TWI475706B - A collector and a solar cell module with a collector - Google Patents

Description

集光器及具有集光器的太陽能電池模組

本發明是有關於一種集光器，特別是指一種根據波長範圍分離光的集光器，本發明還有關於一種具有集光器的太陽能電池模組。

由於全球人口數量逐年增加，對能源的需求量也愈加提升，目前主要使用能源為石化燃料及核能發電。然而，石油及煤礦等燃料在燃燒時產生熱能及二氧化碳等廢氣已造成空氣汙染及溫室效應，而核能發電雖然對空氣的汙染較小，但也會產生大量無法分解且具有輻射性的核廢料，再者，若核電電廠在運作時控制不當或遇嚴天災，也容易造成輻射外洩，而對生物體產生危害。重要的是，無論石化燃料或是核能，皆屬於非再生能源，故都有用盡而枯竭的一天。因此，另外發展使地球可永續循環且用之不竭的再生能源成為主要動力來源，例如太陽能、風力發電、水力發電，便成為未來能源發展的主要課題。其中，太陽能由於最穩定且易於取得，是目前最有發展潛力的再生能源之一。

參閱圖1，最初發展的是太陽光能直接照射太陽能電池，並透過使用太陽能電池將光能轉換為電能供後續使用。但由於太陽能電池的受光面有限。所以，還發展出一種如圖1所示的太陽能電池模組，該太陽能電池模組包含一太陽能電池12，及一位於太陽能電池12的受光面上方且可將太陽光能全部匯聚至該太陽能電池12的集光器11，並利用該集光器12可匯聚光線的特性，增加照射至太陽能電池11的光量，進而提高經光電轉換後的電能。一般來說，該集光器11是可將光匯聚至焦點的球型的凸透鏡11。

配合參閱圖2，由於該凸透鏡11需有一預定弧度，所以相對體積龐大，而為節省集光器11所佔的空間，故續將球型凸透鏡11改進為菲涅爾透鏡(Frenel Lens)13。該菲涅爾透鏡13是以多數個彼此相鄰且長度相等的菱鏡131構成，且每個菱鏡131接受光的表面成一連續的平面，而以相同的入射角度接受視為平行光的太陽光，並將照射於該菲涅爾透鏡13的太陽光全部收集至該太陽能電池12，除了以薄化的方式降低集光器13的厚度，同時也大輻減少太陽能電池模組整體的體積與重量。

配合參閱圖3，目前是先以集光器13將光匯聚於該太陽能電池12，當太陽光的光能量E超過該太陽能電池12的預定能隙E_g 時，太陽光能才會從光能轉變為電能；且太陽光能E中超過預定能隙的光能△E(也就是太陽光能與預定能隙間的光能差△E)會在太陽能電池12內形成廢熱能；而未達到預定能隙的太陽光能，則在太陽能電池12內部直接從光能轉換為廢熱能而無法成為電能。由上述可知，超過或不足太陽能電池12的預定能隙的太陽光能都會因為無法有效地形成光電效應而成為滯留於太陽能電池12中的廢熱能，而太陽能電池12受廢熱能的影響持續升溫，導致太陽能電池12快速老化；此外，也無法有效地轉換所有的光能成為電能，而導致整體光電轉換效率低。

所以，如何有效提升太陽能電池模組整體的光電轉換效率，是屬太陽能電池技術領域的技術人士持續研究的目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以提高太陽能電池模組的光電轉換效率的集光器。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種可以具高光電轉換效率的具有集光器的太陽能電池模組。

於是，本發明集光器，用於匯聚太陽光，並包含多個分別具有一受光面及一折射面的菱鏡，該等菱鏡的受光面彼此連接而形成連續的平面，定義第m個菱鏡的長度是P_m ，第m個菱鏡受光面與折射面的夾角是α_m ，該等菱鏡的長度與夾角關係滿足P_m >P_m-1 ，且α_m >α_m-1 ，m>1，而使太陽光被該等菱鏡色散而令不同波長範圍的光分別實質匯聚至該等菱鏡另一側的一光匯聚面並根據波長範圍分離。

於是，本發明具有集光器的太陽能電池模組，包含一太陽能電池單元，及一集光器。

該太陽能電池單元具有一供光進入後產生電能的光匯聚面。

該集光器用於用於匯聚太陽光，並包含多個分別具有一受光面及一折射面的菱鏡，該等菱鏡的受光面彼此連接而形成連續的平面，定義第m個菱鏡的長度是P_m ，第m個菱鏡受光面與折射面的夾角是α_m ，該等菱鏡的長度與夾角關係滿足P_m >P_m-1 ，且α_m >α_m-1 ，m>1，而使太陽光被該等菱鏡色散而令不同波長範圍的光分別實質匯聚至該等菱鏡另一側的一光匯聚面並根據波長範圍分離。

本發明之功效：利用該等菱鏡先將光線實質匯聚於該光匯聚面，再利用菱鏡色散的原理將不同波長範圍的光於該光匯聚面分離開來，減少光在該太陽能電池單元中直接成為廢熱能的機率，進而有效地轉將光能轉換為電能，提升光電轉換效率。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖4，本發明具有集光器的太陽能電池模組的一較佳實施例包含至少一太陽能電池單元2，及一集光器3。

該太陽能電池單元2具有一光匯聚面23，在該較佳實施例中，該太陽能電池單元2具有多個太陽能電池22，且該等太陽能電池22中接受光的表面即為該光匯聚面23。

該集光器3包括多數個菱鏡31，每個菱鏡31具有一受光面311，及一折射面312，該等菱鏡31彼此相鄰，且該等菱鏡31的受光面311都朝向同一方向，使該等受光面311為一連續的平面。在該較佳實施例中，該等受光面311朝向視為平行光的太陽光源。

其中，定義第m個菱鏡31的受光面311與折射面312的夾角是α_m ，且第m個菱鏡的長度是P_m ，則第m個菱鏡31的長度P_m 大於第(m-1)個菱鏡的長度P_m-1 ，且第m個菱鏡31的受光面311與折射面312的夾角α_m 大於第(m-1)個菱鏡31的受光面311與折射面312的夾角α_m-1 ，即該等菱鏡31間長度的關係與該等菱鏡間夾角的關係滿足α_m >α_m-1 ，及P_m >P_m-1 ，此時，m>1。

該集光器3匯聚太陽光至該光匯聚面23的同時，還能在該光匯聚面23將光根據不同的波長範圍分散開來。

較佳地，每個菱鏡31是直角菱鏡，且折射面312是直角菱鏡31的最長斜面，該受光面311作為鄰邊的表面，使對邊的表面與受光面311成垂直，且垂直進入每個菱鏡31的受光面311的太陽光與對邊的表面平行，則於對邊所成的表面受光的折射影響可降到最低的程度。

在該集光器3中，每個菱鏡31是具相同的折射率的材質形成，且第1個菱鏡31自一假想軸線X的原點正向延伸第1個菱鏡的長度P₁ 至點P₁ ，第2個菱鏡31自該第1個菱鏡的末端(也就是該假想軸線X的點P₁ )沿著該假想軸線X延伸第2菱鏡的長度P₂ 至該假想軸線X的點(P₁ +P₂ )，接下來依此類推，至第m個菱鏡31自該第(m-1)個菱鏡的末端沿著該假想軸線X延伸，且該等菱鏡31皆朝向同一個方向，而使該等菱鏡31的受光面311形成一連續的平面，且每個菱鏡31的受光面311與折射面312形成的夾角鄰近該菱鏡31的末端。

每個菱鏡31在預定波長λ的折射率是n_λ ，且定義每個菱鏡31的焦距是f。接下來，將說明如何選擇第1個菱鏡到第m個菱鏡的長度與夾角，才達到該較佳實施例的集光器3所能達成的較佳功效：該集光器3匯聚太陽光至該光匯聚面23的同時，還能在該光匯聚面23將光根據不同的波長範圍更精確地分散開來。

參閱圖4、圖5，假設該光匯聚面23位於該假想軸線X上，且太陽光通過每一菱鏡31後匯聚到達於該光匯聚面23，該光匯聚面23與該菱鏡31的受光面311平行，若定義R是該假想軸線X的原點到該菱鏡31末端的距離，該光匯聚面23與該菱鏡31的受光面311所延伸形成的平面的距離是焦距f，則會滿足下述一已知的Fresnel Lenses方程式(1)：

參閱圖4及圖6，假設每一菱鏡31受太陽光中預定波長範圍的光譜照射後皆匯聚至該假想軸線X的點a至b間的光匯聚面，且該光匯聚面23與該菱鏡31的受光面311所延伸形成的平面的距離是焦距f，若定義該菱鏡31的末端與該假想軸線X原點的距離為R_a ，該菱鏡31的末端與該假想軸線X的點a的距離為R，則推導出該菱鏡長度P的方程式滿足下述一方程式(2)：

根據該方程式(1)及該方程式(2)，且該第1個菱鏡31是自該假想軸線X的原點沿該假想軸線X正向延伸，並假設該光匯聚面23的點a位於該假想軸線X的原點，也就是R=R_a ，則可推導出該第1個菱鏡31的長度是下述一方程式(3)中P₁ 的解：

配合參閱圖7，根據該方程式(1)、該方程式(2)及該方程式(3)，每一菱鏡31沿該假想軸線X正向延伸，並假設該光匯聚面23的點a位於原點，也就是a=0，則可以遞迴的方式依序推導出P₂ 、P₃ 、……至第m個菱鏡31的長度滿足下述一方程式(4)中P_m 的解：

其中，M是該第m個菱鏡31的與該第1個菱鏡31的起始點的距離，也就是該第m個菱鏡31與該假想軸線X原點間的最短距離。

接著，當決定該光匯聚面23的長度時，同時也確定該假想軸線X中點b的值，再將n_λ 、f及b值代入該方程式(1)，得出第1個菱鏡31的長度P₁ 。

由於該第1個菱鏡31的長度也就是該第1個菱鏡的末端至該假想軸線X原點的距離，則P₁ =R，而可將P₁ 代回入該方程式(2)中，再配合已知的菱鏡的焦距f，而得到tanα的值，再以反函數求得第1個菱鏡31的折射面311與受光面312間的夾角α ₁ =tan^-1 。

繼續，當得到第1個菱鏡31的長度P₁ ，也就是該第2個菱鏡31與該假想軸線X原點間的距離M，並將已知的M、n_λ 、b及f代入該方程式(4)，而計算出第2個菱鏡31的長度P₂ 。

由於第2個菱鏡31的末端至該假想軸線X原點的距離也就是該第1個菱鏡31的長度P₁ 與該第2個菱鏡31的長度P₂ 的和，則P₁ +P₂ =M+P₂ =R，而可將M及P₂ 代回入該方程式(2)中，再配合已知的菱鏡的焦距f，而得到tanα的值，再以反函數求得第2個菱鏡的折射面與受光面間的夾角α₂ 。

再以類似計算該第2個菱鏡的長度P₂ 與夾角的計算及推導方式，在得到第1個菱鏡31至第(m-1)個菱鏡31的長度後，可以求得第m個菱鏡31與該假想軸線X原點間的距離M為第1個菱鏡31、第2個菱鏡31…，及第(m-1)個菱鏡31的長度和，再利用該方程式(4)而得到該第m個菱鏡31的長度P_m ；再者，根據第m個菱鏡31的末端至該假想軸線X原點的距離R也就是該第1個菱鏡31的長度P₁ 、該第2個菱鏡的長度P₂ 、……，至該第m個菱鏡的長度P_m 的和，則P₁ +P₂ +……+P_m-1 +P_m =第m個菱鏡末端與該假想軸線X原點間的距離的和=M+P_m =R，而可將M及P_m 代回入該方程式(2)中，再配合已知的菱鏡的焦距f，而得到tanα_m 的值，再以反函數求得第m個菱鏡31的折射面312與受光面311間的夾角α _m =tan^-1 。

透過本發明所推導而可得每個菱鏡31的長度與夾角的方程式試算還可得知，本發明該等菱鏡31的長度依序增加，且該等菱鏡31的受光面311與折射面312間的夾角也是依序加大，即為P_m >P_m-1 ，且α_m >α_m-1 。

由於對該等菱鏡31而言，不同波長有不同的折射率，因此，當具有多種波長範圍的太陽光照射至該等菱鏡31構成的集光器3時，太陽光照中波長為λ的光匯聚於該假想軸線X中點a至點b的位置，而太陽光照中波長大於λ的光的匯聚位置往該假想軸線X的延伸方向位移，而太陽光照中波長小於λ的光的匯聚位置往相反於該假想軸線X的延伸方向位移，而可將太陽光照根據不同的波長範圍色散並分離開來。

在該較佳實施例中，該等太陽能電池22的預定能隙分別對應經該集光器3分離後的不同波長範圍的太陽光照，而使每個太陽能電池22透過吸收合適波長範圍的太陽光照，供該太陽能電池22的能隙受激發而將光能充分轉換為電能，且由於所接受的太陽光照的能量是適合於該太陽能電池22的能隙，所以可有效降低太陽光照能量不足而無法供太陽能電池22形成光電效應而轉變為廢熱能，也避免太陽光照的能量甚大於太陽能電池22的能隙，而產生多餘的廢熱能。

需說明的是，在該較佳實施例中，該太陽能電池單元2是以多個分別具有相異且可配合所折射太陽光激發出電能的太陽能電池22及一負載21為例，但不以此為限，也可以依需要是包括多個分別具有一負載的太陽能電池單元，且每個太陽能電池單元的還分別具有能隙同一的太陽能電池，則每個太陽能電池單元的輸出功率不同，而可供多個分別需要不同電能的負載使用。且該太陽能電池單元的設置方式為熟習此領域的學者與技術人士所熟習，在此不再多加贅述。

以下為關於該較佳實施例太陽能電池模組的測試結果。

<測試結果1>

參閱圖5及圖7，該集光器的該等菱鏡31的焦距為50nm，該等菱鏡31在光波長為550nm時的折射率n_λ 是1.4918，而該供光波長為550nm照射的光匯聚面的位置於該假想軸線X的0mm~-1mm。

該第1個菱鏡自該假想軸線X的原點(0)往該假想軸線X的延伸方向延伸；再分別將f=50、n_λ =1.4918、及b=-1代入方程式(3)，並透過MATLAB運算軟體，求得第1個菱鏡的長度P₁ =1.0008mm，再將P₁ 代入方程式(2)求得tanα，最後將tanα代入方程式(1)，而得到α₁ =2.32°。

接著，透過該方程式(4)計算該第2個菱鏡的長度，在該方程式(4)中，f=50、n_λ =1.4918、b=-1，及M=P₁ =1.0008，並再透過MATLAB運算軟體，求得第2個菱鏡的長度P₂ =1.0008mm，再將M+P₂ =R代入方程式(2)求得tanα，最後將tanα代入方程式(1)，而得到α₂ =4.64°。

透過以上計算流程清楚瞭解每個菱鏡31的實際計算方法，並可繼續依據此方式推算至第m個菱鏡與(m-1)個菱鏡的長度與夾角，且其關係確實滿足P_m >P_m-1 ，且α_m >α_m-1 ，m>1。

<測試結果2>

以下將對單一菱鏡於接受不同波長範圍的光時，經該菱鏡折射後的光照射於該光匯聚面的位置進行模擬驗證。

在本測試結果中，取第4個菱鏡作驗證。

首先，假設該第4個菱鏡關於波長範圍為500nm的光折射率n_λ 是1.4967，該光匯聚面與該菱鏡的受光面的間距是50mm，當該波長範圍為500nm時，光折射至該假想軸線X為0~-1mm的光匯聚面，則b=-1，該第4個菱鏡的起始端放置於該假想軸線X的點3.011處(點3.011是經該方程式(1)、該方程式(2)，及該方程式(3)計算後P₁ 、P₂ 及P₃ 的總和)，也就是M=3.011，且第4個菱鏡經該方程式(1)、該方程式(2)，及該方程式(3)計算後的長度為1.013mm，則R=M+P₄ =4.024mm，並於該菱鏡下方並距該菱鏡50mm處設置一光譜接收器，運用SPEOS軟體模擬驗證當光照的波長範圍是400nm、700nm，及900nm時，光照於該光匯聚面的位置。

圖8~圖10是該光譜接收器量測得到在該光匯聚面的假想軸線X的光照圖，橫軸為假想軸線X，縱軸為照度。由圖8~圖13可以看得出來，當光照的波長範圍為400nm時，經該第4個菱鏡折射後的光照射至該光匯聚面的點-1.08mm~-0.086mm，當光照波長範圍漸增時，照射至該光匯聚面的光也向右移動，例如當光照波長範圍為900nm時，光照射至超過對應該光匯聚面的假想軸線X的點0，約為點0.1018nm。圖8~圖10證實，菱鏡在實質照射至光匯聚面的假想軸線X的點0~-1mm間，不同波長範圍的光確實會透過色散的特性而分離開來。

<測試結果3>

本測試結果主要是模擬本發明太陽能電池模組在吸收太陽光照時的光電轉換效率。並以一傳統型的太陽能電池模組作為對照組，一本發明的太陽能電池模組為實驗組，並在計算該對照組與該實驗組的總輸出功率後，比較本發明的光電轉換效率與傳統型太陽能電池模組的光電轉換效率。

[對照組]

參閱圖3，該傳統型的太陽能電池模組包括一具有一光匯聚面且能隙為1.1eV的太陽能電池12，及一位於該太陽能電池12上方的菲涅爾透鏡13，該傳統型的菲涅爾透鏡13具有多數個依序排列且長度相同的菱鏡131。

由於傳統型集光器13僅能集中太陽光照於該光匯聚面，而無法將不同波長範圍的光分離開來，所以放置於該光匯聚面同時接受到各種波長範圍的太陽光照。

設定總輸入的太陽光照功率為0.74瓦特。

配合參閱圖11，為該傳統型太陽能電池模組的太陽能電池12所搜集到的太陽光照之頻譜。配合參閱表1，表1將各波長範圍的入射功率與輸出功率分列於其中。其中，入射功率欄位為該傳統型的太陽能電池12接受到所對應的波長範圍的入射功率，該能階差欄位是太陽能電池12的能隙與該列的光波長範圍中最高能量(也就是波長最短)的比值，該輸出功率欄位是輸入功率與能階差的乘積。例如，該傳統型太陽能電池12在波長範圍為400~500nm時，所接受到的入射功率為0.23W，波長範圍為400nm具有最高能量3.1eV，則輸出功率為0.23*1.1/3.1=0.081W。

由於在傳統型的太陽能電池模組的太陽能電池12的能隙是一固定值，且為了可供大部分波長範圍的光轉換，所以設定該傳統型太陽能電池12的能隙為1.1eV，也就是不大於光波長範圍為1000nm時的能量。且由表1可得，該傳統型太陽能電池模組在接受總輸入功率為0.74時的總輸出功率是0.38W。

[對照組]

參閱圖4，本發明太陽能電池模組的實驗組包括該較佳實施例所述的集光器3，及該太陽能電池單元2，其中，該太陽能電池單元2以具有3個依序排列並往該假想軸線X的正向方向延伸的太陽能電池22作模擬驗證：本發明的集光器3除了將光匯聚於該光匯聚面23，還將照射於該光匯聚面23的光利用色散原理將不同波長範圍的光分離開來。

配合參閱圖12、圖13，及圖14，分別為該等太陽能電池22接受到太陽光的頻譜圖。

由圖12可以看得出來，第1個太陽能電池22所接受的光波長範圍大致落在400nm~600nm，且光波長範圍在400nm~500nm的光能量最強；如圖13所示，第2個太陽能電池22所接受的光波長範圍大致落在400nm~800nm，且光波長範圍在500nm~600nm的光能量最強；如圖14所示，第3個太陽能電池22所接受的光波長範圍大致落在500nm~1000nm，且光波長範圍在710nm~810nm的光能量最強。因此，由圖12~圖14所示的太陽能電池的頻譜圖可以得知本發明集光器確實將匯聚於該光匯聚面的光根據波長範圍分離開來。

接著，表2將第1個太陽能電池22所接受的各波長範圍的入射功率與輸出功率分列於其中。其中，入射功率欄位主要為本發明實驗組的第1個太陽能電池22接受到所對應的波長範圍的入射功率，該能階差欄位是第2個太陽能電池的能隙與該列的光波長範圍中最高能量(也就是波長最短)的比值，該輸出功率欄位是輸入功率與能階差的乘積。例如，該等1個太陽能電池22在波長範圍為400~500nm時，所接受到的入射功率為0.062W，波長範圍為400nm具有最高能量3.1eV，則輸出功率為0.062*1.1/3.1=0.041W。

由於在第1個太陽能電池22主要僅需供波長範圍為400nm~600nm的光產生光電效應，所以設定該第1個太陽能電池22的能隙為2.07eV，也就是不大於光波長範圍為600nm時的能量值。且由表3可得，該第1個太陽能電池22的輸出功率是0.59W。

再來，表4將第2個太陽能電池22所接受的各波長範圍的入射功率與輸出功率分列於其中。其中，入射功率欄位主要為本發明實驗組的第2個太陽能電池22接受到所對應的波長範圍的入射功率，該能階差欄位是第2個太陽能電池的能隙與該列的光波長範圍中最高能量(也就是波長最短)的比值，該輸出功率欄位是輸入功率與能階差的乘積。

由於在第2個太陽能電池22主要僅需供波長範圍為400nm~800nm光產生光電效應，所以設定該第2個太陽能電池22的能隙為1.55eV，也就是不大於光波長範圍為800nm時的能量值。且由表4可得，該第2個太陽能電池22的輸出功率是0.234W。

繼續，表4將第3個太陽能電池22所接受的各波長範圍的入射功率與輸出功率分列於其中。其中，入射功率欄位主要為本發明實驗組的第3個太陽能電池22接受到所對應的波長範圍的入射功率，該能階差欄位是第3個太陽能電池22的能隙與該列的光波長範圍中最高能量(也就是波長最短)的比值，該輸出功率欄位是輸入功率與能階差的乘積。

由於在第3個太陽能電池22主要僅需供波長範圍為500nm~1000nm的光產生光電效應，所以設定該第3個太陽能電池22的能隙為1.24eV，也就是不大於光波長範圍為1000nm時的能量值。且由表5可得，該第3個太陽能電池22的輸出功率是0.125W。

因此，該實驗組的總輸出功率為第1個太陽能電池22、第2個太陽能電池22，及第3個太陽能電池22的輸出功率的總和：0.059W+0.234W+0.125W=0.42W，而該對照組傳統型太陽能電池模組的總輸出功率為0.38W，所以在本測試結果中，本發明太陽能電池光組的電輸出功率優於傳統型太陽能電池模組的電輸出功率，且本發明太陽能電池模組的光輸出功率為傳統型太陽能電池模組總輸出功率的1.1倍，確實利用本發明的集光器33先將匯聚於該光匯聚面23的光利用折射率的差異將不同波長範圍的光分離開來，再分別照射至適當能隙的太陽能電池22，而於具適當預定能隙的太陽能電池22中產生光電效應，進而可獲得更高的輸出功率。

再者，本測試的總輸入功率是0.74W，而實驗組的總輸出功率是0.42W，對照組的總輸出功率是0.38W，則實驗組的光電轉換效率是57%，對照組的光電轉換效率是50%，故以光電轉換效率而言，本發明太陽能電池模組的光電轉換效率也較目前的陽能電池模組高出7%。

綜上所述，本發明集光器3的菱鏡31的長度自第1個菱鏡漸次增長，且受光面311與照射面312間的夾角也愈來愈大，除可將光匯聚於該光匯聚面23外，還將不同波長範圍的光分離開來，並可供具適當能隙的太陽能電池22產生光電效應，而可提升輸出功率與光電轉換效率，並降低光波長與太陽能電池能隙不匹配時形成多餘的廢熱能，而提升太陽能電池單元的壽命，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．太陽能電池單元

21．．．負載

22．．．太陽能電池

23．．．光匯聚面

3．．．集光器

31．．．菱鏡

311．．．受光面

312．．．折射面

P．．．菱鏡的長度

P₁ ．．．第1個菱鏡的長度

(P₁₊ P₂₎ ．．．第1個菱鏡和第2個菱鏡的長度和

P_m ．．．第m個菱鏡的長度

α ．．．菱鏡的夾角

α _m ．．．第m個菱鏡的夾角

X．．．假想軸線

f．．．焦距

R．．．假想軸線原點到一菱鏡末端的距離

R_a ．．．假想軸線原點到一菱鏡末端的距離

a．．．光匯聚面的端點

b．．．光匯聚面的端點

E．．．光能

E_g ．．．能隙

△E．．．光能差

圖1是一剖視示意圖，說明傳統型太陽能電池模組的集光器是凸透鏡；

圖2一剖視示意圖，說明目前太陽能電池模組的集光器是菲涅爾透鏡；

圖3是一能階圖，說明光能E大於一太陽能電池的能隙E_g 時，會產生一光能差△E；

圖4是一剖視示意圖，說明本發明太陽能電池模組的一較佳實施例；

圖5是一示意圖，說明一菱鏡滿足Fresnel Lenses方程式；

圖6是一示意圖，說明推導該菱鏡的長度的過程；

圖7是一示意圖，說明推導該菱鏡的長度的過程；

圖8是一照度圖，說明光波長為400nm時，經該較佳實施例並照射至一光匯聚面的照度分佈；

圖9是一照度圖，說明光波長為700nm時，經該較佳實施例並照射至一光匯聚面的照度分佈；

圖10是一照度圖，說明光波長為900nm時，經該較佳實施例並照射至一光匯聚面的照度分佈；

圖11是一頻譜圖，說明一對照組的太陽能電池所接受到的光波長範圍分佈；

圖12是一頻譜圖，說明一實驗組的第1個太陽能電池所接受到的光波長範圍分佈；

圖13是一頻譜圖，說明該實驗組的第2個太陽能電池所接受到的光波長範圍分佈；及

圖14是一頻譜圖，說明該實驗組的第3個太陽能電池所接受到的光波長範圍分佈。

2．．．太陽能電池單元

21．．．負載

22．．．太陽能電池

23．．．光匯聚面

3．．．集光器

31．．．菱鏡

311．．．受光面

312．．．折射面

P₁ ．．．第1個菱鏡的長度

(P₁₊ P₂₎ ．．．第1個菱鏡和第

2．．．個菱鏡的長度和

P_m ．．．第m個菱鏡的長度

α _m ．．．第m個菱鏡的夾角

X．．．假想軸線

Claims (5)

1. 一種集光器，匯聚太陽光，包含：多個分別具有一受光面及一折射面的菱鏡，該每個菱鏡為直角菱鏡，且該折射面是直角菱鏡的最長斜面，該等菱鏡的受光面彼此連接而形成連續的平面，定義第m個菱鏡的長度是P_m ，第m個菱鏡受光面與折射面的夾角是α_m ，該等菱鏡的長度與夾角關係滿足P_m >P_m-1 ，且α_m >α_m-1 ，m>1，而使太陽光被該等菱鏡色散而令不同波長範圍的光分別實質匯聚至該等菱鏡另一側的一光匯聚面並根據波長範圍分離，該光匯聚面至該等菱鏡的受光面形成的平面間的距離為該等菱鏡的焦距；其中，第一個菱鏡在光照波長為λ時的折射率是n_λ ，並定義該等菱鏡的焦距為f，第一個菱鏡自一假想軸線的原點正向延伸，該光匯聚面自該假想軸線的原點反向延伸至點b，則第一個菱鏡的長度P₁ 為方程式 中P₁ 的解，第一個菱鏡的夾角為。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之集光器，其中，每一菱鏡在光照波長為λ時的折射率是n_λ ，並定義該等菱鏡的焦距為f，每一菱鏡於一假想軸線正向延伸，該光匯聚面自該假想軸線的原點反向延伸至點b，定義第m個菱鏡與該假想軸線原點的最近距離為M，則第m個菱鏡的長度P_m 為方程式 中P_m 的解，第m個菱鏡的夾角為
3. 一種具有集光器的太陽能電池模組，包含：至少一太陽能電池單元，具有一供光進入後產生電能的光匯聚面；及一集光器，匯聚太陽光並包含多個分別具有一受光面及一折射面的菱鏡，該每一菱鏡為直角菱鏡，且該折射面是直角菱鏡的最長斜面，該等太陽能電池至該等菱鏡的受光面形成的平面間的距離為該等菱鏡的焦距，該等菱鏡的受光面彼此連接而形成連續的平面，定義第m個菱鏡的長度是P_m ，第m個菱鏡受光面與折射面的夾角是α_m ，該等菱鏡的長度與夾角關係滿足P_m >P_m-1 ，且α_m >α_m-1 ，m>1，而使太陽光被該等菱鏡色散而令不同波長範圍的光根據波長範圍被分離並實質匯聚至該光匯聚面；其中，該集光器的第一個菱鏡在光照波長為λ時的折射率是n_λ ，並定義該等菱鏡的焦距為f，第一個菱鏡自一假想軸線的原點正向延伸，該光匯聚面自該假想軸線的原點反向延伸至點b，則第1個菱鏡的長度P₁ 為方程式 中P₁ 的解，第一個菱鏡的夾角為。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之具有集光器的太陽能電池模組，其中，該太陽能電池單元具有多個分別具相異預定能隙的太陽能電池。
5. 依據申請專利範圍第3項所述之具有集光器的太陽能電池模組，其中，該集光器的每一菱鏡在光照波長為λ時的折射率是n_λ ，並定義該等菱鏡的焦距為f，每一菱鏡於一假想軸線正向延伸，該光匯聚面自該假想軸線的原點反向延伸至點b，定義第m個菱鏡與該假想軸線原點的最近距離為M，則第m個菱鏡的長度P_m 為方程式 中P_m 的解，第m個菱鏡的夾角為