DE102009001976B4

DE102009001976B4 - Lichtkonzentrationsmodul

Info

Publication number: DE102009001976B4
Application number: DE102009001976A
Authority: DE
Inventors: Hui-Hsiung Lin; Wen-Hsun Yang; Yu-Nan Pao; Chia-Jen Ting
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: TW201023379A; DE102009001976A1; US8183519B2; US20100133422A1

Abstract

Ein Lichtkonzentrationsmodul, umfassend
eine optische Schicht mit einer Lichteinfallfläche und einer Lichtaustrittsfläche, welche der Lichteinfallfläche gegenüberliegt, wobei eine Mikro/Nanostruktur auf der Lichteinfallfläche ausgebildet ist, und wobei die Mikro/Nanostruktur eine auf der optischen Schicht gebildeten Mikro/Nanoschicht umfasst;
eine optische Keilscheibe mit einer ersten Fläche, einer zweiten Fläche, welche der ersten Fläche gegenüberliegt und welche einen Winkel mit Bezug zu der ersten Fläche hat, und einer dritten Fläche benachbart zu der ersten und zweiten Fläche; und
mindestens einen photoelektrischen Chip, welcher sich in der Nähe der dritten Fläche befindet, bei welchem Licht aus einer Lichtquelle die optische Schicht durchdringt, und bei welchem das Licht in die erste Fläche des optischen Keils in einem passenden Einfallswinkel eintritt und sich durch Totalreflexion zwischen der ersten und der zweiten Fläche in der optischen Keilscheibe ausbreitet, und das Licht die optische Keilscheibe aus der dritten Fläche verlässt und von dem photoelektrischen Chip aufgenommen...

Description

Bezug zu verwandten Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der taiwanesischen Patentanmeldung 97 146881 , hinterlegt am 3. Dezember 2008, deren Gesamtheit durch Bezugnahme hierauf in diese Anmeldung integriert ist.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtkonzentrationsmodul und insbesondere auf ein Lichtkonzentrationsmodul, welches den Lichteinfallswinkel in eine optische Keilscheibe mit einer optischen Schicht variiert, damit sich das Licht in der optischen Keilscheibe durch Totalreflexion ausbreitet.
Beschreibung des Standes der Technik
Bedingt durch steigende Erdölpreise und einen Rückgang der Rohmaterialversorgung sind neue Energiequellen entwickelt worden, von denen Sonnenenergie eine beliebte Wahl ist.
US Patent Nr. 7,190,531 B2 offenbart ein Solarenergiesammelsystem, welches eine Fresnel-Linse verwendet, um Sonnenlicht in einem Solarchip zu sammeln. Solch ein Solarenergiesammelsystem ist oft mit einem Sonnenfolgesystem ausgestattet, welches den Solarchip so ausrichtet, dass dieser stets zur Sonne zeigt, wodurch die Effizienz der Solarenergiesammlung gesteigert wird. Ein solches System hat jedoch ein sehr hohes Gewicht und findet nur begrenzte Anwendung.
US Patent Nr. 6,971,756 B2 offenbart eine Vorrichtung zum Sammeln und Übertragen von Strahlungsenergie unter Verwendung von Spiegeln zum Sammeln von Solarlicht. Wenn das Solarlicht die Spiegel erreicht, wird es zu dem Solarchip reflektiert. Die Spiegel verändern Neigungswinkel, um die Sonne zu verfolgen. Solch ein System benötigt jedoch nach wie vor ein Solarverfolgungssystem, weswegen es ein sehr hohes Gewicht hat.
US Patent Nr. 6,619,282 B1 offenbart ein Solarenergiesammelsystem, welches Wasser verwendet, um Solarlicht zu führen und den Winkel des Solarlichtes zu beschränken. Das Solarlicht wird an die Seite der Vorrichtung geführt. Obwohl eine solche Vorrichtung ein kleineres Volumen belegt, wird Wasser benötigt.
Die US 2007/0227581 A1 offenbart ein Solarzellenmodul, enthaltend ein reflektierendes Prisma (optische Keilplatte). Licht trifft auf eine erste Fläche des reflektierenden Prismas und wird durch eine zweite Fläche reflektiert. Das reflektierte Licht tritt in eine Solarzellenanordnung, benachbart zu einer dritten Fläche des reflektierenden Prisma, ein.
Die US 4,344,417 A offenbart einen Solarenergiekollektor umfassend einen Prismaadapter (optische Schicht) und ein Gehäuse (optische Keilplatte). Eine Zickzackstruktur ist auf dem Prismaadapter gebildet.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel eines Lichtkonzentrationsmoduls umfasst eine optische Schicht mit einer Lichteinfallfläche und einer Lichtaustrittsfläche, welche der Lichteinfallfläche gegenüberliegt, wobei eine Mikro/Nanostruktur auf der Lichteinfallfläche ausgebildet ist und wobei die Mikro/Nanostruktur eine auf der optischen Schicht gebildeten Mikro/Nanoschicht umfasst, eine optische Keilscheibe mit einer ersten Fläche, einer zweiten Fläche, welche der ersten Fläche gegenüberliegt, und einen Winkel in Bezug auf die erste Fläche aufweist und eine dritte Fläche neben der ersten und zweiten Fläche, und mindestens einen photoelektrischen Chip, welcher sich nahe der dritten Fläche befindet. Licht aus einer Lichtquelle durchdringt die optische Schicht, und das Licht tritt in einem passenden Einfallwinkel in die erste Fläche des optischen Keils ein und hat eine Totalreflexion zwischen der ersten und der zweiten Fläche, wodurch sich das Licht in dem optischen Keil ausbreitet, und das Licht den optischen Keil aus der dritten Fläche verlässt und von dem photoelektrischen Chip aufgenommen wird, und eine auf der dritten Fläche gebildete Mikrostruktur, wobei Licht durch die Mikrostruktur hindurchtritt, um das von dem photoelektrischen Chip gesammelte Licht zu verstärken.
Der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Fläche ist größer als 0 Grad und kleiner als 80 Grad.
Der photoelektrische Chip umfasst chemische Elemente, welche in Abschnitt III oder V der periodischen Tabelle aufgelistet sind.
Die optische Schicht umfasst hochtransparentes Material.
Die Mikro/Nano-Schicht umfasst eine Vielzahl dreidimensionaler Strukturen mit einem Querschnitt von einer Weite, welche von einem oberen zu einem unteren Bereich hin allmählich größer wird. wobei die dreidimensionale Struktur eine Periode von 100~600 nm und eine Höhe von 100~570 nm hat.
Die optische Keilscheibe besteht aus hochtransparentem Material.
Die Mikro/Nano-Struktur umfasst weiterhin eine hierauf gebildete Metallschicht. Die Metallschicht umfasst God, Silber, Aluminium, Nickel, Kupfer, Chrom, Zinndioxid oder ITO.
Die Mikro/Nano-Struktur umfasst weiterhin eine harte Schicht, welche sich auf der Metallschicht befindet.
Die Lichteinfallfläche ist von wasserabweisendem Material überzogen, welches Polyvinylidenfluorid, Polysulfon, reaktives modifizierendes Agens mit wasserfreiem Polymer, Siliziumgummi, Acrylnitril-Butadien-Styren, oder PTFE umfasst.
Das Licht verlässt die optische Schicht in einem Winkel, welcher größer als 50 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
Eine Mikrostruktur ist auf der Lichtaustrittsfläche gebildet. Der Querschnitt der Mikrostruktur ist V-förmig oder die Mikrostruktur ist eine Fresnel-Linsen-Struktur.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird eine detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann mittels der folgenden detaillierten Beschreibung und den Beispielen, welche sich auf die beigefügten Zeichnungen beziehen, besser verstanden werden, wobei
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lichtkonzentrationsmoduls ist;
2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lichtkonzentrationsmoduls ist;
3 eine Mikro/Nano-Struktur darstellt, welche auf einer Lichteinfallfläche einer optischen Schicht des erfindungsgemäßen Lichtkonzentrationsmoduls gebildet ist;
4 und 5 eine Mikrostruktur darstellen, welche auf einer Lichtaustrittsfläche gebildet ist, wobei 4 eine Mikrostruktur mit einem V-förmigen Querschnitt ist, und 5 eine Mikrostruktur mit Fresnel-Linsen umfasst; und
6 den Winkel zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche versus Lichtsammeleffizienz zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein erfindungsgemäßes Lichtkonzentrationsmodul 1000 eine optische Schicht 100, eine optische Keilscheibe 200 und einen photoelektrischen Chip 300.
Licht von der Sonne oder anderen Lichtquellen treten in die optische Schicht 100 ein. Die optische Schicht 100 bricht das Licht, damit das Licht in einem passenden Winkel in die optische Keilscheibe 200 eintreten kann. Das einfallende Licht breitet sich in dem optischen Keil 200 durch Totalreflexion aus. Schließlich verlässt das Licht die optische Keilscheibe 200 aus einer seiner Seitenflächen und wird von dem photoelektrischen Chip 300 nahe der Seitenfläche aufgenommen.
Unter Bezugnahme auf 2 tritt Licht L in eine Lichteinfallfläche 102 der optischen Schicht 100 und verlässt die optische Schicht 100 von einer Lichtaustrittsfläche 104, welche der Lichteinfallfläche 102 gegenüberliegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Lichteinfallfläche 102 parallel zu der Lichtaustrittsfläche 104. Eine Mikro/Nano-Struktur ist auf der Lichteinfallfläche 102 gebildet, um die Lichtreflexion auf der Lichteinfallfläche 102 zu reduzieren, wodurch das Licht, welches in die optische Schicht eintritt, verstärkt wird. Eine Mikrostruktur ist auf der Lichtaustrittsfläche 104 gebildet, wodurch das Licht die Lichtaustrittsfläche 104 in einem hohen Brechungswinkel verlässt. Dadurch hat das Licht einen hohen Eintrittswinkel mit Bezug auf die optische Keilscheibe 200. Die Mikrostruktur wird in den folgenden Abschnitten beschreiben.
Die optische Keilscheibe 200 hat eine erste Fläche 202, eine zweite Fläche 204 und eine dritte Fläche 206. Die erste Fläche 202 liegt gegenüber der zweiten Fläche 204 und befindet sich nicht parallel zu der zweiten Fläche 204. Die erste Fläche 202 hat einen Winkel im Bezug auf die zweiten Fläche 204. Die dritte Fläche 206 liegt neben der ersten Fläche 202 und der zweiten Fläche 204. Das Licht, welches die optische Schicht 100 verlässt, tritt in die erste Fläche 202 ein und erreicht dann die zweite Fläche 204. Da sich zwischen der ersten Fläche 202 und der zweiten Fläche 204 ein Winkel befindet, erreicht das Licht die zweite Fläche 204 in einem Winkel, welcher größer ist als der kritische Winkel der Totalreflexion. Das reflektierte Licht breitet sich in der optischen Keilscheibe 200 durch totale Reflexion aus und verlässt die optische Keilscheibe 200 aus der dritten Fläche 206. Das Licht wird schließlich von dem photoelektrischen Chip 300 nahe der dritten Fläche 206 aufgenommen. Der Winkel zwischen der ersten Fläche 202 und der zweiten Fläche 204 ist größer als 0° und kleiner als 80°.
Um Licht zu verstärken, welches in die optische Schicht 100 eintritt, kann bei diesem Ausführungsbeispiel eine Mikro/Nano-Struktur mit antireflektierender Funktion auf der Lichteinfallfläche 102 gebildet werden. Zusätzlich – da das Lichtkonzentrationsmodul 1000 auf einem Fensterglas angewendet werden kann – kann eine Mikro/Nano-Struktur mit wasserabweisenden Eigenschaften auf der Lichteinfallfläche 102 gebildet werden oder ein wasserabweisendes Material kann auf die Lichteinfallfläche beschichtet sein, um zu verhindern, dass sich Regentropfen auf dem Fensterglas festsetzen. Das wasserabweisende Material kann Polyvinylidenfluorid, Polysulfon, reaktives modifizierendes Agens mit wasserfreiem Polymer, Siliziumgummi, Acrylnitril-Butadien-Styren, oder PTFE sein.
Eine Mikro/Nano-Struktur mit anti-reflektiver oder wasserabweisender Funktion ist, wie in 3 gezeigt, aus einer einlagigen Schicht gebildet. Eine Mikro/Nano-Schicht 15 ist auf der optischen Schicht 100 gebildet. Eine Metallschicht 17 ist auf der Mikro/Nano-Schicht 15 gebildet. Die Mikro/Nano-Schicht 15 umfasst eine dreidimensionale Struktur 152 mit einem Querschnitt, welcher sich von einem oberen zu einem unteren Abschnitt allmählich vergrößert. Die Periode der dreidimensionalen Struktur 152 ist 100~600 nm (die Periode zeigt die Entfernung vom oberen Ende einer der dreidimensionalen Strukturen 152 zum oberen Ende der nächsten dreidimensionalen Struktur an), und die Höhe beträgt 100~750 nm. Das Material der Metallschicht 17 kann Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Kupfer, Chrom, Zinndioxid oder ITO sein. Die Dicke beträgt weniger als 150 nm.
Die Mikro/Nano-Schicht 15 kann durch das folgende Verfahren gebildet werden. Die dreidimensionale Form wird auf der Umgebung einer Walze durch ein Lithografie- und Ätzverfahren gebildet. Ein Polymersubstrat mit einer hohen Transparenzeigenschaft ist vorgesehen. Die Oberfläche des Polymersubstrats wird mit UV-Gel bestrichen. Das Polymersubstrat wird an die dreidimensionale Form befestigt und UV-Licht ausgesetzt, wodurch das UV-Gel erhärtet wird. Schließlich ist die dreidimensionale Struktur 152 gebildet. Da zwischen der dreidimensionalen Struktur 152 viele Lücken existieren, berühren Regentropfen eine kleinere Fläche, um Haftkraft zu reduzieren, wodurch die wasserabweisende Funktion erhalten wird. Eine Metallschicht 17 ist auf der Mikro/Nano-Schicht 15 gebildet, um dem Licht Hindurchtreten und Reduzieren der Reflexionsrate auf der Innenseite zu gestatten, wodurch eine anti-reflektive Funktion erreicht wird. Eine hartbeschichtete Schutzschicht ist auf der (nicht gezeigten) Metallschicht 17 gebildet.
Um einen großen Einfallswinkel für das Licht, welches auf die erste Fläche 202 trifft, zu erhalten, ist eine Mikrostruktur auf der Lichtaustrittsfläche 104 gebildet, wie in den 4 und 5 gezeigt. 4 stellt die Mikrostruktur des V-förmigen Querschnitts dar (der optimale obere Winkel liegt zwischen 40° und 90°). 5 stellt die Fresnel-Linsenstruktur dar. Die Fresnel-Linse ist durch Teilen einer typischen Linse in mehrere Abschnitte und Eliminieren des mittleren Bereiches, welcher den dicksten Teil einer Linse darstellt, gebildet, wodurch die Dicke der Linse reduziert wird, während die Fokussierfunktion erhalten bleibt.
Die Fresnel-Struktur ist auf der Lichtsaustrittsfläche 104 mittels eines Walze-auf-Walze UV-Verfahrens gebildet. Der Winkel Θ in 5 liegt zwischen 40° und 90°.
Das Verhältnis zwischen dem Winkel der ersten Fläche 202 und der zweiten Fläche 204 und der Lichtsammeleffizienz wird beschrieben. Die Lichtsammeleffizienz ist das Verhältnis des Lichts, welches die dritte Fläche 206 verlässt, zu dem Licht, welches die optische Schicht 100 betritt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Mikrostruktur der Lichtaustrittsfläche 104 die V-förmige Nut, wie in 4 gezeigt. Der obere Winkel beträgt 51°. 6 zeigt das Verhältnis zwischen dem Winkel der ersten Fläche 202 und der zweiten Fläche 204 und die Lichtsammeleffizienz. Die X-Achse stellt den Winkel der ersten Fläche 202 dar, und die Y-Achse stellt die Lichtkollationseffizienz dar. In 6 gibt es drei Kurven, bei welchen ∅ bedeutet, dass der Winkel 0,5° beträgt, • bedeutet, dass der Winkel 1° beträgt, und
bedeutet, dass der Winkel 1,5° beträgt. 6 zeigt, dass je größer der Winkel ist, desto besser ist die Lichtsammeleffizienz. Die optische Weitwinkel-Keilscheibe ist schwierig herzustellen. Für ein Paneel von 8 Inch (20,32 cm) beträgt der Winkel zwischen 0° und 10°. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Entfernung von der optischen Schicht 100 zu der optischen Keilscheibe 200 1 μm bis 1 mm, die Tiefe der V-förmigen Nut beträgt 1 μm bis 5 μm, und der obere Winkel der V-förmigen Nut liegt zwischen 40° und 90°.
Um die Lichtsammeleffizienz zu steigern, kann die Mikrostruktur auch auf der dritten Fläche 206 gebildet werden.
Während die Erfindung beispielhaft und mittels bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist. Im Gegenteil, es ist beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und ähnliche Anordnungen abzudecken (wie für den Fachmann offensichtlich). Daher sollte dem Umfang der angehängten Ansprüche die breitest mögliche Interpretation zukommen, um alle Modifikationen und ähnliche Anordnungen abzudecken.

Claims

Ein Lichtkonzentrationsmodul, umfassend eine optische Schicht mit einer Lichteinfallfläche und einer Lichtaustrittsfläche, welche der Lichteinfallfläche gegenüberliegt, wobei eine Mikro/Nanostruktur auf der Lichteinfallfläche ausgebildet ist, und wobei die Mikro/Nanostruktur eine auf der optischen Schicht gebildeten Mikro/Nanoschicht umfasst; eine optische Keilscheibe mit einer ersten Fläche, einer zweiten Fläche, welche der ersten Fläche gegenüberliegt und welche einen Winkel mit Bezug zu der ersten Fläche hat, und einer dritten Fläche benachbart zu der ersten und zweiten Fläche; und mindestens einen photoelektrischen Chip, welcher sich in der Nähe der dritten Fläche befindet, bei welchem Licht aus einer Lichtquelle die optische Schicht durchdringt, und bei welchem das Licht in die erste Fläche des optischen Keils in einem passenden Einfallswinkel eintritt und sich durch Totalreflexion zwischen der ersten und der zweiten Fläche in der optischen Keilscheibe ausbreitet, und das Licht die optische Keilscheibe aus der dritten Fläche verlässt und von dem photoelektrischen Chip aufgenommen wird, und eine auf der dritten Fläche gebildete Mikrostruktur, wobei Licht durch die Mikrostruktur hindurchtritt, um das von dem photoelektrischen Chip gesammelte Licht zu verstärken.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Fläche größer als 0° und kleiner als 80° ist.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die optische Keilscheibe hochtransparentes Material umfasst.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem der photoelektrische Chip chemische Elemente umfasst, welche in Abschnitt III oder V der periodischen Tabelle aufgelistet sind.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die optische Schicht hochtransparentes Material umfasst.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die Mikro/Nanostruktur auf der Lichteinfallfläche eine Vielzahl von dreidimensionalen Strukturen umfasst, deren Querschnitte jeweils Breiten haben, welche von oben nach unten allmählich weiter wird, und bei welchem die dreidimensionale Strukturen eine Periode von 100 nm bis 600 nm und eine Höhe von 100 nm bis 570 nm haben.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die Mikro/Nano-Struktur weiterhin eine Metallschicht umfasst, welche auf der Mikro/Nanoschicht gebildet ist.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 7, bei welchem die Metallschicht Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Kupfer, Chrom, Zinndioxid oder ITO umfasst.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 7, bei welchem die Dicke der Metallschicht weniger als 150 nm beträgt.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die Mikro/Nanostruktur weiterhin eine Hartbeschichtung auf der Metallschicht umfasst.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die Lichteinfallfläche mit wasserabweisendem Material beschichtet ist, welches Polyvinylidenfluorid, Polysulfon, reaktives modifizierendes Agens mit wasserfreiem Polymer, Siliziumgummi, Acrylnitril-Butadien-Styren, oder PTFE umfassen kann.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem das Licht die optische Schicht zu einem Winkel, welcher größer als 50 Grad und kleiner als 90 Grad ist, verlässt.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 1, bei welchem eine Mikrostruktur auf der Lichtaustrittsfläche gebildet ist.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 13, bei welchem der Querschnitt der Mikrostruktur V-förmig ist.
Lichtkonzentrationsmodul nach Anspruch 13, bei welchem die Mikrostruktur eine Fresnel-Linsenstruktur ist.