[发明专利]与球形光伏电池弹性连接的微型集中器

说明书

发明内容

在晴朗的晴天，太阳在每平方米行星表面大约照射1000瓦特的 能量。太阳能转换为电能将可能是对地球上日益增加的能量需要的理 想能源解决方案。太阳能的主要限制是系统成本高。目前，最好的光 伏电池系统已实现大约$2/瓦特，然而，为与传统能源竞争，必须使 成本降低4倍，即成本为$0.5/瓦特。

几乎太阳阵列的全部成本均是由于在当前太阳电池装置中使用 大量昂贵的半导体。目前的太阳电池技术使阵列昂贵、效率低，有时 还不可靠。本发明的创新在于大规模生产具有弹性接触件的电池阵列 的方法，其还集中光以更好地利用昂贵的半导体，同时没有过热、不 降低效率，用小的离散光伏电池即可实现有效的热量排除。因此，可 减少系统的半导体成本元件。如果每单位面积集中光学器件的成本远 低于半导体的成本，则光伏电池的每单位面积的总成本、产生电能的 成本得以降低。发明人已估算，由于微型光集中系统的成本远低于半 导体的成本，相比目前的光伏电池，可实现材料成本降低四倍到几百 倍。

产生数千个离散光电二极管的光伏阵列的实践层面已导致在一 温度范围可靠且有效地电及热连接到数千个离散半导体的难题。发明 人已发现，试图产生通过应力和裂化安装在塑料衬垫上的长串硅酮光 电二极管由于组件中不同的装配热膨胀而失败。在本专利中，弹性电 及热接触件用于将半导体保持在合适位置、使组装好的系统能弯曲、 及经历宽的温度变化范围但在温度系数范围内不同材料之间不会出 现接触分开或机械分解的情况。定期改变衬底上的电接触件和电路的 方向的几何结构也可用于避免由于系统的不同热膨胀或挠曲而在电 接触件中累积产生应力，从而保持电接触件处于弹性状态。电接触件 可被焊接在一起同时仍然保持弹性压缩在焊料或焊接点上以防止电 接触件由于热膨胀和机械振动而在焊接点中产生应力。弹性接触件使 在组装阵列时构建各个组成部分时公差可以较大。

微型集中、有效及散热概念来自简单的观察，即较小的光学器件 如叶上的雨滴可将数百倍的阳光集中在小点内而不会在热量上使叶 子燃烧。通过集中阳光，太阳电池可更有效及更节省成本地运行，使 用昂贵的半导体材料将它们变换为实际的光伏阵列，其可制造为多个 离散的电池、电连接并与微型集中反射镜和透镜配合(美国专利 5,482,568)。发明人已建立几个集中器系统测试前述概念。相比于没 有集中光学器件的光伏电池，使用2cm直径的圆柱形玻璃棒、薄片 铝后向反射器、及2mm宽结晶光伏电池的太阳集中器系统的能量输 出增加7倍。在光伏电池中由于光集中而有可以忽略的有害温度上 升。在另一实验中，发明人已观察到，显微镜物镜在硅酮光伏电池上 的18微米的聚焦点实现34000sun的光集中，而温度仅升高2度。由 于更高的光集中在光伏电池上的单一点内光伏电池的性能仅降低 3％。因此，使用小尺寸的光学器件、小光伏电池及热分布表面，可 实现非常高的集中进而实现半导体的高度利用。本发明致力于以低成 本可靠地形成极大数量的光集中器及各个电池从而形成实际的能量 系统的实践层面。与先前的美国专利5,482,568一样，电连接器可形 成反射光学器件的一部分。该电互连系统还可形成可靠的网络，其容 许局部点失效。

附图说明

图1为电介质材料中的槽

1-电介质材料

2-槽

3-平坦侧

4-圆形侧

图2为成形接触槽或孔的截面图

10-外表面上的电子导体

11-电介质衬底

12-平坦侧上的第一电子导体涂层

13-槽

14-槽的圆形侧上的第二电子导体

15-材料的外平部分上的电子导体

16-成形孔的底部

17-弹性衬底薄膜

图3为保持球形光电二极管的成形接触槽或孔的截面图

20-第一外电导体

21-电介质衬底

22-槽中的第一电导体

23-球的内掺杂区上的接触件

24-外掺杂层

25-球的掺杂内部

26-球上的外掺杂区上的电接触件

27-槽的外弯曲段上的电接触件

28-电介质衬底外表面上的电接触件

29-球形半导体的抗反射涂层

30-槽粘合剂或硅酮涂层底部

31-槽或孔