CN106470568B - 包括太阳能电池的装饰复合体 - Google Patents

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Abstract

此处公开了一种装饰元件，包括：透明的宝石(1)，其具有包括凸出区域的刻面表面；波长选择层(3、4)；胶粘剂(5)；以及光伏电池(2)。

Description

包括太阳能电池的装饰复合体
技术领域
本发明涉及一种装饰元件，其包含有包括凸出的曲面区域的刻面透明体、波长选择层、以及光电池。包括在可穿戴电子产品的领域中，所述装饰元件适用于供应能量。
背景技术
至今，刻面宝石在饰物和纺织品上已经几乎是完全地被用于纯粹的审美目的，但是几乎不会有其他的功能性效果。在可穿戴电子产品(所谓的“可穿戴技术”)的领域，一个具有巨大增长机会的市场中，它们却缺席了，因为这个领域会被使用者与功能性而非装饰品联系起来。可穿戴技术，例如人体传感器、“智能手表”或数据眼镜的领域中的一个最大的挑战是能量供应，能量供应的突然失效会导致这些装置经常在意料不到的时刻失效。
根据专利申请US2013/0329402，通过用于装饰元件的内置式太阳能电池进行能量供应是已知的。
根据专利文件US4173229，太阳能电池也已经被应用在手镯和项链中，以便将具有治疗效果的电流通过首饰佩戴者的身体进行传导。
德国实用新型DE20303592U1建议了太阳能电池在用于保护首饰安全的“报警锁”中的应用。
EP2458457A1(Casio)涉及一种手表，在其中透明部件(2)、装饰板(7)、以及太阳能电池板(5)从金属壳体(1a)的开口的一个侧边被依照上述顺序设置在金属壳体(1a)中，其中所述装饰板具有透光性并且具有由所述太阳能电池板的侧面上的凹凸表面部分形成的光线折射部(70)，同时具有透光性和反光性的半透射反射板(6)被设置在所述装饰板和所述太阳能电池板之间，其中所述半透射反射板具有不含金属的气相沉积薄膜(61)。其横截面图显示出所述手表具有位于其正面上的透光板，所述透光板从其两侧被研磨成平面状，并且不具有刻出的小平面。其次是装饰板，其具有在其底部被粘接到所述太阳能电池板的凹凸表面结构。所述凹凸层是尖峰和低谷构成的序列，也就是说，所述手表自身不具有广泛分布的凸出曲面区域。
至今，一直都缺少任何以所需的装饰方法来设计太阳能电池，使得它们也可以被作为宝石而被加工的技术方案。本发明的目的是以特定的方式改进太阳能电池(光伏电池)，从而得到非常明亮艳丽的装饰元件。
具体实施方式
在第一方面，本发明涉及一种装饰元件，包括：
(a)透明的宝石，其具有包含凸出的曲面区域的刻面表面；
(b)波长选择层；以及
(c)光伏电池。
在一个优选实施方式中，元件(a)到(c)通过胶粘剂，尤其是依照上述的顺序，被粘合在一起。在另一个优选实施方式中，所述装饰元件由通过胶粘剂，也优选为依照所述顺序，被粘合在一起的元件(a)到(c)组成。
本发明进一步涉及根据本发明的所述装饰元件作为能源的、尤其是在可穿戴电子装置中的用途。本发明还涉及包含有根据本发明的装饰元件的物品。例如，所述装饰元件可以被方便地整合在所谓的“活动追踪器”中，本发明也涉及到该产品。其他可能的用途在下面被描述。
令人惊异的是，已经发现具有包含凸出的曲面部分的刻面表面的透明宝石与波长选择层以及光电池的组合适于用作用于多种目的的能源。根据本发明，所述术语光伏电池、光伏(PV)元件、以及太阳能电池被可互换地使用。根据本发明的所述复合体不仅具有改善的能量供应特性，而且它们同时还是具有优美光辉的宝石。因此，本发明提供了具有能量供应功能的宝石，其不仅光彩炫目，而且提供了能量产出，该能量产出比仅仅被覆盖有平坦的玻璃片的太阳能电池的能量产出更高。
用作能源和用作宝石时，根据本发明的所述组合在设计和技术领域中都提供了多种可能的用途。在下文中，具有包含凸出的曲面区域的刻面表面的透明宝石也被称为“光学元件”。所述装饰元件具有优美的光辉，因此使它们的用途不仅可以作为能源，而且可以作为装饰元件。术语“透明”意味着物质的传送电磁波的能力(传输)。如果一种物质对于宽度较大或较小的频率范围内的入射的电磁辐射(光子)是透明的，所述辐射可以几乎完全地穿透所述物质，也就是说，它几乎不会被反射也几乎不会被吸收。根据本发明，优选地，“透明”的意思是入射光的传输率为至少70％，优选地为高于80％，更优选地为高于90％。根据本发明，“刻面”意思是具有多边形或者所谓的n边形(n>3)形状的宝石表面设计；其刻面通常通过研磨粗糙的晶体而获得，但是也可以通过挤压方法获得。所述术语“凸出”和“凹陷”涉及所述刻面上方或下方的想象的包络面积，同时清晰度应该被通过使用光学镜头的模拟情况来进行理解。所述凸出和凹陷区域可以是对称的或不对称的。
所述装饰元件(复合体)的可能的结构被示出在图(1a)到(1c)中，所述参考标号具有以下的含义：
(1)具有包括凸出的曲面区域的刻面表面的透明宝石；
(2)光伏电池(太阳能电池)
(3)波长选择层；
(4)波长选择薄膜；
(5)胶粘剂；
(6)对应于所述波长选择薄膜的位置的不同结构；
(7)装饰元件。
在根据本发明的一个实施方式中，所述波长选择层(如下所述)可以被直接设置在与所述刻面表面相对的平面侧上，亦即设置在所述平面-凸面-凹面或平面-凸面宝石(图1a)的“后侧”，其被用胶粘剂粘合到所述太阳能电池上。在根据本发明的另一个实施方式中，所述波长选择层可以被设置在所述太阳能电池上，所述太阳能电池被用胶粘剂粘合到所述宝石(1)上(图1b)。在另一个实施方式(图1c)中，波长选择薄膜被通过两个粘合层(图1c)粘合到所述太阳能电池上及所述宝石(1)上。应该注意的是，各个独立部件的用胶粘剂的粘接并非必不可少的。
根据本发明，所述波长选择层原则上也可以被应用到所述刻面表面上；然而，这是一种较为不佳的实施方式，因为所述波长选择层可能出现机械磨损。所述光伏电池也可以通过半导体材料的沉积或气相沉积被直接制备在所述光学元件上，也就是说，它并不需要一定被用胶粘剂来粘合。
所述装饰元件提供了以完全的能量自给方式在“可穿戴技术”的领域中操作各类装置、或者以入射光线的功能来显著地增加它们的运行时间的机会。储能器的永久充电形成一定的能级。这会允许载流子的容量减小，因此储能器的容量也会减小。这样就导致了本产品的设计具有诸多优点，例如设计更加紧凑，这可以相应地有助于降低产品成本。由于传统储能器通过外部电源的的彻底充电及放电被取消，导致了现在用于所述装置中的储能器的使用寿命明显增加。所述装饰元件的一个用途被例如通过戒指或耳环呈现出来，在其中它被用作宝石并且同时为包括传输单元的集成的传感器系统提供必要的能量。这类系统可以用于例如血液中的乳酸、葡萄糖或褪黑激素的经由皮肤的光学测量。与特殊的薄膜电池和高度小型化的电子元件连接时，所述装饰元件首次允许传感器系统被合并到一件小巧的首饰中。这样，例如装配有根据本发明的所述装饰元件的戒指可以被用于不存在电池变化的特定人体机能的连续测量。
同样地，移动装置，例如移动电话、笔记本电脑、GPS系统或平板电脑的部分充电也是可行的，因为多个装饰元件可以串联或并联连接。当较大数量的此类装饰元件被应用到服装或饰物，例如手提包和背包上时，装在其中的移动装置可以被感应充电。包含根据本发明的所述装饰元件并且设有微型USD插头的所谓的“能量手镯”可以被用作移动充电站。根据本发明的所述装饰元件也可以给所谓的可切换效果，例如宝石的色彩变换、或者例如所谓的“智能手表”的显示功能提供能量。
所述装饰元件或多个装饰元件可以被集成到手镯中，以便提供能量给例如智能手表或者活动传感器(活动追踪器)。如果所述装饰元件被通过特定的设置相互连接，则所述装饰元件的可靠的电气连接可以被实现。能量从所述装饰元件传递到产品的部件，所述产品部件要求所述能量可以例如通过特定的弹簧条(主要用于手表)或者通过弹簧针传递。
具有包括凸出的曲面区域的刻面表面的透明宝石
所述宝石可以由多种材料，例如透明玻璃、塑料、透明陶瓷或者透明的宝石或半宝石制成。由玻璃或塑料制成的刻面透明宝石是根据本发明的优选实施方式，因为它们成本最低且最容易设置刻面。玻璃的使用是根据本发明尤其优选的实施方式。所述宝石包括凸出的曲面区域或者凸凹的曲面形区域。这意味着除了凸出的曲面性区域之外，凹陷的曲面形区域也可以出现在所述刻面的一侧。所述宝石的与所述刻面一侧相对的另一侧是平面形的(优选方案)或者凹陷的。具有平面-凸面或者平面-凸面-凹面的几何形状的宝石是根据本发明优选的实施方式，因为它们实现了晶体太阳能电池的最有成本效益的用途。特别优选的是具有凸面，尤其是平面-凸面几何形状的宝石。
玻璃
对于所述玻璃的组分，本发明原则上并不受限制，只要该组分是透明的(如上所述)。“玻璃”意味着形成非晶体固体的冻结的过冷液体。根据本发明，氧化物玻璃和硫系玻璃、金属玻璃和非金属玻璃都可以被使用。氧氮化物玻璃可也以是适用的。所述玻璃可以是单组分的(例如石英玻璃)或者双组分的(例如碱金属硼酸盐玻璃)或者多组分的(例如钠钙玻璃)玻璃。所述玻璃可以由熔融手段、由溶胶-凝胶处理，或者由振动波手段制成。这些方法对于本领域技术人员是已知的。非有机玻璃，尤其是氧化物玻璃，是根据本发明优选的实施方式。所述氧化物玻璃包括硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃。无铅玻璃是特别优选的。
对于所述刻面透明宝石的制备，硅氧玻璃是优选的。硅氧玻璃具有一个共同之处，就是它们的网络主要由二氧化硅(SiO2)形成。通过加入其它的氧化物，例如氧化铝或者各种碱金属氧化物，就形成了铝硅酸盐或者碱金属硅酸盐玻璃。如果五氧化二磷或者氧化硼是玻璃的主要网络构建材料，则该玻璃分别被称为磷酸盐玻璃或硼玻璃，其性质也可以通过添加其他氧化物而被调节。根据本发明，这些玻璃也可以被使用。上述的玻璃主要由氧化物组成，这就是为什么它们一般被称为氧化物玻璃的原因。
在根据本发明的一个优选实施方式中，所述玻璃的成分包含以下组分：
(a)重量占大约35％到大约85％的二氧化硅；
(b)重量占0％到大约20％的氧化钾；
(c)重量占0％到大约20％的氧化钠；
(d)重量占0％到大约5％的氧化锂；
(e)重量占0％到大约13％的氧化锌；
(f)重量占0％到大约11％的氧化钙；
(g)重量占0％到大约7％的氧化镁；
(h)重量占0％到大约10％的氧化钡；
(i)重量占0％到大约4％的三氧化二铝；
(j)重量占0％到大约5％的二氧化锆；
(k)重量占0％到大约6％的三氧化二硼；
(l)重量占0％到大约3％的氟；
(m)重量占0％到大约2.5％的氯。
所有规定的组分的量都应当被理解为：给出一个重量占100％的总和量，然后可选择地与其他成分一起计算。宝石的刻面通常是通过研磨和抛光技术获得，所述研磨和抛光技术对于本领域技术人员是充分熟知的。
例如，无铅玻璃，尤其是由施华洛世奇公司用于Chessboard Flat Backs产品(目录编号2493)的玻璃，在380-1200nm的范围内显示出大于95％的透过率，根据本发明是适用的。
塑料
作为用于制备所述刻面透明宝石(a)的另一种原材料，透明塑料可以被使用。根据本发明，所有的在单体固化之后为透明状的塑料都是适用的；对于本领域技术人员而言这是充分熟知的。其中，以下的材料可以被使用：
有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，
聚碳酸酯(PC)，
聚氯乙烯(PVC)，
聚苯乙烯(PS)，
聚苯醚(PPO)，
聚乙烯(PE)，
聚-N-甲基丙烯酰亚胺(PMMI)。
所述透明塑料相对于玻璃的优点在于特别是较低的比重，其仅为玻璃的比重的大约一半。其他的材料特性也可以被选择性地调节。此外，在与玻璃相比时，塑料通常更加便于加工。在与玻璃相比时，其缺点则包括较低的弹性模量与较低的表面硬度，以及在从大约70摄氏度开始的温度下强度大幅下降。根据本发明的一种优选的塑料是聚-N-甲基丙烯酰亚胺，其例如由Evonik公司以
Figure GDA0003394950420000071
TT70的产品名出售。在被根据使用D65标准光线的ISO13468-2标准予以测量时，
Figure GDA0003394950420000072
TT70时具有1.54的折射率和91％的透明度。
几何形状
所述刻面透明宝石的几何形状设计原则上是不受限制的，并且主要取决于设计方面。所述宝石优选地为正方形、长方形或圆形。所述刻面透明宝石优选地具有凸出的、尤其是平面-凸面形的几何形状(参见图2a)。优选地，所述宝石包括位于所述优选地为凸出的曲面状的一侧上的多个刻面，优选的是矩形的、特别是正方形的刻面，因为这些形状有助于优化能量产出率。所述具有凸出区域和可选择的附加的凹陷区域的宝石的几何形状通过增加整体表面积而增加了光线产出率。然而所述波长选择层(如下所述)对于光线产出率具有负面影响，因为入射光线的一些部分会被反射，这部分损失多于由与所述刻面结合起来的所述具有凸出的曲面区域和可选择的凹陷的曲面区域的特定几何形状形成的补偿。特别地，所述宝石的凸出的几何形状有助于显著降低所述太阳能电池的能量产出率的角度依赖性。尤其是鉴于可穿戴电子设备而言，在其中朝向光源的方位几乎不可能实现，减少角度依赖性具有极大的重要性。凸面和刻面(图2a)的结合将光束聚焦在所述光伏元件的表面上，而且相比于平面几何形状(图2b)时显著地增加了能量产出率。与此同时，如图3a中所示，当与如同通常用于封装式太阳能电池(图3b)的器件那样的薄板相比时，角度依赖性被引人注目地减小了。基于与所述刻面结合的所述凸面曲率及由其所形成的附加面积，入射在所述装饰元件上的光束被朝着正交方向折射到所述太阳能电池上。所述刻面导致了所述光束的多重反射(光陷阱)并从而导致了光产出率的提高。
在根据本发明的一个优选实施方式中，所述凸面区域的表面比例为所述宝石的整个刻面表面的至多1/3。在这种情况下，凸面-凹面形几何结构的光线产出率近似于纯粹的凸面形几何结构的光线产出率。这可以通过模拟(如下所述)被显示出来。
所述刻面的类型与所述光学元件的几何形状密切相关。原则上，其刻面的几何形状不受限制。根据本发明的优选的实施方式为正方形或长方形的刻面，尤其是与具有正方形或长方形轮廓及平面-凸面几何形状的透明宝石相结合。然而，圆形的刻面宝石也可以被使用。
波长选择层
所述波长选择层使所述装饰元件完全能够被用作宝石。所述装饰元件从所述波长选择层获得灿烂的外观。所述波长选择层优选地设置于所述包括凸凹区域的透明刻面宝石与所述光伏元件之间。根据本发明，优选地，所述波长选择层可以通过两个不同的方法被实现：通过波长选择薄膜或者由PVD、CVD或湿化学方法制备的波长选择涂层实现。不过，波长选择层也可以通过予以微结构处理的表面获得。微结构处理的方法对于本领域技术人员而言是熟知的。
作为可见光谱的限定范围的反射(相当于过滤)的结果，所述光学元件获得了灿烂的光泽并向观察者呈现特定的颜色。所述光泽被宝石的刻面进一步增强。在本发明的一个优选实施方式中，所述波长选择层反射380到850nm范围内，亦即主要处于可见范围内的光线的一部分。所述被反射的部分光线处于可见光谱的一个尽可能窄的范围内，通常处于不超过50到250nm的带宽范围内。一方面，就光泽而言，该部分光线足以将所述装饰元件塑造成宝石。另一方面，由被反射的波长范围导致的能量产出率的损失被减到最小。因此，所述波长选择层在从380到850nm的范围内反射处于50到250nm的带宽反射区间内的入射光线的至少50％，根据本发明是优选的实施方式。优选地，所述反射区间为50到200nm的带宽，更优选的为50到150nm。在另一个实施方式中，当在0度的光束入射角下被测量时，所述波长选择层在400到1200nm的波长范围内的反射区间之外具有大于60％，优选为大于80％的平均透明度(参见图4a)。优选地，所述波长选择层被应用到所述宝石的相对于所述刻面侧面的另一侧上；或者，它也可以被直接应用到所述光伏元件上。
所述光伏电池(太阳能电池)可以利用太阳光谱的仅仅一部分。所述波长选择层用作滤波器，优选地另外反射所述光谱中的处于红外线范围内并且不能再被所述太阳能电池利用的另一部分，从而防止所述太阳能电池产生额外的热量。
通常地，每被加热一摄氏度时，太阳能电池损失0.47％的能量产出率，因此所述涂层的正确选择是非常重要的。入射光波长越短，光子的能量越高(E＝h·ν[eV])。在硅光电池中，需要1.1eV的能量来将电子-空穴对打击出p-n结；而过多的能量则转变成热量。例如，如果具有对应于处于400nm的波长的3.1eV能量的光子撞击到所述电池上，则2eV被转化为热能，导致能量产出率的减小。因此，根据本发明，反射波长较短的蓝色或绿色部分(波长：280-490nm)是特别有利的，因为大部分热量被产生在这部分中。原则上，所述波长选择层使得具有多种多样颜色的装饰元件都能够被形成。然而，为了优化能量产出率，优选的方案是所述波长选择层反射来自于可见光谱中的短波范围的部分光线。
所述波长选择层显示出依赖于角度的反射(图4a及4b)。所述反射的时间间隔被当做到达所述刻面上的光线的入射角度的函数而予以调节。取决于所述刻面的位置，不同的色光部分被反射而形成近乎闪光的效果，也就是从刻面到刻面的色彩渐变，这无法通过没有刻面的平面-凸面镜片来实现。
为了能够用UV固化胶粘剂粘合所述装饰元件的独立组件，所述装饰元件优选地对于UV光线是至少部分透明的。
波长选择薄膜
波长选择薄膜是在市场上可以获得的，其商品名称为“辐射光膜”。它们是可以被应用到其他材料上的多层聚合物薄膜。这些光学薄膜是Bragg镜面，反射很高比例的可见光，并且产生灿烂的色彩效果。处于数百纳米范围内的浮雕状微结构反射了波长不同的光线，从而产生了干涉现象，色彩作为视角的函数而变化。根据本发明的尤其优选的薄膜由多层聚合物薄膜组成，所述多层聚合物薄膜的最外层为聚酯。这类薄膜被例如3M公司出售，其名称为辐射彩色膜CM500与CM590。所述薄膜具有590-740nm或500-700nm的反射区间。
所述波长选择层被优选地通过胶粘剂与所述光伏电池及所述刻面透明宝石粘合。所述胶粘剂应该也是透明的。在一个优选实施方式中，所述胶粘剂的折射率与所述具有凸出的几何形状的刻面透明体的折射率相差少于±20％。在一个特别优选的实施方式中，折射率相差小于10％，甚至更加优选地小于5％。这是保证由于不同的折射率而造成的折射损失可以被尽量减小的唯一方法。所述折射率也可以被通过粗化对应的边界层(蛾眼效应)而彼此匹配。所谓的“蛾眼表面”由纤细的绒毛结构组成，所述绒毛结构非突然地，但是持续地以理想的方式改变了光线的折射行为。所述不同的折射率之间的清晰边界因此而被消除，使得折射率的转变基本上是流畅的，并且光线可以不受阻碍地穿过。为了达到这个目的所要求的结构尺寸必须小于300nm。蛾眼效应保证了在边界层处的反射被尽量减小，从而在通过边界层的通道中实现较高的光线产出率。
可以通过UV辐射被固化的胶粘剂是根据本发明优选的实施方式。UV固化胶粘剂和用于确定折射率的方法对于本领域技术人员都是熟知的。根据本发明特别优选的实施方式是丙烯酸酯，尤其是改性聚氨酯丙烯酸酯粘合剂的应用。这些产品被很多公司出售，例如被Delo公司出售，商品名为
Figure GDA0003394950420000101
PB 437的产品，是一种能够被处于320-42nm的波长范围内的UV光固化的胶粘剂。
波长选择涂层
所述涂层的材料对于本领域技术人员是熟知的。在本发明的一个优选的实施方式中，所述波长选择涂层包含至少一种金属和/或金属化合物，例如金属氧化物、金属氮化物、金属氟化物、金属碳化物或者这些化合物以任何顺序的任意组合，其通过常规涂覆方法中的一种被涂覆到所述刻面宝石上。不同的金属或金属化合物构成的后续的涂层也可以被涂上。制备涂层的方法以及所述涂层本身对于本领域技术人员是充分熟知的。其中，这些技术包括根据现有技术的PVD(物理气相沉积)方法、CVD(化学气相沉积)方法、涂料涂覆方法、以及湿化学方法。PVD方法是根据本发明优选的实施方式。
所述PVD方法是一组基于真空的涂覆方法或者薄膜技术，其对于本领域技术人员是充分熟知的并且被应用于光学和珠宝工业中，特别是用于涂覆玻璃和塑料。在PVD工艺中，涂层材料被转变成气相。所述气体材料随后通过待涂覆的基材，在这里它被冷凝并形成目标涂层。通过这些PVD方法(磁控溅射、激光束蒸发、热蒸发等等)中的一些方法，可以实现非常低的处理温度。很多种类的金属能够以非常纯粹的形式通过这个方法被沉积在薄膜中。如果所述工艺在存在有活性气体例如氧气时被执行，则金属氧化物也可以被沉积。根据本发明的一个优选方法是通过溅射进行的涂覆工艺。传统的涂层系统可以由仅仅一层，但是也可以由很多层组成，这取决于功能和光学外观的需求。在实践中，涂层的数量主要大多被限制在1到25之间。传统的涂层厚度在5到800nm之间变化。根据本发明，合适的涂层材料具体包括铬、三氧化二铬、镍、镍铬合金、铁、三氧化二铁、铝、三氧化二铝、金、硅的各种氧化物、锰、硅、氮化硅、钛的各种氧化物、铜、银、钛、三氟化铈、氟化镁、五氧化二铌、五氧化二钽、二氧化锡、二氧化锌、氧化镁、二氧化铈、三氧化钨、三氧化二镨、三氧化二钇、氟化钡、氟化钙、氟化镧、氟化钕、氟化钇、二氧化锆、二氧化铪、硫化锌、铝和硅的氧氮化物、以及氧化锡锌。
为了获得波长选择涂层，例如吸收材料可以被使用；基于它们的吸收性能，它们以波长选择的方式仅仅传输或反射可见光的特定部分，并因此而呈现颜色。根据本发明优选的合适实施方式为由介电材料构成的膜层系统，由于干涉现象，其仅仅传输或反射可见光的特定部分，并因此而呈现颜色，例如多层次的二氧化钛或二氧化硅。根据本发明的一种特别优选的波长选择层由十二层交替顺序的二氧化钛和二氧化硅组成，其每层的厚度在大约20到145nm之间变化。根据本发明优选的实施方式为所谓的带阻滤波器，具有380nm和480nm的边缘位置，也就是说，在380-480nm的波长范围(相当于反射区间，参见图4a)内，光线的主要部分被反射。为了制备具有其他边缘位置的带阻滤波器，所述膜层的数量和厚度都可以改变。许多通过商业手段可获得的机器都可用于PVD膜层的生产，例如Evatek公司的BAK1101型机器。
光伏元件
所述光伏元件(太阳能电池)是一种电气元件，其将波长较短的辐射能量，通常是阳光，直接转换为电能。哪一种太阳能电池被采用取决于所需的能量供应和特定的应用目的。为了根据本发明的应用目的，非有机的太阳能电池是尤其地适用的。它们由半导体材料制成，最常见的由硅制成。此外，碲化镉、铜铟镓硒和砷化镓、以及其他材料也被使用。在所谓的串联太阳能电池中，不同半导体的膜层被应用，例如砷化铟镓与磷化铟镓的组合。
除了上述材料之外，所述太阳能电池的结构也很重要。例如，使用材料组合的堆叠技术被用来提高整个组件的效率。所述材料被通过一定的方式进行选择，使得入射的太阳光谱被最大化地利用。虽然理论上可获得的效率是大约43％，但是实际上只有大约15到20％的效率是在标准太阳能电池中可以实现的。其损失是来源于具有伴随的热量产生的电荷载体重组、来源于反射、以及由于串联电阻而产生的。对于最常见的电池(晶体硅电池)来说，最大功率(最大功率点，MPP)下的电压为大约0.5V。
近年来，太阳能电池的结构已经被优化，使得尽可能多的光线被吸收，并且尽可能多的自由电荷载体被产生在活性层中。这样，防反射层就被应用到太阳能电池的上侧，同时太阳能电池后侧则被镜面化。所述防反射层被用于从传统的浅蓝色到黑色的各种太阳能电池。所述防反射层通常由氮化硅、二氧化硅和二氧化钛制成。所述防反射涂层的层厚度也决定了颜色(干涉颜色)。均匀的层厚度是很重要的，因为纳米尺寸上的变化就已经会增加反射率。对应于光谱中的红色部分的防反射膜的调节导致了蓝光的反射，这是硅的优选吸收波长。用作所述防反射膜的材料的氮化硅和二氧化硅另外还用作钝化层，其减少了表面上的电荷载体的重组，从而使得更多的电荷载体可用于产生电能。如果前侧的接触指被连接到所述太阳能电池的后侧，则实现了效率的进一步提高。这样就避免了前侧被遮蔽，这种遮蔽将会导致活性区域较小，并进而导致光线产出率较低，因为表面的高达10％将会被金属触片遮盖。此外，相比于前侧的接触指，后侧的接触指可以被更加容易地电性接触并且具有更少的损耗。后侧被接触的太阳能电池是根据本发明优选的实施方式。这类所谓的IBC(叉指状背接触)电池被例如SunPower公司销售。特别地，单晶硅太阳能电池和氮化硅防反射涂层是根据本发明较为适用的；优选地，所述太阳能电池具有大于20％的效率。根据本发明特别适用的是由单晶硅制成的
Figure GDA0003394950420000121
C60太阳能电池，其特征在于具有大约22.5％的效率。所述氮化硅(Si3N4)的防反射涂层通常具有1.9-2.5的折射率。除了其他方式之外，后侧接触、后侧镜面化、二氧化硅钝化层、以及掺氮硅的使用，都有助于提高太阳能电池的效率。
所述太阳能电池的根据本发明可用的尺寸/面积和根据本发明的所述装饰元件的根据本发明可用的尺寸/面积取决于用途以及辐照度。对于1cm2的面积和大约20％的电池效率而言，在具有100mW/cm2的辐照度的直接照射的阳光中，达到20mWh的能量理论上可以在一个小时内被收集起来。在实践中，这个数值将是在某种程度上较低的，因为在储能器的充电过程中有电能损失，而且事实上在中欧地区并不能经常达到大约100mW/cm2或1000W/m2的平均辐照度。基于具有大约3mWh/每天的平均放电量的、通过商业手段可获得的“活动追踪器”，在直接照射的阳光中的每周一小时的辐照时间对于太阳能电池的1cm2面积将会是充足的。由于IBC太阳能电池即使在不理想的光照条件下也具有良好的性能，其在内部空间中的应用足以抵消可穿戴式电子设备的放电。当与开阔区域的直接照射的阳光相比时，室内的辐照要低100-200倍。上述的用于监测身体功能的传感器显示出大约1到5mWh/每天的平均放电量。在这里相同地，通过根据本发明的装饰元件进行的能量供给是可行的，例如，通过将所述装饰元件或者多个此类元件集成在装饰设计中。
在本发明的一个优选实施方式中，所述光伏元件设有电气接触点，用于以电流的形式将产生的电荷载体导出。所述太阳能电池的后侧电气触点被通过电路板形成接触并且被集成为一个正极触点和一个负极触点。
在下面，本发明将会被通过示例和图示进一步描述，而且并不限于示例和图示。所述图示显示了下列的对象：
图1a：具有设于与刻面相对的平面一侧上的波长选择涂层的装饰元件的结构。
图1b：具有设于太阳能电池上的波长选择涂层的装饰元件的结构。
图1c：具有波长选择薄膜的装饰元件的结构。
图2a：将光束聚焦在具有刻面的平面-凸面光学元件内部的太阳能电池上。
图2b：用于平面覆盖太阳能电池的光束路径。
图3a：具有刻面的平面-凸面光学元件内部的从侧方进入的光束的折射。
图3b：用于平面覆盖太阳能电池的从侧方进入的光束的光束路径。
图4a：根据表1所述的波长选择薄膜涂层的光谱；T＝透射，R＝折射。
图4b：波长选择薄膜涂层中的折射的角度依赖性；R＝折射。
图5a：光学元件的几何形状的透视图。
图5b：光学元件的底部区域；在所述底部区域上有斜角为45度的斜面。
图6：测量设备的示意图。
图7a：作为辐射的入射角度的函数的在最大功率点处的相对的功率变化。
图7b：光学元件应用之后的在最大功率点处的相对功率变化，在0至75度的入射角范围内取平均值。
图8：用于模拟的光学元件的几何形状。
图9：具有平面-凸面-凹面形状的弯曲部分的光学元件的几何形状。
图10：具有平面-凹面形状的弯曲部分的光学元件的几何形状。
工业实用性
在一方面，本发明进一步涉及根据本发明的所述装饰元件的用作能源，尤其是用于可穿戴电子装置中的用途，同时涉及包含至少一个根据本发明的装饰元件的物体，尤其是首饰，例如戒指、项链、手镯及其类似物。
示例
材料
材料和几何形状不同的不同装饰元件被检测。所述装饰元件由太阳能电池和光学元件组装而成。根据本发明的这些示例还另外设有波长选择层。
太阳能电池。使用型号为Sunpower C60(10mm×10mm)的太阳能电池。
光学元件-有和没有涂层的。玻璃的光学元件由施华洛世奇公司的通过商业手段可以得到的“Chessboard Flat Back”2493元件(30mm×30mm)通过对于本领域技术人员属于已知的方法被生产出来。
Figure GDA0003394950420000141
TT70光学元件在为这个目的而被预先制造的模具中通过塑料注射成型方法被生产出来。对于这个方法，使用型号为e-victory 80/50的Engel公司的注射成型机；筒内温度为：210摄氏度到280摄氏度，喷嘴为280摄氏度；模具温度为：喷嘴侧180摄氏度，顶出器侧140摄氏度；注射压力极限：1200bar；注射速度：大约15cm3/s；压印压力：大约800bar；不使用溶剂。
几何形状。根据本发明的示例1和2的、以及对照例C2和C3的光学元件均为刻面体，具有12mm的边长、以及具有略呈圆形的角部的正方形底部区域(图5a及5b)。具有45度倾斜角的斜面被设置在所述底部区域上，使得实际上剩余的底部区域为10mm×10mm(参见图5a及5b)。设有刻面的上部具有排列成正方形的25个刻面，形成一个球面形区域。所述立方体的总高度为5.56mm，其角部边缘的高度为1.93mm。
示例及对照例的具体描述
对照例C1：0.5mm厚度的12mm×12mm玻璃片；其折射率n＝1.52。
对照例C2：由根据图5a及5b的玻璃制造的光学元件；其尺寸如上所述(参见“几何形状”)；没有波长选择涂层。
示例1：由根据图5a及5b的玻璃制造的光学元件；其尺寸如上所述(参见“几何形状”)；具有如下所述的波长选择涂层。
对照例C3：由根据图5a及5b的
Figure GDA0003394950420000152
TT70制造的光学元件，其n＝1.54；其尺寸如上所述(参见“几何形状”)；没有波长选择涂层(对照例)。
示例2：由根据图5a及5b的
Figure GDA0003394950420000153
TT70制造的光学元件；其尺寸如上所述(参见“几何形状”)；具有如下所述的波长选择涂层。
波长选择层
根据示例1及2所述的光学元件在PVD设备(如上所述)中被涂覆涂层。所述波长选择涂层的结构被表示在表1中：
表1波长选择涂层的膜层结构
Figure GDA0003394950420000151
Figure GDA0003394950420000161
测量设备和测量工艺
所述测量工艺旨在检查所述光学元件以及所述涂层在所述太阳能电池的能量产出率上的影响，所述太阳能电池的能量产出率为光束的入射角度的函数。
装饰元件：基于根据上述示例和对照例所述的光学元件组装而成的五个不同的装饰元件和型号为Sunpower C60(10mm×10mm)的太阳能电池被检测。
所述测量工艺被通过使用Keithley 2602A数字源表的Oriel Instruments公司的LED太阳模拟器Verasol-2(等级AAA)和包括相应治具的Linos旋转支架来执行。
所述测量设备的示意性展示被显示在图6中。参考标号代表如下的含义：
7：装饰元件；
8：太阳模拟器；
9：旋转支架；
10：数字源表。
使用根据等级AAA(光谱匹配、空间均匀性、时间稳定性)认证的太阳模拟器8，1000W/m2的恒定辐照度被选择用于完整的实验工序。根据示例1及2、以及对照例C1至C3的待测量的从光源到达样品上的辐照的入射角度被通过旋转支架9来改变，所述样品被放置在所述旋转支架9上。所述太阳能电池的中心和所述太阳模拟器之间的距离z被保持恒定(参见图6)。
通过使用数字源表10，每个所述太阳能电池的电流-电压特性在1000W/m2的辐照度下被测量，而且在最大功率点处的功率被根据所述电路-电压特性确定。
所述五个太阳能电池中的每一个都首先在没有光学元件的情况下被测量。光束的入射角从0度到75度以15度为单位变化(参见图6)。接下来，具有波长选择涂层(表1)的光学元件(如上所述)被通过具有辐射率n＝1.461的UV-固化胶粘剂粘接到每个太阳能电池上，然后完整的测量工序被重复。每个单独的测量过程被重复三次；由此，形成了算术平均值，并且相对标准差(标准差/平均值)被计算出来；计算结果被总结在表2中。
表2
作为用于上述实验设备的光束的入射角的函数的在最大功率点处的太阳能电池功率的相对变化
入射角 C1 C2 1 C3 2
0° -11.5％ 38.2％ 12.7％ 9.4％ -5.1％
15° -12.8％ 50.3％ 45.5％ 16.0％ -5.0％
30° -0.6％ 56.4％ 42.5％ 19.4％ 10.9％
45° 0.1％ 79.9％ 27.2％ 15.5％ 9.4％
60° 4.7％ 84.0％ 43.3％ 48.8％ 47.4％
75° -18.5％ 140.0％ 99.5％ 76.1％ 68.1％
0-75°的平均值 -6.4％ 60.8％ 35.9％ 19.7％ 8.7％
在表2中获得的结果的图形化评价可以在图7a及7b中被找到。其含义如下：
Figure GDA0003394950420000171
黑色：C1；
Figure GDA0003394950420000172
灰色：C2；
Figure GDA0003394950420000173
双重阴影线：1；
Figure GDA0003394950420000174
从左上方到右下方的阴影线：C3；
Figure GDA0003394950420000175
从左下方到右上方的阴影线：2。
对测量结果的讨论
一方面，玻璃/UV-固化胶粘剂和UV-固化胶粘剂/太阳能电池的过渡处的不同折射率会导致能量的损失，而该损失导致了对照例C1的计算结果中的功率损失。另一方面，当冲击到玻璃片上时，光速的一部分因反射而损失。总的来说，这两类功率损失都会发生在所有光学元件中，但是它们最主要是发生在平板状玻璃片中。
在最大功率点处的太阳能电池的功率增强主要由几何效应确定，如同在图2a/2b和图3a/3b中示意性地表现出来的那样。最重要的是，当光束的入射角增加时，具有刻面的凸出的几何形状的关联性可以被看到。所述装饰元件的功率明显提高(对照例C2及C3)。对于玻璃而言，当与由
Figure GDA0003394950420000181
制备的光学元件相比时，这种情况甚至更加显著。
对于波长选择涂层(示例1及2)而言，当与C2及C3相比时，不出所料地，必然会导致能量产出率的损失，因为可见光谱的一部分被反射。而且，这些损失可能比被与刻面相结合的凸出的几何形状所弥补的部分更多，如表2中所见。
玻璃的光学元件和
Figure GDA0003394950420000182
的光学元件之间的差异来源于玻璃的明显改善的透射状态和用于制造目的的玻璃样品的更好的表面质量。
计算机模拟
宝石的平面-凹面-凸面的几何形状或者平面-凹面的几何形状对太阳能电池的功率的影响被通过计算机模拟予以检测。所述模拟被使用Optis公司的程序Speos的物理射线追踪予以执行。
计算机建模
来源于所述检测(如上所述)的相应的宝石的CAD数据被用作宝石的建模。所述宝石的表面被假定为是理想的(没有粗糙度，亦即没有表面瑕疵)。对于所述模拟，使用实验示例1的玻璃的折射率，其在波长λ＝550nm时为1.56。
所述宝石和太阳能电池之间的波长选择层或者通常的边界层并不被考虑为复杂性的原因。通过所述模拟，仅有所述宝石的不同的几何形状(凸的、凹的)对光线产出率的影响会被检测。所述波长选择层或边界层的内涵将与其无关。
所述太阳能电池被用具有1.3％的反射度的反射表面来模拟，所述反射度与光线的入射角度有关。所述太阳能电池的吸收率为98.7％。
用光线对宝石进行的辐照在所述模拟中被采用所述测量的仿真影响，亦即从上方集中。光源的尺寸为30mm×30mm。所述光源相聚所述宝石的底座区域的中心的距离为15mm。所述光源的孔径角为2×8度。光线的分布被假定为高斯分布。所述光源具有1W的辐射功率。程序Speos的正交光源D65被用作所述光源根据光线的入射角(如上所述)，仅有部分的光线到达宝石上。
模拟和结果
模拟S1：具有平面-凸面几何形状的宝石，见图8。所述宝石对应于来源于所述测量的宝石(图5a)。
模拟S2：具有平面-凸面-凹面几何形状的宝石，见图9。所述凹面的凹陷部分是球面形的。该形状由具有18mm直径的球形得到。所述球体的中心位于贯通所述宝石的底座区域的中心的区域的法线上。所述凹面的凹陷部分对应于具有0.558mm高度的球形部分。
模拟S3：具有平面-凹面几何形状的宝石，见图10。所述宝石的凹面的曲率对应于第一种宝石的凸面的曲率，见图8，二者是相反的。所述宝石(图10)在边缘处的的高度H为5mm。
上述的模拟旨在检测所述光学元件(宝石)的所述几何形状(凹面、凸面)对吸收行为的、以及进而对所述太阳能电池的能量产出率的影响，所述太阳能电池的能量产出率为光束的入射角度的函数。
光束的入射角度在所述模拟中通过采用所述测量的仿真(如上所述)被改变。所述被建模的太阳能电池的以瓦特为单位的吸收辐射功率被计算出来。以百分数表示的吸收辐射功率的相对偏差根据100x(S2-S1)/S1或者100x(S3-S1)/S1获得，并且在不同的入射角度下被确定(表3)。
表3
用于上述模拟建模的作为光束的入射角度的函数的太阳能电池的吸收功率，以及所述模拟的相对偏差的数值100x(S2-S1)/S1或者100x(S3-S1)/S1。
Figure GDA0003394950420000191
Figure GDA0003394950420000201
结果的讨论
S3与S1的数值的相对偏差(第6列)，如表3，显示出在纯粹的凹面形几何形状中吸收辐射功率极大地降低了。这是应该能预料得到的，因为凹面形几何形状具有散射效果。
相反地，如果凹面形弯曲部分的表面比例为曲面形区域的至多1/3(图9)(参见模拟S2、表3的第4栏)，则功率偏差的数值可以忽略不计。
所述相对偏差(参见表3，第4栏及第6栏)相对于入射角度并非持续地减小。这是因为以下的事实所致：光束同时也冲击在所述宝石的非弯曲的侧面上，并且因此在宝石中会发生附加的反射。
所述模拟的结果显示出，具有达到所述曲面形的宝石表面的至多1/3的面积比例的凹面形弯曲部分的影响相对于太阳能电池的效率来说是可忽略不计的。

Claims (14)

1.一种装饰元件，包括：
(a)透明的宝石，其具有包含凸出的曲面区域的刻面表面；
(b)波长选择层,其被涂覆到所述宝石的与所述刻面相对的一面；以及
(c)光伏电池；
其中，所述宝石、所述波长选择层以及所述光伏电池被粘合在一起，使得所述装饰元件能够被作为能源使用；并且其中，所述波长选择层被设置在所述宝石和所述光伏电池之间，并且反射处于从380nm到850nm的波长范围内的一部分光线。
2.如权利要求1所述的装饰元件，其特征在于：所述宝石由玻璃或塑料制成。
3.如权利要求1所述的装饰元件，其特征在于：所述宝石具有平面-凸面或者平面-凸面-凹面的几何形状。
4.如权利要求1所述的装饰元件，其特征在于：所述波长选择层选自波长选择涂层或者波长选择薄膜。
5.如权利要求4所述的装饰元件，其特征在于：所述波长选择涂层包括至少一种金属和/或金属化合物。
6.如权利要求1所述的装饰元件，其特征在于：在从380nm到850nm的波长范围内，所述波长选择层反射处于从50nm到250nm的带宽反射区间中的入射光的至少50％。
7.如权利要求6所述的装饰元件，其特征在于：当在0度的光束入射角之下测量时，在400nm到1200nm的波长范围内，所述波长选择层在所述反射区间之外具有大于80％的平均透过率。
8.如权利要求4或5所述的装饰元件，其特征在于：所述波长选择涂层包括至少一种材料，所述材料选自由铬、三氧化二铬、镍、镍铬合金、铁、三氧化二铁、铝、三氧化二铝、金、硅的各种氧化物、锰、硅、氮化硅、钛的各种氧化物、铜、银、钛、三氟化铈、氟化镁、五氧化二铌、五氧化二钽、二氧化锡、二氧化锌、氧化镁、二氧化铈、三氧化钨、三氧化二镨、三氧化二钇、氟化钡、氟化钙、氟化镧、氟化钕、氟化钇、二氧化锆、二氧化铪、硫化锌、铝和硅的氧氮化物、以及氧化锡锌、或者处于任意层叠顺序的这些材料的任意组合组成的群组。
9.如权利要求1所述的装饰元件，其特征在于：所述光伏电池为背面接触式光伏电池。
10.如权利要求1所述的装饰元件，其特征在于：所述装饰元件的组件(a)、(b)、(c)被通过胶粘剂粘合在一起。
11.如权利要求10所述的装饰元件，其特征在于：所述胶粘剂的折射率与所述宝石的折射率相差少于±20％。
12.如前述的权利要求1至11中任一项所述的所述装饰元件作为能源的用途。
13.如权利要求12所述的用途，其中，所述装饰元件被用于可穿戴式电子装置。
14.包括至少一个如前述权利要求1至11中的任一项所述的装饰元件的物体。
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