CN102160196A

CN102160196A - 增加太阳能收集器/集中器中的光收集角度范围

Info

Publication number: CN102160196A
Application number: CN2009801361856A
Authority: CN
Inventors: 鲁塞尔·韦恩·格鲁尔克; 卡斯拉·哈泽尼
Original assignee: Qualcomm MEMS Technologies Inc
Current assignee: Qualcomm MEMS Technologies Inc
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-08-17
Also published as: US20100180946A1; WO2010033632A3; EP2340567A2; WO2010033632A2; JP2012503221A; TW201024825A; KR20110069071A

Abstract

在本文所描述的各种实施例中，一种装置包含安置于光学耦合到光电池(203)的光导引层(201)上方的角转向层(209)。多个表面特征(202)形成于所述光导引层的多个表面中的一者上。所述表面特征(202)可包含相对于彼此成角度的刻面。所述角转向层(209)包含衍射特征，所述衍射特征为体积特征或表面起伏特征。以第一角度入射于所述角转向层(209)上的光(210、211)以第二角度朝向所述光导引层(201)转向且随后由所述光导引层(201)的所述表面特征以第三角度重新引导并通过多次全内反射而导引穿过所述光导引层(201)。所述经导引的光被引导朝向光电池(203)。

Description

增加太阳能收集器/集中器中的光收集角度范围

相关申请案的交叉参考

本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张2008年9月18日申请的题目为“增加太阳能收集器/集中器中的光收集角度范围(INCREASING THE ANGULAR RANGE OF LIGHT COLLECTION IN SOLAR COLLECTORS/CONCENTRATORS)”的第61/098,179号美国临时申请案(代理人案号QMRC.010PR)的优先权，所述临时申请案的全文特此明确地以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及光收集器及集中器的领域，且更明确地说，涉及使用微结构化薄膜以收集并集中太阳辐射。

背景技术

太阳能为可再生能源，其可被转化为其它形式的能量(例如热及电)。将太阳能用作可靠的可再生能源的主要缺点是将光能转化为热或电的低效率以及取决于一天中的时间及一年中的月份的太阳能的变化。

光伏(PV)电池可用以将太阳能转化为电能。使用PV电池的系统可具有介于10％到20％之间的转化效率。可将PV电池制造得非常薄，且PV电池不如使用太阳能的其它装置那样大而笨重。PV电池在宽度及长度上可在从几毫米到几十厘米的范围内。来自一个PV电池的个别电输出可在从几毫瓦到几瓦特的范围内。若干PV电池可经电连接及封装以产生充足电量。

太阳能集中器可用以收集并聚集太阳能以实现PV电池内的较高转化效率。举例来说，抛物面反射镜可用以收集光并将光聚集于将光能转化为热及电的装置上。其它类型的透镜及反射镜还可用以显著增加转化效率，但其不会克服取决于一天中的时间、一年中的月份或天气条件的所接收太阳能的量的变化。此外，利用透镜/反射镜的系统趋向于体积庞大且重量较大，因为有效收集并聚集太阳光所需的透镜及反射镜必须较大。

可将PV电池用于广泛范围的应用中，例如向卫星及宇宙飞船提供电力、向住宅及商业财产供电、对汽车电池及其它导航仪器进行充电。因此，对于许多应用，还需要这些光收集器及/或集中器在大小上紧凑。

发明内容

本文中描述的各种实施例包含用于收集/集中环境光并将所收集的光引导到光电池的光导。所述光导可包括一个或一个以上安置于光导前面的全息层。所述全息层可包含体积全息图或表面起伏特征。全息层可使以第一角度入射的光转向并以第二角度朝向多个棱镜特征重新引导入射光。所述棱镜特征可安置于光导的后面。可进一步重新引导入射于棱镜特征上的光，以便通过多次全内反射使光传播穿过光导。所述棱镜特征可包含反射光的刻面。在一些实施例中，所述刻面可相对于彼此成角度。所述光电池光学耦合到光导。在一些实施例中，光电池可邻近于光导而安置。在一些其它实施例中，光电池可安置于光导的一个角落处。在各种实施例中，光电池可安置于光导下方。在一些实施例中，光导可安置于衬底上。衬底可包含玻璃、塑料、电致变色玻璃、智能玻璃等。

本文中描述的各种实施例包含一种光收集装置。所述光收集装置包含用于导引光的构件，所述光导引构件具有顶部表面及底部表面。在各种实施例中，所述光导引构件经配置以通过所述顶部表面及所述底部表面处的多次全内反射而在其中导引光。在各种实施例中，所述光收集装置包含多个用于衍射光的构件，所述光衍射构件经安置以相对于所述光导引构件的顶部表面的法线以第一角度接收光。所述光收集装置可额外地包含多个用于使光转向的构件，所述光转向构件安置于所述多个衍射构件的后面。在各种实施例中，所述多个衍射构件经配置为以第二角度朝向所述多个光转向构件重新引导光。在各种实施例中，所述多个光转向构件经配置以使由衍射构件重新引导的光转向，使得通过从光导引构件的所述顶部表面及所述底部表面的全内反射而在光导引构件中导引光。在一些实施例中，光导引构件包含光导，或所述多个衍射构件包含多个衍射特征，或所述多个光转向构件包含多个棱镜特征。

在各种实施例中，揭示一种制造光收集装置的方法。所述方法包含提供具有顶部表面及底部表面的光导。在各种实施例中，所述光导经配置以通过所述顶部表面及所述底部表面处的多次全内反射而在其中导引光。所述方法包含相对于光导提供多个衍射特征。在各种实施例中，所述多个衍射特征经配置以相对于光导的顶部表面的法线以第一角度接收光。所述方法进一步包含相对于光导提供多个棱镜特征。在各种实施例中，所述多个棱镜特征安置在所述多个衍射特征的后面。在各种实施例中，所述多个棱镜特征可安置于光导的后面。在各种实施例中，所述多个棱镜特征可通过模制、压印或蚀刻来提供。在各种实施例中，所述多个衍射特征可安置在光导的前面。在一些实施例中，所述多个衍射特征可提供于安置在光导前面的层中。

附图说明

在仅用于说明性目的的示意性附图中说明本文中所揭示的实例实施例。

图1A说明包含多个棱镜特征的棱镜光导的侧视图，所述棱镜光导经配置以收集相对于光导以近法向入射入射的光并将所述光导引到光电池。

图1B说明多个棱镜特征的放大侧视图。

图1C展示图1A中所描述的实施例的透视图。

图1D说明将不导引以特定角度入射的光的包含多个棱镜特征的光导的侧视图。

图2A说明包含棱镜光导及进一步包含多个全息图的全息层的实施例的侧视图，所述实施例经配置以收集光并将光导引到沿所述光导的一个边缘安置的光伏电池。

图2B说明包含棱镜光导及进一步包含多个全息图的全息层的实施例的侧视图，所述实施例经配置以收集光并将光导引到沿所述光导的两个边缘安置的两个光伏电池。

图3说明包含棱镜光导及多个全息层的实施例的侧视图。

图4A说明包含以偏移棱镜特征堆叠的多个棱镜光导层及多个全息层的实施例的侧视图。

图4B说明包含具有具不同形状的棱镜特征的单一棱镜光导层及多个全息层的实施例的侧视图。

图5A说明包含具有棱镜特征的光导及全息层的实施例，所述棱镜特征与放置于中心处的光电池同心地布置。

图5B说明包含具有曲线棱镜特征的光导、全息层及放置于一个角落处的光电池的实施例。

图6说明安置在全息膜后面的微结构图案的阵列。

图7说明其中包含全息层的光导经斜切以将光引导到在所述光导下方的光电池的实施例。

图8展示放置于住宅的屋顶及窗户上的光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜。

图9展示其中光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜放置于汽车顶上的实施例。

图10说明附接到膝上型计算机的主体的光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜。

图11展示附接被附接到衣服的光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜的实例。

图12展示将光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜放置于鞋上的实例。

图13展示其中光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜附接到飞机的机翼及窗户的实施例。

图14展示其中光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜附接到帆船的实施例。

图15展示其中光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜附接到自行车的实施例。

图16说明其中光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜附接到卫星的实施例。

图17展示其中大致上柔性以被卷起的光收集薄片光学耦合到光电池的实施例。

具体实施方式

以下详细描述是针对本发明的某些具体实施例。然而，可以许多不同方式来体现本发明。如从以下描述将显而易见，所述实施例可实施于经配置以收集、捕集及集中来自某一来源的辐射的任何装置中。更明确地说，预期本文中所描述的实施例可实施于多种应用(例如，向住宅及商业结构及财产提供电力、向例如膝上型计算机、PDA、腕表、计算器、蜂窝电话、可携式摄像机、照相机及视频相机、mp3播放器等电子装置提供电力)中或与所述多种应用相关联。另外，本文中描述的实施例可用于可穿戴电力产生衣、鞋及附件中。本文中所描述的实施例中的一些实施例可用以对汽车电池或导航仪器进行充电并抽吸水。本文中所描述的实施例还可用于航天及卫星应用中。其它用途也是可能的。

在本文中所描述的各种实施例中，太阳能收集器及/或集中器耦合到光电池。太阳能收集器及/或集中器包含光导，例如，上面形成有棱镜转向特征的板、薄片或膜。入射于光导上的环境光通过棱镜特征而在光导内转向并通过全内反射而被导引穿过光导。光电池沿光导的一个或一个以上边缘安置，且沿光导传播的光耦合到所述光电池。使用光导以收集、集中并引导环境光到光电池可实现以增加的效率及较低的成本将光能转化为热及电的光电装置。光导可形成为板、薄片或膜。光导可由刚性或半刚性材料制成。在一些实施例中，光导可由柔性材料形成。在各种实施例中，光导可包含薄膜。光导可包含例如由以线性方式布置的凹槽形成的棱镜特征。在一些实施例中，棱镜特征可具有非线性延伸区。举例来说，在一些实施例中，棱镜特征可沿曲线布置。一个实施例可包含具有遍及光导引介质分散的圆锥形反射特征的薄膜光导。

图1A中展示用以将环境光耦合到光电池中的棱镜光导的一个实施例。光电池可为光伏电池或光检测器。图1A说明包含相对于光电池103而安置的光导101的实施例100的侧视图。在一些实施例中，光导101可进一步包含衬底(未图示)。多个棱镜特征102可安置于光导101内。光导101可包含其间包括多个边缘的顶部表面及底部表面。在图1A中所说明的实施例中，棱镜特征安置于底部表面上。入射于光导101上的光可通过所述多个棱镜特征102而重新引导到光导101中并通过顶部表面及底部表面处的多次全内反射而在光导101内导引。光导101可包含对在光电池敏感的一个或一个以上波长下的辐射为透明的光学透射材料。举例来说，在一个实施例中，光导101对可见及近红外线区域中的波长可为光学透射性的。在其它实施例中，光导101对紫外线或红外线区域中的波长可为透明的。光导101可由例如玻璃、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚酯或环烯聚合物等刚性或半刚性材料形成，以便向实施例提供结构稳定性。或者，光导101可由例如柔性聚合物等柔性材料形成。还可使用除本文中特定叙述的材料之外的材料。

光导101的顶部表面可经配置以接收环境光。光导101可在周围以边缘为界。通常，光导101的长度及宽度可大致上大于光导101的厚度。光导101的厚度可从0.1毫米到10毫米不等。光导101的面积可从0.01cm²到10000cm²不等。然而，这些范围以外的尺寸也是可能的。在一些实施例中，组成光导101的材料的折射率可显著高于周围物，以便通过全内反射(TIR)在光导101内导引环境光的大部分。

在光导101内所导引的光可能归因于吸收到光导中及从其它刻面散射而遭受损失。为了减少所导引光的此损失，在一些实施例中，光导101的长度可限于数十英寸，以便减少反射的数目。然而，限制光导101的长度可减小收集光的面积。因此，在一些实施例中，光导101的长度可增加到大于数十英寸。在一些实施例中，可将光学涂层沉积在光导101的表面上以减少散射损失。

在一个实施例中，如图1A中所示，光导101包含安置于光导101的底部表面上的棱镜特征102。所述棱镜特征可包含形成于光导101的底部表面上的狭长凹槽。所述凹槽可填充有光学透射材料。棱镜特征102可通过模制、压印、蚀刻或其它替代技术形成于光导101的底部表面上。或者，棱镜特征102可安置于可层压于光导101的底部表面上的膜上。在包含棱镜膜的一些实施例中，可单独在棱镜膜内导引光。棱镜特征102可包含多种形状。举例来说，棱镜特征102可为线性v型凹槽。或者，棱镜特征102可包含曲线凹槽或非线性形状。其它配置也是可能的。

图1B展示呈线性v型凹槽116形式的棱镜特征102的放大图。v型凹槽116包含如图1B中所示相对于彼此以角距α布置的两个平面刻面F1及F2。所述刻面之间的角距α可从15度到120度不等。在一些实施例中，刻面F1及F2可具有相等长度。在一些其它实施例中，所述刻面中的一者的长度可大于另一者。两个连续v型凹槽之间的距离“a”可在5微米到500微米之间变化。由“b”指示的v型凹槽的宽度可在0.001毫米到0.100毫米之间变化，而由“d”指示的v型凹槽的深度可在0.001毫米到0.5毫米之间变化。还可使用这些范围外的尺寸。

图1C展示图1A中所描述的实施例的透视图。图1C中所描述的实施例包含沿光导101的底部表面布置的若干行线性v型凹槽。

参看图1A及图1C，光电池103相对于光导101横向安置。所述光电池经配置以接收通过棱镜特征102导引穿过光导101的光。光电池103可包含单层或多层p-n结，且可由硅、非晶硅或例如碲化镉等其它半导体材料形成。在一些实施例中，可使用基于光电化学电池、聚合物或纳米技术的光电池103。光电池103还可包含薄多光谱层。多光谱层可进一步包含分散于聚合物中的纳米晶体。若干多光谱层可经堆叠以增加光电池103的效率。图1A及图1C展示其中光电池103沿光导101的一个边缘(例如，在光导101的左边)安置的实施例。然而，另一光电池还可安置于光导101的另一边缘处(例如，在光导101的右边)。其它类型的光电池及相对于光导101定位所述光电池的其它配置也是可能的。

可经收集且经导引穿过棱镜光导的光的量通常可取决于棱镜特征的几何形状、类型及密度。在一些实施例中，所收集的光的量还可取决于光导引材料的折射率，光导引材料的折射率确定光导的数值孔径。在一些实施例中，棱镜特征的几何形状使得仅入射角位于特定角锥(本文中称为接收角锥)内的那些光线将由棱镜特征转向而进入光导的导引模式，而入射角位于所述角锥外的那些光线将透射或反射离开光导。举例来说，在图1A中，棱镜特征102的几何形状使得入射角位于具有半角β的角锥106内的那些光线(例如，大致上沿光导101的表面的法线的射线104)由棱镜特征102重新引导并通过从光导101的顶部表面及底部表面的多次反射而在光导101内导引。

入射角位于角锥106外的那些光线可透射穿过光导101。举例来说，在图1D中，光线108以角度θ₂入射于光导101的顶部表面上，使得光线108位于角锥106外。光线108可被折射到光导101中，使得其照射光导101的底部表面的缺少棱镜特征102的一部分且随后透射穿过光导101。在一些实施例中，接收角锥可较小。在一些实施例中，半角β可为约10度。

为了增加入射于光导上的在光导内导引的射线的角度范围，将角转向层安置在棱镜光导前面可为有利的，所述角转向层可使入射角位于接收角锥外的光线转向，使得所述光线以位于接收角锥内的入射角入射于棱镜光导上。下文参看图2A进一步论述此概念。

图2A说明包含棱镜光导201的实施例2000。棱镜特征202安置于棱镜光导201的后面。所述实施例进一步包含安置于光导201前面的角转向层209。在一些实施例中，角转向层209可包含全息层。在一些实施例中，角转向层209可包含体积特征(例如，体积全息图)。在一些实施例中，角转向层209可包含表面起伏特征(例如，形成表面全息图或表面衍射光学元件等的表面起伏衍射特征)。在一些实施例中，角转向层可包含体积特征及表面起伏衍射特征。在一些实施例中，棱镜光导201及角转向层209可层压在一起。角转向层209可通过粘合层207而接合到棱镜光导201。在一些实施例中，粘合层207可包含压敏粘合剂(PSA)。在一些实施例中，粘合层207的折射率可低于组成棱镜光导201的材料的折射率。举例来说，在一个实施例中，粘合层207的折射率可为约1.47，而棱镜光导201可包含高折射率材料，例如具有约为1.59的折射率的聚碳酸酯。

在包含具有比光导引材料低的折射率的PSA层的实施例中，光与光转向层相互作用且随后通过在波导与PSA层的界面处的多次全内反射而在波导中导引且因此被捕集于光导引层中。光在入射后即刻仅与光转向层相互作用一次且其后不再与光转向层相互作用，其中光可被散射、吸收或衍射到自由空间中。因此，与不具有具有比光导引材料低的折射率的PSA层的实施例相比，包含具有比光导引材料低的折射率的PSA层的实施例可具有较低损失。

考虑分别以角度θ₁及θ₂入射于实施例2000的上表面上的两个光线210及211，如图2A中所示。射线211的入射角等于图1D中所参考的射线108的入射角。角转向层209将射线210及211的方向转向，使得其在棱镜光导201的接收锥206a及206b内入射于棱镜光导201上。因此，通过将角转向层安置于棱镜光导201的前面，可将原本不会被导引的光线转变到棱镜光导201的导引模式中。

角转向层209可包含经配置以将以第一角度入射的光线转向到第二角度的第一组体积、表面起伏特征或其组合。在各种实施例中，第二角度可比第一角度更法向。角转向层209可包含经配置以将以第三角度入射的光线转向到第四角度的第二组体积、表面起伏特征或其组合。第一组及第二组衍射特征可包括于单一角转向层209中或包括于多个角转向层上。举例来说，在图2B中，角转向层209包含第一组衍射特征，使得以角度γ₁入射于实施例2010上的光线212通过角转向层209而转向，使得射线212以近法向入射入射于棱镜光导201上且随后在光导201内导引。经导引的光线212可在照射光导201的边缘之后退出光导201且可光学耦合到光电池203a。透镜或光管可用以将来自光导201的光光学耦合到光电池203a。举例来说，在一个实施例中，光导201可缺乏朝向更接近光电池203a的末端的棱镜特征202。光导201的无任何棱镜特征的部分可充当光管。

图2B中所示的实施例2010进一步包含第二组衍射特征，使得以角度γ₂入射于实施例2010上的光线213通过角转向层209而转向，使得射线213以近法向入射入射于棱镜光导201上且随后在光导201内导引并耦合到光电池203b中。

图3中所说明的实施例3000包含安置于包含棱镜特征302的棱镜光导层301前面的两个角转向层309及311。第一角转向层309包含第一组衍射特征，使得以角度θ₁入射于实施例3000上的光线304通过角转向层309而转向，使得射线304以近法向入射入射于棱镜光导301上且随后在光导301内导引并引导朝向光电池303。光线304在未被转向或衍射的情况下透射穿过第二角转向层311。

第二角转向层311包含第二组衍射特征，使得以角度θ₂入射于实施例3000上的光线305通过角转向层311而转向，使得射线305以近法向入射入射于棱镜光导301上且随后在光导301内导引并引导朝向光电池303。在光线305已通过第二角转向层311转向或衍射之后，光线305在未被转向或衍射的情况下透射穿过第一角转向层309。角转向层309及311可通过粘合层307而接合到光导301。

图4A展示包含相对于光电池403的边缘横向安置的两个棱镜光导401a及401b的实施例4000。光导401a进一步包含相对窄的棱镜特征402a，且光导401b进一步包含相对宽的成角度刻面402b。棱镜特征402a及402b可相对于彼此而偏移。以此方式使棱镜特征402a及402b偏移减小了特征之间的空间且增加了棱镜特征的密度。使特征偏移可增加光学耦合到光电池403的光的量，进而增加光电池403的电输出。由于光导层401a及401b可为薄的，所以有可能以此方式堆叠多个光导层并增加耦合到PV电池403的光的量。可堆叠在一起的层的数目取决于每一层的大小及/或厚度以及每一层的界面处的散射损失。在一些实施例中，至少十个光导层可堆叠在一起。在各种实施例中，可使用更多或更少的层。角转向层409及411可通过粘合层407而接合到光导层。

以角度θ₂入射于实施例4000上的光线405通过角转向层411而转向，使得光线405以角度γ₂入射于棱镜光导401a上且随后在棱镜光导401a内导引并耦合到光电池403中。以角度θ₁入射于实施例4000上的光线404通过角转向层409而转向，使得光线404以角度γ₁入射于棱镜光导401b上且随后在棱镜光导401b内导引并耦合到光电池403中。此设计的一个可能优点在于，可在不机械地旋转膜的情况下以广泛角度范围来有效地收集光。图4B说明在同一光导401a上包含窄与宽成角度刻面两者的替代实施例4010。

在一个实例中，图4A及图4B中所说明的实施例的角转向层409及411可包含多个衍射特征，使得来自太阳的光在一天期间的多个时间及在一年中的不同时间被有效地转向并在棱镜光导内导引。使用角转向层以使以多个角度入射的光线转向以使得这些射线可在棱镜光导引板、薄片或膜内被导引且可被引导朝向光电池的优点在于，可需要较少数目的光电池以实现所要电输出。因此，此技术有可能会减少用光电池产生能量的成本。

图5A说明使用多角度方法的实施例。在一个实施例中，棱镜特征或v型凹槽的狭长刻面具有非线性延伸区。图5A中所说明的特定实施例包含由光学透射材料形成的光导引板、薄片或膜501。凹槽沿同心圆而布置于光导引板501的表面上。在一些实施例中，凹槽可沿椭圆路径而安置。其它曲线配置也是可能的。这些凹槽可为如横截面502所说明的v形凹槽。可使用类似于线性v型凹槽的制造工艺来制造为非线性(例如，同心)的V型凹槽。角转向层509安置于光导引板501上方，使得具有不同方位角的光线510、511及512由角转向层转向且随后由v型凹槽转向朝向光电池503。在一些实施例中，光电池可放置于同心图案的中心处。在一些实施例中，光电池可远离同心图案的中心而安置。

在图5B中所说明的另一实施例中，光电池503可定位于光导引板、薄片或膜501的一个角落处。光导引板、薄片或膜可具有矩形、正方形或某一其它几何形状。凹槽可沿曲线514形成于光导引板、薄片或膜上。曲线514的中心可不对应于光导引板、薄片或膜501的中心。与另一角落相比，曲线514的中心可更接近于具有光电池503的角落。凹槽可为凹面的且可面向光电池503。角转向层509可安置于光导引板、薄片或膜的前面，使得环境光被引导朝向弯曲凹槽514且随后被转向并耦合到光电池503中。包含曲线棱镜特征或凹槽的此设计在光收集方面可比包含沿线性棱镜膜的一个边缘而安置的光电池的设计更有效，且可使得能够使用较小光电池。

在一些实施例中，光导的长度可限于数十英寸以减少归因于反射的损失。然而，限制光导的长度可减少收集光的面积。在一些应用中，在大面积上收集光可为有利的。一种用以在大面积上收集光的方法可为图6中所示的微结构的矩阵图案。图6中所示的实施例说明布置成矩阵图案的多个元件601。矩阵图案可包含多个行及列。行的数目可等于列的数目。任何两行中的元件的数目可为不同的。类似地，任何两列中的元件的数目也可为不同的。在一些实施例中，矩阵图案可为不规则的。矩阵中的元件包含上面形成有多个v型凹槽图案的光导引板、薄片或膜。还可使用除v型凹槽之外的其它凹槽图案。矩阵中的元件可含有相同或不同的微结构图案。举例来说，不同元件中的微结构图案可在大小、形状、定向及类型方面有所不同。因此，矩阵中的不同元件可以不同角度收集环境光(例如，太阳光)。光电池可分布在矩阵的周边内(例如，在相邻光导之间)以及沿矩阵的周边。角转向层609可安置于矩阵图案的前面。角转向层609的不同区域可包含不同体积或表面起伏特征。在一些实施例中，角转向层609可包含单一板、薄片或膜。在其它实施例中，角转向层可包含安置于矩阵的每一元件上方的多个板、薄片或膜。上文所揭示的方法可有利于制造耦合到多个光电池的光收集器的大面板，所述大面板(例如)可固定到住宅及商业建筑的屋顶顶部。

在图2A中所说明的实施例中，光电池抵靠光导引板、薄片或膜201的边缘而对接。替代地，在一些实施例中，如图7中所示，在光导引板、薄片或膜的边缘处斜切光导引板、薄片或膜以使得光朝向光电池而被重新引导离开光导引板、薄片或膜(例如，光导的底部或顶部)可为有利的。图7说明具有包含棱镜特征702的经斜切的光导引板、薄片或膜701的实施例。图7中所示的实施例的透视图展示具有上表面S1及下表面S2的光导。上表面S1及下表面S2在左边以边缘表面E1为界且在右边以边缘表面E2为界。边缘表面E1及E2相对于上表面S1及下表面S2倾斜。边缘表面E1及E2相对于上表面S1及下表面S2的倾斜角可不等于90度。图7中所示的实施例进一步包含包括衍射特征的角转向层709。入射于角转向层709的上表面上的光线被转向并引导朝向光导701，使得所述光线通过棱镜特征702而转向进入光导701中且通过从上表面S1及下表面S2的全内反射而沿经斜切的光导被导引。在照射倾斜边缘E1后，经导引的光线可接近下表面S2的法线朝向安置于光导引板或膜701后面的光电池703而被引导离开光导。斜切光导引板、薄片或膜701的边缘可简化光电池703与光导引板、薄片或膜701之间的对准。

可构想将包含棱镜特征的多个经斜切的光导布置成类似于图6中所描述的实施例的矩阵图案。此实施例中的光电池可(例如)安置于矩阵图案下方。入射于矩阵图案的上表面上的环境光通过光导的经斜切边缘引导朝向(例如)安置于矩阵图案后面的光电池。

在一些实施例中，锥形空腔而非狭长凹槽可形成于光导引板、薄片或膜的表面上。锥形空腔可以随机或有序方式分布在整个光导引板、薄片或膜上。锥形空腔可具有圆形或椭圆形横截面或其它形状。锥形空腔可在多个方向上接收光且归因于其三维结构而沿多个方向重新引导光。

使用包含棱镜特征及角转向层的光收集板、薄片或膜来收集、集中并引导光到光电池的方法可用以实现具有增加的效率且可为廉价、薄及重量轻的太阳能电池。包含耦合到光电池的光收集板、薄片或膜的太阳能电池可经布置以形成太阳能电池的面板。太阳能电池的所述面板可用于多种应用中。举例来说，包含光学耦合到光电池的多个光收集板、薄片或膜的太阳能电池804的面板可如图8中所说明安装在住宅或商业建筑的屋顶顶部上或放置于门及窗户上以向家或商业提供补充电力。光收集板、薄片或膜可由透明或半透明板、薄片或膜形成。光收集薄片可为透明的且有可能减少眩光以穿过窗户而观看(如果光收集薄片放置于窗户上的话)。棱镜光收集板、薄片或膜可出于美学目的而经着色(例如，红色或棕色)。在一些实施例中，光收集薄片可经染色或着色以阻挡光。光收集板、薄片或膜可为刚性或柔性的。在一些实施例中，光收集板、薄片或膜可具充分柔性以被卷起。在其它实施例中，棱镜薄片可具有波长滤波特性以滤去紫外线辐射。

在其它应用中，光收集板、薄片或膜可分别如图9及图10中所示安装在汽车及膝上型计算机上以提供电力。在图9中，光收集板、薄片或膜904安装到汽车顶。光电池908可沿光收集器904的边缘而安置。由光电池908产生的电力可用以(例如)对由汽油、电或两者提供动力的车辆的电池进行再充电或还使电组件运作。在图10中，光收集板、薄片或膜1004可附接到膝上型计算机的主体(例如，外壳)。这在无电连接的情况下向膝上型计算机提供电力方面是有利的。光学耦合到光电池的光导引收集器还可用以对膝上型计算机电池进行再充电。

在替代实施例中，光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜可附接到衣服或鞋。举例来说，图11说明包含光学耦合到光电池1108的光收集板、薄片或膜1104的夹克或背心，光电池1108安置在夹克或背心的下周边周围。在替代实施例中，光电池1108可安置于夹克或背心上的任何地方。光收集板、薄片或膜1104可收集、集中并引导环境光到光电池1108。由光电池1108产生的电可用以向例如PDA、mp3播放器、蜂窝电话等手持式装置供电。由光电池1108产生的电还可用以照亮在黑暗中由航空公司地勤人员、警察、消防员及应急救援人员所穿戴的背心及夹克以增加可见性。在图12中所说明的另一实施例中，光收集板、薄片或膜1204可安置于鞋上。光电池1208可沿光收集板、薄片或膜1204的边缘而安置。

包含耦合到光电池的棱镜光收集板、薄片或膜的太阳能电池的面板还可安装在航空器、卡车、火车、自行车、船及太空飞行器上。举例来说，如图13中所示，光收集板、薄片或膜1304可附接到飞机的机翼或飞机的窗玻璃。如图13中所说明，光电池1308可沿光收集板、薄片或膜的边缘而安置。所产生的电可用以向航空器的部件提供电力。图14说明使用耦合到光电池的光收集器(例如)向船中的导航仪器或装置(例如，冰箱、电视及其它电气设备)供电。光收集板、薄片或膜1404附接到帆船的帆或者附接到船体。PV电池1408安置于光收集板、薄片或膜1404的边缘处。在替代实施例中，光收集板、薄片或膜1404可附接到船体，例如，船舱、船身或甲板。光收集板、薄片或膜1504可如图15中所说明安装在自行车上。图16说明光学耦合到光电池1608的光收集板、薄片或膜1604向通信卫星、气象卫星及其它类型的卫星提供电力的又一应用。

图17说明具充分柔性以被卷起的光收集薄片1704。所述光收集薄片光学耦合到光电池1708。图17中所描述的实施例可在露营或背包徒步旅行时被卷起并携带以在户外及在电连接稀少的偏僻地区产生电力。另外，光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜可附接到多种各样的结构及产品以提供电。

光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜可具有额外的模块化优点。举例来说，取决于设计，光电池可经配置以可选择性地附接到光收集板、薄片或膜或可从光收集板、薄片或膜卸下。因此，现有光电池可用更新且更有效的光电池来周期性地替换而不必替换整个系统。此替换光电池的能力可实质性地减少维护及升级的成本。

广泛多种其它变型也是可能的。可添加、移除或重新布置膜、层、组件及/或元件。此外，可添加、移除或重新排序处理步骤。而且，虽然本文中使用术语“膜”及“层”，但如本文中所使用的这些术语包括膜堆叠及多层。可使用粘合剂将这些膜堆叠及多层粘附到其它结构或可使用沉积或以其它方式将这些膜堆叠及多层形成于其它结构上。

上文所描述的实例仅为示范性的，且所属领域的技术人员现可在不脱离本文所揭示的发明性概念的情况下对上述实例进行大量利用及偏离。所属领域的技术人员可容易明白对这些实例的各种修改，且本文中所界定的一般原理可在不脱离本文中所描述的新颖方面的精神或范围的情况下应用于其它实例。因此，本发明的范围并不希望限于本文所示的实例，而是应被赋予与本文所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。词“示范性”在本文中专门用于意指“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”的任何实例不必解释为比其它实例优选或有利。

Claims

1.一种光收集装置，其包含：

具有顶部及底部表面的光导，所述光导通过所述顶部及底部表面处的多次全内反射而在其中导引光；

多个衍射特征，其经安置以相对于所述光导的所述顶部表面的法线以第一角度接收光；及

多个棱镜特征，其安置于所述多个衍射特征的后面，

其中所述衍射特征被配置为以第二角度朝向所述多个棱镜特征重新引导所述光，

其中所述第二角度比所述第一角度更法向，且

其中所述多个棱镜特征经配置以使由所述衍射特征重新引导的所述光转向，使得通过从所述光导的所述顶部及底部表面的全内反射而在所述光导中导引所述光。

2.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述光导包含板、薄片或膜。

3.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述光导为柔性的。

4.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述光导包含薄膜。

5.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述光导包含玻璃。

6.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述光导包含塑料。

7.根据权利要求6所述的光收集装置，其中所述光导包含丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚酯或环烯聚合物。

8.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个衍射特征包含体积特征。

9.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个衍射特征包含表面起伏特征。

10.根据权利要求1所述的光收集装置，其进一步包含包括所述多个衍射特征的全息层。

11.根据权利要求10所述的光收集装置，其进一步包含位于所述全息层中的多个全息图。

12.根据权利要求1所述的光收集装置，其进一步包含包括第一组多个衍射特征的第一全息层以及包括第二组多个衍射特征的第二全息层。

13.根据权利要求12所述的光收集装置，其中所述第一全息层及所述第二全息层层压在一起。

14.根据权利要求1所述的光收集装置，其进一步包含包括所述多个衍射特征的衍射层及位于其上的平面化层。

15.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述第一角度大致在距所述光导的所述表面的所述法线10度与90度之间。

16.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述第二角度大致法向于所述光导的所述表面。

17.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个衍射特征形成于所述光导的所述顶部表面上。

18.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个棱镜特征包含狭长凹槽。

19.根据权利要求18所述的光收集装置，其中所述狭长凹槽为笔直的。

20.根据权利要求18所述的光收集装置，其中所述狭长凹槽为弯曲的。

21.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个棱镜特征包含相对于彼此成角度的平面刻面。

22.根据权利要求21所述的光收集装置，其中平面刻面以15度到85度之间的角度相对于彼此定向。

23.根据权利要求1所述的光收集装置，其中棱镜特征包含凹坑。

24.根据权利要求23所述的光收集装置，其中所述凹坑为圆锥形的。

25.根据权利要求23所述的光收集装置，其中所述凹坑具有包含倾斜表面部分的至少三个侧面。

26.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述棱镜特征具有相同形状。

27.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述棱镜特征中的至少一些棱镜特征具有不同形状。

28.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个棱镜特征形成于所述光导的所述底部表面上。

29.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个棱镜特征包括于一个或一个以上棱镜膜中。

30.根据权利要求29所述的光收集装置，其中所述一个或一个以上棱镜膜安置在所述光导的后面。

31.根据权利要求29所述的光收集装置，其进一步包含包括第一组棱镜特征的第一棱镜膜以及包括第二组棱镜特征的第二棱镜膜，且

其中所述第一棱镜膜中的所述第一组棱镜特征中的至少一些棱镜特征相对于所述第二棱镜膜中的所述第二组棱镜特征中的一些棱镜特征横向偏移。

32.根据权利要求31所述的光收集装置，其中所述第一棱镜膜中的所述第一组棱镜特征中的至少一些棱镜特征不同于所述第二棱镜膜中的所述第二组棱镜特征中的一些棱镜特征而成形。

33.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个棱镜特征沿多个平行线性路径延伸。

34.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述棱镜特征沿多个同心圆形曲线路径延伸。

35.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个棱镜特征沿多个椭圆形曲线路径延伸。

36.根据权利要求1所述的光收集装置，其中所述多个棱镜特征进一步包含：

包含第一组棱镜特征的第一区段；及

包含第二组棱镜特征的第二区段，

其中所述第一及第二区段相对于彼此横向安置，且所述第一组棱镜特征具有不同于所述第二组棱镜特征的形状或定向。

37.根据权利要求1所述的光收集装置，其进一步包含一个或一个以上粘合层。

38.根据权利要求37所述的光收集装置，其中所述粘合层包含压敏粘合剂。

39.根据权利要求37所述的光收集装置，其中所述粘合层安置于所述多个衍射特征与所述光导的所述顶部表面之间。

40.根据权利要求37所述的光收集装置，其中所述粘合层安置于所述多个棱镜特征与所述光导的所述底部表面之间。

41.根据权利要求37所述的光收集装置，其中所述粘合层的折射率小于所述光导材料的折射率。

42.根据权利要求41所述的光收集装置，其中所述粘合层被配置为包层以增加所述光导中的局限性。

43.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含经配置以接收在所述光导中导引的光的第一光电池。

44.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光电池包含光伏电池。

45.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光电池对接耦合到所述光导的边缘。

46.根据权利要求43所述的装置，其中所述光导包括经斜切表面，且所述第一光电池相对于所述经斜切表面而安置以接收从其反射的光。

47.根据权利要求46所述的装置，其中所述第一光电池安置于所述第一光导的下方。

48.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光电池安置于所述光导的角落处。

49.根据权利要求43所述的装置，其进一步包含经配置以接收在所述光导中导引的光的第二光电池。

50.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导安置于汽车、航空器、太空飞行器或海船上。

51.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导安置于自行车、手推童车或拖车上。

52.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导安置于衣服上。

53.根据权利要求52所述的装置，其中所述第一光导安置于衬衫、裤子、短裤、外套、夹克、背心、帽子或鞋袜上。

54.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导安置于计算机、蜂窝电话或个人数字助理上。

55.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导安置于建筑结构上。

56.根据权利要求55所述的装置，其中所述第一光导安置于房屋或建筑上。

57.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导安置于电气装置上。

58.根据权利要求57所述的装置，其中所述第一光导安置于灯、电话或马达上。

59.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导位于帐篷或睡袋上。

60.根据权利要求43所述的装置，其中所述第一光导被卷起或折叠。

61.一种光收集装置，其包含：

用于导引光的构件，所述光导引构件具有顶部及底部表面，所述光导引构件经配置以通过所述顶部及底部表面处的多次全内反射而在其中导引光；

多个用于衍射光的构件，所述光衍射构件经安置以相对于所述光导引构件的所述顶部表面的法线以第一角度接收光；及

多个用于使光转向的构件，所述光转向构件安置于所述多个衍射构件的后面，

其中所述多个衍射构件被配置为以第二角度朝向所述多个光转向构件重新引导所述光，

其中所述第二角度比所述第一角度更法向，且

其中所述多个光转向构件经配置以使由所述衍射构件重新引导的所述光转向，使得通过从所述光导引构件的所述顶部及底部表面的全内反射而在所述光导引构件中导引所述光。

62.根据权利要求61所述的光收集装置，其中所述光导引构件包含光导，或所述多个衍射构件包含多个衍射特征，或所述多个光转向构件包含多个棱镜特征。

63.一种制造光收集装置的方法，所述方法包含：

提供具有顶部及底部表面的光导，所述光导经配置以通过所述顶部及底部表面处的多次全内反射而在其中导引光；

提供多个衍射特征，所述多个衍射特征经配置以相对于所述光导的所述顶部表面的法线以第一角度接收光；及

提供多个棱镜特征，所述多个棱镜特征安置于所述多个衍射特征的后面，

其中所述多个衍射特征被配置为以第二角度朝向所述多个棱镜特征重新引导所述光，

其中所述第二角度比所述第一角度更法向，且

其中所述多个棱镜特征经配置以使通过所述衍射特征重新引导的所述光转向，使得通过从所述光导的所述顶部及底部表面的全内反射而在所述光导中导引所述光。

64.根据权利要求63所述的方法，其中将所述多个棱镜特征安置于所述光导的后面。

65.根据权利要求63所述的方法，其中通过模制来提供所述多个棱镜特征。

66.根据权利要求63所述的方法，其中通过压印来提供所述多个棱镜特征。

67.根据权利要求63所述的方法，其中通过蚀刻来提供所述多个棱镜特征。

68.根据权利要求63所述的方法，其中将所述多个衍射特征安置于所述光导的前面。

69.根据权利要求63所述的方法，其中将所述多个衍射特征提供于安置在所述光导前面的层中。