專利名稱：增加太陽能收集器/集中器中的光收集角度范圍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光收集器及集中器的領(lǐng)域，且更明確地說，涉及使用微結(jié)構(gòu)化薄膜以收集并集中太陽輻射。
背景技術(shù)：
太陽能為可再生能源，其可被轉(zhuǎn)化為其它形式的能量(例如熱及電)。將太陽能用作可靠的可再生能源的主要缺點是將光能轉(zhuǎn)化為熱或電的低效率以及取決于一天中的時間及一年中的月份的太陽能的變化。光伏(PV)電池可用以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。使用PV電池的系統(tǒng)可具有介于10% 到20%之間的轉(zhuǎn)化效率?？蓪V電池制造得非常薄，且PV電池不如使用太陽能的其它裝置那樣大而笨重。PV電池在寬度及長度上可在從幾毫米到幾十厘米的范圍內(nèi)。來自一個 PV電池的個別電輸出可在從幾毫瓦到幾瓦特的范圍內(nèi)。若干PV電池可經(jīng)電連接及封裝以產(chǎn)生充足電量。太陽能集中器可用以收集并聚集太陽能以實現(xiàn)PV電池內(nèi)的較高轉(zhuǎn)化效率。舉例來說，拋物面反射鏡可用以收集光并將光聚集于將光能轉(zhuǎn)化為熱及電的裝置上。其它類型的透鏡及反射鏡還可用以顯著增加轉(zhuǎn)化效率，但其不會克服取決于一天中的時間、一年中的月份或天氣條件的所接收太陽能的量的變化。此外，利用透鏡/反射鏡的系統(tǒng)趨向于體積龐大且重量較大，因為有效收集并聚集太陽光所需的透鏡及反射鏡必須較大?？蓪V電池用于廣泛范圍的應(yīng)用中，例如向衛(wèi)星及宇宙飛船提供電力、向住宅及商業(yè)財產(chǎn)供電、對汽車電池及其它導航儀器進行充電。因此，對于許多應(yīng)用，還需要這些光收集器及/或集中器在大小上緊湊。

發(fā)明內(nèi)容
本文中描述的各種實施例包含用于收集/集中環(huán)境光并將所收集的光引導到光電池的光導。所述光導可包括一個或一個以上安置于光導前面的全息層。所述全息層可包含體積全息圖或表面起伏特征。全息層可使以第一角度入射的光轉(zhuǎn)向并以第二角度朝向多個棱鏡特征重新引導入射光。所述棱鏡特征可安置于光導的后面。可進一步重新引導入射于棱鏡特征上的光，以便通過多次全內(nèi)反射使光傳播穿過光導。所述棱鏡特征可包含反射光的刻面。在一些實施例中，所述刻面可相對于彼此成角度。所述光電池光學耦合到光導。在一些實施例中，光電池可鄰近于光導而安置。在一些其它實施例中，光電池可安置于光導的一個角落處。在各種實施例中，光電池可安置于光導下方。在一些實施例中，光導可安置于襯底上。襯底可包含玻璃、塑料、電致變色玻璃、智能玻璃等。本文中描述的各種實施例包含一種光收集裝置。所述光收集裝置包含用于導引光的構(gòu)件，所述光導引構(gòu)件具有頂部表面及底部表面。在各種實施例中，所述光導引構(gòu)件經(jīng)配置以通過所述頂部表面及所述底部表面處的多次全內(nèi)反射而在其中導引光。在各種實施例中，所述光收集裝置包含多個用于衍射光的構(gòu)件，所述光衍射構(gòu)件經(jīng)安置以相對于所述光導引構(gòu)件的頂部表面的法線以第一角度接收光。所述光收集裝置可額外地包含多個用于使光轉(zhuǎn)向的構(gòu)件，所述光轉(zhuǎn)向構(gòu)件安置于所述多個衍射構(gòu)件的后面。在各種實施例中，所述多個衍射構(gòu)件經(jīng)配置為以第二角度朝向所述多個光轉(zhuǎn)向構(gòu)件重新引導光。在各種實施例中， 所述多個光轉(zhuǎn)向構(gòu)件經(jīng)配置以使由衍射構(gòu)件重新引導的光轉(zhuǎn)向，使得通過從光導引構(gòu)件的所述頂部表面及所述底部表面的全內(nèi)反射而在光導引構(gòu)件中導引光。在一些實施例中，光導引構(gòu)件包含光導，或所述多個衍射構(gòu)件包含多個衍射特征，或所述多個光轉(zhuǎn)向構(gòu)件包含多個棱鏡特征。在各種實施例中，揭示一種制造光收集裝置的方法。所述方法包含提供具有頂部表面及底部表面的光導。在各種實施例中，所述光導經(jīng)配置以通過所述頂部表面及所述底部表面處的多次全內(nèi)反射而在其中導引光。所述方法包含相對于光導提供多個衍射特征。 在各種實施例中，所述多個衍射特征經(jīng)配置以相對于光導的頂部表面的法線以第一角度接收光。所述方法進一步包含相對于光導提供多個棱鏡特征。在各種實施例中，所述多個棱鏡特征安置在所述多個衍射特征的后面。在各種實施例中，所述多個棱鏡特征可安置于光導的后面。在各種實施例中，所述多個棱鏡特征可通過模制、壓印或蝕刻來提供。在各種實施例中，所述多個衍射特征可安置在光導的前面。在一些實施例中，所述多個衍射特征可提供于安置在光導前面的層中。


在僅用于說明性目的的示意性附圖中說明本文中所揭示的實例實施例。圖IA說明包含多個棱鏡特征的棱鏡光導的側(cè)視圖，所述棱鏡光導經(jīng)配置以收集相對于光導以近法向入射入射的光并將所述光導引到光電池。圖IB說明多個棱鏡特征的放大側(cè)視圖。圖IC展示圖IA中所描述的實施例的透視圖。圖ID說明將不導引以特定角度入射的光的包含多個棱鏡特征的光導的側(cè)視圖。圖2A說明包含棱鏡光導及進一步包含多個全息圖的全息層的實施例的側(cè)視圖， 所述實施例經(jīng)配置以收集光并將光導引到沿所述光導的一個邊緣安置的光伏電池。圖2B說明包含棱鏡光導及進一步包含多個全息圖的全息層的實施例的側(cè)視圖， 所述實施例經(jīng)配置以收集光并將光導引到沿所述光導的兩個邊緣安置的兩個光伏電池。圖3說明包含棱鏡光導及多個全息層的實施例的側(cè)視圖。圖4A說明包含以偏移棱鏡特征堆疊的多個棱鏡光導層及多個全息層的實施例的側(cè)視圖。圖4B說明包含具有具不同形狀的棱鏡特征的單一棱鏡光導層及多個全息層的實施例的側(cè)視圖。圖5A說明包含具有棱鏡特征的光導及全息層的實施例，所述棱鏡特征與放置于 中心處的光電池同心地布置。圖5B說明包含具有曲線棱鏡特征的光導、全息層及放置于一個角落處的光電池的實施例。圖6說明安置在全息膜后面的微結(jié)構(gòu)圖案的陣列。圖7說明其中包含全息層的光導經(jīng)斜切以將光引導到在所述光導下方的光電池的實施例。圖8展示放置于住宅的屋頂及窗戶上的光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜。圖9展示其中光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜放置于汽車頂上的實施例。圖10說明附接到膝上型計算機的主體的光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜。圖11展示附接被附接到衣服的光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜的實例。圖12展示將光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜放置于鞋上的實例。圖13展示其中光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜附接到飛機的機翼及窗戶的實施例。圖14展示其中光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜附接到帆船的實施例。圖15展示其中光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜附接到自行車的實施例。圖16說明其中光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜附接到衛(wèi)星的實施例。圖17展示其中大致上柔性以被卷起的光收集薄片光學耦合到光電池的實施例。
具體實施例方式以下詳細描述是針對本發(fā)明的某些具體實施例。然而，可以許多不同方式來體現(xiàn)本發(fā)明。如從以下描述將顯而易見，所述實施例可實施于經(jīng)配置以收集、捕集及集中來自某一來源的輻射的任何裝置中。更明確地說，預期本文中所描述的實施例可實施于多種應(yīng)用 (例如，向住宅及商業(yè)結(jié)構(gòu)及財產(chǎn)提供電力、向例如膝上型計算機、PDA、腕表、計算器、蜂窩電話、可攜式攝像機、照相機及視頻相機、mp3播放器等電子裝置提供電力)中或與所述多種應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。另外，本文中描述的實施例可用于可穿戴電力產(chǎn)生衣、鞋及附件中。本文中所描述的實施例中的一些實施例可用以對汽車電池或?qū)Ш絻x器進行充電并抽吸水。本文中所描述的實施例還可用于航天及衛(wèi)星應(yīng)用中。其它用途也是可能的。在本文中所描述的各種實施例中，太陽能收集器及/或集中器耦合到光電池。太陽能收集器及/或集中器包含光導，例如，上面形成有棱鏡轉(zhuǎn)向特征的板、薄片或膜。入射于光導上的環(huán)境光通過棱鏡特征而在光導內(nèi)轉(zhuǎn)向并通過全內(nèi)反射而被導弓I穿過光導。光電池沿光導的一個或一個以上邊緣安置，且沿光導傳播的光耦合到所述光電池。使用光導以收集、集中并引導環(huán)境光到光電池可實現(xiàn)以增加的效率及較低的成本將光能轉(zhuǎn)化為熱及電的光電裝置。光導可形成為板、薄片或膜。光導可由剛性或半剛性材料制成。在一些實施例中，光導可由柔性材料形成。在各種實施例中，光導可包含薄膜。光導可包含例如由以線性方式布置的凹槽形成的棱鏡特征。在一些實施例中，棱鏡特征可具有非線性延伸區(qū)。舉例來說，在一些實施例中，棱鏡特征可沿曲線布置。一個實施例可包含具有遍及光導弓I介質(zhì)分散的圓錐形反射特征的薄膜光導。 圖IA中展示用以將環(huán)境光耦合到光電池中的棱鏡光導的一個實施例。光電池可為光伏電池或光檢測器。圖IA說明包含相對于光電池103而安置的光導101的實施例100 的側(cè)視圖。在一些實施例中，光導101可進一步包含襯底(未圖示)。多個棱鏡特征102可安置于光導101內(nèi)。光導101可包含其間包括多個邊緣的頂部表面及底部表面。在圖IA 中所說明的實施例中，棱鏡特征安置于底部表面上。入射于光導101上的光可通過所述多個棱鏡特征102而重新引導到光導101中并通過頂部表面及底部表面處的多次全內(nèi)反射而在光導101內(nèi)導引。光導101可包含對在光電池敏感的一個或一個以上波長下的輻射為透明的光學透射材料。舉例來說，在一個實施例中，光導101對可見及近紅外線區(qū)域中的波長可為光學透射性的。在其它實施例中，光導101對紫外線或紅外線區(qū)域中的波長可為透明的。光導101可由例如玻璃、丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、聚酯或環(huán)烯聚合物等剛性或半剛性材料形成，以便向?qū)嵤├峁┙Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?；蛘撸鈱?01可由例如柔性聚合物等柔性材料形成。還可使用除本文中特定敘述的材料之外的材料。光導101的頂部表面可經(jīng)配置以接收環(huán)境光。光導101可在周圍以邊緣為界。通常，光導101的長度及寬度可大致上大于光導101的厚度。光導101的厚度可從0. 1毫米到10毫米不等。光導101的面積可從0.01cm2到IOOOOcm2不等。然而，這些范圍以外的尺寸也是可能的。在一些實施例中，組成光導101的材料的折射率可顯著高于周圍物，以便通過全內(nèi)反射(TIR)在光導101內(nèi)導引環(huán)境光的大部分。在光導101內(nèi)所導引的光可能歸因于吸收到光導中及從其它刻面散射而遭受損失。為了減少所導引光的此損失，在一些實施例中，光導101的長度可限于數(shù)十英寸，以便減少反射的數(shù)目。然而，限制光導101的長度可減小收集光的面積。因此，在一些實施例中， 光導101的長度可增加到大于數(shù)十英寸。在一些實施例中，可將光學涂層沉積在光導101 的表面上以減少散射損失。在一個實施例中，如圖IA中所示，光導101包含安置于光導101的底部表面上的棱鏡特征102。所述棱鏡特征可包含形成于光導101的底部表面上的狹長凹槽。所述凹槽可填充有光學透射材料。棱鏡特征102可通過模制、壓印、蝕刻或其它替代技術(shù)形成于光導 101的底部表面上?；蛘?，棱鏡特征102可安置于可層壓于光導101的底部表面上的膜上。 在包含棱鏡膜的一些實施例中，可單獨在棱鏡膜內(nèi)導引光。棱鏡特征102可包含多種形狀。 舉例來說，棱鏡特征102可為線性ν型凹槽?；蛘撸忡R特征102可包含曲線凹槽或非線性形狀。其它配置也是可能的。圖IB展示呈線性ν型凹槽116形式的棱鏡特征102的放大圖。ν型凹槽116包含如圖IB中所示相對于彼此以角距α布置的兩個平面刻面Fl及F2。所述刻面之間的角距 α可從15度到120度不等。在一些實施例中，刻面Fl及F2可具有相等長度。在一些其它實施例中，所述刻面中的一者的長度可大于另一者。兩個連續(xù)ν型凹槽之間的距離“a”可在5微米到500微米之間變化。由“b”指示的ν型凹槽的寬度可在0. 001毫米到0. 100毫米之間變化，而由“d”指示的ν型凹槽的深度可在0. 001毫米到0. 5毫米之間變化。還可使用這些范圍外的尺寸。
圖IC展示圖IA中所描述的實施例的透視圖。圖IC中所描述的實施例包含沿光導101的底部表面布置的若干行線性V型凹槽。參看圖IA及圖1C，光電池103相對于光導101橫向安置。所述光電池經(jīng)配置以接收通過棱鏡特征102導引穿過光導101的光。光電池103可包含單層或多層p-n結(jié)，且可由硅、非晶硅或例如碲化鎘等其它半導體材料形成。在一些實施例中，可使用基于光電化學電池、聚合物或納米技術(shù)的光電池103。光電池103還可包含薄多光譜層。多光譜層可進一步包含分散于聚合物中的納米晶體。若干多光譜層可經(jīng)堆疊以增加光電池103的效率。 圖IA及圖IC展示其中光電池103沿光導101的一個邊緣(例如，在光導101的左邊)安置的實施例。然而，另一光電池還可安置于光導101的另一邊緣處(例如，在光導101的右邊)。其它類型的光電池及相對于光導101定位所述光電池的其它配置也是可能的?？山?jīng)收集且經(jīng)導引穿過 棱鏡光導的光的量通常可取決于棱鏡特征的幾何形狀、類型及密度。在一些實施例中，所收集的光的量還可取決于光導引材料的折射率，光導引材料的折射率確定光導的數(shù)值孔徑。在一些實施例中，棱鏡特征的幾何形狀使得僅入射角位于特定角錐(本文中稱為接收角錐)內(nèi)的那些光線將由棱鏡特征轉(zhuǎn)向而進入光導的導引模式，而入射角位于所述角錐外的那些光線將透射或反射離開光導。舉例來說，在圖IA中，棱鏡特征102的幾何形狀使得入射角位于具有半角β的角錐106內(nèi)的那些光線(例如，大致上沿光導101的表面的法線的射線104)由棱鏡特征102重新引導并通過從光導101的頂部表面及底部表面的多次反射而在光導101內(nèi)導引。入射角位于角錐106外的那些光線可透射穿過光導101。舉例來說，在圖ID中，光線108以角度θ 2入射于光導101的頂部表面上，使得光線108位于角錐106外。光線108 可被折射到光導101中，使得其照射光導101的底部表面的缺少棱鏡特征102的一部分且隨后透射穿過光導101。在一些實施例中，接收角錐可較小。在一些實施例中，半角β可為約10度。為了增加入射于光導上的在光導內(nèi)導引的射線的角度范圍，將角轉(zhuǎn)向?qū)影仓迷诶忡R光導前面可為有利的，所述角轉(zhuǎn)向?qū)涌墒谷肷浣俏挥诮邮战清F外的光線轉(zhuǎn)向，使得所述光線以位于接收角錐內(nèi)的入射角入射于棱鏡光導上。下文參看圖2Α進一步論述此概念。圖2Α說明包含棱鏡光導201的實施例2000。棱鏡特征202安置于棱鏡光導201 的后面。所述實施例進一步包含安置于光導201前面的角轉(zhuǎn)向?qū)?09。在一些實施例中，角轉(zhuǎn)向?qū)?09可包含全息層。在一些實施例中，角轉(zhuǎn)向?qū)?09可包含體積特征(例如，體積全息圖)。在一些實施例中，角轉(zhuǎn)向?qū)?09可包含表面起伏特征(例如，形成表面全息圖或表面衍射光學元件等的表面起伏衍射特征)。在一些實施例中，角轉(zhuǎn)向?qū)涌砂w積特征及表面起伏衍射特征。在一些實施例中，棱鏡光導201及角轉(zhuǎn)向?qū)?09可層壓在一起。角轉(zhuǎn)向?qū)?09可通過粘合層207而接合到棱鏡光導201。在一些實施例中，粘合層207可包含壓敏粘合劑(PSA)。在一些實施例中，粘合層207的折射率可低于組成棱鏡光導201的材料的折射率。舉例來說，在一個實施例中，粘合層207的折射率可為約1. 47，而棱鏡光導201可包含高折射率材料，例如具有約為1. 59的折射率的聚碳酸酯。在包含具有比光導引材料低的折射率的PSA層的實施例中，光與光轉(zhuǎn)向?qū)酉嗷プ饔们译S后通過在波導與PSA層的界面處的多次全內(nèi)反射而在波導中導引且因此被捕集于光導引層中。光在入射后即刻僅與光轉(zhuǎn)向?qū)酉嗷プ饔靡淮吻移浜蟛辉倥c光轉(zhuǎn)向?qū)酉嗷プ饔?，其中光可被散射、吸收或衍射到自由空間中。因此， 與不具有具有比光導引材料低的折射率的PSA層的實施例相比，包含具有比光導引材料低的折射率的PSA層的實施例可具有較低損失?？紤]分別以角度Q J θ 2入射于實施例2000的上表面上的兩個光線210及211， 如圖2Α中所示。射線211的入射角等于圖ID中所參考的射線108的入射角。角轉(zhuǎn)向?qū)?209將射線210及211的方向轉(zhuǎn)向，使得其在棱鏡光導201的接收錐206a及206b內(nèi)入射于棱鏡光導201上。因此，通過將角轉(zhuǎn)向?qū)影仓糜诶忡R光導201的前面，可將原本不會被導引的光線轉(zhuǎn)變到棱鏡光導201的導引模式中。角轉(zhuǎn)向?qū)?09可包含經(jīng)配置以將以第一角度入射的光線轉(zhuǎn)向到第二角度的第一組體積、表面起伏特征或其組合。在各種實施例中，第二角度可比第一角度更法向。角轉(zhuǎn)向?qū)?09可包含經(jīng)配置以將以第三角度入射的光線轉(zhuǎn)向到第四角度的第二組體積、表面起伏特征或其組合。第一組及第二組衍射特征可包括于單一角轉(zhuǎn)向?qū)?09中或包括于多個角轉(zhuǎn)向?qū)由?。舉例來說，在圖2B中，角轉(zhuǎn)向?qū)?09包含第一組衍射特征，使得以角度Y1入射于實施例2010上的光線212通過角轉(zhuǎn)向?qū)?09而轉(zhuǎn)向，使得射線212以近法向入射入射于棱鏡光導201上且隨后在光導201內(nèi)導引。經(jīng)導引的光線212可在照射光導201的邊緣之后退出光導201且可光學耦合到光電池203a。透鏡或光管可用以將來自光導201的光光學耦合到光電池203a。舉例來說，在一個實施例中，光導201可缺乏朝向更接近光電池203a的末端的棱鏡特征202。光導201的無任何棱鏡特征的部分可充當光管。圖2B中所示的實施例2010進一步包含第二組衍射特征，使得以角度Y2入射于實施例2010上的光線213通過角轉(zhuǎn)向?qū)?09而轉(zhuǎn)向，使得射線213以近法向入射入射于棱鏡光導201上且隨后在光導201內(nèi)導引并耦合到光電池203b中。圖3中所說明的實施例3000包含安置于包含棱鏡特征302的棱鏡光導層301前面的兩個角轉(zhuǎn)向?qū)?09及311。第一角轉(zhuǎn)向?qū)?09包含第一組衍射特征，使得以角度Q1A 射于實施例3000上的光線304通過角轉(zhuǎn)向?qū)?09而轉(zhuǎn)向，使得射線304以近法向入射入射于棱鏡光導301上且隨后在光導301內(nèi)導引并引導朝向光電池303。光線304在未被轉(zhuǎn)向或衍射的情況下透射穿過第二角轉(zhuǎn)向?qū)?11。第二角轉(zhuǎn)向?qū)?11包含第二組衍射特征，使得以角度θ 2入射于實施例3000上的光線305通過角轉(zhuǎn)向?qū)?11而轉(zhuǎn)向，使得射線305以近法向入射入射于棱鏡光導301上且隨后在光導301內(nèi)導引并引導朝向光電池303。在光線305已通過第二角轉(zhuǎn)向?qū)?11轉(zhuǎn)向或衍射之后，光線305在未被轉(zhuǎn)向或衍射的情況下透射穿過第一角轉(zhuǎn)向?qū)?09。角轉(zhuǎn)向?qū)?309及311可通過粘合層307而接合到光導301。圖4Α展示包含相對于光電池403的邊緣橫向安置的兩個棱鏡光導401a及401b 的實施例4000。光導401a進一步包含相對窄的棱鏡特征402a，且光導401b進一步包含相對寬的成角度刻面402b。棱鏡特征402a及402b可相對于彼此而偏移。以此方式使棱鏡特征402a及402b偏移減小了特征之間的空間且增加了棱鏡特征的密度。使特征偏移可增加光學耦合到光電池403的光的量，進而增加光電池403的電輸出。由于光導層401a及401b 可為薄的，所以有可能以此方式堆疊多個光導層并增加耦合到PV電池403的光的量。可堆疊在一起的層的數(shù)目取決于每一層的大小及/或厚度以及每一層的界面處的散射損失。在一些實施例中，至少十個光導層可堆疊在一起。在各種實施例中，可使用更多或更少的層。角轉(zhuǎn)向?qū)?09及411可通過粘合層407而接合到光導層。以角度θ 2入射于實施例4000上的光線405通過角轉(zhuǎn)向?qū)?11而轉(zhuǎn)向，使得光線 405以角度Y2入射于棱鏡光導401a上且隨后在棱鏡光導401a內(nèi)導引并耦合到光電池403 中。以角度Q1入射于實施例4000上的光線404通過角轉(zhuǎn)向?qū)?09而轉(zhuǎn)向，使得光線404 以角度Y ！入射于棱鏡光導401b上且隨后在棱鏡光導401b內(nèi)導引并耦合到光電池403中。 此設(shè)計的一個可能優(yōu)點在于，可在不機械地旋轉(zhuǎn)膜的情況下以廣泛角度范圍來有效地收集光。圖4B說明在同一光導401a上包含窄與寬成角度刻面兩者的替代實施例4010。 在一個實例中，圖4A及圖4B中所說明的實施例的角轉(zhuǎn)向?qū)?09及411可包含多個衍射特征，使得來自太陽的光在一天期間的多個時間及在一年中的不同時間被有效地轉(zhuǎn)向并在棱鏡光導內(nèi)導引。使用角轉(zhuǎn)向?qū)右允挂远鄠€角度入射的光線轉(zhuǎn)向以使得這些射線可在棱鏡光導引板、薄片或膜內(nèi)被導引且可被引導朝向光電池的優(yōu)點在于，可需要較少數(shù)目的光電池以實現(xiàn)所要電輸出。因此，此技術(shù)有可能會減少用光電池產(chǎn)生能量的成本。圖5A說明使用多角度方法的實施例。在一個實施例中，棱鏡特征或ν型凹槽的狹長刻面具有非線性延伸區(qū)。圖5A中所說明的特定實施例包含由光學透射材料形成的光導引板、薄片或膜501。凹槽沿同心圓而布置于光導引板501的表面上。在一些實施例中，凹槽可沿橢圓路徑而安置。其它曲線配置也是可能的。這些凹槽可為如橫截面502所說明的 ν形凹槽?？墒褂妙愃朴诰€性ν型凹槽的制造工藝來制造為非線性(例如，同心)的V型凹槽。角轉(zhuǎn)向?qū)?09安置于光導引板501上方，使得具有不同方位角的光線510、511及512 由角轉(zhuǎn)向?qū)愚D(zhuǎn)向且隨后由ν型凹槽轉(zhuǎn)向朝向光電池503。在一些實施例中，光電池可放置于同心圖案的中心處。在一些實施例中，光電池可遠離同心圖案的中心而安置。在圖5B中所說明的另一實施例中，光電池503可定位于光導引板、薄片或膜501 的一個角落處。光導引板、薄片或膜可具有矩形、正方形或某一其它幾何形狀。凹槽可沿曲線514形成于光導引板、薄片或膜上。曲線514的中心可不對應(yīng)于光導引板、薄片或膜501 的中心。與另一角落相比，曲線514的中心可更接近于具有光電池503的角落。凹槽可為凹面的且可面向光電池503。角轉(zhuǎn)向?qū)?09可安置于光導引板、薄片或膜的前面，使得環(huán)境光被引導朝向彎曲凹槽514且隨后被轉(zhuǎn)向并耦合到光電池503中。包含曲線棱鏡特征或凹槽的此設(shè)計在光收集方面可比包含沿線性棱鏡膜的一個邊緣而安置的光電池的設(shè)計更有效， 且可使得能夠使用較小光電池。在一些實施例中，光導的長度可限于數(shù)十英寸以減少歸因于反射的損失。然而，限制光導的長度可減少收集光的面積。在一些應(yīng)用中，在大面積上收集光可為有利的。一種用以在大面積上收集光的方法可為圖6中所示的微結(jié)構(gòu)的矩陣圖案。圖6中所示的實施例說明布置成矩陣圖案的多個元件601。矩陣圖案可包含多個行及列。行的數(shù)目可等于列的數(shù)目。任何兩行中的元件的數(shù)目可為不同的。類似地，任何兩列中的元件的數(shù)目也可為不同的。在一些實施例中，矩陣圖案可為不規(guī)則的。矩陣中的元件包含上面形成有多個ν型凹槽圖案的光導引板、薄片或膜。還可使用除ν型凹槽之外的其它凹槽圖案。矩陣中的元件可含有相同或不同的微結(jié)構(gòu)圖案。舉例來說，不同元件中的微結(jié)構(gòu)圖案可在大小、形狀、 定向及類型方面有所不同。因此，矩陣中的不同元件可以不同角度收集環(huán)境光(例如，太陽光)。光電池可分布在矩陣的周邊內(nèi)(例如，在相鄰光導之間)以及沿矩陣的周邊。角轉(zhuǎn)向?qū)?09可安置于矩陣圖案的前面。角轉(zhuǎn)向?qū)?09的不同區(qū)域可包含不同體積或表面起伏特征。在一些實施例中，角轉(zhuǎn)向?qū)?09可包含單一板、薄片或膜。在其它實施例中，角轉(zhuǎn)向?qū)涌砂仓糜诰仃嚨拿恳辉戏降亩鄠€板、薄片或膜。上文所揭示的方法可有利于制造耦合到多個光電池的光收集器的大面板，所述大面板(例如)可固定到住宅及商業(yè)建筑的屋頂頂部。 在圖2A中所說明的實施例中，光電池抵靠光導引板、薄片或膜201的邊緣而對接。 替代地，在一些實施例中，如圖7中所示，在光導引板、薄片或膜的邊緣處斜切光導引板、薄片或膜以使得光朝向光電池而被重新引導離開光導引板、薄片或膜(例如，光導的底部或頂部)可為有利的。圖7說明具有包含棱鏡特征702的經(jīng)斜切的光導引板、薄片或膜701 的實施例。圖7中所示的實施例的透視圖展示具有上表面Sl及下表面S2的光導。上表面 Sl及下表面S2在左邊以邊緣表面El為界且在右邊以邊緣表面E2為界。邊緣表面El及 E2相對于上表面Sl及下表面S2傾斜。邊緣表面El及E2相對于上表面Sl及下表面S2的傾斜角可不等于90度。圖7中所示的實施例進一步包含包括衍射特征的角轉(zhuǎn)向?qū)?09。入射于角轉(zhuǎn)向?qū)?09的上表面上的光線被轉(zhuǎn)向并引導朝向光導701，使得所述光線通過棱鏡特征702而轉(zhuǎn)向進入光導701中且通過從上表面Sl及下表面S2的全內(nèi)反射而沿經(jīng)斜切的光導被導引。在照射傾斜邊緣El后，經(jīng)導引的光線可接近下表面S2的法線朝向安置于光導引板或膜701后面的光電池703而被引導離開光導。斜切光導引板、薄片或膜701的邊緣可簡化光電池703與光導引板、薄片或膜701之間的對準。可構(gòu)想將包含棱鏡特征的多個經(jīng)斜切的光導布置成類似于圖6中所描述的實施例的矩陣圖案。此實施例中的光電池可(例如)安置于矩陣圖案下方。入射于矩陣圖案的上表面上的環(huán)境光通過光導的經(jīng)斜切邊緣引導朝向(例如)安置于矩陣圖案后面的光電池。在一些實施例中，錐形空腔而非狹長凹槽可形成于光導引板、薄片或膜的表面上。 錐形空腔可以隨機或有序方式分布在整個光導引板、薄片或膜上。錐形空腔可具有圓形或橢圓形橫截面或其它形狀。錐形空腔可在多個方向上接收光且歸因于其三維結(jié)構(gòu)而沿多個方向重新引導光。使用包含棱鏡特征及角轉(zhuǎn)向?qū)拥墓馐占?、薄片或膜來收集、集中并引導光到光電池的方法可用以實現(xiàn)具有增加的效率且可為廉價、薄及重量輕的太陽能電池。包含耦合到光電池的光收集板、薄片或膜的太陽能電池可經(jīng)布置以形成太陽能電池的面板。太陽能電池的所述面板可用于多種應(yīng)用中。舉例來說，包含光學耦合到光電池的多個光收集板、薄片或膜的太陽能電池804的面板可如圖8中所說明安裝在住宅或商業(yè)建筑的屋頂頂部上或放置于門及窗戶上以向家或商業(yè)提供補充電力。光收集板、薄片或膜可由透明或半透明板、 薄片或膜形成。光收集薄片可為透明的且有可能減少眩光以穿過窗戶而觀看(如果光收集薄片放置于窗戶上的話)。棱鏡光收集板、薄片或膜可出于美學目的而經(jīng)著色(例如，紅色或棕色)。在一些實施例中，光收集薄片可經(jīng)染色或著色以阻擋光。光收集板、薄片或膜可為剛性或柔性的。在一些實施例中，光收集板、薄片或膜可具充分柔性以被卷起。在其它實施例中，棱鏡薄片可具有波長濾波特性以濾去紫外線輻射。在其它應(yīng)用中，光收集板、薄片或膜可分別如圖9及圖10中所示安裝在汽車及膝上型計算機上以提供電力。在圖9中，光收集板、薄片或膜904安裝到汽車頂。光電池908 可沿光收集器904的邊緣而安置。由光電池908產(chǎn)生的電力可用以(例如)對由汽油、電或兩者提供動力的車輛的電池進行再充電或還使電組件運作。在圖10中，光收集板、薄片或膜1004可附接到膝上型計算機的主體(例如，外殼)。這在無電連接的情況下向膝上型計算機提供電力方面是有利的。光學耦合到光電池的光導引收集器還可用以對膝上型計算機電池進行再充電。 在替代實施例中，光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜可附接到衣服或鞋。舉例來說，圖11說明包含光學耦合到光電池1108的光收集板、薄片或膜1104的夾克或背心， 光電池1108安置在夾克或背心的下周邊周圍。在替代實施例中，光電池1108可安置于夾克或背心上的任何地方。光收集板、薄片或膜1104可收集、集中并引導環(huán)境光到光電池1108。 由光電池1108產(chǎn)生的電可用以向例如PDA、mp3播放器、蜂窩電話等手持式裝置供電。由光電池1108產(chǎn)生的電還可用以照亮在黑暗中由航空公司地勤人員、警察、消防員及應(yīng)急救援人員所穿戴的背心及夾克以增加可見性。在圖12中所說明的另一實施例中，光收集板、薄片或膜1204可安置于鞋上。光電池1208可沿光收集板、薄片或膜1204的邊緣而安置。包含耦合到光電池的棱鏡光收集板、薄片或膜的太陽能電池的面板還可安裝在航空器、卡車、火車、自行車、船及太空飛行器上。舉例來說，如圖13中所示，光收集板、薄片或膜1304可附接到飛機的機翼或飛機的窗玻璃。如圖13中所說明，光電池1308可沿光收集板、薄片或膜的邊緣而安置。所產(chǎn)生的電可用以向航空器的部件提供電力。圖14說明使用耦合到光電池的光收集器(例如)向船中的導航儀器或裝置(例如，冰箱、電視及其它電氣設(shè)備)供電。光收集板、薄片或膜1404附接到帆船的帆或者附接到船體。PV電池1408安置于光收集板、薄片或膜1404的邊緣處。在替代實施例中，光收集板、薄片或膜1404可附接到船體，例如，船艙、船身或甲板。光收集板、薄片或膜1504可如圖15中所說明安裝在自行車上。圖16說明光學耦合到光電池1608的光收集板、薄片或膜1604向通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星及其它類型的衛(wèi)星提供電力的又一應(yīng)用。圖17說明具充分柔性以被卷起的光收集薄片1704。所述光收集薄片光學耦合到光電池1708。圖17中所描述的實施例可在露營或背包徒步旅行時被卷起并攜帶以在戶外及在電連接稀少的偏僻地區(qū)產(chǎn)生電力。另外，光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜可附接到多種各樣的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品以提供電。光學耦合到光電池的光收集板、薄片或膜可具有額外的模塊化優(yōu)點。舉例來說，取決于設(shè)計，光電池可經(jīng)配置以可選擇性地附接到光收集板、薄片或膜或可從光收集板、薄片或膜卸下。因此，現(xiàn)有光電池可用更新且更有效的光電池來周期性地替換而不必替換整個系統(tǒng)。此替換光電池的能力可實質(zhì)性地減少維護及升級的成本。廣泛多種其它變型也是可能的?？商砑?、移除或重新布置膜、層、組件及/或元件。 此外，可添加、移除或重新排序處理步驟。而且，雖然本文中使用術(shù)語“膜”及“層”，但如本文中所使用的這些術(shù)語包括膜堆疊及多層?？墒褂谜澈蟿⑦@些膜堆疊及多層粘附到其它結(jié)構(gòu)或可使用沉積或以其它方式將這些膜堆疊及多層形成于其它結(jié)構(gòu)上。上文所描述的實例僅為示范性的，且所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員現(xiàn)可在不脫離本文所揭示的發(fā)明性概念的情況下對上述實例進行大量利用及偏離。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易明白對這些實例的各種修改，且本文中所界定的一般原理可在不脫離本文中所描述的新穎方面的精神或范圍的情況下應(yīng)用于其它實例。因此，本發(fā)明的范圍并不希望限于本文所示的實例，而是應(yīng)被賦予與本文所揭示的原理及新穎特征一致的最廣范圍。詞“示范性”在本文中專門用于意指“充當實例、例子或說明”。本文中描述為“示范性”的任何實例不必解釋為比其它實例優(yōu)選或有 利。
權(quán)利要求
1.一種光收集裝置，其包含具有頂部及底部表面的光導，所述光導通過所述頂部及底部表面處的多次全內(nèi)反射而在其中導引光；多個衍射特征，其經(jīng)安置以相對于所述光導的所述頂部表面的法線以第一角度接收光；及多個棱鏡特征，其安置于所述多個衍射特征的后面，其中所述衍射特征被配置為以第二角度朝向所述多個棱鏡特征重新引導所述光， 其中所述第二角度比所述第一角度更法向，且其中所述多個棱鏡特征經(jīng)配置以使由所述衍射特征重新引導的所述光轉(zhuǎn)向，使得通過從所述光導的所述頂部及底部表面的全內(nèi)反射而在所述光導中導弓I所述光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述光導包含板、薄片或膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述光導為柔性的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述光導包含薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述光導包含玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述光導包含塑料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光收集裝置，其中所述光導包含丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、聚酯或環(huán)烯聚合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個衍射特征包含體積特征。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個衍射特征包含表面起伏特征。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其進一步包含包括所述多個衍射特征的全息層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光收集裝置，其進一步包含位于所述全息層中的多個全息圖。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其進一步包含包括第一組多個衍射特征的第一全息層以及包括第二組多個衍射特征的第二全息層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光收集裝置，其中所述第一全息層及所述第二全息層層壓在一起。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其進一步包含包括所述多個衍射特征的衍射層及位于其上的平面化層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述第一角度大致在距所述光導的所述表面的所述法線10度與90度之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述第二角度大致法向于所述光導的所述表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個衍射特征形成于所述光導的所述頂部表面上。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個棱鏡特征包含狹長凹槽。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光收集裝置，其中所述狹長凹槽為筆直的。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光收集裝置，其中所述狹長凹槽為彎曲的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個棱鏡特征包含相對于彼此成角度的平面刻面。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光收集裝置，其中平面刻面以15度到85度之間的角度相對于彼此定向。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中棱鏡特征包含凹坑。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的光收集裝置，其中所述凹坑為圓錐形的。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的光收集裝置，其中所述凹坑具有包含傾斜表面部分的至少三個側(cè)面。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述棱鏡特征具有相同形狀。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述棱鏡特征中的至少一些棱鏡特征具有不同形狀。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個棱鏡特征形成于所述光導的所述底部表面上。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個棱鏡特征包括于一個或一個以上棱鏡膜中。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的光收集裝置，其中所述一個或一個以上棱鏡膜安置在所述光導的后面。
31.根據(jù)權(quán)利要求四所述的光收集裝置，其進一步包含包括第一組棱鏡特征的第一棱鏡膜以及包括第二組棱鏡特征的第二棱鏡膜，且其中所述第一棱鏡膜中的所述第一組棱鏡特征中的至少一些棱鏡特征相對于所述第二棱鏡膜中的所述第二組棱鏡特征中的一些棱鏡特征橫向偏移。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的光收集裝置，其中所述第一棱鏡膜中的所述第一組棱鏡特征中的至少一些棱鏡特征不同于所述第二棱鏡膜中的所述第二組棱鏡特征中的一些棱鏡特征而成形。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個棱鏡特征沿多個平行線性路徑延伸。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述棱鏡特征沿多個同心圓形曲線路徑延伸。
35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個棱鏡特征沿多個橢圓形曲線路徑延伸。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其中所述多個棱鏡特征進一步包含包含第一組棱鏡特征的第一區(qū)段；及包含第二組棱鏡特征的第二區(qū)段，其中所述第一及第二區(qū)段相對于彼此橫向安置，且所述第一組棱鏡特征具有不同于所述第二組棱鏡特征的形狀或定向。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收集裝置，其進一步包含一個或一個以上粘合層。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光收集裝置，其中所述粘合層包含壓敏粘合劑。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光收集裝置，其中所述粘合層安置于所述多個衍射特征與所述光導的所述頂部表面之間。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光收集裝置，其中所述粘合層安置于所述多個棱鏡特征與所述光導的所述底部表面之間。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光收集裝置，其中所述粘合層的折射率小于所述光導材料的折射率。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的光收集裝置，其中所述粘合層被配置為包層以增加所述光導中的局限性。
43.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其進一步包含經(jīng)配置以接收在所述光導中導引的光的第一光電池。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光電池包含光伏電池。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光電池對接耦合到所述光導的邊緣。
46.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述光導包括經(jīng)斜切表面，且所述第一光電池相對于所述經(jīng)斜切表面而安置以接收從其反射的光。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其中所述第一光電池安置于所述第一光導的下方。
48.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光電池安置于所述光導的角落處。
49.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其進一步包含經(jīng)配置以接收在所述光導中導引的光的第二光電池。
50.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導安置于汽車、航空器、太空飛行器或海船上。
51.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導安置于自行車、手推童車或拖車上。
52.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導安置于衣服上。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述第一光導安置于襯衫、褲子、短褲、外套、夾克、背心、帽子或鞋襪上。
54.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導安置于計算機、蜂窩電話或個人數(shù)字助理上。
55.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導安置于建筑結(jié)構(gòu)上。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的裝置，其中所述第一光導安置于房屋或建筑上。
57.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導安置于電氣裝置上。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述第一光導安置于燈、電話或馬達上。
59.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導位于帳篷或睡袋上。
60.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一光導被卷起或折疊。
61.一種光收集裝置，其包含用于導引光的構(gòu)件，所述光導引構(gòu)件具有頂部及底部表面，所述光導引構(gòu)件經(jīng)配置以通過所述頂部及底部表面處的多次全內(nèi)反射而在其中導引光；多個用于衍射光的構(gòu)件，所述光衍射構(gòu)件經(jīng)安置以相對于所述光導引構(gòu)件的所述頂部表面的法線以第一角度接收光；及多個用于使光轉(zhuǎn)向的構(gòu)件，所述光轉(zhuǎn)向構(gòu)件安置于所述多個衍射構(gòu)件的后面， 其中所述多個衍射構(gòu)件被配置為以第二角度朝向所述多個光轉(zhuǎn)向構(gòu)件重新引導所述光，其中所述第二角度比所述第一角度更法向，且其中所述多個光轉(zhuǎn)向構(gòu)件經(jīng)配置以使由所述衍射構(gòu)件重新引導的所述光轉(zhuǎn)向，使得通過從所述光導引構(gòu)件的所述頂部及底部表面的全內(nèi)反射而在所述光導引構(gòu)件中導引所述光。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的光收集裝置，其中所述光導引構(gòu)件包含光導，或所述多個衍射構(gòu)件包含多個衍射特征，或所述多個光轉(zhuǎn)向構(gòu)件包含多個棱鏡特征。
63.一種制造光收集裝置的方法，所述方法包含提供具有頂部及底部表面的光導，所述光導經(jīng)配置以通過所述頂部及底部表面處的多次全內(nèi)反射而在其中導引光；提供多個衍射特征，所述多個衍射特征經(jīng)配置以相對于所述光導的所述頂部表面的法線以第一角度接收光；及提供多個棱鏡特征，所述多個棱鏡特征安置于所述多個衍射特征的后面， 其中所述多個衍射特征被配置為以第二角度朝向所述多個棱鏡特征重新引導所述光， 其中所述第二角度比所述第一角度更法向，且其中所述多個棱鏡特征經(jīng)配置以使通過所述衍射特征重新弓I導的所述光轉(zhuǎn)向，使得通過從所述光導的所述頂部及底部表面的全內(nèi)反射而在所述光導中導弓I所述光。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中將所述多個棱鏡特征安置于所述光導的后面。
65.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中通過模制來提供所述多個棱鏡特征。
66.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中通過壓印來提供所述多個棱鏡特征。
67.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中通過蝕刻來提供所述多個棱鏡特征。
68.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中將所述多個衍射特征安置于所述光導的前面。
69.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中將所述多個衍射特征提供于安置在所述光導前面的層中。
全文摘要
在本文所描述的各種實施例中，一種裝置包含安置于光學耦合到光電池(203)的光導引層(201)上方的角轉(zhuǎn)向?qū)?209)。多個表面特征(202)形成于所述光導引層的多個表面中的一者上。所述表面特征(202)可包含相對于彼此成角度的刻面。所述角轉(zhuǎn)向?qū)?209)包含衍射特征，所述衍射特征為體積特征或表面起伏特征。以第一角度入射于所述角轉(zhuǎn)向?qū)?209)上的光(210、211)以第二角度朝向所述光導引層(201)轉(zhuǎn)向且隨后由所述光導引層(201)的所述表面特征以第三角度重新引導并通過多次全內(nèi)反射而導引穿過所述光導引層(201)。所述經(jīng)導引的光被引導朝向光電池(203)。
文檔編號H01L31/052GK102160196SQ200980136185
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者卡斯拉·哈澤尼, 魯塞爾·韋恩·格魯爾克 申請人:高通Mems科技公司