專利名稱：具有彈性電池封裝組件的聚光光電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)，特別是涉及聚光型光電裝置。
背景技術(shù)：
用于產(chǎn)生電能的光電太陽(yáng)能收集裝置大體上包括平板收集器和聚光太陽(yáng)能收集器。平板收集器一般包括PV電池陣列和形成在半導(dǎo)體(例如，單晶硅或多晶硅)襯底上的相關(guān)的電子器件，而從平板收集器輸出的電能直接與陣列的面積相關(guān)，因而需要大的、昂貴的半導(dǎo)體襯底。聚光太陽(yáng)能收集器降低了對(duì)大半導(dǎo)體襯底的需求，聚光太陽(yáng)能收集器通過(guò)使用如聚集光線的拋物線反射鏡或透鏡聚集光線(即太陽(yáng)光)，可以產(chǎn)生直接照射到小PV電池上的強(qiáng)度更大的太陽(yáng)能束。因而，聚光太陽(yáng)能收集器優(yōu)于平板收集器[，該優(yōu)勢(shì)在于，它們使用數(shù)量少得多的半導(dǎo)體。聚光太陽(yáng)能收集器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，它們?cè)诋a(chǎn)生電能的效率更高。
圖7和8分別為簡(jiǎn)化的傳統(tǒng)的卡塞格侖型聚光太陽(yáng)能收集器50的立體分解示意圖和橫截面圖，該卡塞格侖型聚光太陽(yáng)能收集器50包括PV電池51和聚光光學(xué)系統(tǒng)52，該聚光光學(xué)系統(tǒng)52包括主鏡53和次級(jí)鏡54，該主鏡53和次級(jí)鏡54反射并聚焦光束LB，經(jīng)過(guò)反射和聚焦的光束LB經(jīng)過(guò)主鏡53的中心開(kāi)口53A，形成聚焦光束55(即，單位面積的輻照度或能量最高的區(qū)域)。主鏡53和次級(jí)鏡54被一框架(未示出)支撐，PV電池51安裝在一結(jié)構(gòu)支撐件或平臺(tái)56上，該結(jié)構(gòu)支撐件或平臺(tái)56將PV電池51保持在聚光光學(xué)系統(tǒng)52的像面，從而使得PV電池51與聚焦光束55相一致。
傳統(tǒng)的聚光太陽(yáng)能收集器如太陽(yáng)能收集器50的一個(gè)問(wèn)題是，其運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用很高。在傳統(tǒng)收集器中用于聚焦光束的太陽(yáng)能收集器光學(xué)器件(例如，主鏡53和次級(jí)鏡54)是分開(kāi)制造的，并且必須小心組裝以使聚焦光束55和PV電池51正確的對(duì)準(zhǔn)(即，使聚焦光束55聚集在PV電池51上)。此外，隨著時(shí)間的過(guò)去，反射鏡和/或透鏡會(huì)發(fā)生偏離，并且會(huì)由于暴露在環(huán)境中而變臟，因而降低了聚焦光束55的強(qiáng)度。清潔和調(diào)整反射鏡和/或透鏡形式的維護(hù)是十分重要的，特別是在反射鏡和/或透鏡被制成難于清潔的不平坦的形狀時(shí)。
圖9為傳統(tǒng)PV電池51的上表面的平面圖。在由標(biāo)準(zhǔn)的集成電路制造技術(shù)形成時(shí)，PV電池51包括方形或矩形的半導(dǎo)體“芯片”，該芯片將光轉(zhuǎn)化為在基極導(dǎo)體(未示出)和一對(duì)上發(fā)射極導(dǎo)體57A和57B之間流動(dòng)的電流，該基極導(dǎo)體形成在該“芯片”的下表面上，而該一對(duì)上發(fā)射極57A和57B設(shè)置在“芯片”的上表面并沿有效區(qū)域57的相對(duì)的側(cè)邊延伸。設(shè)置在導(dǎo)體57A和57B之間的是暴露的方形的中心“有效”區(qū)域58。由于被金屬接觸結(jié)構(gòu)57A和57B覆蓋了的PV電池51的側(cè)部區(qū)域不接收太陽(yáng)光，因而PV電池51的總的光接收面積由方形的有效區(qū)域58限定，在公開(kāi)的實(shí)施例中該有效區(qū)域58的面積為W12(即，圖9中所示的寬度W1的平方)。然而，由于金屬接觸結(jié)構(gòu)57A和57B，傳統(tǒng)PV電池51的上表面的總寬度W2是寬度W1和兩個(gè)金屬接觸結(jié)構(gòu)57A和57B的寬度W3之和。在一個(gè)實(shí)施例中，寬度W1為1mm，而寬度W3為0.01mm，因而得到了1.2mm的總寬度W2，和1.2mm2的總面積。
由于PV電池51占了聚光太陽(yáng)能收集器50的總成本的很大一部分，因而極大的激勵(lì)了人們?nèi)プ钚』疨V電池51的尺寸(以及，由此導(dǎo)致的生產(chǎn)成本)。在這點(diǎn)上，傳統(tǒng)PV電池51的一個(gè)問(wèn)題是，使用方形的有效區(qū)域58轉(zhuǎn)化圓形的太陽(yáng)光(例如，聚焦光束55；見(jiàn)圖8)的轉(zhuǎn)化效率較低。也就數(shù)說(shuō)，由傳統(tǒng)PV電池51產(chǎn)生的能量總體上與施加到有效區(qū)域58的入射光的總量有關(guān)——高強(qiáng)度的光束比低強(qiáng)度的光束產(chǎn)生更大的能量，且照射大部分的有效區(qū)域比僅照射一小部分的有效區(qū)域產(chǎn)生更多的能量。然而，由光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的圓形的聚焦光束(即，太陽(yáng)的像)與方形的有效區(qū)域58不匹配，因而，或者部分入射光不得不由于與有效面積不匹配而被直接去掉，或者部分有效面積不得不保持未照射狀態(tài)。舉例來(lái)說(shuō)，如圖9所示，當(dāng)聚光太陽(yáng)能收集器的聚光光學(xué)器件產(chǎn)生一束照射整個(gè)有效區(qū)域58的相對(duì)較大的、低強(qiáng)度的聚焦光束55A時(shí)，聚焦光束55A的一部分(例如，由陰影區(qū)域55A1所表示的)落到了有效區(qū)域58的外側(cè)，因而部分55A1不能被轉(zhuǎn)化為能量。相反的，當(dāng)聚光太陽(yáng)能收集器的聚光光學(xué)器件產(chǎn)生一束全部位于有效區(qū)域58上的相對(duì)較小的、高強(qiáng)度的聚焦光束55B時(shí)，有效區(qū)域58的角部(例如，由陰影區(qū)域58A1所表示的)是不起作用的(未被照射)，因而浪費(fèi)了PV電池51的這些部分。
需要一種聚光PV(CPV)裝置，該裝置可以避免傳統(tǒng)聚光型PV電池所具有的高昂的組裝和維護(hù)費(fèi)用，并可以提供用于PV電池的適合的光學(xué)穩(wěn)定的封裝，并且可以更高效地使用PV電池的有效區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及到卡塞格侖型CPV裝置，該裝置包括使用固體玻璃或塑料的光學(xué)結(jié)構(gòu)，該光學(xué)結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較大的凸的(突出的)下表面、一限定在該下表面中的中心孔以及一上孔徑表面，該上孔徑表面具有一相對(duì)較小的居中的凹的(曲面的)的表面(例如，一凹陷)?？ㄈ駚鲂椭麋R和次級(jí)鏡分別設(shè)置在凸出的下表面上和中心凹陷上，使得反射面面向光學(xué)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。下罩包括覆蓋該中心孔設(shè)置的中心部，和一個(gè)或多個(gè)從該中心部延伸并覆蓋主鏡背面的外圍部。PV電池安裝在下罩的中心部上，使得該P(yáng)V電池設(shè)置在中心孔的內(nèi)部。在一個(gè)實(shí)施例中，凸面和凹面被發(fā)置為相關(guān)聯(lián)的二次曲線(例如，雙曲線和/或拋物線)表面，使得經(jīng)由孔徑表面進(jìn)入照射到主鏡上任意點(diǎn)的那部分光被次級(jí)鏡上的相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)反射，該次級(jí)鏡再次反射光線，并將光線聚焦在中心孔中以及PV電池上。因?yàn)楣鈱W(xué)結(jié)構(gòu)是固體的(即，由于凸面和凹面相對(duì)于彼此是固定的)，主鏡和次級(jí)鏡永久地保持對(duì)準(zhǔn)，從而在維護(hù)成本最小化的前提下維持了最佳的光學(xué)工作。此外，在氣體/固體分界面上的光損失也被最小化，因?yàn)樵谥麋R和次級(jí)鏡之間只設(shè)置有固體光學(xué)材料(例如，低鐵玻璃)。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，在中心孔內(nèi)的模塑的光學(xué)元件和PV電池之間的空隙填充有彈性透光材料，該彈性透光材料適于承受處于電池上或位于電池附近的強(qiáng)光。該彈性透光材料排除了會(huì)分散光線、干擾熱傳導(dǎo)、并且隨著時(shí)間的過(guò)去會(huì)變成失效點(diǎn)的孔穴。在一個(gè)實(shí)施例中，彈性透光材料為膠體，該膠體在未硬化時(shí)呈液態(tài)，在硬化后呈相對(duì)固態(tài)。使用可硬化的膠體材料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其能在未硬化時(shí)的液體狀態(tài)下進(jìn)入到孔中，這使得該膠體材料能夠充滿PV電池周圍的復(fù)雜形狀。使用這種膠體材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在組裝和工作時(shí)可以對(duì)元件(例如，PV電池及其支撐結(jié)構(gòu))施加機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)在關(guān)鍵的電池接縫的區(qū)域中形成裂縫或空隙。優(yōu)選地，該膠體材料為硅樹(shù)脂，因?yàn)檫@種材料具有機(jī)械適應(yīng)性，且具有在溫度和濕度條件下的光學(xué)穩(wěn)定性，并且能夠承受長(zhǎng)期在紫外線中的暴露而不會(huì)變黃。根據(jù)本發(fā)明另一方面，至少低至PV電池所轉(zhuǎn)化的最長(zhǎng)波長(zhǎng)(最低光子能)的光來(lái)說(shuō)，該膠體材料是透光的。該最長(zhǎng)波長(zhǎng)取決于PV電池的最小能帶隙，其中該P(yáng)V電池可以是多結(jié)電池。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，CPV裝置的PV電池包括設(shè)置在上(暴露的)表面的四個(gè)角部的上的接觸結(jié)構(gòu)，由此該接觸結(jié)構(gòu)限定了居中的基本為圓形的有效區(qū)域。由于由卡塞格侖型光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的聚焦光束是圓形的，本發(fā)明的PV電池高效地利用了PV電池有效區(qū)域，從而通過(guò)最小化PV電池的整體“芯片”尺寸而降低了生產(chǎn)成本。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，金屬化圖案包括呈徑向和角向圖案的柵格線。由于光線在電池的中部形成圓形光斑，光電流將從電池的中心向邊緣沿徑向增大。從電池的角部向中心沿徑向延伸的柵格線是最適合于電池的電流產(chǎn)生的?？梢栽谠搹较驏鸥窬€上增加可選的角向延伸，以進(jìn)一步減小載流子在到達(dá)柵格線前在半導(dǎo)體中需要移動(dòng)的距離。柵格線的數(shù)量和精確間隔以及其尺寸的其它的優(yōu)化取決于電池的效率和到達(dá)電池的光的會(huì)聚程度，并且可由柵格線優(yōu)化熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員例行地進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，PV電池設(shè)置在散熱片上，該散熱片安裝在孔內(nèi)，該孔形成在光學(xué)元件中。假設(shè)光學(xué)元件優(yōu)選地由玻璃制造，而散熱片優(yōu)選地由金屬制造，可以預(yù)料到這兩個(gè)物體會(huì)具有不同的熱膨脹系數(shù)。因而，理想的是由光電電池和散熱片形成一種在孔中自定心的組件。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，散熱片包括多個(gè)彈性指狀物，該彈性指狀物有利于散熱片在孔中的自對(duì)準(zhǔn)，從而使得PV電池與由光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)自對(duì)準(zhǔn)。PV電池設(shè)置在散熱片的背面上，該背面限定了覆蓋該P(yáng)V電池圓形有效區(qū)域的圓形開(kāi)口。PV電池的發(fā)射極(頂側(cè))觸點(diǎn)電連接(例如，焊接)到散熱片，其在PV電池和第一外部導(dǎo)線之間提供了導(dǎo)電通路。PV電池的基極(底側(cè))觸點(diǎn)電連接到第二導(dǎo)線。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二導(dǎo)線設(shè)置在下罩上，該下罩共形地安裝到該光學(xué)元件的背側(cè)表面上。


本發(fā)明的這些和其它的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，將通過(guò)隨后的說(shuō)明書(shū)、所附權(quán)利要求、和附圖而變得更加清楚，其中
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的CPV裝置的立體分解示意圖；圖2為圖1中的CPV裝置在工作時(shí)的剖面?zhèn)纫晥D；圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于CPV裝置的PV電池的立體示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的CPV裝置的立體分解示意圖；圖5為詳細(xì)示出了圖3中的CPV裝置的散熱片的部分立體剖視圖；圖6為詳細(xì)示出了圖4中的CPV裝置的簡(jiǎn)化的局部平面?zhèn)纫晥D；圖7為傳統(tǒng)的聚光型光電裝置的立體示意圖；圖8為圖7中的傳統(tǒng)裝置在工作時(shí)的剖面?zhèn)纫晥D；以及圖9為在圖7中的傳統(tǒng)裝置中所使用PV電池的平面示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及聚光PV(CPV)裝置，該裝置避免了傳統(tǒng)聚光型PV電池所伴隨的高昂的組裝和維護(hù)費(fèi)用，提供了用于PV電池的適合的光學(xué)穩(wěn)定的封裝，并且更高效的使用PV電池的有效區(qū)域。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供了改善固體電介質(zhì)太陽(yáng)光聚集器中的PV電池的附件和性能的結(jié)構(gòu)和方法，如在共有的且與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)共同待審的美國(guó)專利申請(qǐng)中公開(kāi)的那樣。該申請(qǐng)的序列號(hào)為11/110,611，題目為“CONCENTRATING SOLAR COLLECTOR WITHSOLID OPTICAL ELEMENT”，在此引用其全部作為參考。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一簡(jiǎn)化實(shí)施例的內(nèi)鏡卡塞格侖型聚光光電(CPV)裝置100的立體分解示意圖。聚光太陽(yáng)能收集器100一般包括光學(xué)元件110、光電(PV)電池120，主鏡130、次級(jí)鏡140、和光學(xué)下罩150。
光學(xué)元件110是固體的、碟狀的、透光的結(jié)構(gòu)，包括上層111、從上層111的下側(cè)突出的相對(duì)較大的凸面112、設(shè)置在上層111的上側(cè)的大致平坦的孔徑表面115、以及限定在孔徑表面115中(即，延伸到上層111內(nèi))的相對(duì)較小的凹面(曲面的凹陷)117。為了使得材料、重量、厚度和光吸收最小化，上層111可以很小。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)元件110利用低鐵玻璃(例如，由Pilkington PLC，UK生產(chǎn)的Optiwhite玻璃)模塑制成。或者，可以加工并拋光透明塑膠以形成單片的光學(xué)元件110，或?qū)⒎蛛x的鏡片通過(guò)膠粘或其它方式固定以形成光學(xué)元件110。在優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)元件110的厚度介于5至12mm且寬度介于20至40mm。該厚度有助于保證從后側(cè)凸面112到孔徑表面115的熱傳導(dǎo)通道不會(huì)受到大的抵抗，而如果光學(xué)元件110更厚或?yàn)橹锌盏膭t會(huì)有較大的抵抗。
PV電池120位于限定在凸面112中心的中心孔區(qū)113中。PV電池120通過(guò)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線122和124(圖2中所示)連接，舉例來(lái)說(shuō)，利用現(xiàn)有技術(shù)連接到鄰近的CPV裝置(未示出)的PV電池上。舉例來(lái)說(shuō)，適當(dāng)?shù)墓怆?聚光)電池由Spectrolab，Inc.of Sylmar，California，USA生產(chǎn)。
主鏡130和次級(jí)鏡140分別設(shè)置在凸面112和凹面117。如圖2所示，主鏡130和次級(jí)鏡140的形狀和排布被設(shè)置為，使得通過(guò)孔徑表面115的特定區(qū)域進(jìn)入到光學(xué)元件110的以預(yù)定方向傳播(例如，垂直于孔徑表面115的方向)的光線LB，被主鏡130的對(duì)應(yīng)區(qū)域反射到次級(jí)鏡140的相關(guān)區(qū)域，并從該次級(jí)鏡140的相關(guān)區(qū)域反射到PV電池120(例如，直接從次級(jí)鏡140反射到PV電池120，或通過(guò)位于該次級(jí)鏡140和PV電池120之間的折射面實(shí)現(xiàn))。如在這里所使用的，諸如“上”、“下”、“之上”和“之下”的方向術(shù)語(yǔ)意僅用于為說(shuō)明提供相對(duì)的位置，而不用于指示絕對(duì)的參考結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)直接在凸面112和凹面117上濺射(sputtering)或用其它方法沉積反射鏡材料(例如，銀(Ag)或鋁(Al))來(lái)制造主鏡130和次級(jí)鏡140，從而使得制造成本最小化并提供了良好的光學(xué)特性。通過(guò)濺射或利用其它已知的制鏡技術(shù)在凸面112和凹面117上形成鏡膜的方法，主鏡130基本上呈現(xiàn)凸面112的形狀，而次級(jí)鏡基板上呈現(xiàn)凹面117的形狀。照這樣，光學(xué)元件110通過(guò)模塑或其它方法制造，使得凸面112和凹面117的排布和形狀出現(xiàn)所需要的鏡形狀。應(yīng)當(dāng)注意，通過(guò)形成具有所需的鏡的形狀和位置的凸面112和凹面117，主鏡130和次級(jí)鏡140有效地自形成并自對(duì)準(zhǔn)，從而消除了伴隨著傳統(tǒng)聚光太陽(yáng)能收集器的高昂的組裝和對(duì)準(zhǔn)成本。此外，由于主鏡130和次級(jí)鏡140保持附著在光學(xué)元件110上，因而其相對(duì)位置是永久固定的，由此消除了對(duì)在傳統(tǒng)的多元件設(shè)置中所必需的調(diào)節(jié)或再對(duì)準(zhǔn)的需要。在一個(gè)實(shí)施例中，主鏡130和次級(jí)鏡140利用相同的(同樣的)一種材料或者多種材料(例如，電鍍Ag)同時(shí)形成，由此使得制造成本最小化。此外，通過(guò)利用光學(xué)元件110的表面來(lái)制造鏡，一旦光從孔徑表面115進(jìn)入到了光學(xué)元件110中，在到達(dá)PV電池120之前，該光只被主鏡130/凸面120和次級(jí)鏡140/凹面117反射。這樣，光只須經(jīng)過(guò)一次空氣/玻璃分界面(即，孔徑表面115)，由此使得在傳統(tǒng)的多元件聚光太陽(yáng)能收集器中所經(jīng)受的損失最小化。單一的空氣/玻璃分界面損失可以通過(guò)在孔徑表面115涂覆減反射膜來(lái)進(jìn)一步降低。盡管也可以單獨(dú)形成主鏡130和次級(jí)鏡140并隨后將鏡分別附加到凸面112和凹面117，這種生產(chǎn)方法會(huì)極大地增加制造成本，并可能會(huì)降低由直接在凸面112和凹面117上形成鏡膜所帶來(lái)的良好的光學(xué)特性。
下罩150包括中心部151以及從中心部151向外延伸的曲面的外圍部152。在一個(gè)實(shí)施例中，下罩150包括具有相對(duì)較高的熱傳導(dǎo)率的材料，并包括選定的厚度，該選定的厚度可以使得下罩150的側(cè)向熱阻(即，從中心部151到外圍部152的外邊緣沿徑向測(cè)量得到的)小于光學(xué)元件110的截面熱阻(即，從凸面112到孔徑表面115測(cè)量得到的)，如在共同所有的美國(guó)專利申請(qǐng)中所表述的那樣。該申請(qǐng)的序列號(hào)為11/381,999，題目為“PASSIVELY COOLEDSOLAR CONCENTRATING PHOTOVOLTAIC DEVICE”[律師簽號(hào)為20060255/XCP-069]，該申請(qǐng)與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)的申請(qǐng)日相同，在此引用其全部作為參考。在另一實(shí)施例中，下罩150包括保護(hù)層(例如，Tedlar，其是DuPont Corporation的商標(biāo)，或TPT(Tedlar、聚酯、Tedlar)，其是為了強(qiáng)度、穩(wěn)定性和介質(zhì)擊穿強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的三層材料)，該保護(hù)層設(shè)置為覆蓋孔113，并利用適當(dāng)?shù)恼辰觿?例如，乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA))固定到主鏡130的背面(非反射面)。PV電池120安裝到中心部151的內(nèi)表面使得該P(yáng)V電池120設(shè)置在孔113內(nèi)。舉例來(lái)說(shuō)，下罩150利用在共有的且與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)共同待審的美國(guó)專利申請(qǐng)中所公開(kāi)疊層技術(shù)層壓到光學(xué)元件110上。該申請(qǐng)的序列號(hào)為11/382,008，題目為“LAMINATED SOLARCONCENTRATING PHOTOVOLTAIC DEVICE”[律師簽號(hào)為20060351-US-NP(XCP-071)]，該申請(qǐng)與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)的申請(qǐng)日相同，在此引用其全部作為參考。
圖2為聚光太陽(yáng)能收集器100在工作時(shí)的側(cè)視圖。與傳統(tǒng)的聚光太陽(yáng)能收集器類似，使用收集器定位系統(tǒng)(未示出；例如，在美國(guó)加利福尼亞州Amonix，Incorporated of Torrance，California，USA所生產(chǎn)的MegaModuleTM系統(tǒng)中所使用的跟蹤系統(tǒng))來(lái)定位聚光太陽(yáng)能收集器100，使得光束LB(例如，太陽(yáng)光束)以期望的方向(例如，垂直于孔徑表面115的方向)直接進(jìn)入孔徑表面115。PV電池120基本上設(shè)置在會(huì)聚區(qū)域F，所述聚光區(qū)域表示在該區(qū)域光束LB被主鏡130、次級(jí)鏡140和任意中間的光學(xué)結(jié)構(gòu)(例如，電通量聚集器)會(huì)聚。為了在中心孔113中形成會(huì)聚區(qū)域F，凸面112、主鏡130、凹面117和次級(jí)鏡140的中心設(shè)置在光軸X上，并基本上關(guān)于光軸X對(duì)稱，所述光軸X基本上垂直與孔徑表面115(即，凸面112和凹面117的曲面部分由繞光軸X旋轉(zhuǎn)的弧所限定)。
再次參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一有彈性的透光材料128設(shè)置在孔113內(nèi)并覆蓋PV電池120(即，位于PV電池120和設(shè)置在孔113內(nèi)的光學(xué)元件110的表面之間)。在一個(gè)實(shí)施例中，透光材料128包括適于承受位于或接近PV電池120的強(qiáng)光的硅樹(shù)脂(例如，聚二苯基硅氧烷或聚甲基苯基硅氧烷)。透光材料128設(shè)置在孔113中，使其排除了會(huì)分散光線、干擾熱傳導(dǎo)、并且隨著時(shí)間的過(guò)去會(huì)變成失效點(diǎn)的空隙或孔穴(例如，氣泡)。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于透光材料128的膠體材料(例如，硅樹(shù)脂)是在未硬化時(shí)呈液態(tài)、在硬化后呈相對(duì)固態(tài)的膠體形式。一種適合的可硬化的硅樹(shù)脂膠體是由Dow Corning生產(chǎn)的，型號(hào)名/編號(hào)為Sylgard 3-6636。使用這種可硬化的膠體材料的優(yōu)點(diǎn)是，其能在未硬化時(shí)的液體狀態(tài)下進(jìn)入到孔113中，這使得該膠體材料能夠充滿PV電池120周圍的復(fù)雜形狀。使用這種膠體材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在組裝和工作時(shí)可以對(duì)元件(例如，PV電池及其支撐結(jié)構(gòu))施加機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)在臨近電池接縫的區(qū)域形成裂縫或空隙。使用硅樹(shù)脂作為膠體材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械適應(yīng)性，在CPV裝置所經(jīng)受的典型的溫度范圍(例如，低于100℃)和濕度范圍內(nèi)光學(xué)穩(wěn)定，并且能夠承受長(zhǎng)期在紫外線中的暴露而不會(huì)變黃。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，膠體材料是透光的，至少低至PV電池120所轉(zhuǎn)化的最長(zhǎng)波長(zhǎng)(最低光子能)的光來(lái)說(shuō)是透明的。該最長(zhǎng)波長(zhǎng)取決于PV電池120的最小能帶隙，該P(yáng)V電池120可以是多結(jié)電池。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，一種用于生產(chǎn)CPV裝置100的方法包括在PV電池120上安裝散熱片160，該散熱片隨后被安裝到光學(xué)元件110的中心孔113中。散熱片160包括金屬襯底161，該金屬襯底161與PV電池120熱接觸，用于從PV電池120傳導(dǎo)熱量。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)孔165形成在金屬襯底161上，與下罩150的中心部151上的對(duì)應(yīng)孔155對(duì)齊，以有利于從PV電池120的電流通路，例如，通過(guò)導(dǎo)線122和124。在另一實(shí)施例中，電流通過(guò)下罩150或主鏡130以類似于共有的且與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)共同待審的美國(guó)專利申請(qǐng)中公開(kāi)的方式傳輸?shù)絇V電池120并從PV電池120傳出。該申請(qǐng)的序列號(hào)為11/110,611(前面引用過(guò))。金屬襯底161還限定了一個(gè)或多個(gè)通道169，該通道與下罩150的中心部151上限定的對(duì)應(yīng)通道159相對(duì)準(zhǔn)，以有利于透光材料128在組裝時(shí)流出孔113。在一個(gè)實(shí)施例中，包括散熱片160和PV電池120的組件在組裝到光學(xué)元件110之前安裝到下罩150的中心部151上。在這個(gè)實(shí)施例中，透光材料128以相對(duì)液態(tài)進(jìn)入到孔113中，使得透光材料128充滿或幾乎充滿孔113，而隨后安裝包括下罩150、散熱片160和PV電池120的組件，使得PV電池120和散熱片160進(jìn)入到孔113中，從而使得多余的透光材料128流過(guò)通道159和169。在該組裝工藝之后，執(zhí)行硬化工藝，以將透光材料128從其相對(duì)液體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為相對(duì)固體的硬化狀態(tài)。
圖3為根據(jù)本發(fā)明另一可選實(shí)施例的PV電池120A的立體示意圖。PV電池120A包括半導(dǎo)體(例如，單晶硅)襯底121A，該襯底121A具有基本為方形(似方形)的上表面122A，該上表面122A包括四個(gè)角部122A1～122A4。金屬的導(dǎo)電的最上層接觸結(jié)構(gòu)(焊盤)124A1～124A4分別——對(duì)應(yīng)地設(shè)置在基板121A的四個(gè)角部122A1～122A4中，并且被設(shè)置成使得上表面的基本為圓形的有效區(qū)域122A2被限定在金屬導(dǎo)電接觸結(jié)構(gòu)124A1～124A4之間。因?yàn)橛煽ㄈ駚鲂凸鈱W(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的聚焦光束是圓形的(例如，見(jiàn)圖9中描述的光束55A和55B)，PV電池120A通過(guò)消除浪費(fèi)光的問(wèn)題(例如，見(jiàn)圖9中描述的區(qū)域55A1)和有效區(qū)域未使用的問(wèn)題(例如，見(jiàn)圖9中描述的區(qū)域58A)，有助于高效率地利用有效區(qū)域122A2，從而通過(guò)最小化PV電池的整體“芯片”的尺寸而降低了生產(chǎn)成本。接觸結(jié)構(gòu)124A4～124A4形成了PV電池120A的發(fā)射極端子，而PV電池120A的基極端子由設(shè)置在襯底121A的下表面上的第二導(dǎo)電接觸結(jié)構(gòu)125A提供。接觸結(jié)構(gòu)124A1～124A4和125A利用已知的技術(shù)形成以有利于連接到相關(guān)導(dǎo)體，該相關(guān)導(dǎo)體通過(guò)焊錫凸塊(未示出)形成在底罩150和/或散熱片160(兩者均在圖1和2中公開(kāi))上，該接觸結(jié)構(gòu)在切割工藝前形成在晶片上，襯底120A由該晶片切割形成。適用的焊錫凸塊結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)中是已經(jīng)公知的，典型地包括凸點(diǎn)下金屬化層、電介質(zhì)鈍化層、和在鈍化層的開(kāi)口中的焊錫凸塊。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，PV電池120A還包括金屬柵格線126A1～126A4，該金屬柵格線分別從接觸結(jié)構(gòu)124A1～124A4沿徑向延伸并形成角向的圖案。由于光線在PV電池120A上居中形成圓光斑，光電流會(huì)從電池的中心到邊緣沿徑向增大。如圖3所描述的，柵格線126A1～126A4中的每個(gè)包括分別從接觸結(jié)構(gòu)124A1～124A4朝向PV電池120A的中心沿徑向向內(nèi)延伸的徑向部分。舉例來(lái)說(shuō)，柵格線126A1包括從接觸結(jié)構(gòu)124A1延伸的徑向部分126A1A。這些徑向部分是最適合于電池的電流產(chǎn)生的。可以增加在徑向柵格線上的可選的角向延伸(例如角向延伸126A1B)以進(jìn)一步減少載流子在到達(dá)柵格線前在半導(dǎo)體中需要移動(dòng)的距離。柵格線的數(shù)量和精確間隔以及其尺寸的其它的優(yōu)化取決于PV電池120A的效率和到達(dá)PV電池120A的光的會(huì)聚程度，并且可由柵格線優(yōu)化領(lǐng)域的技術(shù)人員例行地進(jìn)行。
圖4和5為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的CPV裝置200的立體示意圖以及部分切除后的立體示意圖。與聚光太陽(yáng)能收集器100類似，聚光太陽(yáng)能收集器200包括光學(xué)元件210、PV電池120A(如上所述)、形成在光學(xué)元件210的凸面212上的主鏡230、形成在光學(xué)元件的凹面217上的次級(jí)鏡240，以及散熱片260。下罩(未示出)以類似于前面所述的下罩160的方式安裝覆蓋到凸面212上。
如圖4所示，光學(xué)元件210包括六個(gè)圍繞孔徑表面215的外邊緣設(shè)置的相鄰面219。這種六側(cè)面的設(shè)置有利于以高空間利用率的方式形成聚光太陽(yáng)能收集器200的大陣列，如在共有的且與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)共同待審的美國(guó)專利申請(qǐng)中所詳細(xì)描述的那樣，該申請(qǐng)的序列號(hào)為11/110,611(前面引用過(guò))。在其他的實(shí)施例中，可以利用具有其他外周形狀的收集器(例如，前面所述的圓形外周形狀的收集器100)形成低空間利用率達(dá)聚光太陽(yáng)能收集器陣列。中心孔213限定在(例如，模塑到)凸面212中用于容納PV電池120A。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，PV電池120A安裝到散熱片260的金屬襯底261上，其隨后被安裝到光學(xué)元件210的孔213中。假設(shè)光學(xué)元件210優(yōu)選地由玻璃制造，而散熱片260優(yōu)選地由金屬制造，可以預(yù)料到這兩個(gè)物體會(huì)具有不同的熱膨脹系數(shù)。因而，理想的是由PV電池120A和散熱片260形成一種在孔213中自定心的組件。因此，散熱片260包括多個(gè)彈性指狀物263，該彈性指狀物具有一體地形成在或以其他方式固定連接到金屬襯底216上的固定端，以及在其固定端和自由端之間延伸的彎曲體。彈性指狀物263的形狀被設(shè)計(jì)為有利于散熱片在孔213中的自對(duì)準(zhǔn)，從而使得PV電池120A與光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)F自對(duì)準(zhǔn)，該光學(xué)系統(tǒng)由光學(xué)元件210上的主鏡230和次級(jí)鏡240形成。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)焦點(diǎn)的使用既指由成像元件的會(huì)聚也指由非成像元件的會(huì)聚。
本發(fā)明的一個(gè)方面是，孔213是錐形的。這種錐形具有多個(gè)有用的功能。首先，它適合于模塑工藝。第二，在工作時(shí)，如果組裝的元件由于熱膨脹而擴(kuò)張，錐形壁通過(guò)使元件沿錐形滑出而使得元件能夠適應(yīng)體積變化。
在如圖6所示的實(shí)施例中，PV電池120A安裝在散熱片260的背面(下表面)，該背面限定了圓形孔265，該圓形孔被設(shè)置成覆蓋PV電池120A的有效區(qū)域，而下罩250以前面描述過(guò)的方式安裝覆蓋孔213的開(kāi)口端，從而將PV電池120A和散熱片260包圍在其中。下罩250包括柔性的電絕緣層253A和兩個(gè)或多個(gè)設(shè)置在絕緣層253A中的導(dǎo)線253B1和253B2。PV電池120A的發(fā)射極(頂層)接觸端(例如，224A1)通過(guò)焊錫突點(diǎn)281電連接到金屬襯底261，該焊錫突點(diǎn)在PV電池120A的發(fā)射極端子和設(shè)置在下罩250的中心部251中的第一外部導(dǎo)線253B1之間提供了導(dǎo)電通路。PV電池120A的基極(底部)接觸結(jié)構(gòu)125A通過(guò)焊錫突點(diǎn)282電連接到第二導(dǎo)線253B2。
雖然參照特定的具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明的發(fā)明特征還可以應(yīng)用到其它實(shí)施例中，所有這些特征都落入本發(fā)明的范圍中。舉例來(lái)說(shuō)，可以預(yù)先形成主鏡和次級(jí)鏡，然后利用合適的粘接劑將其安裝到光學(xué)元件上，但這種方法會(huì)大幅度地增加生產(chǎn)成本。在另一可選實(shí)施例中，用于形成次級(jí)鏡的曲面可以是凸面而不是凹面，從而形成經(jīng)典的格利高里型系統(tǒng)。在另一可選實(shí)施例中，用于形成主鏡的曲面可以是橢圓形的、橢球形的、球形的、或其他的曲面形狀。
權(quán)利要求
1.一種聚光光電裝置，包括一固體的透光的光學(xué)元件，具有相對(duì)較大的凸面，該凸面限定了一中心孔，以及一相對(duì)的孔徑表面和一相對(duì)較小的曲面，該曲面限定在該孔徑表面的中心部中；一光電電池，設(shè)置在該中心孔中；以及一彈性透光材料，設(shè)置在該中心孔中且位于PV電池和該光學(xué)元件之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，該光學(xué)元件包括玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，該彈性透光材料包括膠體材料，該膠體材料具有相對(duì)液體狀的未硬化狀態(tài)和相對(duì)固體狀的硬化狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，該光電電池包括用于將波長(zhǎng)在預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光轉(zhuǎn)化為電的裝置；并且該彈性透光材料對(duì)所述預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光是透明的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，該光電電池包括一襯底，該襯底具有包括四個(gè)角部的似方形的上表面，其中在該四個(gè)角部中的每個(gè)上均設(shè)置有一金屬導(dǎo)電接觸結(jié)構(gòu)，使得該上表面的基本呈圓形的有效區(qū)域被限定在該金屬導(dǎo)電接觸結(jié)構(gòu)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚光光電裝置，其特征在于，還包括設(shè)置在該凸面上的主鏡，以及設(shè)置在該曲面上的次級(jí)鏡，其中設(shè)置該主鏡和該次級(jí)鏡，使得從該孔徑表面進(jìn)入到該光學(xué)元件的光被會(huì)聚，以形成與該光電電池的圓形有效區(qū)域相一致的圓形光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，還包括一下罩，該下罩包括覆蓋該光學(xué)元件的中心孔的開(kāi)口端而設(shè)置的中心部，以及一個(gè)或多個(gè)從該中心部延伸覆蓋該凸面的外圍部，其中該光電電池安裝在該下罩的中心部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的聚光光電裝置，其特征在于，該下罩包括一層壓結(jié)構(gòu)，該層壓結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)絕緣層和一個(gè)或多個(gè)金屬化層。
9.一種用于生產(chǎn)聚光光電裝置的方法，包括形成一固體的透光的光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有一相對(duì)較大的凸面，該凸面限定了一中心孔，以及一相對(duì)的孔徑表面和一相對(duì)較小的曲面，該曲面限定在該孔徑表面的中心部中；將一光電電池安裝到一散熱片上，該散熱片限定了一個(gè)或多個(gè)通道；將一透光材料設(shè)置到該中心孔中使得該透光材料基本充滿該中心孔，該透光材料具有相對(duì)液體狀的第一狀態(tài)；以及將該散熱片安裝到該中心孔內(nèi)，使得部分透光材料從該一個(gè)或多個(gè)通道被擠壓出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括在該安裝散熱片后硬化該透光材料，使得該透光材料呈現(xiàn)相對(duì)固體狀的第二狀態(tài)。
全文摘要
一種卡塞格侖型聚光太陽(yáng)能收集器包括分別設(shè)置在透光(如玻璃)光學(xué)元件的相對(duì)的凸面和凹面上的主鏡和次級(jí)鏡。光線進(jìn)入到圍繞次級(jí)鏡的孔徑表面，并被主鏡和次級(jí)鏡反射到光電電池上，其中，該光電電池設(shè)置在形成于光學(xué)元件中的中心孔中。一彈性透光材料設(shè)置在中心孔中且位于光電電池和光學(xué)元件之間。光電電池具有似方形的上表面，該上表面包括設(shè)置在上表面的四個(gè)角部上的金屬導(dǎo)電接觸結(jié)構(gòu)，并設(shè)置該金屬導(dǎo)電接觸結(jié)構(gòu)，使其限定一個(gè)圓形有效區(qū)域。在組裝過(guò)程中，光電電池安裝在散熱片上，其中該散熱片設(shè)置在中心孔中。散熱片包括與孔的表面相接觸的彈性指狀物，以利于光電電池的自對(duì)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101093864SQ20071010175
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月5日
發(fā)明者戴維·K·福克, 戴維·G·達(dá)夫, 邁克爾·C·韋斯伯格, 托馬斯·S·齊默爾曼, 斯蒂芬·J·霍恩 申請(qǐng)人:索爾?？怂构煞萦邢薰? (施樂(lè)公司)帕洛阿爾托研究中心股份有限公司