TW201344929A - 低發熱量之聚光型太陽能電池模組 - Google Patents

低發熱量之聚光型太陽能電池模組 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種低發熱量之聚光型太陽能電池模組。該太陽能電池模組至少包含一個太陽能電池晶片；一電路承載板；一聚光鏡及一紅外光阻隔元件。該聚光型太陽能電池模組可有效降低紅外光輻射所產生之熱能，以消除聚光型太陽能電池模組溫度過高的問題。此外，本發明所提出用於該聚光型太陽能電池模組之紅外光阻隔元件之製程方法簡單，可有效降低製作成本。

Description

低發熱量之聚光型太陽能電池模組
本發明係有一種太陽能電池模組，其特別有關於一種聚光型太陽能電池模組，藉由使用一種於紅外光區有較低之透光率之紅外光阻隔元件，可有效降低紅外光輻射所產生之熱能，以消除聚光型太陽能電池模組溫度過高的問題。
太陽能做為新能源來源的轉換器，具有結構簡單、不會產生再生汙染等優點，是一種「乾淨能源」，因而被廣泛地進行研發、利用。其中，聚光型太陽能電池(Concentrating photovoltaic,CPV)主要係利用透鏡將太陽光聚集在狹小的面積上以提高發電效率。然而在高倍率聚光條件下，太陽能電池模組之溫度會隨著聚光倍率越高而快速上升，導致電池內部暗電流大量上升而降低電池轉換效率。
參照美國專利案第7851693號，其標題為“被動冷卻式聚光型太陽能裝置，Passively cooled solar concentrating photovoltaic device”，該專利揭示之聚光型太陽能裝置100如第1圖所示，其包含一光學元件110、一光伏電池120、一主要反射鏡130、一次要反射鏡140及一散熱元件150。當太陽光入射時，會先經由該主要反射鏡130反射至該次要反射鏡140，再經由該次要反射鏡140反射至該光伏電池120上。其中，當入射光照射至主要反射鏡130時，與該主要反射鏡130連接之散熱元件150即可將熱量導出。然而，多次反射及反射面的不均勻皆可能會造成入射光能量的損失，因而降低太陽能電池之發電效率。
需注意的是，太陽光的能量中約有51%為紅外光(Inferred Radiation)、47%為可見光(Visible Light)，另有2%為紫外光(Ultraviolet Radiation)。當使用聚光型太陽能電池進行電能轉換時，由於材料本身的能隙(energy bandgap)對光譜吸收能力的限制，並無法百分百將光能轉換成電能輸出，因此進入太陽能電池內多餘的紅外光(>1100nm)容易形成熱能囤積在電池中造成元件溫度的上升，導致電池內部暗電流大量上升而降低電池轉換效率。因此，如何降低進入太陽能電池之多餘的紅外光是亟待解決的問題。
有鑑於此，本發明之發明人乃細心研究，提出低發熱量之聚光型太陽能電池模組。藉由使用一紅外光阻隔元件，該模組可有效降低紅外光輻射所產生之熱能，進而消除聚光型太陽能電池模組溫度過高的問題。
本發明之主要目的在提供一種低發熱量之聚光型太陽能電池模組，能有效消除聚光型太陽能電池模組溫度過高的問題。藉此，該模組亦可以更高的聚光倍率，並使用低成本之電池晶片。
為達上述目的，本發明提供一種低發熱量之聚光型太陽能電池模組，其包含：一太陽能電池晶片；一電路承載板，係設置於該太陽能電池晶片之下方，用以承載該太陽能電池晶片；一折射式聚光鏡，係設置於該太陽能電池晶片之上方，用以將太陽光聚集於該太陽能電池晶片上；以及一紅外光阻隔元件，係設置於該折射式聚光鏡之上方，該紅外光阻隔元件在400nm至750nm之光穿透率係介於60%~90%之間，且在1100nm至1500nm之光穿透率係介於10%~50%之間。
根據本發明之低發熱量之聚光型太陽能電池模組之一特徵，其中該太陽能電池晶片係選自於矽薄膜太陽能電池與染料敏化太陽能電池之一。
根據本發明之低發熱量之聚光型太陽能電池模組之一特徵，其中該紅外光阻隔元件係由一紅外光吸收層塗佈於一透明基板上所形成，且該透明基板之材質係選自於玻璃與塑膠之一。
根據本發明之低發熱量之聚光型太陽能電池模組之一特徵，其中該紅外光阻隔元件係直接一體成型成為一紅外光吸收玻璃。
本發明之低發熱量之聚光型太陽能電池模組具有以下功效：
1.　由於可由該紅外光阻隔元件降低紅外光波段(>1100nm)入射到電池晶片的能量，而短波長部份(<1100nm)則由太陽能電池材料吸收，因此可有效降低整體太陽能電池產生之熱量約80%。
2.　本發明直接有效降低入射光所產生之熱量，因此不需額外複雜的散熱結構。
3.相較於一般的散熱方法與結構，該紅外光阻隔元件之製作方法簡單，成本低廉，可使用浸鍍、旋塗、噴塗或網印方式將吸收紅外線塗料塗佈於玻璃上，使之達到紅外光吸收效果。。
4.　該太陽能模組之製作成本低廉，因此不僅可應用於三五族高效率太陽電池上，亦可有效的應用於單晶矽、多晶矽太陽能電池、非晶矽薄膜太陽能電池或染料敏化太陽能電池上。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文申說明者係為本發明可之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。
本發明將揭示一種低發熱量之聚光型太陽能電池模組200。請參照第2圖，其顯示為本發明第一實施例之低發熱量之聚光型太陽能電池模組200之結構示意圖，其至少包含：一太陽能電池晶片210、一電路承載板220、一折射式聚光鏡230以及一紅外光阻隔元件240。
該紅外光阻隔元件240可利用各種塗佈方式，例如使用浸鍍、旋塗、噴塗或網印方式，將一紅外光吸收層塗佈於一透明基板上。其中該透明基板之材質係選自於玻璃與塑膠之一。於本發明之一實施例中，該紅外光阻隔元件240係由在加熱之透明基板上塗佈一紅外光吸收層之塗料而製成，該紅外光吸收層之材料係為一金屬氧化物，金屬係選自包含銻、鎢、釩、鐵、鉻、鉬、鈮、鈷、鎳、錫或其混合物。此一組合可有效控制太陽光譜之輻射熱部份，使得經這些膜塗覆之透明基板將具有大為加強之性質。
需注意地的是，於本發明之又一實施例中，該紅外光阻隔元件係由上述之紅外光吸收層之材料直接塗佈於該折射式聚光鏡接收入射光之一表面上。
於本發明之另一實施例中，該紅外光阻隔元件240係利用一溶膠-凝膠法製備並披覆於透明基板上。舉例來說，該溶膠-凝膠法係包含下列步驟：
(1)以化學合成的方式將一有機金屬化合物與一碳氫化合物送入一反應系統中，該反應系統之溫度係在25℃至100℃之間；
(2)形成一溶膠，該溶膠係由該有機金屬化合物與該碳氫化合物化合而成；
(3)將一透明基板浸鍍於該溶膠中，形成一第一金屬氧化物塗層；
(4)以一第一溫度加熱該第一金屬氧化物塗層。
於本發明之另一實施例中，該紅外光阻隔元件240係以直接一體成型成為一紅外光吸收玻璃。作為紅外光吸收元件220之材料主要由五氧化二磷(P2O5)、鹼土金屬氧化物(以RO表示)、鹼金屬氧化物(以R2O表示)、玻璃改質氧化物及光能控制添加劑等成分所組成。
鹼土金屬氧化物如氧化鈣(CaO)、氧化鋇(BaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鍶(SrO)，鹼金屬氧化物如氧化鈉(Na2O)、氧化鋰(Li2O)、氧化鉀(K2O)，玻璃改質氧化物係氧化鋅(ZnO)、氧化鉛(PbO)或氧化鋁(Al2O3)、或同時含有氧化鋅、氧化鉛及氧化鋁，光能控制添加劑係氧化銅(CuO)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化錳(MnO2)或氧化錫(SnO)、或同時含有氧化銅(CuO)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化錳(MnO2)或氧化錫(SnO)。而各該組成成分之莫耳百分率如下：五氧化二磷(P2O5) 40~65%氧化鋅(ZnO) 0~20%氧化鉛(PbO) 0~28%鹼金屬氧化物(R2O) 0~20%鹼土金屬氧化物(RO) 0.5~10%氧化鋁(Al2O3) 0.5~5%氧化銅(CuO) 0~5%氧化鐵(Fe2O3) 0~10%氧化錫(SnO) 0.5~8%氧化錳(MnO2) 0~2%。製作時，係先將原料調配與混合，再將混合均勻之粉末裝填於氧化鋁或白金坩堝中，置入爐中以1000~1200℃之溫度(視玻璃組成而定)恆溫持溫1~5小時，以使各成份完全熔融並達均質化。然後將熔融之玻璃液傾倒於金屬模中成型，經退火後再拋光而得。
其中，氧化鋅與氧化鉛同時添加可有效的提高玻璃之化學耐久性。氧化鉛可降低玻璃之熔製溫度及玻璃之轉移溫度。氧化鋁可有效的提高玻璃之化學耐久性，提高玻璃之轉移溫度，降低玻璃之熱膨脹係數，但也會使玻璃之熔製溫度升高。此外，玻璃中鹼金屬氧化物也可降低玻璃之熔製溫度，但會使玻璃之化學耐久性變差。需添加氧化鋁或以部份鹼土金屬氧化物取代以改善之。氧化銅之加入對於>650 nm之近紅外光有很好的吸收效果，對於厚度為2mm之玻璃，1~2 mol%之氧化銅可使玻璃在780 nm之光穿透率降低至5~20%，氧化銅含量愈高則紅外光之吸收效果愈好，但也使玻璃可見光之穿透率下降。氧化錳之加入可提高含銅紅外光吸收玻璃之可見光穿透率，並使紫外光吸收邊之波長往長波長方向遷移，對紫外光提供較佳之吸收效果。但過量氧化錳(>0.3 mol%)之添加反而會使可見光穿透率下降。氧化鐵(Fe2O3)之加入，有提高玻璃之化學耐久性及吸收紫外光之效果，但對於紅外光之吸收並不明顯，過量氧化鐵(>5 mol%)之添加會使可見光穿透率急速下降。在同時含有氧化鐵及氧化銅兩種光能控制添加劑之玻璃，包括氧化鐵將扮演吸收紫外光之角色，而氧化銅則扮演吸收紅外光之角色。在僅含有氧化鐵一種光能控制添加劑之玻璃，需添加氧化錫(SnO)以調控玻璃中鐵璃子之價數，使部份Fe+3轉變成Fe+2以使玻璃能吸收紅外光。氧化錫含量不足之玻璃因Fe+2之量少，對於吸收紅外光之效果不佳。
光與物質之作用包含了穿透、吸收與反射。現請參照第3圖，其顯示一種實施例下該紅外光阻隔元件240之光穿透率。藉由調整該紅外光吸收元件220之材料，該紅外光吸收元件220在400nm至750nm之光穿透率係介於60%~90%之間，且在1100nm至1500nm之光穿透率係介於10%~50%之間。該紅外光吸收元件在1100nm至1500nm之光吸收率係介於50%~90%之間。
習知之聚光型太陽能電池之種類皆使用三五族化合物太陽能電池，並可通過使用透鏡將光聚集到狹小的面積上來提高發電效率，因此尚有額外的容置空間可用以配置其它種類之太陽能電池，藉以提高發電量。而本發明之太陽能電池晶片210係選自於單晶矽太陽能電池，多晶矽太陽能電池，矽薄膜太陽能電池，三五族化合物太陽能電池，染料敏化太陽能電池，碲化鎘(CdTe)太陽能電池與銅銦鉀硒(CIGS)太陽能電池之一。
於本發明較佳實施例中，太陽能電池晶片210係選自於非晶矽薄膜太陽能電池，其能隙約為1.8eV，可吸收700nm以下的太陽光，而本發明所使用之紅外光阻隔元件240對於700nm的太陽光仍有70%以上的穿透率，因此可以有效的減少80%以上的熱量產生。在另一較佳實施例中，太陽能電池晶片210使用於染料敏化太陽能電池。
該電路承載板220係設置於該太陽能電池晶片之下方，用以電性連接該太陽能電池晶片。在太陽能電池封裝結構中，其散熱路徑一般有兩種途徑：一種為太陽能電池直接經封裝表面向外散熱至外界空氣中，另一方面則是由封裝結構中之錫球(solder)或導線架將熱傳遞到該電路承載板220上，再藉由該電路承載板220將熱傳遞至外界空氣中。
該折射式聚光鏡230係設置於該太陽能電池晶片210之上方，用以將太陽光聚集於該太陽能電池晶片210上。該紅外光阻隔元件240係設置於該聚光鏡230之上方。其中，該紅外光阻隔元件240係設置於該聚光鏡230上方時，其所形成之空間可灌注氮氣或抽真空狀態，以增加隔熱特性。
當本發明於使用時，係利用太陽光照射先穿透過該紅外光阻隔元件240後再照射至折射式聚光鏡230外部，入射光線經過折射式聚光鏡230進行導光、收光的作用，再直接聚集至太陽能電池晶片210，便可藉由太陽能電池晶片210將光能轉換成電能後，再輸出至電路承載板220上所連結之充電電池組進行充電，或是可直接傳輸至外部電源供應模組提供電子裝置所需之電力，從而實現光能轉換成電能之目的。
當太陽光照射穿過該紅外光阻隔元件240後，可減少紅外光波長之能量吸收，經由該折射式聚光鏡230聚集在該太陽能電池晶片210上時，可有效降低紅外光輻射所產生之熱能，以降低該聚光型太陽能電池模組200之發熱量。
請參照第4圖，其顯示為本發明另一實施例之低發熱量之聚光型太陽能電池模組300結構示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於該紅外光阻隔元件240係設置於該折射式聚光鏡230與太陽能電池晶片210之間。本實施例之優點在於可縮小太陽能電池模組之體積，但仍可有效的過濾入射光之紅外光，減少太陽能電池模組溫度升高。
在本發明之一實施例中，該折射式聚光鏡230之聚光倍率較佳係介於300倍到500倍間。其底部一體成型有呈內凹狀之透光部，並於透光部底面中央處由內向外為可依序環狀排列形成有呈曲面狀、連續段差狀、鋸齒狀等形狀，或是所述之曲面狀、連續段差狀、鋸齒狀的任意組合排列構成之聚光面，使太陽光不同照射角度的光線經過該折射式聚光鏡230後折射至太陽能電池晶片210上，同時增進太陽能電池晶片210所受到的日照強度而提昇取光率，更能提高太陽能電池晶片210的光電轉換效率。
於本發明實施例中，該折射式聚光鏡230具有可調整折射於該太陽能電池晶片210表面之光源焦距大小的功能，光源焦距大小之變化將會影響太陽能電池晶片210表面之溫度，藉以太陽能電池晶片210表面之溫度，以符合不同種類太陽能電池之操作溫度需求。於本創作之較佳實施例中，光源焦距大小可藉由調整該聚光鏡230與該太陽能電池晶片210之距離達成。
太陽能電池模組所具之電路承載板220可為大面積設計，並於電路承載板220上設有複數各太陽能電池晶片210，且該太陽能電池晶片210亦可為單顆封裝表面黏著型(SMT)太陽能晶片直接裝設於電路承載板220上，或是可將其裸晶片直接黏著、封裝於電路承載板220上利用直接封裝方式(Chip on Board，COB)結合成為一體，也可採用覆晶式(Flip-Chip)封裝方式成型來增加有效的收光面積。
本發明以一簡單、迅速之方法製作出於紅外光區有低穿透率之紅外光阻隔元件，利用該紅外光阻隔元件可製作一低發熱量之聚光型太陽能電池模組，可有效降低紅外光輻射所產生之熱能，以降低該聚光型太陽能電池模組之發熱量。
綜上所述，本發明具有下列之功效：
1.　由於可由該紅外光阻隔元件降低紅外光波段(>1100nm)入射到電池晶片的能量，而短波長部份(<1100nm)則由太陽能電池材料吸收，因此可有效降低整體太陽能電池產生之熱量約80%。
2.　本發明直接有效降低入射光所產生之熱量，因此不需額外複雜的散熱結構。
3.相較於一般的散熱方法與結構，該紅外光阻隔元件之製作方法簡單，成本低廉，可使用浸鍍、旋塗、噴塗或網印方式將吸收紅外線塗料塗佈於玻璃上，使之達到紅外光吸收效果。。
4.該太陽能模組之製作成本低廉，因此不僅可應用於三五族高效率太陽電池上，亦可有效的應用於單晶矽、多晶矽太陽能電池、非晶矽薄膜太陽能電池或染料敏化太陽能電池上。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．先前技術之聚光型太陽能裝置
110．．．光學元件
120．．．光伏電池
130．．．主要反射鏡
140．．．次要反射鏡
150．．．散熱元件
200．．．第一實施例之聚光型太陽能電池模組
210．．．太陽能電池晶片
220．．．電路承載板
230．．．聚光鏡
240．．．紅外光阻隔元件
300．．．第二實施例之聚光型太陽能電池模組
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
第1圖聚光型太陽能裝置之先前技術示意圖；
第2圖　本發明第一實施例之聚光型太陽能電池模組之結構示意圖；
第3圖　顯示為本發明之紅外光阻隔元件之光穿透率示意圖；以及
第4圖為本發明第二實施例之聚光型太陽能電池模組之結構示意圖。
200．．．低發熱量之聚光型太陽能電池模組
210．．．太陽能電池晶片
220．．．電路承載板
230．．．聚光鏡
240．．．紅外光阻隔元件

Claims (9)

  1. 一種低發熱量之聚光型太陽能電池模組，包含：一太陽能電池晶片；一電路承載板，係設置於該太陽能電池晶片之下方，用以承載該太陽能電池晶片；一折射式聚光鏡，係設置於該太陽能電池晶片之上方，用以將太陽光聚集於該太陽能電池晶片上；以及一紅外光阻隔元件，係設置於該折射式聚光鏡之上方，該紅外光阻隔元件在400nm至750nm之光穿透率係介於60%~90%之間，且在1100nm至1500nm之光穿透率係介於10%~50%之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該太陽能電池晶片係選自於單晶矽太陽能電池，多晶矽太陽能電池，矽薄膜太陽能電池，三五族化合物太陽能電池，染料敏化太陽能電池，碲化鎘(CdTe)太陽能電池與銅銦鉀硒(CIGS)太陽能電池之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該太陽能電池晶片係選自於矽薄膜太陽能電池與染料敏化太陽能電池之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該紅外光阻隔元件係由一紅外光吸收層塗佈於一透明基板上所形成，且該透明基板之材質係選自於玻璃與塑膠之一。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該紅外光吸收層之材料係為一金屬氧化物，金屬係選自包含銻、鎢、釩、鐵、鉻、鉬、鈮、鈷、鎳、錫或其混合物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該紅外光阻隔元件係直接一體成型成為一紅外光吸收玻璃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該折射式聚光鏡之聚光倍率係介於300倍到500倍間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該太陽能電池晶片係直接黏著該電路承載板上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之聚光型太陽能電池模組，其中該紅外光阻隔元件係由一紅外光吸收材料直接塗佈於該折射式聚光鏡接收入射光之一表面上，其中該紅外光吸收材料係為一金屬氧化物，金屬係選自包含銻、鎢、釩、鐵、鉻、鉬、鈮、鈷、鎳、錫或其混合物。
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