TW201946286A - 光電模組（一） - Google Patents

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馬汀 格林
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Abstract

本揭示內容提供一種光電模組，包含有用於吸收電磁輻射的光子吸收材料。該光子吸收材料包含太陽能電池及玻璃材料。該光電模組亦包含抗反射塗層，其具有在第一波長範圍中之抗反射特性及於第二波長範圍中的反射特性。該抗反射塗層係定位在該玻璃材料之上。該抗反射塗層包含具有多層的層狀結構，該等層一起具有無序或非漸變之折射率範圍。本揭示內容亦提供選擇性反射器，其包含有對可見光具有很大透射性的玻璃材料層，且包含吸收在中心波長之波長範圍中的入射電磁輻射之摻雜劑，其係於一波長範圍內，該地球的大氣強力地吸收電磁輻射，且比鄰近波長範圍更強力吸收電磁輻射。在該中心波長及環繞該中心波長之玻璃材料的折射率係藉由該等摻雜劑之強力吸收所變更，使得如果該第一波長範圍的至少一部份係鄰接該中心波長，則在該第一波長範圍之該部分內的玻璃材料之反射率增加。

Description

光電模組(一)
本發明係有關光電模組。
光電模組現在係使用於諸多應用。如果光電模組的溫度增加，將不利地影響光電模組之轉換效率係已知的。光電模組通常在明亮之陽光中操作、典型比周遭溫度高20-30℃。這不僅對於溫度中的每升高一度減少光電模組之能量產生達0.4-0.5%(相對)(直至溫度中的每升高30℃即減少15%)，而且加速所有習知降解過程並將光電模組之壽命減少至低於能以別的方式達成之壽命。此外，光電模組典型在實地每年降低0.5%(相對)輸出，光電模組通常保證在25年的實地暴露之後高於其初始額定值的80%。再者，對特定降解模式之長時間測試表明溫度每升高10℃，降解率幾乎翻倍。這表明在低於上述典型操作溫度的溫度下操作之光電模組不僅可增加它們的能量產生，而且還可以具有減少的降解並可因此比其他可能之方式使用延長的時間段。
按照本發明之第一態樣，提供有一種波長選擇反射器，其包含有對第一波長範圍內的光具有很大透射性且包含摻雜劑之材料，選擇摻雜劑，以吸收第二波長範圍中的入射電磁輻射，該第二波長範圍係比該第一波長範圍狹窄並以中心波長為中心、或包括中心波長，在該中心波長處，地球之大氣強力地吸收電磁輻射，且比鄰近的波長範圍更強力吸收電磁輻射；其中在該中心波長及環繞該中心波長之材料的折射率係藉由該摻雜劑之強力吸收所變更，使得如果第一波長範圍的至少一部份係鄰接、諸如鄰近該中心波長，則在第一波長範圍之該部分內的材料之反射率增加。
材料可為以諸多形式提供。譬如，材料可包含玻璃材料，其包括摻雜劑。另一選擇係，材料可譬如以施加至零組件、諸如玻璃材料的層或膜之 形式提供。材料可形成光電模組的一部份，並可譬如以定位於光子吸收材料之上的玻璃板之形式提供。另一選擇，材料能以層的形式提供，該層係施加至玻璃板之表面、諸如光電模組的玻璃板之後(或前)表面。
該中心波長典型係地球大氣具有吸收帶的波長。
在一實施例中，材料包含低鐵玻璃。可選擇摻雜劑，使得在中心波長處，材料具有大體上由低鐵玻璃之折射率(約1.5)修改的折射率。
典型選擇摻雜劑及摻雜劑濃度，使得在中心波長處存在摻雜材料之折射率的共振修改。再者，典型選擇摻雜劑，使得摻雜劑不會吸收、或僅只吸收在延伸通過大氣吸收帶之波段內的不顯著輻射量。
已摻雜材料之折射率係於至少幾百奈米的波長範圍內在折射率共振之較低波長側減小。在從較低波長朝向中心波長的方向中，折射率可減小至最小，原則上，於折射率之共振增強時，折射率甚至可為負的。折射率之此種減小具有以下優點：材料和周遭空氣之間的折射率之不匹配係在該波長範圍內減少。材料和周遭空氣之間的折射率之不匹配中的減少降低材料之反射率。因此，可設計選擇性反射器，使得特定波長範圍內的輻射之反射係減少。例如，特定波長範圍可包括能轉換成電的入射光之波長範圍(例如使用太陽能電池)。
再者，摻雜材料的折射率係於至少幾百奈米的波長範圍內在折射率之共振增強的較高波長側增加。在從較高波長朝向中心波長之方向中，折射率可於折射率的共振增強處增加至例如+∞之最大值。在較高波長側的折射率之此增加使於材料與周遭空氣之間的折射率之不匹配增加。這具有增加材料的反射率之優點，且其係可能設計選擇性反射器，使得選擇性反射器的熱能之吸收減少。例如，材料可為是玻璃，且折射率的共振修改可為中心定位於大約1400nm之波長，並可配置選擇性反射器，使得在選定的波長範圍內，折射率係增加至2(例如)，且玻璃材料之反射係由4%(用於未塗覆的玻璃材料)增加至11%。
選擇性反射器亦可包含抗反射塗層，其具有取決於材料之折射率的抗反射特性。在一特定實施例中，該抗反射塗層具有用於較高折射率材料之較強力的抗反射特性、及用於較高折射率材料之較弱的抗反射特性。
由於水蒸氣、二氧化碳或其他分子之存在，中心波長可為地球的大氣強力地吸收電磁輻射之波長。
於一特定範例中，中心波長係大約1400nm。
材料可為以任何合適材料摻雜，該材料在包括中心波長或以中心波長為中心的窄波長範圍中強力地吸收光、諸如合適之金屬元素或包括羥基的分子。
按照本發明之第二態樣，提供有光電模組，包含有：光子吸收材料，用於吸收電磁輻射，該光子吸收材料包含有太陽能電池；玻璃材料；及抗反射塗層，具有在第一波長範圍中的抗反射特性及於第二波長範圍中之反射特性，該抗反射塗層係定位在該玻璃材料之上，由此該玻璃材料係定位於該抗反射塗層與該光子吸收材料之間，該抗反射塗層包含有一層狀結構，該層狀結構具有多層，該等層一起具有無序或非漸變的折射率範圍。
在一實施例中，該第二波長範圍包括紅外線波長範圍。於特定範例中，該第二波長範圍係大於1200nm之波長範圍。例如，該第二範圍可在由1200nm至4000nm的範圍內。第一波長範圍典型包括可見光之波長範圍，且光子吸收材料典型係配置成在可見光的波長範圍內吸收電磁輻射。
該層狀結構可為薄膜結構，並可包含多數層。該薄膜結構可包含任何數目之層，但於一特定實施例中包含少於7層及典型少於5層。每一層可為由具有從1.2至2.8的折射率範圍之材料所形成。
尤其令人感興趣的是層由不同孔隙率的材料所製成，以產生折射率中之這些變化，由於它們目前用作太陽能模組上的單層塗層、以及業已使用於自清潔玻璃中之多孔TiO2層，因此具有特別感興趣的多孔SiO2層。
按照本發明之第三態樣，提供有光電模組，包含有：光子吸收材料，用於吸收所接收的電磁輻射，該光子吸收材料包含太陽能電池；及按照本發明之第一態樣的選擇性反射器。
該選擇性反射器可為以玻璃蓋板之形式提供，該玻璃蓋板包括有定位於該光子吸收材料之上的摻雜玻璃材料。另一選擇，該選擇性反射器可例如以層之形式提供，該層係施加至該玻璃板的表面、諸如該光電模組之玻璃板的後(或前)表面。
該光電模組亦可包含抗反射塗層，其可為坐落在該玻璃材料之前表面上。
100‧‧‧選擇性反射器
102‧‧‧摻雜劑材料
300‧‧‧光電模組
302‧‧‧玻璃材料
304‧‧‧封裝材料
305‧‧‧太陽能電池
306‧‧‧抗反射塗層
308‧‧‧後蓋片
現在將通過範例參考所附圖面敘述本發明的實施例，其中：圖1係按照本發明之實施例的選擇性反射器；圖2係作為波長之函數的折射率之曲線圖，模擬摻雜有吸收劑的玻璃，該吸收劑吸收波長為1400nm之電磁輻射；圖3係作為波長的函數之吸收和反射的曲線圖，模擬摻雜有吸收劑之玻璃，該吸收劑吸收波長為1400nm的電磁輻射；及圖4係按照本發明之實施例的光電模組之概要代表圖。
圖1顯示按照本發明之實施例的選擇性反射器100。該選擇性反射器100具有併入一材料之摻雜劑材料102，該材料於此範例中係鹼石灰玻璃。摻雜劑材料包含分佈遍及該玻璃材料的原子、分子或離子。於此實施例中，該摻雜劑係分子具有羥基並吸收波長為大約1400nm之電磁輻射的分子。然而，熟諳此技術領域者將了解另一選擇係，該材料可摻雜有其他合適之材料、諸如合適的金屬材料，其可吸收不同波長之電磁輻射。再者，能以諸多形式提供材料。例如，於一替代實施例中，材料能以施加至另一零組件的薄膜層之形式提供。
圖2顯示作為波長的函數之選擇性反射器100的玻璃材料之折射率的模擬，圖3顯示對應之模擬反射和吸收。於此範例中，玻璃材料係摻雜有在1400nm波長下具有強力(共振)吸收的材料。直至大約500nm的波長之玻璃的折射率係大約1.5，且然後在1400nm理想地朝-∞減小。再者，折射率於2500nm處由1.5以上增加，隨著在1400nm處理想地朝+∞減小波長。藉由摻雜劑在狹窄但有限的波長範圍之上的吸收將消除這些特色，同時保留其關鍵屬性。
藉由變更玻璃之折射率，能控制其反射特性。以此摻雜玻璃，具有如圖2中所顯示的折射率變動之反射器在折射率為1.5的波長範圍內將是大部分透明的，但如圖3中所顯示，對於大約1200nm以上之波長將顯示增加的反射，而增加至靠近1400nm之強力反射，且隨後將反射率降低至大約2500nm的波長，儘管仍然高於折射率保持在1.5之情況。
該選擇性反射器100於大約1400nm的波長強力地吸收及反射電磁輻射。在地球大氣中之水及二氧化碳分子亦在此波長(或靠近此波長)吸收電磁輻射，且因此當反射器100係於空氣中暴露至陽光時，具有1400nm的波長之可忽略的陽光將為入射於反射器100上。
正好在1400nm處之反射器100的強反射率不是特別有利(且相關之吸收也沒有缺點)，因為當反射器100係暴露至空氣中的太陽光時，反射器將僅接收於該波長之非常小部分(或沒有)電磁輻射，但因為該反射器100在1400nm附近的波長範圍內也具有增加之反射率(在1400nm的幾百nm內之波長下的顯著反射)，反射器100對於反射紅外輻射係有用的，這減少藉由太陽能電池對熱能之吸收，並因此導致太陽能電池的較低操作溫度。例如，如果折射率之共振增強係集中在大約1400nm的波長處，則可配置選擇性反射器，使得於特定之波長範圍內，折射率係增加至2(例如)且玻璃材料的反射率係由4%(用於未塗覆之玻璃材料)增加至11%。
選擇性反射器100可因此使用於反射紅外線輻射，並可使用作為光電模組的零組件，以便將入射紅外線輻射反射，其將以別的方式增加該光電裝置之溫度，並將減少效率及壽命。
再者，該反射器於約1400nm的波長範圍內在該較低波長側亦具有減少之反射率(於1400nm的幾百nm內的波長處之顯著反射)。在中心波長處的折射率之共振修改導致於折射率共振的較低波長側之折射率的降低。在從較低波長朝中心波長並於幾百奈米內之方向中，折射率可在中心波長處理想地降低至-∞。因為減少的折射率，玻璃材料與周遭空氣之間的折射率中之不匹配減小。折射率不匹配中的降低導致玻璃材料在較低波長範圍內之反射率降低。例如，可設計選擇性反射器，使得可轉換成電(例如使用太陽能電池)的輻射之反射減少。
圖4顯示按照本發明的實施例之光電模組300。光電模組300包含玻璃材料302，其於此實施例中係以上述選擇性反射器100的形式提供。該玻璃材料302係以抗反射塗層306塗覆。再者，該光電模組300包含透明之封裝材料304，其封裝太陽能電池305。後蓋片308蓋住光子吸收材料。
圖4僅只概要地說明光電模組300，且未顯示光電模組300的所有零組件(譬如，電觸點及另外之層未顯示)。熟諳此技術領域者將了解該光電模組300可為以諸多形式提供。
再者，所說明的實施例包括呈玻璃材料302的形式之波長選擇反射器。於另一選擇實施例中，選擇性反射器可代替地以一層薄膜的形式提供，該層薄膜係譬如施加至可形成光電模組之玻璃板的玻璃材料。於此案例中，該層薄膜可譬如係施加至該玻璃材料之後側，由此該層薄膜係至少局部地保護免於UV輻射。
該抗反射塗層306具有於包括該可見波長範圍的第一波長範圍中之抗反射特性、及在包括紅外線波長範圍的第二波長範圍中之反射特性。該抗反射塗層係於此實施例中具有4或5層的層狀結構。該等層已選擇折射率，以致該等層一起具有無序或非漸變之折射率範圍。在此範例中，該等層具有由1.2至2.8的折射率範圍。
於一特定範例中，該等層係由不同多孔性之材料所形成，以產生折射率中的變動。於此實施例中，該等層包含多小孔SiO2或TiO2。
在特定範例中，第二波長範圍係於大約1200nm之上。譬如，第二波長範圍可在由1200nm至2000nm的範圍內。第一波長範圍典型包括可見光之波長範圍。
以上面討論的反射器100形式所提供之玻璃材料302的反射特性、及於該紅外線波長範圍中之抗反射塗層306的反射特性兩者有助於降低光電模組300之操作溫度，其增加轉換效率及減少降解，並藉此延長該光電模組300的壽命。
熟諳此技術領域的人員將理解可對本發明作成極多之變動及/或修改，如於特定實施例中所顯示，而未由如所寬廣地敘述的本發明之精神或範圍脫離。因此，本發明的實施例在所有方面皆考慮為是說明性的而非限制性的。

Claims (22)

  1. 一種選擇性反射器，其包含：一材料，其對一第一波長範圍內的光具有很大透射性且包含摻雜劑，選擇該等摻雜劑，以吸收在一第二波長範圍中的入射電磁輻射，該第二波長範圍係比該第一波長範圍狹窄並以中心波長為中心、或包括中心波長，在該中心波長處，地球之大氣強力地吸收電磁輻射，且比鄰近的波長範圍更強力吸收電磁輻射；其中在該中心波長及環繞該中心波長之該材料的折射率係藉由該等摻雜劑之強力吸收所變更，使得如果該第一波長範圍的至少一部份係鄰接該中心波長，則在該第一波長範圍之該部分內的材料之反射率增加。
  2. 如申請專利範圍第1項之選擇性反射器，其中該材料包含一玻璃材料，該玻璃材料包含該等摻雜劑。
  3. 如申請專利範圍第1項之選擇性反射器，其中該材料係以施加至一零組件的一層或薄膜之形式來提供。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之選擇性反射器，其中該中心波長係該地球的大氣具有一吸收帶之波長。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之選擇性反射器，其中該第一波長範圍係鄰近該中心波長範圍。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之選擇性反射器，其中該材料包含一低鐵玻璃材料，且其中選擇該等摻雜劑，使得在該中心波長處，該玻璃具有實質上由低鐵玻璃的折射率(約1.5)所修改之一折射率。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之選擇性反射器，其中選擇該等摻雜劑，使得該等摻雜劑不會吸收、或僅只吸收在延伸通過該大氣吸收帶的一波段內之不顯著輻射量。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之選擇性反射器，其中該已摻雜材料的該折射率係於至少幾百奈米之一波長範圍內在該折射率共振的一較低波長側減小。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之選擇性反射器，其中該已摻雜材料的折射率係於至少幾百奈米之一波長範圍內在該折射率共振的一較高波長側增加。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之選擇性反射器，其中該中心波長係地球大氣吸收電磁輻射之一波長。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之選擇性反射器，其中該中心波長係大約1400nm。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項之選擇性反射器，其中該材料係摻雜以一金屬元素。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項之選擇性反射器，其中該材料係摻雜以包括有羥基的分子。
  14. 一種光電模組，包含有：一光子吸收材料，用於吸收電磁輻射及包含有太陽能電池；一玻璃材料；一抗反射塗層，具有在一第一波長範圍中之抗反射特性及於一第二波長範圍中的反射特性，該抗反射塗層係定位在該玻璃材料之上，由此該玻璃材料係定位於該抗反射塗層及該光子吸收材料之間，該抗反射塗層包含有一層狀結構，其具有多層，該等層一起具有一無序的折射率範圍。
  15. 如申請專利範圍第14項之光電模組，其中該第二波長範圍包括一紅外線波長範圍。
  16. 如申請專利範圍第14或15項之光電模組，其中該第二波長範圍係大於1200nm的波長範圍，且其中該第一波長範圍包括可見光之波長範圍。
  17. 如申請專利範圍第14至16項中任一項之光電模組，其中該層狀結構係包含有3-5層的薄膜結構。
  18. 如申請專利範圍第14至17項中任一項之光電模組，其中該等層包含不同多孔性的一或多種材料，以產生折射率中之變化。
  19. 如申請專利範圍第18項之光電模組，其中該多孔性材料包含SiO 2或TiO 2。
  20. 一種光電模組，包含有：一光子吸收材料，用於吸收所接收的電磁輻射，該光子吸收材料包含有一太陽能電池；及如申請專利範圍第1至13項中任一項的該反射器。
  21. 如申請專利範圍第18項之光電模組，其中該選擇性反射器係以包含有一摻雜玻璃材料的一玻璃板之形式提供，該玻璃材料係定位在該光子吸收材料之上。
  22. 如申請專利範圍第21項之光電模組，其中該選擇性反射器係以施加至該玻璃板的一後表面之層的形式提供，該玻璃板係定位在該光電模組的該光子吸收材料之上。
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