專利名稱：通過真空絕熱玻璃單元耦合的熱電/太陽能電池混合動力及其方法
通過真空絕熱玻璃單元耦合的熱電/太陽能電池混合動力及其方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明的某些示例性實施例涉及包括提供地與真空絕熱玻璃(VIG)單元結(jié)合的熱電(TE)和光電(PV)模塊的混合動力系統(tǒng)及其制作方法。更具體地說，本發(fā)明的某些示例性實施例涉及包括在VIG單元的空腔中并聯(lián)熱連接且串聯(lián)連接的TE模塊的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)具有的條形太陽能電池被提供在位于VIG單元的非光入射側(cè)的基板上，及其制作方法。有利的是，某些示例性實施例，可分割太陽光譜以便提高PV-TE混合動力系統(tǒng)的效率，使紅外光譜中的光主要用于TE模塊的操作，而在可見光譜中的光主要用于太陽能電池的操作。
技術(shù)背景及發(fā)明內(nèi)容熱電電池依賴于熱電反應(yīng)，熱電反應(yīng)一般是指溫度差至電壓的轉(zhuǎn)換及反轉(zhuǎn)換。在這樣的系統(tǒng)中，在原子尺度上，所施加的溫度梯度導(dǎo)致材料中的帶電載流子(如電子或電子空穴)從熱側(cè)向冷側(cè)擴散。因此，熱電裝置在每一側(cè)上存在不同的溫度時生成電壓。因此，這種反應(yīng)可以用來發(fā)電。
不幸的是，熱電電池的應(yīng)用有限。問題的部分原因在于，首先，這種電池制成有效的形式非常昂貴，并且其通常需要顯著的能量源以提供必要的熱量。熱電電池的最成功的應(yīng)用之一是在衛(wèi)星中，其使用熱電偶來產(chǎn)生能量，使它們可以自我維持。在這種應(yīng)用中，熱可以通過衛(wèi)星的內(nèi)部電源產(chǎn)生或從其太陽側(cè)上吸收，而“冷”由黑暗空間的真空容易地供給。熱和冷產(chǎn)生功率強大的熱電偶流程，其可從太陽光譜的IR部獲得可用能量。但是在這種情況在地球上是不容易復(fù)制的。
在另一個極端，光電裝置也是已知的(例如見美國專利第6784361、6288325、 6613603、和6123824號，其公開的內(nèi)容通過參照并入本文)。一些光電裝置包括基于無機的太陽能電池。這些太陽能電池的一個問題涉及隨著接點溫度的增加操作效率的大幅下降。 典型的基于硅的太陽能電池在高溫下運作地不好，由于暗電流較高，它們的效率下降至少 10%。此外，對于Si系太陽能電池，例如，約25%的太陽輻射根本沒有得 到利用，因為基于 Si的太陽能電池是基于它們對可見光譜的部分的暴露運作，而不是基于IR輻射。
最近的一些努力在試圖將在太陽能電池中沒有使用的輻射部分轉(zhuǎn)移成熱電模塊來發(fā)電。但是，由于上述討論的和/或一些原因，在海平面或接近海平面的TE生成器無法在熱和冷的接點之間維持高的Λ Τ，因此，基于這種理念的系統(tǒng)已經(jīng)無法操作其全部的潛力。
因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本領(lǐng)域中需要在地球上以增加的效率操作的熱電模塊和/ 或其制作方法。還應(yīng)當(dāng)被理解，在本領(lǐng)域中需要改進的混合動力光電/熱電系統(tǒng)和/或其制作方法。
某些示例性實施例的一個方面涉及混合動力系統(tǒng)，其包括與超絕熱而透光的真空絕熱玻璃(VIG)單元結(jié)合的光電(PV)和熱電(TE)模塊。
某些示例性實施例的另一個方面涉及使TE模塊吸收照射在其上的紅外輻射部分同時允許太陽能電池吸收照射在其上的的可見光部分。
某些示例性實施例的另一個方面涉及提供TE模塊的熱側(cè)和冷側(cè)的高溫度差并同時將光電模塊隔熱。
也有某些示例性實施例的另一個方面涉及在VIG單元本身內(nèi)提供TE模塊。
還有某些示例性實施例的另一個方面涉及將TE模塊提供為電串聯(lián)且熱并聯(lián)。
另有某些示例性實施例的另一個方面涉及使用柱面透鏡將可見光聚焦在PV模塊上。
還有某些示例性實施例的另一個方面涉及使用VIG單元的支柱作為波導(dǎo)，以幫助將可見光集中到太陽能電池上。
在本發(fā)明的某些示例性實施例中，提供了一種組件。基本平行的、間隔開的第一基板和第二基板至少部分地定義空腔于其間，所述空腔被抽至低于大氣壓的壓力。多個支柱被提供在第一基板和第二基板之間。邊緣密封件圍繞第一基板和/或第二基板的外周提供。至少一個母線(bus bar)被提供在空腔中并由第二基板支承。多個熱電模塊位于空腔中和至少一個母線上，使所述熱電模塊熱并聯(lián)，每個所述熱電模塊包括η腿和P腿。第三基板支承至少一個太陽能電池，所述第三基板基本平行于第二基板并位于與第一基板相對的第二基板的一側(cè)上。形成至少一個熱電偶，使空腔對應(yīng)至少一個熱電偶的熱側(cè)，且靠近第三基板的空腔外的區(qū)域?qū)?yīng)至少一個熱電偶的冷側(cè)。相鄰的熱電模塊通過接點互相連接，使熱電模塊電串聯(lián)。
在本發(fā)明的某些示例性實施例中，提供了一種制作混合動力熱電/光電系統(tǒng)的方法。提供第一基板。在第一基板上形成至少一個母線。在第一基板上至少部分地在至少一個母線之上形成多個熱電模塊，每個所述熱電模塊包括η腿和P腿。在相鄰的熱電模塊之間形成接點，由此使熱電模塊串聯(lián)電連接。在第一基板上形成多個支柱。提供相對于第一基板基本平行的、間隔開的第二基板，由此至少部分地定義空腔于其間。圍繞第一基板和/ 或第二基板的外周提供邊緣密封件。將空腔抽至低于大氣壓的壓力。提供背面基板。在背面基板上設(shè)置至少一個太陽能電池。將背面基板連接至第一基 板，使第二基板和背面基板被提供地相對于彼此基本平行、間隔開，背面基板上具有至少一個太陽能電池的一側(cè)面向第一基板上不具有多個熱電模塊的一側(cè)。形成至少一個熱電偶，使空腔對應(yīng)至少一個熱電偶的熱側(cè)，且靠近背面基板的空腔外的區(qū)域?qū)?yīng)至少一個熱電偶的冷側(cè)。多個熱電模塊在空腔中熱并聯(lián)。
在本發(fā)明的某些示例性實施例中，提供了一種混合動力熱電/光電系統(tǒng)。真空絕熱玻璃VIG單元包括抽至低于大氣壓的壓力的空腔。至少一個母線被提供在空腔中。多個熱電模塊位于空腔中和至少一個母線上，使所述熱電模塊熱并聯(lián)，熱電模塊在熱電模塊的相鄰的η腿和P腿之間包括接點，使熱電模塊電串聯(lián)。多個無機太陽能電池設(shè)置在空腔外。 形成至少一個熱電偶，使空腔對應(yīng)至少一個熱電偶的熱側(cè)，且靠近多個太陽能電池的空腔外的區(qū)域?qū)?yīng)至少一個熱電偶的冷側(cè)。
本文所描述的特征、方面、優(yōu)點以及示例性實施例可被組合以實現(xiàn)更進一步的實施例。


結(jié)合附圖參照以下的示例性說明性實施例的詳細描述，可更好地和更完全地理解這些和其它特征和優(yōu)點，其中圖1是根據(jù)示例性實施例的嵌入真空絕熱玻璃VIG單元中的熱電模塊的示意性剖視圖；圖2是根據(jù)示例性實施例的電串聯(lián)、熱并聯(lián)、并嵌入真空絕熱玻璃VlG單元中的熱電模塊的示意性頂視或俯視圖；圖3是根據(jù)示例性實施例的混合動力系統(tǒng)的示意性剖視圖，該系統(tǒng)包括被提供地與真空絕熱玻璃VIG單元連接的條形太陽能電池和熱電模塊；圖4標(biāo)示出作為熱接點和冷接點之間的溫度差和Z值的函數(shù)的熱電效率；圖5是示出根據(jù)示例性實施例的用于制造混合動力系統(tǒng)的說明性流程的流程圖，該系統(tǒng)包括被提供地與真空絕熱玻璃VIG單元連接的條形太陽能電池和熱電模塊；圖6示出根據(jù)示例性實施例的波導(dǎo)的操作原理；圖7A-7C是根據(jù)示例性實施例的成像的、非成像的以及微光學(xué)平板透鏡的示意圖；圖8是展示根據(jù)示例性實施例支柱波導(dǎo)如何運作的示意性剖視圖。
具體實施方式
某些示例性實施例提供用于改善包括與超絕熱但透光的真空絕熱玻璃VlG單元技術(shù)結(jié)合的光電PV模塊和熱電TE模塊的混合動力系統(tǒng)的輸出的技術(shù)。更具體地說，某些示例性實施例涉及包括氫化微晶硅(mc-Si)、氫化非晶硅(a-Si)、本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池 (bulk hetero-junction solar cell)等的混合動力系統(tǒng),其可與在環(huán)境條件下實現(xiàn)高操作PV和TE效率的TE生成器一起使用。在這方面，某些示例性實施例有效地分割太陽光譜， 以便產(chǎn)生具有在環(huán)境溫度下操作的太陽能電池的PV-TE混合動力系統(tǒng)的提高的轉(zhuǎn)換效率。
在某些示例性實施例中，真空絕熱玻璃VIG單元被用作高耐熱電阻(R>12)的介質(zhì)，來收容熱電接點陣列，該陣列在面朝太陽的一側(cè)電串聯(lián)并熱并聯(lián)。根據(jù)某些示例性實施例，R值優(yōu)選為至少10，更優(yōu)選至少為12，并且可能甚至更高。此類高R值目前可在由本發(fā)明的受讓人制造的VIG單元中實現(xiàn)。此類單元一般采用燃煤支柱(fired pillar)和低E 涂層。當(dāng)然，典型的氬氣和/或氙氣填充的IG單元提供約為4的R值，并且可用于與指數(shù) Z的TE系數(shù)增大到適當(dāng)水平的某些示例性實施例結(jié)合，將在下面更詳細討論。在任何情況下，為10的R值可提供約400度C的Λ T，為12的R值可提供約600度C的AT。
每單位面積的接點的數(shù)量優(yōu)選使填充因數(shù)小于20%的水平。正如已知的，填充因數(shù)是指實際可獲得的最大功率與理論功率的比率(以百分比給出)。此填充因數(shù)允許大量的可見光被發(fā)送和聚焦或集中到位于VIG單元的冷側(cè)的太陽能電池上。當(dāng)然，這可以理解， 填充因數(shù)可以與Z值平衡，類似于如上文所指出的。因此，當(dāng)其中的Z值大于或等于約10， 填充因數(shù)可以減少至小于或等于約10%。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，VIG單元可以一舉多得。例如，VIG單元可以為TE接點提供支承，接點可以集成在VIG中。作為另一示例，通過將TE裝置列入VIG單元本身中，VIG單元可提供熱接點和冷接點之間的非常大的溫度差。非常大的AT反過來可有助于大幅提高 TE效率。作為又一示例，VIG單元可提供對柱面透鏡陣列的支承來將可見光聚焦到太陽能電池陣列上。作為又一示例，VIG單元可幫助太陽能電池單元隔熱并防止PV接點到達降低其操作效率的溫度。
有利的是，某些示例性實施例允許利用較小量活性物質(zhì)并在保持冷卻的同時仍然接收增加的量的集中的光的基于無機半導(dǎo)體的PV安裝的使用。此外有利的是，某些示例性實施例由于高R值的VIG單元中提供的TE模塊的有關(guān)高溫差而提供高效的熱生成。在這方面，某些示例性實施例可包括例如絕熱件，來幫助保持面板的熱。絕熱件可提供在VIG單元上或圍繞VIG單元的周邊。絕熱功能可使用任何合適的材料來實現(xiàn)，包括，例如目前在絕熱玻璃IG襯墊中使用的塑料材料。圖1是嵌入根據(jù)示例性實施例的真空絕熱玻璃VIG單元中的熱電模塊的示意性剖視圖。類似于常規(guī)的VIG單元，圖1的示例性實施例包括外基板2和內(nèi)基板4。在本發(fā)明的某些不例性實施例中，外基板2和內(nèi)基板4中的一者或兩者可以是玻璃基板?；灞惶峁橄鄬τ诒舜嘶酒叫?、間隔開，多個支柱6幫助維持外基板2和內(nèi)基板4之間的距離。在本發(fā)明的某些示例性實施例中，支柱6可以是藍寶石支柱。邊緣密封件8圍繞外周提供來密封VIG單元，例如，外基板2和內(nèi)基板4之間的空腔可被抽至比大氣壓小的壓力和/或用一種氣體或多種氣體填充(例如IS氣、氣氣和/或類似氣體)。在本發(fā)明的不同實施例中， 外基板2和內(nèi)基板4可以是相同或不同的尺寸。
如上所述，所提供的熱電模塊，使得熱電偶的熱側(cè)位于VIG單元的空腔中，而熱電偶的冷側(cè)位于內(nèi)基板4的外部(例如靠近表面4處)。每個熱電模塊的熱側(cè)包括η腿IOa 和P腿10b，并可由任何合適的材料制成。例如，熱電模塊可以是基于鉍的(例如Bi2Te3、 Bi2SE3等)、方鈷礦材料(如(Co，Ni，F(xiàn)e) (P，Sb，As) 3的形式等)、氧化物(如(SrTi03) n(SrO)m等)的等。在某些示例性實施例中熱電材料可以摻雜。當(dāng)TE材料是摻雜的，例如， 摻雜可被定級為使得摻雜較高度地靠近熱接點。
模塊的η腿IOa和ρ腿IOb可以被由導(dǎo)體12連接，該導(dǎo)體因為其中所用的材料有時被稱為熏黑的導(dǎo)體(blackened conductor),即使光仍然可以透過它。在某些示例性實施例中，導(dǎo)體12可以是基于銅材料(銅、氧化銅等)、釉料(例如炭黑如DAG等)、基于CNT的墨等。在本發(fā)明的某些示例性實施例中，熱電模塊可絲網(wǎng)印刷。每個模塊的大小，可以結(jié)合所需的填充因數(shù)選擇。當(dāng)使用20%的填充因數(shù)，例如，可使用大致正方形的大約ΓΧ1"的模塊尺寸，但也可以結(jié)合這個和/或其他填充因數(shù)使用其他尺寸和/或形狀的。在某些示例性實施例中，支柱6可跟隨TE材料的絲網(wǎng)印刷放置。
在某些示例性實施例中，TE模塊不直接接觸的內(nèi)基板4。取而代之的是，在某些示例性實施例中，在內(nèi)基板4的內(nèi)表面(表面3)和熱電材料之間提供母線14。此母線可以是透明的，因此可以是或包括任何合適的材料，如包括Ag、IT0、AZ0、銦-鎵-氧化物等或由其制成的透明導(dǎo)電涂層。導(dǎo)電涂層還可以是基于CNT的、基于石墨烯的等。基于CNT的導(dǎo)電涂層/裝置和制作其的方法在如美國專利申請序列12/659352號中有公開，其公開的內(nèi)容通過參照并入本文，并且基于石墨烯的導(dǎo)電涂層/裝置和制作其的方法在如美國專利申請序列12/654269號中有公開，其公開的內(nèi)容通過參照并入本文。為幫助功率轉(zhuǎn)移，銀或其它導(dǎo)電釉料16可被提供在靠近VIG單元的邊緣處并直接或間接接觸母線14。在某些示例性實施例中，邊緣密封件8本身可以由導(dǎo)電材料形成，并因此可作為合適的連接件使用。
雖然在圖1中未不出，光散射薄膜層可被提供在外基板2的內(nèi)表面和外表面(表面I或表面2)中的一者或兩者之上，例如，來幫助提高TE模塊的性能。同樣地，雖然在圖1 中未不出。低E涂層可被設(shè)置在內(nèi)基板4的內(nèi)表面和外表面(表面3或表面4)中的一者或兩者之上。此低E涂層相對于可見光(或其部分)和/或IR反射(或其部分)可以是抗反射的。在某些示例性實施例中，母線14的電阻率和光學(xué)性質(zhì)可被調(diào)為具有足夠的導(dǎo)電性來用作母線同時還相對于可見光(或其部分)和/或IR反射(或其部分)抗反射。
圖2是根據(jù)示例性實施例的電串聯(lián)、熱并聯(lián)、并嵌入真空絕熱玻璃VlG單元中的熱電模塊的示意性頂視或俯視圖。TE模塊電串聯(lián)，使第一模塊中的η腿連接到在第二模塊中的P腿(或反過來亦可)等，直到一行或一列的端部以及相鄰的列或行均被連接，且該圖案沿新行重復(fù)。TE模塊熱并聯(lián)連接，因為它們都位于VIG單元的空腔內(nèi)。VIG單元的每一側(cè)包含至少一個正端子和至少一個負端子。上面討論的銀釉料因此可基本上圍繞VIG單元的整個外周提供，在端子要被提供的位置上等。從圖2中可以看出，TE模塊占據(jù)的空間，使預(yù)定的填充因數(shù)被滿足(本示例的情況為約20% )。
圖3是根據(jù)示例性實施例的混合動力系統(tǒng)的示意性剖視圖，該系統(tǒng)包括被提供地與真空絕熱玻璃VIG單元連接的條形太陽能電池和熱電模塊。圖3的示例性實施例類似于圖1所示的部分，圖中的VIG單元包括由于支柱6和邊緣密封件8而相對于彼此保持大致平行、間隔開的關(guān)系的外基板2和內(nèi)基板4，且其中，所述至少部分抽空的空腔包括TE模塊， 該TE模塊包括由導(dǎo)體12連接的η-腿IOa和ρ腿10b，使TE模塊電串聯(lián)且和熱并聯(lián)。
根據(jù)某些示例性實施例，熱電偶的冷側(cè)用作平臺或支承多個太陽能電池。因此，如圖3中所示，背面基板22被提供。在本發(fā)明的不同實施例中，背面基板22可以是玻璃基板、聚合物、塑料或其他合適的基板，且其支承單個或多個節(jié)點太陽能電池條24。來自太陽的光，可通過連接到內(nèi)基板或一體地形成在內(nèi)基板4上的透鏡26被聚焦或集中到太陽能電池條24上。在某些示例性實施例中，透鏡26和/或太陽能電池條24可基本上位于列6的行中。
透鏡陣列和條形太陽能電池以及制作其的示例性技術(shù)，在例如美國專利申請第 12/662628和12/662624號中有公開，其公開的內(nèi)容通過參照并入本文。
根據(jù)本發(fā)明的某些示例性實施例，透鏡26可以是大致柱狀的形狀，透鏡26可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞叫纬?。比如，在某些示例性實例中，用于?nèi)基板4的浮法玻璃可被圖案化和 /或蝕刻。在其它示例性實例中，預(yù)成形的透鏡可使用任何合適的層壓材料(如PVB、EVA、 鏡片膠等)被層壓至內(nèi)基板4。在其它示例性實例中，玻璃可被熔化以形成可以自動冷卻或可被冷卻的透鏡膠土。這種技術(shù)在玻璃強度方面有利，例如比具有交替的厚/薄圖案的玻璃強度有利。在任何情況下，用于透鏡的材料可被摻雜有高折射率的材料。
也可以使用環(huán)氧樹脂或其它密封件28，以幫助保持背面基板2相對于內(nèi)基板4 (因而與外基板2也同樣地)基本平行并間隔開。多個支柱(圖中未示出)也可以被提供，以幫助維持這種排置。因此，圖3的示例性實施例可被認為是結(jié)合的VIG和IG結(jié)合組件，該組件的VIG部分收容TE模塊且組件的IG部分收容PV相關(guān)的組成部分。在其它的示例性實施例中，可提供一種所謂的三重VIG，其中內(nèi)基板4和背面基板22之間的空腔可以至少部分地抽空和/或以適當(dāng)?shù)?例如惰性)氣體填充。
但是，在某些示例性實施例中，密封件28和/或支柱可以不是必要的，因為太陽能電池本身可以作為分離內(nèi)基板4和背面基板22的支柱。在某些示例性實施例中，太陽能電池可由內(nèi)基板4支承，而不是由背面基板22支承。在這種情況下，可簡單地封裝或在太陽 能電池之上提供層壓，例如，以便從環(huán)境來保護它們從而減少對單獨的背面基板22的的需要。
在某些示例性實施例中，支柱26可作為波導(dǎo)。在這種情況下，可將生色團或其他能夠選擇性光吸收的化學(xué)基團摻雜入支柱。正如已知的，擊中生色團的可見光，可通過從基態(tài)到激發(fā)態(tài)激發(fā)電子被吸收。因此支柱可包括吸收特別好地匹配太陽能電池材料的(例如硅晶片)的某些波長的可見光并發(fā)送那些波長的可見光的生色團。因此，在某些示例性實施例中，提供波導(dǎo)的能力可有助于進一步提高太陽能電池的效率，并可降低(或完全消除) 對聚光透鏡的需要。實現(xiàn)高太陽輻射通量的入射光波導(dǎo)的有關(guān)進一步的細節(jié)在下面提供。
如上文所述，包含無機太陽能電池的PV系統(tǒng)通常隨熱量增加效率下降。因此，在熱電偶的冷側(cè)上或在VIG的“背后”提供PV系統(tǒng)可導(dǎo)致效率提聞。為進一步提聞效率，由 TE模塊產(chǎn)生的電力可用于幫助太陽能電池冷卻。
圖4標(biāo)示出作為熱接點和冷接點之間的溫度差和Z值的函數(shù)的熱電效率。從圖4 中可以看出，熱電效率伴隨著指數(shù)Z的系數(shù)及熱偵彳、冷側(cè)間的溫度差增力口?？梢钥闯?，當(dāng)AT 是600度，即使是溫和的Z值，效率也非常迅速地增加。
圖5是示出根據(jù)示例性實施例的用于制造混合動力系統(tǒng)的說明性流程的流程圖， 該系統(tǒng)包括被提供地與真空絕熱玻璃VIG單元連接的條形太陽能電池和熱電模塊。圖5的示例性流程基本對應(yīng)制造TE組成部分，首先連接VIG單元的制造，其次制造PV相關(guān)組成部分。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本發(fā)明的不同實施例中這些步驟可以以不同的順序執(zhí)行。還應(yīng)當(dāng)理解的是，這些子流程中的進一步步驟也可以以不同的順序執(zhí)行。
真空絕熱玻璃(VIG)單元在本領(lǐng)域中是已知的。例如，參見美國專利 5664395,5657607, 5902652 號，美國公開 2009/0151854、2009/0151855、2009/0151853、 2009/0155499,2009/0155500號和美國專利申請序列第12/453220、12/453221號，其公開的內(nèi)容都通過參照并入本文。這些參照文獻的邊緣密封件、泵出和/或其他技術(shù)/配置可以與本發(fā)明的某些實施例結(jié)合使用。
在步驟S502中，提供第一基板。第一基板對應(yīng)VIG單元的內(nèi)基板。在步驟S504 中，形成母線。這可通過在第一基板上適當(dāng)?shù)卦O(shè)置(例如通過濺射法、濕應(yīng)用或其它涂層技術(shù))導(dǎo)電材料和蝕刻來實現(xiàn)。在步驟S506中，形成η腿和ρ腿來用于多個熱電模塊。在步驟S508中，在熱電模塊的η腿和ρ腿之間形成接點以便將它們電串聯(lián)連接。可以例如通過絲網(wǎng)印刷或任何其他合適的沉積技術(shù)形成TE模塊，以使它們形成在適當(dāng)?shù)奈恢貌⒕哂羞m當(dāng)?shù)拇笮。韵鄬τ赑V模塊匹配所需的填充因數(shù)。
在步驟S510中，可以在第一基板上布置多個支柱，這些支柱可選擇性地作為如上所述的波導(dǎo)。在步驟S512中，提供第二第二基板(其將作為VIG單元的外基板)，使其相對于第一基板基本平行并間隔開并使第一基板和第二基板之間形成空腔。在步驟S514中，形成邊緣密封件。邊緣密封件可選擇性地包括或在部分上鄰接導(dǎo)電釉料，用于外部電連接或其本身可以是導(dǎo)電的。在步驟S516中，空腔被至少部分地抽空和/或泵入惰性氣體(如氬氣、氙氣或類似氣體)。在步驟S518中，第一基板和第二基板可被密封在一起，例如，形成 VIG單元。應(yīng)理解，VIG單元可具有在上述指定范圍內(nèi)的R值。
在步驟S520中，提供背面基板。在步驟S522中，太陽能電池(例如條形式的并選擇性地由無機材料如mc-S1、c-S1、a-Si組成的或包括這些的等)被設(shè)置在背面基板上?？蛇x擇性地將透鏡定向在第一基板上，使他們將入射光聚焦到太陽能電池上，例如如果需要這種透鏡且如果他們尚未與第一基板一體地形成。在步驟S524中，背面基板被連接到第一基板，使它們被提供地相對于彼此大致平行并間隔開。這可以通過例如使用類似于傳統(tǒng)的 IG單元的支柱和邊緣密封件實現(xiàn)。在某些示例性實施例中，太陽能電池本身可以作為支柱。 代替步驟S520-S524，或除了這些步驟之外，太陽能電池還可以被第一基板支承并由另一基板、層壓材料或類似物保護。
如上文所述，可使用VIG單元的支柱作為波導(dǎo)。在這樣做時，可以實現(xiàn)非常高的太陽輻射通量，例如大約500x的聚光。這種例子的實施是有利的，因為當(dāng)高太陽輻射通量(高達500x)照射時II1-V多接點PV電池提供超過40%的效率?？梢岳斫?，將小面積、高效率 PV電池與廉價的聚光光學(xué)儀器結(jié)合可降低成本同時也降低系統(tǒng)的足跡(footprint)。
CPV光學(xué)儀器收集太陽輻射，而高輻射通量系統(tǒng)積極跟蹤太陽的日常位置。大光圈聚光一般很難跟蹤上升，因為它們的物理重量和體積太大，還因為延伸的表面上的風(fēng)載荷力。但是，大多數(shù)的CPV系統(tǒng)依賴于笨重的光學(xué)儀器，如拋物面天線的成像透鏡。這些元素產(chǎn)生太陽的縮小的影像并可以產(chǎn)生高聚光水平Oiooox)，但又產(chǎn)生非均勻輻射通量分布而且需要非常精確的對準(zhǔn)。
與此相反，某些示例性實施例將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與有效的光注入技術(shù)結(jié)合。在某些實施例實施中，微光學(xué)平板聚光儀可將透鏡陣列結(jié)合與多模平板波導(dǎo)(例如低鐵玻璃)。每個透鏡元件可以在導(dǎo)向內(nèi)形成焦點并被重定向入在玻璃平板中橫向傳播的導(dǎo)模。光由此從平板邊緣或波導(dǎo)縫隙退出到PV電池上。使用反射位于每個透鏡焦點上的微結(jié)構(gòu)的小面積，進入波導(dǎo)的有效的耦合件是可能的，在其中形成太陽的圖像。示例配置具有在PV電池上產(chǎn)生均勻的強度分布、穿過擴散照明來用于使用平板電池的可能的收集的額外優(yōu)點。透鏡焦點和耦合件機械之間的初始對準(zhǔn)有助于捕捉入射的太陽光。這個示例性行為在視覺上如圖6所示。某些示例性實施例實現(xiàn)自動對準(zhǔn)，使耦合件結(jié)構(gòu)可被定模到光刻膠中并被使用透鏡陣列作為掩模在每個焦點聚合。這可有助于確保透鏡陣列與耦合件特征之間的準(zhǔn)確的對準(zhǔn)。 當(dāng)使用輥對輥制造執(zhí)行時，該流程也可產(chǎn)生非常大的、價格低廉的聚光儀?！?br> 某些示例性實施例的光學(xué)儀器平板聚光儀，通過將由支柱形成的成像透鏡陣列與作為多模平板波導(dǎo)的底部玻璃結(jié)合，來用作混合動力成像/非成像光學(xué)儀器系統(tǒng)。圖7A-7C 是根據(jù)示例性實施例的成像的、非成像的以及微光學(xué)平板透鏡的示意圖。光學(xué)系統(tǒng)可被認為包括三個主要組成部分。第一組成部分是二維透鏡陣列，其作用為面朝上的光圈來收集入射太陽輻射。每個透鏡形成對向例如±0. 26° (4. 7毫弧度)的太陽圓面的相反且放大的圖像。( )第二元件，高折射率平板波導(dǎo)，位于透鏡陣列的下方。嵌入波導(dǎo)背面上的局域結(jié)構(gòu)將聚焦的光重新定向入通過在平板內(nèi)橫穿的全內(nèi)反射(TIR)穿行的引導(dǎo)模式。波導(dǎo)的頂部表面可由一層薄的低折射率包層從透鏡分離。纖芯和包層之間的大的折射率差異， 可促進更多數(shù)目的引導(dǎo)模式并允許在界面處對TIR的急劇升降的邊緣光線。平板波導(dǎo)的非成像性質(zhì)允許光以大的射線角度從幾個透鏡光圈被收集。
聚光儀的第三個組成部分是有效地將光耦合入波導(dǎo)的機械。光柵和全息照相先前已被用于波導(dǎo)耦合件；但是，這些解決方案中的陽光的廣譜存在效率方面的困難。某些示例性的實施例，可取代使用來自可將太陽光重新定向為超過導(dǎo)向平板和包層界面的臨界角的角度的小折疊后視鏡的鏡面反射，并可由此由TIR引導(dǎo)。例如，120°的棱鏡設(shè)計可大致對稱地將輻射耦合入平板，引導(dǎo)光朝向兩個相對的邊緣。為了收集集中的光線，PV電池可以簡單地放置在每個輸出的邊緣。如果需要的話，反射涂層可被施加到邊緣之一上來將所有輻射引導(dǎo)地朝向引導(dǎo)平板的一側(cè)。即使路徑長度增加，這種單面配置也可非常有效，因為低鐵玻璃平板波導(dǎo)內(nèi)的損耗低。此外，使用一個PV電池可使光電聚光率增加一倍，使系統(tǒng)變得物理上更短但同時仍然高效。
圖8是展示根據(jù)上面所討論的示例性實施例的波導(dǎo)的三個組成部分的示意性剖視圖。光進入與透鏡81a和81b接觸并通過可選的支承基板83被聚焦，該支承基板可例如使用低折射率的層壓或包層85 (或包括任何合適的材料如EVA)被層壓至平面波導(dǎo)87 (其可以是在玻璃基板)。在本發(fā)明的不同實施例中該透鏡可以是玻璃、聚合物或任何合適的材料。在此波導(dǎo)的模式中的光到達鏡像涂層89，它可選擇性地被鏡耦合器91支承。
從上面可以理解，某些示例性實施例以非常有效的方式收集超過大致光譜整個長度的光，即使沒有跟蹤。事實上，一些樣品的計算表明至少有500倍的光線聚光能力。
雖然已經(jīng)結(jié)合無機太陽能電池材料描述了某些示例性實施例，但在不同的示例性實施例中也可使用有機太陽能電池。在這種情況下，對熱的暴露可不是那么大的問題，且對 IR輻射的暴露實際上可能是有益的。在這種情況下，可提供一種與本文所描述的類似的結(jié)構(gòu)，除了系統(tǒng)的PV部分可被提供地比TE部分更接近太陽，和/或PV部分和TE部分兩者都可以收容在VIG單元中。作為一個例子，圖3的實施例中可基本上被“翻轉(zhuǎn)”，使得背面基板 22成為最接近太陽的基板。作為另一個例子，TE模塊和太陽能 電池兩者均可以被提供在圖1所示的VIG單元中，而PV部分被設(shè)置在表面I (外基板的內(nèi)表面)上且TE模塊被設(shè)置在表面2(內(nèi)基板的內(nèi)表面)上，或反之亦然。
某些示例性實施例可作為一個或多個低鐵玻璃基板結(jié)合。示例性低鐵玻璃基板已有公開，例如，在美國公開 2006/0169316、2006/0249199、2007/0215205、2009/0223252 和 2009/0217978號，以及美國專利申請系列12/292346、12/385318和12/453275號，其中每一個的全部內(nèi)容均通過參照并入本文。
應(yīng)當(dāng)理解，此處描述的技術(shù)可以用于與各種應(yīng)用。例如，在不同的示例性實施例中，模塊可以被設(shè)置在屋頂上或在開放領(lǐng)域。這種系統(tǒng)也可用于單軸或雙軸跟蹤系統(tǒng)，例如以上所提到的美國專利申請系列12/662628和12/662624號中所描述的那些?？偟目梢姽馔干渎时容^高的(例如至少約50%，更優(yōu)選至少約60%)窗口或窗口類的應(yīng)用如天窗、拱肩等也是可能的。
此處的“外圍”和“邊緣”密封件，并不意味著密封件位于單元的絕對外周或邊緣， 而是意味著密封件至少部分地位于或接近(例如在大約兩英寸處)單元的至少一個基板的邊緣。同樣地，本文所用的“邊緣”不限于玻璃基板的絕對邊緣，而是還可包括基板的絕對邊緣的區(qū)域或其附近(例如大約兩英寸處)。
本文所用的術(shù)語“上”，“由……支承”等不應(yīng)該被解釋為意味著兩個元件彼此直接相鄰，明確指出的情況除外。換言之，即使其間有一個或多個層，第一層也可以說成在第二層“上”或“由第二層支承”。
雖然本發(fā)明已結(jié)合目前被認為最實用和優(yōu)選的實施例進行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解， 本發(fā)明不局限于所公開的實施例，相反，公開實施例的目的在于覆蓋包括在所附的權(quán)利要求書的精神范圍之內(nèi)的各種修改和等效布置。
權(quán)利要求
1.一種組件，包括基本平行的、間隔開的第一基板和第二基板，其至少部分地定義空腔于其間，所述空腔被抽至低于大氣壓的壓力；被提供在第一基板和第二基板之間的多個支柱；圍繞第一基板和/或第二基板的外周提供的邊緣密封件；被提供在空腔中并由第二基板支承的至少一個母線；位于空腔中和至少一個母線上的多個熱電模塊，使所述熱電模塊熱并聯(lián)，每個所述熱電模塊包括η腿和P腿；和支承至少一個太陽能電池的第三基板，所述第三基板基本平行于第二基板并位于與第一基板相對的第二基板的一側(cè)上，其中，形成至少一個熱電偶，使空腔對應(yīng)至少一個熱電偶的熱側(cè)，且靠近第三基板的空腔外的區(qū)域?qū)?yīng)至少一個熱電偶的冷側(cè)，且其中，相鄰的熱電模塊通過接點互相連接，使熱電模塊電串聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，進一步包括多個太陽能電池，每個所述太陽能電池是太陽能電池條。
3.如權(quán)利要求2所述的組件，進一步包括位于第二基板上或與第二基板形成一體的多個透鏡，所述多個透鏡被布置成將可見光譜中的光集中到至少一個相應(yīng)的太陽能電池條上。
4.如權(quán)利要求3所述的組件，進一步包括被布置在第二基板和第三基板之間的密封件，以幫助保持第二基板和第三基板相對于彼此基本平行、間隔開。
5.如權(quán)利要求2所述的組件，其中，每個所述支柱包括生色團，使每個所述支柱被布置成作用為在匹配太陽能電池材料的光譜中過濾可見光的波導(dǎo)。
6.如權(quán)利要求2所述的組件，其中，所述第一基板和第二基板形成具有至少約10的R 值的真空絕熱玻璃VIG單元。
7.如權(quán)利要求2所述的組件，其中，所述第一基板和第二基板形成具有至少約12的R 值的真空絕熱玻璃VIG單元。
8.如權(quán)利要求2所述的組件，其中，每單位面積接點的數(shù)目對應(yīng)小于約20%的填充因數(shù)。
9.如權(quán)利要求1所述的組件，進一步包括導(dǎo)電釉料，其包含在邊緣密封件中或與邊緣 S封件鄰接。
10.如權(quán)利要求1所述的組件，其中，η腿和P腿被摻雜，使摻雜被定級為更高度地靠近接點。
11.一種用于制作混合動力熱電/光電系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供第一基板；在第一基板上形成至少一個母線；在第一基板上至少部分地在至少一個母線之上形成多個熱電模塊，每個所述熱電模塊包括η腿和P腿；在相鄰的熱電模塊之間形成接點，由此使熱電模塊串聯(lián)電連接；在第一基板上提供多個支柱；提供相對于第一基板基本平行的、間隔開的第二基板，由此至少部分地定義空腔于其間；圍繞第一基板和/或第二基板的外周形成邊緣密封件；將空腔抽至低于大氣壓的壓力；提供背面基板；在背面基板上設(shè)置至少一個太陽能電池；和將背面基板連接至第一基板，使第二基板和背面基板被提供地相對于彼此基本平行、 間隔開，背面基板上具有至少一個太陽能電池的一側(cè)面向第一基板上不具有多個熱電模塊的一側(cè)，其中，形成至少一個熱電偶，使空腔對應(yīng)至少一個熱電偶的熱側(cè)，且靠近背面基板的空腔外的區(qū)域?qū)?yīng)至少一個熱電偶的冷側(cè)，且其中，多個熱電模塊在空腔中熱并聯(lián)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括提供多個太陽能電池，每個所述太陽能電池是太陽能電池條。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進一步包括提供位于第二基板上或與第二基板形成一體的多個透鏡，所述多個透鏡被布置成將可見光譜中的光集中到至少一個相應(yīng)的太陽能電池條上。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，每個所述支柱包括生色團，使每個所述支柱被布置成作用為在匹配太陽能電池材料的光譜中過濾可見光的波導(dǎo)。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第一基板和第二基板形成具有至少約10的 R值的真空絕熱玻璃VIG單元。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，每單位面積接點的數(shù)目對應(yīng)小于約20%的填充因數(shù)。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括提供導(dǎo)電釉料，其在邊緣密封件中或在邊緣密封件上。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，至少一個熱電偶的熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫度差可達至少約400度C。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，η腿和P腿被摻雜，使摻雜被定級為更高度地靠近接點。
20.一種混合動力熱電/光電系統(tǒng)，包括真空絕熱玻璃VIG單元，其包括抽至低于大氣壓的壓力的空腔；被提供在空腔中的至少一個母線；位于空腔中和至少一個母線上的多個熱電模塊，使所述熱電模塊熱并聯(lián)，熱電模塊在熱電模塊的相鄰的η腿和P腿之間包括接點，使熱電模塊電串聯(lián)；和提供在空腔外的多個無機太陽能電池，其中，形成至少一個熱電偶，使空腔對應(yīng)至少一個熱電偶的熱側(cè)，且靠近多個太陽能電池的空腔外的區(qū)域?qū)?yīng)至少一個熱電偶的冷側(cè)。
全文摘要
某些示例性實施例提供了一種技術(shù)，其用于改善包括與超絕熱但透光的真空絕熱玻璃V1G單元技術(shù)結(jié)合的光電PV模塊和熱電TE模塊的混合動力系統(tǒng)的輸出。更具體地說，某些示例性實施例涉及包括氫化微晶硅(mc-Si)、氫化非晶硅(a-Si)、本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池等的混合動力系統(tǒng)，其可與在環(huán)境條件下實現(xiàn)高操作PV和TE效率的TE生成器一起使用。在這方面，某些示例性實施例有效地分割太陽光譜，以便產(chǎn)生具有在環(huán)境溫度下操作的太陽能電池的PV-TE混合動力系統(tǒng)的提高的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/058GK103026503SQ201180035503
公開日2013年4月3日 申請日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者維賈伊·S·維拉薩米 申請人:葛迪恩實業(yè)公司