TW201344939A - 具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組。該太陽能電池模組包含一反射式聚光鏡；一紅外光阻隔元件及一太陽能電池晶片。本發明所提出之具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組，可有效降低紅外光波長能量所產生之熱能，以消除聚光型太陽能電池模組溫度過高的問題。

Description

具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組

本發明係有一種太陽能電池模組，其特別有關於一種具有紅外光阻隔元件之聚光型太陽能電池模組。藉由使用該紅外光阻隔元件，可有效降低紅外光輻射所產生之熱能，以消除反射式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、一主要反射式聚光鏡130、一次要反射式聚光鏡140及一散熱元件150。當太陽光入射時，會先經由該主要反射式聚光鏡130反射至該次要反射式聚光鏡140，再經由該次要反射式聚光鏡140反射至該光伏電池120上。其中，當入射光照射至主要反射式聚光鏡130時，與該主要反射式聚光鏡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於提供一種具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組，其係藉由一簡單、迅速之方法製作一紅外光阻隔元件，應用於該聚光型太陽能電池模組中以有效消除聚光型太陽能電池模組溫度過高的問題。

為達上述目的，本發明提供一種具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組，其至少包含：一反射式聚光鏡，係用於反射太陽光以形成一聚光區；一太陽能電池晶片，係設置於該反射式聚光鏡所形成之該聚光區，該太陽能電池晶片之一受光面係朝向該反射式聚光鏡；以及一紅外光阻隔元件，係配置於該反射式聚光鏡、該聚光區與該太陽能電池晶片之上方，接近該太陽能電池晶片相對於受光面之另一面，作為阻隔紅外光能量之元件，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。

根據本發明之反射式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。

根據本發明之反射式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。

根據本發明之反射式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。

本發明之具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組具有以下功效：

1.　由於紅外光波段(>1100nm)可由該紅外光阻隔元件吸收，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.　該紅外光阻隔元件相較於一般的散熱方法與結構，其之製作方法簡單，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.　由於此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及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。

本發明將揭示一種具有紅外光阻隔元件之反射式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具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組200之結構示意圖，其至少包含：反射式聚光鏡210、一紅外光阻隔元件220以及一太陽能電池晶片230。

該反射式聚光鏡210，係用於反射太陽光以形成一聚光區。該太陽能電池晶片230，係設置於該反射式聚光鏡210所形成之該聚光區，該太陽能電池晶片230之一受光面係朝向該反射式聚光鏡230。

該紅外光阻隔元件，係配置於該反射式聚光鏡210、該聚光區與該太陽能電池晶片230之上方，接近該太陽能電池晶片230相對於受光面之另一面，作為阻隔紅外光能量之元件。該紅外光阻隔元件220可利用多種塗佈方式將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220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。且該太陽能電池晶片係直接黏著於該紅外光阻隔元件上。

於本發明之另一實施例中，該紅外光阻隔元件220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220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4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230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，銅銦鉀硒(CIGS)太陽能電池與染料敏化太陽能電池之一。該太陽能電池晶片230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板220上，或是可將其裸晶片直接黏著、封裝於電路板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。

於本發明較佳實施例中，太陽能電池晶片230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220對於700nm的太陽光仍有70%以上的穿透率(請參照第三圖)，因此可以有效的減少80%以上的熱量產生。且該反射式聚光鏡之聚光倍率係介於500倍到900倍之間。

於本發明另一較佳實施例中，太陽能電池晶片230係選自於染料敏化太陽能電池，由於該太陽能電池若使用透明相對電極時，其為可兩面透光之太陽能電池。因此，當染料敏化太陽能電池配置於紅外光阻隔元件220之下方時，工作電極面可吸收來自反射式聚光鏡210聚焦之太陽光，而另一方面，太陽光又可穿透透明相對電極而激發工作電極上的染料產生電子，如此一來即可增加太陽入射光之能量。且該反射式聚光鏡之聚光倍率係介於300倍到600倍之間。

請參照第4圖，其顯示為本發明第二實施例之具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組300結構示意圖。本實施例之具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組300結構主要包含：一反射式聚光鏡210，能夠反射太陽光至該反射式聚光鏡近側聚焦，而形成一聚光區；一紅外光阻隔元件220，係配置於該反射式聚光鏡及該聚光區上方；一二次反射式聚光鏡310，係配置於該紅外光阻隔元件下方，一太陽能電池晶片230，配置於該聚光區內，且該太陽能電池晶片230之一受光面係朝向該二次反射式聚光鏡310反射至該聚光區的太陽光；一管件320，座落於該聚光區內，並鄰近於該太陽能電池晶片230，且該管件320雙端分別形成一位於該反射式聚光鏡210反射太陽光之聚焦位置的寬管口，及一位於該受光面之相對端的窄管口；及一反光通道330，形成於該寬管口及該窄管口之間，且該反光通道330自該寬管口朝該窄管口方向逐漸縮口，該反光通道330並具有一可供太陽光於該反光通道330內進行多次反射的特定長度，該特定長度係依據其所反射之太陽光的波長加以設定。

藉由上述，經由該反射式聚光鏡210及該二次反射式聚光鏡310反射至聚光區240內之多道太陽光線，能夠聚焦於該管件320之寬管口，進而透入該反光通道330內，致使所述太陽光線於該反光通道330內進行多次反射，且所述太陽光線的反射次數受到該反光通道330之逐漸縮口的內壁影響，而朝該窄管口方向逐漸增多。因此能夠反射所述太陽光經由該窄管口均勻照射該受光面，驅使該太陽能電池晶片230發電；據此，克服了第一實施例中，由於多道太陽光線之間強、弱上的差異，而導致太陽能電池表面接受太陽光照射強度不均勻的問題，以確保太陽能電池晶片230的正常發電效率。

本發明之第一實施例與第二實施例之具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組，更包含一殼體250用以支撐上述之太陽能電池模組結構。該殼體250與該反射式聚光鏡210形成一腔室260。該反射式聚光鏡210係配置於該腔室260上方，能夠反射外界太陽光至反射式聚光鏡210近側的腔室260內聚焦，而於腔室260內形成一聚光區；該反射式聚光鏡210在本實施上可呈弧凹狀，且反射式聚光鏡210中央以弧凹形態向下方伸入該腔室260內，而於該反射式聚光鏡210頂部形成一朝向上方的弧凹狀反光面，並間隔腔室260形成該聚光區240，致使聚光區240位於紅外光阻隔元件220與弧凹狀反光面之間，且該反射式聚光鏡210是經由弧凹狀反光面反射外界太陽光進入該聚光區240內聚焦。該弧凹狀反光面係由高反射率之反光材料佈設而成，該反光材料可為鋁或銀等。

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具有紅外光阻隔元件之反射式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，本發明之聚光型太陽能電池模組具有下列之功效：

1.　由於紅外光波段(>1100nm)可由該紅外光阻隔元件吸收，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.　該紅外光阻隔元件相較於一般的散熱方法與結構，其之製作方法簡單，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.　由於此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及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．．．主要反射式聚光鏡

140．．．次要反射式聚光鏡

150．．．散熱元件

200．．．第一實施例之反射式聚光型太陽能電池模組

210．．．反射式聚光鏡

220．．．紅外光阻隔元件

230．．．太陽能電池晶片

240．．．聚光區

250．．．殼體

260．．．腔室

300．．．第二實施例之反射式聚光型太陽能電池模組

310．．．二次反射式聚光鏡

320．．．管件

330．．．反光通道

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：

圖1先前技術之反射式聚光型太陽能裝置示意圖；

圖2為本發明第一實施例之具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組之結構示意圖；

圖3顯示為本發明之紅外光阻隔元件之光穿透率示意圖；以及

圖4顯示為本發明第二實施例之具有紅外光阻隔元件之反射式聚光型太陽能電池模組之結構示意圖

200．．．第一實施例之反射式聚光型太陽能電池模組

210．．．反射式聚光鏡

220．．．紅外光阻隔元件

230．．．太陽能電池晶片

240．．．聚光區

250．．．殼體

260．．．腔室

Claims (9)

1. 一種反射式聚光型太陽能電池模組，包含：一反射式聚光鏡，係用於反射太陽光以形成一聚光區；一太陽能電池晶片，係設置於該反射式聚光鏡所形成之該聚光區，該太陽能電池晶片之一受光面係朝向該反射式聚光鏡；以及一紅外光阻隔元件，係配置於該反射式聚光鏡、該聚光區與該太陽能電池晶片之上方，接近該太陽能電池晶片相對於受光面之另一面，作為阻隔紅外光能量之元件，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項所述之反射式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，銅銦鉀硒(CIGS)太陽能電池與染料敏化太陽能電池之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之反射式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項所述之反射式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項所述之反射式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項所述之反射式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項所述之反射式聚光型太陽能電池模組，其中該反射式聚光鏡之聚光倍率係介於500倍到900倍之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之反射式聚光型太陽能電池模組，其中反射式聚光鏡之一弧凹狀反光面係由高反射率之反光材料佈設而成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之反射式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於該紅外光阻隔元件上。