專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種適用于太陽(yáng)能電池裝置上且是 屬于菲涅爾形式(Fresnel Type)的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著能源漸漸短缺與人類(lèi)對(duì)于能源卻越來(lái)越高需求的環(huán)境之下，新能源的開(kāi)發(fā)已 是刻不容緩的工作。但是，回歸思考地球各式的能源最終仍來(lái)自于太陽(yáng)，再加上人類(lèi)對(duì)環(huán)境 保護(hù)的重視及降低污染的訴求，直接使用潔凈的太陽(yáng)能發(fā)電將是未來(lái)的能源開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。 由于工業(yè)的快速發(fā)展，石化燃料逐步耗竭與溫室效應(yīng)氣體排放的問(wèn)題日益受到全 球各國(guó)的關(guān)切，穩(wěn)定的能源供應(yīng)已成為全球性的重大課題。相較于傳統(tǒng)燃煤、燃?xì)馐交蚝四?發(fā)電，太陽(yáng)能電池(solar cell)利用光發(fā)電效應(yīng)直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，而不會(huì)伴隨著 產(chǎn)生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等溫室效應(yīng)氣體及污染性氣體，并減少對(duì)石化燃料 的依賴(lài)，提供更安全自主的電源來(lái)源。 關(guān)于太陽(yáng)電池的種類(lèi)繁多，目前世界各國(guó)除了積極提高傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換
效率外，高效率ni-v族半導(dǎo)體太陽(yáng)電池制作技術(shù)的開(kāi)發(fā)為另一發(fā)展重點(diǎn)。而結(jié)合高效率
III-V族半導(dǎo)體太陽(yáng)電池與菲涅爾透鏡(Fresnel Type)的聚光型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，因?yàn)榭?以大幅降低發(fā)電成本也備受矚目。然而，此種采用ni-v族半導(dǎo)體太陽(yáng)電池與菲涅爾透鏡 的現(xiàn)有的聚光型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)仍存有一缺點(diǎn)，因?yàn)槠渌褂玫姆颇鶢柾哥R往往具有環(huán)數(shù) 過(guò)多過(guò)密集狀況(常超過(guò)100圈以上)，因此其光學(xué)轉(zhuǎn)換效率反而受限，而有待進(jìn)一步改良。 因此，本實(shí)用新型提供一高效率的光學(xué)透鏡，通過(guò)所述光學(xué)透鏡上所刻錄的一中 心圓以及與所述中心圓呈同心圓環(huán)狀由小到大排列的多個(gè)折射部，將光線(xiàn)來(lái)源集中聚光于 一基板上所設(shè)置的ni-v族半導(dǎo)體晶片，進(jìn)一步利用所述III-V族半導(dǎo)體晶片將光能轉(zhuǎn)換 成電能并儲(chǔ)存于一電池中，以提供其他用電裝置所需的電力來(lái)源。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種光學(xué)透鏡，其透過(guò)于光學(xué)透鏡刻錄一中心圓 以及與所述中心圓呈同心圓環(huán)狀由小到大排列的多個(gè)折射部，以達(dá)到增加聚光效率的目 的。 為達(dá)上述的目的，本實(shí)用新型在于提供一種光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，其適用于裝置在一太 陽(yáng)能電池裝置上。其中，所述光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)包括有一平滑面以及一突出面，且于所述突出 面上刻錄一中心圓以及與所述中心圓呈同心圓環(huán)狀由小到大排列的多個(gè)折射部，而所述折 射部為鋸齒形態(tài)且以所述中心圓為中心呈多個(gè)的同心環(huán)狀排列，其圈數(shù)最佳可以是11至 22圈其中之一。 另外，所述太陽(yáng)能電池裝置包括有多個(gè)光學(xué)透鏡、一框體、以及一基板。所述框體 為一多個(gè)格體所構(gòu)成的矩形陣列，并于所述格體內(nèi)分別設(shè)置有所述光學(xué)透鏡。所述基板設(shè) 置于所述框體的下方，且于所述基板上設(shè)置有多半導(dǎo)體晶片并分別與所述格體內(nèi)所固接的所述光學(xué)透鏡的所述突出面相對(duì)應(yīng)。通過(guò)多個(gè)所述光學(xué)透鏡將光線(xiàn)集中聚光于所述半導(dǎo)體 晶片之上，使其光能轉(zhuǎn)換成電能，以提供其他用電裝置所需的電力來(lái)源。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所述的光學(xué)透鏡，其透過(guò)于光學(xué)透鏡刻錄一中心圓 以及與所述中心圓呈同心圓環(huán)狀由小到大排列的多個(gè)折射部，以達(dá)到增加聚光效率的目 的。

圖1為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的立體示意圖； 圖2A為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的A-A剖面示意圖； 圖2B為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的部分剖面放大示意圖； 圖3為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意圖； 圖4為本實(shí)用新型具有光學(xué)透鏡的太陽(yáng)能電池裝置立體分解示意圖； 圖5為本實(shí)用新型具有光學(xué)透鏡的太陽(yáng)能電池裝置剖面示意圖。 附圖標(biāo)記說(shuō)明l-光學(xué)透鏡；ll-平滑面；12-突出面；121_中心圓；122、122'-折 射部；1221-頂端；1222-連接處；1223-折射面；2-太陽(yáng)能電池裝置；21-框體；211_格體；
22-基板；221-半導(dǎo)體晶片；23-電池。
具體實(shí)施方式為了能更清楚地描述本實(shí)用新型所提出的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)以及具有所述光學(xué)透鏡 的太陽(yáng)能電池裝置，以下將配合附圖詳細(xì)說(shuō)明之。 請(qǐng)參閱圖l所示，為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的立體示意圖。其中，所述光學(xué)透鏡 1呈一正方形透明薄板結(jié)構(gòu)且包括有分別位于相對(duì)兩表面上的一平滑面11以及一突出面 12。在一實(shí)施例中，所述平滑面11用以接收太陽(yáng)光線(xiàn)，并經(jīng)由所述突出面12將透射的光線(xiàn) 加以集中聚光；當(dāng)然，也可以是由突出面12來(lái)接收太陽(yáng)光線(xiàn)并將透射的光線(xiàn)加以集中聚光 后再由平滑面11射出。此外，在所述突出面12上并刻錄了一中心圓121以及與所述中心 圓121呈同心圓環(huán)狀由小到大排列的多個(gè)折射部122。 所述光學(xué)透鏡1為一菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)，由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材 料注壓而成的透光薄片，而在所述突出面12所刻錄的所述折射部122利用光的干涉及擾射 和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的。本實(shí)用新型的所述光學(xué)透鏡1所需的要求標(biāo) 準(zhǔn)很高，因此一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須具備表面光澤、紋理清晰的條件，其厚度可控制在lmm 15mm之間，特性為面積較大、厚度薄及檢測(cè)距離遠(yuǎn)。 請(qǐng)參閱圖2A所示，為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的A-A剖面示意圖。其中，所述突 出面12所設(shè)的所述折射部122為鋸齒形態(tài)且以所述中心圓121為中心呈多個(gè)的同心環(huán)狀 排列。在本實(shí)用新型光學(xué)透鏡1結(jié)構(gòu)的較佳實(shí)施例中，所述折射部122的圈數(shù)影響所述光 學(xué)透鏡1的光學(xué)效率，而所述折射部122的圈數(shù)為11至22圈其中之一時(shí)，所述光學(xué)透鏡1 的光學(xué)效率則大致為最佳的狀態(tài)，令所述光學(xué)透鏡1達(dá)到具有80%以上的光學(xué)效率。 請(qǐng)參閱下表一，為當(dāng)在相同尺寸且相同焦距的光學(xué)透鏡1上設(shè)置不同圈數(shù)的折射 部122時(shí)，其光學(xué)效率值、以及與具有170圈的折射部122的光學(xué)效率值相比的比例值。由 表一中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)折射部122圈數(shù)越少時(shí)其光學(xué)效率越高，可是相對(duì)地其光學(xué)透鏡1整體的厚度、體積及重量都會(huì)越大。為了達(dá)到兼具光學(xué)透鏡1的尺寸輕薄與良好光學(xué)效率，本實(shí)用
新型特別設(shè)計(jì)出讓折射部122的圈數(shù)介于11至22圈之間的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，不僅可令本實(shí)用新
型光學(xué)透鏡1的光學(xué)效率較170圈光學(xué)透鏡高出10%以上，且更能維持菲涅爾透鏡所具有
的輕薄特性。 表一
圈數(shù)光學(xué)效率光學(xué)效率比170圈增加比例
110. 8292511. 4%
130. 8284511. 3%
170. 8246510. 8%
220. 8192410. 0%
330. 807698. 5%
640. 778684. 6%
1700. 744510% 請(qǐng)參閱圖2B所示，為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的部分剖面放大示意圖。其中，于 鋸齒形態(tài)的所述折射部122其頂端1221以及相鄰兩折射部122、122'的連接處1222設(shè)為弧 狀的導(dǎo)角，所述導(dǎo)角方便于制造所述光學(xué)透鏡1拔模時(shí)所需，且所述折射部122上的一折射 面1223曲度取決于所述光學(xué)透鏡1的放大倍率、焦距及材料折射系數(shù)，而所述折射面1223 可以是一球面透鏡或非球面透鏡所構(gòu)成的曲度。由于此所述的每一圈折射部122的折射面 1223表面曲度的設(shè)計(jì)方式屬于現(xiàn)有技術(shù)且非本實(shí)用新型的技術(shù)特征，因此不予贅述。 請(qǐng)參閱圖3所示，為本實(shí)用新型光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意圖。其中，本實(shí)用新型的 光學(xué)透鏡1的較佳形成數(shù)據(jù)，也就是所述光學(xué)透鏡1的第n圈折射部122的半徑rn必須符
合以下的公式(xri) — (o.3xn) ^ rn ^ (xri) + (o.3 xn)。其中
rn是光學(xué)透鏡1的第n圈折射部122的半徑；n是折射部的圈數(shù)；巧是第1圈折射部122 (也 就是中心圓)的半徑。 舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)所述光學(xué)透鏡1的折射部122的總?cè)?shù)為17圈(也就是n = 17)，且 光學(xué)透鏡1的外框尺寸(也就是最外圈半徑值)為100mm(也就是巧7 = 100mm)時(shí)，所述中 心圓的半徑巧為 公 式
(# x n ) - (0.3 x ri) ^ r17= 100mm 《(x n ) + (0.3 x所 以 xn《100mm《(VI^+0.3) x巧 所 以
mm^ 《100/ ( VT7-0.3) mm所以22.60855mm《ri《26.15675mm在此區(qū)間決定rl
的值后，便能將此ri值代回(V^Xn)-(o.3xri)《rn < x巧)+ (o.3xn)
5的公式來(lái)依序計(jì)算出r2， r3， . . . rn—工的值了 。 請(qǐng)參閱圖4所示，為本實(shí)用新型具有光學(xué)透鏡的太陽(yáng)能電池裝置立體分解示意 圖。由于太陽(yáng)電池種類(lèi)繁多，目前世界各國(guó)除了積極提高傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率外，
結(jié)合高效率ni-v族半導(dǎo)體晶片與菲涅爾透鏡的聚光型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，可因此大幅降低
發(fā)電成本所以備受各界矚目也成為本實(shí)用新型的發(fā)展重點(diǎn)。其中，具有如圖l所示的所述 光學(xué)透鏡1所構(gòu)成的太陽(yáng)能電池裝置2包括有多個(gè)光學(xué)透鏡1、一框體21、一基板22、以 及一電池23。 所述框體21為一多個(gè)格體211所構(gòu)成的矩形陣列，并z各別的所述格體211內(nèi)分 別設(shè)置有一前述的所述光學(xué)透鏡1。所述基板22設(shè)置于所述框體21的下方，且所述基板 22具有一電路回路，并在其上設(shè)置有多個(gè)半導(dǎo)體晶片221，而所述半導(dǎo)體晶片221分別與所 述格體211內(nèi)所設(shè)置的所述光學(xué)透鏡1的所述突出面12相對(duì)應(yīng)，并接收來(lái)自于所述光學(xué)透 鏡1所集中的光束。在本實(shí)用新型具有所述光學(xué)透鏡1的太陽(yáng)能電池裝置2中，所述半導(dǎo) 體晶片221可以是III-V族半導(dǎo)體晶片。 早期太陽(yáng)能電池僅限于硅單晶太陽(yáng)能電池，直到80年代才開(kāi)始應(yīng)用采用液態(tài)磊 晶技術(shù)(Liquid Phase Epitaxy, LPE)的砷化鎵(GaAs)太陽(yáng)能電池隨著太陽(yáng)能電池技術(shù)的 發(fā)展，采用金屬有機(jī)氣相磊晶技術(shù)(Metal Organic V即or Phase Epitaxy, M0VPE)制備的 GaAs單結(jié)和多結(jié)疊層III-V族化合物半導(dǎo)體晶片的太陽(yáng)能電池已成為很有希望的下一代 高效率能源。 本實(shí)用新型具有所述光學(xué)透鏡1的太陽(yáng)能電池裝置2中，所述半導(dǎo)體晶片221也 就是III-V族半導(dǎo)體晶片(GaAs，InP，InGaP)所構(gòu)成的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率高，其轉(zhuǎn)換 效率大致為26% 28%，若是以多接面串疊(InGaP/GaAs〃InGaAs，multijunctiontandem cell)的方式來(lái)制作，其最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33.3%。故本實(shí)用新型運(yùn)用III-V族半導(dǎo)體晶 片221所構(gòu)成的太陽(yáng)能電池裝置2其信賴(lài)性與可靠度較高，長(zhǎng)時(shí)間于室外使用時(shí)不易老化 質(zhì)變，且受外界溫度變化的影響較低。 請(qǐng)參閱圖五所示，為本實(shí)用新型具有光學(xué)透鏡的太陽(yáng)能電池裝置剖面示意圖。 其中，通過(guò)多個(gè)所述光學(xué)透鏡l將光線(xiàn)透過(guò)所述突出面12集中聚光于所述半導(dǎo)體晶片 221(11I-V族半導(dǎo)體晶片)之上，并由所述基板22使其光能轉(zhuǎn)換成電能并儲(chǔ)存于所述基板 22所連接的所述電池23內(nèi)，以提供其他用電裝置所需的電力來(lái)源。所述電池23可以是充 電式鋰電池、以及鎳氫電池其中之一。在另一實(shí)施例中，本實(shí)用新型所述的具有光學(xué)透鏡的 太陽(yáng)能電池裝置也可以不是連接于電池23而是直接連接到公共電力系統(tǒng)而成為發(fā)電系統(tǒng) 或發(fā)電廠的其中之一供電來(lái)源，換句話(huà)說(shuō)，圖5所示的編號(hào)23的元件也可以不是電池而是 發(fā)電系統(tǒng)中的一供電來(lái)源。 綜上所述，在本實(shí)用新型的光學(xué)透鏡1結(jié)構(gòu)包括有一平滑面11以及一突出面 12，且在所述突出面12上刻錄一中心圓121以及與所述中心圓121呈同心圓環(huán)狀由小到大 排列的多個(gè)折射部122，而所述折射部122為鋸齒形態(tài)且以所述中心圓121為中心呈多個(gè)的 同心環(huán)狀排列，其中，光透射率最佳的所述折射部122圈數(shù)可以是11至22圈其中之一。 在另一實(shí)施例中，具有所述光學(xué)透鏡1的太陽(yáng)能電池裝置2包括有多個(gè)光學(xué)透鏡 1、一框體21、一基板22、以及一電池23。所述框體21為一多個(gè)格體211所構(gòu)成的矩形陣 列，并于所述格體211內(nèi)分別設(shè)置有所述光學(xué)透鏡1。所述基板22設(shè)置于所述框體21的下
6方，且在所述基板22上設(shè)置有多半導(dǎo)體晶片221并分別與所述格體211內(nèi)所設(shè)置的所述光 學(xué)透鏡1的所述突出面12相對(duì)應(yīng)通過(guò)多個(gè)所述光學(xué)透鏡1將光線(xiàn)集中聚光于所述半導(dǎo)體 晶片221之上，使其光能轉(zhuǎn)換成電能并儲(chǔ)存于所述基板22所連接的所述電池23 (或是發(fā)電 系統(tǒng)中的一供電來(lái)源)內(nèi)，以提供其他用電裝置所需的電力來(lái)源。 但是以上所述的實(shí)施例不應(yīng)用于限制本實(shí)用新型的可應(yīng)用范圍，本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍應(yīng)以本實(shí)用新型的申請(qǐng)專(zhuān)利范圍內(nèi)容所界定技術(shù)精神及其均等變化所含括的范圍 為主。即大凡依本實(shí)用新型申請(qǐng)專(zhuān)利范圍所做的均等變化及修飾，仍將不失本實(shí)用新型的 要義所在，也不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，因此都應(yīng)視為本實(shí)用新型的進(jìn)一步實(shí)施狀 況。
權(quán)利要求一種光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，其包括有一平滑面以及一突出面，且所述突出面上刻錄一中心圓以及與所述中心圓呈同心圓環(huán)狀由小到大排列的多個(gè)鋸齒形態(tài)的折射部；其特征在于，所述折射部的圈數(shù)為11至22圈其中之一。
2. 如權(quán)利要求l所述的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光學(xué)透鏡的第n圈折射部的半徑rn必須符合以下的公式 <formula>formula see original document page 2</formula>其中rn是光學(xué)透鏡的第n圈折射部的半徑、n是折射部的圈數(shù)、且巧是第1圈折射部也就是中心圓的半徑。
3. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，其特征在于，環(huán)狀鋸齒形態(tài)的所述折射部的頂 端以及相鄰兩折射部的連接處設(shè)為弧狀的導(dǎo)角。
4. 一種包括如權(quán)利要求1所述的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，，其特征在于，包括有 多個(gè)所述光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)；一框體，為一多個(gè)格體所構(gòu)成的矩形陣列，并在各個(gè)所述格體內(nèi)分別設(shè)置有一個(gè)所述 光學(xué)透鏡；以及一基板，具有一電路回路且設(shè)置于所述框體的下方，還在所述基板上設(shè)置有多個(gè)半導(dǎo) 體晶片，所述半導(dǎo)體晶片并分別與所述格體內(nèi)所固接的所述光學(xué)透鏡相對(duì)應(yīng)，使多個(gè)所述 光學(xué)透鏡能將光線(xiàn)分別聚光于所述多個(gè)半導(dǎo)體晶片之上。
5. 如權(quán)利要求4所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體晶片為 III-V族半導(dǎo)體晶片。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，其適用于裝置在一太陽(yáng)能電池裝置上。所述光學(xué)透鏡包括有一平滑面以及一突出面，且于所述突出面上刻錄一中心圓以及與所述中心圓呈同心圓環(huán)狀由小到大排列的多個(gè)折射部。所述折射部為鋸齒形態(tài)且以所述中心圓為中心呈多個(gè)的同心環(huán)狀排列，其圈數(shù)最佳為11至22圈其中之一。所述太陽(yáng)能電池裝置包括有多個(gè)所述光學(xué)透鏡、一框體、以及一基板。通過(guò)所述框體內(nèi)所固接的多個(gè)光學(xué)透鏡將光線(xiàn)分別聚光于所述基板上所設(shè)置的半導(dǎo)體晶片之上，使其光能轉(zhuǎn)換成電能，以提供其他用電裝置所需的電力來(lái)源。
文檔編號(hào)H01L31/052GK201503504SQ200920149460
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者吳志穎, 蕭金廷, 蔡雄宇, 陳建成 申請(qǐng)人:和光光學(xué)股份有限公司