TW201539971A - 利用剪紙工藝啟發之微結構於平板光伏打面板之自主太陽能追蹤 - Google Patents

利用剪紙工藝啟發之微結構於平板光伏打面板之自主太陽能追蹤 Download PDF

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Kyu-Sang Lee
Matthew Shlian
Chih-Wei Chien
Peicheng Ku
Aaron Lamoreux
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Univ Michigan
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Abstract

本發明揭示供在太陽能追蹤應用中使用之剪紙工藝啟發之結構。當與薄膜活性材料耦合時，所揭示之微結構可追蹤太陽位置並最大化太陽能發電。在一項實施例中，揭示一種光伏打系統，其包括：單軸或多軸太陽能追蹤結構，其包括由撓性材料製成之支撐結構，該支撐結構具有經界定單元電池結構；及撓性光伏打電池，其安置於該支撐結構上。亦揭示製作此類結構之方法，其中光伏打電池藉由諸如冷焊之直接附接接合程序安裝至該支撐結構。

Description

利用剪紙工藝啟發之微結構於平板光伏打面板之自主太陽能追蹤
本申請案主張於2013年11月29日提出申請之美國臨時申請案第61/910,160號之優先權，該申請案之全部內容以引用方式併入本文中。
關於由聯邦政府贊助之研究之聲明
本發明係在美國政府支援下依據由國家科學基金會授予之合同第NSF ERFI-1240264號而做出。政府具有本發明之某些權利。
聯合研究協議
本發明之標的物係由、代表及/或結合聯合大學協作研究協定(joint university-corporation research agreement)的以下各方中之一方或多方作出：NanoFlex電力公司(NanoFlex Power Corporation)及密歇根大學(University of Michigan)之董事。該協議在準備好本發明之標的物之日期當天及之前生效，且係作為在該協議範疇內進行之活動之結果而達成。
本發明係關於光伏打(PV)面板，且更特定而言係關於啟用利用折紙工藝啟發之微結構於PV面板之自主太陽能追蹤。
有效太陽能能量轉換需要經由諸如太陽能追蹤及集中之手段在給定區中儘可能多地收集光子。雖然平板光伏打(PV)面板因其低成本 及對建築整合之直接相容性而具吸引力，但其通常安裝於固定位置處，此使得太陽能追蹤及/或集中極具挑戰性。
光學追蹤增加太陽能面板之電力輸出，但習用追蹤系統成本高、複雜，且需要笨重結構組件來支撐系統重量及風力載荷。此外，太陽能追蹤顯著地貢獻於總太陽能其他系統成本，如今其超過了模組成本本身。出於此等原因，表示顯著貢獻於太陽能市場之傾斜屋頂光伏打整體缺少太陽能追蹤選項。
發明人已發現與薄膜活性材料組合之剪紙工藝結構可用作追蹤太陽位置，從而最大化太陽能發電之簡單構件。此等系統之低構形、輕重量及連續性性質提供優於傳統機構之優點，其中通常需要額外組件及機械支撐件來同步化面板之間的追蹤並容納由風力載荷引起之力。其使用因而可引出在諸如廣泛屋頂安裝之傳統設定中利用之新太陽能追蹤系統。當與薄膜及低成本太陽能電池組合時，此等系統可顯著地降低目前限制太陽能發電部署之模組及其他系統成本兩者。
除上述優點之外，剪紙工藝啟用之系統在製作及材料兩者中亦係成本有效的，且此等構造可擴展用於大範圍的光學及機械應用中，包含相陣列雷達及光束控制。
因此，揭示達成平板架構中之自主太陽能追蹤的折紙工藝啟發之微結構。基本原理在於將半導體太陽能材料形變為紙狀薄膜並形成如將在實際紙張上形成之折紙工藝類型結構。不同於其系統功能依賴於每一個別部分之集體運動的習用MEMS，折紙工藝結構以集體連續方式將其本身形變，該方式受「紙」之摺疊幾何形狀及微觀紋理支配。施加於折紙工藝結構中之力不是局部化的，而是分佈於整個結構，又受拓撲及微紋理支配。此揭示內容採用折紙工藝藝術之此等獨特性質來達成平板PV面板中之自主太陽能追蹤。
在一項實施例中，揭示一種光伏打系統，其包括：單軸或多軸 太陽能追蹤結構，其包括具有撓性材料之支撐結構，該支撐結構具有經界定單元電池結構；以及撓性光伏打電池，其安置於該支撐結構上。
在實施例中，該單元電池係由該支撐結構中之開口圖案界定，其中該開口圖案包括切割長度(L C )、未切割長度(L U )及切口之間的間距(W C )，其等可以無因次參數R 1 及R 2 來表達，其中 且。
在實施例中，R 1 =R 2 。
在另一實施例中，揭示一種製作包括太陽能追蹤結構之光伏打系統的方法，該方法包括在支撐結構上形成切口或開口圖案。切口或開口圖案界定單元電池結構並提供摺疊幾何形狀及微觀紋理至半導體太陽能材料。在一項實施例中，界定單元電池結構之切口或開口具有切割長度(L C )、未切割長度(L U )及切口之間的間距(W C )，其等可以無因次參數R 1 及R 2 來表達，其中 且，且R 1 =R 2 。
製作光伏打系統之方法包括：用金屬塗佈支撐結構之一個表面；形成包括撓性晶體半導電材料之光伏打電池；用金屬塗佈光伏打電池之一個表面；以及藉由諸如冷焊之直接附接接合程序將光伏打電池安裝於支撐結構上。
在一項實施例中，藉由所揭示之方法製成之結構類似於藉由在薄片上之線性及偏移切割形成之經擴張網，該結構經拉伸以使得該結構之元件傾側並追蹤光源以達成所要入射角度。在另一實施例中，做出切口以使得使基底薄片彎曲允許彼薄片之部分保持平坦並亦追蹤光源。兩個實施例可與亦可利用折紙工藝技術製成之溫斯頓式(Winston-like)集光器/聚光器光學件耦合。在附件中更完整地闡述實例性實施 例。
除上文論述之標的物之外，本發明亦包含數個其他例示性特徵，諸如下文闡釋之特徵。應理解，以上闡述及以下闡述兩者僅係例示性的。
η C ‧‧‧耦合效率
‧‧‧源角度
θ‧‧‧特徵角度
θMAX‧‧‧最大特徵角度
R 1 ‧‧‧無因次參數
R 2 ‧‧‧無因次參數
L C ‧‧‧切割長度
L U ‧‧‧未切割長度
W C ‧‧‧間距
ε A ‧‧‧軸向應變
ε T ‧‧‧橫向應變
FF‧‧‧填充因數
V OC ‧‧‧開路電壓
J SC ‧‧‧短路電流密度
隨附諸圖併入於本說明書中並組成本說明書之一部分。
圖1A係針對平面太陽能面板之耦合效率η C 對源角度的圖形表示。面板投影面積隨著cos 而減小。
圖1B係根據本發明之基於剪紙工藝之追蹤結構，該追蹤結構在被拉伸時同時地改變包括薄片之元件的角度。
圖1C例示根據本發明之薄膜剪紙工藝構造，該薄膜剪紙工藝構造可與低構形、剛性外殼整合以確保防風雨及與現有屋頂安裝硬體之相容性。
圖1D係展示如何達成特徵角度之負向改變的示意圖，此需要平面外方向(1)上之向下偏置。
圖1E係展示如何達成特徵角度之正向改變的示意圖，此需要平面外方向(1)上之向上偏置。
圖2A係展示以下之相片：Kapton®剪紙工藝結構對軸向方向上之拉伸之回應，以及其如何與樣本寬度之減小以及特徵角度θ之改變一起發生。該圖亦展示特性切割參數：切割長度L C 、未切割長度L U 及電池寬度W C ，其等可以無因次參數R 1 及R 2 來表達。
圖2B展示四個剪紙工藝結構連同其對應單元電池之示意圖，其中R 1 =R 2 =3、5、10及20。
圖2C係展示針對數個剪紙工藝結構之橫向應變ε T 及特徵角度θ對軸向應變ε A 之圖表，其中R 1 =R 2 =3、5、10及20(圖2B)。藉由實線展示理論預測，而實心符號表示來自適當幾何形狀之50μm厚Kapton® 樣本之實驗資料。雖然較大R 1 及R 2 達成經增加之軸向應變及對應地較大橫向應變，但特徵角度之改變獨立於切割幾何形狀。
圖3A係展示針對具有不同追蹤範圍θ*之兩個系統之耦合效率η C 對太陽能角度之圖表。插圖：特徵角度θ對。接近幾何形狀最大值(θMAX，點1)之未經最佳化追蹤(實心符號)導致樣本寬度之急劇減小，此減小光學耦合效率。替代地，藉由替代地對應於最佳角度(點2)之樣本變窄與自遮蔽(參見，本文中之方程式4)之間的折衷來將耦合效率最佳化(空心符號)。展示針對R 1 =R 2 =5之模擬之系統回應，且將該模擬之系統回應與習用非追蹤面板進行比較。
圖3B係展示跨追蹤角度範圍(自=0至=θ*)整合且正規化為習用平面電池效能之耦合效率η C 的圖表。對於給定剪紙工藝結構，最佳效能係藉由追蹤法向入射處之源至對應於每一曲線之最大值之θ*來獲得。為做比較，至θ MAX 之追蹤對至最佳θ*之追蹤分別展示為實心符號及空心符號。
圖4A係展示根據本發明實施例之藉由Kapton®載體基板上之冷焊接合安裝之經整合薄膜晶體GaAs太陽能電池的相片。
圖4B係展示針對兩個樣本之正規化太陽能電池短路電流密度J SC ( )/J SC ( =0)之圖表，其中R 1 =R 2 =3且R 1 =R 2 =5(實心符號)。該圖亦展示自方程式4獲得之耦合效率η C 之模擬資料(實線，空心符號)。實驗結果與模擬結果之間的一致暗示η C 係光學耦合之直接量測，且可藉由增加R 1 及R 2 來最佳化效能。
圖4C係展示在赤道處且在春秋分期間針對數個剪紙工藝切割結構、固定面板及單軸追蹤系統之入射於太陽能電池上之輸出電功率密度對一天中之時間之圖表。插圖：曲線之整合產出相關聯能量密度，其中剪紙工藝啟用之追蹤系統能夠接近單軸效能。
圖5A係展示與在圖6中展示之本發明實施例相關聯之性質之圖 表。特定而言，此圖表展示Kapton®-GaAs系統之J-V特性，其中在1太陽光(100mW/cm2)強度下法向於太陽能電池之表面(亦即，=θ)定向之模擬AM1.5G入射之增量角度處，R 1 =R 2 =5。插圖：填充因數FF及開路電壓V OC 展示無可感知之降級直至最佳θ*，且如所展示之變化(分別針對FF及V OC 之±1.1及±4.5mV)係歸因於對特徵角度之控制之誤差(±1.0°，如本文中較早指出)。此等裝置在1太陽光AM1.5G照度下之功率轉換效率起初係7.4±0.1%，其中在循環時無實際上之降級。
圖5B係展示與在圖6中展示之本發明實施例相關聯之性質之圖表。特定而言，此圖表展示針對Kapton®-GaAs ELO太陽能電池之FF及V OC 對循環數，其中R 1 =R 2 =5。在由於對特徵角度之控制之誤差引起之量測之隨機變化的情況下，不存在FF或V OC 之系統性改變。
圖6係展示根據本發明做出之諸如在圖4A中所展示之實施例與傳統平板電池之比較性短路電流性質之圖表。
圖7係展示針對數個剪紙工藝結構之耦合效率η C 對一天中之時間之圖表。在插圖中展示自定點之角度(亦即，圖4B中之源角度)與一天中之時間之間的關係，其中地理位置及一年中之時間分別選擇為在赤道處及在春秋分期間。
定義
如本文中所使用，「折紙工藝」、「受折紙工藝啟發」、「基於折紙工藝」或其變體指代係日本紙摺疊工藝之典型的摺疊板結構。
如本文中所使用，「剪紙工藝」、「受剪紙工藝啟發」或「基於剪紙工藝」係包含板結構之切割之折紙工藝的變化形式，而非係如同針對折紙工藝之情形一樣僅摺疊該等板。
如本文中所使用，可使用術語「III-V材料」來指代含有來自元素週期表之IIIA族及VA族之元素的化合物晶體。更具體而言，可在本 文中使用術語「III-V材料」來指代係鎵(Ga)、銦(In)及鋁(Al)之族與砷(As)、磷(P)、氮(N)及銻(Sb)之族之組合的化合物。
應注意，本文中之III-V化合物以縮寫格式命名。兩個組分之材料被認為處於III：V族化合物之約1：1莫耳比率。在三個或三個以上組分之系統(例如，InGaAlAsP)中，III族物種(亦即，In、Ga及Al)之和係約1，且V族組分(亦即，As及P)之和係約1，且因此III族對V族之比率係約1。
III-V化合物之名稱係假定為處於達成晶格匹配或晶格失配(應變)所需之化學計量比率，如自周圍文字所推斷。另外，可在某種程度上對名稱進行轉置。舉例而言，AlGaAs與GaAlAs係相同材料。
如本文中所使用及繪示，「層」指代其主要維度係X-Y(亦即，沿著其長度及寬度)之裝置之構件或組件。應理解，術語層不一定係限於材料之單一層或薄片。另外，應理解，某些層之表面(包含此等層與其他材料或層之界面)可能不完整，其中該等表面呈現與其他材料或層之互穿、纏結或回旋網路。類似地，亦應理解，層可係不連續的，以致該層沿著X-Y維度之連續性可被其他層或材料破壞或以其他方式打斷。
如本文中所使用，術語「半導體」表示在藉由熱或電磁激發誘發電荷載流子時可導電之材料。術語「光導」大體上係關於以下程序：電磁輻射能量被吸收並由此轉換成電荷載流子之激發能量，使得載流子可傳導(亦即，傳輸)材料中之電荷。本文中使用術語「光導體」及「光導材料」來指代針對其吸收電磁輻射以產生電荷載流子之性質經選擇之半導體材料。
習用太陽能電池模組遭受由於投影面積減小引起之光學耦合損失，該投影面積隨自其頂點之太陽光角度之餘弦成比例地變化(圖1A)。為增加來自給定電池區之功率輸出，通常採用太陽能追蹤。太 陽能追蹤對於諸如抛物面反射器、菲涅耳透鏡、發光膜及微聚光器光學件之聚光器組件係尤其必要的。儘管太陽能追蹤技術之相對成熟狀態，但該等機構仍保持昂貴、複雜、龐大且因此易受故障及風力載荷。追蹤系統通常限於基於地面或平坦屋頂安裝，漏掉傾斜屋頂安裝(例如，住宅用地)之重要市場區段。儘管撓性及可拉伸電子器件已經開發以與太陽能電池一起在非平面及可變形表面上使用，但此等系統需要笨重結構性組件來達成光學追蹤。
假定太陽能模組成本之迅速減少遠低於其安裝所需之成本減少(亦即，「系統平衡」或BOS成本)，則當務之急係再檢驗迄今為止為太陽能發電而開發之所有技術及假想。出於此原因，發明人已設計並論證基於剪紙工藝之古代藝術之太陽能追蹤之新範例，該剪紙工藝之古代藝術係涉及切割以及摺疊以達成所要形狀之折紙工藝形式。折紙工藝及剪紙工藝已經用於氣囊、在空間中使用之可展開光學組件太陽能陣列、可程式化超材料及承載金屬結構之工程設計中。此處亦展示以下類似方法：用於在與非破壞性磊晶提升(ND-ELO)薄膜GaAs太陽能電池之低成本高效率程序組合之情況下，實現經整合低構形太陽能追蹤系統。
在圖1A中，考量習用單軸太陽能追蹤陣列，藉以傾側面板以全天追蹤太陽之路徑。由於其相當大質量及對風力載荷之敏感性，此等系統通常安裝於地面，其中存在與混凝土地基、支撐結構及整地相關聯之顯著成本。對於較大追蹤陣列，亦需要額外組件(例如，電纜系統、機器人)來同步化面板之間的移動，此進一步增加其成本及複雜性。值得注意的是，雖然太陽能電池中之半導體成本在最近數十年已經顯著地減小，但結構性組件之成本尚未跟上步伐。事實上，當前狀態及投影指示遠超過60%之太陽能發電之總成本係起因於BOS(包括勞動力組分、電組分、結構性組分及其他非模組組分)。
替代地，考量圖1B中之簡單剪紙工藝結構，其由在其他方面薄連續材料薄片中之線性切割圖案組成。沿著其長度拉該薄片導致由產生橫向方向上之屈曲之切割幾何形狀定義之受控制不穩定性，以及沿著其長度同步化之特徵角度改變。此外，有可能藉由在拉緊程序(圖1D及圖1E)之前將平面外力施加至剪紙工藝樣本之一側來控制角度改變之方向(亦即，正向的或負向的)。
在圖1D中展示用於促進特徵角度之負向改變之條件，其需要藉由向下推動樣本之一端，且隨後以極小值拉緊(2)來達成平面外方向上之向下偏置(1)。然後移除垂直偏置，使樣本之平面返回至水平(3)。然後可藉助連續在負向方向上之特徵角度改變(4)來拉緊樣本。
與此相反，在圖1E中展示用以藉由促進特徵角度之正向改變來促進特徵角度之正向改變的條件，其需要平面外方向上之向上偏置(1)。在引發特徵角度改變之軸向方向上之小應變(2)之後，然後使樣本返回至水平(3)，且藉助在正向方向上之特徵角度之後續改變(4)來連續地拉緊樣本。
如上所述，為施加引發特徵角度之應變或改變所需之力，本文所闡述之光伏打系統可進一步包括可操作地耦合至支撐結構之一或多個致動器。在此實施例中，支撐結構及光伏打電池回應於由致動器施加之力而改變其形狀。
本文所闡述之光伏打系統可進一步包含光學聚光器以增加系統之太陽能捕獲效率，該等光學聚光器包含溫斯頓式集光器或其他光學聚光器。
在實務中，此等薄膜構造可與剛性低構形外殼整合以確保防風雨系統及與用於屋頂安裝之現有平板安裝硬體之相容性(圖1C)。
在圖2A中闡明針對Kapton®剪紙工藝薄片追蹤器之系統回應，以及切割長度L C 、未切割長度L U 及切口之間的間距W C 。藉由以下給出 隨軸向應變ε A 而變之特徵角度θ之改變及樣本寬度之減小(橫向應變ε T )：
其中及用作無因次切割參數。
在一項實施例中，針對四個樣本變化R 1 及R 2 ，其中R 1 =R 2 =3、5、10及20，如在圖2B中所展示。由方程式1及方程式2表徵之回應在圖2C中針對每一剪紙工藝結構進行實驗驗證。實驗資料係藉由實心符號指示，而根據方程式1及方程式2之回應係藉由實線展示。較大R 1 及R 2 達成經增加之軸向應變及對應地較大橫向應變。
在實施例中，揭示一種光伏打系統，其包括：太陽能追蹤結構，其包括：支撐結構，其包括撓性材料，具有由該支撐結構中之開口圖案界定之單元電池結構，其中該開口圖案包括切割長度(L C )、未切割長度(L U )及切口之間的間距(W C )，其等可以無因次參數R 1 及R 2 來表達，其中 且；以及撓性光伏打電池，其安置於該支撐結構上。在實施例中，R 1 =R 2 。
在實施例中，撓性材料包括諸如聚醯亞胺之塑膠材料或金屬箔。支撐結構通常具有介於自25μm至100μm(諸如，自40μm至60μm)之範圍內之厚度。
當撓性材料包括塑膠材料時，其在一個表面上通常具有導電金屬塗層。金屬塗層之非限制性實例包含選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu中之至少一種金屬，其中尤其著重於Au。在一項實施例中，支撐基板上之Au層具有介於自100μm至500μm(諸如，自200μm至400 μm)之範圍內之厚度。
θ對ε A 之曲線證實，回應於軸向應變之特徵角度改變獨立於切割幾何形狀。對於受測試之樣本，θ被控制在其在方程式1中之值的±1.0°內。亦展示每一剪紙工藝上部結構之假塑性限制，其中最大軸向應變及對應之最大特徵角度θ MAX 繪示為空心符號。對於每一結構，θ MAX 僅取決於切割幾何形狀，從而在不在軸向方向上形成陰影之情況下設定追蹤之上限。亦即：
為評估剪紙工藝結構之追蹤效率，如下計算光學耦合效率η C ：
其中係法向於模組平面之源角度(參見圖1A)，且ε A 及ε T 分別係軸向應變及橫向應變。
為最大化η C ，在拉伸方向(「軸向」方向)上形成陰影與沿著樣本橫向軸之減小達成平衡。追蹤至θ MAX 可由於超過某一臨界應變之投影面積之急劇減小而並非係最佳的(參見圖2C)。在圖3A中量化此幾何形狀細微處，其中分析經最佳化追蹤(空心符號)與至由方程式3定義之θ MAX 之未經最佳化追蹤(實心符號)之一種變化形式的效能差異。
如在插圖(θ對)中所展示，每一結構追蹤由單位斜率表徵之源，直至達到θ*之預定值(亦即，追蹤範圍)，此後使結構之角度保持恆定。此處，θ*針對未經最佳化過程及經最佳化過程分別表示為點1及點2。此等追蹤模式之效應係展示於由方程式4定義之η C 對之曲線中。注意之大值處η C 之差異。雖然至θ MAX 之追蹤(實心符號)致使樣本寬度之大幅減小及接近結構之幾何形狀限制之η C ，但經最佳化追蹤(空心符號)最小化樣本變窄與自遮蔽之間的折衷。
圖3B展示此分析延伸至其他切割幾何形狀，其中η C 係跨追蹤角 度範圍(自=0至=θ*)整合且正規化為針對相同操作條件之習用平面電池效能。圖3B提供針對給定剪紙工藝結構之適當追蹤過程，其中最佳效能係藉由追蹤法向入射之源直至達到對應於每一曲線之最大值之θ*來獲得。為做比較，至θ MAX 之追蹤對經最佳化中間角度分別展示為實心符號及空心符號。
為論證光伏打電池與所提出之剪紙工藝追蹤結構之整合，利用下文述及之直接附接接合程序將藉由非破壞性磊晶提升與冷焊之組合製作之潛在低成本超薄(約3μm)撓性晶體砷化鎵(GaAs)電池安裝至Kapton®載體基板。
在一項實施例中，光伏打電池包括具有撓性晶體半導電電池之作用光伏打區域。半導電電池之非限制性實例包含InGaP、GaAs、InGaAs、InP或InAlP。撓性晶體半導電電池通常具有介於自2μm至10μm(諸如，自3μm至6μm)之範圍內之厚度。
舉例而言，某些直接附接接合程序已涉及將金屬層添加至作用區域與撓性主機基板之鄰接表面並利用冷焊將其接合。冷焊接合程序通常包含在室溫下將兩個表面壓合在一起，從而達成均勻接合之介面。
替代性直接附接接合程序可包含熱壓縮接合，其通常涉及較低壓力但在高溫(亦即，高於金屬再結晶溫度)下之施加。通常在以下情況下不利用此程序：撓性基板具有玻璃轉化及/或低於在直接附接接合程序中利用之金屬層之再結晶溫度的熔融溫度。
用於接合與可利用之ELO程序相關聯之金屬層之另一直接附接技術係利用低於典型冷焊程序之壓力及低於典型熱壓縮接合程序之溫度的熱輔助之冷焊接合程序。特定而言，熱輔助之冷焊可減小破壞半導體晶圓之可能性，從而增加用於生長額外作用區域之晶圓之再利用率。
值得注意的，GaAs經圖案以與R 1 及R 2 之預定值相一致，以使得在切割程序期間將不破壞作用材料，且GaAs經圖案亦最小化在追蹤期間作用材料內之變形。利用頂部接觸斷開圖案，從而允許電池之電絕緣；對於實務系統，採用串聯/並聯連接來最佳化GaAs面積覆蓋。
在圖4A中展示根據本發明實施例之完整的剪紙工藝啟用之GaAs追蹤裝置之實例。在此實施例中，經整合薄膜晶體GaAs太陽能電池藉由冷焊接合安裝於Kapton®載體基板上，其中L C =15mm，L U =5mm，且W C =5mm(R 1 =R 2 =3)。藉由消除測試所需之頂部接觸中斷圖案，且替代地將每一電池串聯連接，可最大化GaAs面積覆蓋(>99%)。系統性地拉伸每一樣本以追蹤正在移動之AM1.5G模擬太陽能經光譜準直光源，且依據照度角度獲得電流密度對電壓(J-V)特性。實驗之示意圖在圖4B之插圖中展示，其中拉緊樣本以追蹤光源至在圖3中展示之最佳θ*。
圖4B標繪兩個樣本之正規化角度相依短路電流密度(J SC ( )/J SC ( =θ))之比率，其中R 1 =R 2 =3且R 1 =R 2 =5(實心符號)。該圖亦展示由方程式4定義之針對數個切割幾何形狀之η C (空心符號，實線)。如所預期，較大R 1 及R 2 由於在等值ε A 處對ε T 之抑制而導致經增加耦合效率。此外，J SC ( )/J SC ( =θ)匹配由方程式4預測之η C ，此暗示η C 係在存在適合電池抗反射塗層之情況下對光學耦合之直接量測。
亦考量對長期太陽能追蹤產生影響之對應變及循環之電及機械回應。對於其中R 1 =R 2 =5之Kapton®-GaAs系統，自θ=0至θ*不存在填充因數或開路電壓之系統性改變(圖5A)，其中跨350個循環之重複量測產出圖5B中展示之類似結果。自θ=0°至θ=θ*之應變能量針對第一循環量測為2.63±0.01mJ/mm2。後續循環產出應變能量之初始迅速衰變，從而在100個循環與1000個循環之間達到1.67±0.02mJ/mm2之飽和值，而無故障。可藉由增加R 1 及R 2 來減小應變能量之量值以及 由於塑性變形引起之循環損失，使得追蹤遠離結構之幾何形狀限制(其限制在圖2B中展示為空心符號)而發生。舉例而言，50μm厚僅Kapton®樣本之應變能量針對R 1 =R 2 =3、5、10及20分別量測為7.60±0.46mJ/mm2、5.30±0.60mJ/mm2、3.03±1.06mJ/mm2及1.71±0.07mJ/mm2。
亦可利用其他類型之基板，包含薄彈簧鋼。雖然應變能量可相對於基於Kapton之薄片而增加，但每單位面積之淨能量損耗保持低於藉由利用此概念之主動太陽能追蹤達成之能量增益數個數量級。
亦考量在圖4A中展示之本發明Kapton®-GaAs系統之短路電流，並將其與傳統平板電池進行比較。特定而言，圖6展示在AM1.5照度下跨變化中之源角度模擬本發明實施例且將該等本發明實施例與平板構形中之相同太陽能電池進行比較之情況下的性質。在動態折紙工藝樣本之情形中，折紙工藝特徵以光源之角度定向，使得光源射線保持法向於太陽能電池之表面。
在平板實驗之情形中，僅變更光源角度，以展示通常與未對準相關聯之餘弦損失。在45度之最大追蹤角度(如由經選擇切割幾何形狀所判定)之前，存在短路電流之0減小及與傳統平板電池相比之47%增加。在最大源角度之後，誘發某些陰影及輕微未對準，從而導致稍微減小之短路電流。然而，在70度之源角度處，該短路電流仍係習用平板電池之短路電流的152%。
為比較至非追蹤平面電池之基於剪紙工藝之追蹤與習用單軸追蹤系統，應考量太陽跨方位角之軌道。因此，太陽能角度取決於一天中之時間、緯度以及一年中之第幾天(圖7)。圖4E比較針對數個剪紙工藝追蹤結構與針對固定面板及相等面積之單軸追蹤器在赤道處且在春秋分期間每太陽能電池區之輸出功率對一天中之時間。在所有情形中，太陽能電池之功率轉換效率PCE假定為20%。隨著R 1 及R 2 增 加，該系統在早晨與傍晚在遠離頂點之角度處變得更加有效，且輸出功率密度據此增加。如在插圖中所展示，針對經最佳化剪紙工藝系統之輸出能量密度接近在R 1 及R 2 之大值之極限值中習用單軸追蹤之輸出能量密度。
在實施例中，揭示一種製作如本文中所闡述之光伏打系統之方法。該方法包括在諸如塑膠材料(如聚醯亞胺)或金屬箔之撓性支撐結構上形成切口或開口圖案，其中該支撐結構具有介於自25μm至100μm(諸如，40μm至60μm)之範圍內之厚度。
形成於該撓性支撐結構上之切口或開口圖案界定單元電池結構，具有切割長度(L C )、未切割長度(L U )及切口之間的間距(W C )，其等可以無因次參數R 1 及R 2 來表達，其中 且。
該方法進一步包括用選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu中之至少一種金屬(其中尤其著重於Au)塗佈塑膠支撐結構之一個表面。在一項實施例中，將Au層塗佈於支撐基板上之方法包括沈積Au達介於自100μm至500μm(諸如，自200μm至400μm)之範圍內之厚度。
當撓性材料包括塑膠材料時，其通常在一個表面具有導電金屬塗層。金屬塗層之非限制性實例包含選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu中之至少一種金屬，其中尤其著重於Au。在一項實施例中，支撐基板上之Au層具有介於自100μm至500μm(諸如自200μm至400μm)之範圍內之厚度。
該方法然後包括形成包括撓性晶體半導電材料之光伏打電池。可生長之晶體半導電材料之非限制性實例包含InGaP、GaAs、InGaAs、InP或InAlP。
在形成光伏打電池之後，其在一個表面上亦塗佈有導電金屬塗 層。金屬塗層之非限制性實例包含選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu中之至少一種金屬，其中尤其著重於Au。在一項實施例中，支撐基板上之Au層具有介於自100μm至500μm(諸如自200μm至400μm)之範圍內之厚度。
接下來，藉由非破壞性ELO程序自生長基板移除光伏打電池，且藉由直接附接接合程序將該光伏打電池安裝於支撐結構上。美國專利第8,378,385號及美國專利申請公開案第US2013/0043214號因其有關程序、生長結構及用於在ELO期間保護晶圓及裝置區域之保護層方案之揭示內容而以引用方式併入本文中。
直接附接接合程序之非限制性實例包含冷焊、熱輔助冷焊或熱壓縮接合。闡述冷焊之美國專利申請公開案第US 2013/0037095號以引用方式併入本文中。
本文所闡述之方法可進一步包括將致動器耦合至支撐結構，以允許支撐結構及光伏打電池回應於由致動器施加之力而改變其形狀。舉例而言，在鬆弛或未拉伸狀態，支撐結構包括二維材料。然而，一旦諸如藉由來自致動器之力經拉伸，該支撐結構便擴展為三維材料，使得經拉伸支撐結構類似於藉由在結構上之線性及偏移切割而形成之經擴張網。
將藉由以下非限制性實例來進一步闡述本文所闡述之系統、裝置及方法，該等非限制性實例意欲純粹係例示性的。
實例 軸向及橫向應變之實驗量測
利用50W通用雷射系統CO2雷射(2%功率，2.5%速度，500 PPI)將50μm厚E類型Kapton®之樣本切割成圖2B中之剪紙工藝結構。對於R 1 =R 2 =3，L C =6mm，L U =6mm，且W C =6mm。對於R 1 =R 2 =5，L C =10mm，L U =2mm，且W C =2mm。對於R 1 =R 2 =10，L C =20 mm，L U =2mm，且W C =2mm。對於R 1 =R 2 =20，L C =20mm，L U =1mm，且W C =1mm。切割之經量測截口係150μm。將樣本放置於使該系統系統性地應變至最大特徵角度θ MAX (參見方程式3)之設備上。利用以下兩個相機原位成像拉緊程序：一個相機直接面朝下以擷取橫向應變ε T ，且第二相機面向樣本之邊緣以擷取特徵角度θ之改變。兩個相機皆擷取軸向應變ε A 。利用ImageJ(Rasband,W.S.，美國馬裡蘭州貝塞斯達市之美國國家衛生研究院)分析所得之影像，其中利用全域校準標度尺來界定量測長度。由設備之活動範圍強加之應變限制禁止高應變值處之資料收集，如在圖2B中所展示。
磊晶提升(ELO)砷化鎵太陽能電池製作
藉由2英吋直徑(100)砷化鎵基板上之氣體源分子束磊晶法(GSMBE)來生長AlAs犧牲層上之p-n接面GaAs作用材料之磊晶層。對於ELO程序，首先生長0.2μm厚GaAs緩衝層，隨後接著生長20nm厚AlAs犧牲層。然後，在生長經倒轉光伏打裝置層之後係：0.1μm厚5×1018cm-3 Be摻雜GaAs p接觸層、0.025μm厚2×1018cm-3 Be摻雜Al0.20In0.49Ga0.31P窗口層、0.15μm厚1×1018cm-3 Be摻雜p-GaAs射極層、3.0μm厚2×1017cm-3 Si摻雜n-GaAs基極層、0.05μm厚6×1017cm-3 Si摻雜In0.49Ga0.51P背表面場(BSF)層，以及0.05μm厚5×1018cm-3 Si摻雜n-GaAs接觸層。然後藉由電子束蒸鍍用300nm厚Au層塗佈樣本，且利用冷焊接合藉由在230℃之溫度下及10-5托下施加4Mpa之壓力達8分鐘來將該經塗佈樣本接合至50μm厚E類型Kapton®薄片(亦塗佈有300nm Au層)。在接合之後，利用磊晶提升(ELO)藉由在室溫下用稀釋(15%)氫氟酸(HF)溶液有選擇地移除AlAs犧牲層來使光伏打磊晶作用區域及Kapton®載體與塊體晶圓隔離。
在ELO之後，利用光微影術來圖案化Pd(5nm)/Zn(20nm)/Au(700nm)前部金屬接觸。然後，利用光微影術及利用H3PO4：H2O2：去離 子H2O(3：1：25)之後續化學蝕刻來類似地界定裝置台面。利用電漿蝕刻有選擇地移除經曝露高度Be摻雜150nm厚p+GaAs接觸層。在為達成歐姆接觸形成而於200℃下使樣本退火達1小時之後，用藉由旋轉塗佈施加之1μm厚聚醯亞胺來使側壁鈍化。在於300℃下使樣本固化達30分鐘之後，藉由光微影術及電漿蝕刻有選擇地移除聚醯亞胺。用Ti(10nm)/Au(500nm)圖案化外部接觸墊。最後，藉由電子束蒸鍍沈積由TiO2(49nm)及MgF2(81nm)組成之雙層抗反射塗層。
利用剪紙工藝啟用之GaAs電池之耦合效率之實驗量測
利用X-Acto刀切割ELO GaAs太陽能電池以匹配剪紙工藝圖案。對於R 1 =R 2 =3，L C =15mm，L U =5mm，且W C =5mm。對於R 1 =R 2 =5，L C =15mm，L U =3mm，且W C =3mm。在於圖3中所闡述之最佳追蹤方法後，利用微應變設備將電池系統性地拉緊以追蹤正在移動之AM1.5G光源(Oriel太陽能模擬器，具有Xenon弧光燈及AM 1.5全域濾光器之模型91191，模擬1太陽光100mW/cm2強度)。利用半導體參數分析器(SPA，Agilent 4155B)以自法向入射(=0°)至=90°以5度之增量量測每一角度處之J-V特性。判定每一角度處之短路電流密度J SC ，且隨後將該短路電流密度J SC 正規化為=0°處之J SC 。在圖4B中標繪正規化J SC ，以及由方程式4預測之耦合效率η C 之值。
變形及循環對電池效能之效應
針對具有L C =15mm、L U =3mm及W C =3mm(R 1 =R 2 =5)之ELO GaAs太陽能電池判定機械變形之效應。對於此實驗，僅在切割長度之中心圖案化GaAs，使得在操作期間不存在由ε T 引起之餘弦損失。如上所述，利用裝置使電池系統性地應變，以追蹤正在移動之AM1.5G光源。如在圖4C中所展示，量測每一角度處之J-V特性、開路電壓V OC 及填充因數FF。在記錄自=0°至=θ*之回應之後，使電池鬆弛(亦即，ε T =0)且源返回至=0°。使電池重複拉緊至θ=θ*，而 源保持恆定於=0°處。當θ=0(且因此=0°)時，對於350個循環(以模擬約一年之操作)，每10個循環量測一次電池效能，在圖4D中展示其結果。
變形及循環對應變能量之效應
利用TA.XTPlus紋理分析器(美國馬薩諸塞州哈密爾頓市之紋理技術(Texture Technologies)公司)量測具有L C =15mm、L U =3mm及W C =3mmd(R 1 =R 2 =5)之尺寸之ELO GaAs電池之應力-應變特性。如在軸向方向上自第一切割至最後切割所量測之樣本長度係33mm。為模型化圖3中之追蹤程序，利用Exponent(美國馬薩諸塞州哈密爾頓市之紋理技術公司)軟體封裝來拉伸樣本達25mm之位移，以接近最佳追蹤範圍(ε T =0.79，θ*56°)。重複此程序1000次，且整合所得之曲線以發現應變能量。
為量化僅Kapton®樣本之應變能量，利用50W通用雷射系統CO2雷射(2%功率，2.5%速度，500 PPI)切割50μm厚Kapton®樣本。對於R 1 =R 2 =3，L C =6mm，L U =6mm，且W C =6mm。對於R 1 =R 2 =5，L C =10mm，L U =2mm，且W C =2mm。對於R 1 =R 2 =10，L C =20mm，L U =2mm，且W C =2mm。對於R 1 =R 2 =20，L C =20mm，L U =1mm，且W C =1mm。在每一情形，如在軸向方向上自第一切割至最後切割所量測之樣本長度係36mm。對於每一樣本，利用TA.XTPlus紋理分析器及Exponent來將每一樣本拉緊至對應於最佳追蹤範圍之應變。對於R 1 =R 2 =3，ε T =0.25且θ*37°。對於R 1 =R 2 =5，ε T =0.69且θ*54°。對於R 1 =R 2 =10，ε T =2.42且θ*73°。對於R 1 =R 2 =3，ε T =6.18且θ*82°。
為比較在R 1 =R 2 =5情況下之Kapton®-GaAs樣本之應變能量值與在R 1 =R 2 =5情況下之僅Kapton®樣本之應變能量值，需要分析命名為L C 、L U 及W C 之切割參數的差異。雖然追蹤效率(亦即，η C )僅取決於 R 1 及R 2 (不管用於獲得R 1 及R 2 之L C 、L U 與W C 之組合如何)，但結構之機械回應係切口之間的重疊範圍與切割密度之函數。由此，需要直接比較L C ，L U 及W C 之相同值(以及R 1 及R 2 之對應值)。僅提供僅Kapton®樣本之應變能量值以展示結構最佳化(亦即，增加R 1 及R 2 )對應變能量之效應，且不應比較該等應變能量值與Kapton®-GaAs樣本之經報告應變能量值。
出於圖解說明及闡述之目的，本文中已提供對實施例之闡述。其並非意欲係窮盡性的或限制本發明。特定實施例之個別元件或特徵通常不限制於所述特定實施例，而是在適用之情況下為可互換的且甚至在未具體展示或闡述之情況下亦可在選定實施例中使用。亦可以諸多方式變化該等實施例。此類變化不應視為背離本發明，且所有此類修改皆意欲包含於本發明之範疇內。
η C ‧‧‧耦合效率
‧‧‧源角度
θ‧‧‧特徵角度

Claims (23)

  1. 一種光伏打系統，其包括：太陽能追蹤結構，其包括：支撐結構，其包括撓性材料，具有由該支撐結構中之開口圖案界定之單元電池結構，其中該開口圖案包括切割長度(L C )、未切割長度(L U )及切口之間的間距(W C )，其等可以無因次參數R 1 及R 2 來表達，其中及；及撓性光伏打電池，其安置於該支撐結構上。
  2. 如請求項1之光伏打系統，其中該撓性材料包括塑膠材料或金屬箔。
  3. 如請求項2之光伏打系統，其中該撓性材料包括在一個表面上具有導電金屬塗層之塑膠材料。
  4. 如請求項3之光伏打系統，其中該塑膠材料包括聚醯亞胺。
  5. 如請求項3之光伏打系統，其中該金屬塗層包括選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬。
  6. 如請求項1之光伏打系統，其中該光伏打電池包括具有撓性晶體半導電電池之作用光伏打區域。
  7. 如請求項6之光伏打系統，其中該撓性晶體半導電電池包括InGaP、GaAs、InGaAs、InP或InAlP。
  8. 如請求項1之光伏打系統，其中該光伏打電池係藉由選自冷焊、熱輔助冷焊或熱壓縮接合之直接附接接合程序安裝至該支撐結構。
  9. 如請求項1之光伏打系統，其進一步包括可操作地耦合至該支撐結構之致動器，其中該支撐結構及該光伏打電池回應於該致動 器所施加之力改變其形狀。
  10. 如請求項1之光伏打系統，其中R 1 =R 2 。
  11. 如請求項1之光伏打系統，其中該支撐結構具有自25μm至100μm範圍內之厚度；且該撓性光伏打電池具有自2μm至10μm範圍內之厚度。
  12. 如請求項1之光伏打系統，其進一步包括溫斯頓式(Winston-like)集光器或其他光學聚光器。
  13. 如請求項1之光伏打系統，其中該支撐結構包括在被拉伸時變成三維材料之二維材料。
  14. 如請求項13之光伏打系統，其中該經拉伸支撐結構類似於由該結構中之線性及偏移切割所形成之經擴張網。
  15. 一種製作包括太陽能追蹤結構之光伏打系統之方法，該方法包括：在支撐結構上形成開口圖案，該開口圖案界定單元電池結構，具有切割長度(L C )、未切割長度(L U )及切口之間的間距(W C )，其等可以無因次參數R 1 及R 2 來表達，其中及；用金屬塗佈該支撐結構之一個表面；形成包括撓性晶體半導電材料之光伏打電池；用金屬塗佈該光伏打電池之一個表面；及藉由直接附接接合程序將該光伏打電池安裝於該支撐結構上。
  16. 如請求項15之方法，其中該撓性晶體半導電電池包括InGaP、GaAs、InGaAs、InP或InAlP。
  17. 如請求項15之方法，其中該支撐結構包括塑膠材料或金屬箔。
  18. 如請求項15之方法，其中該塑膠材料包括聚醯亞胺。
  19. 如請求項15之方法，其中該支撐結構上之該金屬塗層包括選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬。
  20. 如請求項15之方法，其中藉由選自冷焊、熱輔助冷焊或熱壓縮接合之直接附接接合程序將該光伏打電池安裝至該支撐結構。
  21. 如請求項15之方法，其進一步包括將一致動器耦合至該支撐結構，其中該支撐結構及該光伏打電池回應於由該致動器所施加之力改變其形狀。
  22. 如請求項15之方法，其中該支撐結構具有自25μm至100μm範圍內之厚度，且該撓性光伏打電池具有自2μm至10μm範圍內之厚度。
  23. 如請求項15之方法，其中R 1 =R 2 。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112490681A (zh) * 2020-11-24 2021-03-12 中国人民解放军空军工程大学 三维剪纸超材料可调吸波体及其设计方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11156749B2 (en) 2015-04-07 2021-10-26 The Regents Of The University Of Michigan Kirigami patterned polymeric materials and tunable optic devices made therefrom
US10932361B2 (en) 2018-06-04 2021-02-23 Industrial Technology Research Institute Circuit board and electronic device
CN116710734A (zh) * 2020-08-06 2023-09-05 密歇根大学董事会 基于剪纸的多轴跟踪设备和系统

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2250084A (en) * 1990-11-20 1992-05-27 Ahmed Saleh Portable refrigeration assemblies
DE4037138C2 (de) 1990-11-22 1997-07-10 Skf Gmbh Drahtkugellager, insbesondere für Lenksäulenlagerungen
DE20008441U1 (de) * 2000-05-06 2000-07-20 Ortlepp Wolfgang Photovoltaik-Modul mit verbessertem Wirkungsgrad
US6624351B2 (en) * 2001-11-08 2003-09-23 Ecosol Solar Technologies Ltd. (Usa) Folding photovoltaic strip device
WO2010036807A1 (en) * 2008-09-24 2010-04-01 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Arrays of ultrathin silicon solar microcells
AU2010325106B2 (en) 2009-09-10 2015-04-09 The Regents Of The University Of Michigan Methods of preparing flexible photovoltaic devices using epitaxial liftoff, and preserving the integrity of growth substrates used in epitaxial growth
US8520399B2 (en) * 2010-10-29 2013-08-27 Palo Alto Research Center Incorporated Stretchable electronics modules and circuits
KR102009935B1 (ko) 2011-06-29 2019-08-12 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간 에피텍셜 리프트 오프 후의 웨이퍼의 재사용을 위한 희생 에칭 보호 층
EP2729968B1 (en) 2011-07-06 2020-09-02 The Regents of the University of Michigan Integrated solar collectors using epitaxial lift off and cold weld bonded semiconductor solar cells
WO2014085436A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Arizona Board Of Regents On Behalf Of University Of Arizona Solar generator with large reflector dishes and concentrator photovoltaic cells in flat arrays
WO2014113489A1 (en) * 2013-01-15 2014-07-24 Hanqing Jiang Origami enabled manufacturing systems and methods
FR3004004B1 (fr) * 2013-03-29 2016-08-12 Soitec Silicon On Insulator Procede d'assemblage de cellules photovoltaïques avec transfert multiple

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112490681A (zh) * 2020-11-24 2021-03-12 中国人民解放军空军工程大学 三维剪纸超材料可调吸波体及其设计方法
CN112490681B (zh) * 2020-11-24 2022-04-12 中国人民解放军空军工程大学 三维剪纸超材料可调吸波体及其设计方法

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