TWI452702B

TWI452702B - 可撓式集光罩及其製造方法

Info

Publication number: TWI452702B
Application number: TW099134454A
Authority: TW
Inventors: Wei Hung Su
Original assignee: Univ Nat Sun Yat Sen
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2014-09-11
Also published as: TW201216480A

Description

可撓式集光罩及其製造方法

本發明係關於一種可撓式集光罩及其製造方法，特別是關於一種可改善太陽能電池的光能吸收效率及發電效率之可撓式集光罩及其製造方法。

現有的太陽能的收集方式係將併排平鋪的太陽能板或太陽能電池擺設在預定的空間內，藉以在陽光照射下吸收光能量，進而轉換光能為其他能源來使用。另一種太陽光收集方式係設置集光裝置(如反射板或集光罩)於太陽能電池的周圍，以收集或集中光線至太陽能電池。因此，若要獲得高發電量，則需要廣大的設置面積來佈置太陽能板或其集光裝置。

然而，對於都市或者面積狹小的國家、地區而言，並無法提供廣大的設置面積來設置此太陽能收集裝置或其集光裝置，因而無法滿足大量的能源開發需求。

再者，目前已發展出可撓式或薄型式的太陽能電池，其可被撓曲，以方便設置於任意位置或元件上，例如大樓外牆上。然而，現有的集光裝置(如反射板或集光透鏡)並無法對應地被撓曲來配合可撓式太陽能電池，因而無法進一步改善此可撓式太陽能電池的發電效率。

故，有必要提供一種可撓式集光罩及其製造方法，以解決習知技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種可撓式集光罩及其製造方法，其可直接設置於太陽能電池上，以提高光線穿透率。

根據本發明之實施例，本發明提供一種可撓式集光罩，其包含：至少一全像片；以及一光學透鏡陣列，係由可撓性材料製成，並設置於該全像片上，其中該可撓式透鏡陣列具有複數個半圓形凸透鏡。

在本發明之一實施例中，該每一該些半圓形凸透鏡的一曲率半徑為該些半圓形凸透鏡之一排列週期的二分之一。

在本發明之一實施例中，該些半圓形凸透鏡為複數個長條型凸透鏡。

在本發明之一實施例中，每一該些半圓形凸透鏡的曲率半徑係大於100μm。

在本發明之一實施例中，該至少一全像片為單一全像片。

在本發明之一實施例中，該至少一全像片為複數個全像片，其分別適用於不同波長的光線。

又，根據本發明之實施例，本發明的可撓式集光罩的製造方法包含如下步驟：提供至少一全像片；以及形成一光學透鏡陣列於該至少一全像片上，其中該光學透鏡陣列係由可撓性材料製成，並具有複數個半圓形凸透鏡。

因此，本發明之可撓式集光罩可提高光線穿透率，以增加太陽能電池的光能吸收效率及發電效率。且本發明之可撓式集光罩具有可撓性，而可適用於可撓式或薄型太陽能電池。此外，本發明之可撓式集光罩可直接設置於太陽能電池上，而不需廣大的設置面積，且可撓式集光罩可製作成微型集光罩，以適用於任何尺寸的太陽能電池。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照圖1及圖2，圖1顯示依照本發明之第一實施例之可撓式集光罩與太陽能電池的剖面示意圖，圖2顯示依照本發明之第一實施例之可撓式集光罩的剖面示意圖。本實施例的可撓式集光罩100可設置於一太陽能電池200，用以改善光線的入射方向，使大部分的太陽入射光可實質地垂直入射至太陽能電池200，以大幅地提高光線的穿透率，亦即本實施例的可撓式集光罩100可具有導光效果，以提高光線入射至太陽能電池200的穿透率，進而可提升太陽能電池200的發電效率。其中，太陽能電池200可為剛性太陽能電池、可撓式太陽能電池或薄型太陽能電池，例如銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池。在本實施例中，此可撓式集光罩100可直接設置或貼附於太陽能電池200的上方。然不限於此，在一實施例中，可撓式集光罩100亦可利用一光學膠(optical adhesive)來黏著於太陽能電池200上。

如圖1及圖2所示，本實施例的可撓式集光罩100可包括至少一全像片(Hologram)110及光學透鏡陣列120。光學透鏡陣列120係設置於全像片110上。藉此，任意角度入射的太陽光線在經過此光學透鏡陣列120後可形成如球面波般的穿透光。此球面波的穿透光可再經過此全像片110來產生繞射，因而經過全像片110後的繞射光是以近似於垂直的角度來均勻地入射至太陽能電池200。

如圖1及圖2所示，本實施例的一全像片110較佳係具有可撓性，其可藉由形成多個干涉條紋111於底片或塑膠薄膜等可撓性透光基材上來實現，以作為一繞射元件，用以產生繞射光來垂直入射至太陽能電池200。在本實施例中，可藉由調整干涉條紋111的週期，以及光進行干涉後之全像片110的折射率變化(全像片110上之藥膜的折射率變化)來最佳化全像片110的繞射效率。

如圖1及圖2所示，本實施例的光學透鏡陣列120由可撓性材料製成，以具有可撓性。光學透鏡陣列120的材料可例如為環氧樹脂、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚酯(Polythylene terephthalate，PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、環烯烃共聚合物(Cyclic Olefin Copolymer,COC)、聚醚砜 (Polyether sulfone，PES)、PU或PE等可撓性塑膠材料，因而。且光學透鏡陣列120較佳係以一體成型的方式來形成，例如射出成型、精密鑄造、模鑄、機械加工、等壓出成型等一體成型方式。

如圖1及圖2所示，本實施例的光學透鏡陣列120可具有基材121及複數個半圓形凸透鏡122。半圓形凸透鏡122係排列於基材121上，用以將外部的光線(如太陽光)聚焦於全像片110上。其中，光學透鏡陣列120的半圓形凸透鏡122較佳係將外部的光線聚焦於全像片110的略上方，亦即半圓形凸透鏡122的焦點較佳係在全像片110的約略上方位置。

請參照圖3，其顯示依照本發明之第一實施例之光學透鏡陣列的立體示意圖。在本實施例中，此些半圓形凸透鏡122可例如為長條型凸透鏡，其排列於基材121上，且每一長條型凸透鏡的剖面形狀為半圓形。太陽光可入射至半圓形凸透鏡122，以進行聚焦。再者，每一半圓形凸透鏡122的曲率半徑R較佳為半圓形凸透鏡122之排列週期r_o 的二分之一，亦即半圓形凸透鏡122的曲率半徑R較佳為半圓形凸透鏡122之最大寬度的二分之一。藉此，光學透鏡陣列120的半圓形凸透鏡122可形成最佳的光學效果。

再者，本實施例的光學透鏡陣列120可形成一微光學透鏡陣列，其具有多個微型的半圓形凸透鏡122。此時，每一半圓形凸透鏡122的曲率半徑R較佳係大於 100μm，以避免發生光線的繞射效應。

以下，進一步對全像片110的繞射選擇性進行公式推導，並可由推導結果來設計適合日光的繞射元件。接著，對光學透鏡陣列的反射率進行分析，以優化光學透鏡陣列的幾何形狀，進而可減少透鏡表面的能量反射率。

首先，考慮一點光源與一平面波於全像片110內進行干涉，其波函數可表示為：

則全像片內的折射率可表示為：

其中，，。以球面波作為讀取光，則讀取光E_read 及繞射光E_diff 的數學形式為：

讀取光E_read 及繞射光E_diff (Wave Equation)：

其中λ_o 為真空中的波長。將(2)、(3)式代入公式(4)，可得：

接著，定義繞射效率為：

則繞射效率可表示為：

其中d為干涉區域的縱向範圍。藉由適當地調整干涉區域的折射率改變量，以及適當地調整干涉區域的縱向範圍，即可改變全像片110的繞射選擇性。

接著，選取適當的曲率半徑R，可使得來自角度照射λ_o 的日光在進入該透鏡所形成的陣列時，能獲得最小的能量反射率。由Fresnel’s equations可知，TE wave與TM wave之能量反射率分別為：其中，n₁ 與n₂ 分別為空氣與透鏡的折射率，θ₁ 與θ₂ 則分別為日光進入介面時的入射角與折射角。另外，θ₁ 與θ₂ 可進一步由θ與θ_o 表示：

對任一半圓形凸透鏡122而言，能量的平均反射率為：

經由電腦軟體來模擬計算，可得、與曲率半徑R的關係圖。其中，與之最小值皆發生在R=r_o /2處，因而可知，當半圓形凸透鏡122的曲率半徑R為半圓形凸透鏡122之排列週期r_o 的二分之一時，光學透鏡陣列120可具有最佳的光學效果。

因此，當外來的日光入射至光學透鏡陣列120時，光線可在經過此光學透鏡陣列120後可形成如球面波般的穿透光，並接著利用全像片110來產生繞射，藉以使經過全像片110後的繞射光是以近似於垂直的角度來均勻地入射至太陽能電池200。由於經過可撓式集光罩100的光線可垂直入射至太陽能電池200，因而可大幅地提升光線的穿透率(約90%以上)，進而可減少不必要的光能耗損，以改善太陽能電池200的光吸收率及其發電效率。

請參照圖4，其顯示依照本發明之可撓式集光罩之製造方法的方法流程圖。當製造本實施例的可撓式集光罩100時，首先，提供全像片110(步驟S101)。接著，形成光學透鏡陣列120於全像片110上(步驟S102)，其中光學透鏡陣列120可利用一體成型方式來形成於全像片110上。

請參照圖5，其顯示依據本發明的第二實施例之可撓式集光罩的剖面示意圖。以下僅就本實施例與第一實施例間之相異處進行說明，而其相似處則在此不再贅述。相較於第一實施例，第二實施例的可撓式集光罩300可包含多個全像片311、312及光學透鏡陣列320，光學透鏡陣列320係設置於此些全像片311、312上，並具有基材321及複數個半圓形凸透鏡322。此些全像片310可分別適用於不同波長的光線，以使不同波長的光線可分別得到最佳的繞射效果。例如，全像片311可適用於藍光(較短波長)，而全像片312可適用於綠光(較長波長)，並位於全像片311的下方。

如上所述，本發明之可撓式集光罩可設置於太陽能電池上，以提高光線穿透率，因而可增加太陽能電池的光能吸收效率及發電效率。再者，由於本發明之可撓式集光罩具有可撓性，因而可適用於可撓式或薄型太陽能電池，而可具有較廣的應用性。此外，本發明之可撓式集光罩可直接設置於太陽能電池上，而不需廣大的設置面積，且可撓式集光罩可製作成微型集光罩，以適用於任何尺寸的太陽能電池。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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、300‧‧‧可撓式集光罩

110、311、312‧‧‧全像片

111‧‧‧干涉條紋

120、320‧‧‧光學透鏡陣列

121、321‧‧‧基材

122、322‧‧‧半圓形凸透鏡

200‧‧‧太陽能電池

S101‧‧‧提供全像片

S102‧‧‧形成光學透鏡陣列於全像片上

圖1顯示依照本發明之第一實施例之可撓式集光罩與太陽能電池的剖面示意圖。

圖2顯示依照本發明之第一實施例之可撓式集光罩的剖面示意圖。

圖3顯示依照本發明之第一實施例之光學透鏡陣列的立體示意圖。

圖4顯示依照本發明之可撓式集光罩之製造方法的方法流程圖。

圖5顯示依據本發明的第二實施例之可撓式集光罩的剖面示意圖。

110‧‧‧全像片

111‧‧‧干涉條紋

121‧‧‧基材

122‧‧‧半圓形凸透鏡

Claims

一種可撓式集光罩，包含：至少一全像片(Hologram)；以及一光學透鏡陣列，係由可撓性材料製成，並設置於該全像片上，其中該可撓式透鏡陣列具有複數個半圓形凸透鏡，其中該每一該些半圓形凸透鏡的一曲率半徑為該些半圓形凸透鏡之一排列週期的二分之一，且該全像片係藉由形成多個干涉條紋圖案於一可撓性透光基材來提供。
如申請專利範圍第1項所述之可撓式集光罩，其中該些半圓形凸透鏡為複數個長條型凸透鏡。
如申請專利範圍第1項所述之可撓式集光罩，其中每一該些半圓形凸透鏡的曲率半徑係大於100μm。
如申請專利範圍第1項所述之可撓式集光罩，其中該至少一全像片為單一全像片。
如申請專利範圍第1項所述之可撓式集光罩，其中該至少一全像片為複數個全像片，其分別適用於不同波長的光線。
一種可撓式集光罩的製造方法，其包含如下步驟：提供至少一全像片；以及形成一光學透鏡陣列於該至少一全像片上，其中該光學透鏡陣列係由可撓性材料製成，並具有複數個半圓形凸透鏡，該每一該些半圓形凸透鏡的一曲率半徑為該些半圓形凸透鏡之一排列週期的二分之一，且該全像片係藉由形成多個干涉條紋圖案於一可撓性透光基材來提供。
如申請專利範圍第6項所述之可撓式集光罩的製造方法，其中該光學透鏡陣列係以一體成型的方式來形成。