專利名稱：與球形光伏電池彈性連接的微型集中器的制作方法
與球形光伏電池彈性連接的微型集中器
發(fā)明內(nèi)容
在晴朗的晴天，太陽在每平方米行星表面大約照射1000瓦特的 能量。太陽能轉(zhuǎn)換為電能將可能是對地球上日益增加的能量需要的理 想能源解決方案。太陽能的主要限制是系統(tǒng)成本高。目前，最好的光
伏電池系統(tǒng)已實現(xiàn)大約$2/瓦特，然而，為與傳統(tǒng)能源競爭，必須使
成本降低4倍，即成本為$0.5/瓦特。
幾乎太陽陣列的全部成本均是由于在當前太陽電池裝置中使用
大量昂貴的半導體。目前的太陽電池技術使陣列昂貴、效率低，有時 還不可靠。本發(fā)明的創(chuàng)新在于大規(guī)模生產(chǎn)具有彈性接觸件的電池陣列
的方法，其還集中光以更好地利用昂貴的半導體，同時沒有過熱、不 降低效率，用小的離散光伏電池即可實現(xiàn)有效的熱量排除。因此，可 減少系統(tǒng)的半導體成本元件。如果每單位面積集中光學器件的成本遠 低于半導體的成本，則光伏電池的每單位面積的總成本、產(chǎn)生電能的 成本得以降低。發(fā)明人已估算，由于微型光集中系統(tǒng)的成本遠低于半
導體的成本，相比目前的光伏電池，可實現(xiàn)材料成本降低四倍到幾百 倍。
產(chǎn)生數(shù)千個離散光電二極管的光伏陣列的實踐層面已導致在一 溫度范圍可靠且有效地電及熱連接到數(shù)千個離散半導體的難題。發(fā)明 人已發(fā)現(xiàn)，試圖產(chǎn)生通過應力和裂化安裝在塑料襯墊上的長串硅酮光 電二極管由于組件中不同的裝配熱膨脹而失敗。在本專利中，彈性電 及熱接觸件用于將半導體保持在合適位置、使組裝好的系統(tǒng)能彎曲、 及經(jīng)歷寬的溫度變化范圍但在溫度系數(shù)范圍內(nèi)不同材料之間不會出 現(xiàn)接觸分開或機械分解的情況。定期改變襯底上的電接觸件和電路的 方向的幾何結(jié)構(gòu)也可用于避免由于系統(tǒng)的不同熱膨脹或撓曲而在電 接觸件中累積產(chǎn)生應力，從而保持電接觸件處于彈性狀態(tài)。電接觸件 可被焊接在一起同時仍然保持彈性壓縮在焊料或焊接點上以防止電接觸件由于熱膨脹和機械振動而在焊接點中產(chǎn)生應力。彈性接觸件使 在組裝陣列時構(gòu)建各個組成部分時公差可以較大。
微型集中、有效及散熱概念來自簡單的觀察，即較小的光學器件 如葉上的雨滴可將數(shù)百倍的陽光集中在小點內(nèi)而不會在熱量上使葉 子燃燒。通過集中陽光，太陽電池可更有效及更節(jié)省成本地運行，使 用昂貴的半導體材料將它們變換為實際的光伏陣列，其可制造為多個 離散的電池、電連接并與微型集中反射鏡和透鏡配合(美國專利
5,482,568)。發(fā)明人已建立幾個集中器系統(tǒng)測試前述概念。相比于沒 有集中光學器件的光伏電池，使用2cm直徑的圓柱形玻璃棒、薄片 鋁后向反射器、及2mm寬結(jié)晶光伏電池的太陽集中器系統(tǒng)的能量輸 出增加7倍。在光伏電池中由于光集中而有可以忽略的有害溫度上 升。在另一實驗中，發(fā)明人己觀察到，顯微鏡物鏡在硅酮光伏電池上 的18微米的聚焦點實現(xiàn)34000sun的光集中，而溫度僅升高2度。由 于更高的光集中在光伏電池上的單一點內(nèi)光伏電池的性能僅降低 3%。因此，使用小尺寸的光學器件、小光伏電池及熱分布表面，可 實現(xiàn)非常高的集中進而實現(xiàn)半導體的高度利用。本發(fā)明致力于以低成 本可靠地形成極大數(shù)量的光集中器及各個電池從而形成實際的能量 系統(tǒng)的實踐層面。與先前的美國專利5,482,568 —樣，電連接器可形 成反射光學器件的一部分。該電互連系統(tǒng)還可形成可靠的網(wǎng)絡，其容 許局部點失效。
圖l為電介質(zhì)材料中的槽
1- 電介質(zhì)材料
2- 槽
4-圓形側(cè)
圖2為成形接觸槽或孔的截面圖 10-外表面上的電子導體12- 平坦側(cè)上的第一電子導體涂層
13- 槽
14- 槽的圓形側(cè)上的第二電子導體
15- 材料的外平部分上的電子導體
16- 成形孔的底部
17- 彈性襯底薄膜
圖3為保持球形光電二極管的成形接觸槽或孔的截面圖
20- 第一外電導體
21- 電介質(zhì)襯底
22- 槽中的第一電導體
23- 球的內(nèi)摻雜區(qū)上的接觸件
24- 外摻雜層
25- 球的摻雜內(nèi)部
26- 球上的外摻雜區(qū)上的電接觸件
27- 槽的外彎曲段上的電接觸件
28- 電介質(zhì)襯底外表面上的電接觸件
29- 球形半導體的抗反射涂層
30- 槽粘合劑或硅酮涂層底部
31- 槽或孔
32- 小球的平坦側(cè)
33- 槽的平坦側(cè)
圖4為保持球形光電二極管的具有平坦側(cè)的半球形成形孔
35- 導體涂層
36- 孔的平坦處上的導體涂層
37- 電介質(zhì)襯底中的孔
38- 電斷開部分
39- 外表面上的電導體
40- 孔的球形側(cè)上的電連接導體
13圖5為玻璃模制透鏡/反射鏡光學器件系統(tǒng)的例子
49- 透明電介質(zhì)密封劑
50- 透明透鏡/反射鏡光學器件2D或3D
51- 反射鏡位置上的電導體
52- 半導體
53- 半導體上的第二接觸件
54- 電導體及外串聯(lián)陣列接觸件
55- 相對側(cè)電接觸件上方的電導體
56- 保護性背板
57- 電介質(zhì)密封劑
58- 抗反射涂層和玻璃防護劑
59- 電介質(zhì)密封劑
圖6為陣列的后向反射器電池連接
60- 折射材料
61- 上透鏡
62- 下反射鏡
63- 光電二極管杯
64- 外電導體
65- 半導體
66- 電介質(zhì)襯底
67- 背板或涂層，可以是反射器或散射器
68- 背面涂覆反射器或散射器
69- 成形槽 85-硅酮橡膠密封劑 圖7為球形光學器件
70- 上透鏡截面
71- 電導體和反射鏡的截面
72- 透明材料截面
73- 與半導體球接觸的電接觸件
1474- 半導體球
75- 與球接觸的圓形側(cè)電接觸件
76- 與球接觸的幾個電接觸件的截面
77- 電接觸件涂層
78- 具有PN結(jié)和電接觸件的半導體球
79- 電斷開部分
80- 第二電接觸件
81- 電池之間的六邊形分隔。該電池也可是正方形包裝。 圖8為當球組合在薄膜陣列內(nèi)時的電接線
90- 模制電介質(zhì)襯底
91- 導電薄膜
92- 平坦側(cè)上的電接觸件及內(nèi)材料
93- 內(nèi)摻雜半導體
94- 外摻雜層
95- 外摻雜表面上的接觸件
96- 圓形側(cè)接觸件
97- 接觸件電極
98- 將不與孔上的銳利方形側(cè)配合的翻轉(zhuǎn)的半導體
99- 外表面摻雜層
100- 內(nèi)摻雜層
101- 平坦側(cè)電接觸件
102- 平坦側(cè)接觸件
103- 具有平坦側(cè)孔電介質(zhì)的模制半球也可以是閃爍體
104- 圓形側(cè)電接觸件
105- 靜電傳導薄膜
106- 外表面變黑的后向反射器或散射器
107- 變黑的外表面
108- 模制槽或孔
圖9為夾在透鏡/反射鏡之間的折疊薄片
15110- 成形透明透鏡和反射鏡
111- 電連接小片
112- 導電、凃?qū)?br>
113- 電介質(zhì)襯底
114- 背面金屬板
115- 半導體球
116- 電輸出連接
117- 抗反射涂層或Ti02和/或抗刮擦或耐磨損或其它最佳集中方 案或紫外光濾光器
118- 電子電路或電池
119- 熱相變化材料
120- 絕緣容器或盒
121- 風扇電機或執(zhí)行機構(gòu)
122- 氣流
123- 風扇或閥
124- 熱管或熱循環(huán)系統(tǒng)
125- 變黑的背表面
126- 光耦合及密封材料
圖IOA為透鏡及后向集中平面系統(tǒng) 109-氣隙
127- 電介質(zhì)襯底層
128- 彈性層
129- 與透鏡表面成低角度的光線
130- 透鏡
131- 光線
132- 光電二極管
133- 光電二極管襯底表面及電極
134- 電斷開部分
圖IOB為菲涅耳透鏡和后向集中平面系統(tǒng)125-第二電極和光反射器
136- 光線
137- 菲涅耳透鏡
138- 光電二極管
139- 電介質(zhì)襯底
140- 第一電接觸件和反射器
圖IOC為單一拋物線及前表面集中平面系統(tǒng)
141- 透明電介質(zhì)窗口
142- 光電二極管
143- 光線
144- 電接觸件
145- 拋物線反射器 162-空氣或透明介質(zhì) 164-透明電極
圖10D為Cassigranian光學器件及后向集中表面平面系統(tǒng)
146- 透明窗口
147- 第二反射器
148- 光線
149- 第一反射器
150- 光電二極管
151- 電導體
152- 電介質(zhì)襯底
153- 空氣或透明介質(zhì)
圖IOE為梯度折射率集中透鏡(GRIN透鏡)及后向集中系統(tǒng)
155- 高折射率層
156- 第二最高折射率層
157- 第三最高折射率層
158- 光線
159- 電導體160- 光電二極管
161- 最低折射率
圖10F為光譜擴展紅-綠及傾斜光學器件系統(tǒng)
注意應當指出及可能圖示的是，在該傾斜光學器件方案中也可 使用光柵及全息光譜擴展。
165- 光線
166- 具有高色象差(或干涉光柵)的折射材料
167- 電接觸件和反射器
168- 綠光光電二極管
169- 藍光光電二極管
170- 紅光光電二極管
171- 紅光光線
172- 綠光光線
173- 藍光光線
圖11與半球形分層光電二極管堆聯(lián)系的色象差
174- 抗反射涂層
175- 光線
176- 透鏡
177- 藍光光線
178- 紅光光線
179- 紅光焦點
180- 藍光光電二極管層上的藍光斑點或區(qū)域
181- 紅光光電二極管層
182- 中心電接觸件
183- 外層接觸件
184- 綠光吸收層 199-綠光光子
圖12A為兩邊接地分層球形光電二極管堆 270-外緣接觸件271- 外光電二極管層
272- 中間光電二極管層
273- 中心電接觸件
274- 中心光電二極管層
275- 中心電接觸件
圖12B為用于兩邊接地電池或單邊接地電池的邊到邊及邊緣接
280- 電接觸件
281- 邊緣電接觸件
282- 外光電二極管層
283- 中間光電二極管層
284- 中心光電二極管
285- 中心電接觸件
286- 中心電接觸件
287- 電接觸件
288- 電介質(zhì)襯底
289- 背面電接觸件
290- 中間光電二極管層
291- 外光電二極管層
292- 外緣電接觸件
293- 模制玻璃罩透鏡或反射鏡
294- 彈性透明界面材料
295- 電介質(zhì)材料中的槽或空腔
圖13A為在低摩擦系數(shù)表面上對準的非對稱半球
185- 聲源
186- 聲波 187畫Teflon表面
188- 成形半導體小球
189- 小球的平坦側(cè)
19190- 背面電表面
191- 高壓電源
192- 電接地
193- 推送板或柵格的上接地表面
圖13B為低摩擦系數(shù)表面上的推送器及對準的半球
200- 推送板
201- 板上對準的球
202- 推送板上的成形槽
203- 推送板上的半球形凹口
204- Teflon表面一電介質(zhì)
205- 金屬板
圖13C為將對準的半球注入電接觸夾的推送器
210- 電介質(zhì)襯底夾
211- 電接觸件和反射鏡
212- 成形空腔
213- 非對稱光電二極管小球
214- 電接觸件
215- 在成形推送器底部處的硅酮橡膠接觸表面襯墊
216- 推送板
217- Teflon薄膜
218- 背板
219- 電介質(zhì)成形襯底及反射鏡上的第二電極
220- 小球平坦側(cè)上的第二接觸件
221- 小球的平坦側(cè)
222- 推送板上的成形空腔
圖14為與成形透鏡反射鏡電路夾中的光電二極管中心平坦處點 接觸及側(cè)面接觸的截面圖
230- 外部透明抗反射及保護性涂層
231- 耐火電介質(zhì)材料透鏡-反射鏡
20232- 電介質(zhì)透光粘合劑或光耦合材料
233- 半導體光電二極管
234- 透光粘合劑或光耦合材料
235- 具有低摩擦系數(shù)的電介質(zhì)涂層
236- 具有低摩擦系數(shù)的電介質(zhì)涂層
237- 邊緣接觸電極
238- 邊緣接觸電極
239- 背面電介質(zhì)襯底及電接觸件隔離層
240- 中心導電中心接觸件
241- 背面電介質(zhì)襯底
242- 電接觸件及到光電二極管中心接觸件的電路
243- 經(jīng)光電二極管中心接觸件及相鄰光電二極管的邊緣接觸件 的電連接
圖15為光伏陣列的等效電路的示意圖
250- 輸出連接，運行時的正極性
251- 總線電連接
252- 光電二極管
253- 電介質(zhì)絕緣體熱敏電阻或壓敏電阻上的細絲或金屬薄膜
254- 反向電流檢測二極管
255- 總線電連接
256- 運行時負極性的電連接
257- 旁路二極管
258- 電介質(zhì)或壓敏電阻上的薄膜電導體
具體實施方式
描述附圖
本發(fā)明的幾個典型實施例在下面的框架中說明。在這些附圖中， 將示出幾種組合變化及結(jié)構(gòu)。在圖1中，在電介質(zhì)材料中切割槽，或 者槽由如鈉鈣玻璃的材料模制。玻璃槽在一側(cè)形成為平坦部分3及在
21另一側(cè)形成為彎曲部分4以與圖3中所示的側(cè)面開槽半圓形球的曲率 匹配。槽2在平坦側(cè)3上可具有微小的斜度以適應半導體的小安裝偏 差及使半導體球與槽2呈現(xiàn)緊楔配合。其它電介質(zhì)材料的例子為
聚芳酰胺塑料(Asahi-Kasei Chemicals Corporation Co. Ltd. Aramica Division, 1-3-1 Yakoh, Kawaski-Ku, Kawasaki City, Kanagwa 210-0863 Japan)
聚酰亞胺塑料DuPont Films, HPF Customer Services, Wilmington, DE 19880
石圭酮橡膠Sylgard 184 Silicone Optical coupling adhesive Dow Coming, Dow Corning Corporation, Auburn Plant, 5300 11 Mile Road， Auburn MI 48611 USA
EVA Elvax⑧(乙烯-醋酸乙烯)DuPont Corporation, Wilmington, DE 19880
在圖2中，示出了電介質(zhì)ll的截面圖，槽13在所述電介質(zhì)中切 割或模制而成。該圖2還可用作通過圓形半球形孔保持單一半導體小 球的截面的例子。在該圖2中，彈性襯底薄膜17如硅酮橡膠(Sylgard 184硅酮光耦合膠粘劑)沉積在電介質(zhì)玻璃襯底材料11中的槽13內(nèi) 并被使得固化。導電薄膜10、 12、 14、 15如金、鉑、鈀、銀、錫、 鋁、銻、鉛、銅、鋅、鈦、鉬、鉭、鎢、鎳、碳、硅、鐵、鉻、釩、 鈮、鎬、銦及這些材料的合金或?qū)щ娀衔锶缪趸a、氧化鋅或摻硼 金剛石真空蒸發(fā)在彈性薄膜17上。導電薄膜12、 14部分沉積在槽 13內(nèi)。當半導體小球穩(wěn)固地處于適當位置時，導電薄膜與半導體小 球接觸件的接觸點12、 14將靠近槽邊緣的頂部。電接觸薄膜12、 14 不沉積在電介質(zhì)襯底、槽的底部16上。導電薄膜12、 14中的該間隙 16在半導體安裝時形成電斷開部分。孔13的平坦電極表面12和彎 曲電極表面14與光電二極管的相應平坦和彎曲電極接觸將形成半導 體小球的運動學安裝，如圖3中所示。
在圖3中，示出了球形半導體小球25、 24、 29、 26放入電介質(zhì) 21的槽31內(nèi)的截面圖。光電二極管小球32如Sphela產(chǎn)硅酮光電二極管(商標為Sphelar , Kyosemi Corporation 949-2 Ebisu-cho, Fushimi-ku Kyoto-shi 612-8201 Japan)的平坦側(cè)與槽33或孔的平坦側(cè)對準。當所 述小球被正確對準時，其應滑入槽31或孔31內(nèi)并能夠幾乎完全填滿 所述孔31地配合。當具有平坦側(cè)的球形小球未相對于孔或槽31對準 時，小球應始終不能夠滑入孔或槽31內(nèi)。這種與鑰匙類似的特征避 免連接電池的相反極性并使可能使用聲音振動小球或振動襯底21從 而將小球25、 24、 29、 23、 26 "搖"到適當?shù)姆较虿适沟冒雽?體小球放入槽中，最好電接觸件23、 26與槽或孔31的薄膜接觸器 32、 27接觸。通過在孔或槽31的底部處具有一薄層粘性、靜電或吸 能表面32，當小球已正確與槽配合時小球?qū)⒋粼诳谆虿?1中并與槽 底部接觸。槽可以是更大的薄板框架的一部分，在與小球配合期間所 述薄板框架被撬動打開，及在小球全部處于適當位置并填塞到槽中 時，更大的薄板框架可被釋放，從而在小球上產(chǎn)生夾緊力并電接觸。 在運行中，光穿透P/N結(jié)摻雜層24、 25區(qū)域中的半導體小球24、 25從而產(chǎn)生電子-空穴對(里面的P摻雜區(qū)25和外面的N摻雜半導 體24)。電子對的分隔在小球的平坦部分33上產(chǎn)生正極性、在小球 的外接觸件26上產(chǎn)生負極性?？蛇M行向P/N結(jié)提供電壓和電流的相 反過程，光電二極管可產(chǎn)生具有電子空穴對復合的光。P材料25及 電接觸件23或電極22可形成熱電偶的一個結(jié)。N材料24、電接觸 件26和電極27可形成熱電偶的另一結(jié)。如果半導體結(jié)25、 24由光 或紅外輻射加熱，接觸件被設計成具有足夠的耐熱性以使半導體結(jié) 25、 24的溫度相比于電極散熱片20、 28升高并具有來自半導體25、 24電極接觸點26、 23和電極20、 28的溫度梯度，Seebeck (塞貝克) 效應將跨電池產(chǎn)生電壓。這些電池可像光伏電池那樣串聯(lián)連接并產(chǎn)生 電能。如果電流以相反的方向通過這些電池，對于塞貝克效應，結(jié) 24、 25將從電極20、 28消除熱并通過Peltier (帕耳帖)效應加熱半 導體結(jié)24、 25。電接觸件26和23可被形成為具有低熱導率如將它 們形成為點接觸及電介質(zhì)隧穿層。具有低熱傳輸?shù)钠渌赡艿碾娊佑| 件是部分用電介質(zhì)形成接觸件26并具有非?？拷碾姌O從而使能出現(xiàn)真空間隙隧穿以將電子從N層24移到電極27。從襯底21和兩個 電極20、 28的子層19、 34到半導體小球接觸件23、 26上的彈性壓 縮保持這些部件之間的接觸尺寸，同時系統(tǒng)可經(jīng)歷溫度范圍，電極 20、 28、襯底21和半導體24、 25之間的膨脹系數(shù)可以非常不同。之 后，半導體小球組合在槽或孔31中成為更大的電池陣列的一部分， 這些電池耦合到光學器件并在光伏陣列、發(fā)光二極管、熱電偶或 Peltier致冷器或熱離子轉(zhuǎn)換器的串聯(lián)和并聯(lián)電路中電連接28、 20。在 槽31的底部，粘合劑30用于將電池緊固在槽內(nèi)。粘合劑30如Sylgard 184可透光并用作襯底材料21和半導體小球32之間的光耦合材料， 這在陽光通過襯底21進入半導體小球32時是合乎需要的。粘合劑 30也可與小球外面的抗反射涂層29(抗反射碳氟化合物涂層,Mihama Corporation, l畫2-8 Toranomon, Minato-ku, Tokyo 105-8437 Japan) —起 用作抗反射涂層。應當提及的是，半導體棒25也可在該槽幾何結(jié)構(gòu) 中使用。
在圖4中，示出了與小球形狀配合的孔37及電連接36的例子。 所述孔具有平坦區(qū)域，電接觸薄膜35沉積在平坦區(qū)域上，電介質(zhì)38 (電斷開區(qū)域38)被遮蔽，第二電接觸件39被示為涂覆孔37的圓 形側(cè)40。
當圖3截面圖中示出的非對稱半導體小球放在孔37中時，如果 小球的平坦表面36和球平行，則僅使能滑入所述孔。
在圖5中，示出了半導體球陣列52用電接觸件54、 51、 53、 55 連接到透明光學透鏡/反射鏡50的截面圖。光電二極管陣列通過涂覆 成形玻璃件50形成，所述玻璃件具有彎曲透鏡外區(qū)域，前表面58上 有抗反射涂層。玻璃50的背側(cè)成形為集中反射鏡。反射鏡涂層和導 電薄膜51、 53、 55涂覆在玻璃50的背面表面上。玻璃或透明材料 EVA50的背側(cè)具有用于半導體小球形成于其中的槽49，該槽成形為 使得當成形半導體小球楔入槽中時所述槽彈性地保持所述小球。在所 述小球與槽壁的金屬-金屬接觸點處槽壁的大約5度斜度的錐度將確 保所述小球不能滑出所述槽，因為摩擦力遠高于滑出楔形結(jié)構(gòu)的力。53、 55用角控真空蒸發(fā)、噴墨印刷、或 角控等離子體噴射進行沉積以涂覆反射鏡反射區(qū)域但不涂覆玻璃50 中的槽49的底部從而在電極之間形成電斷開部分。該未涂覆的區(qū)域 49透光。適于反射鏡反射器電極54、 51、 53、 55的薄膜通過用錫涂 覆玻璃形成，所述錫之后氧化為氧化錫以變得透明。半導體球52被 插入和楔入玻璃的槽內(nèi)。成形后蓋板放在光電二極管陣列的上方并用 硅酮橡膠密封劑膠粘到玻璃光學器件和二極管陣列。背板、反射器及 散熱片56的置放通過背板56的電介質(zhì)薄膜59在半導體球上施加彈 性壓力。電介質(zhì)材料59可以是硅酮橡膠或聚酰亞胺，也可以是將背 板連接到電極54、 51、 53、 55、半導小球52和玻璃50的膠粘劑。 膠粘劑也可透入半導體52和玻璃50之間的槽49內(nèi)并用作玻璃和半 導體49之間的折射率轉(zhuǎn)變材料。密封劑也放在外周或陣列處以密封 半導體免受灰塵和污垢。鋁背板可具有面向太陽電池的明亮拋光表面 或白色散射表面。背板的外表面可具有涂層如黑色硅酮涂料以幫助背 面輻射區(qū)保持背面冷卻。硅酮橡膠密封劑也可用于密封電池的背側(cè)并 確保電池和背面之間的良好熱接觸。電極54、 51、 53、 55和半導體 小球52之間的電接觸可通過在真空爐中或具有電偏壓的閃光燈照射 加熱組件以產(chǎn)生焊接所有接觸件的大電流進行確保。其它可能的接觸 件緊固方法為給接觸件的超聲波脈沖能量，其通過玻璃或硅小球?qū)?量引導到界面接觸件。電路54、 55邊緣的焊接鉛可與超聲波脈沖聯(lián) 系。
在圖6中，示出了將硅半導體小球65放在背表面66上的另一安 裝結(jié)構(gòu)。在該設計中，背表面66為擠壓成的玻璃板、聚酰亞胺或軋 壓或沖壓成的鋼或鋁板67，其用電介質(zhì)如玻璃66涂覆并在其中形成 硅酮小球定位槽69。槽69具有銀或錫導電涂層64，其上涂覆真空蒸 發(fā)的表面，及槽69具有通過遮蔽或槽肩陰影形成的間隙。反射材料 如銀、錫或白色散射材料的外表面涂層67可涂覆襯底66的背側(cè)，如 果電介質(zhì)透明或半透明，其將用作經(jīng)過絕緣間隙69的光的反射器。 在外表面67上可添加黑色輻射涂層68。在一些情況下，可省略黑色
25輻射涂層68和反射涂層67，通過電池65的光可用于照亮陣列下方
的空間。
在該設計中，光集中系統(tǒng)在擠壓成的玻璃板60上。其具有上部 透鏡61、下部反射鏡陣列62及形成為寬松裝配在硅半導體光電二極 管65周圍的槽63。為形成完整的陣列，玻璃板60用膠粘劑如硅酮 橡膠密封劑85沿外周及可能在光電二極管65和玻璃60之間附著到 光電二極管區(qū)域。如果硅酮橡膠密封劑85如Sylgard 184透光，則 其可遍布陣列置放以用作光耦合界面。該陣列的電輸出經(jīng)過導電薄膜 64并通過陣列邊緣輸出。
圖7為具有三維光學器件的光集中結(jié)構(gòu)。在該圖中，透鏡70和 反射鏡71包裝成六邊形圖案81 。其它可能的圖案為正方形和三角形。 光集中器70由玻璃72模制而成。上表面70形成透鏡陣列，下表面 形成反射鏡71和散熱片。
使用玻璃-空氣界面70的全內(nèi)反射。導電薄膜如氧化錫71、 76 涂覆在反射區(qū)域77、 80上的玻璃表面上及成形孔73、 75內(nèi)。
兩個電極77、 80在玻璃反射器的任一側(cè)上由玻璃反射器72上的 間隙79分隔。
半導體球74、 78在玻璃反射鏡端部處插入成形孔73從而與兩個 電極71、 76接觸。絕緣間隙79可通過在玻璃反射鏡72的側(cè)面模制 通道然后用定向?qū)щ姴牧显?7、 80涂覆玻璃反射器形成，所述導電 材料將不填充間隙79的陰影區(qū)。絕緣間隙79可通過在玻璃反射鏡的 側(cè)面模制通道然后用定向源涂覆在玻璃72內(nèi)，所述定向源將不涂覆 間隙79的陰影區(qū)。在運行中，來自太陽的光通過透鏡70聚焦并自反 射鏡71、 76、 75、 77、 79、 80反射到光電二極管電池74、 78上。透 鏡70和反射鏡71、 76的集中能力越高，陣列需要指向太陽的精確度 增加。對于低的集中，大約4倍，大約1.5折射率的玻璃72充分折 射來自非垂直射線的光使得集中器陣列有效地集中來自太陽的光而 不需要追蹤太陽。不直接聚焦到光電二極管74的光如通過云層的散 射光可在反射表面71、 76上反射，并部分到達光電二極管74。集中
26光伏陣列可被固定、安裝、傾斜以使中午時的輸出及煒度角最大。這 些類型的低集中集中器光伏陣列的應用可用于結(jié)構(gòu)安裝和非太陽追 蹤安裝。微型反射鏡不必須垂直在表面上，在一些設計中，反射鏡在 陣列中可被傾斜以在外表面必須處于與日射角無關的規(guī)定角度時使 功率輸出及性能最大。
在圖8中，示出了當電池插入薄的柔軟襯底時光伏電池及微型集 中器的布置。在該布置中，具有槽或孔108的襯底電介質(zhì)隔膜90通
過復制主表面、固化然后移離主表面形成。之后，電介質(zhì)復制物90 用定向或表面涂層91、 97、 105涂覆，僅涂覆槽或孔108的外表面及 邊緣96、 102、 104。在孔108的情況下，電間隙可通過襯底90的溝 槽或壓痕區(qū)103提供，其它可能的技術為絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷、等離 子體噴射涂覆、電鍍、金屬涂層91、 96、 97、 102、 104、 105如銀粉 或錫粉、導電薄膜的真空沉積。這些導電涂層91、 96、 97、 102、 104、 105在其之中可具有微?；虬此鼈冃纬膳c半導體光電二極管92、 93、
94、 95、 101、 100、 99、 98接觸的可靠導體的方式固化。多種紋飾、 造窩、基座、纖維、凹槽、切口及彈性多形表面均可模制在復制物表 面接觸件96、 102、 104內(nèi)以幫助實現(xiàn)與微粒光電二極管接觸件92、
95、 101、 98上的觸點接觸的彈性電接觸表面。復制物表面91、 96、 97、 102、 104、 105還可包含纖維和/或使導電纖維置于其中。形成電 接觸件91、 96、 97、 102、 104、 105的另一方法是將導電箔、絲、纖 維、導電網(wǎng)、導電纖維基體或粉末層壓在電介質(zhì)襯底內(nèi)。下一構(gòu)造步 驟為用銀、錫、鈦(背面反射器106)或白色散射薄膜涂覆模制電介 質(zhì)90的背側(cè)。這可以是加有二氧化鈦微粒的硅酮涂料。在背面反射 器106的外表面上沉積保護性及熱輻射薄膜107如加有碳黑或氧化鈦 微粒的硅酮涂料，其可發(fā)射紅外線并以輻射方式從陣列背側(cè)除熱。具 有慘雜99、 94的光電二極管球100、 93和導電接觸點92、 95、 101、 98放在所述結(jié)構(gòu)的槽或孔中。通過適當?shù)匦纬呻娊橘|(zhì)襯底90和電接 觸件102、 104，光電二極管球100將僅單向彈性地安裝在槽或孔108 中且僅實現(xiàn)與陣列中的另一光電二極管93接觸的適當電接觸件。當光電二極管陣列被連接時，所述陣列可置于真空爐中以退火接觸件
91、 96、 102、 104、 92、 95、 101、 98并可能將接觸件焊接在適當位 置。為保護及將光電二極管陣列組合為更大的模塊系統(tǒng)，它們可被施 以氯氟碳化合物或用硅酮橡膠密封劑涂覆并層壓到玻璃板上，如圖 10A、 10B、 10C、 10D、 10E、 10F所示。電池可被定位和夾在具有 溝或槽的玻璃透鏡和反射鏡之間，所述槽的位置適于將光電二極管球 保持在透鏡反射鏡組件的焦點或集中點處，如圖9中所示。
在圖9中，多個組成部分均可與微型集中器光伏陣列組合以形成 功率系統(tǒng)。除熱及存熱可與光伏陣列的多余熱量的管理組合并提供光 伏陣列的熱管理。微型集中器光伏陣列在圖9中用截面圖的方式示 出，具有組成部分抗反射涂層117、模制玻璃透鏡110、界面層126、 反射器112、彈性底層及電介質(zhì)襯底113、導熱襯底114、輻射涂層 125及光伏陣列的背表面。輻射涂層125可被使得粗糙不平以具有纖 維、翅片、隆起、脊或窩從而增加對流熱傳遞。所述涂層可具有高紅 外發(fā)射能力如二氧化鈦和碳黑或石墨微粒加入硅酮橡膠涂料中。應提 及的是，模制玻璃110可具有平坦外表面，這可使得其易于保持清潔 而沒有污垢。當所述陣列被裝配在電池的玻璃和反射鏡陣列之間時， 它們在或高于陣列的最大工作溫度用膠粘劑如3^§虹(1@強壓在界面 層中并在該溫度固化。相比于反射鏡陣列112、 113、 114、 125及玻 璃110由于膠粘劑126膨脹系數(shù)更高，膠粘劑在工作溫度時將收縮并 處于張力之下。該界面層中的這種張力將拉反射鏡112、電介質(zhì)底座 113、導熱襯底114并保持接觸件壓在半導體小球115上。電流從小 球115上的串聯(lián)連接的接觸件112收集并傳給陣列側(cè)面。來自光伏陣 列的電輸出示意性地示為正端子116和負端子111。外殼120可放在 光伏陣列125的背面。該外殼120可以簡單地為煙道以引導對流氣流 通過光伏陣列125或可以是循環(huán)液體122如氟碳化合物、酒精或水。 使對光伏陣列125的腐蝕影響最小的典型布置是使用風扇121、 123 抽吸的空氣122通過光伏陣列125，加熱后的空氣122用于結(jié)構(gòu)加熱。 風扇或泵121、 123可在冷卻光伏陣列125或?qū)崃總鹘o結(jié)構(gòu)必要時運行。光伏陣列的脊或不平的外部125相較平坦光伏陣列實現(xiàn)更好的 從光伏陣列到流動液體122的熱傳遞耦合。相變材料119可放在陣列
125的背面或放在流體通風系統(tǒng)120中以吸熱并將熱量存在系統(tǒng)中從 而穩(wěn)定溫度。DC電輸出116、 111可連接到電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)118，其優(yōu)化 光伏陣列的性能并將電輸出轉(zhuǎn)換為合乎需要的電輸出如110伏特交 流電。電容器、可逆燃料電池和/或電池可組合在電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)118內(nèi) 以鄰近陣列125保存電能。熱管系統(tǒng)120、 124可組合在光伏陣列125 的背面以將多余熱量有效地傳給結(jié)構(gòu)。熱管120、 124可具有為使熱 管產(chǎn)生恒定不變的高壓密封由工作液體124和彈性壁120的雜質(zhì)設定 的沸點從而設定熱管的沸點僅在陣列溫度用于傳給結(jié)構(gòu)時除熱。
多種涂層117如二氧化鈦薄膜的紅外及UV吸收薄膜，如TPX
sol 二氧化鈦涂層(Kon Corporation, 91-115 Miyano Yamauchi-cho, Kishima-gun Saga prefecture, Japan)可施加到玻璃外表面以降低光電
池上因未利用的紅外日光輻射引起的熱通量，使半導體的帶隙轟鳴。 抗反射涂層117可以是如二氧化鈦的材料，其吸收UV光并光催化地 氧化玻璃外表面上的有機材料以保持表面透明并減少可能的對玻璃 110和光伏陣列1115、 112、 113、 114、 125的UV損害。
圖10A、 10B、 10C、 10D、 10E、 10F和10G示出了可連接到彈 性接觸的電池的多種備選光集中系統(tǒng)。
在圖10A中，示出了透鏡陣列130，光電二極管132精確布置在 彈性接觸件133中。透鏡陣列之間的氣隙109用于絕熱，其中該陣列 可用作玻璃窗口或天窗。電接觸薄膜可以是透明的氧化錫。接觸斷開 部分134在電池之間示出，還示出了彈性電介質(zhì)如硅酮橡膠層128和 透明電介質(zhì)襯底127如扁平模制玻璃板。在該結(jié)構(gòu)中，光131通過透 鏡陣列130聚焦在半導體132上，而不從反射鏡電極133反射。該系 統(tǒng)不捕獲未到達光電二極管132處的焦點的光。因此，如果電接觸件 133為反射或透明接觸件，其它透鏡表面130將反射與表面成低角度 129的漫射光或使其通過陣列。光透射光學結(jié)構(gòu)可用于室內(nèi)照明如天 窗或窗口，在那里直接陽光被捕獲，而與表面成低角度的光129如早
29晨或夜間的光、從云層散射的光及大氣的散射光未到達光電二極管 132并傳入室內(nèi)。在該例子中，半導體接觸件133被示為在平坦襯底
127上，但其可以是成形襯底127，其有助于保持所述半導體并使用 從成形電極133反射在彈性層128和襯底127上的光以收集到半導體 132的光?？赡艿母郊犹卣魇鞘箯椥詫硬糠?28為磷光體或閃爍體并 將在該層吸收的光轉(zhuǎn)換為磷光體或閃爍體的特有發(fā)射光。閃爍體材料 的例子為蒽(anthacene)，其可溶解和散入聚合物或橡膠中(Pfaltz and Bauer, 172 E.Aurora St. WaterburyCT 06708)。磷光體的例子為硫化 鋅(ZnS)，其用銅或銀摻雜劑激活。磷光體的另一例子為釔鋁石榴 石晶體，其將藍光轉(zhuǎn)換為黃光。所述特有發(fā)射光以所有角度發(fā)射，但 由于彈性材料板128的全內(nèi)反射及從電極127反射和襯底材料127內(nèi) 反射，光被傳給光電二極管，其中彈性層128改變角度和厚度。相比 于磷光體使用閃爍體的優(yōu)點在于其不吸收其自身的特有光及較低能 量的光子，因而其可用在傳輸部分130、 109和彈性層128中以使較 低能量的光子通過光學器件聚焦。由于內(nèi)反射及低的特有光吸收，閃 爍層可有效地從光學部件130、 109、 128的大區(qū)域或體積收集轉(zhuǎn)換后 的光并將其傳給光電二極管132。磷光體和散射體預計將用在非透射 部分上如電極133、彈性層228或襯底127，且還可用于將未聚焦的 光129重定向到光電二極管132。
在圖10B中，菲涅耳或全息光集中器137示為光集中元件。這是 不同類型的光學器件可用于將光集中到多個離散光電二極管的例子。 在該例子中，示出了菲涅耳透鏡137的截面圖。光136通過透明透鏡 材料137然后從菲涅耳透鏡的小平面折射并聚焦到半導體138。光學 元件137也可以是全息透鏡，其可以通過衍射光柵如透明材料137內(nèi) 表面中的溝將光集中到光電二極管138，而不是以寬范圍的入射角折 射到光電二極管138。在該例子中，襯底材料139是用于接觸電極126、 140的成形彈性聚酰亞胺襯底以保持硅光電二極管138。與先前圖10A 中的例子一樣，彈性襯底139可以是散射表面、閃爍體或磷光體并用 作初始未被聚焦到光電二極管138的光的轉(zhuǎn)換器和導管。
30在圖10C中，示出了前表面上的后向反射器和光電二極管陣列的例子。在該例子中，入射光143通過彈性襯底和電導體。光143從鋁
反射器145反射并集中在光電二極管142上。光電二極管142用兩個透明的電接觸件144、 164保持，如用彈性襯底材料如碳氟化合物保持在光電二極管上的氧化錫或薄的不透明銀電導體網(wǎng)絡。透明材料162如硅酮橡膠可放在導電電極144和反射鏡145之間。透明彈性襯底材料141如碳氟化合物塑料成形為在半導體142周圍形成彈性夾且還用作用于直接入射光的透鏡。
在圖10D中，示出了 Cassigranian光集中系統(tǒng)，光電二極管150在背表面上。在該結(jié)構(gòu)中，光通過透明玻璃罩板146、通過空氣或透明材料空腔153、從成形反射鏡147反射、從安裝在玻璃罩板上的成
:f^ g白rf々# 1/1，]丑4;裕一 、/A^ G啟rf 缺e寧隹不il AlA出 一 卡R ^ 1 sn/iy 乂入刁:j抓 丄i / 4 'i J ~■ i乂、 /入3:j 、 "、s 夕& 工'j 乂u力 一 '〗/入曰丄3v 。
Cassigmnian光學器件具有光收集缺點，即第二反射器阻止直射光線
到達半導體，但如果需要遮蔽光電二極管150以免受高能輻射，這是有用的—第一 曰射锫m^彼紘甜fei拍^—誦襯莊釃媳日吞魂性；巨
151上的成形鋁反射鏡接觸件149形成到光電二極管150的電連接且該電連接組合在聚酰亞胺電介質(zhì)襯底152上。彈性子層151保持對光電二極管150的接觸壓力，即使整個系統(tǒng)在組成部分152、 151、 149之間經(jīng)受不同的膨脹也是如此。透光材料如硅酮橡膠可放在前表面146和反射器149之間。
在圖10E中，示出了使用梯度折射率透鏡的光集中光學器件。在該結(jié)構(gòu)中，光學材料是彈性襯底，如慘雜的硅酮橡膠和碳氟化合物聚合物被分層并成形為增加層155、 156、 157、 161的折射率以將光聚焦到光電二極管160。光線158從硅酮橡膠的成形層155、 156、 157、161折射以聚焦在光電二極管160上。接觸電極159彈性地壓在光電二極管上。模制折射材料的最后一層以在光電二極管壓入空腔時形成壓縮空腔161?？涨?61被設計成具有電極以在光電二極管160上形成結(jié)接觸件。在圖IOF中，示出了傾斜或離軸集中方案。這使陣列將能因可能
的體系結(jié)構(gòu)原因不垂直于來自太陽的光線165，或者這使入射光165
表面幾何結(jié)構(gòu)傾斜以利用色象差。光譜的折射率擴展可與傾斜的耐火表面一起使用以將光譜的不同波長部分放入不同的光電二極管中，這些光電二極管為日光光譜的該部分優(yōu)化。通常，光成角度通過耐火材
料導致紅光171以最大角度折射，然后是綠光172，最后是藍光169以最低角度折射。因此， 一排光電二極管170、 168、 169可被布置成最佳截取光譜擴展反射槽167中在第一排的紅光光電二極管170、在第二排的綠光光電二極管168、及在外面第三排的藍光光電二極管169與具有傾斜幾何結(jié)構(gòu)的微型集中器玻璃166耦合。光電二極管放入并用硅酮橡膠膠粘在彈性透明耐火材料中的成形彈性空腔內(nèi)，如圖
2由i主牽ib-潘日昔形命t;由、〉化辨i7f> 壬n 1fO麗掘ii的R;^ i生
觸167。
在圖11中，以截面圖方式示出了具有不同帶隙181、 184、 180層的多層光電二極管半球。還示出了光譜擴展及聚焦透鏡176的局部挖切。吸收高能帶隙光電二極管層180的藍色光子是半球形光電二極管的外層。吸收中間帶隙光電二極管層184的綠光是半球的下一層。吸收最低帶隙光電二極管層181的紅光為半球核心。三層半導體181、184、 180和分隔電極被示為半球形幾何結(jié)構(gòu)中的可能分層光電二極管的例子。更多或更少的光電二極管層可使用并可通過多次涂覆中心球181形成。每一光電二極管層181、 184、 180將具有雜質(zhì)摻雜或電極間層，其產(chǎn)生光伏光電二極管的集中及電壓梯度。在光電二極管的外面，添加半球的抗反射涂覆外層174。該抗反射涂層174可以是梯度折射率材料或可以是四分之一波長厚透明材料涂層，其通過破壞性地干涉光反射實現(xiàn)抗反射。為優(yōu)化到光電二極管181、 184、 180的光透射，抗反射涂層174可被調(diào)整成使光電二極管半球頂部處紅光178的透射最多，然后優(yōu)化光的更短波長177、 179在所述球的側(cè)面的透射。由于球形及光在所述球側(cè)面的入射角，均勻厚度的四分之一波長抗反射涂層174將峰值透射偏移到更長的波長。因此，對于光集中系統(tǒng)，當光方向控制在光電二極管球上時，通常最佳四分之一波長抗反射涂層174在所述球的側(cè)面將變薄以補償入射角變化。對于該特定例子，當光的光譜分布在光電二極管球上時，四分之一波長抗反射涂層174在所述球的側(cè)面甚至變薄很多以優(yōu)化入射在側(cè)面上的綠光和藍光
177的光透射。這種類型的厚度變化的涂層可用真空蒸發(fā)源實現(xiàn)，及
使用入射在半球上的角度的影響產(chǎn)生更薄的涂層。
分層光電二極管半球181、 184、 180、 174靠近紅光179的焦點放在聚焦光學器件176的后面。入射白光175用色象差進行光譜擴展，其中折射率隨光的波長變化。通常，通過玻璃的紅光178相較綠光199和藍光177具有更高的折射率。半球形光電二極管181、 184、 180放在透鏡176的紅光焦點179之后使得其優(yōu)化彩色光譜到分層光電二
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中心吸收紅光的光電二極管181的里面。接著，綠光199將形成更大的斑點并由于通過傾斜光電二極管層184的路徑長度更長而被更有效地吸收到光電二極管的綠光吸收帶內(nèi)。藍光177斑點直徑最大且將最有效地吸收在為藍光吸收和轉(zhuǎn)換優(yōu)化的外光電二極管層中。通常，更長波長的紅光178將通過玻璃176以高于綠光199和藍光177的角度折射。紅光178將由于低于藍光光電二極管180及綠光光電二極管184的激發(fā)帶隙而以低吸收通過這兩個光電二極管。光的光譜、空間及成角分布在分層半球形光電二極管181、 184、 180上將趨于優(yōu)化每一光電二極管電池的性能而不必物理上分開光電二極管電池。綠光199和紅光178的部分將射到藍光優(yōu)化的光電二極管180及綠光優(yōu)化的光電二極管184，這些光的光子低于藍光和綠光優(yōu)化的光電二極管的帶隙能量，及部分通過并射在綠光分層光電二極管184和紅光分層光電二極管181上。相較先形成分開的光電池然后再放在一起，分層半球形光電二極管的該分層結(jié)構(gòu)成本更低。在該幾何結(jié)構(gòu)中，電極接觸件被示為附裝的導電金屬接觸件183、 181。內(nèi)層接觸件182附著到紅光光電二極管181中心的暴露表面，外接觸件183附著到外面的藍光光電二極管層180的表面并穿過抗反射涂層174。與該半球形小
33球接觸的彈性接觸幾何結(jié)構(gòu)的例子在圖3、圖12B和圖14中示出。
理想地，電接觸件182、 183反射光且不阻止光到達光電二極管，如圖14的彈性接觸例子。機械接觸需要與中心點接觸182進行中心接觸并對準具有外形配合表面的硅球以僅允許分層光電二極管適當?shù)碾娊佑|及放入中心紅光及周邊藍光的輻射光譜分散圖案中。
應當提及的是，表面粗糙或梯度密度的抗反射涂層174可有利地用在該幾何結(jié)構(gòu)中以避免典型四分之一波長抗反射涂層及早先提及的涂層的光譜及角選擇性。
如果使用半導體保持空腔的槽，中心接觸件可具有凸起的按鈕182及電介質(zhì)周邊涂層185，如延伸到覆蓋綠光光電二極管184和藍光光電二極管180的邊緣以防止與沿槽的電接觸件短路的抗反射涂層。
在圖12A中，示出了通過將微粒小球分層光電二極管研磨在兩側(cè)上形成光電二極管的備選方案。通過將小球研磨在兩側(cè)上，內(nèi)慘雜層274和其它光電二極管272可由兩個電接觸件273、 275接近。相比單一平坦側(cè)，該具有兩個平坦側(cè)的小球幾何結(jié)構(gòu)也可有利地用于形成電接觸件。作為分層光電二極管的例子，形成直徑500微米的InP小球274。 InP小球274被摻雜而成為n型半導體。之后，InP小球通過有機金屬汽相外延而被涂覆約2微米厚的n型InGaAs層272。之后，涂覆2微米厚的p型InGaAs層271及濺射沉積金鉻涂層270。接下來，所述小球兩側(cè)接地，通過將鎳/金接觸件272、 275真空沉積或電鍍到中心而形成電接觸件。制造分層光電二極管或光發(fā)射器的材料有許多變化。其它適當?shù)囊r底小球半導體為Ge、 Si、 SiC、 GaAs、GaP、 Ga、 GaN、 CdTe、 AlGaP、 AlGaP、 AlGaAs、 CuInSe2、 Cu(InGa)Se2、GaSb、 InAs、 CuInSe2、 Cu(InGa)Se2、 CuInS、 GaAs、 InGaP、 AlGaP禾口 CdTe。
在圖12B中，示出了槽或空腔電接觸件與具有邊緣281、 292和中心接觸件286、 285的光電二極管小球接觸。在該例子中，通過將分層光電二極管小球研磨在兩側(cè)上構(gòu)造的如圖12A中所示的光電二極管小球插入電介質(zhì)288中具有兩個側(cè)接觸件280、 287及底座接觸件289的彈性槽295內(nèi)。槽或空腔295模制在彈性電介質(zhì)288外面，如金屬箔襯底289如錫上方的聚酰亞胺或硅酮橡膠。光電二極管小球281、 282、 283、 284、 290、 291、 292壓入槽295內(nèi)。兩個側(cè)接觸件280、 287壓靠光電二極管小球的中心接觸件286、 285。光電二極管小球的邊緣導體281、 292與槽或空腔295底部的箔接觸件289接觸，來自罩透鏡293或反射鏡的彈性壓縮使光電二極管小球壓靠底座接觸件。模制的罩玻璃293通過張力保持并在玻璃293和電極襯底288、289之間的壓縮壓力下通過3^§^(1@透明界面膠粘劑294與接觸電極280、 287形成密封，所述膠粘劑在升高的溫度固化。在低于膠粘劑固化的工作溫度，界面膠粘劑294的熱收縮在膠粘劑中產(chǎn)生張力，該張力將罩玻璃及電極相互拉向?qū)Ψ讲a(chǎn)生接觸壓縮壓力。其它機械彈性空腔或力方案可用于保持對光電二極管281、 282、 283、 284、 290、291、 292的彈性接觸壓力。
在圖13A中，示出了半導體小球?qū)屎筒倏v系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，具有平坦側(cè)189的半導體小球188通過來自聲音發(fā)生器185的聲音186或通過支承板190的振動進行振動。小球188將自旋直到它們達到最低能量為止，小球的平坦側(cè)位于平坦Teflon表面187上，該表面具有限制小球的空腔。不同的聲振186強度可用于操縱小球以移動它們遠離所述表面或使它們緩和地旋轉(zhuǎn)并調(diào)整到最低能量狀態(tài)，小球189的平坦側(cè)在Teflon表面187上。Teflonl87具有靜電荷，因此吸引小球188， Teflon增加小球的能量阱以使平坦側(cè)189保持位于平坦Teflon表面187上。高電壓電極190可放在Teflon表面187的后面，及從發(fā)電機191向電極190施加高電壓。對半導體小球188或鄰近的電極193或周圍的接地導電表面192的強烈點電暈放電可完成充電電路和到電荷電極190的電場線路。半導體小球188上感應的電場及電荷使它們保持靠著Teflon表面187。
圖13B示出，由于Teflon表面204的低滑動摩擦系數(shù)，其平坦側(cè)與所述表面對準的小球201用推送板200即可跨Teflon表面204滑動而不是滾動。推送板200可推動半導體201以使半導體按行對準，
所有平坦側(cè)靠著支承板205上的Teflon表面204。推送板可具有成形空腔202、 203以將各個半導體保持在分開的位置。如果半導體位置錯誤或有太多半導體來自單一行，這些小球?qū)⒉话惭b在推送板200的成形空腔203內(nèi)并可與已安裝在推送板的槽202或孔203內(nèi)的小球201分開，及彈出、用硅酮橡膠表面接觸提升或掃離Teflon表面204和推送板200。
圖13C以截面圖方式示出推送板216用于將半導體小球213壓入成形反射鏡或電接觸件和彈性襯底210。當小球213滑入成形空腔212和電接觸件211、 219時，支承板218上的電荷可被釋放或反向。推送板216也可被加熱和/或可具有聲脈沖， 一旦小球213插入并由電接觸夾持器210夾住時，通過聲脈沖可將小球213的接觸件214、 220焊接到電接觸件211、 219。 一旦小球插入夾持器，這些小球可用光或磁場加熱以實現(xiàn)接觸件214、 220的焊接。半導體小球可具有電接觸件214、 220，其由磁性材料如鎳制成。因此，磁場中對磁化表面218的磁吸引力或?qū)士捎糜趯什⑿∏虮３衷趭A持器218、 217上?？捎糜趯市∏虻钠渌匦詾樵陔妶鲋惺褂眯∏?13的自極化電場用于對準小球213。應當提及的是，涂覆硅酮橡膠的表面215的粘性和靜電特性可用作小球固定器，從而使能保持和傳送小球而不會滾動。插入半導體小球可用彈性底座210上的成形孔212處的電接觸件211、 219完成，所述底座保持打開以用于插入然后釋放以機械上夾在小球213上，圓形小球的電接觸件214與圓形電接觸件211接觸，內(nèi)小球接觸件220與彈性固定器210的平坦表面接觸件219接觸。夾持器210的機械夾持還使小球213能被保持從而使推送裝置216能與小球213分開并縮回推送裝置216。推送裝置216可在形成的表面222內(nèi)側(cè)具有硅酮粘性表面215以使對準的小球能粘在空腔中而未對準的小球抖落。
在圖14中，以截面圖方式示出了透鏡反射鏡電極壓縮結(jié)構(gòu)。連接球形接地半導體光電二極管或接地棒233的另一結(jié)構(gòu)是形成具有反射鏡接觸件237、 238、 242的空腔，這些接觸件僅允許電池按一個方向連接。如圖14中所示，成形凹陷或槽239、 241具有中心接觸件242和側(cè)接觸件239、 238。這些接觸件237、 238、 242及通路243可通過將導電粉末油墨如銀、銅、鎳、石墨、鋁、錫及合金墨噴噴射在電介質(zhì)襯底如模制或成形聚酰亞胺239、 241上形成。形成電接觸件th Hiitflif尋/]矢zj / 、么jb、 Z4z、 口、j升ti刀i^;/iM寸寸pej導;]失^;汰3、j y兒々只、等離子體噴射、電鍍、箔壓在預先形成的平板或電介質(zhì)襯底239、 241上。其它選擇是涂覆或?qū)訅罕“褰饘僖r底以具有接觸件的形式并用作另一背面保護性表面244。側(cè)接觸件237、 238具有部分從電接觸件237、 238和電介質(zhì)底座襯底239、 241的平坦底部向上沉積的電介質(zhì)涂層235、 236，如果小球233的圓形表面接觸中心電接觸件，使得半球形小球233不與側(cè)接觸件電極237、238電接觸。電介質(zhì)涂層235、236如Teflon或氟硅聚合物可具有低摩擦系數(shù)以允許半球形小球233容易滑動和旋轉(zhuǎn)直到半導體光電二極管小球233的平坦側(cè)方向與槽或凹陷239、 241的平坦底部表面平行為止。隨著保持自由小球向下朝向槽或凹陷239、 241底部的重力及隨著小球安裝在槽或凹陷的最深位置使得小球233的平坦側(cè)與底部平行，小球?qū)⑦_到最低能量狀態(tài)。如果振動能量或聲能量施加在半球形小球上，小球可旋轉(zhuǎn)和自旋直到小球的平坦部分靠著槽或凹陷239、 241的平坦底部安裝為止。如果在電極239、 242、 238和外部電極(未示出)之間施加電場，所述引力作用可被增強。電介質(zhì)薄膜239、 241、 234、 236通常為永久駐極體，或可被使得成為電極并用施加的電場充電。通過用鐵磁材料如鎳在半球形小球233上形成中心接觸件240及使中心接觸件242由鐵磁材料如鐵或鎳制成，然后使接觸件242、 240磁化或放入磁場中，在磁場中小球?qū)?yōu)先定向，磁場將通過中心接觸件240、 242引導或集中。這可增加對準小球的能量阱，小球233的平坦表面與反射鏡接觸件238、 237的槽或凹陷239、 241平行。當小球被正確對準時，側(cè)電極表面237、 238與半球形小球233的側(cè)面接觸。光電二極管半導體小球233通常將被摻雜以具有摻雜在內(nèi)部的正電荷載體及摻雜在外部的負電荷載體。因此，小球240的平坦表面上的電接觸件與P內(nèi)
層接觸，外表面接觸件237、 238與N層接觸。由于小球的側(cè)接觸件237、 238與電介質(zhì)涂層235、 236之間的摩擦系數(shù)差， 一旦小球進行金屬接觸，小球233趨于固定在凹陷239、 241內(nèi)。槽或凹陷239、241的形狀和彈性可制成使得其在小球的任一側(cè)上形成楔形接觸件237、 238，從而在小球正確對準時保持小球。
使對準過程在升高的溫度進行也是有用的，在所述升高的溫度附近，小球側(cè)接觸件237、 238將焊接或粘到小球233外表面，因而使側(cè)接觸件粘在小球上并在小球己進行平行表面對準及電接觸時保持小球。其它可能的保持方案是使小的膠粘劑、硅酮橡膠或粘性液體小滴位于槽或凹陷底部中的電介質(zhì)隔離層239、 241上，當小球平坦表面被對準時，通過與小球233的平坦表面接觸降低表面張力能量。這將用作小球夾持器并增加能量阱以按小球的平坦表面平行于槽或凹陷的平坦表面保持小球。為去除多余或未對準的小球233，可翻轉(zhuǎn)組件以利用重力使未保持在適當位置中的小球233離開。其它選擇是置放具有粘性表面涂層如硅酮橡膠的成形工具，當其降低到陣列表面上方時，其將僅與多余小球機械接觸。處于不正確位置的小球233在槽或凹陷中相較平行表面對準的小球233處于更高的位置。檢查所有小球233是否均已對準的過程可通過可視觀察或具有真空或粘性表面的精確工具完成，所述工具安裝在槽或凹陷內(nèi)且僅接觸和去除未被正確安裝在槽或凹陷239、 241內(nèi)的電池。 一旦小球233的平坦表面與槽或凹陷239、 241、 237、 238的平坦表面對準，電接觸件239、 240、242、 238可通過用閃光燈加熱半導體小球233而確保與小球233熱機接觸，加熱后的金屬體接觸并使小球233壓靠電接觸件237、 241、242。傳遞能量以焊接、釬焊或熔接接觸件的其它可能方法是將超聲波聲能用脈沖輸送到半導體小球233和接觸件237、 242、 238內(nèi)以摩擦熔接或焊接接觸件。通過電路和電池237、 238、 233、 240、 242的電脈沖還可用于使電接觸件弧焊到半導體光電二極管小球233。如果電路237、 238、 233、 240、 242短路、連接到電源或為充電電容器，
38、退火或焊接方法是使用從半導體光電二極 管233自產(chǎn)生的電脈沖，然后激光束跨電池掃描，或閃光燈在電池旁 邊發(fā)光。產(chǎn)生短的電脈沖以在機械接觸點提供斷的熱能脈沖從而熔 接、釬焊、退火或焊接接觸件。在電介質(zhì)襯底241頂部的中心接觸件
242或側(cè)接觸件金屬薄膜可被設計成，它們用作熔融及汽化金屬242、 237、 238、 243和使下面的電介質(zhì)239、 241膨脹時如果過多電流流 過局部電路則斷開電路的電熔斷器。這可用于使誤連接或短路的電池 斷開連接。確保接觸步驟也可在耐火透鏡和反射鏡231下面的組件放 在電池上方且這些電池通過耐火透鏡和反射鏡231保持在適當位置 之后進行。耐火罩透鏡和反射鏡231可壓靠半導體小球233以進行電 接觸并在太陽陣列的整個壽命期間均保持電接觸。耐火罩231可用膠 粘劑232及電接觸材料237、 239、 238、 241、 242中的彈性張力及耐 火材料的重力壓在并保持在半導體233上，接觸材料237、 242、 238 在陣列的整個壽命期間均保持接觸。透鏡-反射鏡組件薄板231在外 表面上可具有保護性或抗反射涂層。適當?shù)谋∧樘挤衔?(Mihama) 、 二氧化鈦涂層以使外表面光反應和自清潔，或者硬的 抗刮擦涂層如反應濺射的金剛石薄膜?？蛇x地，如用高壓擠出工藝將 透明膠粘劑或接合凝膠234、 232 (如Dow Coming Sylgard 184或gel Q3-6575)散布在電池上。玻璃或透明電介質(zhì)罩透鏡-反射鏡231放在 光耦合材料234、 232的上方，由于橫向擠壓運動，光耦合材料234、 232被壓在半導體和反射鏡周圍，氣泡通過膠粘劑圖案中的氣體通道 壓出組件。整個組件可用升高的溫度固化。組件可在壓力下固化以使 透鏡-反射鏡薄板231壓靠半導體小球233并保持對電接觸件237、 240、 242、 238的壓力。膠粘劑或光耦合材料234、 232在固化過程 期間或之后收縮可進一步地在固化過程期間或之后產(chǎn)生使透鏡-反射 鏡薄板231壓在小球233和接觸件237、 240、 242、 238上的壓力。 在電介質(zhì)襯底239的背側(cè)及金屬接觸件242上，涂覆輻射熱傳遞及保 護性涂層244如加有碳黑的硅酮涂料或二氧化鈦硅酮涂料。組合后的 系統(tǒng)可用光脈沖、光柵激光束或電脈沖進行測試，短路電池或反向電池可通過熔融或汽化電接觸件而從陣列的并聯(lián)串聯(lián)電路去除。到外面 的電系統(tǒng)和電路的電連接預計通過玻璃材料薄板231邊緣處的電接
圖15為串聯(lián)并聯(lián)電池的電路，在光伏電池253之間的并聯(lián)及串 聯(lián)連接中由薄膜式電導體或電介質(zhì)、熔斷器或壓敏變阻器253、 258， 逆流保護二極管254或壓敏變阻器254置于輸出線路上。逆流保護元 件254也可以與摻雜半導體小球一樣的方法置放在彈性成形電接觸 件中，具有到光電二極管的反向電子空穴梯度，如圖15中的示意圖 所示。逆流保護二極管254未被圖示，因此可放在陣列邊緣上的反射 鏡陣列之間的任何光集中區(qū)域的外面。逆流保護二極管254可定期按 排放在陣列中以能夠匹配保護二極管電壓和電流特性并產(chǎn)生分布式 逆流保護從而避免因任何單一保護二極管或一串保護二極管故障而 危害整個系統(tǒng)。在并聯(lián)連接的電池中，單一電池開路引起的部分損失 效應為1除以連在一起的電池數(shù)量。在串聯(lián)并聯(lián)電連接網(wǎng)絡中，整個 系統(tǒng)上單點故障的效應正比于行部分損失除以行數(shù)，因為來自其它行 的電流將能夠在單點故障周圍流動。隨機單電池故障的數(shù)量正比于電 路中的總電池數(shù)量。因此，在許多等電位并聯(lián)連接的電池和串聯(lián)連接 的大陣列中，其中任何單行中的電池數(shù)量與陣列中電池總數(shù)的平方根 成正比，則由隨機單開路故障引起的可能部分損失與陣列中電池總數(shù) 的反平方根成正比。該統(tǒng)計學觀察具有實踐意義，即對于串聯(lián)并聯(lián)陣 列，陣列中單個電池的數(shù)量越高，由于隨機電池故障引起的部分損失 越小。電池數(shù)量越高，這些光伏陣列越可靠，這與通常的直覺相反 電路中電池越多，故障及輸出損失概率越高。在高電壓陣列中，逆流 保護電池254及旁路二極管257可定期按行形成在陣列中。電池之間 的并聯(lián)電連接253在使電流繞過陣列中由于制造缺陷或遮蔽而性能 變低的單一電池方面是有用的。旁路二極管257可在一行性能低或被 遮蔽的電池252周圍傳導電流。
并聯(lián)電連接253和串聯(lián)電連接258可通過電介質(zhì)絕緣襯底上的薄 導電沉積物或壓敏變阻器形成有效的熔斷器，所述沉積物或壓敏變阻
40器用選擇為隨電流、電壓或溫度上升具有特定電阻增加的電導體、半 導體沉積而成。特定例子的氧化鋅薄膜將隨施加的電壓增加其電阻。 沉積物可以是真空濺射沉積物、墨噴沉積物、等離子體噴射沉積物、 箔壓花、與光電二極管小球連接類似的各個半導體沉積物。大多數(shù)金 屬在室溫時具有合乎需要的低電阻特性，然后隨溫度升高電阻增加。 如果過多電流流過并聯(lián)或串聯(lián)電連接如幾倍于單一二極管的電流，金 屬由于材料中的歐盟能量耗散而發(fā)熱。如果電流和產(chǎn)生的熱量足夠 高，電路可能熔融金屬甚至電介質(zhì)襯底，并永久斷開并聯(lián)電路連接。 電池253之間的開路熔融可用于在光電池短路或反向連接時永久斷
開這些光電池周圍的電路。器件如壓敏變阻器253可形成在并聯(lián)電路 連接中，其被設計成隨電流升高電阻增加。壓敏變阻器253可被設計 成可逆地快速響應于電流過多并有效地箝位并聯(lián)或串聯(lián)連接中的最 大電流。在照亮的光伏陣列被選擇性遮蔽如樹枝陰影的情況下，為保 護光電二極管免遭過高電流和電壓，該最大電流箝位非常重要。示意 性示出的陣列可通過周邊總線連接251、 255連接(250、 256)到其 它陣列或電負載。可電連接在輸出連接或總線連接250、 256上及與 圖9中所示陣列組合的其它可能的電器件為DC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-AC 轉(zhuǎn)換器、電容器、電池、電解電池、飛輪、電動機、燈、泵和風扇。 本發(fā)明的一些特征和元件包括
1、 電接觸件用彈性機械系統(tǒng)保持壓在半導體主體上。
2、 使用光電二極管主體或電極的形狀確定半導體反向。
3、 使用槽或孔安裝電池。
4、 使用球的平坦側(cè)用于保持、定向及將其移到電連接。
5、 槽還是電連接。
6、 槽還是反射鏡。
7、 槽還是光透射。
8、 球上的電接觸件的位置和尺寸可有利地用于半導體運行。
9、 電接觸件具有提供熔斷器及電路中斷電特性的厚度。
10、 電接觸件可以是反射鏡。
4111、 電接觸件可以透明。
12、 電接觸件可與電導體或金屬不同。
13、 電接觸件和半導體可實質(zhì)上形成熱電結(jié)。
14、 電接觸件和半導體可形成產(chǎn)生光的結(jié)。
15、 槽和電接觸件形成除熱系統(tǒng)。
16、 電接觸件和反射鏡為熱導體以從光電二極管除熱。
17、 陣列背側(cè)上的涂層增強輻射散發(fā)和除熱。
18、 反射鏡/透鏡為除熱系統(tǒng)。
19、 反射鏡/透鏡為機械安裝和保護系統(tǒng)。
20、 使用并聯(lián)串聯(lián)連接提供可靠的電路連接。
21、 可使用膠粘劑。
22、 可使用光學界面橋接或膠粘劑。
23、 可使用光固化膠粘劑。
24、 可使用粘性材料將電池緊固在槽中。
25、 可將球壓在槽中以實現(xiàn)接觸。
26、 可使用焊接以完成接觸。
27、 可使用熔接以實現(xiàn)電接觸件固定。
28、 可使用閃光燈以實現(xiàn)電接觸件固定，光電二極管產(chǎn)生電流以 熔接和/或加熱電池。
29、 可使用超聲波能量完成焊接或熔接。
30、 可用薄膜將光學器件涂覆為反射器或電路。
31、 槽或孔中的小球在任一側(cè)具有兩個或兩個以上不同的接觸件。
32、 不必須使用所述形狀(在進入槽之前簡單地定向)。
33、 陣列為透鏡/反射鏡、離散半導體、電接觸件及背罩或反射 鏡等組成部分的組合。
34、 槽或孔可在電介質(zhì)中形成。
35、 槽或孔可在具有電介質(zhì)涂層的金屬中形成。
36、 槽或孔可在具有電介質(zhì)和導電涂層的金屬中形成。37、 成形空腔的壁可具有提高電接觸件彈性的結(jié)構(gòu)。
38、 成形空腔的壁為電接觸件彈性具有槽、縫、溝、隆起、基座、 纖維。
39、 空腔接觸表面上的電涂層為電接觸件彈性具有纖維、粉末。
40、 成形空腔上的接觸件為彈性多形表面。
41、 涂層可以許多方式沉積或形成，如真空沉積、墨噴印刷、噴 射粉末。絲網(wǎng)印刷、箔壓花、焊接、壓印或?qū)訅骸?br>
42、 使用硅酮橡膠。
43、 使用氟化碳氫化合物。
44、 使用玻璃、鋁、銀、錫、氧化錫、鋼、銅、合金、硅球、Sphelar 硅、其上具有電接觸件的球、焊膏、加有碳的涂料、Ti02、光催化劑 或白色涂層。
45、 使用玻璃外表面的光催化劑浸漬或材料折射率清潔外表面， 并阻止高頻光到達光電二極管。
46、 使用槽的陰影優(yōu)先定位電路的沉積物或自遮蔽。
47、 電連接和襯底可形成光電二極管的光收集系統(tǒng)。
48、 光電二極管陣列可耦合到光集中光學器件。
49、 電連接系統(tǒng)還可以是光學部件。
50、 背面保護薄板還可以在集光器上。
51、 光散射也可用在光學器件中。
52、 可使用光閃爍體或轉(zhuǎn)換。
53、 與夾持槽電接觸的半導體棒也用作有效的光伏電池。
54、 內(nèi)置電逆流保護。
55、 轉(zhuǎn)換到電池逆變器和電功率電網(wǎng)。
56、 與太陽追蹤系統(tǒng)一起使用。
57、 使用光譜分離或過濾。
58、 可將煙道或液體流通道放在陣列背面，及使用液體流或氣流 冷卻光電二極管陣列。59、 可將相變材料熱耦合到光電二極管陣列的背面以從光伏陣列 吸熱及存熱。
60、 可連接電子電路以操縱光伏陣列的電輸出。
61、 可將電池連接到光伏陣列以儲存電能。
62、 在電接觸件下面使用彈性層以確保電接觸及使之成為熱膨脹
和收縮補償器。
63、 將光伏陣列連接到太陽對準或追蹤系統(tǒng)。
64、 夾持器為彈性夾持器并能打開以接受半導體及閉合以完成接觸。
65、 使用靜電移動和保持半導體。
66、 使用磁性移動和保持半導體。
67、 使用重力移動和保持半導體。
68、 使用粘性表面保持半導體。
69、 使用粘性表面將半導體保持在凹槽的底部處。
70、 使用光滑表面以使半導體能進行非滾動接觸移動。
71、 重力可用于將玻璃罩和透鏡/反射鏡壓入電池和電極以保持 半導體和接觸件之間的壓力。
在本發(fā)明己結(jié)合特定實施例進行描述的同時，可在不背離下述權(quán) 利要求確定的本發(fā)明范圍的情況下對本發(fā)明進行修改和變化。
權(quán)利要求
1、一種設備，包括直接或間接光子轉(zhuǎn)換器或發(fā)生器；電連接裝置，該裝置包括重復成形的粒狀半導體主體、重復形成的用于保持所述半導體主體的槽或孔、到所述半導體主體的光導管、及作為所述槽或孔的一部分的至少兩個電極，所述槽或孔與每一半導體主體彈性壓縮接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管還包括反射鏡、透鏡、透明材料、閃爍體、磷光體、散射表面、衍射或干涉結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管包括反射鏡、折射器、透鏡、閃爍體、磷光體、散射表面、或?qū)⒐饧械焦庾愚D(zhuǎn)換器的干涉結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，還包括非平坦透光折射罩，該罩成形為裝配在成形半導體主體上并將光集中到所述半導體主體，其中電連接的半導體主體形成光伏電池陣列。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述孔或槽成形為適合半導體主體的形狀。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體具有形狀，及每一槽或孔具有形狀，這些形狀將使組件在任何方向均不能進行不適當?shù)碾娺B接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體具有形狀和結(jié)構(gòu)，及每一槽或孔具有導致彈性壓在所述半導體主體上的形狀和結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體具有形狀和結(jié)構(gòu)，及每一槽或孔具有導致所述至少兩個電極彈性壓在每一半導體主體的兩個不同區(qū)域上以形成光電二極管或熱電偶的形狀和結(jié)構(gòu)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體具有適應每一槽或孔形狀和結(jié)構(gòu)的特定重復形狀和結(jié)構(gòu)，且還包括放在半導體主體上方的光透射罩，當半導體主體放在所述槽或孔及所述光透射罩之間時，所述光透射罩導致所述至少兩個電極彈性壓在每一半導體主體的兩個不同區(qū)域上以形成光電二極管。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體具有形狀和結(jié)構(gòu)，所述設備還包括光透射罩，及其中每一槽或孔具有導致所述至少兩個電極彈性壓在每一半導體主體的兩個不同區(qū)域上以形成光電二極管的形狀和結(jié)構(gòu)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體具有形狀和結(jié)構(gòu)，所述設備還包括光透射罩，及其中每一槽或孔具有導致所述至少兩個電極彈性壓在每一半導體主體的兩個不同區(qū)域上以形成光電二極管的形狀和結(jié)構(gòu)，從通過光透射電介質(zhì)罩折射、衍射、散射、干涉、發(fā)熒光或反射的光進行光集中，或從電極反射、折射、散射、衍射、干涉或發(fā)熒光的光進行光集中。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體通過使用每一槽或孔進行電連接，每一槽或孔具有兩個或兩個以上電極作為槽或孔的一部分，及每一槽或孔具有導致所述兩個電極彈性壓在每一半導體主體的兩個不同區(qū)域上以進行電接觸并形成光電二極管的形狀和結(jié)構(gòu)，所述設備還包括成形光透射電介質(zhì)罩，從通過光透射電介質(zhì)罩折射、衍射、散射、干涉、發(fā)熒光或反射的光進行光集中，或從電極反射、折射、散射、衍射、干涉或發(fā)熒光的光進行光集中。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一成形半導體主體通過使用每一槽或孔進行電連接，每一槽或孔具有兩個或兩個以上電極作為槽或孔的一部分，及每一槽或孔具有導致所述至少兩個電極彈性壓在每一半導體主體的兩個不同區(qū)域上以進行電接觸并形成光電二極管的形狀和結(jié)構(gòu)，所述設備還包括成形光透射電介質(zhì)罩，從通過光透射電介質(zhì)罩折射、衍射、散射、干涉、發(fā)熒光或反射的光進行光集中，或從電極反射、折射、散射、衍射、干涉或發(fā)熒光的光進行光集中，還包括所述電極及外彈性罩之間的彈性電介質(zhì)材料和所述光透射電介質(zhì)罩及半導體主體或外彈性罩之間的光透射電介質(zhì)材料。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一槽或孔是可被撬開以接受所述半導體然后釋放撬力的彈性結(jié)構(gòu)，或者推所述半導體主體從而楔入所述槽或孔內(nèi)且所述半導體主體保持處于來自所述彈性結(jié)構(gòu)的壓力之下。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一半導體主體具有形狀和結(jié)構(gòu)，所述設備還包括光透射罩，及其中每一槽或孔具有導致所述兩個電極彈性壓在半導體主體的兩個不同區(qū)域上以形成光電二極管的形狀和結(jié)構(gòu)，所述電極被熔接、擴散、焊接、釬焊在一起及所述光透射罩和所述槽或孔結(jié)構(gòu)相互固定。
16、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中光子轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的光為陽光、熱輻射、放射性光發(fā)射、化學光發(fā)射、來自電光源或激光。
17、 根據(jù)權(quán)利要求8的設備，其中光導管及槽或孔結(jié)構(gòu)用膠粘劑、焊接、熔接、夾具、緊固件或互鎖部件相互固定。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極通過真空沉積、粉末沉積、墨噴印刷、層壓、箔壓花、等離子體噴射、電鍍、膠粘或結(jié)合固定到所述槽或孔。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中每一成形半導體主體具有用于在所述槽或孔中定向該半導體主體的平坦區(qū)域。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中至少一半導體主體已被摻雜以產(chǎn)生電子過剩區(qū)域和孔過剩區(qū)域從而產(chǎn)生總體梯度，及其中所述至少兩個電極包括接觸所述電子過剩區(qū)域的電導體和接觸所述孔過剩區(qū)域的電導體及外部電壓梯度以產(chǎn)生光電二極管。
21、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中至少一半導體主體使用兩種不同材料的電子傳導接觸件并形成熱電結(jié)、電子隧穿結(jié)或熱離子結(jié)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，用作光伏電池、光發(fā)射器、熱能-電能轉(zhuǎn)換器或致冷器。
23、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，還包括電連接，該電連接也是光反射器、折射反射器、散射器、閃爍體或磷光體的光收集系統(tǒng)。
24、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管為耦合到所形成的 光電二極管的光集中光學器件。
25、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所形成的槽或孔為所述光導管 的一部分。
26、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所形成的槽或孔具有電載體，該電載體還用作光收集元件。
27、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，還包括還用作熔斷器的電連接，所 述熔斷器通過使低量的電導體接通或由電介質(zhì)材料包圍實現(xiàn)。
28、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述電極由導電箔、薄膜、纖 維、基體、基座、毛狀物、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)、粉末、彈性多形表面或該表面上的薄膜形成。
29、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極用濺射、真空蒸發(fā)、 等離子體噴射、粉末噴射、墨噴印刷、絲網(wǎng)印刷、電鍍或箔層壓技術 沉積在電介質(zhì)襯底上。
30、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極由另一彈性導電材料 之上的彈性電介質(zhì)材料支撐。
31、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極的彈性壓縮彈性橋接 或緩沖空間構(gòu)件的不同熱膨脹。
32、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極具有電接觸件，及其 中光導管、光學部件、電接觸件和界面材料的結(jié)構(gòu)形成為褶、窩、多 形表面、曲線及彎曲以重定向或分散材料之間的熱膨脹應力。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32的設備，其中光學部件、電接觸件和界面 材料形成為褶、窩、多形表面、曲線及彎曲以修改輻射熱傳遞及鄰近 彈性密封的液體的熱傳遞。
34、 根據(jù)權(quán)利要求33的設備，在接觸件一外表面上還包括輻射 散發(fā)或?qū)α髟鰪姛醾鬟f結(jié)構(gòu)或材料涂層。
35、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述成形半導體在放在所述槽 或孔中之前被定向、移動及保持在低摩擦表面上。
36、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述槽或孔具有涂覆在所述電 極一部分上的電介質(zhì)薄膜。
37、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述槽或孔具有沉積在所述槽 或孔的一部分內(nèi)的低摩擦系數(shù)電介質(zhì)如碳氟化合物或硅酮潤滑劑。
38、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，還包括重力、靜電荷、電場或磁 場可用在所述半導體上以定向或保持所述半導體。
39、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，還包括粘性表面可位于所形成的槽或孔內(nèi)并用于將成形半導體保持在所述成形槽或孔內(nèi)或作為臨時保 持表面。
40、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述成形半導體主體為光電二極管且為一側(cè)或多側(cè)接地、切割、模制或變平的球，至少一電極附著 到平坦側(cè)。
41、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述成形半導體主體由半導體 的一側(cè)或多側(cè)接地、切割、模制或變平的球狀或粒狀體形成光電二極 管，至少一電極附著到接地側(cè)，另一電極附著到成形半導體主體的另 一區(qū)域，使得電極不相互接觸。
42、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述成形半導體用多層摻雜劑 或材料形成以形成多個光電二極管。
43、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管拆分光譜并將拆分 后的光譜最佳地放入所述成形半導體主體的不同區(qū)域內(nèi)。
44、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述電極從所述半導體除熱。
45、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，還在光源遮蔽的轉(zhuǎn)換器表面上包括 涂層，其中該涂層增強自所述表面的輻射熱散發(fā)或?qū)α?，該涂層還包 括凸起、纖維、翅片、窩或脊、或加有二氧化鈦微粒、石墨微粒、或 碳黑微粒的聚合物或橡膠薄膜。
46、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管熱耦合到所述半導體。
47、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管還形成部分或全部 包圍所述半導體的罩。
48、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中到所述半導體的電連接形成并 聯(lián)和串聯(lián)連接電路陣列。
49、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中到所述半導體的電連接為與更 大量絕緣體相鄰的電導體以用于在電導體過熱、熔融或汽化時斷開電 路。
50、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中到所述半導體的電連接形成并聯(lián)和串聯(lián)連接電路陣列，其中半導體之間的并聯(lián)電連接是隨電流增加 電阻率的電導體。
51、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述半導體或電極用膠粘劑保持。
52、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管用膠粘劑固定到所 述光電二極管。
53、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述半導體或電極用膠粘劑保 持，該膠粘劑還減少所述光導管和所述半導體之間的光反射。
54、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述光導管在外部和所述半導 體之間的界面處，其具有通過破壞性干涉涂層或折射率梯度減少光反 射的表面處理。
55、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述半導體或電極用膠粘劑保 持，該膠粘劑具有由光、熱、溫度變化、濕度、化學接觸、化學擴散、 振動或輻射啟動的固化。
56、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述半導體用粘性材料保持以 將所述半導體固緊在所述槽或孔中。
57、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述半導體和電極通過來自熱 傳導、熱氣接觸、閃光吸收、激光吸收、振動能量或電流的加熱用焊 接、熔接、擴散、釬焊或熔合固定電接觸件。
58、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述電極為薄膜式電路。
59、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極為沉積在耐火光學器 件上的薄膜式電路。
60、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極為沉積在耐火光學器 件上的薄膜式電路，所述電極還將光反射到所述半導體。
61、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中第二成形槽或孔用于保持和定 位所述半導體以將該半導體放入所形成的槽或孔內(nèi)。
62、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中多個半導體主體及槽或孔形成在具有電路網(wǎng)絡的陣列內(nèi)。
63、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中多個半導體主體及槽或孔形成 在陣列內(nèi)，其中對于每一半導體均具有光集中光學器件及電路網(wǎng)絡與 所述半導體電接觸。
64、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中多個半導體主體及槽或孔形成 光轉(zhuǎn)換電路，其中多個半導體并聯(lián)電連接，及并聯(lián)電連接的半導體與 其它并聯(lián)電連接的半導體串聯(lián)連接以形成電矩陣。
65、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中多個半導體主體及槽或孔形成 光轉(zhuǎn)換電路，其中多個半導體并聯(lián)電連接，及這些并聯(lián)電連接的半導 體與其它并聯(lián)電連接的半導體串聯(lián)連接以形成電矩陣，該電矩陣使半 導體主體放在并聯(lián)電連接的槽或孔中，這些槽或孔用作光子轉(zhuǎn)換并聯(lián) 連接的半導體周圍的高電壓情況時的旁路二極管。
66、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中多個半導體主體及槽或孔形成 光轉(zhuǎn)換電路，其中多個半導體并聯(lián)電連接，及這些并聯(lián)電連接的半導 體與其它并聯(lián)電連接的半導體串聯(lián)連接以形成電矩陣，半導體主體放 在用作逆電流情況時的阻塞二極管的槽或孔中。
67、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述槽或孔形成在電介質(zhì)材料中。
68、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述槽或孔由涂覆導電材料的 電介質(zhì)材料形成。
69、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述槽或孔或電極具有紋理、 凸起、微粒、脊、凹槽、翅片、毛狀物或彈性多形表面。
70、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，其中所述半導體主體由下列半導體 之一形成摻砷的硅、摻磷的硅、SiC、 InAs、 CuInSe2、 Cu(InGa)Se2、CuInS、 GaAs、 InGaP、 CdTe、 AlGaAs、 AlGaP、 Ge或這些半導體的 層。
71、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述槽或孔在下述電介質(zhì)之一中形成玻璃，聚酰亞胺塑料，聚芳酰胺塑料，聚酯，氟化碳氫化合 物，陶瓷，涂覆硅酮橡膠的鋼或鋁，涂覆硅酮碳氟化合物的鋼或鋁， 涂覆玻璃的鋼、銅、黃銅或鋁，涂覆陶瓷的鋼，或涂覆鋼或鋁的塑料。
72、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述電極由下述電導體之一形成金、鉬、鈀、銀、錫、鋁、銻、鉛、銅、鋅、鈦、鉬、鉭、鉤、 鋁、鎳、碳、硅、鐵、鉻、釩、鈮、鎬、銦、包含這些材料之一的合 金，或者由下述導電化合物之一形成氧化錫、氧化鋅或摻硼金剛石。
73、 根據(jù)權(quán)利要求l的設備，還包括由玻璃、光透射塑料、碳氟 化合物塑料及硅酮碳氟化合物形成的電介質(zhì)罩。
74、 根據(jù)權(quán)利要求2的設備，其中散射器由二氧化鈦微粒形成。
75、 根據(jù)權(quán)利要求2的設備，其中所述閃爍體由摻蒽塑料或橡膠 形成。
76、 根據(jù)權(quán)利要求2的設備，其中所述磷光體由摻銅或銀的硫酸 鋅或釔鋁石榴石形成。
77、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述半導體由摻雜硅球形成并 具有至少一平坦側(cè)。
78、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述半導體用摻雜硅球制成， 一個載體摻雜在所述球的內(nèi)部及另一載體摻雜在所述球的表層上，至 少一切割或接地側(cè)足夠平坦以暴露內(nèi)部摻雜區(qū)，電導體材料斑點附著 到暴露所述內(nèi)部摻雜區(qū)的平坦區(qū)域。
79、 根據(jù)權(quán)利要求1的設備，其中所述半導體主體并聯(lián)電連接到 其它半導體的陣列及串聯(lián)連接到半導體并連接到下述電元件之一或 多個導線、二極管、開關、熔斷器、電容器、電池、燃料電池、飛 輪、DC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-AC轉(zhuǎn)換器。
80、 根據(jù)權(quán)利要求3的設備，其中光集中光學器件指向并追蹤太 陽圓盤以將光集中到光電二極管內(nèi)。
81、 根據(jù)權(quán)利要求4的設備，其中所述陣列在陣列的方向遠離光 源的表面上方具有外殼，該外殼使液體通過所述表面以通過對流、泵 入的液體流和汽化除熱。
82、 根據(jù)權(quán)利要求4的設備，其中所述陣列在陣列的方向遠離光 源的表面上方具有外殼，該外殼保持經(jīng)歷熱相變的材料以從光電二極 管吸收熱量。
全文摘要
使用小尺寸的光學器件，小的光伏電池具有熱分布表面，可實現(xiàn)非常高的集中及隨后半導體的高度利用。離散光電二極管可被形成為具有高性能特性、精確尺寸及低成本的球形及其它幾何形狀的電池。本發(fā)明通過使用離散光伏電池的幾何形狀定位它們、將它們彈性電安裝、耦合到耐火和/或反射光學器件的小集光器系統(tǒng)，及形成到那些光電二極管的電網(wǎng)絡連接，可靠地對熱膨脹進行調(diào)節(jié)，及以低成本形成可靠的電功率陣列。電連接器和網(wǎng)絡可形成反射光學器件及除熱系統(tǒng)的一部分。電互連系統(tǒng)還可形成自校正及容忍點故障的可靠網(wǎng)絡。
文檔編號H02N6/00GK101501979SQ200780025743
公開日2009年8月5日 申請日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者R·G·霍克德 申請人:能量設備公司