TWI403681B - 太陽能集光結構 - Google Patents

Description

太陽能集光結構

本發明是有關於一種太陽能裝置，且特別是有關於一種太陽能集光結構。

隨著地球資源的耗損與科技的發達，而造成國際能源的短缺。有鑑於此，世界各國均積極投入各種替代性能源的研發。在這些替代性能源中，由於太陽光取之不盡用之不竭，因此太陽能發電設備，例如太陽能電池(Solar Cell)，的發展備受矚目。

太陽能電池一般係利用太陽光與半導體材料相互作用來直接產生電力的可再生能源。由於太陽能電池在使用中並不會釋放出任何氣體，包含二氧化碳，因此為一種無汙染綠色能源，可改善地球溫室效應的問題。

太陽能電池是利用半導體的光電效應直接吸收太陽光來發電。太陽能電池之發電原理是當太陽光照射在太陽能電池上時，太陽能電池會吸收太陽光能，而使太陽能電池之p型半導體與n型半導體分別產生電子與電洞，並使電子與電洞分離來形成電壓降，進而產生電流。

為提高太陽能電池之光吸收能力，目前的做法為變更太陽能電池之集光結構的設計。請參照第1A圖，其係繪示一種傳統太陽能集光結構的集光示意圖。此傳統太陽能集光結構100之整個表面102上設置有數個溝槽104。當太陽106照射太陽能集光結構100之表面102時，這些溝槽104可將入射之太陽光108往下導引，而增加對太陽光108能量的吸收率。

然而，如第1B圖所示，當太陽光108相對於太陽能集光結構100之表面102處於低角度時，太陽能集光結構100之表面102的溝槽104無法有效將太陽光108往下導引。因此，當太陽106處在低角度時，這種傳統之太陽能集光結構100的設計無法獲得良好之集光效果。

因此，隨著能源的短缺，目前亟需一種具高集光效果之太陽能集光結構，以提升太陽能電池對太陽光能之吸收效率。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種太陽能集光結構，其板體包含數個集光單元，且每個集光單元包含中空錐體。藉由中空錐體的設計，可擷取之入射光的方向範圍更為廣泛，因此具有極高之集光能力。

本發明之另一態樣是在提供一種太陽能集光結構，其包含數個集光單元，且每個集光單元包含相互連通之中空錐體與中空柱體，因此不僅可擴大入射光的擷取範圍，更可大幅地提升光吸收效果。

本發明之又一態樣是在提供一種太陽能集光結構，其每個集光單元包含一類U字型溝槽或W字型溝槽。其中，每個類U字型溝槽或W字型溝槽之二側牆可增加對入射光的擷取範圍，並可將入射光往溝槽底部導引，而增加入射光與太陽能集光結構內之光電轉換層的碰撞次數。因此，可提高光吸收效率，進而可有效增進光電轉換效率。

根據本發明之上述目的，提出一種太陽能集光結構。此太陽能集光結構包含一板體以及至少一光電轉換層。板體包含數個集光單元，其中每一集光單元包含一中空錐體，且每一中空錐體具有第一開口。光電轉換層則覆蓋在集光單元之內側面。

依照本發明一實施例，上述之板體係一體成型結構。

根據本發明之目的，提出一種太陽能集光結構。此太陽能集光結構包含一透光板體以及至少一光電轉換層。透光板體包含數個集光單元。每一集光單元包含一中空錐體以及一中空柱體。中空錐體具有第一開口。中空柱體具有相對之第二開口與第三開口，其中第二開口與第一開口對應接合。光電轉換層覆蓋在集光單元之內側面。

依照本發明之一實施例，上述每一中空柱體之高度可為任意值。當中空柱體之高度為零時，亦即集光單元僅包含中空錐體時，每個尖錐之角度ψ可小於90度。當中空柱體之高度大於零時，尖錐之角度ψ即可為任意角。

根據本發明之目的，另提出一種太陽能集光結構。此太陽能集光結構包含一板體以及至少一光電轉換層。板體包含數個集光單元，其中每一集光單元包含一溝槽。每一溝槽包含一凹槽以及二側牆，其中此二側牆分別接合在凹槽之相對二側邊且彼此相對。光電轉換層則覆蓋在集光單元之內側面。

依照本發明之一實施例，上述之每一溝槽係一類U字型溝槽。

依照本發明之另一實施例，上述之每一溝槽係一W字型溝槽。

本發明揭露一種太陽能集光結構，對太陽光等入射光具有相當高之集光能力。為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述並配合第2圖至第7圖之圖式。

請參照第2圖，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。在本實施方式中，太陽能電池之太陽能集光結構200主要包含板體202。其中，此板體202之材料可為任一材料，例如玻璃、鋼材或塑膠等。板體202包含數個集光單元204。每個集光單元204之內側面上批覆一層或多層光電轉換層203。其中，光電轉換層203具有吸光而產生電之能力。在一實施例中，板體202可為一體成型結構，且這些集光單元204係形成在此板體202上。在另一實施例中，板體202並非一體成型結構，而係由這些集光單元204合併而組成。

每個集光單元204包含中空錐體216，其中每個中空錐體216具有開口210。在一實施例中，這些中空錐體216之開口210可實質位於同一平面。舉例而言，所有中空錐體216之開口210位於板體202之同一表面214，如第2圖所示。每個中空錐體216之角度θ需小於90度。此外，所有中空錐體216之開口可為任意圖形，例如正方形、矩形或六邊形。

在本實施方式中，每個中空錐體216具有一尖錐212。每個尖錐212之角度θ可例如小於實質90度且大於0度。在一實施例中，中空錐體216可為不同形狀之角錐體，例如第2圖所示之中空四角錐體，或者為中空三角錐體、與中空多邊形錐體。其中，這些角錐體之每一邊的長度可等長，亦可不等長，亦即可為正多邊形角錐或非正多邊形角錐。在另一實施例中，中空錐體216可為中空圓錐體或中空橢圓形錐體。

由於太陽能集光結構200之每個集光單元204係由中空錐體216所組成，因此當太陽光等入射光相對於板體202之表面214係處於低角度時，可將入射光往下導引，並與光電轉換層203產生多次碰撞，可提高光吸收效率，因而可擴大太陽能集光結構200之有效集光範圍，進而可有效增進光電轉換效率。

在其他實施方式中，太陽能集光結構之集光單元的中空錐體可具有至少二尖錐，其可為任一有曲度的面，以造成光偏離。請參照第3圖，其係繪示依照本發明之另一實施方式的一種太陽能集光結構之集光單元的剖面示意圖。此太陽能集光結構200a之集光單元204a同樣包含一中空錐體216a與至少一光電轉換層203a，但此中空錐體216a包含二尖錐212a。其中，光電轉換層203a同樣係覆蓋在集光單元204a之內側面上，亦即中空錐體216a之內側面上。在一實施例中，中空錐體216a之每個尖錐212a的角度θ_a 可例如小於實質90度且大於0度。

在本實施方式中，為避免太陽能集光結構200a之集光單元204a因灰塵覆蓋而影響其集光能力，太陽能集光結構200a更可選擇性地設置蓋板218。蓋板218覆蓋在所有集光單元204a上，以防止灰塵掉入集光單元204a之中空錐體216a中。在一實施例中，更可利用例如表面處理方式，使蓋板218之表面220成為抗反射表面，以進一步提升太陽能集光結構200a之集光效率。

請參照第4圖，其係繪示依照本發明之又一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。在本實施方式中，太陽能電池之太陽能集光結構300主要包含板體302與至少一光電轉換層303。其中，此板體302之材料可為半導體材料，例如矽或玻璃。板體302包含數個集光單元308。其中，每個集光單元308包含中空錐體304與中空柱體306。光電轉換層303覆蓋在這些集光單元308之內側面上，亦即光電轉換層303覆蓋在中空錐體304與中空柱體306之內側面上。每個中空錐體304具有開口322。此外，每個中空柱體306具有開口324與326位於中空柱體306之相對二端。中空錐體304之開口322與中空柱體306之開口324對應接合。在一實施例中，中空錐體304之開口322與中空柱體306之開口324的形狀與尺寸相同，以利中空錐體304與中空柱體306的對應接合。在一例子中，這些中空柱體306之開口326可實質位於同一平面，例如所有中空柱體306之開口326位於板體302之同一表面310，如第4圖所示。在一實施例中，每個中空柱體306之側壁的角度可例如介於實質80度至實質100度之間。在另一實施例中，中空柱體306之側壁可例如為直立而角度呈實質90度。

在一實施例中，板體302係一體成型結構，且這些集光單元308係形成在此板體302上。其中，此板體302可為相同材料所組成。在另一實施例中，板體302並非一體成型結構，而係由這些集光單元308合併而組成。

如第5圖所示，在又一實施例中，板體302a包含二板體328與330，其中板體330疊設在板體328上。板體330中設置有多個中空柱體306a。而板體328中設有多個中空錐體304a。這些中空錐體304a之數量、位置與尺寸對應於中空柱體306a。可藉助在板體328與330中設置對準標記(未繪示)的方式，來對位疊合板體328與330，以使上方板體330中的這些中空柱體306a與下方板體328中的中空錐體304a分別對應接合，而構成多個集光單元308a。

在本實施方式中，每個中空錐體304具有一尖錐312。其中，中空柱體306的高度316可為任意值。但是，當高度316為零時，亦即每個集光單元308僅包含中空錐體304但並未包含中空柱體306時，每個尖錐312之角度ψ可例如小於90度。當高度316大於零時，尖錐312之角度ψ即可為任意角。

在其他實施方式中，太陽能集光結構之集光單元的中空錐體可具有至少二尖錐，如同第3圖所示之實施例。在一實施例中，中空錐體304可為不同形狀之角錐體，例如第4圖所示之中空四角錐體，或者為中空三角錐體、與中空多邊形錐體。其中，這些角錐體之每一邊的長度可等長，亦可不等長，亦即可為正多邊形角錐或非正多邊形角錐。此時，中空柱體306對應於中空錐體304，而可為中空四 角柱體、中空三角錐體、與中空多邊形錐體。此外，這些角柱體之每一邊的長度可等長，亦可不等長，亦即可為正多邊形角柱或非正多邊形角柱。在另一實施例中，中空錐體304可為中空圓錐體或中空橢圓形錐體。而此時，中空柱體306對應於中空錐體304而可為中空圓柱體或中空橢圓形柱體。

由於太陽能集光結構300之每個集光單元308係由中空柱體306與中空錐體304所組成，因此當太陽光等入射光相對於板體302之表面310係處於低角度時，可更有效地將入射光往下導引，並可大幅擴大太陽能集光結構300之集光範圍，達到增進集光效果的目的。

在一實施例中，太陽能集光結構300之集光單元308的光電轉換層303一般包含p型半導體層、n型半導體層及/或本質型(i-type)半導體層，其中本質型(i-type)半導體層通常係夾設在p型半導體層與n型半導體層之間。完成太陽能集光結構300之製作後，再製作電極，即可完成太陽能電池的製作。

在其他實施方式中，太陽能集光結構的集光單元亦可呈溝渠狀。請參照第6圖，其係繪示依照本發明之又一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。在一實施例中，太陽能電池之太陽能集光結構400主要包含板體402與至少一光電轉換層403。其中，此板體402之材料可為半導體材料，例如矽或玻璃。板體402包含數個集光單元404。每個集光單元404包含溝槽410。每個溝槽410為一橫貫板體402之條狀溝槽。光電轉換層403覆蓋在這些集 光單元404之內側面上，亦即光電轉換層403覆蓋在溝槽410之內側面上。在一集光單元404中，溝槽410包含凹槽406與二側牆408。其中，此二側牆408分別接合在凹槽406之相對二側邊，且彼此相對。在一實施例中，每個凹槽406可包含一尖錐412，而溝槽410可例如為類U字型溝槽。

在一實施例中，板體402可為一體成型結構，且這些集光單元404係形成在此板體402上。其中，此板體402可為相同材料所組成。在另一實施例中，板體402並非一體成型結構，而係由這些集光單元404合併而組成。

在其他實施方式中，太陽能集光結構之集光單元之溝槽可具有至少二尖錐。請參照第7圖，其係繪示依照本發明之又一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。在一實施例中，太陽能電池之太陽能集光結構400a主要包含板體402a與至少一光電轉換層403a。此板體402a之材料可為半導體材料，例如矽或玻璃。板體402a包含數個集光單元404a。每個集光單元404a包含溝槽410a。每個溝槽410a為一橫貫板體402a之條狀溝槽。光電轉換層403a覆蓋在這些集光單元404a之內側面上，亦即光電轉換層403a覆蓋在溝槽410a之內側面上。在一集光單元404a中，溝槽410a包含凹槽406a與二側牆408a。其中，此二側牆408a分別接合在凹槽406a之相對二側邊，且彼此相對。在一實施例中，每個凹槽406a可包含二尖錐412a，而溝槽410a可例如為W字型溝槽。

在一實施例中，板體402a係一體成型結構，且這些集 光單元404a係形成在此板體402a上。其中，此板體402a可例如由相同材料所組成。在另一實施例中，板體402a並非一體成型結構，而係由這些集光單元404a合併而組成。

在本發明中，所有太陽能集光結構均可依實際需求而選擇性地設置蓋板，來覆蓋住所有集光單元，如第3圖所示之實施例，藉以防止集光單元因污染而導致集光效率下降。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之太陽能集光結構包含數個集光單元，且每個集光單元包含中空錐體，因此可擷取之入射光的範圍更為廣泛，故具有極高之集光能力。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之太陽能集光結構包含數個集光單元，且每個集光單元包含相互連通之中空錐體與中空柱體，因此不僅可擴大入射光的擷取範圍，更可大幅地提升光吸收效果。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點就是因為本發明之太陽能集光結構的每個集光單元包含一類U字型溝槽或W字型溝槽，其中每個類U字型溝槽或W字型溝槽之二側牆可增加對入射光的擷取範圍，並可將入射光往溝槽底部導引，而增加入射光與太陽能集光結構內之光電轉換層的碰撞次數，因此可提高光吸收效率，進而可有效增進光電轉換效率。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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‧‧‧太陽能集光結構

102‧‧‧表面

104‧‧‧溝槽

106‧‧‧太陽

108‧‧‧太陽光

200‧‧‧太陽能集光結構

200a‧‧‧太陽能集光結構

202‧‧‧板體

203‧‧‧光電轉換層

203a‧‧‧光電轉換層

204‧‧‧集光單元

204a‧‧‧集光單元

206‧‧‧寬度

208‧‧‧高度

210‧‧‧開口

212‧‧‧尖錐

212a‧‧‧尖錐

214‧‧‧表面

216‧‧‧中空錐體

216a‧‧‧中空錐體

218‧‧‧蓋板

220‧‧‧表面

300‧‧‧太陽能集光結構

302‧‧‧板體

302a‧‧‧板體

303‧‧‧光電轉換層

304‧‧‧中空錐體

304a‧‧‧中空錐體

306‧‧‧中空柱體

306a‧‧‧中空柱體

308‧‧‧集光單元

308a‧‧‧集光單元

310‧‧‧表面

312‧‧‧尖錐

314‧‧‧寬度

316‧‧‧高度

318‧‧‧寬度

320‧‧‧高度

322‧‧‧開口

324‧‧‧開口

326‧‧‧開口

328‧‧‧板體

330‧‧‧板體

400‧‧‧太陽能集光結構

400a‧‧‧太陽能集光結構

402‧‧‧板體

402a‧‧‧板體

403‧‧‧光電轉換層

403a‧‧‧光電轉換層

404‧‧‧集光單元

404a‧‧‧集光單元

406‧‧‧凹槽

406a‧‧‧凹槽

408‧‧‧側牆

408a‧‧‧側牆

410‧‧‧溝槽

410a‧‧‧溝槽

412‧‧‧尖錐

412a‧‧‧尖錐

θ‧‧‧角度

θ_a ‧‧‧角度

ψ‧‧‧角度

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1A圖係繪示一種傳統太陽能集光結構的集光示意圖。

第1B圖係繪示一種傳統太陽能集光結構的另一角度集光示意圖。

第2圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。

第3圖係繪示依照本發明之另一實施方式的一種太陽能集光結構之集光單元的剖面示意圖。

第4圖係繪示依照本發明之又一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。

第5圖係繪示依照本發明之再一實施方式的一種太陽能集光結構之組裝示意圖。

第6圖係繪示依照本發明之又一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。

第7圖係繪示依照本發明之又一實施方式的一種太陽能集光結構之立體示意圖。

300．．．太陽能集光結構

302．．．板體

304．．．中空錐體

303．．．光電轉換層

306．．．中空柱體

308．．．集光單元

310．．．表面

312．．．尖錐

314．．．寬度

316．．．高度

318．．．寬度

320．．．高度

322．．．開口

324．．．開口

326．．．開口

ψ．．．角度

Claims (42)

1. 一種太陽能集光結構，包含：一板體，包含複數個集光單元，其中每一該些集光單元包含：一中空錐體，且每一該些中空錐體具有一第一開口；以及一中空柱體，包含相對之一第二開口與一第三開口，其中該第二開口與該第一開口對應接合；以及至少一光電轉換層，覆蓋在該些集光單元之內側面，其中該些集光單元之該些第一開口實質位於同一平面，且該些第三開口實質位於同一平面。
2. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中該板體係一一體成型結構。
3. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中該板體係由該些集光單元合併組成。
4. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空三角錐體。
5. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空四角錐體。
6. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空多邊形錐體。
7. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空圓錐體。
8. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空橢圓形錐體。
9. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體包含至少二尖錐。
10. 如請求項9所述之太陽能集光結構，其中每一該些尖錐之角度小於90度且大於0度。
11. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空柱體為一中空三角柱體。
12. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空柱體為一中空四角柱體。
13. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空柱體為一中空多邊形柱體。
14. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空柱體為一中空圓柱體。
15. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空柱體為一中空橢圓形柱體。
16. 如請求項1所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空柱體之側壁的角度介於實質80度至實質100度之間。
17. 如請求項1所述之太陽能集光結構，更包含一蓋板覆蓋在該些集光單元上。
18. 如請求項17所述之太陽能集光結構，其中該蓋板包含一抗反射表面。
19. 一種太陽能集光結構，包含：一板體，包含複數個集光單元，其中每一該些集光單元包含：一中空錐體，具有一第一開口；以及一中空柱體，具有相對之一第二開口與一第三開口，其中該第二開口與該第一開口對應接合；以及至少一光電轉換層，覆蓋在該些集光單元之內側面。
20. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中該些第三開口均位於該板體之一表面中。
21. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中該板體係一一體成型結構。
22. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中該板體包含：一第一板體，其中該些中空錐體設於該第一板體中；以及一第二板體，疊設於該第一板體上，其中該些中空柱體設於該第二板體中。
23. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中該板體係由該些集光單元合併組成。
24. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體包含至少二尖錐。
25. 如請求項24所述之太陽能集光結構，其中每一該些尖錐之角度小於90度且大於0度。
26. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空柱體之側壁的角度介於實質80度至實質100度之 間。
27. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空三角錐體，且每一該些中空柱體為一中空三角柱體。
28. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空四角錐體，且每一該些中空柱體為一中空四角柱體。
29. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空多邊形錐體，且每一該些中空柱體為一中空多邊形柱體。
30. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空圓錐體，且每一該些中空柱體為一中空圓柱體。
31. 如請求項19所述之太陽能集光結構，其中每一該些中空錐體為一中空橢圓形錐體，且每一該些中空柱體為一中空橢圓形柱體。
32. 如請求項19所述之太陽能集光結構，更包含一蓋板覆蓋在該些集光單元上。
33. 如請求項32所述之太陽能集光結構，其中該蓋板包含一抗反射表面。
34. 一種太陽能集光結構，包含：一板體，包含複數個集光單元，其中每一該些集光單元包含一溝槽，每一該些溝槽為橫貫該板體之一條狀溝槽且包含：一凹槽；以及二側牆，分別接合在該凹槽之相對二側邊，且彼此相對；以及至少一光電轉換層，覆蓋在該些溝槽之內側面。
35. 如請求項34所述之太陽能集光結構，其中該板體係一一體成型結構。
36. 如請求項34所述之太陽能集光結構，其中該板體係由該些集光單元合併組成。
37. 如請求項34所述之太陽能集光結構，其中每一該些凹槽包含一尖錐。
38. 如請求項37所述之太陽能集光結構，其中每一該些溝槽係一類U字型溝槽。
39. 如請求項34所述之太陽能集光結構，其中每一該些凹槽包含二尖錐。
40. 如請求項39所述之太陽能集光結構，其中每一該些溝槽係一W字型溝槽。
41. 如請求項34所述之太陽能集光結構，更包含一蓋板覆蓋在該些集光單元上。
42. 如請求項41所述之太陽能集光結構，其中該蓋板包含一抗反射表面。