反射或损失，估计5％至33％或更多的光可怕地反射或损失。在某些情况下，可用玻璃片或透明塑料封装将太阳能电池保护起来免受环境的影响。在太阳能量工业上已经进行了巨大努力，以通过在阳光以直角入射到PV阵列上时(或者当入射角为0度或者接近0度时)减少反射来提高效率。典型的解决方案要求在电池和/或在保护玻璃/塑料层上施加抗反射涂层材料，例如SiNx层等，以最小化光从该保护层的反射。AR涂层提供具有所需折射率和厚度(例如，四分之一波长)的一层或多层材料，以减少阳光在涂层表面(例如，保护玻璃片的平面表面)上的反射。在某些实施例中，AR涂层可为与硅石化合的金属氟化物(例如，含氟聚合物)、锌或其它金属氧化物(或者其它透明导电氧化物)、或者其它材料层。近来，由单层多孔氧化硅形成的涂层已经应用于保护玻璃层，以在中午时减少约3％的玻璃反射并且在早上和晚上减少约6％的玻璃反射(例如，当阳光以倾斜的或非零度的入射角撞击太阳能电池时)。另外，开发了其它的AR涂层，包括具有纹理的电介质涂层和多层、纳米结构的涂层(例如，几层二氧化硅和二氧化钛纳米棒(nanorod))。尽管在太阳能电池的光捕获和效率上提供了某些改进，但是现有的AR涂层通常在阳光垂直地撞击PV阵列时(例如对于很多阵列接近中午时)在控制阳光反射上是很有用的，而对于限制其它类型的反射或弹回损失而言几乎不起作用。
如上文讨论的，快速发展的光伏技术的最大问题围绕成本与效率。是采用传统的硅材料还是采用新型的碲化镉或铜光伏结构，效率仍然是太阳能电池为消费者和电力工业使用和采用的重要限制。尽管为聚能器(concentrator)系统或为了吸收更宽范围的多个波长(包括更长的波长)设计的多层更昂贵PV电池明显更加有效，但是更加精制且昂贵的多层PV材料也导致在两个轴上接近完全朝向太阳之外的角度上增加的射线损失。上述附加损耗是由射线偏转增加引起的，而射线偏转增加是在试图利用更多的可获得波长时PV结构的复杂性所要求的余弦下降(cosine fall off)以及窄接收角导致的。
PV材料中吸收上的损耗是由几种因素引起。上述因素之一是通常的“余弦下降”或者缺乏吸收，这是由于阳光的入射角和入射的射线相对于PV材料中结构的关系。例如，典型的太阳能电池具有不是完全平面而是具有纹理或粗糙的上表面或前表面。这导致很多射线简单地偏离PV材料的表面而没有被吸收。然而，这种现象甚至在阳光或射线以零度直接导入PV材料中或以适当角度导入PV材料中时也会发生。射线偏转的部分原因是PV材料内的结构不平坦，并且大部分为三维的。甚至在完全对准时，入射的射线也被弹离这些结构(例如，反射)，并且从未被太阳能电池吸收。
因此，对于改善的诸如PV阵列的太阳能电池装置/产品仍然存在需要，以更好地控制反射和/或增加被太阳能电池吸收的阳光入射量。优选地，改善的太阳能电池会在具有或不具有太阳位置跟踪的情况下具有改善的能量转换效率，并且太阳能电池和太阳能电池的PV阵列不会在制造上明显地更加昂贵，或者不要求下面的太阳能电池构造或结构的重新设计/修改。
发明内容
本发明通过提供用于太阳能面板/阵列和太阳能电池(或其它PV装置)的光伏(PV)增强膜而解决上述问题，从而提高PV材料在吸收可利用太阳能上的效率。具体地讲，PV增强膜被设计为通过修改或增加通过PV材料的接收或入射光的光学路径长度以便更好地吸收而提高PV材料(或PV装置)的效率。PV增强膜可结合增加(甚或优化)路径长度的这种功能以及捕获或捕捉通常会损失掉的从太阳能电池的光接收表面反射的光，并且将此反射光定向为返回到光接收表面(通常以不同的入射角)，用于第二次或附加的吸收机会且转换成电。光的捕捉或改向通过利用全内部反射(TIR)而实现，并且PV增强膜用以使大部分入射光通到光接收表面(没有显著的聚集)，然后捕捉大部分反射光返回到光接收表面。
PV增强膜可由塑料、玻璃、陶瓷或其它基本透明的材料形成(例如，高透光性材料，如能量固化聚合物)，并且包括膜基板，其上形成(或提供)多个元件或结构。这些元件可称为TIR结构或元件，同时也用于提供光路径长度修改，因此这些结构或元件这里也称为吸收增强结构或元件(即，无论本说明书在何处使用术语TIR结构，术语吸收增强结构可以取代，这是因为设计为提供TIR的结构也典型地提供至少一定量的所需路径长度延长)。TIR或吸收增强结构可选择为提供结合的功能性：(a)优化或提高通过PV材料的光的光路径长度，以及(b)例如通过TIR等提供反射光的至少某些捕获。以这样的方式，吸收增强结构提高通过PV材料的光的吸收，同时通过提供第二、第三或更多次机会吸收从PV装置层(例如，从PV材料的光接收表面，如PV材料的薄膜)反射的光而也捕获因反射可能损失的一部分光而提高吸收。
吸收增强元件的每一个都设计为以修改的方向/角度接收和透射接收的光，以修改路径长度，然后将从太阳能电池反射的光定向为返回到其光接收表面以用于可能的吸收。例如，吸收增强元件为延长结构，其以三角形横截面在基板的一侧上提供有锯齿图案，吸收增强元件每一个都提供有两个小面以交替入射光的路径且通过TIR捕捉反射光。在其它情况下，吸收增强元件是基板的表面上的三维(3D)结构，其每一个都用于交替入射光的路径，以提供通过PV材料的增强光路径长度，并且也反射回以其它方式损失的阳光，例如多个半球/圆顶形状主体、完整或截头圆锥状主体(截头圆锥形状)、三个侧面或四个侧面(或更多侧面)棱锥(成为真点(true point)/顶、平坦/平面的侧面/小面、曲线、圆顶形或半球形点，或其它形状)，等等。通过用射线跟踪计算机程序模拟，可认为PV增强膜可提供接收光的更好的优化光路径长度，并且捕获足够的反射光以显著提高太阳能电池和太阳能电池阵列等的效率。例如，模拟显示利用PV增强膜的某些实施例将提高效率达10％，而其它实施方案可提高效率达35％或更多(例如，在没有跟踪且在非峰值器件具有更大量反射损失的太阳能阵列中，以及在具有非常薄的膜并且该膜中增加路径长度改善吸收量的阵列中)。
特别是，太阳能电池组件提供为用于更加有效地捕获太阳能。组件包括PV装置，其包括一层PV材料和覆盖PV材料的保护顶部(例如，平面玻璃盖，利用粘合剂施加到PV材料)。组件还包括由基本透明材料形成的PV增强膜(例如，玻璃、塑料或陶瓷等，其使非常大百分比的接收光通过)，并且利用基本透明的粘合剂将膜施加到保护顶部的至少一部分上。PV增强膜包括基板上的多个吸收增强结构，其与PV装置相对。每个吸收增强结构包括光接收表面，该光接收表面折射撞击PV增强膜的入射光，以在入射角范围上在该层PV材料中提供大于约1.10的平均路径长度比率。平均路径长度比率可确定为在入射角范围内确定的路径长度比率的平均值，其每个比率由通过PV材料的折射入射光的路径长度除以在不存在(或者不使用)PV增强膜的情况下通过PV增强膜行进的入射光的路径长度而计算。在某些情况下，这样的比率可根据入射角范围内的一组角度上执行的射线跟踪而确定，并考虑PV增强膜的构造及其结构，还考虑保护顶部以及一层或更多层粘合剂的作用。
从通过PV材料的光接收表面的垂直平面测量，入射角的范围可选自+/-80度的范围。然而，在某些情况下，入射角的范围为+/-40度、+/-20度甚或+/-10度，以在阳光为其最大强度(并且大部分太阳能量由太阳能电池或PV装置聚集)时，更好地提高PV材料的吸收。该结构可构造为在入射角范围上在该层PV材料层中获得大于1.2的平均路径长度比率，而其它实施例提供1.5或更好的比率。该结构也可设计为提供TIR以将从PV材料(或其它表面)反射的光的一部分定向为朝向PV材料返回以进行可能的吸收，并且以这样的方式，该结构可通过增加路径长度或提供TIR，或者通过在入射角范围的相同或不同的部分上提供这些功能二者，而提高PV材料的吸收或效率。PV材料层可采取很多形式，例如，晶体硅太阳能电池中建立的PV材料。在其它情况下，PV材料可由薄膜太阳能电池中建立的材料/层提供，并且包括非晶硅，微晶硅、碲化镉、铜铟镓二硒化物(CIGS)和有机PV电池材料等。PV增强膜特别对于非晶硅和微晶硅膜提供良好的改善结果，但是也可预期对于透明导电氧化物(TCO)薄膜或基板非常有用。
在一个实施例中，相邻的吸收增强结构具有两个不同构造之一，其一个构造选择为在入射角范围的一部分中提供较好的路径长度增强(PV材料中的延长)，并且另一个构造选择为在第二部分(典型地，与第一部分不同，但是能够重叠)中提供较好的路径长度增强。在一个实施例中，该结构以锯齿状图案混合或交替，具有不同高度的三角形横截面，其底部/节距类似，例如，节距或底部小于约15密耳(例如约13密耳)，并且高度小于约11密耳，其一组结构小于约8密耳，而另一组结构为8和11密耳之间(例如，一组结构的高度或厚度可约为7密耳，而另一组的高度约为10密耳)。以这样的方式，每个结构用于提供更加需要的或适当的路径长度，以为整个入射角范围的一部分或子范围优化PV材料或层中的光捕获。例如，第一构造(例如，高度约为7密耳)在入射角的绝对值大于约20度时增加路径长度上较好，而第二构造在入射角的绝对值小于约20度时可能在增加路径长度上更加有效(与第一构造比较)。
根据另一个方面，一个实施例通过提供附加机会以吸收反射阳光而提供更有效地捕获太阳能的太阳能电池组件。该组件包括太阳能电池(注意，在太阳能阵列组件中，多个太阳能电池可包括在该组件中)。太阳能电池包括光接收表面，光接收表面上入射的光的一小部分或百分比在预定范围的入射角范围上反射(例如，大部分光可在-10至10度的范围内吸收，但是在更加倾斜的入射角上，例如大于10度以及小于-10度，可能反射撞击太阳能电池的光的更大部分)。值得注意的是，太阳能电池组件包括由基本透明材料形成的PV增强膜(例如，透光的塑料)，设置为覆盖或邻接光接收表面的至少一部分(并且，更为典型地，覆盖光接收表面的大部分或全部)。PV增强膜包括基板，该基板设置为邻近或邻接(除了将膜附着到太阳能电池的可选粘合剂层外)光接收表面。该膜也包括基板上的多个全内部反射(TIR)元件，其与光接收表面相对。TIR元件的每一个都设计为将反射光的至少一部分定向为朝向太阳能电池的光接收表面返回。
TIR元件透射入射到光接收表面的光(或者大部分接收的光)(例如，不阻挡或积聚该光)，并且在反射光撞击TIR元件的一个或更多个侧面时，还采用TIR将反射光的一部分定向为返回到光接收表面。TIR元件的每一个都可具有线性或延长主体，其具有向内成角的至少两个侧面。例如，TIR元件可具有三角形横截面(例如，从一端看)，并具有以小于约60度(例如，小于约45度)的角度向内成角的侧面。TIR元件可为类似的尺寸和形状，或者TIR元件可具有不同的尺寸(和/或形状)，从而交替例如具有不同厚度的TIR元件(或者交替的TIR元件组可不同地构造)以调整所实现的光学效果(即不同的TIR元件可在不同入射角上提供更好的TIR捕捉效果，并且在单一PV增强膜中选择两个或更多个这样的TIR元件是有利的)。在另一个示例中，TIR元件是线性的，但是包括三个、四个或更多个小面/侧面，例如，两个向内成角的侧面以及设置在其间的上平面侧，该上平面侧平行于光接收表面(例如，类似于棱锥结构的截面)。在其它实施例中，PV增强膜可包括限定TIR元件的光接收和捕捉表面，并且该表面在沿着PV增强膜的边缘看可具有正弦曲线的形状(例如，以正弦曲线截面形状提供延长的TIR元件)。在其它实施例中，TIR元件提供在基板的表面上而与光接收表面相对，并且具有3D的主体，其形状选择为提供所需的TIR效应(例如，从基板或片凸起的多个棱锥或3至4个或更多个侧面的棱锥形状、众多的半球形状的主体或圆顶以及很多圆锥或截头圆锥等)。PV增强膜可相对较薄，并且TIR元件很小，以实现TIR捕捉效果，在一个实施例中TIR元件的每一个都具有大小小于约为10密耳的底部和高度。
根据其它方面或实施例，提供制造光伏(PV)增强膜的方法。该方法包括提供包括压花辊的挤压装置。该压花辊典型地具有雕刻的表面，其轮廓图案对应于多个吸收增强结构(例如所需结构图案的镜像，可采用金刚石或类似的切割工具块等切割，如这里所描述)。该方法还包括提供基本透明材料的网片，例如聚碳酸酯、丙烯酸树脂或其它聚合物(具有或没有其它添加剂)的UV稳定混合物，并且该材料可以挤压温度供给到该挤压装置(例如，在环境温度以上，达到约350至450°F的范围等)。该方法还包括滚动或挤压该压花辊压向该网片的第一侧以采用轮廓图案形成吸收增强结构。在这种形成的网片或PV增强膜中，该吸收增强结构的每一个都可包括光接收表面，其将通过该网片的第二侧朝向该第一侧的光的至少一部分定向为返回到该第二侧(例如，该结构可构造为在施加给PV装置时提供TIR功能)。
在该方法的某些实施例中，光接收表面适合于该结构以使该结构折射撞击第一侧的入射光，以在入射角范围上将压花网片施加在PV材料层上时提供大于约1.10的平均路径长度比率。在这样的情况下，平均路径长度比率可确定为在入射角范围内确定的多个路径长度比率的平均值，路径长度比率的每一个为在通过PV增强膜后传播通过PV材料的折射入射光的路径长度与没有PV增强膜的情况下传播通过PV材料的入射光的路径长度相比较。此外，在这些实施例中，路径长度比率可根据入射角范围内的多个角度上执行的射线跟踪确定。另外，从通过PV材料的光接收表面的垂直平面测量，入射角范围可为选自-80度至+80度范围的角度范围。在其它情况下，从通过PV材料的光接收表面的垂直平面测量，入射角范围可为选自-20度至+20度范围的角度范围。
在该方法的某些实施例中，由压花辊或其雕刻表面形成的吸收增强结构的每一个可包括延长主体，该延长主体包括向内成角的至少两侧。在这些实施例中，吸收增强结构的每一个都可具有沿着垂直通过纵轴的平面剖取的三角形横截面，并且其中该侧面以小于约60度的角度向内成角。此外，相邻的吸收增强结构可具有不同的高度，从吸收增强结构的三角形横截面的第二侧到顶部测量。然而，在其它情况下，吸收增强结构的每一个可包括三个互连侧面，其包括以小于约60度的角度向内成角的两个侧面和设置在两个成角侧面之间的上部平面侧面，其基本上平行于光接收表面。在其它实施例中，吸收增强结构的每一个包括半圆横截面的延长主体，而在其它示例中，吸收增强结构的每一个具有半球形状的主体，其底部支撑在基板上。压花辊的雕刻图案可为使吸收增强结构的每一个具有棱锥或截头圆锥形状的主体，其底部支撑在基板上。在该方法的这些实施例的任何一个中，吸收增强结构的每一个可具有大小小于约10密耳的底部和高度。
该方法还可包括冷却压花网片、施加粘合剂到第二侧以及将压花网片切割成多个PV增强膜，每一个PV增强膜具有预定长度和宽度。再者，在该方法的某些实施例中，网片材料包括聚碳酸酯或丙烯酸树脂。压花网片可具有小于约30密耳的厚度，挤压温度可为至少约300°F，并且压花辊冷却到环境温度以下的温度，例如，环境温度以下的30至50°F或者更低，以更快速地“冷冻”具有结构图案的网片表面。
根据另一个方面或实施例，提供制造具有增强能量吸收的光伏设备的方法。该方法包括提供一层光伏(PV)材料，其设置在基本透明材料的保护层下。使用中，在入射角范围上撞击保护层的入射光具有通过PV材料的第一平均路径长度。该方法还包括制造PV增强膜，包括通过包括冷却压花辊的一组辊挤压塑料的网片，以在塑料网片的第一侧上形成多个吸收增强结构。该方法还可包括将粘合剂层施加到塑料网片的第二侧，然后通过粘合剂层将塑料网片贴附到保护层而与PV材料相对。在这种方法的典型示例中，吸收增强结构的每一个可包括这样的主体，其成型为以与撞击保护层的入射光不同的角度将该主体的外表面上的入射光透射为朝向PV材料，并且采用全内部反射(TIR)将从PV材料反射的至少一部分光定向为朝向PV材料返回。在这样的情况下，在入射角范围上该主体上入射的光可具有第二平均路径长度，其至少大于第一平均路径长度约10％。
保护层可包括玻璃，并且PV材料可包括硅基薄膜PV装置。在某些实施例中，吸收增强结构的主体以三角形横截面形状延长，其具有限定光接收和捕捉表面的两个侧面，该表面采用TIR定向部分反射光返回到光接收表面，并且采用折射提供不同角度，第二平均路径长度与第一平均路径长度的平均路径长度比率大于约1.2。在该方法中，吸收增强结构的主体的每一个可为至少具有三个小面的棱锥形状，可为半球形状，或者可为截头圆锥形状。此外，该主体的每一个可具有小于约10密耳的底部宽度和高度。
附图说明
图1是本发明实施例的太阳能转换系统的功能框图，总体上示出了在太阳能面板或阵列上使用PV增强膜，并且PV增强膜可采取这里描述的任一种形式，以通过TIR技术减少阳光或太阳射线的反射或反弹；
图2示出了一种太阳能电池，其具有有缺陷的前表面或接收表面，并且反弹和/或反射入射的太阳能辐射或阳光；
图3A-图3C示意性地示出了以传统漏斗、带有镜壁(mirrored wall)的传统漏斗和反向漏斗(或者截头圆锥)定向光，示出了进入漏斗的底部或较宽部分的光具有被捕捉的倾向或者被定向返回漏斗(例如，由于具有TIR特性而可利用的光学微结构)的底部；
图4示出了根据本发明一个实施例的包括PV增强膜或层的太阳能电池组件的透视图，其具有线性的或延长的TIR结构或元件；
图5示出了图4的太阳能电池组件的放大或详细局部端视图，更加详细地示出了用于捕捉从太阳能电池接收表面或前表面反射或反弹的射线或阳光时的单一TIR结构或元件，用以提高由太阳能电池吸收可利用太阳能的比率；
图6示出了类似于图5所示的太阳能电池组件的局部端视图，示出了可更改为包括根据本发明实施例的PV增强膜的太阳能电池的示范性细节，其具有两个或更多个平坦的侧面或小面(facet)，以捕捉从太阳能电池组件的其它层反射或反弹的入射光；
图7示出了根据本发明实施例的附加太阳能电池组件的透视图，其包括设置在顶部接触(top contact)上、进而沉积在PV结构的粗糙表面上的PV增强膜；
图8是PV增强膜的透视图，其示出采用多个截头圆锥形状的TIR结构的实施例；
图9是图8的PV增强膜的单一TIR结构的截面图；
图10是附加PV增强膜的透视图，其示出采用多个圆顶或者半球形状的TIR结构/元件，以将反射的阳光改向返回太阳能电池或PV装置的实施例；
图11是图10的PV增强膜的单一TIR结构的截面图；
图12和13是示出在示范性介质中反射作为光角度的函数的曲线图；
图14示出了根据本发明实施例的用于两个侧面或小面的TIR结构的射线跟踪，例如，其可用在如图4所示的锯齿PV增强膜中或者如图8-11所示的纹理膜中；
图15和图16是分别示出光强度作为光接收表面上阳光入射角的函数的曲线图，该光接收表面具有以及没有覆盖PV增强膜或成对的具有95％和50％反射率的PV增强膜；
图17是根据本发明实施例的用于PV增强膜的一部分的射线跟踪，其采用两个侧面或小面的TIR结构，并且示出了使用PV增强膜时的折射效果；
图18是示出光强度作为图17的PV增强膜上阳光入射角的函数的曲线图；
图19是示出光强度作为图7的PV增强膜上阳光入射角的函数的曲线图；
图20是示出太阳能电池阵列组件的示意性端视图，其使用PV增强膜以改善阵列的一组太阳能电池的效率，并且该膜包括由正弦光接收表面限定的多个线性或延长的TIR结构；
图21是示出阵列光接收表面上的光强度作为图20的PV增强膜上以及没有该膜的阵列上的阳光入射角的函数的曲线图；
图22是太阳能电池组件的示意性端视图，其示出了根据本发明实施例的“尖头向上”的PV增强膜的使用；
图23是太阳能阵列组件的示意性端视图，该太阳能阵列组件包括具有TIR结构的PV增强膜，该TIR结构具有交替跨过PV增强光接收/捕捉表面的两种设计；
图24是示出太阳能阵列光接收表面上的光强度作为图23的PV增强膜以及没有膜的阵列上阳光入射角的函数的曲线图；
图25是示出PV射线长度比率作为根据本发明实施例的一个PV增强膜上阳光角度的函数的曲线图；
图26是示出PV射线长度比率作为PV增强膜的另一个实施例上入射角的函数的曲线图，其类似于图25的曲线图，该PV增强膜组合了以交替锯齿图案设置的两个吸收增强结构设计；
图27是计算机系统的功能框图，其特别适合于(例如，以一个或更多个处理器运行在计算机可读介质上提供的计算机程序产品或编码)提供这里描述的吸收增强结构优化功能，包括提供输入数据和/或其它模拟信息到射线跟踪、路径长度、路径长度比率和优化结构/膜参数的转换，其存储在存储器和/或输出到输出装置，例如计算机可读介质/存储装置、打印机和显示装置(例如，显示在计算机或电子装置的监视器上)；
图28示出了结构/膜优化方法或计算机执行方法的流程图或示意图，其可由图26所示的系统操作提供，例如，通过运行根据本发明一个或更多个实施例的结构优化模块提供；
图29和图30示出传统PV装置或太阳能电池在特定入射角上的射线跟踪，示出了通过保护玻璃层、涂层或顶层然后通过PV材料层并且从反射背板(reflective backing)或镜面反射的入射或接收光；
图31和32示出太阳能电池组件或修改的PV装置的射线跟踪，其包括施加到PV装置的保护玻璃层的PV增强膜，以折射或修改入射光的路径，从而实现在PV材料中改善的(例如，更长的)路径长度，与图29和30所示的跟踪(例如，路径长度比率大于1，例如大于约1.10或更大)相比；以及
图33示出根据本发明实施例的太阳能电池组件或增强的PV装置中的射线跟踪，其利用在PV增强膜的表面上以混合或交替的锯齿图案设置的两个吸收增强结构，每个结构提供入射角范围上的路径长度改善或增加，但是一个结构特别选择为在约+/-20度的范围内或者在其它结构的路径长度增强性能上的弱点/范围或间隙中提高路径长度。
具体实施方式
通常，本发明涉及太阳能面板、阵列或模块(或具有独立的太阳能电池或其它PV装置)中使用的光伏(PV)增强膜，以改善太阳能效率。PV增强膜适合应用于现有的太阳能阵列、面板或模块，和/或在初始制造期间与太阳能电池/PV装置一起使用。PV增强膜的每一个都包括塑料、玻璃或陶瓷的基板(例如，基本透明的材料，如薄的聚合物膜等)，并且在一个表面上具有多个结构或元件，上述多个结构或元件的形状和尺寸设置为提供接收光或入射光的方向的修改/改变，以提供更需要的路径长度(例如，以使对于由诸如太阳能阵列的PV装置的PV材料吸收太阳能而言路径长度更加优化)，并且还提供全内部反射(total internal refelction，TIR)，以捕捉或捕获从PV材料或PV装置的光接收表面(例如，从保护玻璃层覆盖物)反射的至少一部分光。
这里，这些结构或元件为可互换称谓的吸收增强结构/元件和TIR结构/元件。部分地，这个术语的使用是因为初始的调查主要针对优化TIR以改善PV装置的效率，但是实验和研究(例如计算机模拟)表明，为了提供更长的路径长度(例如，“最佳的”或“优化的”路径长度)而选择结构的形状和尺寸可能比捕获反射或其它方式损失的阳光更加重要或至少同等重要。为此，在PV增强膜上提供吸收增强结构的努力转化为提供TIR和更加优化光路径长度二者(例如，具有单一结构设计或者具有提供不同功能性的两个或更多个结构设计的膜，例如交替锯齿图案的交替结构，其具有提供更好TIR的第一结构以及提供更好光路径长度改善的第二结构(例如，最大化用于PV增强膜，保护玻璃元件、粘合剂层和PV材料的特定设置的长度))。
PV增强膜可贴附到太阳能阵列上，从而使吸收增强结构侧朝向太阳，并且相对(典型地为平面)侧邻接太阳能阵列中太阳能电池的光接收侧和/或表面(例如，用粘合剂贴附到太阳能电池的PV材料、保护玻璃涂层或元件或AR材料层等)。吸收增强结构的每一个都适合产生定向至太阳能电池的光伏结构的TIR，以通过将未吸收的光子偏转返回至光伏结构而具有第二次(或附加)机会吸收和转换成电来提高太阳能阵列(或独立的PV装置)的性能。简单来说，在这点上，PV增强膜上的每个吸收增强结构用于允许入射的阳光相对不受阻碍地通过至阵列的太阳能电池，然后，以TIR捕捉反射光或反弹光的重要部分，从而使最初未吸收的阳光或射线至少再一次返回到太阳能电池(一些射线在被吸收或逃离PV增强膜和包括PV增强膜的太阳能阵列之前定向为朝向太阳能电池2至5次或更多次)。
重要地，每个吸收增强结构还用于使光改向，以在光通过吸收增强结构而撞击PV材料的光接收表面时(并且在光通过中间材料层时，上述中间材料层例如为将PV增强膜贴附到PV装置的粘合剂、诸如玻璃层的保护元件、一层或更多层的AR材料、将玻璃/AR贴附到PV材料或其光接收表面的另一个粘合剂，等等)改变其路径。通过仔细选择吸收增强结构的形状和尺寸，入射光的光路径长度可与PV材料/PV装置相匹配，以提高或改善PV装置内吸收的接收光的一部分或一小部分(例如，典型地通过最大化例如为正或负40度、正或负30度或者正或负20度等入射角范围的路径长度而“优化”路径长度以提高PV装置的效率)。
吸收增强结构的形状可广泛变化而实施本发明，一些吸收增强结构是线性的，具有三角形、多边形、弓形或其它横截面，而其它吸收增强结构为非线性的，具有不同的形状，例如棱锥(三个、四个或更多个成角的侧面，其具有/没有顶点，例如为平坦或成型的峰而不是点)、圆顶、圆锥、截头圆锥和六边形形状(例如，具有圆顶的带纹理表面，或者在透明材料的片或膜表面上的其它并排的吸收增强元件)。吸收增强结构的光接收/捕捉表面限定的角度也可从约-5至+5度广泛变化，在某些情况下-45至45度范围内的角度是所希望的。再者，吸收增强结构的尺寸可以改变来实施本发明，一些实施例利用宽度小到约0.25密耳(5微米)的吸收增强元件，而其它实施例采用宽度达1英寸或更大的吸收增强元件。高度(或厚度)也可改变，一些实施例为非常薄(例如，高度为约0.25密耳或5微米)，而其它实施例为相对厚(例如，高度约达1英寸或更大)。在一个示范性实施例中，利用两个或三个小面的吸收增强结构，其在结构的顶部平面的小面或侧面上高约2密耳，宽约1密耳(其底部宽度或节距随着结构的侧面的内角而改变)。
下面的描述以利用PV增强膜的结构/元件来提供增加的TIR的描述开始(例如，参考图2-24与图1，图1示出了在太阳能阵列或面板112中可采用这里描述的任一PV增强膜来作为膜114的太阳能转换系统)。然而，为了全面地理解这一说明，本领域的技术人员应该清楚的是，为了TIR优化的吸收增强结构/元件还提供PV材料中路径长度的增加(正如为光路径长度优化的吸收增强结构也提供大量的光捕获功能或TIR)，从而使图中的TIR结构是有利于改善路径长度的吸收增强结构(反之亦然)。下面的描述继续更详细地着眼于优化PV增强膜以优化PV材料中的射线路径长度，例如，在图24的讨论后开始且参考图25等。在进行该详细讨论之前，一般性地描述本发明的一个或更多个实施例的各方面可能是有用的。
通过努力改善PV装置的效率，本发明人已经设计且制造了具有吸收增强结构的PV增强膜(具有多种形式和尺寸)。PV增强膜以至少两种方式改善效率：(1)通过TIR再循环反射的射线，例如以为了产生TIR而优化的吸收增强结构，以及(2)优化或至少改善PV材料中的所需路径长度，例如以为了改变入射光的路径而构造的吸收增强结构，从而在PV材料光接收表面上获得射线的所需入射角，以增加(甚或基本上最大化)光在入射角的范围(例如，太阳位于面板正上方，加或减一定的量，例如加或减20至40度等，以在最高强度上更好地收集太阳的能量)上通过PV材料时的路径长度。典型地，光线的“优化”路径长度是通过PV材料的光路径长度(例如，通过薄膜硅基PV电池等)，这是通过PV材料的最长距离。相反(或者在不使用吸收增强结构的情况下)，例如在中午或在太阳位于太阳能面板或阵列的正上方(且在其最高强度)并且入射光可在垂直路径上通过材料(例如，路径长度仅等于PV材料的厚度)时，路径长度可能接近于最短路径。
不但为了TIR而且为了对于各种入射射线角度(方位角)和/或一天的时间增加通过PV材料的路径长度，可优化PV增强膜上的结构或元件(例如，在主要能量收集周期期间，例如10AM至2PM、9AM至3PM或预期具有更高太阳能量强度的一些其它时间周期增加路径长度并且在其它时间增强TIR可能更为有用)。另外，射线可具有其由吸收增强结构/元件修改或改向的路径，以在特定PV材料专有的特定带隙上改善PV材料或PV装置的性能(例如，吸收增强结构的形状/大小可选择为适合于PV材料，这在某些情况下可能涉及不是简单地最大化光路径长度)。
为了有助于选择用于PV增强膜的吸收增强结构的构造，本发明人创建且采用了结构优化模块，其典型地实施为由计算机或计算装置上的一个或更多个处理器运行的计算机程序或软件，以转换一组输入变量来决定输出、将输出存储在存储器中和/或显示输出(例如，包括形状和尺寸的结构设计)。具体地讲，包括各种材料的折射率和厚度的各种数据被选择且提供到运行的结构优化模块(例如，诸如GUI的用户界面或命令行界面等在计算机监视屏上显示给用户，并且用户输入PV增强膜、保护玻璃、一层或更多层的粘合剂和PV材料的折射率和厚度)。提供至结构优化模块或工具的另一个输入是优化中使用的入射角范围或引入射线或太阳的角度(例如，正或负40度，并且0度为垂直于PV材料的光接收表面)。
换言之，通过结构优化模块特别针对引入射线的角度范围优化或选择吸收增强结构。处理器或计算机对所有的角度进行计算或细化(grind)所有的角度(例如，在使用或应用PV增强膜的情况下以及没有使用或应用PV增强膜的情况下，对于用户限定的PV装置或PV组件，在每个角度上通过全部度数/弧度、度数/弧度的分数(fraction)、某些预定的度数偏移量(例如，每2、3、4度等，或类似情况))，以为PV材料决定提供改善的光路径长度(例如，最长的光路径长度、特定带隙范围的校正路径长度等)的吸收增强结构(或在单一PV增强膜中采用一个以上的结构时这些结构的组合)。在某些情况下，结构优化模块或工具用于在几个小时的处理时间上处理大量(例如，百万至十亿)的组合，以决定例如优化路径长度的吸收增强结构或这些结构与侧面角(在某些情况下的形状和尺寸等)的组合这样的结果。
在某些实施例中，PV增强膜可提供有单一的吸收增强结构设计，例如，具有例如如图4和5所示的三角形横截面的延长结构。然而，本发明的一个或更多个实施例的结构优化模块或工具的使用已经表明，组合两个或更多个吸收增强结构可能是有用的，其中每一个吸收增强结构设计为对于引入/接收阳光的角度的不同范围提供优化，和/或提供不同的功能性(例如，一组吸收增强结构可设计为用于在入射角的特定范围上优化光路径长度，而另一组吸收增强结构可设计为用于提供改善的TIR，这在设计第一组结构中使用的角度范围之外的入射角上可能更加重要，或者也在该角度范围上提供TIR增强而重叠该范围)。
例如，针对角度的第一范围用于PV增强膜的吸收增强结构的优化相对于没有这样膜的PV装置提供路径长度的全面改进(有时，在特别窄的范围内实现了极大的改进)。然而，吸收增强结构可具有没有实现或实现很小改进的入射角范围(例如，薄弱范围)。本发明人在具有吸收增强结构的PV增强膜中发现了这种情形，该吸收增强结构优化/构造为用于在-40度至+40度的范围上优化路径长度。PV增强膜是由折射率为1.49的塑料制造，并且每个吸收增强结构被延长(例如，如图4和5所示)，其节距为13.333密耳，并且厚度为7密耳。图25示出了曲线图2500，其示出了与PV装置上的入射角相比较的PV材料中的路径长度比率，其中路径长度比率是在特定的入射角上通过将使用PV增强膜的路径长度除以没有使用这样的膜及其结构的路径长度而决定(例如，比值为1表示路径长度没有随着PV增强膜的增加而改变)。如线2510所示，对于绝对值在约10度以上的入射角实现光路径上的显著改进，而没有改变或“薄弱”的区域被发现在约-10至约+10度的角度范围内，如2520上所示。发现平均长度比率为1.231，这表示为了提供增强的路径长度(实现1.231的平均长度比率)并且提高PV装置的效率，需要包括具有如图4和5所示设计的吸收增强结构的PV增强膜，其具有上面限定的三角形形状。
然而，本发明人还认识到，如线2510所示的具有弱或低改善区域2520的这种图案对于PV增强膜的设计而言可能不是最佳的。这可通过为PV增强膜上提供的吸收增强结构提供两个或更多个构造或设计而得到改善。例如，图23示出了使用具有交替构造的延长的、三角形横截面的结构的锯齿图案，其可用于解决图25所示的弱点2520。一组结构可选择为提供如图25所示的比值或者在+或-40度上优化路径长度，而第二组结构可选择为在弱点或者+或-10度的第二入射角范围内提高比值。这是重要的，因为在太阳能收集中的“初始真实状态”期间优化通过PV材料的光的路径长度是所需的，典型地相当于每一天从约10AM至2PM的时间和/或约+或-40度。在能量收集的初始时间期间提高性能甚至几个百分点也可导致PV装置的效力和/或效率上的巨大总体增加。
考虑到这些目标，图26示出了根据本发明实施例的太阳能电池组件或PV装置的射线路径长度比率相对于入射角的曲线图(例如，如图23等所示的PV增强膜上的吸收增强结构的锯齿设置可提供的)。在此情况下的PV装置被模拟为包括PV材料(例如，折射率为3.44的非晶硅等)，其厚度为11密耳。通过粘合剂将厚度为125密耳并且折射率为1.5的保护覆盖玻璃施加到PV材料的光接收表面，其厚度为2密耳，并且折射率为1.51。假设交替的吸收增强结构具有13.333密耳的节距以及7和10密耳的高度或厚度(在本示例中设置为交替的图案，但是在其它情况下可交替多组这样的结构，例如一个设计的2至5或更多个，然后第二设计的2至5或更多个)。
如线2610所示，具有吸收增强结构的上述锯齿图案的PV增强膜的使用实现了路径长度在整个入射角范围上的增加，且平均比为1.527。重要地，选择为具有13.333密耳的节距和10密耳(而不是7密耳)的高度或厚度的结构得到进一步优化，以在+10度至-10度的入射角范围上提供改进的路径长度，如曲线图2600中区域2620中路径长度比率的峰/增加所示。因此，在某些应用中需要具有不同的交替吸收增强结构的锯齿图案的PV增强膜，上述吸收增强结构构造为用于在两个不同(但是有时重叠)的入射角范围上优化路径长度，以在峰值或主要能量收集期间以及遍及一天的其余时间更好地捕捉可利用的太阳能量。此外，如下面的详细讨论，PV增强膜可容易地用于改善包括玻璃保护层等的现有PV装置的效率(例如，先前制造并且甚至已安装的太阳能面板或阵列)。在这样的情况下，在优化程序中通过包括玻璃和粘合剂以及PV膜和PV材料而进行一个或更多个结构的优化和选择(例如，作为对结构优化模块的输入参数)，以选择更为需要的吸收增强结构。
通常，增加路径长度的前提是很多PV吸收器(或PV装置/材料层)在不是所有的光子或可获得能量被吸收的意义上不完全理想。因此，本发明人认识到，增加路径长度通常导致接收阳光的实质上更大的吸收。实际上，使用上面参考图26描述的PV增强膜(具有针对+/-40度优化的第一组(例如约50％)吸收增强结构以及针对+/-10度优化的第二组(例如约50％)的吸收增强结构，其采用三角形横截面)显示路径长度平均增加约53％。然而，更为重要的是，具有组合锯齿结构的这种PV增强膜在主要能量收集区域上提供约35％的路径长度增加，如2620上所示的约35％(例如，对于约+/-20度的阳光在入射角的范围内)。上述结果实现的重要性在于，根据吸收器或PV装置/材料的设置，附加的路径长度可由PV材料或在PV材料中提供实质上更大的吸收，因此，提供效率上的很大改善。为特定PV装置提供改善的效率和/或能量转换能力的另一个成分是由PV增强膜的吸收增强结构增加或修改的路径长度，这可通过对于特定PV材料允许在“最好”或更加有效带隙的吸收而提高性能。
通过包括优化的吸收增强结构的PV增强膜而增加路径长度，可在几乎任何PV材料和/或任何PV装置中增加吸收，例如具有多晶硅以及多层硅、CIGS和非晶硅Cad-Tel膜等的那些。然而，理论上，所述PV增强膜的使用可在诸如非晶硅薄膜的较薄PV材料中具有最大的增加或利益。尽管大部分传统的PV硅材料范围为约200和约300微米之间，但是非晶硅、Cad-Tel和CIGS PV装置可具有小于约25微米的厚度，这表示通过用这种薄膜PV材料制造的PV装置的更短光路径长度，在某些情况下，允许光子/能量的更小可能吸收。因此，增加接收/入射射线或阳光的路径长度很可能对这些较薄的膜更加重要，并且通常将导致总效率上的更高或更大的增加。
这里描述的采用PV增强膜的大部分实际销售产品之一正在改进或修改PV材料和PV装置(例如，太阳能电池/阵列)。在这样的情况下，例如可通过粘合剂膜/层(或在边缘附近)将PV增强膜应用于PV装置上。很多现有/安装的面板、阵列以及电池包括在PV材料之上的玻璃顶部或玻璃保护盖，并且通过粘合剂将玻璃层胶合到PV材料(具有或没有一层AR材料或涂层)。考虑这样的情况，结构优化程序(或使用结构优化模块)可通过输入变量和/或优化信息而预期PV增强膜的最终使用，其中优化信息包括关于玻璃盖和粘合剂的信息。以这种方式，PV增强膜及其结构可被优化，用于特定玻璃盖的使用(例如，特定PV装置设计)，并且吸收增强结构选择为适合于该盖板和特定粘合剂(或者预期保护盖和/或粘合剂的范围)。然而，在其它实施例中，PV增强膜可直接贴附到PV材料上(例如，取代保护玻璃盖/顶部)，并且在此情况下，该膜可由塑料或玻璃形成并且适合于提供所需量的路径长度修改和/或TIR，而与中间玻璃盖无关。
图1是根据本发明实施例的太阳能转换系统100的功能框图或示意图。如图所示，诸如太阳的光源或能源102将能量、射线或阳光104(通常称为“太阳能”或“太阳能量”，其因为太阳102和阵列112之间的距离而由几乎平行的光线组成)发射到太阳能收集组件110。组件110包括太阳能阵列或面板112，其一般包括许多太阳能电池(图1中未示出)，每个太阳能电池由设计为将太阳能104转换成电120的PV结构组成。组件110可刚性地安装为总体上面向太阳102，例如在北半球安装在建筑物屋顶的朝南部分上或太阳农场(solar farm)中，或者组件110可包括跟踪部件118，跟踪部件118移动且定位太阳能阵列/面板112以跟随太阳102，从而使阳光104总是或更经常地垂直于阵列112(以及包括的太阳能电池)的接收表面。
太阳能阵列112的太阳能电池或PV结构产生的电120可提供到各种终端使用装置，例如，充电器130以存储在一个或多个蓄电池(battery)132中、电网140(例如，用于公共使用，以满足住宅和商业用电的需求)和/或其它电负荷150。使用PV阵列112的最大问题之一是将太阳能104转换成终端用户(蓄电池132、电网140和/或电负荷150)可以使用的电的效率。据某些估算，现有太阳能阵列在产生电120上可能仅为10％的效率，例如，从1kW/m2的接收的太阳能104产生100W/m2的电。在电120的传输和存储中也存在无效率和线损耗，这可能导致甚至低于10％的端到端效率(例如，据某些工业估算为7％至8％。
本发明旨在提高诸如太阳能阵列112的PV装置的效率，并且本发明人认识到入射在典型太阳能阵列112上的太阳能104的重要部分可能由于反射或者弹回而损失掉，如106所示。例如，太阳能阵列112中PV材料的吸收损耗可能由于阳光104相对于PV材料中结构的引入角而由法线余弦减小(normal cosine fall off)和没有吸收而引起。甚至在利用跟踪118时，阳光104的一部分106也因为反射而损失掉(例如，由于表面不规则等而离开保护玻璃表面)。
例如，图2示出了太阳能电池210，其可包括在阵列112内，并且由于制造技术(或者甚至通过有意设计)，电池210的光接收表面或前侧212可能是不规则的或者粗糙的(例如，不平坦)。结果，即使以零度的入射角撞击电池表面212的阳光220也可能发生偏转，如224、225、226、227所示，而其它的射线或光子222被电池210的PV材料或结构吸收且转换成电。关于射线224、225、226、227(或者图1中的射线106)偏转的问题会在不提供跟踪从而使射线104、220以倾斜角(例如，当从法线到阵列112或其太阳能电池的表面212或者光接收表面测量时，小于或大于直角或零度的角)撞击表面212(或太阳能阵列112)时恶化。
再一次参考图1，改善接收组件110(或阵列112)的效率的一个方案是将未吸收射线104的至少一部分或一小部分弹回太阳能阵列112的PV材料(或太阳能电池)中/上，这减少了从系统100损失的太阳能106的量。为此，将PV增强膜114设置在阵列112的太阳能电池或PV材料的全部或部分之上，以捕捉从阵列112的表面反射或偏转而没被吸收的光的至少一小部分或一部分，并且并且将其改向回到阵列112上至少一次，以增加吸收或产生电120的机会。膜114包括在接收阳光104的表面上的多个TIR结构或元件，并且这些结构或元件的每一个都适合于利用TIR技术，以允许引入射线104进入且撞击阵列112的太阳能电池/PV材料，同时如果未被吸收(例如，如果从阵列112中的光接收表面/结构反射/偏转)还促进或提高射线弹回到太阳能电池/PV材料上的可能性。如下面的更多的说明，膜114上的每个TIR结构是膜114的光接收表面上形成的形状，以便提供反射或偏转射线的TIR。实质上，TIR结构是“反向漏斗”，其设计为允许射线进入，但是当反射/偏转的射线试图作为损失射线106以一定的角度远离PV材料时使射线偏转回到阵列112的PV材料。膜114的TIR结构连续使未吸收射线或阳光的一部分或一小部分偏转，从而使膜114内捕捉的和/或偏转的射线定向回到PV材料，由此在某些情况下将材料和阵列112的效率从约5至20％增加到10至25％或更多。
膜114可改装到现有太阳能阵列112上，或者在阵列112的初始制造期间与新PV材料或太阳能电池组合，并且阵列的任何一个制造方法可相对便宜地实现(例如，可通过粘合剂或者其它方法在几分钟内贴附具有许多TIR结构的塑料膜114，甚至在阵列112定位在太阳农场/园或屋顶框架上后，或者在具有许多TIR结构的塑料膜114形成时将其层叠或以其它方式应用在一个阵列的太阳能电池之上或者在每个太阳能电池之上(例如，膜114可包括多个段或独立膜，每一个都应用于一个太阳能电池以形成太阳能电池组件，然后太阳能电池组件可包括在阵列112内))。膜114(或者多个膜，可用于提供更大阵列112的所需覆盖)可由广泛种类的材料制造，例如，透射阳光104的容易获得的塑料，如聚合物片等，或者可由透明或至少高透射性的玻璃或某些陶瓷制造。在某些实施例中，用于形成膜114及其TIR结构/元件的材料选自玻璃、几乎任何类型的透光(即透明到半透明/较低透射性的)塑料，包括但不限于PET、丙烯、OPP、PVC、APET、丙烯酸树脂或任何透光塑料和/或陶瓷。在很多实施例中，优选的基础材料是塑料，这是因为其耐久性、材料和制造的成本低以及重量轻，并且膜114的塑料可被挤压、压延、铸造或模塑，以提供这里所述的功能TIR结构。
包括在本发明实施例的PV增强膜上的TIR结构用于在太阳能电池/PV材料的光接收表面上产生TIR，并且TIR结构可描述为用于定向光的“反向漏斗”。图3A-3C示出了传统的漏斗或者锥形结构300、反向漏斗或锥形结构320(例如，其较大的部分用作其下部或基础部分)以及带有反射壁的漏斗或锥形结构350。在试图定向或聚集光线的描述中，例如如果试图将光作为流体处理并且应用流体动力学原理，光线不像初始逻辑可能建议的那样反应或表现。实际上，可以认为在漏斗中光以与流体相反的方式作用。换言之，当为流体创建漏斗时，流体在重力下以预定的方式做出反应，重力将流体从漏斗的较大端部拉到较小部分和出口(例如，以具有较小直径的出口将油漏入车辆等中)。相比之下，当利用镜、玻璃或其它反射材料且以变窄的路径创建结构时，在将光定向为朝向光“漏斗”中时出现相反的效果。
图3A示出了以折射率为1.49的材料且没有反射壁的漏斗结构300。引入射线312被反射为射线314，其经受较小角度的反射，直到射线316最终从锥形/漏斗结构300的表面或侧壁310离开。相比之下，如图3B所示，反向漏斗结构320允许接收光或入射光332通过结构320的较大开口进入且继续行进或聚焦，如334和336所示(例如，进入折射率为1.49的锥形材料经受TIR的射线)。图3C示出了锥形结构350的示例，其具有以变窄直径设置的反射或镜面侧壁352，并且折射率为1.49(例如，切去顶端或截头圆锥形状的结构300)。集中引入或接收的光线154的尝试导致光由于从变窄的壁352偏转/反射而实际上离开漏斗结构356，如354所示(例如，射线以依次不同的角度反射离开壁352，从而使它们被反射离开锥体350，从而通常从漏斗尖端离开的射线被反射回漏斗上方)。本发明人认识到，在将射线354看作从电池或PV材料偏转或反射的光子或阳光射线时，结构(或其它“漏斗”结构)350可用于捕捉太阳能阵列或太阳能电池内没吸收的阳光。换言之，TIR元件/结构设置为太阳能电池(或阵列)上的如图3B所示的反向漏斗(或者图3A和3C所示的漏斗的倒置形式)，从而允许入射光进入且聚焦在太阳能电池/PV材料上，而未吸收的光被偏转回去以用于第二(或第三或更多)机会的吸收。
在薄膜中使用TIR的概念(例如，具有基板的塑料膜，其一侧上具有TIR结构，施加于太阳能电池之上)可认为是新概念。为了将TIR用作使射线转向或者限制阳光从太阳能电池/PV材料的损失的方法，可能有益的是描述射线的角度和产生行为的基本物理和几何。阳光或射线可进入透射的TIR结构或元件，其折射率为1.1和约2.0之间，一般理想的是1.4和1.65之间。一旦射线进入TIR结构，在撞击该结构的壁时，如果它们保持在平行于该结构的壁的42度内，则射线不从TIR结构出来。在此TIR物理定律内的射线在TIR结构内偏转，直到它们找到出口，或者被PV材料/太阳能电池吸收且转换成电。离开TIR结构的“出口”典型地为从TIR结构的壁(例如，TIR结构的壁的内部“表面”或小平面，其包括固体的塑料、玻璃、陶瓷或其它高透射性材料)测量超过42度的偏转的结果，产生允许射线离开的表面的更加直接的“撞击”。
支持本发明的一个观点是在各种PV膜中的很多损失和效率上的降低是由于射线没有被吸收到PV材料中，例如光子吸收以开始光伏效应(即电子向下运动(产生空穴)以被相反极性的电子取代的过程，并且因此产生电子的流动而形成电流)。可替代地，射线反弹离开PV材料或太阳能电池的三维(3D)表面或非平面/纹理表面，无论该膜采用硅酸盐、碲化镉或其它技术或材料。因为太阳能电池设计的目标是使射线进入PV膜，从而进入该结构，所以PV膜可由以入射阳光的各种波长为目标的很多层制成。因为太阳能的大部分存在于用于PV过程的较短波长，所以用于吸收的一层或多层特别以这些波长为目标。PV材料通常由诸如硅的纯净材料与微量控制的杂质混合制造，以在该材料中产生可控的能级或能带。根据所用的材料和数量，具有价带和导带。来自光源的光子将导致电子占据导带，其可将电子传导到电极。在材料的另一侧，具有作为有效正电荷的空穴，其由行进到PV材料另一侧的电极的光子产生，以完成电路。这里的目的不是详细阐述固态物理教科书中涵盖的这些过程以及可获得的参考材料，而是概括地说明当在适当条件下吸收光子时将产生电输出。
与射线吸收到PV材料中有关的主要问题之一是引入射线易于以极端的角度反弹离开PV材料的表面，从而显著地降低了射线的吸收机会。这一般归结到称为余弦下降的现象。在此情况下，引入射线在早上、晚上和/或不同的季节(或其组合)从不同的角度进入，这使得不希望的一小部分或部分射线被太阳能电池或包含大量太阳能电池的阵列吸收。另外，与太阳方位相关的面板/多个面板的不适当方位也可贡献于或导致适当太阳能的损耗。
然而，重要的是注意，即使对于PV材料具有良好的太阳跟踪，结构的角度自身也产生随机状极小百分比的射线反弹离开PV膜内的结构而没有被吸收。即使是直接入射的短波长射线也可能以不允许吸收的角度撞击太阳能电池的结构或纹理表面(如图2所示)。尽管一定类型的涂层(例如AR涂层)可通过减少某些情况下的反射而帮助改善效率，但是本发明的特性是不同的，这是因为其提供一种使用TIR以改善太阳能电池和其它PV装置(以及结合这样的太阳能电池和PV增强膜的太阳能面板/阵列)的太阳能转换效率的方法。PV增强膜包括TIR结构/元件，其允许引入或入射射线进入而不受阻地通过微结构膜(例如，在一侧上具有TIR元件而没有遮蔽的塑料、玻璃或陶瓷片(例如为具有微镜系统的情况))。然后，如果射线被从PV结构的表面反射，则每个TIR结构设计为具有产生TIR的能力，例如，根据平行于射线的出射路径偏转的角度(其必须小于42度，从射线撞击的TIR结构的壁测量)。捕捉或偏转的射线继续“反弹”离开TIR元件的内部结构至少一次，取决于该结构的形状可为两次、三次或更多次，并且再一次“撞击”PV表面(至少第二次)以进行可能的吸收。
实际上，这种TIR效应可能发生几次至几打的次数，直到射线被吸收到PV材料中而产生能量，或者由于偏转而与结构的壁产生超过42度(更直接“碰撞”)的角度，从而离开结构。因此，根据本发明的太阳能电池/PV装置中具有TIR元件/结构的PV增强膜的使用不保证每个射线的吸收，但是它通过以不同的角度(至少有可能的是射线以与第一次接收不同的角度入射在太阳能电池上)将射线弹回到PV材料而为未吸收射线的一部分或一小部分提供另外的吸收机会或时机，从而确实增加了吸收几率。在很多情况下，射线如果由于偏转而被PV材料再一次拒绝，则它在理论上具有成打的更多吸收机会。最终，射线被吸收或者找到从结构离开的角度，该角度从平行于出射壁的表面超过42度。在本发明人为了测试本发明TIR结构/元件的使用而运行的射线跟踪程序中，取代太阳能电池的光接收表面而利用95％反射镜表面，显示射线在离开该结构前可在该结构内反弹成打的次数。换言之，在此TIR光捕获过程中TIR元件或微结构可增加偏转射线被吸收的几率达到显著的量或者很多次。
图4示出了根据本发明一个实施例的太阳能电池(或PV装置)组件400。如图所示，组件400包括太阳能电池或PV装置410(例如硅基太阳能电池、薄膜装置、GaAs/Ge太阳能电池和几乎任何其它的PV设计)，其具有后表面或背表面(例如，背接触)412以及前表面或光接收表面414(例如，覆盖PV材料的前接触，如硅太阳能电池/晶片设计中可发现的p半导体层、AR涂层、玻璃或其它保护层、或者太阳能电池设计中指向太阳的其它表面)。因为在太阳能电池的光接收表面414上入射光的主要部分可能被反射、偏转或者其它方式而未被吸收，所以组件400还包括PV增强膜420。膜、片或层420设置为覆盖光接收表面414的全部或一部分，并且可通过粘合剂层418(例如，基本透明或者至少半透明的粘合剂)应用或贴附，从而使膜420邻接或定位到电池410的表面414附近。在其它实施例中，诸如机械方法或直接层叠在表面414上的其它安装方法可用于将膜420提供在电池410上(并且，在其它情况下，膜420可提供为电池410的完整层(integral layer)或一部分，例如在电池410上形成的保护玻璃、塑料或陶瓷涂层的部分)。在某些情况下，PV增强膜420可与电池410分开制造，并且作为修改或改装而应用于后者(例如，应用于在太阳农场或屋顶装备中的太阳能阵列或模块中已经使用的电池410)，而在某些情况下，PV增强膜420提供在电池410上，作为电池410和组件400的原始制造的一部分。
如图所示，PV增强膜420包括基板426，其第一侧/表面422位于太阳能电池410的前表面或光接收表面414附近(并且可看作太阳能电池面对或配对表面)。基板426通常为由基本透明的材料(例如，与TIR结构428采用相同的材料)形成的相对薄的层，并且电池配对表面422通常为平面，以为从PV增强膜420到电池410通过的光提供最小的干扰。在基板426的第二侧/表面424上，PV增强膜420包括多个TIR结构或元件428。第二侧/表面424可看作膜420的光接收表面/侧，并且以基板426的厚度而与电池表面414间隔开。在本实施例中，TIR元件428是双侧或双面结构，其延长主体延伸在太阳能电池410表面414的长度(或宽度)上，如膜的长度LPV film所示。在本实施例中TIR元件428是具有三角形横截面的线性元件，结构428的两个小面或两侧形成三角形的边，并且底与基板426配对，或者与基板426整体连接。每个TIR元件428的三角形横截面的尺寸和形状可变化而实施本发明，并且它可根据电池组件400的预定用途而变化(例如，45度小面可用于太阳能阵列中使用的电池组件400(见图1)，其在进行跟踪的情况下使用，从而使阳光典型地以垂直方位接收，而在没有提供跟踪时较小(或较大)的小面或侧面角是有用的，并且大部分阳光以倾斜的角度撞击电池组件)。PV增强膜420可看作“锯齿”设计，而TIR元件428是锯刃的齿。
图5示出了太阳能电池组件400在用于捕捉阳光期间的放大端视图，示出了用于PV增强膜420的单一TIR元件428的细节。如图所示，PV增强膜420具有厚度tPV film，由基板426的厚度和每个TIR元件428的厚度或高度HTIRelement组成。膜厚度tPV film典型的范围为约1微米至约0.25英寸，其基板426的厚度有助于PV增强膜420的结构整合以及便于制造。每个TIR元件428具有宽度WTIR element，其也将变化以实施本发明并且取决于小面或侧角θ1和θ2，典型地为1微米至1英寸或更大。小面限定角θ1和θ2典型地相等，从而使TIR元件428的三角形横截面为二等边三角形，但是这对实施本发明不是必需的。在一个实施例中，小面限定角θ1和θ2选择为小于约45度(从平行于基板426的表面422的平面测量或从TIR元件428从其突出的基板422的第二侧测量，该第二侧也平行于表面422)，当接收的太阳能总体上垂直于太阳能电池410的光接收表面414时45度是有用的，并且当射线以更大的倾斜角度被接收时更小的角度是有用的。
如所示的使用中，阳光的第一射线521以接近正交或垂直的角度(从垂直或正交于太阳能电池410的光接收表面414的平面测量，其中射线521被示出在约-10度)被接收或入射在TIR元件428的一侧或小面510上。接收的阳光521被允许在具有一些衍射的情况下进入或通过TIR元件428，如射线522所示，并且射线522通过包括基板426的PV增强膜420，在此处射线522撞击电池410的光接收表面414(和/或PV结构)。在本示例中，射线522没有被吸收而产生电，而是替代为以不同的角度发射或反弹离开，如射线524所示。射线524以角α撞击TIR元件428的侧面或小面520，并且当该角度小于约42度(如图所示)时，射线被小面520捕捉，并且如射线526所示反射返回到电池410的光接收表面414(例如，以TIR元件428实现TIR效应)。再一次，射线526可能没有被太阳能电池410吸收，而是替代为反射/反弹回去，如528所示，其中该射线528撞击小面520以再一次作为射线530以不同的角度被捕捉/或反射。射线530撞击电池410的光接收表面414，在此处它被吸收到电池410中，如吸收的能量/射线532所示。
在本示例中，TIR元件428采用TIR捕捉未吸收射线524、528，并且为太阳能电池410提供两个额外机会吸收太阳能，否则会损失掉(例如，如果采用传统的AR涂层，射线524可能从组件400损失掉)。实际上，额外机会的数量可宽泛地变化，并且可能范围为0至12或更多(当第一反射射线524以大于42度的角α撞击小面520时，发生0次)，总而言之，TIR元件428用于捕捉反射光的至少一小部分并且将其定向返回到光接收表面414一次或多次吸收机会。例如，由于接收射线从光接收表面414的反射和/或反弹而使得电池410可能经受高达70％的阳光损失，并且采用TIR元件428的PV增强膜420(具有两边的横截面形状的线性体)可能迫使35％或更多损失的阳光至少第二次撞击光接收表面414(其中，一些射线由TIR元件428捕捉或迫使撞击表面414多次)。
类似地，其它射线540可能以不同的角度(例如，如图所示的大于20度)撞击TIR元件428，并且被允许进入TIR元件428，如射线542所示。射线542通过TIR元件428，并且撞击电池410的光接收表面414，在此处其作为射线544被反射或反弹离开。射线544以小于约42度(在此情况下)的角度β撞击小面/侧520，并且偏转为射线546，其撞击电池410的表面414，并且再一次反射为射线548。未吸收的射线548撞击小面510，再一次被TIR捕获，并且作为射线550被反射到光接收表面414，但是TIR元件428提供的该额外机会导致射线550被吸收，如554所示。应当理解的是，图5示出了对于具有TIR元件428的PV增强膜420的使用的非常简化的描述，因为大量的射线沿着TIR元件428的长度并且跨过两个小面510、520而撞击TIR元件428，并且大部分或小部分在初始接触时被太阳能电池410吸收。但是，图5有助于理解PV增强膜420如何用于在太阳能电池410的光接收表面414之上提供TIR结构或元件428，从而捕获电池410没有吸收的射线的至少一小部分，以通过为电池410的PV结构/部件提供吸收射线的额外机会而提高太阳能电池410的效率。“第二机会”射线或捕获的射线将典型地以与初始接收位置不同的位置和不同的角度撞击表面414，这也可提高射线被电池410吸收的几率。
根据本发明，TIR元件的形状和/或壁角可以改变，以提供更好或不同的TIR效应(或在太阳能电池/PV装置的前表面或光接收表面上捕捉光的不同能力)。例如，本发明人认为可能有益的是利用具有三个或更多个小面/侧面的TIR结构，以捕捉在一定范围的角度上接收的阳光(例如，在没有为太阳能阵列等提供跟踪时)。图6示出了太阳能电池组件600类似于图5的端视图，太阳能电池组件600具有施加于太阳能电池(或定位于其上/相邻)的PV增强膜610。在此情况下，PV增强膜610形成有基板612，基板612邻接太阳能电池并且支撑在多个线性(或延长)TIR元件614的相反侧上。每个TIR元件614具有三个边的横截面，其中第一和第二侧616和620可向内成角而与顶侧面/表面618相遇。顶表面/侧面618可为平面，并且平行于基板612(或者其邻接太阳能电池的侧面)，并且成角侧面616、620可成角度范围例如为约15度至约45度或更大的内角。入射在组件600上的光以602示出，可为中午的情况，或者在使用跟踪时，并且这样的垂直射线602一般通过膜610以被电池部件充分吸收。相比之下，更加倾斜于电池和基板612的射线603可撞击小面616、618、620之一并且通过衬底612和太阳能电池的一个或更多个层/部件，所示的接收射线604通过AR涂层634、保护玻璃层632和上部接触630。在这一点上(或更早)，射线605被反射或反弹回到PV增强膜610，在此射线605撞击相同的或另一个小面616、618、620，并且偏转为射线606。它可被定向为朝向太阳能电池或者仍撞击另一个小面616、618、620，作为捕捉的/TIR捕获的射线607在PV增强膜610提供的第二(第三、第四或更多次)机会吸收。如同其它膜，基板612和TIR元件614典型地由诸如塑料、玻璃和/或陶瓷的相同材料形成，其对光602基本上是透明的(即相对高的透射性)，例如以凸起或其它图案形成在塑料等的片或膜上。
应当理解的是，诸如膜610的PV增强膜可用于几乎任何太阳能电池设计和/或PV部件，其中入射光的反射或损失是关心的问题。图6为了示范的目的示出了相对普通的太阳能电池设置，其可用于太阳能电池组件600中。太阳能电池包括后金属接触670和前接触(例如，透明导电氧化物(TCO)电极，如锡氧化物、锌氧化物、掺杂铝的锌氧化物和铟锡氧化物等)630。夹设在这些电池部件之间的是薄膜太阳能电池层640(例如，具有n型和p型导电区域的包括一个或更多个诸如非晶硅的半导体层的半导体膜、CdS/CdTe基太阳能电池和晶体太阳能电池等，并且采用特定类型的太阳能电池层对本发明以及PV增强膜的使用没有限制)，并且在这种情况下提供可选的反射部件660，例如反射增强氧化物或乙烯醋酸乙烯酯(EVA)层、基板的后侧上蚀刻的反射格栅以及有纹理的光子晶体作为后侧反射体或类似物。另外，保护玻璃632可提供为保护太阳能电池层640和前电极630，并且这经常是在组件600中PV增强膜610被改装在先前建造和/或已安装的太阳能电池(或具有多个太阳能电池的太阳能阵列)上的情况下。在这样的情况下可包括AR涂层634(例如，金属氟化物和硅土合成物等)，以控制从玻璃632反射(例如，在包括玻璃涂层632的很多现有太阳能电池中可找到AR涂层634)。
图7示出了太阳能电池组件710的另一个实施例，其包括太阳能电池720和PV增强膜730。在本实施例中，太阳能电池720可包括基板721，基板721可用作电池的电极之一并且其上沉积有层722。层722可以是硅层或者对吸收太阳能有用的其它层。例如，层722可形成为掺杂以及以其它方式形成的Si层以提供n型半导体。p型半导体724然后以产生有纹理或粗糙的表面725(例如，具有多个棱锥等)的方式形成在n型半导体层722上。前电极或相反电极726形成有或在层724之上以形成太阳能电池720。正如预期的，太阳能电池720的光接收表面725的粗糙或纹理可导致入射光的一部分被反射或偏转并且没有被层722、724吸收以产生电。
为了提高电池720的效率，太阳能电池组件710包括PV增强膜730，PV增强膜730设置在前电极726之上并且可结合到前电极726以充分地或完全地覆盖光接收表面725。PV增强膜730与至此所示的其它膜相类似之处在于它包括基本透明材料的基板732，在基板732上形成有多个线性的或延长的TIR元件734(或者另外提供，例如通过第二沉积步骤等)。但是膜730是不同的，因为TIR结构形成有弓形光接收/捕捉表面，从而使每个TIR结构可看作具有半圆横截面(例如，每个TIR元件734的主体可看作圆柱体的一半或更小)。TIR元件734以它们的延长主体并排以及它们的纵向轴或中心轴平行的方式对准。再者，TIR元件734的高度和宽度可广泛变化以实施本发明并且实现所需的TIR效应(例如，在接收阳光的特定入射角上具有更好的TIR等以适合特定的太阳能电池720)。例如，每个TIR元件在高度可达到0.25英寸，但是典型地相对薄，例如高度为几个密耳或更小，而在宽度上可达到约1英寸，但是典型地在每英寸或者膜730的宽度上提供10或更多的TIR元件734。
在某些实施例中，PV增强膜被提供有形成在基板表面上的多个TIR结构或元件，并且TIR结构没有延长或线性主体。例如，图8和9示出了PV增强膜800的另一个实施例，其可用于这里所示的任何太阳能电池，或者更典型地用于如图1所示电池的太阳能阵列。PV增强膜800包括基板810，基板810具有上表面或光接收表面812(基板810的相对表面典型地设置为相反或者靠近太阳能电池或太阳能阵列/模块/面板的光接收表面)。在基板表面812上，形成或提供多个TIR结构820，以采用TIR捕捉光。TIR结构820可看作倒置漏斗，其具有由向内成角的侧壁824限定的截头圆锥形状，侧壁824关于结构820的周围且向上到顶表面或上表面828延伸。漏斗形状的TIR结构820具有其更大、更宽的“开口”(具有第一直径)或者其底部与基板810的表面812相抵并且以角γ向内成角，从而使表面828上的其更小的“开口”(具有小于第一直径的第二直径)是光接收表面的部分。在这种设置中，如参考图3A和3B说明的，入射或接收的阳光或射线被允许进入漏斗形状的TIR元件820，但是更难出射，并且通过TIR捕捉。角γ典型地小于约60度，并且更典型地小于45度，结构820的高度典型地相对小，例如，小于约1英寸，并且更典型地为小于0.25英寸(例如，1至3密耳等)，并且底部的且在表面828上的直径典型地相对小，例如，小于约1英寸，但是更典型地小于0.25英寸(例如，小于约5密耳等)。TIR元件820在基板810的表面812上可间隔开，但是在相邻的TIR元件820之间和/或TIR元件820的行之间更典型地提供很小或没有间隔，以提供更多的TIR和捕捉反射光。TIR元件820用于以与图6的TIR元件所示的类似方式提供反射光的捕捉，但是是以3D方式而不是2D或者线性方式。
图10和11示出了根据本发明的另一个PV增强膜1000，其可用于太阳能电池，例如为如图1所示的太阳能阵列的附加层或部件。如同膜800，膜1000包括许多非线性的TIR元件1020，TIR元件1020形成在膜基板1010的表面1012上。在此情况下的TIR元件1020成型为由光接收/捕捉表面或壁1024限定小圆顶，其成型为使每个圆顶1020具有半圆横截面，但是整体具有由底部宽度(或者底部直径)WBase和圆顶/主体高度HDome限定的半球形状的主体(例如，底部宽度小于约1英寸，更典型地非常小，例如小于0.25英寸，例如小于几个密耳，并且圆顶高度也相对小，例如小于约1英寸，更典型地小于0.25英寸，例如小于几个密耳)。再者，TIR元件1020在表面1012上可间隔开，但是更典型地紧凑地间隔开，以捕捉更大百分比的反射光。不同尺寸和形状的TIR元件可用在单一的膜中，但是为了便于制造且提供PV装置/材料的相对一致的使用，TIR元件1020的每一个都在形状和设计上基本上相同。
上面的描述提供了具有TIR结构或元件的PV增强膜的应用的概括描述，以改善太阳能电池(或其它PV装置)以及合并这些太阳能电池和PV增强膜的太阳能阵列、模块和面板的效率。上面的描述提供某些PV增强膜和TIR元件的描述，并且它还提供TIR元件如何采用TIR捕捉光以将反射(未吸收)阳光的至少一小部分或部分定向返回到太阳能电池/PV结构的介绍。在这一点上，提供PV增强膜中设置的TIR元件运行的附加说明可能是有用的，并且下面的描述提供PV增强膜的附加实施例和本发明利用光学原理的更详细说明。描述的部分包括相比于前面的描述/附图更加示意性示出的PV增强膜和TIR元件，但是应当理解这些计算机模拟和射线跟踪所使用的实施例或模式可容易地实施在物理产品中(例如，TIR结构或元件，其被提供在基板或塑料、玻璃、陶瓷或基本透明材料的膜的一侧上)，如上面讨论的应用于太阳能电池/太阳能阵列上。
本发明总体上涉及光学膜(例如，PV增强膜)的使用，其利用全内部反射(TIR)和折射(例如，TIR结构或元件，其提供TIR以及折射)。TIR元件使得从光伏(PV)电池的表面反射的阳光改向返回到电池，从而使通常用于电力产生损失的能量被用于(或至少可有效于)电力产生，因此与电池不具有作为其组件的部分或者在太阳能阵列中将其覆盖的光学或者PV增强膜的情况相比，产生更多的电力。本发明的实施例利用菲涅尔反射折射率表示的光反射特性。
用于模拟和/或评估PV增强膜和没有这样膜的太阳能电池的相关方程可写成下面的方式：θ1＝入射角；θ2＝反射角；Rs＝垂直于入射的平面上的功率；Rp＝入射平面上的功率；Rs＝(sin(θ2-θ1)/sin(θ2+θ1))^2；Rp＝(tan(θ2-θ1)/tan(θ2+θ1))^2。图12示出了菲涅尔反射的曲线图或坐标图1200，作为在与折射率为1.49的介质相交的折射率为1.00的介质中光的角度的函数，其中线1210、1220和1230分别表示平均反射、平行于平面偏振的光和垂直于平面偏振的光。曲线图1200的曲线示出了以法向入射时约4％的光被反射。如图所示，反射光的平均量慢慢增加直到约70度，然后，随着角度的增加反射量迅速增加。曲线1210是反射的总能量。在光位于折射率为1.49的介质中且通过折射率为1.00的介质的情况下，图13示出了光反射1300的曲线图或坐标图，其中线1310、1320和1330分别表示平均反射、平行于平面偏振的光和垂直于平面偏振的光。
在此情况下，图13示出了线1310，反射光的平均量缓慢增加直到入射的约35度，然后在42度上非常快速地增加，其中所有光被反射或者发生全内部反射(TIR)。本发明的一个基本观点是使光学材料成型为允许最大量的能量(或者主要部分)到达太阳能电池/PV装置的PV材料(例如，在PV增强膜上提供许多TIR元件)。否则将会浪费掉的光的反射部分以产生TIR的角度被反射离开光学材料，从而它至少第二次(并且，在某些情况下，第三次、第四次或第“N”次)撞击PV材料。在另一种情况下，采用折射，并且将在稍后讨论(因此，TIR元件/结构可采用TIR、折射和/或其它光学技术，以捕捉反射的光和/或使其定向返回到电池的PV材料，而不限于“全部”内部反射)。图12和13的曲线图1200和1300示出了这如何实现。当光进入较高折射率的材料时，反射损失的光量在40至50度角的入射区域上不高，但是，当光以该角度出射时会被大部分反射(再者，回忆一下前面描述的漏斗概念，其中光可由这里描述的TIR元件接收，但是，当从太阳能电池的光接收表面反射时，它可能被反射回到可能吸收的表面)。
例如，图14所示的TIR结构1410利用TIR使得从PV表面1411(其在图14中假设为95％的反射表面或镜表面，以表示TIR结构1410的功能)已经反射的光改向。如前所述，TIR结构1410可由基板1412和两个或更多个小面或侧面1414、1416形成(示出为与基板成角的偏移，范围为20至30度，但是当然很多其它的小面/侧面角可用于限定小面1414、1416和TIR元件1410)。通过这种射线跟踪模拟的TIR结构1410具有20密耳的节距或底部宽度以及2.1密耳的顶部(小面1414、1416之间的配对线)厚度或高度。模拟的TIR元件1410可为线性的或延长的结构，图14表示端视图或截面图或者其可以是沿着其中心轴(通过小面1414、1416之间的顶部)具有圆形横截面的独立或单一部件，以及当平面通过中心轴和圆柱主体时所示的侧截面图(例如，见图8-11，用以示出类似的单一或非线性TIR元件)。假定TIR元件1410由折射率范围为1.4至1.6(例如，约1.47)的材料(例如塑料)形成，并且假定跟踪的射线1420以约-30度的入射角撞击TIR元件1410(从正交或垂直于基板(和光接收表面1411)测量)。
图14示出了射线跟踪，其中射线已经是通过TIR结构1410(例如，当与其它类似结构结合时，提供如图4所示的PV增强膜中的锯齿结构)跟踪的射线。跟踪表示射线1420以很小的损耗进入该结构，但是在从PV表面1411反射之后出射时被反射返回到表面1411，用于吸收的第二次(或第三次或更多次)机会。例如，入射射线1421示出为以一些折射在撞击小面1414的外表面后进入TIR结构1420，如射线1422所示，通过TIR元件主体和基板1412传播。射线1422没有被吸收，而是替代地反射为射线1423，其撞击小面1414的内“表面”。因为这个角度小于约42度，所以TIR使其反射/定向为射线1424而返回到表面1411。在表面1411的这个第二机会/第二撞击时，PV材料可吸收射线1424，或者如本示例所示，反射可以继续并且射线1425撞击第二小面1416的内表面，并且再一次反射为射线1426而朝向表面1411。在本示例中，射线1421及其能量作为射线1422被提供到光接收表面不仅一次，而是还作为射线1424和1426被提供到光接收表面附加两次，其中还以不同角度撞击，这可进一步增加被运行的太阳能电池成功吸收的几率/机会。
当然，TIR元件1410不能捕捉所有的射线1420，而是代替地仅一小部分或一部分射线1420以任何特定的入射角改向到表面1411。例如，射线1430撞击小面1414并且被接收为射线1431，其在撞击光接收表面1411时为其第一次机会吸收。然而，如果没有被吸收，射线1432可能通过以大于约42度的角度撞击小面1416的方式从表面1411反射。在此情况下，如图所示，光从TIR元件1410损失掉，如射线1433所示。因此，尽管具有本发明TIR结构1410的PV增强膜可在接收可利用阳光上提高太阳能电池或PV装置的效率，但是TIR结构1410还试图通过增加光捕获来提高效率，并且设计为针对特殊使用和/或太阳能阵列或电池设计来提高光捕获(例如，不同的TIR结构可用于跟踪太阳的太阳能阵列，而不是没有跟踪的太阳能阵列)。
测试或者验证PV增强膜的设计和/或TIR结构设计的一种方法是绘制在使用和不使用PV增强膜的情况下太阳能电池的光接收表面接收或者撞击其上的射线或光强度。图15示出了PV或光接收表面(例如，图14的表面1411)接收的射线强度作为入射角函数的曲线图1500。在此曲线图中，模拟类似于元件1410的TIR元件，但是在此情况下，节距或底部宽度为约10密耳，而TIR元件主体的高度或宽度(从顶部到基板的配对表面测量)为约2密耳。线1510提供设计TIR元件的基准，并且表示没有提供光学增强膜和TIR元件的太阳能电池的光接收面接收的光强度，在考虑的角度范围上其为余弦函数。绘制的线1520示出了当具有锯齿(或者两个小面)TIR结构的PV增强膜(例如，如图4和图14所示)设置在光接收表面之上或与其相邻时由相同的PV光接收表面接收的射线强度。
对于图1520，光接收表面(例如，表面1411)被认为具有100％的反射，这不是PV装置的情况，但是对于确定TIR结构在捕捉反射射线上的功能性是有用的。如线1520所示，从光接收表面反射的TIR射线或改向射线提高了传统的、未覆盖PV装置之上的光接收表面的强度。可看出TIR结构与太阳能电池的一起使用显著增强了在以大于20度且小于-20度的入射角接收光时的强度(由于与进入TIR结构的射线相关的约4％的菲涅尔反射损耗，因此在中心区域上典型地发生很小的损耗或降低)。计算显示，使用TIR结构的射线的平均强度为0.937，而没有PV增强膜的基准强度为0.699。因此，通过这种TIR结构设计实现了30％以上(例如，约34％)的改进或增益。
当然，典型的太阳能电池或PV装置从光接收表面没有100％的反射，因为这将会不发电。图16示出了类似于图15所示曲线图的曲线图1600，用于相同的TIR结构，但是具有50％反射的光接收表面。对于没有TIR结构的表面以线1610示出基准强度，而线1620示出了通过由TIR捕获或捕捉且改向返回到光接收表面(例如，TIR结构1410的表面1411、小面/侧面1414、1416)的反射光实现的强度。通过这种TIR结构在+/-20度至+/-50度的范围内显著地提高强度，计算表明在未覆盖的PV光接收表面上总增益为至少约5％至0.735。从光接收表面以75％反射的类似模拟表明使用TIR结构增加强度约15％。
图17示出了用于PV增强膜1710的一个实施例的射线跟踪1700，PV增强膜1710利用线性或者延长的锯齿设置、两侧面TIR元件1712、1720、1730(为了简便起见，仅示出3个，然而典型的PV增强膜包括跨过一个表面的许多TIR结构)。在图17中，为了易于图示，膜1710被示出为在元件1712、1720、1730(例如，塑料、玻璃或陶瓷膜或类似物)的底部没有基板，并且射线跟踪假设在元件1712、1720、1730的底部的光接收表面具有95％的反射。射线被示出为具有约-60至-70度的入射角，并且在这样较大入射角上折射效果可能变得更加重要。
具体地讲，射线跟踪1700示出了接收的或初始入射的阳光或射线1702可撞击TIR元件1712的一个第一小面/侧面1714(例如，以大于约+/-60度等入射角)，并且进入TIR元件1714，其中它可向下偏转到光接收表面1718。然而，某些光/射线可通过第二小面/侧面1716，如1704所示，以在小面/侧面1722上撞击相邻的TIR元件1720。再一次，某些光可随撞击小面/侧面1722的初始入射射线1702定向为朝向光接收表面1728。其它部分可通过，如1708所示，以撞击下一个TIR元件1730的小面/侧面1732，其中它可再一次随捕获/捕捉光1702的一部分定向为朝向光接收表面1738。从表面1718、1728、1738反射的光同样可定向为朝向相邻的TIR元件1712、1720和/或1730，其中它可通过或至少部分定向为朝向光接收表面1718、1728、1738。以这种方式，TIR元件1712、1720、1730采用折射重新捕获反射射线或透射射线以通过定向初始入射的但未被吸收的光的部分到光接收表面(例如，太阳能电池等用于吸收的表面)而提高效率。光的这种折射收集或捕捉可看作通过使用TIR元件提供增加的总效率增益(例如，增加到前图所示的增加强度)。换言之，反射且逃出一个TIR元件的射线可被相邻的结构捕获，其中它们可再一次定向为朝向光接收表面。
图18示出了光强作为光在光接收表面(例如，TIR元件1712、1720、1730的底部之下的太阳能电池位置)上入射角的函数的曲线图1800。在此模拟/评估中，TIR结构是延长或线性的主体结构，其具有如图17所示的两边(或三角形)的横截面，其底部宽度或节距约为10密耳，并且高度(或厚度)约为7密耳。图18以线1810示出了没有TIR结构的PV增强膜的光接收表面的基准或基线强度，并且线1820示出了在设置具有TIR结构的PV增强膜(例如，具有结构1712、1720、1730的膜1710)后这个相同表面(例如，相邻于底部1718、1728、1738的表面)上的光强。强度的曲线图1800是考虑到由于折射效应/捕获而带来的强度贡献，并且示出了PV增强膜的TIR结构可用于显著地提高在对于传统太阳能电池(例如没有跟踪的太阳能阵列中的电池)损耗常为最高的高倾斜角度上的强度。具体地讲，在大于约+/-40度的角度上(从约+/-60度至70度的峰值)可看到峰值强度增益。如图17所示，对于超过60度的角度，强度有益地增加。应当注意的是，在某些应用中，在+/-40度之间的中心部分上的微小降低(如这种TIR结构所示)是可接受的，以便实现射线入射在约60度上的增加。
本发明人在模拟和/或设计用于根据本发明实施例的PV增强膜的TIR结构/元件中使用的编码或伪代码的全部或主要部分提供在此详细描述后的程序列表中，并且应当相信的是，该编码/程序列表对本领域的技术人员在选择所需TIR元件以用于各种太阳能电池和太阳能阵列中是有用的。计算机编码部分地用于计算附图中提供的曲线以确定TIR结构在接收光的入射角范围内在光接收表面上增加强度的效果。在使用中，在离开用户菜单读取参数之后，调用PV射线跟踪程序指令(PV ray tracing routine)。用于设计和评估结构的计算机程序是非顺序性的射线跟踪程序，设计为研究用于PV输出功率增强的光学结构。用户在菜单上输入待研究的值，并且这些值例如为结构的类型(例如，锯齿、正弦曲线、圆柱形等等)和用于厚度、周期、大小和半径(如果且在可应用时)的数值。在子程序指令的深层内，计算菲涅尔反射和透射，以便发现撞击PV表面的射线的最终强度。以包括的编码/伪代码来调用和给出PV跟踪程序。
PV跟踪程序指令或程序将为用户提供用于评估TIR结构的研究范围内发现的最佳值。将这些最佳值输入到数据菜单，并且对射线进行跟踪以估价该结构。典型地，在-80度至+80度的界限之间对于每2度的角度跟踪1000条射线，并且将结果绘制为如上面的某些附图所示。为了检查射线以及它们如何在结构中折射和反射，在特定的关注角度上可采用少量的射线，例如100条射线，如图17所示。
本发明人还模拟了图7所示的PV增强膜732。射线跟踪(未示出)表明从PV或光接收表面725反射的光的主要部分被定向返回到表面725上，用于第二、第三和额外的吸收机会。图19示出了曲线图1900，其以线1910示出在PV增强膜730应用或安装在组件700中之前相对于表面725上入射角的基准光强。线1920示出了在应用PV增强膜730后在组件700的接收光的入射角整个范围上增加的强度。在此模拟中，TIR结构734具有10密耳的底部宽度、2密耳的厚度或高度(从基板732测量，并且为了模拟目的忽略基板732的作用)，并且每个结构(在通过与TIR结构的延长主体的纵轴垂直的平面形成的弓形横截面上)具有半径为7微米的壁或光接收/捕捉小面或侧面。发现具有膜的平均强度为0.875，而没有膜的平均强度为0.699，这表示增加约25％(具有很高的或优选的反射表面725，并且典型的PV装置在强度和对应效率上可能经历较小改进)。
考虑到上面的教导，本领域的技术人员能够容易地扩展该概念而获得许多附加PV增强膜和TIR结构设计，以提供特定的光学效果(例如，用于计划的实施或应用的特定光捕捉)。例如，图20示出了包括太阳能阵列2010的太阳能阵列组件2000，太阳能阵列2010包括多个太阳能电池2012、2014、2016。太阳能阵列2010(或太阳能电池2012、2014、2016)具有光接收表面2020，光接收表面2020通常定位成正对或面对太阳以在组件处于使用中时接收阳光，从可获得的太阳能产生电。如上所讨论，太阳能电池2012、2014、2016的设计将典型地导致光接收表面2020反射撞击表面2020的阳光的一定百分比，反射或损失(未吸收)的光的百分比随着电池设计而变化，而且也根据阳光在表面2020上的入射角而变化。
为了提高光捕获，组件2000包括PV增强膜2030，PV增强膜2030被施加在太阳能阵列2010的太阳能电池2012、2014、2016之上。膜2030包括对光基本透明(例如，高透射性)的透光塑料、玻璃或陶瓷的基板或片2032，并且包括定位成相邻和/或邻接于光接收表面2020的平面表面。在基板2032的相反侧上提供多个TIR元件2034，并且元件2034具有延伸到图页面的平面中的延长主体(例如，图20是膜2030的端视图)，其中该延长主体的横截面形状由光接收壁或小面/侧面2035限定。本实施例中的表面2035是具有峰和谷的正弦波(或者是正弦曲线)。
组件2000的模拟实施例提供了图21的曲线图2100，其示出作为入射角函数的光强。线2110模拟没有膜2030的太阳能阵列2010(或光接收表面2020)上的光强，并且线2120绘制了如图20所示在电池阵列2000中包括膜2030时电池阵列2010(或各电池2012、2014、2016)的光接收表面2020的光强。为了便于模拟，假设表面2020为具有100％反射的镜，并且假设TIR结构2034为具有约10密耳的底部宽度或节距和约7密耳的半径/高度。与没有膜2030的基准余弦平均强度的0.699相比，发现如线2120所示的具有膜2030的平均强度为0.829，这表示在入射角的整个范围上以可见的增加而增加约18％。
图22示出了根据本发明另一个实施例的太阳能电池组件2200。在本实施例中，组件2200包括具有光接收表面/层2214(例如，具有前接触和AR涂层和/或诸如保护玻璃层的其它层的Si晶片)的太阳能电池或其它PV装置2210。在电池2210的光接收表面2214之上，PV增强膜2230被提供(例如，通过粘合剂(未示出)或其它方法施加到电池2210)有基板2234，基板2234具有邻接或接近于光接收表面2214的平面表面。本实施例可看作尖顶向上的实施例，因为膜2230中的每个TIR结构2232由弓形侧面/小面2236限定，它具有半径但向下弯曲(例如，一般为U状)，而不是如图7所示的向上弯曲。在一个模拟实施例中，每个小面或侧面2236具有约7密耳的半径以及约10密耳的宽度/节距(在膜2230的光接收表面2236的顶峰之间测量)。在针对膜2230的一个实施例来计算光强时，发现平均强度约为0.820，而基准余弦平均强度为0.689(对于95％反射表面2214)，增益为约19％。在另一个实施例中，TIR结构具有10密耳的节距，峰顶上的厚度为3密耳(测量为包括基板厚度)，并且尖顶到PV材料或光接收表面的距离为1密耳。在本实施例中，实现的平均强度较好，为0.937，这表示增益(超过没有膜的)为约35％。
因此，应当理解的是，TIR结构的特定构造可宽泛地变化，以实现光的TIR/折射基捕捉，并且为太阳能电池或太阳能电池阵列提供改善的效率。所采用的特定TIR元件设计可取决于多个因素，包括膜所用的材料、诸如成本的制造问题以及计划用途(例如，用于跟踪或非跟踪阵列，以提高在入射角的特定值上的光捕捉等等)。
在很多PV增强膜中，采用单一TIR结构或元件设计可能是有益的。这有助于制造以及在膜的表面区域上提供一致的光学增强或者光捕捉水平。然而，本发明人认识到，可能需要或希望在单一PV膜或在PV膜的组件中使用两个或更多个TIR结构(或TIR元件设计)(例如，具有不同TIR元件的膜可一起用于单一太阳能阵列或电池上，以实现所需的光捕捉效果)。例如，PV增强膜可在一侧上提供有锯齿图案的TIR元件，并且TIR元件可具有相同或不同的节距/底部宽度和/或相同或不同的高度/主体厚度而实施本发明。
在一个膜的实施例中，该膜包括锯齿图案的TIR结构，其具有多个第一厚度的TIR结构和多个第二厚度的TIR结构，第二厚度与第一厚度不同(但是在此情况下具有相同的节距，而其它实施例可使两个TIR结构设计的节距不同)。两个TIR结构的实施例可交替在膜上，或者在此图案中为第一组TIR结构提供一个TIR结构厚度，然后为第二组TIR结构提供另外的TIR结构厚度，等等(例如，第一厚度的10个TIR结构，然后第二厚度的10个TIR结构，或者另一个交替图案)。以这种方式，两个光强或光捕捉特性曲线(或TIR结构功能性)可混合在单一PV增强膜内(或者两个或更多个膜设置在太阳能阵列上以提供不同的TIR结构)。例如，分别包含特定TIR结构设置的片或膜可放置在PV电池的太阳能面板的不同部分上。每个位置应具有与覆盖的PV增强膜及其TIR结构相关的光学响应特性。从每个位置到面板或阵列的输出的总体效果应为太阳能阵列的设计者/用户所希望的平均响应。PV增强膜的顾客或用户可根据PV增强膜的光学特性(例如，它们在什么样的入射角范围内提供较好的性能等)来挑选和选择PV增强膜，并且安装(在改装示例中)或在制造膜期间提供在PV面板或阵列上，以获得他们希望的光学响应。当然，三个或更多个TIR结构设计可一起使用，以提高太阳能面板/阵列或太阳能电池的效率，并且精细地调整PV响应。
图23示意性地示出了太阳能阵列(或PV装置)组件2300的端视图，其利用包括在单一太阳能阵列组件中甚或单一PV增强膜中的两个或更多个TIR结构设计的概念。如图所示，典型地形成有多个太阳能电池的太阳能阵列2310具有光接收表面/层2312，光接收表面/层2312设置为用于接收入射阳光。为了捕捉从表面2312反射或损失的光，组件2300包括PV增强膜2330(例如，透明塑料、玻璃、陶瓷或类似物的相对薄的片)，PV增强膜2330设置为至少部分地覆盖光接收表面2312(例如，太阳能电池的前表面或PV结构的其它部分)。取代单一TIR结构设计，膜2330包括在膜2330的表面交替的两个TIR结构设置(而其它的实施例可包括两个或更多个的一个设计，然后与第二(或更多个)设计交替)。
膜2330包括基本透明材料的基板或膜2332，例如，具有邻接或设置为靠近光接收表面2312的平面表面。膜2330还包括以交替构造设在基板2332上的多个TIR结构。如图所示，第一构造由包括第一和第二小面2342、2344的TIR结构2340表示(例如，具有三角形横截面)，并且第二构造由包括第一和第二小面2352、2354的TIR结构2350表示(例如，具有三角形横截面)。在本实施例中，TIR结构2340和2350具有相同的底部尺寸或节距，但是具有不同的高度/厚度，以提供不同的光学特性(例如，以在太阳能阵列2310上以变化的阳光入射角实现不同的反射或TIR效应)。这些TIR构造在膜2330的光接收表面的宽度或长度上交替设置。尽管在图23中示出了锯齿设计，但是应当理解的是，可混合和/或交替设置其它TIR结构，例如，具有3个或更多个小面的结构(例如，提供三角形横截面，具有三个、四个或更多个小面的棱锥横截面)、弓形或者圆柱结构、正弦曲线结构、反向曲线(或者尖顶向上)设计，等等。
为了评估图23的膜2330，将TIR结构的节距(或底部宽度)设定为10密耳，而将第一TIR结构2340的高度或厚度设定为3密耳，并且将第二TIR结构2350的高度或厚度设定为4密耳。图24示出了作为光接收表面2312(在此测试运行中假设其为95％的反射或镜)上入射角函数的光强的曲线图或坐标图2400。不使用膜2330情况下的基准余弦平均强度以线2410示出，并且使用交替锯齿PV增强膜2330情况下表面2312上的平均强度以线2420所示。当采用包括的TIR元件评估或射线跟踪程序模拟具有仅为3密耳厚的TIR结构的膜时，在入射角的较小值上实现的增益具有相对大的差距(gap)。但是，当类似地模拟具有仅为4密耳厚的TIR结构的膜时，在这些相同范围的入射角值上具有相对高的增益(例如，-18度至18度或类似的角度)。然后，在模拟图23的膜2330时，具有3密耳和4密耳的交替厚度被测试，如图24所示，发现在入射角的范围内更加有效地提高光强。发现在具有膜的情况下平均强度为0.901，相比之下，在不具有膜的情况下平均强度为0.689，增益约为31％(但是，当然当反射远低于95％时，实现的增益或增加将较低)。
本发明人认识到，TIR元件的很多其它横截面和总体形状可有利于实施本发明，并且应认为很多这样的构造被考虑在本说明书被单独考虑或者与附图结合考虑的范围内。例如，图6示出了在PV增强膜610中使用线性的、三侧面或小面的TIR元件614。这些可看作具有三个侧面的棱锥横截面。某些优选实施例中的TIR元件614可修改为包括4个侧面/小面，从而使TIR元件的两个下侧面从基板612向内成角，并且上侧面/小面以较小的锐角向内成角而在一点/尖端相遇。在其它实施例中，五个或更多个小面可包括在线性或延长的TIR元件614的横截面中。同样，这样的3、4或更多个侧面的TIR元件可用于图23所示的锯齿PV增强膜2330中，且具有交替变化的设计(两个、三个或更多个截面形状可提供在重复的图案中，或提供在膜2330的表面上重复一次、两次或更多次的组中)。此外，本发明人理解，图8-11所示的PV增强膜可修改为包括棱锥形状的TIR元件(取代圆锥或截头圆锥形状的结构和圆顶结构，或者补充这样的棱锥形状的TIR元件)。这些独立的棱锥TIR元件可为三、四或更多侧面的棱锥，其中各侧面在一点相遇(例如，每个侧面与基板以不同的角度匹配，例如30至70度，在某些实施例中45至60度是有利的)或在顶表面上相遇，该顶表面可为平面(例如，平顶，从而使形状为去顶的棱锥)、半球形/弓形或其它构造，以便于制造和/或捕获接收的阳光。
还可能有益的是进一步讨论决定是提供棱锥的和/或三维结构的TIR元件，还是提供线性三角形横截面结构的TIR元件。为了线性三角形结构(TIR结构)对太阳季节性方位的优选定向，线性结构的方向可为优选的北朝南定向，并且面板可设置为东和西的优选定向，其中在中午时面板面对太阳，优选两个轴点平行于太阳轨道。然而，上面的布置/应用典型地仅通过在东到西的方向上将面板精确地安装到太阳的方位而实现。然而，这是不可能或不实际的，因为大部分屋顶不利于此，而是在大部分情况下具有偏离角。另外，即使这是可能的(具有安装支架、通过设计或者由于幸运)，也仍需针对太阳的季节性方位而调整，以补充从夏天到冬天的42度角度差。
用于模拟PV增强膜的测试程序和软件允许以具有三角形横截面结构的线性图样来测量和模拟利用线性TIR结构而获得的附加效率(例如，为了观察单个角度的效果，并且使TIR具有“理想”的设置)，因此，某些初始设计和原型利用两个小面的TIR元件。给定理想的环境(例如，优选的布置)，通过这些三角形结构可测量结果，并且适当地提供结果的文档。然而，因为野外或家用的理想设置是不太可能的，所以本发明人认为诸如棱锥的三维结构在垂直于线性结构的方向上以偏离角(off-angle)提供性能增强(例如，三个小面的棱锥、四个或更多个侧面的结构或者类似的横截面结构可能在很多应用中是优选的)。总体上，采用棱锥或三维(非线性或线性或者4个或更多侧面)的结构，非优选安装(大部分安装)上的性能增强特性可为两倍或更大。面板的典型设置(非理想设置)不仅从通常的日出到日落提供常规的余弦下降和降低的效率，而且对于太阳的季节性方位提供非优选的设置，从而导致附加的余弦下降且导致反射损失。因为在几个方向上具有适宜的有利角度的棱锥结构增加了TIR并且从几个角度上减少了余弦下降，所以总体效率改善甚至超过对太阳优选设置的控制模式。换言之，非优选设置面板可在没有膜的情况下总体上实现10％的效率，而在具有棱锥膜的情况下可实现18％或更大的效率，尽管对于线性结构因结构的入射角仅可实现14％的效率。
可采用很多制造方法来提供PV增强膜(并且将这些膜应用到现有的或制造中的电池、PV装置和/或太阳能阵列)。例如，各种基膜可用作载体，并且载体膜自身可具有或不具有已经施加于膜的光伏材料。基膜可为PET、丙烯酸树脂、OPP、聚碳酸酯、聚乙烯(高密度或低密度)、甚或薄玻璃。TIR结构可用金刚石工具或者通过光学-聚合体曝光系统甚或激光雕刻而雕刻到金属、玻璃、陶瓷、橡胶、光敏聚合体或塑料的圆柱体。通过以滚压形式利用热和压与压印系统的结合，或者利用热模压印并且直接压印到膜自身上，将结构设置到膜上。相反，它们也可利用UV固化液体或电子束或任何类型能量固化的聚合物或溶剂基聚合物而铸造成卷或片的形式。一种优选的制造方法可为采用聚合物的电子束铸造，该聚合物制成为在太阳下经久耐用。
上面的很多示例和评估限于入射光的二维分析或射线跟踪。换言之，程序中的结果考虑了在北南方向上延伸的线性结构，太阳从东方升起且在西方降落，以及针对太阳的季节性而优化的集电器。因此，可以认为实施TIR结构作为非线性、三维形状，例如棱锥、圆锥、圆顶和截头圆锥形状等，可提供甚至更好的结果，并且可能指数地增加实际寿命应用中的效率。记住这一点，在很多情况下效率上的总体提高可达到大于100％，这取决于具有PV增强膜的太阳能面板或PV装置的设置(例如，这可由屋顶的形状决定，而不取决于住宅设置和某些商业应用中的最佳角度设置)。
简言之，PV增强膜将结构提供在太阳能电池、太阳能阵列、PV膜之上或者与PV膜或材料结合，并且TIR结构适合于有意产生全内部反射。PV增强膜(或者至少TIR结构)由基本透明(例如，透射大部分的接收光)的玻璃、塑料、陶瓷或能量固化聚合物制成。TIR结构可为几乎任何尺寸或厚度，但是实际上由于经济上的实际情况、制造问题以及其它原因，TIR结构(和膜)通常厚度上在约100密耳下，并且常规为在约5密耳下。PV增强膜的某些实施例包括延长或线性的TIR结构，其具有与膜的基板向内成10至60度角的两个、三个或更多个直的(或接近直的)小面或侧面。这些结构可为锯齿形状(在截面或端面上看)，具有50度(对于正头顶上的太阳而言45度可能是理想的)至20度以下的内角侧壁。在其它实施例中，PV增强膜可包括3D或非延长TIR结构，其可为交于一个顶点(sharp point)的三个侧面，交于一个顶点的六边形形状，可为圆锥形结构的10至60度侧壁，具有一点或平坦的平面顶部，可为圆形横截面以在PV膜表面上形成系列圆顶，或者具有其它形状以提供3D情况下的TIR效应。应当注意的是，TIR结构包括线性透镜状结构，具有设计为在PV材料顶部的常规π或圆半径横截面，该TIR结构不用于“聚焦”接收的或入射的光，而是用于捕捉偏离覆盖的太阳能电池或光接收表面的反射光(例如，这种PV增强膜的透镜被截去顶端，并且从侧面看呈现为“圆”的部分，并且不构造为用于将接收的光聚焦到太阳能电池上)。3D TIR结构可为圆顶形状或“蝇眼”结构(“fly’s eye”structure)。再者，TIR结构不设计为聚焦光(并且不像常规透镜那样工作)，而相反，TIR圆顶直接位于PV材料(或用于PV材料的基底膜)上，并且用于提供从PV材料反射光的TIR捕捉。通常的透镜可能不得不具有约1.5或2至1H/W的高度-宽度比，以在线性或圆形透镜中产生焦点。相反，所述的TIR结构几乎没有高度(例如，在大部分情况下非常薄)，并且可看作截平的“圆”或者薄半球设置或定位在PV材料或太阳能电池的光接收表面上。
理解本发明某些概念的一种途径是理解进入微结构(例如，TIR元件或结构)且撞击膜基板然后撞击PV材料(或太阳能电池/阵列的光接收表面)的射线的一定百分比总是损耗掉。这是由于出射角与壁撞击点及其角度的关系造成的(例如，在使它们以大于42度的角度撞击TIR结构/元件的侧面或小面的方向上反射)。重要的是理解，当来自太阳的光相对于面板(其包括PV材料，例如在太阳能电池内)的角度较大时，从PV材料反射的射线的百分比非常大，这导致较大的偏转和较低的效率，并且这典型地在太阳对集电器未处于优选角度(例如，中午时没有位于正头顶上等)时出现。然而，从PV膜偏转的大量未吸收射线没有成功地离开微型结构，并且通过TIR偏转一次或更多次(例如，理论上是无限次，但这几乎是不可能的)，本发明的TIR元件的这种TIR功能性产生多次机会和很大的可能性(并且每次“撞击”的角度实际上不同)。总之，TIR结构在吸收可能性上提供显著数学上增加。例如，在太阳移过天空的白天时间内，由于余弦下降或其它结构偏转太阳能阵列的操作可承受50％的射线损失。但是，通过利用根据本发明一个或多个实施例而设计的具有一个或多个TIR结构构造的PV增强膜，大部分的偏转符合返回到PV材料的TIR偏转(或者太阳能阵列或太阳能电池或PV装置的光接收表面)。
通过来自PV材料的实际数据输入，可采用下面的公式来测试单个PV增强膜和/或包括这些膜和TIR结构的PV组件。可能的示例如下：
X＝偏转射线(射线的70％)
Z＝从TIR新吸收的射线(X的20％)
S＝原始效率(100％-70％＝30％，然后(0.30)(0.20)＝0.06或6％)
H＝提高的效率：其中X＝70％，H＝(0.20)(X)＝(0.20)(0.70)＝0.14
总效率＝S+H，或者在本示例中，6％+14％＝20％(相比于原始的6％)
更重要的是，上述公式是从下面的公式导出，以下角度上的每一个单独范围都表示在每个角度上的效率增益，包括余弦下降，这是由于存在正角或负角以下角度乘2(覆盖140度)的结果。
I＝从60度至70度(以及-60至70度)的引入射线
J＝从50度至60度(以及-50至-60度)的引入射线
K＝从40度至50度(以及-40至-50度)的引入射线
L＝从30度至40度(以及-30至40度)的引入射线
M＝从20度至30度(以及-20至-30度)的引入射线
N＝从10度至20度(以及-10至-20度)的引入射线
O＝从0度至10度(以及-10至0度)的引入射线
以上公式表示大约12小时的日照或阳光。负数表示上午，而正数表示下午。正数和负数将得出相同的数据。鉴于公式，每组角度将计算两次(一次为负数，一次为正数)。通常，该公式不考虑在北南季节性方位上理想面板设置之外导致的角度。其原因在于现有的程序以及程序以线性方式和二维而不是三维跟踪射线的方法。这在以后可能在未来程序版本中得到解决。换言之，重要的是注意，在这些条件下，进一步的数学效率改进可从本发明找到。另外，线性的TIR结构可能不会产生最好的结果，这就是为什么图中以非线性或非延长TIR结构示出几种不同的TIR结构和PV增强膜。
因此，为了发现每个值(I-O)使用的值，V＝值(表示总值)乘以2(不是乘方)。例如：I的总值＝I的值×2，其考虑了早上和晚上的值。为了这样模拟的目的，射线跟踪程序中撞击吸收器的条(strip)而偏转的射线将模拟射线的吸收，实际上射线可能由PV材料再一次偏转，然后由微结构再一次送回。因为本发明人发现它难于用射线跟踪程序实现这样相当主观的实验，所以采用下面的过程评估TIR结构和PV增强膜：
基线
1.在所提出(设置结构前)结构的尺寸之间“间隔”的50％具有10个分隔的条，等于作为吸收器的每一个总间隔的5％，并且对应的其余部分为镜。
2.然后，通过在程序中改变引入射线的角度，在每个种类中以每个值(平均值)跟踪射线。
3.然后，以相同的输入数据记录吸收的射线。
微结构的附加
1.仅以该结构重复上述过程。
2.测量采用该结构的值，并且计算增加的吸收。
3.由值(角度)计算吸收。
4.计算“Y”轴上变化附加的理论附加，以描述通常设置的野外应用(有缺点设置)中的效率增加。
TIR元件中用于PV射线跟踪的程序列表或子程序
Figure BDA0000091741900000451
主射线跟踪程序如下：
Figure BDA0000091741900000452
Figure BDA0000091741900000461
Figure BDA0000091741900000471
Figure BDA0000091741900000481
Figure BDA0000091741900000491
Figure BDA0000091741900000501
Figure BDA0000091741900000511
Figure BDA0000091741900000521
注意：由射线跟踪子程序调用的主程序，intersect_nearest_surface非常长，然而其用于关注结构的部分在以下给出。
Figure BDA0000091741900000522
Figure BDA0000091741900000531
这里调用的主子程序Intersect_Mouse_Wafer在以下示出：
Figure BDA0000091741900000541
Figure BDA0000091741900000551
注意：上面仅为设计和评估不同结构所用的计算机程序的一部分。还具有自动区段，其着眼于结构参数的可能组合，例如，锯齿、正弦曲线和圆柱形状的厚度、节距、幅度、半径等。程序用户可输入关注的某些范围，并且使计算机搜索对于各种结构撞击PV材料的射线的最大强度究。实现这个过程的计算机程序的部分源代码如下。
Figure BDA0000091741900000561
Figure BDA0000091741900000571
Figure BDA0000091741900000581
Figure BDA0000091741900000591
Figure BDA0000091741900000601
如在此详细说明的开始所讨论的，TIR结构可构造为提供修改甚或入射射线在PV元件或装置上的路径长度的优化，并且PV增强膜可看作包括吸收增强结构(其提供路径长度增强，并且还提供反射射线的TIR捕捉)。提高PV电池输出效率的方法之一是增加光子在PV材料中传播的路径长度。这样的路径长度增加提高了吸收的机会，因此，对包括PV增强膜的PV装置或太阳能组件改善了太阳功率转换成电输出功率的效率，上述PV增强膜具有适当设计的吸收增强结构或元件。
阳光撞击表面的最大强度的条件发生在该表面(例如，PV装置或PV材料的光接收表面)垂直于阳光的方向时，因为该强度从这一点开始随着入射射线的角度的余弦而下降。垂直于PV光接收表面落在PV材料上的射线沿着最短路径的方向通过该材料(例如，其光路径长度约等于PV材料的厚度)。诸如太阳能电池面板的PV装置制造者常常在PV材料的后表面上施加镜面(相对于光接收表面)以试图获得第二次通过/机会吸收(结果，获得某些附加路径长度)，但是当射线被镜表面沿着镜反向路径返回时，该第二次通过仍发生在最短的(或相对短的)路径长度方向上。对于以某一角度进入PV材料的射线发生较长的路径长度，但是由于强度上的余弦下降，吸收上的效率增加由于这些较长路径长度被余弦下降显著减小。
本发明实施例的一个方面是提供具有吸收增强结构的PV增强膜，该吸收增强结构适合于增加射线在PV装置的PV材料中传播的路径长度(例如，太阳能面板或太阳能电池的阵列)，以便从落在或入射在PV收集系统上的光获得增加的输出(例如，为了更好地将入射在PV材料的光接收表面上的光转换成电)。这个方面或特征通过PV增强膜上提供的特定设计的光学结构的两个方面实现。一个特征是来自吸收增强结构的光学或光接收表面的射线的角度将射线折射在PV装置(例如，具有PV材料的太阳能电池或PV电池等)的光接收或进入表面上，从而使射线传播的路径长于它们通常在PV材料中不包括膜及其吸收增强/TIR结构的情况。第二特征是通过采用TIR而反射回射线的特性，上述射线通常在不被PV材料吸收后从系统或装置逃逸。实际上，路径长度增加和TIR改向二者通过采用这里所述的吸收增强结构而实现，该吸收增强结构典型地通过计算机优化，并且提供在PV增强膜的向外面对的光接收表面上。
图27示出了计算机系统或计算机网络2700，其适合于通过以下方式支持PV增强膜的优化，部分地，执行用于吸收增强结构的优化工艺，包括针对一个或更多个结构的构造/设计在入射角的范围内执行射线跟踪，确定路径长度以及比较利用PV增强膜与没有这样膜的PV装置的路径长度比率，并且确定是否实现了改进，以确认用于特定PV装置的“优化”结构。系统2700包括优化计算机装置2710，优化计算机装置2710可采取几乎任何计算机或计算装置的形式，例如具有一个或更多个处理器或CPU 2714的个人计算机。装置2710为每个测试/模拟的结构执行的计算量可为几百万至几十亿的量，因此，希望处理器2714为相对高速和高容量的处理器(和/或计算机2710为此目的可包括两个或更多个核/CPU 2714)。计算装置2710采用CPU 2714管理I/O装置2718，例如键盘、鼠标、触摸屏、声音识别软件以及其它用户输入/输出装置。CPU 2714还管理监视器2720的运行，其可具有GUI 2726以利于用户的数据录入，例如优化输入参数2742的录入，并且管理存储器2740，存储器2740可为本地或远程的，但由CPU 2714访问(以有线或无线方式)以执行优化处理。
优化计算机装置2710采用CPU/核2714以运行结构优化模块(或PV增强膜优化引擎等)2730，结构优化模块2730典型地提供为一种或更多种编程语言的编码，存储或存取在存储器2740或其它计算机可读介质中，构造为使计算装置2710(或CPU 2714)执行这里所述的优化功能(例如，图28所示的方法2800)。优化模块2730可运行或调用光学增强器2734以执行众多的功能，例如确定路径长度和/或路径长度比率，确定何时在前面的比值上提供改进，等等。模块2730还可通过CPU 2714调用或运行一个或更多个射线跟踪引擎2738，以在入射角的范围内为添加和不添加一个或更多个PV增强膜构造的PV装置提供射线跟踪。
存储器或数据存储2740用于存储光学增强器2734和射线跟踪引擎2738使用的各种输入信息以及各种输出结果(诸如路径长度的中间决定，以及诸如用于PV装置的优化结构/膜以及路径比和射线跟踪图的最终结果)。如图所示，存储器2740用于存储优化输入参数2742(例如，限定/描述PV装置以及限定要模拟/测试的PV增强膜及其结构的参数)、一个或更多个PV装置以及具有PV增强膜的装置的射线跟踪2744、没有PV膜的路径长度2746以及具有PV膜的路径长度2748、路径长度比率2752以及优化结构/膜参数2754(例如，结构或PV增强膜限定参数或特性，例如，用于在路径长度比率上提供更加显著改善的模拟PV增强膜，和/或用于在撞击PV装置的入射角特定范围上改善的强度)。
结构优化模块2730产生的产物或输出可看作输入参数和/或其它模拟数据到优化结构/膜参数2754和/或图的转化(例如，附图中提供的路径比或强度图)。这样产生的输出可通过有线或无线数字通讯链接2761传输到一个或更多个输出装置2760。这样的装置2760可包括诸如便携式存储装置(USB存储装置等以及磁盘等)的数字数据存储装置2762，或者诸如磁带装置、服务器及类似物的其它数据存储器。输出装置2760也可包括一个或更多个打印机，用于打印出显示由CPU 2714运行的模块2730产生的数据的图或数据报告(例如，包括优化结构/膜参数2754的列表或表格)。此外，输出装置2760可包括一个或更多个显示装置2766，其可用于在屏幕上显示图和/或数据(例如，参数2754)给装置2760的观看者/用户。
图28示出了可由系统2700实施的优化工艺2800(例如，通过计算装置2710运行优化模块2730以使处理器2714执行工艺2800的步骤)。可能有益的是以更加普遍的术语描述工艺2800，然后继续其几个特定的示例，用于通过选择有益于提供所需路径长度比率(或者路径长度相对于没有膜的PV装置的增加)和/或结合为提供所需强度改善的TIR(或者PV装置的增加转换效率)的吸收增强结构模拟/优化PV增强膜。如图所示，工艺2800以2804开始，例如，用户选择要采用的具有PV增强膜的特定PV装置。如上文所讨论的，很多PV装置将包括保护盖/顶部(例如，一层玻璃等)，其可利用粘合剂而应用到PV材料。在其它实施例中，例如，通过提供吸收增强结构作为玻璃或其它材料保护盖/顶部的一部分(例如，在玻璃覆盖层中提供该结构)，PV增强膜可直接应用到PV材料(利用粘合剂等)。例如，通过运行工艺2800用于特定横截面形状而延长结构(例如三角形横截面，如图4所示的延长结构)或者用于如图8所示的单独构件，开始步骤2804还可包括选择用于膜的吸收增强结构的特定形状和/或设置，。
在步骤2810，还参考图27，用户可录入或选择优化运行输入2742，其可由优化模块2730存取或接收。输入参数可包括PV装置的特性(例如，PV材料、盖板或顶部、粘合剂和厚度以及每一个的折射率)以及PV增强膜的特性，包括用于结构的例如它们的节距、厚度、折射率、形状/构造以及其它可能需要的参数，以通过包括膜的太阳能电池或PV装置组件执行射线跟踪。用户也可录入用于优化运行中的一个或更多个入射角范围或者阳光角度范围(例如，在+/-80度、+/-40度或某些更小范围上优化，所述某些更小范围可能是其它结构设计的弱点，例如+/-10度或+/-20度等)。在2820，优化模块2730可用于从存储器2740恢复附加的模拟数据2742，这可包括为PV元件和/或结构重新获取缺省值，在录入材料和厚度时重新获取折射率，在用户没有录入/设定时恢复入射角的缺省范围，等等。
在2826，方法2800继续在应用PV增强膜前，为步骤2810和2820中限定的PV元件执行射线跟踪。这可通过CPU 2714运行的射线跟踪引擎2738在入射角的范围上执行，并且这样数据处理的产物可存储在2744。在步骤2830中，方法2800包括在入射角范围内的每个入射角上(或者在这些入射角的子集上，例如在每个角度或在每隔一个角度上(at every other degree)执行跟踪，或者在分数角度上，例如在每0.5度等上执行跟踪)确定通过PV材料的基本路径长度。这些基本路径长度可存储在存储器2740中的2746上。方法2800在2840上继续射线跟踪引擎2738，其进行用于下一个吸收增强结构(或者具有由用户通过步骤2810提供的输入和/或通过步骤2820提供的缺省信息限定的特定结构构造的PV增强膜)的射线跟踪。在2844，例如通过光学增强器2734或跟踪引擎2738为这种结构/膜确定路径长度，并且在有关入射角范围上产生的这些路径长度被存储在存储器2740中的2748上。再者，这些路径长度2748表示实现的或修改的路径长度，其通过在PV装置或太阳能电池组件中应用或包括PV增强膜而实现(例如，利用PV增强膜上的结构的外部或折射表面，改变接收或入射光的方向)。
在步骤2850，光学增强器2734用于通过比较具有PV增强膜和没有该膜(基本装置)的PV装置或太阳能组件确定路径长度比率。该比值可在每个入射角或在相同的入射角上确定，在步骤2830和2844上为上述入射角计算路径长度，对于每个入射角在没有改进或变化的情况下比值等于1，并且长度上的增加示出为比值大于1(例如，比值1.1表示在特定的入射角上路径长度增加10％)。这些比值存储在存储器2740中的2752上。在2856，光学增强器模块2734根据这些比值(初始比较相对于基本的或比值1)相对于先前测试/模拟的结构或膜而确定路径长度上是否有所增加。如果是这样，方法2800继续在2860将限定当前结构或PV增强膜的参数作为优化结构/膜参数2754存储在存储器2740中。如果不是这样，增强器2734确定是否存在待测试的附加结构/膜，如果是这样，方法2800继续在2840为包含这样结构的下一个吸收增强结构或膜执行附加射线跟踪和路径长度计算。
如果没有附加结构/膜将利用优化模块2730处理，方法2800继续在2878存储优化的参数2754(或者根据特定入射角范围上高比值所示的路径长度上的改善确认这些先前存储的数据点作为结构设计的最佳结果)。在2880，结构优化模块2730可进一步用于产生一个或更多个路径比图，其可在2882传输到输出装置2760，用于存储在装置2762中，输出到打印机2764，和/或作为图2768显示在监视器2766上(具有输入和/或产生的数据，例如比值和路径长度值等)，用于系统2700的用户观看。方法2800在2890结束。
用于设计上述PV增强膜表面的计算方法包括在某些实施例中采用计算机(例如，如参考图27和28所讨论的)，以跟踪从各种角度方向到达PV结构或吸收增强结构的平行射线，用以模拟整个白天入射在PV结构上的太阳射线(或者在入射角的特定范围上)。然后，计算机可运行一个或更多个软件模块，对于各种入射角计算射线在PV材料中的路径长度。比较从此射线跟踪获得的总路径长度和没有设置光学装置(例如，在太阳能电池组件或PV装置中不采用PV增强膜)的总路径长度。
因此，例如以30度入射，如果没有任何增强结构的射线跟踪的总路径长度总计为10mm，并且在包括本发明的吸收增强结构的情况下总路径长度总计为15mm，30度入射的路径长度比率为1.5(其表示对于这种特定吸收增强结构在此入射角上光路径长度增加50％)。对每个入射角进行射线跟踪和路径长度以及比值计算(或者，在角度范围为-80度至+80度时，这样入射角的子集取样，例如采用5度的增量)。也可为全部运行角度计算平均路径长度比率，并且计算峰值长度比率，例如，PV增强膜可提供平均路径长度比率1.3，而峰值长度比率可为1.5。优化还可包括确定尤其在较高阳光强度区域中的比值(例如，从约+/-40度，并且更典型地从+/-20度)，以证实在此重要区域上获得改进，这如别处的讨论可有利于两个或更多个结构构造的混合以实现更好的总效率增加(以及改进平均路径长度比率，例如，在上面的示例中，两个吸收增强结构可用于单一PV增强膜内，以在实现比值1.3的设计中通过填补入射角的任何突破口(hole)或薄弱范围而将平均路径长度比率从1.3增加至1.4或1.5或更大)。
图29示出了本发明的射线跟踪引擎(或优化模块)可执行的用于特定入射角的射线跟踪2900，用于商业或传统的太阳能电池或PV装置。如图所示，PV装置2910从上至下包括保护玻璃盖2912、具有其光接收表面2915的PV材料2914以及反射或镜元件2916。阳光或者光线2920由装置2910以入射角θ接收，例如入射角为20度等。在典型的跟踪中，每个入射角可跟踪大量的射线2920，例如100至500或更多(或每个子集中的每个角度在优化关注的入射角范围内跟踪)，为了清楚且简单的图示，图29中示出了较少的数量。
射线2920撞击保护玻璃盖/顶部2912，并且折射为如射线2922所示，以第二角度β(或在PV材料2914上的光入射角或接收阳光的角度)撞击PV材料表面2915，它可小于原始入射角θ，例如在其值为20至30等时为10至20度。然后，接收的光2924传播通过PV材料2914，其中它撞击反射表面2916(如果不吸收)，并且反射到PV装置2910的外面，如2930所示。这个跟踪的放大图或近视图在图30中示出。这更为清楚地表示出射线2924在PV材料2914中传播的路径长度，并且图30还示出了光路径相对短或直接。因此，通过改变射线撞击PV材料2914的表面2915的方向可获得吸收上的改进(或者提供较大的入射角β，从垂直于表面2915的平面测量)。再者，如上所讨论，在射线2930从太阳能电池或PV装置组件损失之前，TIR可用于捕获或改向至少一部分射线2930。
在图31和32中，为太阳能电池组件或PV装置3110示出了射线跟踪3100，其包括图29的PV装置2910，具有其保护玻璃盖2912、PV材料2914和反射面2916。另外，但是包括PV增强膜3120，其利用粘合剂层3130应用在玻璃盖2912上。在本实施例中，PV膜3120包括基板3128上的锯齿图案的吸收增强结构3124，其中结构3124具有单一构造(例如，延伸膜3120长度的延长主体，具有例如如图4和5所示的三角形横截面)。通过利用PV增强膜3120，以入射角θ入射或接收的阳光2920，但是由结构3124的小面或折射/光接收表面折射。结果，传播通过玻璃盖/层2912的射线3140以第二角度或第二入射角α撞击或入射在PV材料2914的光接收表面2915上，其与基本装置或没有PV增强膜的装置不同。典型地，这个第二角度或接收阳光的角度α大于没有结构3124的情况(例如，大于角β几度或很多度)。光3144于是沿着如图32中的路径长度所示的不同的、更长的路径传播通过PV材料2914，这提供了大于1的路径长度比率，并且与允许较短路径通过PV材料的射线2922相比，允许使用中的PV材料更加有效地吸收射线3144。尽管图31和32中没有清楚地表示，但是结构3124还提供从表面2915反射和/或从表面2916返回到PV增强膜的光的一定程度的射线捕获，其中TIR将至少某小部分改向返回到PV材料2914，以能够在第二次或更多次通过而吸收。
重要地，执行射线跟踪3100考虑玻璃2912以及粘合剂3130的存在。这能使PV材料2914中的路径长度更加精确地确定，进而允许更好地优化(或选择)结构3124(尺寸和/或形状)和粘合剂3130的结合，用于具有已知盖2912的特定PV装置(或者允许设计者从两个或更多个这样的保护玻璃盖或顶部选择，这应理解为盖/顶部2912可由玻璃之外的其它材料制造，其跟踪简单地调整为包括诸如为不同材料的厚度和折射率的参数)。
PV装置组件3110的部件可变化为利用不同的盖2912、不同的PV材料2914以及当然具有不同构造用于结构3124的广泛种类PV增强膜3120而实施本发明(如这里提供的大量图中所示)。然而，可能有益的是进一步描述太阳能电池组件3110的至少一个构造或设置，其采用图27的计算机系统2700模拟。本示例中的PV材料2914是薄膜非晶硅PV层，具有3.44的折射率和11密耳的厚度。盖2912假设由具有125密耳的厚度、1.5的折射率的玻璃形成。粘合剂3130假设具有2密耳的厚度和1.51的折射率。PV增强膜3120由具有1.49折射率的塑料形成，具有单一三角形横截面形状的延长锯齿结构3124。在膜3120中，每个结构3124的节距/底部为13.333密耳，其高度或厚度约为7密耳，而基板厚度为4密耳。再者，射线跟踪模块用于单一入射角模拟的每个角度(例如，约20至25度)跟踪470条射线。光学增强器或结构优化模块处理组件3110的射线跟踪以及基本或未覆盖的PV装置，并且确定平均路径长度比率为1.283，这表示这种构造的PV装置、粘合剂和PV膜在路径长度上的增加为28.3％，PV膜包括其材料、基板厚度和吸收增强设计。
在某些情况下，如参考图25和26所讨论，诸如膜3120的PV增强膜可能在特别需要的入射角范围上显示出弱点，例如在约-20至约+20度的主要太阳能收集范围内(或者在某些情况下直到+/-40度)。在为膜3120执行射线跟踪和路径长度计算时，结果可以是平均长度比率为1.525，其中峰值长度比值超过3。然而，路径长度比率相对于入射角的图，例如，如图25所示，可表示在增加路径长度上，例如，在-10至+10度的范围上，具有膜3120不起作用的弱点或间隙。
因此，PV增强膜的设计工艺可用于PV增强膜在特定所需的角度范围或扩展上优化路径长度比率，所述角度范围例如为-20至+20度(从垂直于PV材料的光接收表面测量)，以提高PV装置的效率。为此，具有单一设计结构3124的组件3110可在此目标角度范围上提供间隙(如图25所示)。在某些情况下，用于PV增强膜的总角度范围可通过提供每一个具有不同设计的两个或更多组吸收增强结构而改善，可有利于针对角度范围获得更好的路径长度(或TIR响应)。例如，通过结合针对第一结构弱点的第二结构与单一PV增强膜上的第一结构，可实现更好的总路径长度比率和/或可提高转换效率(例如，该比值可不增加，并且甚至可更低，但是如果在主要真实状态下增加，例如+/-20度，则效率可在路径长度比率上没有总暴涨的情况下增加)。
在PV增强膜上混合结构构造的一个示范性实施例中，图33示出了PV增强膜3320中的两个吸收增强结构3324、3328的混合锯齿图案，也包括基板3330。PV增强膜3320安装在PV装置2910上(例如，参考图29-32所描述)，其粘合剂层3340被施加到盖玻璃2912上以形成太阳能电池组件或增强的PV装置3310。在此组件3320中，第一组(或总数的约一半)结构3324提供为具有图31的膜3120所述的形状和特性(例如，节距为13.333密耳，高度/厚度为7密耳，其两个小面或侧面3325沿着结构3324的长度延伸，并且在一个点上相遇以限定三角形横截面)。第二组(或约一半)结构3328提供为具有不同的形状，例如具有相同的特性诸如节距和折射率，但是具有约10密耳的不同高度/厚度，以提供不同角度上的小面或侧面，以获得不同的折射以及不同的TIR效应。典型地，这两组结构交替设置在PV增强膜上，但是，在某些情况下，每个设计的两个或更多个可组合在一起，并且这些组可交替设置(更加重要的特征是两个不同结构设计的混合以获得改善的总效果)。
图33示出了利用应用于PV装置2910的这种双结构PV增强膜3320的射线跟踪3300，以提供比PV装置2910更加充分有效的组件3310。部分地，这是因为两个结构3324、3328关联作用以提供约1.2至约1.5或更大的平均长度比率(或者平均路径长度增加至约20至50％或更大；然而，应当注意的是，当仅采用厚度/高度为7密耳的第一组结构时，全部或平均长度比率可几乎为相同值，但是-10至10度范围内获得的增加使结构混合非常有利于不仅是路径长度的增加，而且导致最终太阳能电池组件的效率的提高)，这可显著地提高装置2910的PV材料的性能，以吸收光子或接收的太阳能。组件3310的PV路径长度比率相对于入射角的曲线可取得类似于图26所示的外观，并且特别是通过在-10至+10度的范围内提供路径长度上的大改善，附加或利用第二组结构3328填补了间隙或孔(图25中的图2500的孔/间隙2520)，从而PV增强膜3320在-20至+20度的主要太阳能收集范围内具有非常合适的特性(或者，典型地，北半球上从约10AM至约2PM以及一年的大部分期间)。另外，结构3324、3328提供TIR，特别是以这个特定入射角在第二组结构3328中，以至少反射从PV材料反射的某些光，如跟踪3300可见。
由这种具体描述可理解的是，为了在PV材料中光学提高路径长度可考虑大量不同类型的结构。在某些实施例中，计算机执行的优化程序构建成圆形透镜形状、尖端向上和尖端向下、正弦曲线透镜形状以及锯齿截面透镜形状，可对其进行研究并将其用于PV增强膜的吸收增强结构以及包括在优化运行中。在典型的运行中，通过用户提供输入而挑选形状。然后，适合于该结构的参数，例如半径、振幅、厚度、节距和尖端到结构基底的间隔等可由用户录入，但是更典型地，如前所述由优化模块变化和跟踪。优化运行将试验由程序用户设定或选择参数的全部结合。
在具有一个结构构造的锯齿设计的一个优化运行中，采用下面的参数。在整个PV装置的底部开始且向上，设有镜或反射器和厚度为11密耳且折射率为3.44的PV材料。PV装置还包括厚度为125密耳且折射率为1.5的盖玻璃。PV增强膜采用厚度为2密耳且折射率为1.51的粘合剂层粘合，并且该膜包括折射率为1.49的光学增强材料。由计算机运行的优化模块或软件采用600密耳的射线跟踪宽度(例如，将跟踪结构的范围)，并且开始角度为-80度，停止角度为+80度，分步角度为5度(例如，以5度的分步跟踪在+/-80度的范围上)。在优化中，每个角度跟踪的射线数为235，而1个分步中跟踪的结构数为35至70。在一个密耳的分步中跟踪的锯齿厚度为3至12密耳，而尖端到底部的间隔为4密耳(例如，PV膜的基板为4密耳)。在优化期间，确认最高平均路径长度比率发生在下面的锯齿条件，结构具有节距或底部宽度13.333密耳，并且结构高度或厚度为7密耳，产生的平均路径长度比率为1.525，其峰值比为3.084。然而，在+/-80度的范围内，对于针对+/-18度范围的这种优化构造发现诸如图25所示间隙2520的间隙。
因此，为了填补大约-18度至+18度之间的值，进行另一个运行，以在5度的分步上限定-20至+20之间采用的优化角度值(注意，7密耳高的结构的峰值比处于+/-20度之外)。对于这样新限定的优化输入(例如，+/-20度的入射角范围，相对于+/-80度)，发现优化厚度为10密耳(底部/节距还为13.333密耳，而基板厚度设定为4密耳)。结合两个优化结果(或限定参数的吸收增强结构的构造或设计)以产生具有交替锯齿图案结构的PV增强膜，其交替厚度为7和10密耳(并且底部为13.333密耳，而基板厚度为4密耳)。对于这种双重结构的PV增强膜，从-80至80度进行射线跟踪，并且该组合结构的路径长度比率的坐标图类似于图26所示，其中我们看到在角度范围上路径长度比率上的充分提高(例如，平均路径长度比率约为1.526)。所包括的7密耳厚度锯齿的顶角(在两个小面之间，并且限定小面或侧面的形状或者该结构的折射和TIR表面)为131.544度，而10密耳锯齿的顶角为96.026度。
如上所讨论，本发明实施例的PV增强膜的结构设计可由自动优化程序执行或推进(如图27和28所示)，所述自动优化程序对于分步特定值的角度范围在变量范围上进行射线跟踪(对于变量和/或角度)。对于路径长度比率在非光学增强表面上的增加，由这个优化模块跟踪的射线的每个入射角都由该模块评估。平均增加与更新获得的最优值相比较，如果电流值得到改善，则将结构/膜的参数存储在存储器中。在所有角度和所有结构参数运行的结尾，最佳的参数组合(或者结构/膜的优化参数)恢复且输出(例如，传输到显示器或其它输出装置)。以下是用于一个实施例的计算机编码的一部分以执行优化处理(例如，在图27的系统2700的操作期间，以执行图28的程序2800等)。
Figure BDA0000091741900000701
Figure BDA0000091741900000711
注意，射线跟踪(例如图27的射线跟踪引擎)在某些实施例中是非连续方法，其允许射线撞击无论任何表面，该表面的折射和反射角和几何成形的材料无论为何。示范性的主要调用子程序如下：
Figure BDA0000091741900000712
Figure BDA0000091741900000721
Figure BDA0000091741900000731
确定采用的表面和折射率的部分射线跟踪程序为：
Figure BDA0000091741900000732
Figure BDA0000091741900000741
Figure BDA0000091741900000751
Figure BDA0000091741900000761
Figure BDA0000091741900000771
Figure BDA0000091741900000781
Figure BDA0000091741900000791
Figure BDA0000091741900000801
Figure BDA0000091741900000811
Figure BDA0000091741900000821
Figure BDA0000091741900000831
该结构交点的细节如下：
Figure BDA0000091741900000832
Figure BDA0000091741900000841
Figure BDA0000091741900000851
Figure BDA0000091741900000861
Figure BDA0000091741900000871
上面是特定射线跟踪的实质部分，用于计算光学结构或吸收增强结构的设计中采用的项目或参数值。
上面的示例已经强调在保护玻璃层之上使用PV增强膜以增加路径长度和/或捕获或改向反射射线。尽管这在改装应用上是有利的或者允许继续使用现有的PV装置设计，但是PV增强膜也可将保护玻璃结合在其基板中(例如，以包括这里所述的TIR或吸收增强结构的玻璃层取代玻璃或其它保护盖)。对于新的面板结构，它可有利于产生具有内置在玻璃中的优化结构的玻璃面板，以根据PV材料的特性最大化(或者至少改进)PV材料的性能和在特定角度上的所需性能增益。
在玻璃自身内定制这些结构的厚度和特性是有利的，并且对于PV材料的性能增强可提供明显更好的结果(例如，大于在上面某些PV增强膜示例中描述的覆盖膜)。这种更好的结果的部分原因是PV增强膜设计者具有更大的自由度创建结构及其在软件程序中的优化。换言之，通过PV膜的覆盖实施例而产生的可能增强有必要采用太阳能电池或PV装置的现有参数，例如1/8英寸的玻璃层已经设在面板或PV材料上。允许优化程序或模块为提供在玻璃表面上或之内或作为玻璃盖或顶部一部分的结构优化TIR和增加路径长度的结构，从而允许相对于后施加膜有更好的结果和较宽数据参数的可能性。某些实施例中的可能吸收增强结构包括向下朝着PV材料层(或接近)的结构以及达到玻璃顶部的所有途径(1/8”厚)。这些可能性使得增强、尤其是路径长度增强具有较大的可能性。
根据材料的反射和吸收特性，数据可从所需的PV产品收集。标准的多晶硅在特定角度上可具有特定的反射特性，并且还具有不同的吸收特性。以几个不同结构的组合(例如，交替的锯齿图案等)在所需的角度优化路径长度，同时TIR结构也可添加到玻璃以使反射射线再循环(例如，玻璃上或其内具有两个、三个或更多个结构的锯齿图案以提供所需的组合结果)。在某些实施例中，作为PV材料特性的结果，针对TIR和路径长度优化的结构组合可内置在玻璃中，因为针对结构优化而利用玻璃厚度的优点，所以与膜覆盖相比具有总体上更好的结果。在某些方面中，采用特定设计的玻璃层作为膜的概念与上述后施加PV增强膜的情况相同或类似，但是在诸如太阳能阵列的PV装置的某些设计中，没有开始的干涉玻璃顶部或盖以及一起作用的全部厚度(例如，包括在内，作为PV增强膜或结构的部分)的能力可能提供所需结构的更好优化。
具有吸收增强结构的PV增强膜可以很多方式制造以实施本发明。同样，PV增强膜可以很多方式附着或提供在诸如太阳能阵列或太阳能电池装置的PV装置内，例如，采用多种技术之一可施加到PV增强膜的粘合剂。简言之，PV增强膜可采用片-卷挤压、采用铸膜技术、采用挤压涂层压花、通过在载体膜上产生能量硬化的铸造结构以及其它制造方法来制造，其可用于在塑料、陶瓷、玻璃等膜或基板的表面上形成这里教导或建议的各种吸收增强结构。很多的这些膜制造工艺可利用诸如冷压花辊的辊(或者冷辊、压花辊或类似物)以在膜表面上形成所需图案或横截面形状而生成PV增强膜，并且下面的讨论描述制造这样压花辊的技术，以制造吸收增强结构。
在某些实施例中，采用片-辊挤压形成这里所述的PV增强膜，以应用于或用于太阳能阵列/面板，例如，形成可采取这里所述任何形式的PV增强膜114。采用片-辊挤压非常适合于用于制造具有线性或延长的并排吸收增强结构的PV增强膜、诸如具有三角形形状TIR结构的PV增强膜420或具有交替锯齿图案的TIR结构的膜2330和3320等。通过片-辊挤压制造的PV增强膜还可通过施加粘合剂层(如诸如图33的某些附图中所示)处理且施加到PV装置。具体地讲，片-辊挤压有益于为已经安装在现场、制造或用于制造的设计中的玻璃面板和类似太阳能装置上提供市售产品的良好的经济性、速度和可测量性，用于作为添加或后续步骤，以改善其运行和/或转换效率。这种产品的益处包括处理较厚材料的能力，其更易于由应用的顾客处理。例如，片-辊挤压是吸收增强结构以及7密耳(7/1000英寸)和3/8英寸之间的整个膜厚度的适当制造/加工方法。这种产品的目标厚度可为20密耳或者20/1000英寸。
片-辊挤压工艺是一种膜制造技术，它不是特别快，但是发现由于其协调和连续而适合于形成精确的TIR结构。挤压工艺可开始于用于PV增强膜的供给材料的选择或设计，例如，以小球的形式的一种或更多种塑料或聚合物，具有或不具有诸如稳定剂的添加剂，并且在螺杆驱动混合器或其它混合器/搅拌器中搅拌聚合物的混合物。在此阶段上，聚合物、添加剂、UV抑制剂和稳定剂等的所需混合可根据所需的用途诸如获得所需的折射率和耐久性等而添加到混合物。螺杆驱动和混合器以混合(或挤压)温度混合聚合物和其它供给成分，例如以约350°F至约450°F或甚至更高的高于环境的范围内的混合温度。
然后，熔化的聚合物被供应到一系列辊中，包括或包含冷压花辊，其预先雕刻有所需图案。特别是，所需图案是在PV增强膜的表面上制造一组吸收增强结构的图案(例如，在与为产生这里所示或所述的膜而供应的加热聚合物的片或材料接触的滚动期间有用的镜像)。在某些实施例中，该系列或该组辊可包括设置为顶部冷辊的雕刻辊以及至少一个与该雕刻辊相对的底部压力辊，并且可以是平坦/光滑或抛光的，尽管它可在某些情况下具有图案/纹理。由于熔化的供给材料或聚合物通过辊而被“推和拉”，因此与冷顶部和底部辊的接触作用为硬化供给的材料以例如通过在分子级引起“冷凝”聚合物而形成PV增强膜，在PV增强膜的光接收表面上留下圆筒上的雕刻图案的镜面印迹。
在某些实施中，挤压线为从约24英寸宽到超过60英寸宽，例如，输出膜可为24至60英寸宽(在进一步切割/处理以形成用于太阳能阵列或电池或其它PV装置的PV增强膜前)。通常，这些生产线的运行速度可在每分钟15和30英尺之间，取决于用于生产PV增强膜的片厚度和聚合物类型。由于材料或膜要通过挤压和进一步冷却，外边缘可用窄刀片切割以精确切割，并且挤压器可包括在几个位置上的刀片或用于切开片或膜的其它机械，使较小的片或膜作为通过设备的片。材料或PV膜继续通过设备，直到它到达线末端的片或PV增强膜堆叠器，该堆叠器准确地自动堆叠该材料以及所需的片堆叠和尺寸。
用于太阳能增强膜的片-辊挤压(或者其它制造工艺)所用的一种可用聚合物或供给材料是聚碳酸酯、丙烯酸树脂和含氟聚合物等的特定UV稳定的混合。这些聚合物的目标寿命可为约20年或更长。因为某些PV增强膜或产品的目标厚度可为约20密耳，所以在可运行50英寸宽膜等线上，挤压线的一般运行速度可为约每分钟25英尺。在某些情况下，两个片可一次运行通过该线，以一次生产用于这种应用的两个太阳能面板盖片或PV增强膜(或者可切成多个PV增强膜的片)。在此情况下，对于24英寸乘以36英寸的面板等，膜产品的面板盖或PV增强膜/片可以每分钟16盖/片的速度制造。这相当于一条线上生产约每小时960个面板以及一天24小时生产超过23,000个。
在某些实施例中，这里所述的PV增强膜形成为铸造膜。铸造膜(或具有附图中和整个文件中所述吸收增强结构的PV增强膜)可通过从上头的挤压器挤压一定体积的熔化塑料而制成，其中挤压模具从螺杆驱动或其它储料系统提供，以聚合物小球或其它供给材料开始。熔化的塑料在高压下被推过模具，其可精确地调整为制造连续塑料的熔化“网片”。此基板或材料片运行在冷压花辊之上。在这种制造技术中，熔化的塑料随着利用另一个辊在冷辊之上受压而快速冷却和凝固，从而塑料(或网片/片的表面/侧面)获取雕刻冷辊的形状，以形成根据本发明实施例的具有吸收增强结构的PV增强膜。
在另一个实施例中，PV增强膜采用挤压涂层压花形成。这种制造方法对于较薄的PV增强膜和/或基膜可能是特别需要的。例如，挤压涂层压花可用于形成太阳能电池组件或PV装置，其方法包括直接在柔性膜的应用中施加PV材料，其中一个示例是铜铟镓双硒(CIGS)产品，而另一个示例是柔性碲化镉PV产品。通过这种技术形成的PV增强膜也可用作染料敏化有机膜的基膜，例如，可利用来自Konarka Technologies，Inc.以及其它PV膜/产品制造商的PV产品/膜，并且这种PV增强膜可与现有的柔性PV产品配合使用，以提供更加有效的PV装置，例如太阳能电池等。
用于制造PV增强膜的挤压涂层压花工艺或技术与辊压花片生产(或上面讨论的片-辊挤压)具有某些类似性以及某些细微的差别。在这种膜制造工艺中，典型地采用初始载体膜，其可为PET、丙烯酸树脂、OPP或含氟聚合物等。对于很多太阳能应用，PET膜可为生产PV增强膜的有利选择。在此情况/示例中，PET膜始于大辊上的压花装置或机器的端部，并且通过该机器被提供到涂层单元，该涂层单元施加非常薄的水基涂层或类似涂层，以有利于下一个步骤的粘合工艺。然后，PET膜或给料在滚动中直接到达具有图案(在此情况下，用于产生一组吸收增强结构的图案)的冷辊周围。
在膜接触辊前，挤压装置向上挤出熔化聚合物(例如，丙烯酸树脂、聚碳酸酯或含氟聚合物等)，该熔化聚合物以所需厚度出来(例如，约2-3密耳)，并且均匀地施加给PET膜(在某些PV增强膜制造实施例中约为0.5密耳至3密耳厚)。随着液体的聚合物接触PET膜，它与冷压花辊接触，并且也可被诸如橡胶辊的软辊推向冷辊。液体聚合物取得冷辊的图案以形成吸收增强结构。PV增强膜(或者具有多个这样PV增强膜的片或膜产品)连续下线，并且在膜至少稍加冷却后在线的端部在滚动位置卷起。这种类型生产的速度可快到每分钟300英尺或更快，但是在某些实施例中，太阳能结构再生产的所需质量的PV增强膜以约每分钟75英尺到100英尺等运行速度形成。上面的每个示例，一条生产线24小时可制造足够的膜，用于64,000个24英寸乘以36英寸的面板。
在其它实施例中，PV增强膜的制造包括在膜上提供能量固化铸造结构。这种制造方法是有用的，因为它可采用能量固化聚合物提供接近完美的结构复制，以在载体膜的顶部再现结构。在这种方法中，载体膜，例如由PET、聚碳酸酯或含氟聚合物等制造的膜用作基膜。然后，该膜进入铸造装置中，该铸造装置以精确的厚度施加光学透明、能量固化的聚合物到该膜。这种施加有涂层的膜与雕刻压花辊(例如，压印有对应于这里所述的一组吸收增强结构的图案的辊)接触，并且液体聚合物挤压成辊上雕刻的形状。在仍然与压花辊接触的同时，UV或电子束辐射可施加到该膜的后面。该辐射通过该膜，并且进入聚合物，其中TIR结构的形状再现在载体膜上。取决于固化工艺，运行速度在每分钟10英尺和200英尺之间。在膜上采用能量固化铸造结构的优点是结构再现是完美或基本上完美。一个缺点是在结构尺寸上的限制，并且另一个缺点是该工艺比其它方法可能更加昂贵，这是由于聚合物的成本所致。还有一个问题是这种应用在太阳下变黄。结果，这种制造应用或技术可能更有利于PV增强膜以及其它特定用途的原型。
为了便于对诸如太阳能电池或阵列的PV产品的组件施加PV增强膜，PV增强膜的制造可包括将粘合剂层施加或提供至膜的平面侧或与PV增强结构相对的一侧(这可形成为如上所述)。例如，在滚动片的应用中，用于挤压片的粘合剂施加可为两步工艺。首先，将粘合剂挤压在硅释放衬垫上或者薄PET载体膜等上，然后滚动在大辊上。粘合工艺很像挤压涂层工艺，然而，利用热空气加热的较大干燥通道、红外线干燥或UV固化，以允许粘合剂适当固化。根据成本和可获得性/特性，水基和溶剂基粘合剂二者均可考虑且用于太阳能应用。通常的粘合剂涂层线很大(长度为300英尺或更大)，并且以每分钟50和300英尺之间的速度运行。
用于太阳能增强片的第二或下一个步骤可为滚-片层叠工艺。在这种工艺中，将太阳能片或PV增强膜/膜产品的片加载到大型层合机上的供料器中，然后供给通过该机器，该机器例如以每分钟50和100英尺之间的速度将卷直接层叠到片。粘合剂衬垫和粘合剂切割为堆叠在一起的片，并且该片被再一次自动堆叠在生产线的端部，以提供PV增强片或PV增强膜(例如，可采用附加加工、例如在应用前切割的片，或者准备施加到太阳能阵列等的PV增强膜，当然可在现场或别处进行附加成型或处理，以使膜的尺寸/形状膜对应于太阳能或PV装置的接收表面)。
在薄膜应用中，粘合剂可直接施加到预定压花膜，并且衬垫可同时施加。这可在粘合剂施加工艺中进行。例如，取代将粘合剂直接施加到衬垫或膜载体上，可将粘合剂直接施加到太阳能膜自身，并且衬垫可在一个工艺中施加。然后，完成的产品被送到“压面机”或者类似装置，其用于在自动工艺中以达到每分钟75英尺或更快的速度将卷切割为具有所需的宽度和长度。
为了制造具有匹配所需图案(例如，由优化软件工具选择/设定的一个)的吸收增强结构的高质量PV增强膜，在很多情况下需要形成可用作上述工艺中采用的压花辊或冷辊的圆筒。形成压花辊或圆筒采用其表面的雕刻而执行，并且雕刻工艺可以不同的方式实现，可采用下述的几种示范性工艺。
在一种雕刻工艺中，具有在金刚石中预定形成角度的金刚石工具(例如，原子蚀刻或研磨到准确的角度)用于雕刻由铜、铝、钢或镍等制造的圆筒。一个优选的方法可涉及在镍镀层上雕刻或者雕刻铜然后在圆筒/辊表面形成镍镀层。在某些情况下，线性结构或延长TIR结构(或者之后在塑料片等上形成的这样结构的镜像)可利用“旋转”工艺(“screw”process)形成。在但是，其它情况下，雕刻方法可为利用“切割和插入”方法而“换位”切割圆筒，其中进行一次切割，工具升起到圆筒之外，正确或精确地移动到下一个所需位置上，然后返回插入圆筒，并且这样的工艺在圆筒的宽度上重复。
另一种雕刻方法是利用较小的金刚石工具，该金刚石工具具有在机床计算机中编程的特定工具路径，并且系统存储器可存储多个这样的路径以制造这里描述的每个TIR结构，并且该方法可包括选择适当路径的技术以形成所需的一组吸收增强结构。这种路径允许通过对于一个结构切割几次而将各种角度制作在圆筒中。
另一种雕刻方法可涉及采用光敏技术且通过曝光而曝光聚合物金属。然后，可采用酸浴去除不想要的材料。在这种工艺中，可制作如图8-11所示的三维结构。雕刻压花辊表面的另一个选择可为采用激光，以采用来自映射TIR结构(或这样结构的镜像)的软件程序的文档直接雕刻金属圆筒表面。在这种工艺中，激光损坏不想要的金属区域，并且在分离的工艺中可清洗掉材料。
尽管对选择的制造方法没有限定，但是讨论制造成本是有益的，制造成本可用于选择膜制造工艺和/或形成压花辊或圆筒的方法。目前，“绿色辊”或空白圆筒的成本可变化为从小辊的约$10,000(USD)到大辊的$30,000以上。金刚石工具，取决于它们的复杂性，变化为每个从约$1,200至约$4,000。太阳能应用的平均工具约为$2,000。每个辊的雕刻工艺具有雕刻和镍镀的成本，在$10,000和$30,000之间。尽管，这些前期成本或资产成本可稳妥收回，因为一个雕刻辊或压花辊可用于PV增强膜的制造工艺中，以生产具有吸收增强结构的百万英尺的材料。
因为金刚石车削可能是本发明用于形成PV增强膜的一种方法，所以下面提供更详细地解释如何利用金刚石车削以雕刻圆筒，该圆筒然后在诸如塑料或聚合物给料的供料片或网片表面上形成线性或延长吸收增强或TIR结构中用作冷压花辊。线性结构可雕刻在圆筒周围，该圆筒将作为压花辊用于制造工艺中。雕刻这些圆筒可在温控室中以高质量的机床用金刚石工具进行。金刚石工具或刀具自身可以至少3个轴而被控制或定位在机床上，包括：利用支撑和定位工具/刀具尖端的行程臂等，在圆筒的宽度上定位(这在机床切割/雕刻操作中典型地旋转在其轴上)；相对于要雕刻的圆筒表面将工具/刀具尖端定位在之内和之外(或者深度上)；东-西倾斜工具/刀具尖端(或者并排平行于圆筒轴或沿着行程臂的轴)；南-北倾斜工具/刀具尖端(或者前后垂直于圆筒和行程臂的轴(其彼此平行))；以及相对于圆筒和行程臂的轴对角地倾斜工具/刀具尖端。
所需结构(例如，塑料片上要形成的多个TIR结构的镜像图案)可利用金刚石或工具/刀具尖端雕刻，在单一移动操作中该工具中具有所需的角度或结构。在这样的切割和插入运行中，两个相邻TIR结构(或者它们的镜像结构)之间的低谷或沟槽可由该工具形成。在其它情况下，利用较小的金刚石或工具/刀具尖端执行雕刻，其以小的增量切割所需的形状，并且这种技术可称为单点金刚石车削。这可能涉及进行每个结构或结构表面/接收表面的大量加工(20至100切口或更多)的小刀具/工具尖端，其中每个切口逐渐加深，并且通常以不同的角度以及沿着行程臂定位等(见上面讨论的各种控制)。在某些情况下，圆筒表面中要形成/雕刻的结构可换位，其中一个连续的旋转在圆筒周围产生一个“环”，或者在一种方法中，通过在圆筒上移动金刚石而以类似“螺旋”通过圆筒。
再者，机床上的轴控制可利用至6个轴进行。这些轴的描述如下：(1)跨过圆筒；(2)深度(在材料中以及返回)；(3)工具的左右转动；(4)工具的上下转动；(5)工具的倾斜转动；以及(6)金刚石工具也可“旋转”。在很多实施例中，所需的坐标存储在存储器中存储的数据文档中，并且由雕刻系统/机械运行的工具/机床控制程序存取以产生成为金刚石工具自身的路线图的“工具路径”，其指示行程臂的准确运动和工具/刀具及其尖端的定位/定向以及其它操作参数，例如机床在旋转圆筒上的速度。
在某些实施例中，雕刻在具有金属表面(例如，硬的铜表面)的圆筒中直接进行。圆筒中的雕刻完成，并且通常但不总是，然后圆筒被镀镍或其它镀层材料，以在电镀工艺中提供较硬和/或更加耐久的最后一层。在其它情况下，雕刻直接在镍或其它材料镀层上进行。在某些实施例中，无论在雕刻之前还是在雕刻之后电镀的镍可为高磷镍，其含量在8％和15％之间，因为该含量提供具有更好的整体表面质量的光滑表面，因此在圆筒/压花辊中并且之后在挤压或其它膜制造工艺中利用该辊可形成更好的结构。因此，圆筒表面上形成的这些结构的频率和对应的尺寸可为一英寸几千或者少于每英寸100，其允许后面在PV增强膜中匹配或对应TIR结构的挤压或形成。
可采用不同的压花辊形成三维TIR结构，例如某些PV增强膜所需的棱锥吸收增强结构。这些类型的结构可以不同的方式制作或形成在圆筒表面。在一个示范性工艺中，金刚石车削用于在一个方向上雕刻，然后“跨过”该雕刻进入其它方向(例如，在诸如+45度的一个方向对角跨过圆筒表面，然后在从垂直行程或切割路径的诸如-45度的第二方向上对角跨过圆筒表面)，留下用于PV增强膜制造工艺的菱形结构(镜像)。有时这称为“滚花”工艺。
在压花圆筒表面上雕刻这些结构的另一种方法可涉及光学和/或其它照相乳胶(photo-emulsion)工艺，通常采用激光以曝光光聚合材料，然后“清除”不想要的材料。在这种工艺中，激光采用5轴或更多轴曝光圆筒或平板的区域，非常类似于金刚石车削工具。激光利用图案限定或绘制文档曝光材料，该文档存储在存储器中且由一个或更多个雕刻系统或机械的处理器运行的控制软件程序存取。正确的曝光和角度也可限定在这个数据文档中，并且可用于按着需要曝光材料以实现特定结果。在清除不想要的光敏聚合物材料后，可由该工艺制造板或“薄片”。这个板可铸造和翻转在镍或其它金属中，可用电金属化工艺而金属化，或者可用其它聚合物铸造和翻转。雕刻或变薄制造也可采用全息图制造工艺中所采用的方法。
雕刻的另一种方法可涉及利用CNC式雕刻印刷。这种雕刻方法可包括在薄片上直接雕刻，其通常由黄铜、铜、铝或不锈钢制造。该薄片也可为镀镍，其中直接雕刻镍自身。这种雕刻方法中的薄片通常可很小，通常小于8英寸乘以8英寸。雕刻可通过旋转金刚石工具而实现。雕刻CNC机器也可是多轴的，在所有方向上倾斜，并且在高程上上下运动。在这种类型的雕刻中，通过旋转金刚石刀具更容易产生在多个方向上十字交叉的三维结构。通过这种技术可制造非常精细的结构，直至全息图和衍射等级。对于本发明，可制造频率为几千/英寸的结构。还应注意的是，这种方法优选用于精确生产三侧和四侧锥体结构。未来，这些结构也可适应地制作以反射特定波长，而在TIR结构以及延长结构二者中定向其它波长。这些结构可制作为足够精细，以偏转(反射)不想要的较长波长，其可能降低PV性能，并且改向较短的波长(通常700纳米或更小)，它包含更大的能量但热量很低。这种技术在未来代或计划/设想实施例中将有利于提高这些膜增强产品中的PV性能。
结构的镜像被雕刻在薄片上。然后，将薄片电铸，从而产生该薄片的精确镜像。然后，对此重复以产生原始雕刻的复制品。然后，这个工艺重复几打、几百甚或几千次。这些薄片然后可设置在圆筒或滚筒上，覆盖整个表面，并且胶合、焊接或加边框在适当位置以产生大压花表面。这种方法典型地用在全息图上，并且在某些情况下，对于很多用于雕刻的方法是优选的，因为可雕刻很小的部分，然后通过电铸可便宜地再现多次。注意小心地制作很小的部分，然后便宜地再现该部分以覆盖大圆筒或滚筒。
在某些情况下，圆筒可通过将多个这样的板或薄片一起施加或贴附而形成，以为辊形成压花表面。典型地，可用这个工艺制造非常精细的结构，并且角度和结构可选择和精确地生产。在很多情况下，对于薄片的尺寸存在限制，并且多个薄片需要结合在一起以完成圆筒。这些薄片中有可见的“接缝”。对于很多PV增强膜，这样的接缝或间隙几乎没有影响，而不显著地减弱膜或玻璃的性能。

Claims (97)

1.一种太阳能电池组件，用于更为有效地捕获太阳能，包括：
光伏(PV)装置，包括一层PV材料和覆盖该层PV材料的保护顶部；以及
PV增强膜，包括基本透明材料，施加于该PV装置的该保护顶部的至少一部分上，该PV增强膜包括位于该保护顶部附近的基板并且包括该基板上的多个吸收增强结构，其中该吸收增强结构的每一个包括光接收表面，该光接收表面折射撞击该PV增强膜的入射光以在入射角范围上在该层PV材料中提供大于约1.10的平均路径长度比率。
2.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中该平均路径长度比率被确定为在入射角范围内确定的多个路径长度比率的平均值，并且该路径长度比率的每一个是通过该PV增强膜后传播通过该PV材料的折射入射光的路径长度与没有该PV增强膜的情况下传播通过该PV材料的该入射光的路径长度相比。
3.如权利要求2所述的太阳能电池组件，其中该多个路径长度比率根据在入射角范围内的多个角度上执行的射线跟踪而确定。
4.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中从通过该PV材料的光接收表面的垂直平面测量，该入射角范围是从-80度至+80度的范围选择的角度范围。
5.如权利要求4所述的太阳能电池组件，其中从通过该PV材料的光接收表面的垂直平面测量，该入射角范围是从-20度至+20度的范围选择的角度范围。
6.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中该吸收增强结构构造为使该平均路径长度比率在该入射角范围上在该层PV材料中大于约1.20。
7.如权利要求6所述的太阳能电池组件，其中该吸收增强结构构造为使该平均路径长度比率在该入射角范围上在该层PV材料中大于约1.50。
8.如权利要求7所述的太阳能电池组件，其中从通过该PV材料的光接收表面的垂直平面测量，该入射角范围包括从-20度至+20度的角度范围。
9.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中该PV增强膜包括与该基板分隔并且限定该吸收增强结构的光接收和捕捉表面，该光接收和捕捉表面在该PV增强膜的边缘看时为正弦曲线。
10.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中该吸收增强结构的每一个具有半球形状的主体，其底部支撑在该基板上。
11.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中该吸收增强结构的每一个具有棱锥或截头圆锥形状的主体，其底部支撑在该基板上。
12.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中该吸收增强结构的每一个具有大小小于约10密耳的底部和高度。
13.如权利要求12所述的太阳能电池组件，其中该吸收增强结构的每一个包括延长主体，该延长主体沿着该基板的长度延伸并且具有向内成角的至少两个侧面。
14.如权利要求13所述的太阳能电池组件，其中该吸收增强结构中的相邻吸收增强结构包括两组不同构造，第一组构造具有三角形横截面且底部至少为约12密耳以及高度小于约8密耳，而第二组构造具有三角形横截面且底部至少为约12密耳以及高度大于该第一组构造的高度且小于约10密耳。
15.如权利要求1所述的太阳能电池组件，其中通过该PV增强膜的折射入射光的至少一部分从该PV装置反射回来，并且其中该吸收增强结构采用TIR将反射部分的一小部分定向为朝向该层PV材料。
16.一种光伏设备，在一层光伏(PV)材料中具有增强的吸收，该层PV材料设置在基本透明材料的保护层下，并且在入射角范围上撞击该保护层的入射光具有通过该PV材料的第一平均路径长度，该设备包括：
基本透明材料的基板；
一层粘合剂，将该基板贴附到该保护层上而与该PV材料相对；以及
多个吸收增强结构，设置在该基板的与该粘合剂相对的一侧，其中该吸收增强结构的每一个包括由基本透明材料形成的主体，该主体成型为将该主体的外表面上入射的光以与撞击该保护层的该入射光不同的角度透射为朝向该PV材料，并且采用全内部反射(TIR)将从该PV材料反射回的光的至少一部分定向为朝向该PV材料，其中在该入射角范围上入射在该主体上的光具有第二平均路径长度，该第二平均路径长度至少大于该第一平均路径长度约10％。
17.如权利要求16所述的设备，其中该保护层包括玻璃，并且该PV材料包括硅基薄膜的PV装置。
18.如权利要求16所述的设备，其中该吸收增强结构的该主体以三角形横截面形状延长，并且具有限定光接收和捕捉表面的两个侧面，其采用TIR以将该部分反射光定向为返回到该光接收表面并且采用折射以提供该不同的角度，并且其中该第二平均路径长度与该第一平均路径长度的平均路径长度比率大于约1.2。
19.如权利要求16所述的设备，其中该吸收增强结构的每一个的该主体为具有至少三个小面的棱锥形状、半球形状或截头圆锥形状。
20.如权利要求19所述的设备，其中该主体的每一个具有小于约10密耳的底部宽度和高度。
21.如权利要求16所述的设备，其中该吸收增强结构包括多个延长的并排构件，其中该构件中的相邻构件的主体在尺寸或形状至少之一上不同，并且其中该第二平均路径长度与该第一平均路径长度的平均路径长度比率大于约1.5。
22.如权利要求16所述的设备，其中该吸收增强结构还包括至少三个不同的主体构造，在该至少三个不同的主体构造中该构件的该主体在尺寸或形状至少之一上不同。
23.一种太阳能阵列，包括：
多个太阳能电池，排列在具有光接收表面的平面面板中；以及
光伏(PV)增强膜，包括基板，具有靠近该光接收表面的平面的第一表面和包括多个吸收增强结构的第二表面，该PV增强膜由基本透明材料形成，其中该吸收增强结构的每一个包括至少一个小面，该至少一个小面接收入射光，将该入射光定向为朝向该太阳能电池之一的该光接收表面，从而该太阳能电池的PV材料中的路径长度大于没有该PV增强膜的情况下确定的基本路径长度，以及反射从该光接收表面反射的光的一部分。
24.如权利要求23所述的太阳能阵列，其中该吸收增强结构包括延长构件，该延长构件具有至少两个小面用于接收和定向该入射光以及用于反射该反射光的一部分，该反射采用全内部反射(TIR)实现，并且其中从自该光接收表面延伸的垂直平面测量，在包括-20至+20度范围的入射角范围上对于该基本路径长度的路径长度比率平均大于约1.2。
25.如权利要求23所述的太阳能阵列，其中该PV增强膜包括平面玻璃元件，该吸收增强结构形成在该玻璃元件的远离该光接收表面的一侧，并且该PV增强膜还包括一层粘合剂以将该玻璃元件贴附到该光接收表面，其中该光接收表面包括该太阳能电池中的PV材料的上层。
26.如权利要求23所述的太阳能阵列，其中该吸收增强结构包括每一个具有三角形横截面形状的多个延长且平行的构件，该构件每一个的侧面以小于约60度的角度向内成角，该构件每一个具有宽度小于约15密耳的底部和小于约11密耳的高度，其中该构件的第一组具有小于约8密耳的高度，并且该构件的第二组具有大于约8密耳的高度，该第一组和该第二组构件在该基板上以锯齿图案混合。
27.如权利要求23所述的太阳能阵列，其中从自该光接收表面延伸的垂直平面测量，在包括-40至+40度范围的入射角范围上对于该基本路径长度的路径长度比率平均大于约1.5。
28.一种太阳能电池组件，用于更为有效地捕获太阳能，包括：
太阳能电池，包括光接收表面，其中在预定入射角范围上反射该光接收表面上入射的光的一小部分；以及
基本透明材料的光伏(PV)增强膜，覆盖该光接收表面的至少一部分，该PV增强膜包括位于该光接收表面附近的基板并且包括该基板上的多个全内部反射(TIR)元件，其中该TIR元件将反射光的至少一部分定向为撞击该太阳能电池的该光接收表面。
29.如权利要求28所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件将该光接收表面上入射的光透射到该太阳能电池，并且当反射光撞击该TIR元件的至少一个的一个或更多个侧面时采用TIR定向该反射光的一部分。
30.如权利要求28所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件的每一个包括延长主体，该延长主体包括向内成角的至少两个侧面。
31.如权利要求30所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件的每一个具有沿着垂直通过纵向轴的平面剖取时的三角形横截面，并且其中该侧面以小于约60度的角度向内成角。
32.如权利要求31所述的太阳能电池组件，其中从该基板到该TIR元件的该三角形横截面的顶点测量，该TIR元件中的相邻TIR元件具有不同的高度。
33.如权利要求30所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件的每一个包括三个互连的侧面，其中两个侧面以小于约60度的角度向内成角，并且上部平面侧面设置在两个成角侧面之间，且基本上平行于该光接收表面。
34.如权利要求28所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件的每一个包括具有半圆横截面的延长主体。
35.如权利要求28所述的太阳能电池组件，其中该PV增强膜包括与限定该TIR元件的基板间隔的光接收和捕捉表面，该光接收和捕捉表面在该PV增强膜的边缘上看时为正弦曲线。
36.如权利要求28所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件的每一个具有半球形状的主体，其底部支撑在该基板上。
37.如权利要求28所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件的每一个具有棱锥或截头圆锥形状的主体，其底部支撑在该基板上。
38.如权利要求28所述的太阳能电池组件，其中该TIR元件的每一个具有大小小于约10密耳的底部和高度。
39.一种光伏设备，包括：
一层光伏材料，具有光接收表面；以及
多个全内部反射(TIR)元件，设置为相邻于该光接收表面，其中该TIR元件的每一个包括由基本透明材料形成的主体，该主体成型为将该主体的外表面上入射的光透射为朝向该光接收表面，并且将从该光接收表面反射的光的至少一部分定向为朝向该光接收表面返回。
40.如权利要求39所述的设备，还包括基本透明材料的片，其设置有靠近该光接收表面的第一平面侧和支撑该TIR元件的第二平面侧。
41.如权利要求39所述的设备，其中该TIR元件的该主体以三角形横截面形状延长，并且具有限定光接收和捕捉表面的两个侧面，其采用TIR以将该部分反射光定向为返回到该光接收表面。
42.如权利要求39所述的设备，其中该TIR元件的每一个的该主体为具有至少三个小面的棱锥形状、半球形状或截头圆锥形状。
43.如权利要求39所述的设备，其中该TIR元件的每一个具有小于约10密耳的底部宽度和高度。
44.如权利要求39所述的设备，其中以小于约42度的角度撞击该TIR元件之一的表面的从该光接收表面反射的基本上全部的光反射为定向返回到该光接收表面的部分的一部分。
45.如权利要求39所述的设备，其中该TIR元件包括多个延长的并排构件，并且其中该构件中的相邻构件的该主体在尺寸或形状至少之一上不同。
46.一种太阳能阵列，包括：
多个太阳能电池，排列在具有光接收表面的平面面板中；以及
光伏(PV)增强膜，包括基板，具有靠近该光接收表面的平面第一表面和包括多个光捕捉结构的第二表面，该PV增强膜由基本透明材料形成，其中该光捕捉结构的每一个包括至少一个小面，该至少一个小面接收入射光、将该入射光定向为朝向该太阳能电池之一的该光接收表面，以及反射从该光接收表面反射的光的一部分。
47.如权利要求46所述的太阳能阵列，其中该光捕捉结构包括延长构件，该延长构件具有至少两个小面用于接收和定向该入射光并且用于反射该反射光的一部分，该反射采用全内部反射(TIR)实现。
48.如权利要求46所述的太阳能阵列，其中该光捕捉结构包括多个半球形状主体，其具有小于约1英寸的底部宽度和小于约0.25英寸的高度。
49.如权利要求46所述的太阳能阵列，其中该光捕捉结构包括每一个具有三角形横截面形状的多个延长且平行的构件，该构件每一个的侧面以小于约60度的角度向内成角。
50.一种优化光伏(PV)增强膜的吸收增强结构构造的计算机执行方法，该PV增强膜用于PV装置以改善该PV装置捕获太阳能的效率，该方法包括：
通过计算机系统的一个或更多个处理器运行的优化模块，接收限定PV增强膜的优化运行输入，该PV增强膜包括具有不同构造的一组吸收增强结构；
模拟包括一层PV材料的PV装置；
通过该计算机系统的一个或更多个处理器运行的射线跟踪引擎，在该PV装置的入射角范围上执行第一射线跟踪；
根据该第一射线跟踪确定该PV材料层中的一组基本路径长度；
利用该射线跟踪引擎，为修改为包括该PV增强膜的该PV装置在入射角范围上执行第二射线跟踪，该PV增强膜包括多个根据该构造之一的该吸收增强结构之一；
根据该第二射线跟踪确定该PV材料层中的一组增强路径长度；以及
利用该优化模块，通过比较增强路径长度与该基本路径长度确定一组路径长度比率。
51.如权利要求50所述的方法，还包括：比较该路径长度比率与存储的一组路径长度比率，并且根据该比较而存储该吸收增强结构之一的设计参数作为该PV增强膜的优化结构参数。
52.如权利要求51所述的方法，还包括：确定是否存在附加构造要处理，并且当确定存在附加构造时，重复采用该附加构造的该吸收增强结构执行该第二射线跟踪、确定该组增强路径长度、确定该组路径长度比率、比较以及存储。
53.如权利要求51所述的方法，还包括：将该优化结构参数和限定该PV增强膜的该优化运行输入的一部分输出到膜制造装置的存储器，并且操作该膜制造装置以生产用于PV装置的多个PV增强膜。
54.如权利要求51所述的方法，还包括：确定与该路径长度比率中的较低路径长度比率相关的入射角范围的子集，并且重复在该入射角范围的该子集上执行该第二射线跟踪、确定该组增强路径长度、确定该组路径长度比率、比较以建立第二组优化结构参数以及存储，直到没有附加构造要处理。
55.如权利要求54所述的方法，还包括：限定一组吸收增强结构，其包括由该优化结构参数限定的一组第一结构和由该第二组优化结构参数限定的一组第二结构，并且在存储器中存储用于PV增强膜的优化设计，该PV增强膜包括该第一和第二结构的混合图案。
56.如权利要求50所述的方法，其中从通过该PV材料的光接收表面的垂直平面测量，该入射角范围是从-80度至+80度的范围选择的角度范围。
57.如权利要求56所述的方法，其中从通过该PV材料的光接收表面的垂直平面测量，该入射角范围是从-20度至+20度的范围选择的角度范围。
58.如权利要求56所述的方法，其中该吸收增强结构构造为使确定的平均路径长度比率在该入射角范围上在该层PV材料中大于约1.20。
59.如权利要求58所述的方法，其中该吸收增强结构构造为使该平均路径长度比率在该入射角范围上在该层PV材料中大于约1.50。
60.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个具有棱锥或截头圆锥形状的主体，其底部支撑在该基板上。
61.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个具有大小小于约10密耳的底部和高度。
62.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个包括延长主体，该延长主体沿着该基板的长度延伸并且具有向内成角的至少两个侧面。
63.如权利要求50所述的方法，其中该不同构造为该吸收增强结构的每一个限定横截面形状和尺寸，并且其中该优化运行输入还包括用于该PV增强膜的折射率。
64.如权利要求63所述的方法，其中模拟的PV装置包括具有相关折射率和厚度的玻璃盖层以用于执行该第一射线跟踪和该第二射线跟踪，并且其中该优化运行输入包括该玻璃盖层和该PV增强膜之间的粘合剂层的厚度和该粘合剂层的折射率以用于执行该第一射线跟踪和该第二射线跟踪。
65.一种用于制造光伏(PV)增强膜的计算机系统，用于提高PV装置的一层PV材料中的路径长度，该系统包括：
处理器，用于运行由计算机编码限定的程序；
存储器，存储限定多个吸收增强结构的一组优化输入参数和限定包括该层PV材料的该PV装置的参数；
射线跟踪模块，由该处理器运行，以为该PV装置执行射线跟踪从而为多个入射角上的光限定通过该层PV材料的基本路径长度，并且为该PV装置执行分离的射线跟踪，该PV装置包括具有该吸收增强结构的每一个的PV增强膜，从而对于该多个入射角为该吸收增强结构的每一个限定通过该PV材料的路径长度；
路径长度比率确定模块，由该处理器运行，以通过比较与该吸收增强结构的每一个相关的路径长度和该基本路径长度而确定平均路径长度比率；以及
优化模块，由该处理器运行，对于该入射角范围根据确定的平均路径长度比率选择吸收增强结构之一，并且为该PV增强膜和该PV装置存储与所选择的吸收增强结构相关的该优化输入参数作为优化结构参数。
66.一种用于优化PV增强膜的计算机系统，该PV增强膜用于PV装置，该系统包括：
优化运行输入部件，提供限定PV增强膜的优化运行输入，包括为多个不同吸收增强结构限定参数；
射线跟踪引擎，在入射角范围上为该PV装置执行第一射线跟踪，根据该第一射线跟踪确定该PV材料层中的一组基本路径长度，根据一组限定参数在该入射角范围上为修改为包括具有多个该吸收增强结构的该PV增强膜的该PV装置执行第二射线跟踪，以及根据该第二射线跟踪确定该PV材料层中的一组增强路径长度；以及
结构优化部件，通过比较该增强路径长度与该基本路径长度来确定一组路径长度比率并且比较该路径长度比率与存储的一组路径长度比率，以及根据该比较而存储用于该吸收增强结构之一的设计参数作为该PV增强膜的优化结构参数。
67.如权利要求66所述的系统，其中该结构优化部件还确定是否存在附加一组限定参数要处理，并且当确定存在附加一组限定参数时，重复采用该附加一组限定参数的该吸收增强结构执行该第二射线跟踪，确定该组增强路径长度，确定该组路径长度比率，比较以及存储。
68.如权利要求66所述的系统，其中该结构优化部件还确认与该路径长度比率中的较低路径长度比率相关的入射角范围的子集，并且重复在该入射角范围的子集上执行该第二射线跟踪，确定该组增强路径长度，确定该组路径长度比率，比较以建立第二组优化结构参数并且存储，直到没有附加构造要处理。
69.如权利要求68所述的系统，还包括限定一组吸收增强结构，其包括由该优化结构参数限定的一组第一结构和由该第二组优化结构参数限定的一组第二结构，并且在存储器中存储用于PV增强膜的优化设计，该PV增强膜包括该第一结构和该第二结构的混合图案。
70.一种制造光伏(PV)增强膜的方法，包括：
提供包括压花辊的挤压装置，该压花辊的表面雕刻有对应于多个吸收增强结构的轮廓图案；
在挤压温度将基本透明材料的网片供给到该挤压装置；以及
滚动该压花辊压向该网片的第一侧以形成该多个吸收增强结构，其中该吸收增强结构的每一个包括光接收表面，该光接收表面将通过该网片的第二侧朝向该第一侧的光的至少一部分定向为朝向该第二侧返回。
71.如权利要求50所述的方法，其中该光接收表面折射撞击该第一侧的入射光，以在该压花网片施加在一层PV材料之上时在入射角范围上提供大于约1.10的平均路径长度比率。
72.如权利要求51所述的方法，其中该平均路径长度比率被确定为该入射角范围内确定的多个路径长度比率的平均值，并且该路径长度比率的每一个是在通过该PV增强膜后传播通过该PV材料的折射入射光的路径长度与没有该PV增强膜的情况下传播通过该PV材料的该入射光的路径长度相比。
73.如权利要求52所述的方法，其中该多个路径长度比率根据该入射角范围内的多个角度上执行的射线跟踪确定。
74.如权利要求53所述的方法，其中从通过该PV材料的光接收表面的垂直平面测量，该入射角范围是从-80度至+80度的范围选择的角度范围。
75.如权利要求53所述的方法，其中从通过该PV材料的光接收表面的垂直平面测量，该入射角范围是从-20度至+20度的范围选择的角度范围。
76.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个包括延长主体，该延长主体包括向内成角的至少两个侧面。
77.如权利要求76所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个具有沿着垂直通过纵轴的平面剖取时的三角形横截面，并且其中该侧面以小于约60度的角度向内成角。
78.如权利要求76所述的方法，其中从该第二侧到该吸收增强结构的该三角形横截面的顶点测量，该吸收增强结构中的相邻吸收增强结构具有不同的高度。
79.如权利要求76所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个包括三个互连侧面，其中两个侧面以小于约60度的角度向内成角，并且上平面侧面设置在该两个成角侧面之间，且基本上平行于该光接收表面。
80.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个包括具有半圆横截面的延长主体。
81.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个具有半球形状的主体，其底部支撑在该基板上。
82.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个具有棱锥或截头圆锥形状的主体，其底部支撑在该基板上。
83.如权利要求50所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个具有大小小于约10密耳的底部和高度。
84.如权利要求50所述的方法，还包括：冷却该压花的网片，将粘合剂施加到该第二侧，并且将该压花的网片切割成每个具有预定长度和宽度的多个PV增强膜。
85.如权利要求50所述的方法，其中该网片的材料包括聚碳酸酯或丙烯酸树脂，其中该压花的网片具有小于约30密耳的厚度，其中该挤压温度为至少约300°F，并且其中该压花辊冷却到低于环境的温度。
86.一种制造光伏设备的方法，该光伏设备具有增强的能量吸收，该方法包括：
提供一层光伏(PV)材料，设置在基本透明材料的保护层下，其中在入射角范围上撞击该保护层的入射光具有通过该PV材料的第一平均路径长度；
制造PV增强膜，包括通过一组辊挤压塑料网片，该组辊包括冷压花辊，以在该塑料网片的第一侧上形成多个吸收增强结构；
将一层粘合剂施加到该塑料网片的第二侧；以及
通过该粘合剂层将该塑料网片贴附到该保护层上而与该PV材料相对，
其中该吸收增强结构的每一个包括主体，该主体成型为以与撞击该保护层的该入射光不同的角度将该主体的外表面上入射的光透射为朝向该PV材料，并且采用全内部反射(TIR)将从该PV材料反射的光的至少一部分定向为朝向该PV材料返回，其中在该入射角范围上在该主体上入射的光具有第二平均路径长度，该第二平均路径长度至少大于该第一平均光路径长度约10％。
87.如权利要求86所述的方法，其中该保护层包括玻璃，并且该PV材料包括硅基薄膜PV装置。
88.如权利要求86所述的方法，其中该吸收增强结构的该主体以三角形横截面形状延长，并且具有限定光接收和捕捉表面的两个侧面，该光接收和捕捉表面采用TIR以将该部分反射光定向为返回到该光接收表面并且采用折射以提供该不同角度，并且其中该第二平均路径长度与该第一平均路径长度的平均路径长度比率大于约1.2。
89.如权利要求86所述的方法，其中该吸收增强结构的每一个的该主体为具有至少三个小面的棱锥形状、半球形状或截头圆锥形状。
90.如权利要求86所述的方法，其中该主体的每一个具有小于约10密耳的底部宽度和高度。
91.如权利要求86所述的方法，其中该吸收增强结构包括多个延长的并排构件，其中该构件中的相邻构件的该主体在尺寸或形状至少之一上不同，并且其中该第二平均路径长度与该第一平均路径长度的平均路径长度比率大于约1.5。
92.如权利要求86所述的方法，其中该吸收增强结构还包括至少三个不同的主体构造，在该至少三个不同的主体构造中该构件的该主体在尺寸或形状的至少之一上不同。
93.如权利要求86所述的方法，其中该吸收增强结构适合于偏转或反射波长大于预定长度的该入射光的一部分，从而具有降低PV性能的波长的光改向为远离该PV材料。
94.一种形成光伏(PV)增强膜的方法，该PV增强膜用于具有光接收表面的太阳能装置内，该方法包括：
在环境温度以上的挤压温度提供一定体积的基本透明材料；以及
采用表面雕刻有图案的冷压花辊，在该基本透明材料片的光接收表面上形成多个吸收增强结构，其中该吸收增强结构的每一个包括用于接收该光接收表面上的入射光的至少一个小面，该至少一个小面用于在设置在该太阳能装置附近时将该入射光定向为朝向该太阳能装置的该光接收表面，从而该太阳能装置的PV材料中的路径长度大于没有该PV增强膜的情况下确定的基本路径长度，并且该至少一个小面用于反射从该太阳能装置的该光接收表面反射的光的一部分。
95.如权利要求94所述的方法，其中该吸收增强结构包括延长构件，该延长构件具有至少两个小面用于接收和定向该入射光以及用于反射该反射光的一部分，该反射采用全内部反射(TIR)实现，并且其中从自该太阳能装置的该光接收表面延伸的垂直平面测量，在包括-20至+20度范围的入射角范围上该基本路径长度上的路径长度比率平均大于约1.2。
96.如权利要求94所述的方法，其中该吸收增强结构包括每一个具有三角形横截面形状的多个延长且平行的构件，该构件的每一个的侧面以小于约60度的角度向内成角，该构件的每一个具有宽度小于约15密耳且高度小于约11密耳的底部，其中该构件的第一组具有小于约8密耳的高度，并且该构件的第二组具有大于约8密耳的高度，该第一组和该第二组构件在该基板上以锯齿图案混合。
97.如权利要求94所述的方法，其中从自该光接收表面延伸的垂直平面测量，在包括-40至+40度范围的入射角范围上对于该基本路径长度的路径长度比率平均大于约1.5。
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