CN103378206A - 反射式聚光型太阳能电池模组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反射式聚光型太阳能电池模组，所述太阳能电池模组包含一反射式聚光镜、一红外光阻隔元件及一太阳能电池芯片。本发明所提供的反射式聚光型太阳能电池模组，可有效降低红外光波长能量所产生的热能，以消除聚光型太阳能电池模组温度过高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池模组，特别涉及一种反射式聚光型太阳能电池模组。
背景技术
太阳能作为新能源来源的转换器，具有结构简单、不会产生再生污染等优点，是一种干净能源，因而被广泛地进行研发、利用。其中，聚光型太阳能电池(Concentrating photovoltaic, CPV)主要利用透镜将太阳光聚集在狭小的面积上，以提高发电效率。然而在高倍率聚光条件下，太阳能电池模组的温度会随着聚光倍率越高而快速上升，导致电池内部暗电流大量上升而降低电池转换效率。
参照第7851693号美国专利“被动冷却式聚光型太阳能装置，Passively cooled solar concentrating photovoltaic device”，该专利揭示的聚光型太阳能装置100如图1所示，其包含一光学元件110、一光伏电池120、一主要反射式聚光镜130、一次要反射式聚光镜140及一散热元件150。当太阳光入射时，会先经由主要反射式聚光镜130反射至次要反射式聚光镜140，再经由次要反射式聚光镜140反射至光伏电池120上。其中，当入射光照射至主要反射式聚光镜130时，与主要反射式聚光镜130连接的散热元件150即可将热量导出。然而，多次反射及反射面的不均匀皆可能会造成入射光能量的损失，因而降低太阳能电池的发电效率。
需注意的是，太阳光的能量中约有51%为红外光(Inferred Radiation)、47%为可见光(Visible Light)，另有2%为紫外光(Ultraviolet Radiation)。当使用聚光型太阳能电池进行电能转换时，由于材料本身的能隙(energy bandgap)对光谱吸收能力的限制，并无法百分百将光能转换成电能输出，因此进入太阳能电池内多余的红外光(>1100nm)容易形成热能囤积在电池中，造成元件温度的上升，导致电池内部暗电流大量上升而降低电池转换效率。因此，如何降低进入太阳能电池的多余的红外光是亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种反射式聚光型太阳能电池模组，其通过一简单、迅速的方法制作一红外光阻隔元件，应用于该聚光型太阳能电池模组中，以有效消除聚光型太阳能电池模组温度过高的问题。
为达到上述目的，本发明提供一种反射式聚光型太阳能电池模组，所述反射式聚光型太阳能电池模组包含：
一反射式聚光镜，其通过反射太阳光以形成一聚光区；
一太阳能电池芯片，其设置于所述反射式聚光镜形成的聚光区，所述太阳能电池芯片的一受光面朝向所述反射式聚光镜；以及
一红外光阻隔元件，其配置于所述反射式聚光镜、聚光区与太阳能电池芯片的上方，接近所述太阳能电池芯片相对于受光面的另一面，并作为阻隔红外光能量的元件，所述红外光阻隔元件在400nm至750nm的光穿透率介于60%~90%之间，且在1100nm至1500nm的光穿透率介于10%~50%之间。
作为优选方案，其中所述太阳能电池芯片选自单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅薄膜太阳能电池、三五族化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池、碲化镉太阳能电池，铜铟钾硒太阳能电池或染料敏化太阳能电池。
作为优选方案，其中所述太阳能电池芯片选自硅薄膜太阳能电池或染料敏化太阳能电池。
作为优选方案，其中所述红外光阻隔元件由一红外光吸收层涂布于一透明基板上所形成，且所述透明基板的材质选自玻璃或塑料。
作为优选方案，其中所述红外光吸收层的材料为一金属氧化物，且金属选自锑、钨、钒、铁、铬、钼、铌、钴、镍、锡或其混合物。
作为优选方案，其中所述红外光阻隔元件为一直接一体成型的红外光吸收玻璃。
作为优选方案，其中所述反射式聚光镜的聚光倍率介于500倍到900倍之间。
作为优选方案，其中所述反射式聚光镜的一弧凹状反光面由高反射率的反光材料布设而成。
作为优选方案，其中所述太阳能电池芯片直接粘着于红外光阻隔元件上。
本发明所提供的反射式聚光型太阳能电池模组具有以下功效：
1. 由于红外光波段(>1100nm)可由该红外光阻隔元件吸收，而短波长部分(<1100nm)则由太阳能电池材料吸收，因此可有效降低整体太阳能电池产生的热量约80%；
2. 本发明直接有效降低入射光所产生的热量，因此不需额外复杂的散热结构；
3. 该红外光阻隔元件相较于一般的散热方法与结构，其制作方法简单，成本低廉，可使用浸镀、旋涂、喷涂或网印方式将吸收红外线涂料涂布于玻璃上，使之达到红外光吸收效果；
4. 由于此太阳能模组的制作成本低廉，因此不仅可应用于三五族高效率太阳电池上，亦可有效的应用于单晶硅、多晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池或染料敏化太阳能电池上。
附图说明
图1为现有技术的反射式聚光型太阳能装置示意图；
图2为本发明第一实施例的反射式聚光型太阳能电池模组的结构示意图；
图3为本发明红外光阻隔元件的光穿透率示意图；
图4为本发明第二实施例的反射式聚光型太阳能电池模组的结构示意图。
【主要元件符号说明】
聚光型太阳能装置-100；光学元件-110；光伏电池-120；主要反射式聚光镜-130；次要反射式聚光镜-140；散热元件-150；
反射式聚光型太阳能电池模组-200；反射式聚光镜-210；红外光阻隔元件-220；太阳能电池芯片-230；聚光区-240；壳体-250；腔室-260；
反射式聚光型太阳能电池模组-300；二次反射式聚光镜-310；管件-320；反光通道-330。
具体实施方式
虽然本发明可表现为不同形式的实施例，但附图所示及下文说明仅为本发明的较佳实施例，并非用以将本发明限制于附图及/或所描述的特定实施例中。
本发明揭示了一种反射式聚光型太阳能电池模组200。请参照图2，其显示为本发明第一实施例的反射式聚光型太阳能电池模组200的结构示意图，其包含：反射式聚光镜210、一红外光阻隔元件220以及一太阳能电池芯片230。
所述反射式聚光镜210，通过反射太阳光以形成一聚光区。所述太阳能电池芯片230，设置于反射式聚光镜210所形成的聚光区，且太阳能电池芯片230的一受光面朝向反射式聚光镜210。
所述红外光阻隔元件220，配置于反射式聚光镜210、聚光区与太阳能电池芯片230的上方，接近所述太阳能电池芯片230相对于受光面的另一面，并作为阻隔红外光能量的元件。所述红外光阻隔元件220可利用多种涂布方式将红外光吸收层涂布于一透明基板上。其中所述透明基板的材质选自玻璃或塑料。在本发明的一实施例中，所述红外光阻隔元件220由在加热的透明基板上涂布一红外光吸收层的涂料而制成，所述红外光吸收层的材料为一金属氧化物，金属选自锑、钨、钒、铁、铬、钼、铌、钴、镍、锡或其混合物。此一组合可有效控制太阳光谱的辐射热部分，使得经这些膜涂覆的透明基板将具有大为加强的性质。且所述太阳能电池芯片直接粘着于红外光阻隔元件上。
在本发明的另一实施例中，红外光阻隔元件220利用一溶胶-凝胶法制备并披覆于透明基板上。举例来说，所述溶胶-凝胶法包含下列步骤：
(1)以化学合成的方式将一有机金属化合物与一碳氢化合物送入一反应系统中，所述反应系统的温度在25℃至100℃之间；
(2)形成一溶胶，所述溶胶由所述有机金属化合物与碳氢化合物化合而成；
(3)将一透明基板浸镀于所述溶胶中，形成一第一金属氧化物涂层；
(4)以一第一温度加热所述第一金属氧化物涂层。
在本发明的另一实施例中，红外光阻隔元件220以直接一体成型为一红外光吸收玻璃。作为红外光吸收元件220的材料，主要由五氧化二磷(P2O5)、碱土金属氧化物（以RO表示）、碱金属氧化物（以R2O表示）、玻璃改质氧化物及光能控制添加剂等成分所组成。
碱土金属氧化物如氧化钙(CaO)、氧化钡(BaO)、氧化镁(MgO)、氧化锶(SrO)，碱金属氧化物如氧化钠(Na2O)、氧化锂(Li2O)、氧化钾(K2O)，玻璃改质氧化物为氧化锌(ZnO)、氧化铅(PbO)或氧化铝(Al2O3)、或同时含有氧化锌、氧化铅及氧化铝，光能控制添加剂为氧化铜(CuO)、氧化铁(Fe2O3)、氧化锰(MnO2)或氧化锡(SnO)、或同时含有氧化铜(CuO)、氧化铁(Fe2O3)、氧化锰(MnO2)或氧化锡(SnO)。而各组成成分的摩尔百分率如下：五氧化二磷(P2O5) 40~65%；氧化锌(ZnO) 0~20%；氧化铅(PbO) 0~28%；碱金属氧化物(R2O) 0~20%；碱土金属氧化物(RO) 0.5~10%；氧化铝(Al2O3) 0.5~5%；氧化铜(CuO) 0~5%；氧化铁(Fe2O3) 0~10%；氧化锡(SnO) 0.5~8%；氧化锰(MnO2) 0~2%。制作时，先将原料调配与混合，再将混合均匀的粉末装填于氧化铝或白金坩埚中，置入炉中以1000~1200℃的温度（视玻璃组成而定）恒温持温1~5小时，以使各成份完全熔融并达均质化。然后将熔融的玻璃液倾倒于金属模中成型，经退火后再抛光而得。
其中，氧化锌与氧化铅同时添加可有效地提高玻璃的化学耐久性。氧化铅可降低玻璃的熔制温度及玻璃的转移温度。氧化铝可有效地提高玻璃的化学耐久性，提高玻璃的转移温度，降低玻璃的热膨胀系数，但也会使玻璃的熔制温度升高。此外，玻璃中碱金属氧化物也可降低玻璃的熔制温度，但会使玻璃的化学耐久性变差。需添加氧化铝或以部分碱土金属氧化物取代以改善。氧化铜的加入对于>650 nm的近红外光有很好的吸收效果，对于厚度为2mm的玻璃，1~2 mol%的氧化铜可使玻璃在780 nm的光穿透率降低至5~20 %，氧化铜含量愈高则红外光的吸收效果愈好，但也使玻璃可见光的穿透率下降。氧化锰的加入可提高含铜红外光吸收玻璃的可见光穿透率，并使紫外光吸收的波长往长波长方向迁移，对紫外光提供较佳的吸收效果。但过量氧化锰(>0.3 mol%)的添加反而会使可见光穿透率下降。氧化铁(Fe2O3)的加入，有提高玻璃的化学耐久性及吸收紫外光的效果，但对于红外光的吸收并不明显，过量氧化铁(>5 mol%)的添加会使可见光穿透率急速下降。在同时含有氧化铁及氧化铜两种光能控制添加剂的玻璃，包括氧化铁将扮演吸收紫外光的角色，而氧化铜则扮演吸收红外光的角色。在仅含有氧化铁一种光能控制添加剂的玻璃，需添加氧化锡(SnO)以调控玻璃中铁离子的价数，使部分Fe3＋转变成Fe2＋以使玻璃能吸收红外光。氧化锡含量不足的玻璃因Fe2＋的量少，对于吸收红外光的效果不佳。
光与物质的作用包含了穿透、吸收与反射。现请参照图4，其显示一种实施例下，红外光阻隔元件240的光穿透率。通过调整红外光吸收元件220的材料，红外光吸收元件220在400nm至750nm的光穿透率介于60%~90%之间，且在1100nm至1500nm的光穿透率介于10%~50%之间。红外光吸收元件220在1100nm至1500nm的光吸收率介于50%~90%之间。
已知的聚光型太阳能电池的种类皆使用三五族化合物太阳能电池，并可通过使用透镜将光聚集到狭小的面积上来提高发电效率，因此尚有额外的容置空间可用以配置其它种类的太阳能电池，以提高发电量。而本发明的太阳能电池芯片230选自单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅薄膜太阳能电池、三五族化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池、碲化镉(CdTe)太阳能电池、铜铟钾硒(CIGS)太阳能电池或染料敏化太阳能电池。太阳能电池芯片230亦可为单颗封装表面粘着型(SMT)太阳能芯片直接装设于电路板上，或是可将其裸芯片直接粘着、封装于电路板上利用直接封装方式(Chip on Board，COB)结合成为一体，也可采用覆晶式(Flip-Chip)封装方式成型来增加有效的收光面积。
在本发明的较佳实施例中，太阳能电池芯片230选自非晶硅薄膜太阳能电池，其能隙约为1.8eV，可吸收700nm以下的太阳光，而本发明所使用的红外光阻隔元件220对于700nm的太阳光仍有70%以上的穿透率(请参照图3)，因此可以有效地减少80%以上的热量产生。且该反射式聚光镜的聚光倍率介于500倍到900倍之间。
在本发明的另一较佳实施例中，太阳能电池芯片230选自染料敏化太阳能电池，由于该太阳能电池若使用透明相对电极时，其为可两面透光的太阳能电池。因此，当染料敏化太阳能电池配置于红外光阻隔元件220的下方时，工作电极面可吸收来自反射式聚光镜210聚焦的太阳光，而另一方面，太阳光又可穿透透明相对电极而激发工作电极上的染料产生电子，如此一来即可增加太阳入射光的能量。且该反射式聚光镜的聚光倍率介于300倍到600倍之间。
请参照图4，其显示为本发明第二实施例的反射式聚光型太阳能电池模组300结构示意图。本实施例的反射式聚光型太阳能电池模组300结构主要包含：一反射式聚光镜210，能够反射太阳光至该反射式聚光镜近侧聚焦，而形成一聚光区240；一红外光阻隔元件220，配置于反射式聚光镜210及聚光区240上方；一二次反射式聚光镜310，配置于红外光阻隔元件220下方，一太阳能电池芯片230，配置于聚光区240内，且太阳能电池芯片230的一受光面朝向二次反射式聚光镜310反射至聚光区的太阳光；一管件320，座落于聚光区240内，并邻近于太阳能电池芯片230，且管件320双端分别形成一位于反射式聚光镜210反射太阳光的聚焦位置的宽管口，及一位于该受光面的相对端的窄管口；及一反光通道330，形成于该宽管口及该窄管口之间，且反光通道330自该宽管口朝该窄管口方向逐渐缩口，反光通道330并具有一可供太阳光在反光通道330内进行多次反射的特定长度，该特定长度依据其所反射的太阳光的波长加以设定。
通过上述结构，经由反射式聚光镜210及二次反射式聚光镜310反射至聚光区240内的多道太阳光线，能够聚焦于管件320的宽管口，进而透入反光通道330内，致使所述太阳光线在反光通道330内进行多次反射，且所述太阳光线的反射次数受到反光通道330的逐渐缩口的内壁影响，而朝该窄管口方向逐渐增多。因此能够反射所述太阳光经由该窄管口均匀照射该受光面，驱使太阳能电池芯片230发电；据此，克服了第一实施例中，由于多道太阳光线之间强、弱上的差异，而导致太阳能电池表面接受太阳光照射强度不均匀的问题，以确保太阳能电池芯片230的正常发电效率。
本发明的第一实施例与第二实施例的反射式聚光型太阳能电池模组，还包含一壳体250，用以支撑上述太阳能电池模组结构。壳体250与反射式聚光镜210形成一腔室260。反射式聚光镜210配置于腔室260上方，能够反射外界太阳光至反射式聚光镜210近侧的腔室260内聚焦，而在腔室260内形成一聚光区；反射式聚光镜210在本实施上可呈弧凹状，且反射式聚光镜210中央以弧凹形态向下方伸入腔室260内，而在反射式聚光镜210顶部形成一朝向上方的弧凹状反光面，并间隔腔室260形成聚光区240，致使聚光区240位于红外光阻隔元件220与弧凹状反光面之间，且反射式聚光镜210是经由弧凹状反光面反射外界太阳光进入聚光区240内聚焦。该弧凹状反光面由高反射率的反光材料布设而成，该反光材料可为铝或银等。
本发明以一简单、迅速的方法制作出于红外光区有低穿透率的红外光阻隔元件，利用该红外光阻隔元件可制作一具有红外光阻隔元件的反射式聚光型太阳能电池模组，可有效降低红外光辐射所产生的热能，以降低该聚光型太阳能电池模组的发热量。
综上所述，本发明的聚光型太阳能电池模组具有下列的功效：
1. 由于红外光波段(>1100nm)可由该红外光阻隔元件吸收，而短波长部分(<1100nm)则由太阳能电池材料吸收，因此可有效降低整体太阳能电池产生的热量约80%；
2. 本发明直接有效降低入射光所产生的热量，因此不需额外复杂的散热结构；
3. 该红外光阻隔元件相较于一般的散热方法与结构，其制作方法简单，成本低廉，可使用浸镀、旋涂、喷涂或网印方式将吸收红外线涂料涂布于玻璃上，使之达到红外光吸收效果；
4. 由于此太阳能模组的制作成本低廉，因此不仅可应用于三五族高效率太阳电池上，亦可有效地应用于单晶硅、多晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池或染料敏化太阳能电池上。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的专利范围。故举凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效修改或变化等，皆应同理属于本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述反射式聚光型太阳能电池模组包含：
一反射式聚光镜，其通过反射太阳光以形成一聚光区；
一太阳能电池芯片，其设置于所述反射式聚光镜形成的聚光区，所述太阳能电池芯片的一受光面朝向所述反射式聚光镜；以及
一红外光阻隔元件，其配置于所述反射式聚光镜、聚光区与太阳能电池芯片的上方，接近所述太阳能电池芯片相对于受光面的另一面，并作为阻隔红外光能量的元件，所述红外光阻隔元件在400nm至750nm的光穿透率介于60%~90%之间，且在1100nm至1500nm的光穿透率介于10%~50%之间。
2.如权利要求1所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述太阳能电池芯片选自单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅薄膜太阳能电池、三五族化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池、碲化镉太阳能电池，铜铟钾硒太阳能电池或染料敏化太阳能电池。
3.如权利要求1所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述太阳能电池芯片选自硅薄膜太阳能电池或染料敏化太阳能电池。
4.如权利要求1所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述红外光阻隔元件由一红外光吸收层涂布于一透明基板上所形成，且所述透明基板的材质选自玻璃或塑料。
5.如权利要求4所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述红外光吸收层的材料为一金属氧化物，且金属选自锑、钨、钒、铁、铬、钼、铌、钴、镍、锡或其混合物。
6.如权利要求1所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述红外光阻隔元件为一直接一体成型的红外光吸收玻璃。
7.如权利要求1所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述反射式聚光镜的聚光倍率介于500倍到900倍之间。
8.如权利要求1所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述反射式聚光镜的一弧凹状反光面由高反射率的反光材料布设而成。
9.如权利要求1所述的反射式聚光型太阳能电池模组，其特征在于，所述太阳能电池芯片直接粘着于红外光阻隔元件上。
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