TWI382551B - 太陽能集光模組 - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
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- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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- H—ELECTRICITY
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Description
本發明係有關於一種太陽能集光模組，特別是有關於一種以微結構將太陽光折射至一特定位置而進行集光的太陽能集光模組。
在能源短缺的情況下，油價屢創新高，而京都議定書在碳減量上的規定，使得新能源和節能的綠色建築成為大家注目焦點。在新能源中，目前商業化的首推太陽能發電。由於太陽能模組廠如雨後春筍般地成立，矽晶圓供不應求，價格頻頻高漲，結果不利於太陽能的普及，對太陽能模組廠商也造成經營壓力。
美國專利US 7190531揭露一種太陽能集光系統，使用菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)將陽光集中於太陽能晶片上，此系統通常需搭配一太陽追蹤系統執行，使太陽能晶片永遠面對陽光，增加收光效果。但此系統的厚度太大也笨重，應用範圍有限。
美國專利US 6971756揭露一種輻射能收集與轉換裝置，利用反射鏡集光，陽光照射到各反射鏡後，會反射到太陽能晶片上，隨著反射鏡和太陽能晶片的位置不同，反射鏡的傾斜角度也不同。但是，此系統仍需要光線追蹤系統的配合執行，依然有系統笨重應用侷限的缺點。
美國專利US 6619282揭露一種太陽能集光裝置，利用水做為導光物，並利用結構模組來侷限光線角度，將光線
導引至側面，此裝置雖然能大幅地減少整體的厚度，但在執行上，需要持續加水以維持功效。
本發明的目的在於提供一種太陽能集光模組，利用在基板表面上形成微結構，使入射集光模組的陽光折射或全反射至太陽能晶片的比例增加，提高太陽能晶片的使用效率。
本發明的太陽能集光模組的一較佳實施例包括：一導光基板以及至少一個太陽能晶片。導光基板包括一第一表面、一第二表面以及複數個側面，其中該第一表面係相向於該第二表面，該側面係鄰接於該第一表面與該第二表面，一微結構形成於該第一或第二表面上。該太陽能晶片係設置於接近該等側面的至少其中之一的位置上，陽光先穿透第一表面，然後到達該第二表面，並由該微結構將陽光折射或全反射至該側面，而由該太陽能晶片所吸收。
在上述之較佳實施例中，導光基板係以透光性材料製成。
在上述之較佳實施例中，該等側面上形成一微結構，增加集光效率。
在上述之較佳實施例中，該第一表面具有抗反射功能的微奈米結構。
在上述之較佳實施例中，該第一表面具有斥水性功能的微奈米結構。
在上述之較佳實施例中，微結構的形狀為平行的長條
狀結構，平行於該等側面中的至少其中之一，且該長條狀結構的剖面為三角形。太陽能晶片係設於與長條狀結構平行的該側面上。
在上述之較佳實施例中，微結構為金字塔型的突起或圓形的突起。
在上述之較佳實施例中，該太陽能晶片可由矽或週期表上III或V族的材料製成。
在上述之較佳實施例中，該太陽能晶片與該側面的距離係小於1mm。
在上述之較佳實施例中，微結構也可形成於第一表面上。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
第1圖為本發明之太陽能集光模組的一實施例的示意圖。
太陽能集光模組100包括一導光基板10以及至少一個太陽能晶片20。
第2圖表示導光基板10的一實施例的示意圖。導光基板10包括一第一表面12、一第二表面14以及四個側面16。第一表面12與第二表面14係相向設置，而四個側面16係相鄰於第一表面12與第二表面14。太陽能晶片20係設置於靠近四個側面16的其中一個側面，如第1圖所示。
導光基板10係使用透光性的材料製成，陽光穿透第一表面12，然後到達第二表面14，如第2圖所示，在第二表面14上形成一連續式的微結構18，到達第二表面14的陽光由微結構18折射及全反射後，由太陽能晶片20所吸收。要說明的是，在本實施例中，該連續式的微結構18是形成在第二表面14上，然而，該連續式的微結構18也可以形成在第一表面12上，同樣也能將陽光折射或全反射至該側面16，使用者可以依不同的需求將該微結構18形成在第一表面12或第二表面14上，在此並不以本實施例為限。
為了增加陽光入射導光基板10的光量，在本實施例中，可以在第一表面12上形成具有抗反射功能的微奈米結構。此外，由於本發明之導光基板10可以應用於窗戶或百葉窗上，為了避免雨水附著在第一表面12上，因此也可以在第一表面12上形成斥水性的微奈米結構；或是在第一表面12上塗佈斥水性材料，例如是聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚諷(polysulfone)、含聚合無水物之反應改質劑(reactivity modifying agent)、聚矽氧橡膠、人造聚合物(Acrylonitrile-Butadien-Styrene, ABS)，鐵氟龍(PTFE)，以達到斥水性的功能。
在第二表面14的微結構18可以是如第2圖所示連續式的複數條長條狀結構，而其剖面為三角形，如此一來，部分的陽光會被反射至平行於該長條狀結構的側面16，而太陽能晶片20則設置於靠近與該長條狀結構平行的側面16，如此可增加被太陽能晶片20吸收的陽光。當然，在此
結構下，太陽能晶片20可設置於與該長條狀結構平行的兩相向的側面16上，並不限於只設置於一側面16。同理，形成在第二表面14的複數條長條狀結構，剖面為三角形的微結構18也可以形成在第一表面12上，其中該長條狀結構平行於側面16，而太陽能晶片20則設於與該長條狀結構平行的兩相向的側面16上，其作用如上，在此不予贅述。
第3A圖表示剖面為三角形的長條狀結構中，在剖面的三角形中，以三角形頂點作垂直線延伸，劃分為角度A與角度B，在角度A與B相等的情況下，角度A、B的變化與太陽能晶片收光效率(%)的圖。要注意的是，此處所指的收光效率，乃是將陽光入射至導光基板10的光量視為100%，經過微結構18的折射或全反射集光至該側面16的光量百分比。在本實施例中，所使用的導光基板尺寸為240×180×3 mm，太陽能晶片為240×3 mm。另外該長條狀微結構高度為25μm。從第3A圖可看出，在角度A與B相等的情況下，角度A與B皆為80度時可得到較佳的收光效率。第3B圖為第2圖的導光基板的構造的放大圖。
第4圖是表示在角度A=80度的情況下，角度B的變化與太陽能晶片收光效率(%)的圖。從第4圖可以看出，當角度B為40度或70度時，可得到很好的收光效率。
另外，微結構的形狀並不限於平行的長條狀結構，也可以是金字塔型的突起，如此陽光可以平均地向四個側面16照射，而可在四個側面16上安裝太陽能晶片20。
微結構除了可以形成於第二表面14之外，也可以形成
於第一表面12，當陽光照射至第一表面12時，微結構使陽光產生大角度的折射，因此，折射後的陽光照射至第二表面14時，容易產生全反射，增加太陽能晶片20的收光效率。此外，當微結構形成於第一表面12時，就不需要在第一表面12上形成抗反射或斥水性的微奈米結構，而是可以在第一表面12上塗佈斥水性材料，以達到斥水性的功能。
在第一表面12形成的微結構可以是如第2圖所示連續式剖面為三角形的複數條長條狀結構。請參考第6圖，第6圖是表示微結構形成在第一表面12時，在角度A=80度的情況下，角度B的變化與太陽能晶片收光效率(%)的圖。當然，在本實施例中，所使用的導光基板尺寸為240×180×3 mm，該長條狀微結構高度為25μm，皆與第3圖與第4圖所使用的尺寸相同。從第6圖可以看出，當角度B為20度或30度時，可得到很好的收光效率。
將陽光入射至導光基板10的光量視為100%，如未進行任何集光作用(即導光基板上直接裝設等面積的太陽能晶片)，則單位面積太陽能晶片的收光效率為100÷(240×180)；而第6圖的實施例中，當B=20度時，太陽能晶片收光效率為8.81%，則單位面積的太陽能晶片收光效率為8.81÷(240×3)，試比較二者可得知本實施所使用的太陽能集光模組可使單位面積太陽能晶片收光效率有效增加為5.28倍，說明了本案所提出之太陽能集光模組可以有效的集光並導入至側面，使位於側面的太陽能晶片能有良好單位面
積太陽能晶片收光效率。
在第6圖中，微結構乃是形成於第一表面12上，此時，第二表面14為一平面，並未形成微結構。當然，微結構也可以同時形成於第一表面12與第二表面14上，以達成良好的集光效果。詳細的說，除了在第一表面12上有形成微結構外，在第二表面14上也會形成另一微結構，當陽光先穿透第一表面12，然後到達第二表面14，會由位於第一表面12與第二表面14上的該些微結構將陽光折射或反射至該側面16上，而被太陽能晶片20所吸收。
微結構的形狀並不限定於本實施例的形狀，只要可有效地將光線反射或折射而增加太陽能晶片的收光效率者皆可，例如在第二表面14形成金字塔型的突起或圓形的突起，而太陽能晶片設置的位置也可配合微結構的形狀，例如在本實施例中，由於微結構是剖面為三角形的長條狀結構，會有較多的光線會被導引至與長條形結構平行的面上，因此可將太陽能晶片設置於該等面上(兩個面)，會有較佳的收光效率。若使用圓形突起，則在每個方向上的集光效率是大致相等的，因此太陽能晶片就可同時設置於四個側面上。
此外，關於可以在第一表面12上所形成的抗反射或斥水性的微奈米結構係以單層膜形成，其結構如第5圖所示，在導光基板10上形成奈米結構層15，在奈米結構層15的上方形成一金屬層17。奈米結構層15為截面積呈上小下大的三維結構152連續分佈而形成，三維結構152的
週期為100~600nm(週期的定義為此一三維結構152最高點至下一個三維結構152最高點之距離)，高度為100~750nm。金屬層17的材質為金、銀、鋁、鎳、銅、鉻、氧化錫或氧化銦錫，其厚度小於150nm。
微奈米結構層15的製作方法可如下：利用半導體微影蝕刻技術將三維結構152形成於一滾筒外緣，做為模仁，另外再提供一具有透光性的高分子塑膠基材，並在其表面塗布UV膠，使該透光性的高分子塑膠基材與前述模仁緊密貼合，並於緊密貼合部位照射UV光，使UV膠硬化成形，最後脫模，就形成了具有三維結構152的一微奈米結構層15。由於微奈米結構層15的三維結構152之間具有許多空隙，僅有小面積接觸到水滴，附著力較小，加上水滴會因自己的內聚力而聚集，而使得微奈米結構層15具有斥水性的功能。如欲要有抗反射功能，則可以在微奈米結構層15上再行鍍上一金屬層17以提升光穿透率並降低內面反射率。此外，金屬層17表面可再加鍍硬膜(hard coating)保護層(第5圖未示出)。
本發明的微奈米結構係使用單層鍍膜，有別於習知結構的多層鍍膜，如此可得到較寬的視角以及較低的成本，而且製成溫度低，適合於塑膠基材，製程不需要真空環境，基材不需要作前處理，結構附著性高並且具有較高的抗污性。
另外，本發明的太陽能集光模組與習知的側光式的背光模組比較，習知的側光式的背光模組將設於導光板側邊
的光源的光線經由導光板導向導光板的正面，而做為一種面光源，習知的側光式的背光模組除了導光板之外，還有安裝於導光板底部的反射板、以及安裝於導光板上方的擴散片、稜鏡片等擴散光線的元件，但本發明的太陽能集光模組，光線是由導光基板的正面進入，經由微結構將光線反射至側邊的太陽能晶片，並未安裝反射板及擴散板等元件，另外背光模組的微結構為不連續的結構，而本發明為了提高集光效率，微結構為連續的結構。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。
10‧‧‧導光基板
12‧‧‧第一表面
14‧‧‧第二表面
15‧‧‧奈米結構層
152‧‧‧三維結構
16‧‧‧側面
17‧‧‧金屬層
18‧‧‧微結構
20‧‧‧太陽能晶片
100‧‧‧太陽能集光模組
第1圖為本發明之太陽能集光模組的示意圖。
第2圖為本發明之太陽能集光模組的導光基板的示意圖。
第3B圖為第2圖的導光基板的構造的放大圖。
第3A圖為第3B圖中的微結構的剖面為三角形的長條狀結構中，在剖面的三角形的角度A與B相等的情況下，角度A、B的變化與太陽能晶片收光效率的圖。
第4圖是表示在第3A圖的角度A=80度的情況下，角度B的變化與太陽能晶片收光效率的圖。
第5圖為在本發明之導光基板的第一表面上所形成的微奈米結構的示意圖。
第6圖是表示微結構形成於第一表面上，在角度A=80度的情況下，角度B的變化與太陽能晶片收光效率的圖。
10‧‧‧導光基板
12‧‧‧第一表面
14‧‧‧第二表面
16‧‧‧側面
18‧‧‧微結構
Claims (21)
- 一種太陽能集光模組，包括：一導光基板，包括一第一表面、一第二表面以及複數個側面，其中該第一表面係相向於該第二表面，該側面係鄰接於該第一表面與該第二表面，一微結構形成於該第二表面上；以及至少一個太陽能晶片，設置於接近該等側面的至少其中之一的位置上，陽光先穿透該第一表面，然後到達該第二表面，並由該微結構將陽光折射或反射至該側面，而由該太陽能晶片所吸收；其中該微結構的形狀為平行的長條狀結構，平行於該等側面中的至少其中之一，且該長條狀結構的剖面為三角形；其中以三角形頂點作垂直線延伸，劃分為角度A與角度B，角度A為80度，角度B為40-80度。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集光模組，其中該導光基板係以透光性材料製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集光模組，其中該等側面上形成一微結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集光模組，其中該太陽能晶片係設於與該長條狀結構平行的該側面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集光模組，其中該太陽能晶片可由矽或週期表上III或V族的材料製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集光模組，其 中該太陽能晶片與該側面的距離係小於1mm。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集光模組，其中該第一表面塗佈斥水性材料，該斥水性材料可為聚偏氟乙烯、聚諷、含聚合無水物之反應改質劑、聚矽氧橡膠、人造聚合物，鐵氟龍。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集光模組，其中該第一表面具有一微奈米結構，其包括一奈米結構層，形成於該導光基板上。
- 如申請專利範圍第8項所述之太陽能集光模組，其中該奈米結構層為複數個截面積呈上小下大的三維結構連續分佈而形成，其中，該等三維結構的週期為100~600nm，高度為100~750nm。
- 如申請專利範圍第8項所述之太陽能集光模組，其中該微奈米結構更包括一金屬層，形成於該奈米結構層上。
- 如申請專利範圍第10項所述之太陽能集光模組，其中該金屬層的材質為金、銀、鋁、鎳、銅、鉻、氧化錫或氧化銦錫。
- 如申請專利範圍第10項所述之太陽能集光模組，其中該金屬層的厚度係小於150nm。
- 如申請專利範圍第10項所述之太陽能集光模組，其中微奈米結構更包括一硬膜(hard coating)保護層，鍍於該金屬層的表面。
- 一種太陽能集光模組，包括：一導光基板，包括一第一表面、一第二表面以及複數 個側面，其中該第一表面係相向於該第二表面，該側面係鄰接於該第一表面與該第二表面，一微結構形成於該第一表面上；以及至少一個太陽能晶片，設置於接近該等側面的至少其中之一的位置上，陽光先穿透該第一表面，然後到達該第二表面，並由該微結構將陽光折射或反射至該側面，而由該太陽能晶片所吸收；其中該微結構的形狀為平行的長條狀結構，平行於該等側面中的至少其中之一，且該長條狀結構的剖面為三角形；其中以三角形頂點作垂直線延伸，劃分為角度A與角度B，角度A為80度，角度B為20-30度。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能集光模組，其中該導光基板係以透光性材料製成。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能集光模組，其中該等側面上形成一微結構。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能集光模組，其中該太陽能晶片係設於與該長條狀結構平行的該側面上。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能集光模組，其中該太陽能晶片可由矽或週期表上III或V族的材料製成。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能集光模組，其中該太陽能晶片與該側面的距離係小於1mm。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能集光模組，其中該第一表面塗佈斥水性材料，該斥水性材料可為聚偏氟乙烯、聚諷、含聚合無水物之反應改質劑、聚矽氧橡膠、人造聚合物，鐵氟龍。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能集光模組，其中該第二表面上具有另一微結構。
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