TW202332187A - 具有導光結構的太陽能模組 - Google Patents
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Abstract
一種具有導光結構的太陽能模組，用以解決習知太陽能模組的陣列間隙導致光線逸散而減少發電量的問題。係包含：數個太陽能電池片，以陣列方式排列於同一平面上；數個導光結構，各該導光結構位於相鄰二該太陽能電池片之間的間隙，各該導光結構係由一高折射率材料包覆一低折射率材料，該高折射率材料的折射率大於該低折射率材料，當一光線照射於該太陽能模組，一部份該光線照射該數個導光結構，以導引該光線至鄰近之太陽能電池片；及二覆蓋層，分別位於該數個太陽能電池片及該數個導光結構的上、下兩面。
Description
本發明係關於一種光電轉換裝置，尤其是一種提升太陽光利用率以增加發電量的具有導光結構的太陽能模組。
太陽能是目前發展快速的再生能源，相較於水力及風力的應用門檻高且受限於設置地點，太陽能發電裝置可以安裝於住宅而容易推廣普及，又，常見的太陽能發電係利用光電效應，由材料吸收光子能量而產生自由電子溢出材料表面，據此，以半導體材料製成的太陽能電池片（Photovoltaic Cell）受到陽光或其他電磁輻射照射後，可以在半導體接面或與金屬的組合部位產生電壓及電流。
一般的太陽能模組（Photovoltaic Module）係由上述數個太陽能電池片排列成陣列，並將該數個太陽能電池片互相電性連接以收集所產生的電流，惟，相鄰的太陽能電池片之間存在2～10毫米的排列間隙，及用於導引電流的匯流柵線（Finger/Busbar），這些區域未覆蓋光電半導體材料，當然無法吸收太陽光並轉換為電能。習知的太陽能模組在太陽能電池片之間增加反射結構，將原本在間隙處逸散的光線能夠反射至太陽能電池片以增加發電量，但是，在太陽能模組上加工反射結構係提高製造難度及成本，且可能破壞太陽能模組的結構強度，又，該反射結構僅隨機反射光線，難以將光線確實導引至太陽能電池片或其中心位置，導致反射的光線在太陽能電池片表面呈現分散且不均勻，係無法有效提升習知太陽能模組的總發電量。
有鑑於此，習知的太陽能模組確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種具有導光結構的太陽能模組，係可以增加總發電量。
本發明的次一目的是提供一種具有導光結構的太陽能模組，係可以降低製造難度及生產成本。
本發明的又一目的是提供一種具有導光結構的太陽能模組，係可以免於加工所造成的模組結構破壞。
本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「上（頂）」、「下（底）」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明的具有導光結構的太陽能模組，包含：數個太陽能電池片，以陣列方式排列於同一平面上；數個導光結構，各該導光結構位於相鄰二該太陽能電池片之間的間隙，各該導光結構係由一高折射率材料包覆一低折射率材料，該高折射率材料的折射率大於該低折射率材料，該低折射率材料係形成並列的數個柱狀結構，各該柱狀結構的橫截面係一幾何形狀，該幾何形狀具有至少一斜邊朝向鄰近之該太陽能電池片，當一光線照射於該太陽能模組，部份該光線照射於該數個太陽能電池片，另一部份該光線照射該數個導光結構，並在各該柱狀結構以該斜邊所延伸的側面發生全反射，而被導引至鄰近之太陽能電池片；及二覆蓋層，分別位於該數個太陽能電池片及該數個導光結構的上、下兩面，該光線穿透至少一該覆蓋層。
據此，本發明的具有導光結構的太陽能模組，藉由在太陽能電池片陣列的間隙設置該導光結構，使照射於該導光結構的光線經由兩次全反射後抵達太陽能電池片，係可以將原本會穿過間隙而散逸的光線導引至太陽能電池片，以增加太陽能模組能夠接收的光通量及發電總量，又，該導光結構可以預先量產，並在太陽能模組的封裝過程中設置於數個太陽能電池片之間，不需要在太陽能模組上加工反射結構，係具有降低製造難度、節省成本及維持結構強度等功效。
其中，該幾何形狀為直角三角形，該斜邊係直角的對邊，該斜邊兩端分別為直角三角形的另外兩角，係一第一夾角及一第二夾角，該第一夾角相對靠近該光線入射端，而該第二夾角相對遠離該光線入射端，該第一夾角的角度是42度～46度，該第二夾角為該第一夾角的餘角。如此，各該柱狀結構對立於反射面的另一面為垂直平面，係可以避免二次全內反射導致光線逸散回空氣中，係具有增加光線被導引至太陽能電池之比率的功效。
其中，該幾何形狀是平行四邊形、菱形、上半部三角形結合下半部三角形或上半部三角形結合下半部半圓。如此，各該柱狀結構具有一個以上的反射面，由太陽能模組下方入射的光線係可以被導引，係具有收集散射光線用於轉換電能的功效。
其中，該低折射率材料所形成的該數個柱狀結構緊密排列於同一平面上，且該平面係平行該數個太陽能電池片所排列的平面，各該柱狀結構的延伸方向平行於鄰近之該太陽能電池片的邊緣。如此，照射於間隙的光線被該導光結構反射後，係可以均勻照射於該太陽能電池片，係具有光通量均勻作用光電轉換的功效。
其中，該導光結構之寬度為2毫米～10毫米，各該柱狀結構的寬度是0.125毫米～1毫米。如此，該導光結構可以依據所在的太陽能模組規格調整尺寸，以填滿電池片之間的間隙且包含數個柱狀結構，係具有製造及安裝便利的功效。
其中，該二覆蓋層為透光玻璃，各該覆蓋層的折射率大於或等於該高折射率材料。如此，光線係可以通過該高折射率材料與該二覆蓋層的交界面向外射出，並在該覆蓋層與空氣的交界面形成全反射，係具有導引光線反射至電池片靠中心位置的功效。
其中，上層之該覆蓋層為透光玻璃且直接面對該光線照射，下層之該覆蓋層為背板，上層之該覆蓋層的折射率大於或等於該高折射率材料。如此，逸散至下層的光線係可以由背板反射回到太陽能電池片，係具有提升光利用率的功效。
本發明另包含二保護膜，分別貼合於該數個太陽能電池片及該數個導光結構的上、下表面，該二覆蓋層再貼合於該二保護膜的外側表面，該二保護膜是熱固化熱融膠膜。如此，該二保護膜固化後具有高透光性、耐衝擊性及柔韌性，係可以保護該數個太陽能電池片免於環境破壞，還可以封裝固定該數個導光結構在正確的位置上，係具有延長太陽能模組使用壽命的功效。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明；此外，在不同圖式中標示相同符號者視為相同，會省略其說明。
請參照第1及2圖所示，其係本發明具有導光結構的太陽能模組的較佳實施例，係包含數個太陽能電池片1、數個導光結構2及二覆蓋層3，各該導光結構2位於相鄰二該太陽能電池片1之間的間隙，該二覆蓋層3分別位於該數個太陽能電池片1及該數個導光結構2的上、下兩面。
該數個太陽能電池片1係用於將光能轉換為電能，由於單獨一片太陽能電池片1能夠轉換的功率及電壓值有限，為了符合用電需求，通常以陣列方式排列該數個太陽能電池片1於同一平面上，並設置於光通量充足且均勻的地點，使各該太陽能電池片1的發電量穩定，再以串聯及並聯方式匯流該數個太陽能電池片1的發電量，又，該數個太陽能電池片1之間存在陣列間隙及匯流導線的區域，係無法由該數個太陽能電池片1直接吸收光能。
請參照第2及3圖所示，該數個導光結構2分別位於該數個太陽能電池片1之間的間隙，各該導光結構係由一高折射率材料21包覆一低折射率材料22，該高折射率材料21的折射率（Refractive Index）大於該低折射率材料22，該高折射率材料21可以是玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate, PMMA）、環氧樹脂（Epoxy）或液態光學膠（Liquid Optically Clear Adhesive, LOCA）等，該低折射率材料22可以是空腔（空氣或真空）或聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）等，該低折射率材料22係形成並列的數個柱狀結構，各該柱狀結構的橫截面係一幾何形狀，該幾何形狀具有至少一斜邊H朝向鄰近之該太陽能電池片1，如第3圖所示，在本實施例中係以該幾何形狀為直角三角形作說明，該幾何形狀還可以是平行四邊形、菱形、上半部三角形結合下半部三角形、上半部三角形結合下半部半圓等，本發明不以此為限。該幾何形狀為直角三角形則該斜邊H係直角的對邊，該斜邊H兩端分別為直角三角形的另外兩角，係一第一夾角α及一第二夾角β，該第一夾角α與該第二夾角β互為餘角（角度和為90度），該第一夾角α係相對靠近光線入射端，而該第二夾角β係相對遠離光線入射端。該第一夾角α的角度可以是42度～46度，較佳為42度；該第二夾角β的角度可以是44度～48度，較佳為48度。
另外，該低折射率材料22所形成的數個柱狀結構較佳緊密排列於同一平面上而互不重疊，且該平面較佳與該數個太陽能電池片1所排列的平面呈平行，又，各該柱狀結構的延伸方向較佳平行於鄰近之該太陽能電池片1的邊緣，係可以完整收集照射於間隙的光線，並使導引後的光線均勻照射於該太陽能電池片1。各該柱狀結構係以該斜邊H所延伸的側面為一反射面，該反射面係該高折射率材料21與該低折射率材料22的交界面，由於該高折射率材料21的折射率大於該低折射率材料22，特定角度的入射光係可以在該反射面形成全反射。
上述各該柱狀結構的寬度可以是0.125毫米～1毫米，而該導光結構2之寬度為2毫米～10毫米，以10毫米寬度為例，該導光結構2最多可以包含80個0.125毫米的柱狀結構，且至少可以包含10個1毫米的柱狀結構。
該導光結構2可以由軟微影技術（Soft Lithography）製造，係在具有該數個柱狀結構的模具上，塗布該高折射率材料21，例如：液態光學膠，係以紫外光照射使液態光學膠固化，脫模後在凸起部位塗膠以連接相同材質所製成的平面薄膜，再次固化後形成具有柱狀空腔的導光結構2，其低折射率材料22為空氣。
該二覆蓋層3係可以上、下雙層皆為透光玻璃，也可以上層（正面，光源照射面）為透光玻璃，下層（背面）為太陽能背板，該二覆蓋層3係用於防止高溫、濕氣、酸蝕及衝擊等外在環境傷害對各該太陽能電池片1造成損壞，又，各該覆蓋層3為透光玻璃，使光線能夠通過玻璃且其折射率大於外界環境之空氣，當光線由該二覆蓋層3之間向外射出時，在該覆蓋層3與空氣的交界面，係由光的密介質到光的疏介質，使特定角度的光線可以在該交界面形成全反射。各該覆蓋層3的折射率可以大於或等於該高折射率材料21；該低折射率材料22的折射率可以大於或等於空氣。
本發明的太陽能模組還可以具有二保護膜4，該二保護膜4分別緊密貼合於該數個太陽能電池片1及該數個導光結構2的上、下表面，該二覆蓋層3再貼合於該二保護膜4的外側表面，該二保護膜4可以是熱固化熱融膠膜，例如：乙酸/醋酸乙烯酯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate, EVA），該二保護膜4經熱壓後可以良好黏接金屬、玻璃及塑膠，且固化後的該二保護膜4具有高透光性、耐衝擊性及柔韌性，係可以保護該數個太陽能電池片1免於環境破壞，還可以封裝固定該數個導光結構2在正確的位置上，且該二保護膜4完全透明係不會影響光線入射，具有延長太陽能模組使用壽命及提升發電效率的作用。
請參照第2及3圖所示，當一光線L照射於太陽能模組，通過該覆蓋層3及該保護膜4後，散佈於該數個太陽能電池片1上的光線L能夠轉換為電能，而分散至該數個太陽能電池片1之間的間隙上的光線L，會在各該導光結構2發生數次折射及反射，以重新被導引至鄰近之太陽能電池片1，最靠近各該太陽能電池片1之該柱狀結構的反射面（該斜邊H所延伸的側面）所反射的光線，能夠在該覆蓋層3與空氣的交界面再做一次全反射後，進入該太陽能電池片1；如第3圖所示，其餘柱狀結構的反射面所反射的光線，則必須反覆穿過數個該柱狀結構後，再依序到達該覆蓋層3及該太陽能電池片1，該導光結構2係可以增加該太陽能電池片1所接收到的光通量。請參照表一所示，其係具有本發明之導光結構的太陽能模組相較於無導光結構的太陽能模組，對於不同角度的入射光所能夠轉換的輻射通量（Radiant Flux）。
表一，具有導光結構的太陽能模組與一般太陽能模組的工作效率對照表
| 光照入射角度 | 一般太陽能模組(W) | 具有導光結構的太陽能模組(W) | 增加效率(％) |
| -80° | 9.40828 | 9.44824 | 0.42％ |
| -70° | 13.58486 | 13.80696 | 1.63％ |
| -60° | 18.22809 | 18.67472 | 2.45％ |
| -50° | 21.67359 | 22.34071 | 3.08％ |
| -40° | 24.55936 | 25.54485 | 4.01％ |
| -30° | 26.78129 | 28.35463 | 5.87％ |
| -20° | 28.33531 | 30.56777 | 7.88％ |
| -10° | 29.19505 | 31.82704 | 9.02％ |
| 0° | 29.43452 | 33.35169 | 13.31％ |
| 10° | 29.19286 | 31.82563 | 9.02％ |
| 20° | 28.33214 | 30.56682 | 7.89％ |
| 30° | 26.78518 | 28.35901 | 5.88％ |
| 40° | 24.56542 | 25.54844 | 4.00％ |
| 50° | 21.68046 | 22.34537 | 3.07％ |
| 60° | 18.22685 | 18.66976 | 2.43％ |
| 70° | 13.5741 | 13.79492 | 1.63％ |
| 80° | 9.40988 | 9.44984 | 0.42％ |
| 總結 | 372.96724 | 394.4764 | 5.77％ |
由表一可知，當光線直射於太陽能模組時，能夠接收並轉換的功率為極大值，而使用導光結構係可以使功率再提升13.31％，但是，日光照射的角度係隨時間做週期變化，而越接近日出或日落的照射偏斜角度越大，導致相對應可接收到的功率也越小，此時使用導光結構仍可以提升功率，惟，光照的偏斜角度越大，功率所能夠提升的比例越小。總結來說，以一整天的日照情形統計，使用導光結構係可以提升太陽能模組5.77％的發電量。
綜上所述，本發明的具有導光結構的太陽能模組，藉由在太陽能電池片陣列的間隙設置該導光結構，使照射於該導光結構的光線經由兩次全反射後抵達太陽能電池片，係可以將原本會穿過間隙而散逸的光線導引至太陽能電池片，以增加太陽能模組能夠接收的光通量及發電總量，又，該導光結構可以預先量產，並在太陽能模組的封裝過程中設置於數個太陽能電池片之間，不需要在太陽能模組上加工反射結構，係具有降低製造難度、節省成本及維持結構強度等功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當包含後附之申請專利範圍所記載的文義及均等範圍內之所有變更。
1:太陽能電池片
2:導光結構
21:高折射率材料
22:低折射率材料
3:覆蓋層
4:保護膜
H:斜邊
α:第一夾角
β:第二夾角
L:光線
［第1圖］ 本發明較佳實施例的組合立體圖。
［第2圖］ 沿第1圖的A-A線剖面圖。
［第3圖］ 如第2圖所示的B區域局部構造放大圖。
1:太陽能電池片
2:導光結構
3:覆蓋層
4:保護膜
L:光線
Claims (8)
- 一種具有導光結構的太陽能模組，包含： 數個太陽能電池片，以陣列方式排列於同一平面上； 數個導光結構，各該導光結構位於相鄰二該太陽能電池片之間的間隙，各該導光結構係由一高折射率材料包覆一低折射率材料，該高折射率材料的折射率大於該低折射率材料，該低折射率材料係形成並列的數個柱狀結構，各該柱狀結構的橫截面係一幾何形狀，該幾何形狀具有至少一斜邊朝向鄰近之該太陽能電池片，當一光線照射於該太陽能模組，部份該光線照射於該數個太陽能電池片，另一部份該光線照射該數個導光結構，並在各該柱狀結構以該斜邊所延伸的側面發生全反射，而被導引至鄰近之太陽能電池片；及 二覆蓋層，分別位於該數個太陽能電池片及該數個導光結構的上、下兩面，該光線穿透至少一該覆蓋層。
- 如請求項1之具有導光結構的太陽能模組，其中，該幾何形狀為直角三角形，該斜邊係直角的對邊，該斜邊兩端分別為直角三角形的另外兩角，係一第一夾角及一第二夾角，該第一夾角相對靠近該光線入射端，而該第二夾角相對遠離該光線入射端，該第一夾角的角度是42度～46度，該第二夾角為該第一夾角的餘角。
- 如請求項1之具有導光結構的太陽能模組，其中，該幾何形狀是平行四邊形、菱形、上半部三角形結合下半部三角形或上半部三角形結合下半部半圓。
- 如請求項1之具有導光結構的太陽能模組，其中，該低折射率材料所形成的該數個柱狀結構緊密排列於同一平面上，且該平面係平行該數個太陽能電池片所排列的平面，各該柱狀結構的延伸方向平行於鄰近之該太陽能電池片的邊緣。
- 如請求項1之具有導光結構的太陽能模組，其中，該導光結構之寬度為2毫米～10毫米，各該柱狀結構的寬度是0.125毫米～1毫米。
- 如請求項1之具有導光結構的太陽能模組，其中，該二覆蓋層為透光玻璃，各該覆蓋層的折射率大於或等於該高折射率材料。
- 如請求項1之具有導光結構的太陽能模組，其中，上層之該覆蓋層為透光玻璃且直接面對該光線照射，下層之該覆蓋層為背板，上層之該覆蓋層的折射率大於或等於該高折射率材料。
- 如請求項1之具有導光結構的太陽能模組，另包含二保護膜，分別貼合於該數個太陽能電池片及該數個導光結構的上、下表面，該二覆蓋層再貼合於該二保護膜的外側表面，該二保護膜是熱固化熱融膠膜。
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