描述附图
本发明的几个典型实施例在下面的框架中说明。在这些附图中， 将示出几种组合变化及结构。在图1中，在电介质材料中切割槽，或 者槽由如钠钙玻璃的材料模制。玻璃槽在一侧形成为平坦部分3及在 另一侧形成为弯曲部分4以与图3中所示的侧面开槽半圆形球的曲率 匹配。槽2在平坦侧3上可具有微小的斜度以适应半导体的小安装偏 差及使半导体球与槽2呈现紧楔配合。其它电介质材料的例子为：
·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)
·聚酰亚胺塑料：DuPont Films，HPF Customer Services， Wilmington，DE　19880
·硅酮橡胶：　184　Silicone Optical coupling adhesive Dow Corning，Dow Corning Corporation，Auburn Plant，5300 11 Mile Road， Auburn MI 48611 USA
·EVA (乙烯-醋酸乙烯)：DuPont Corporation，Wilmington， DE 19880
在图2中，示出了电介质11的截面图，槽13在所述电介质中切 割或模制而成。该图2还可用作通过圆形半球形孔保持单一半导体小 球的截面的例子。在该图2中，弹性衬底薄膜17如硅酮橡胶( 184硅酮光耦合胶粘剂)沉积在电介质玻璃衬底材料11中的槽13内 并被使得固化。导电薄膜10、12、14、15如金、铂、钯、银、锡、 铝、锑、铅、铜、锌、钛、钼、钽、钨、镍、碳、硅、铁、铬、钒、 铌、镐、铟及这些材料的合金或导电化合物如氧化锡、氧化锌或掺硼 金刚石真空蒸发在弹性薄膜17上。导电薄膜12、14部分沉积在槽 13内。当半导体小球稳固地处于适当位置时，导电薄膜与半导体小 球接触件的接触点12、14将靠近槽边缘的顶部。电接触薄膜12、14 不沉积在电介质衬底、槽的底部16上。导电薄膜12、14中的该间隙 16在半导体安装时形成电断开部分。孔13的平坦电极表面12和弯 曲电极表面14与光电二极管的相应平坦和弯曲电极接触将形成半导 体小球的运动学安装，如图3中所示。
在图3中，示出了球形半导体小球25、24、29、26放入电介质 21的槽31内的截面图。光电二极管小球32如硅酮光电二极 管(商标为，Kyosemi Corporation 949-2 Ebisu-cho，Fushimi-ku Kyoto-shi 612-8201 Japan)的平坦侧与槽33或孔的平坦侧对准。当所 述小球被正确对准时，其应滑入槽31或孔31内并能够几乎完全填满 所述孔31地配合。当具有平坦侧的球形小球未相对于孔或槽31对准 时，小球应始终不能够滑入孔或槽31内。这种与钥匙类似的特征避 免连接电池的相反极性并使可能使用声音振动小球或振动衬底21从 而将小球25、24、29、23、26“摇”到适当的方向并对准使得半导 体小球放入槽中，最好电接触件23、26与槽或孔31的薄膜接触器 32、27接触。通过在孔或槽31的底部处具有一薄层粘性、静电或吸 能表面32，当小球已正确与槽配合时小球将呆在孔或槽31中并与槽 底部接触。槽可以是更大的薄板框架的一部分，在与小球配合期间所 述薄板框架被撬动打开，及在小球全部处于适当位置并填塞到槽中 时，更大的薄板框架可被释放，从而在小球上产生夹紧力并电接触。
在运行中，光穿透P/N结掺杂层24、25区域中的半导体小球24、 25从而产生电子-空穴对(里面的P掺杂区25和外面的N掺杂半导 体24)。电子对的分隔在小球的平坦部分33上产生正极性、在小球 的外接触件26上产生负极性。可进行向P/N结提供电压和电流的相 反过程，光电二极管可产生具有电子空穴对复合的光。P材料25及 电接触件23或电极22可形成热电偶的一个结。N材料24、电接触 件26和电极27可形成热电偶的另一结。如果半导体结25、24由光 或红外辐射加热，接触件被设计成具有足够的耐热性以使半导体结 25、24的温度相比于电极散热片20、28升高并具有来自半导体25、 24电极接触点26、23和电极20、28的温度梯度，Seebeck(塞贝克) 效应将跨电池产生电压。这些电池可像光伏电池那样串联连接并产生 电能。如果电流以相反的方向通过这些电池，对于塞贝克效应，结 24、25将从电极20、28消除热并通过Peltier(帕耳帖)效应加热半 导体结24、25。电接触件26和23可被形成为具有低热导率如将它 们形成为点接触及电介质隧穿层。具有低热传输的其它可能的电接触 件是部分用电介质形成接触件26并具有非常靠近的电极从而使能出 现真空间隙隧穿以将电子从N层24移到电极27。从衬底21和两个 电极20、28的子层19、34到半导体小球接触件23、26上的弹性压 缩保持这些部件之间的接触尺寸，同时系统可经历温度范围，电极 20、28、衬底21和半导体24、25之间的膨胀系数可以非常不同。之 后，半导体小球组合在槽或孔31中成为更大的电池阵列的一部分， 这些电池耦合到光学器件并在光伏阵列、发光二极管、热电偶或 Peltier致冷器或热离子转换器的串联和并联电路中电连接28、20。在 槽31的底部，粘合剂30用于将电池紧固在槽内。粘合剂30如 184可透光并用作衬底材料21和半导体小球32之间的光耦合材料， 这在阳光通过衬底21进入半导体小球32时是合乎需要的。粘合剂 30也可与小球外面的抗反射涂层29(抗反射碳氟化合物涂层，Mihama Corporation，1-2-8 Toranomon，Minato-ku，Tokyo 105-8437 Japan)一起 用作抗反射涂层。应当提及的是，半导体棒25也可在该槽几何结构 中使用。
在图4中，示出了与小球形状配合的孔37及电连接36的例子。 所述孔具有平坦区域，电接触薄膜35沉积在平坦区域上，电介质38 (电断开区域38)被遮蔽，第二电接触件39被示为涂覆孔37的圆 形侧40。
当图3截面图中示出的非对称半导体小球放在孔37中时，如果 小球的平坦表面36和球平行，则仅使能滑入所述孔。
在图5中，示出了半导体球阵列52用电接触件54、51、53、55 连接到透明光学透镜/反射镜50的截面图。光电二极管阵列通过涂覆 成形玻璃件50形成，所述玻璃件具有弯曲透镜外区域，前表面58上 有抗反射涂层。玻璃50的背侧成形为集中反射镜。反射镜涂层和导 电薄膜51、53、55涂覆在玻璃50的背面表面上。玻璃或透明材料 EVA50的背侧具有用于半导体小球形成于其中的槽49，该槽成形为 使得当成形半导体小球楔入槽中时所述槽弹性地保持所述小球。在所 述小球与槽壁的金属-金属接触点处槽壁的大约5度斜度的锥度将确 保所述小球不能滑出所述槽，因为摩擦力远高于滑出楔形结构的力。 反射镜涂层和电极54、51、53、55用角控真空蒸发、喷墨印刷、或 角控等离子体喷射进行沉积以涂覆反射镜反射区域但不涂覆玻璃50 中的槽49的底部从而在电极之间形成电断开部分。该未涂覆的区域 49透光。适于反射镜反射器电极54、51、53、55的薄膜通过用锡涂 覆玻璃形成，所述锡之后氧化为氧化锡以变得透明。半导体球52被 插入和楔入玻璃的槽内。成形后盖板放在光电二极管阵列的上方并用 硅酮橡胶密封剂胶粘到玻璃光学器件和二极管阵列。背板、反射器及 散热片56的置放通过背板56的电介质薄膜59在半导体球上施加弹 性压力。电介质材料59可以是硅酮橡胶或聚酰亚胺，也可以是将背 板连接到电极54、51、53、55、半导小球52和玻璃50的胶粘剂。 胶粘剂也可透入半导体52和玻璃50之间的槽49内并用作玻璃和半 导体49之间的折射率转变材料。密封剂也放在外周或阵列处以密封 半导体免受灰尘和污垢。铝背板可具有面向太阳电池的明亮抛光表面 或白色散射表面。背板的外表面可具有涂层如黑色硅酮涂料以帮助背 面辐射区保持背面冷却。硅酮橡胶密封剂也可用于密封电池的背侧并 确保电池和背面之间的良好热接触。电极54、51、53、55和半导体 小球52之间的电接触可通过在真空炉中或具有电偏压的闪光灯照射 加热组件以产生焊接所有接触件的大电流进行确保。其它可能的接触 件紧固方法为给接触件的超声波脉冲能量，其通过玻璃或硅小球将热 量引导到界面接触件。电路54、55边缘的焊接铅可与超声波脉冲联 系。
在图6中，示出了将硅半导体小球65放在背表面66上的另一安 装结构。在该设计中，背表面66为挤压成的玻璃板、聚酰亚胺或轧 压或冲压成的钢或铝板67，其用电介质如玻璃66涂覆并在其中形成 硅酮小球定位槽69。槽69具有银或锡导电涂层64，其上涂覆真空蒸 发的表面，及槽69具有通过遮蔽或槽肩阴影形成的间隙。反射材料 如银、锡或白色散射材料的外表面涂层67可涂覆衬底66的背侧，如 果电介质透明或半透明，其将用作经过绝缘间隙69的光的反射器。 在外表面67上可添加黑色辐射涂层68。在一些情况下，可省略黑色 辐射涂层68和反射涂层67，通过电池65的光可用于照亮阵列下方 的空间。
在该设计中，光集中系统在挤压成的玻璃板60上。其具有上部 透镜61、下部反射镜阵列62及形成为宽松装配在硅半导体光电二极 管65周围的槽63。为形成完整的阵列，玻璃板60用胶粘剂如硅酮 橡胶密封剂85沿外周及可能在光电二极管65和玻璃60之间附着到 光电二极管区域。如果硅酮橡胶密封剂85如184透光，则 其可遍布阵列置放以用作光耦合界面。该阵列的电输出经过导电薄膜 64并通过阵列边缘输出。
图7为具有三维光学器件的光集中结构。在该图中，透镜70和 反射镜71包装成六边形图案81。其它可能的图案为正方形和三角形。 光集中器70由玻璃72模制而成。上表面70形成透镜阵列，下表面 形成反射镜71和散热片。
使用玻璃-空气界面70的全内反射。导电薄膜如氧化锡71、76 涂覆在反射区域77、80上的玻璃表面上及成形孔73、75内。
两个电极77、80在玻璃反射器的任一侧上由玻璃反射器72上的 间隙79分隔。
半导体球74、78在玻璃反射镜端部处插入成形孔73从而与两个 电极71、76接触。绝缘间隙79可通过在玻璃反射镜72的侧面模制 通道然后用定向导电材料源77、80涂覆玻璃反射器形成，所述导电 材料将不填充间隙79的阴影区。绝缘间隙79可通过在玻璃反射镜的 侧面模制通道然后用定向源涂覆在玻璃72内，所述定向源将不涂覆 间隙79的阴影区。在运行中，来自太阳的光通过透镜70聚焦并自反 射镜71、76、75、77、79、80反射到光电二极管电池74、78上。透 镜70和反射镜71、76的集中能力越高，阵列需要指向太阳的精确度 增加。对于低的集中，大约4倍，大约1.5折射率的玻璃72充分折 射来自非垂直射线的光使得集中器阵列有效地集中来自太阳的光而 不需要追踪太阳。不直接聚焦到光电二极管74的光如通过云层的散 射光可在反射表面71、76上反射，并部分到达光电二极管74。集中 光伏阵列可被固定、安装、倾斜以使中午时的输出及纬度角最大。这 些类型的低集中集中器光伏阵列的应用可用于结构安装和非太阳追 踪安装。微型反射镜不必须垂直在表面上，在一些设计中，反射镜在 阵列中可被倾斜以在外表面必须处于与日射角无关的规定角度时使 功率输出及性能最大。
在图8中，示出了当电池插入薄的柔软衬底时光伏电池及微型集 中器的布置。在该布置中，具有槽或孔108的衬底电介质隔膜90通 过复制主表面、固化然后移离主表面形成。之后，电介质复制物90 用定向或表面涂层91、97、105涂覆，仅涂覆槽或孔108的外表面及 边缘96、102、104。在孔108的情况下，电间隙可通过衬底90的沟 槽或压痕区103提供，其它可能的技术为丝网印刷、喷墨印刷、等离 子体喷射涂覆、电镀、金属涂层91、96、97、102、104、105如银粉 或锡粉、导电薄膜的真空沉积。这些导电涂层91、96、97、102、104、 105在其之中可具有微粒或按它们形成与半导体光电二极管92、93、 94、95、101、100、99、98接触的可靠导体的方式固化。多种纹饰、 造窝、基座、纤维、凹槽、切口及弹性多形表面均可模制在复制物表 面接触件96、102、104内以帮助实现与微粒光电二极管接触件92、 95、101、98上的触点接触的弹性电接触表面。复制物表面91、96、 97、102、104、105还可包含纤维和/或使导电纤维置于其中。形成电 接触件91、96、97、102、104、105的另一方法是将导电箔、丝、纤 维、导电网、导电纤维基体或粉末层压在电介质衬底内。下一构造步 骤为用银、锡、钛(背面反射器106)或白色散射薄膜涂覆模制电介 质90的背侧。这可以是加有二氧化钛微粒的硅酮涂料。在背面反射 器106的外表面上沉积保护性及热辐射薄膜107如加有碳黑或氧化钛 微粒的硅酮涂料，其可发射红外线并以辐射方式从阵列背侧除热。具 有掺杂99、94的光电二极管球100、93和导电接触点92、95、101、 98放在所述结构的槽或孔中。通过适当地形成电介质衬底90和电接 触件102、104，光电二极管球100将仅单向弹性地安装在槽或孔108 中且仅实现与阵列中的另一光电二极管93接触的适当电接触件。当 光电二极管阵列被连接时，所述阵列可置于真空炉中以退火接触件 91、96、102、104、92、95、101、98并可能将接触件焊接在适当位 置。为保护及将光电二极管阵列组合为更大的模块系统，它们可被施 以氯氟碳化合物或用硅酮橡胶密封剂涂覆并层压到玻璃板上，如图 10A、10B、10C、10D、10E、10F所示。电池可被定位和夹在具有 沟或槽的玻璃透镜和反射镜之间，所述槽的位置适于将光电二极管球 保持在透镜反射镜组件的焦点或集中点处，如图9中所示。
在图9中，多个组成部分均可与微型集中器光伏阵列组合以形成 功率系统。除热及存热可与光伏阵列的多余热量的管理组合并提供光 伏阵列的热管理。微型集中器光伏阵列在图9中用截面图的方式示 出，具有组成部分：抗反射涂层117、模制玻璃透镜110、界面层126、 反射器112、弹性底层及电介质衬底113、导热衬底114、辐射涂层 125及光伏阵列的背表面。辐射涂层125可被使得粗糙不平以具有纤 维、翅片、隆起、脊或窝从而增加对流热传递。所述涂层可具有高红 外发射能力如二氧化钛和碳黑或石墨微粒加入硅酮橡胶涂料中。应提 及的是，模制玻璃110可具有平坦外表面，这可使得其易于保持清洁 而没有污垢。当所述阵列被装配在电池的玻璃和反射镜阵列之间时， 它们在或高于阵列的最大工作温度用胶粘剂如强压在界面 层中并在该温度固化。相比于反射镜阵列112、113、114、125及玻 璃110由于胶粘剂126膨胀系数更高，胶粘剂在工作温度时将收缩并 处于张力之下。该界面层中的这种张力将拉反射镜112、电介质底座 113、导热衬底114并保持接触件压在半导体小球115上。电流从小 球115上的串联连接的接触件112收集并传给阵列侧面。来自光伏阵 列的电输出示意性地示为正端子116和负端子111。外壳120可放在 光伏阵列125的背面。该外壳120可以简单地为烟道以引导对流气流 通过光伏阵列125或可以是循环液体122如氟碳化合物、酒精或水。 使对光伏阵列125的腐蚀影响最小的典型布置是使用风扇121、123 抽吸的空气122通过光伏阵列125，加热后的空气122用于结构加热。 风扇或泵121、123可在冷却光伏阵列125或将热量传给结构必要时 运行。光伏阵列的脊或不平的外部125相较平坦光伏阵列实现更好的 从光伏阵列到流动液体122的热传递耦合。相变材料119可放在阵列 125的背面或放在流体通风系统120中以吸热并将热量存在系统中从 而稳定温度。DC电输出116、111可连接到电转换系统118，其优化 光伏阵列的性能并将电输出转换为合乎需要的电输出如110伏特交 流电。电容器、可逆燃料电池和/或电池可组合在电转换系统118内 以邻近阵列125保存电能。热管系统120、124可组合在光伏阵列125 的背面以将多余热量有效地传给结构。热管120、124可具有为使热 管产生恒定不变的高压密封由工作液体124和弹性壁120的杂质设定 的沸点从而设定热管的沸点仅在阵列温度用于传给结构时除热。
多种涂层117如二氧化钛薄膜的红外及UV吸收薄膜，如TPX solTM二氧化钛涂层(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电 池上因未利用的红外日光辐射引起的热通量，使半导体的带隙轰鸣。 抗反射涂层117可以是如二氧化钛的材料，其吸收UV光并光催化地 氧化玻璃外表面上的有机材料以保持表面透明并减少可能的对玻璃 110和光伏阵列1115、112、113、114、125的UV损害。
图10A、10B、10C、10D、10E、10F和10G示出了可连接到弹 性接触的电池的多种备选光集中系统。
在图10A中，示出了透镜阵列130，光电二极管132精确布置在 弹性接触件133中。透镜阵列之间的气隙109用于绝热，其中该阵列 可用作玻璃窗口或天窗。电接触薄膜可以是透明的氧化锡。接触断开 部分134在电池之间示出，还示出了弹性电介质如硅酮橡胶层128和 透明电介质衬底127如扁平模制玻璃板。在该结构中，光131通过透 镜阵列130聚焦在半导体132上，而不从反射镜电极133反射。该系 统不捕获未到达光电二极管132处的焦点的光。因此，如果电接触件 133为反射或透明接触件，其它透镜表面130将反射与表面成低角度 129的漫射光或使其通过阵列。光透射光学结构可用于室内照明如天 窗或窗口，在那里直接阳光被捕获，而与表面成低角度的光129如早 晨或夜间的光、从云层散射的光及大气的散射光未到达光电二极管 132并传入室内。在该例子中，半导体接触件133被示为在平坦衬底 127上，但其可以是成形衬底127，其有助于保持所述半导体并使用 从成形电极133反射在弹性层128和衬底127上的光以收集到半导体 132的光。可能的附加特征是使弹性层部分128为磷光体或闪烁体并 将在该层吸收的光转换为磷光体或闪烁体的特有发射光。闪烁体材料 的例子为蒽(anthacene)，其可溶解和散入聚合物或橡胶中(Pfaltz and Bauer，172E.Aurora St.Waterbury CT06708)。磷光体的例子为硫化 锌(ZnS)，其用铜或银掺杂剂激活。磷光体的另一例子为钇铝石榴 石晶体，其将蓝光转换为黄光。所述特有发射光以所有角度发射，但 由于弹性材料板128的全内反射及从电极127反射和衬底材料127内 反射，光被传给光电二极管，其中弹性层128改变角度和厚度。相比 于磷光体使用闪烁体的优点在于其不吸收其自身的特有光及较低能 量的光子，因而其可用在传输部分130、109和弹性层128中以使较 低能量的光子通过光学器件聚焦。由于内反射及低的特有光吸收，闪 烁层可有效地从光学部件130、109、128的大区域或体积收集转换后 的光并将其传给光电二极管132。磷光体和散射体预计将用在非透射 部分上如电极133、弹性层228或衬底127，且还可用于将未聚焦的 光129重定向到光电二极管132。
在图10B中，菲涅耳或全息光集中器137示为光集中元件。这是 不同类型的光学器件可用于将光集中到多个离散光电二极管的例子。 在该例子中，示出了菲涅耳透镜137的截面图。光136通过透明透镜 材料137然后从菲涅耳透镜的小平面折射并聚焦到半导体138。光学 元件137也可以是全息透镜，其可以通过衍射光栅如透明材料137内 表面中的沟将光集中到光电二极管138，而不是以宽范围的入射角折 射到光电二极管138。在该例子中，衬底材料139是用于接触电极126、 140的成形弹性聚酰亚胺衬底以保持硅光电二极管138。与先前图10A 中的例子一样，弹性衬底139可以是散射表面、闪烁体或磷光体并用 作初始未被聚焦到光电二极管138的光的转换器和导管。
在图10C中，示出了前表面上的后向反射器和光电二极管阵列的 例子。在该例子中，入射光143通过弹性衬底和电导体。光143从铝 反射器145反射并集中在光电二极管142上。光电二极管142用两个 透明的电接触件144、164保持，如用弹性衬底材料如碳氟化合物保 持在光电二极管上的氧化锡或薄的不透明银电导体网络。透明材料 162如硅酮橡胶可放在导电电极144和反射镜145之间。透明弹性衬 底材料141如碳氟化合物塑料成形为在半导体142周围形成弹性夹且 还用作用于直接入射光的透镜。
在图10D中，示出了Cassigranian光集中系统，光电二极管150 在背表面上。在该结构中，光通过透明玻璃罩板146、通过空气或透 明材料空腔153、从成形反射镜147反射、从安装在玻璃罩板上的成 形反射镜147进行第二次反射、然后聚焦到光电二极管150。 Cassigranian光学器件具有光收集缺点，即第二反射器阻止直射光线 到达半导体，但如果需要遮蔽光电二极管150以免受高能辐射，这是 有用的。第二反射镜147可与遮蔽材料组合。通过硅酮橡胶弹性子层 151上的成形铝反射镜接触件149形成到光电二极管150的电连接且 该电连接组合在聚酰亚胺电介质衬底152上。弹性子层151保持对光 电二极管150的接触压力，即使整个系统在组成部分152、151、149 之间经受不同的膨胀也是如此。透光材料如硅酮橡胶可放在前表面 146和反射器149之间。
在图10E中，示出了使用梯度折射率透镜的光集中光学器件。在 该结构中，光学材料是弹性衬底，如掺杂的硅酮橡胶和碳氟化合物聚 合物被分层并成形为增加层155、156、157、161的折射率以将光聚 焦到光电二极管160。光线158从硅酮橡胶的成形层155、156、157、 161折射以聚焦在光电二极管160上。接触电极159弹性地压在光电 二极管上。模制折射材料的最后一层以在光电二极管压入空腔时形成 压缩空腔161。空腔161被设计成具有电极以在光电二极管160上形 成结接触件。
在图10F中，示出了倾斜或离轴集中方案。这使阵列将能因可能 的体系结构原因不垂直于来自太阳的光线165，或者这使入射光165 表面几何结构倾斜以利用色象差。光谱的折射率扩展可与倾斜的耐火 表面一起使用以将光谱的不同波长部分放入不同的光电二极管中，这 些光电二极管为日光光谱的该部分优化。通常，光成角度通过耐火材 料导致红光171以最大角度折射，然后是绿光172，最后是蓝光169 以最低角度折射。因此，一排光电二极管170、168、169可被布置成 最佳截取光谱扩展：反射槽167中在第一排的红光光电二极管170、 在第二排的绿光光电二极管168、及在外面第三排的蓝光光电二极管 169与具有倾斜几何结构的微型集中器玻璃166耦合。光电二极管放 入并用硅酮橡胶胶粘在弹性透明耐火材料中的成形弹性空腔内，如图 3中所示，电接触薄膜形成与电池堆170、168和169两侧的压缩接 触167。
在图11中，以截面图方式示出了具有不同带隙181、184、180 层的多层光电二极管半球。还示出了光谱扩展及聚焦透镜176的局部 挖切。吸收高能带隙光电二极管层180的蓝色光子是半球形光电二极 管的外层。吸收中间带隙光电二极管层184的绿光是半球的下一层。 吸收最低带隙光电二极管层181的红光为半球核心。三层半导体181、 184、180和分隔电极被示为半球形几何结构中的可能分层光电二极 管的例子。更多或更少的光电二极管层可使用并可通过多次涂覆中心 球181形成。每一光电二极管层181、184、180将具有杂质掺杂或电 极间层，其产生光伏光电二极管的集中及电压梯度。在光电二极管的 外面，添加半球的抗反射涂覆外层174。该抗反射涂层174可以是梯 度折射率材料或可以是四分之一波长厚透明材料涂层，其通过破坏性 地干涉光反射实现抗反射。为优化到光电二极管181、184、180的光 透射，抗反射涂层174可被调整成使光电二极管半球顶部处红光178 的透射最多，然后优化光的更短波长177、179在所述球的侧面的透 射。由于球形及光在所述球侧面的入射角，均匀厚度的四分之一波长 抗反射涂层174将峰值透射偏移到更长的波长。因此，对于光集中系 统，当光方向控制在光电二极管球上时，通常最佳四分之一波长抗反 射涂层174在所述球的侧面将变薄以补偿入射角变化。对于该特定例 子，当光的光谱分布在光电二极管球上时，四分之一波长抗反射涂层 174在所述球的侧面甚至变薄很多以优化入射在侧面上的绿光和蓝光 177的光透射。这种类型的厚度变化的涂层可用真空蒸发源实现，及 使用入射在半球上的角度的影响产生更薄的涂层。
分层光电二极管半球181、184、180、174靠近红光179的焦点 放在聚焦光学器件176的后面。入射白光175用色象差进行光谱扩展， 其中折射率随光的波长变化。通常，通过玻璃的红光178相较绿光 199和蓝光177具有更高的折射率。半球形光电二极管181、184、180 放在透镜176的红光焦点179之后使得其优化彩色光谱到分层光电二 极管的空间分布从而使红光焦点179正好处于光电二极管的外面或 中心吸收红光的光电二极管181的里面。接着，绿光199将形成更大 的斑点并由于通过倾斜光电二极管层184的路径长度更长而被更有 效地吸收到光电二极管的绿光吸收带内。蓝光177斑点直径最大且将 最有效地吸收在为蓝光吸收和转换优化的外光电二极管层中。通常， 更长波长的红光178将通过玻璃176以高于绿光199和蓝光177的角 度折射。红光178将由于低于蓝光光电二极管180及绿光光电二极管 184的激发带隙而以低吸收通过这两个光电二极管。光的光谱、空间 及成角分布在分层半球形光电二极管181、184、180上将趋于优化每 一光电二极管电池的性能而不必物理上分开光电二极管电池。绿光 199和红光178的部分将射到蓝光优化的光电二极管180及绿光优化 的光电二极管184，这些光的光子低于蓝光和绿光优化的光电二极管 的带隙能量，及部分通过并射在绿光分层光电二极管184和红光分层 光电二极管181上。相较先形成分开的光电池然后再放在一起，分层 半球形光电二极管的该分层结构成本更低。在该几何结构中，电极接 触件被示为附装的导电金属接触件183、181。内层接触件182附着 到红光光电二极管181中心的暴露表面，外接触件183附着到外面的 蓝光光电二极管层180的表面并穿过抗反射涂层174。与该半球形小 球接触的弹性接触几何结构的例子在图3、图12B和图14中示出。 理想地，电接触件182、183反射光且不阻止光到达光电二极管，如 图14的弹性接触例子。机械接触需要与中心点接触182进行中心接 触并对准具有外形配合表面的硅球以仅允许分层光电二极管适当的 电接触及放入中心红光及周边蓝光的辐射光谱分散图案中。
应当提及的是，表面粗糙或梯度密度的抗反射涂层174可有利地 用在该几何结构中以避免典型四分之一波长抗反射涂层及早先提及 的涂层的光谱及角选择性。
如果使用半导体保持空腔的槽，中心接触件可具有凸起的按钮 182及电介质周边涂层185，如延伸到覆盖绿光光电二极管184和蓝 光光电二极管180的边缘以防止与沿槽的电接触件短路的抗反射涂 层。
在图12A中，示出了通过将微粒小球分层光电二极管研磨在两 侧上形成光电二极管的备选方案。通过将小球研磨在两侧上，内掺杂 层274和其它光电二极管272可由两个电接触件273、275接近。相 比单一平坦侧，该具有两个平坦侧的小球几何结构也可有利地用于形 成电接触件。作为分层光电二极管的例子，形成直径500微米的InP 小球274。InP小球274被掺杂而成为n型半导体。之后，InP小球通 过有机金属汽相外延而被涂覆约2微米厚的n型InGaAs层272。之 后，涂覆2微米厚的p型InGaAs层271及溅射沉积金铬涂层270。 接下来，所述小球两侧接地，通过将镍/金接触件272、275真空沉积 或电镀到中心而形成电接触件。制造分层光电二极管或光发射器的材 料有许多变化。其它适当的衬底小球半导体为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 和CdTe。
在图12B中，示出了槽或空腔电接触件与具有边缘281、292和 中心接触件286、285的光电二极管小球接触。在该例子中，通过将 分层光电二极管小球研磨在两侧上构造的如图12A中所示的光电二 极管小球插入电介质288中具有两个侧接触件280、287及底座接触 件289的弹性槽295内。槽或空腔295模制在弹性电介质288外面， 如金属箔衬底289如锡上方的聚酰亚胺或硅酮橡胶。光电二极管小球 281、282、283、284、290、291、292压入槽295内。两个侧接触件 280、287压靠光电二极管小球的中心接触件286、285。光电二极管 小球的边缘导体281、292与槽或空腔295底部的箔接触件289接触， 来自罩透镜293或反射镜的弹性压缩使光电二极管小球压靠底座接 触件。模制的罩玻璃293通过张力保持并在玻璃293和电极衬底288、 289之间的压缩压力下通过透明界面胶粘剂294与接触电极 280、287形成密封，所述胶粘剂在升高的温度固化。在低于胶粘剂 固化的工作温度，界面胶粘剂294的热收缩在胶粘剂中产生张力，该 张力将罩玻璃及电极相互拉向对方并产生接触压缩压力。其它机械弹 性空腔或力方案可用于保持对光电二极管281、282、283、284、290、 291、292的弹性接触压力。
在图13A中，示出了半导体小球对准和操纵系统。在该系统中， 具有平坦侧189的半导体小球188通过来自声音发生器185的声音 186或通过支承板190的振动进行振动。小球188将自旋直到它们达 到最低能量为止，小球的平坦侧位于平坦Teflon表面187上，该表面 具有限制小球的空腔。不同的声振186强度可用于操纵小球以移动它 们远离所述表面或使它们缓和地旋转并调整到最低能量状态，小球 189的平坦侧在Teflon表面187上。Teflon187具有静电荷，因此吸 引小球188，Teflon增加小球的能量阱以使平坦侧189保持位于平坦 Teflon表面187上。高电压电极190可放在Teflon表面187的后面， 及从发电机191向电极190施加高电压。对半导体小球188或邻近的 电极193或周围的接地导电表面192的强烈点电晕放电可完成充电电 路和到电荷电极190的电场线路。半导体小球188上感应的电场及电 荷使它们保持靠着Teflon表面187。
图13B示出，由于Teflon表面204的低滑动摩擦系数，其平坦 侧与所述表面对准的小球201用推送板200即可跨Teflon表面204 滑动而不是滚动。推送板200可推动半导体201以使半导体按行对准， 所有平坦侧靠着支承板205上的Teflon表面204。推送板可具有成形 空腔202、203以将各个半导体保持在分开的位置。如果半导体位置 错误或有太多半导体来自单一行，这些小球将不安装在推送板200的 成形空腔203内并可与已安装在推送板的槽202或孔203内的小球 201分开，及弹出、用硅酮橡胶表面接触提升或扫离Teflon表面204 和推送板200。
图13C以截面图方式示出推送板216用于将半导体小球213压入 成形反射镜或电接触件和弹性衬底210。当小球213滑入成形空腔212 和电接触件211、219时，支承板218上的电荷可被释放或反向。推 送板216也可被加热和/或可具有声脉冲，一旦小球213插入并由电 接触夹持器210夹住时，通过声脉冲可将小球213的接触件214、220 焊接到电接触件211、219。一旦小球插入夹持器，这些小球可用光 或磁场加热以实现接触件214、220的焊接。半导体小球可具有电接 触件214、220，其由磁性材料如镍制成。因此，磁场中对磁化表面 218的磁吸引力或对准可用于对准并将小球保持在夹持器218、217 上。可用于对准小球的其它特性为在电场中使用小球213的自极化电 场用于对准小球213。应当提及的是，涂覆硅酮橡胶的表面215的粘 性和静电特性可用作小球固定器，从而使能保持和传送小球而不会滚 动。插入半导体小球可用弹性底座210上的成形孔212处的电接触件 211、219完成，所述底座保持打开以用于插入然后释放以机械上夹 在小球213上，圆形小球的电接触件214与圆形电接触件211接触， 内小球接触件220与弹性固定器210的平坦表面接触件219接触。夹 持器210的机械夹持还使小球213能被保持从而使推送装置216能与 小球213分开并缩回推送装置216。推送装置216可在形成的表面222 内侧具有硅酮粘性表面215以使对准的小球能粘在空腔中而未对准 的小球抖落。
在图14中，以截面图方式示出了透镜反射镜电极压缩结构。连 接球形接地半导体光电二极管或接地棒233的另一结构是形成具有 反射镜接触件237、238、242的空腔，这些接触件仅允许电池按一个 方向连接。如图14中所示，成形凹陷或槽239、241具有中心接触件 242和侧接触件239、238。这些接触件237、238、242及通路243可 通过将导电粉末油墨如银、铜、镍、石墨、铝、锡及合金墨喷喷射在 电介质衬底如模制或成形聚酰亚胺239、241上形成。形成电接触件 和电路薄膜237、238、242、243的其它方法为将导电薄膜溅射沉积、 等离子体喷射、电镀、箔压在预先形成的平板或电介质衬底239、241 上。其它选择是涂覆或层压薄板金属衬底以具有接触件的形式并用作 另一背面保护性表面244。侧接触件237、238具有部分从电接触件 237、238和电介质底座衬底239、241的平坦底部向上沉积的电介质 涂层235、236，如果小球233的圆形表面接触中心电接触件，使得 半球形小球233不与侧接触件电极237、238电接触。电介质涂层235、 236如Teflon或氟硅聚合物可具有低摩擦系数以允许半球形小球233 容易滑动和旋转直到半导体光电二极管小球233的平坦侧方向与槽 或凹陷239、241的平坦底部表面平行为止。随着保持自由小球向下 朝向槽或凹陷239、241底部的重力及随着小球安装在槽或凹陷的最 深位置使得小球233的平坦侧与底部平行，小球将达到最低能量状 态。如果振动能量或声能量施加在半球形小球上，小球可旋转和自旋 直到小球的平坦部分靠着槽或凹陷239、241的平坦底部安装为止。 如果在电极239、242、238和外部电极(未示出)之间施加电场，所 述引力作用可被增强。电介质薄膜239、241、234、236通常为永久 驻极体，或可被使得成为电极并用施加的电场充电。通过用铁磁材料 如镍在半球形小球233上形成中心接触件240及使中心接触件242由 铁磁材料如铁或镍制成，然后使接触件242、240磁化或放入磁场中， 在磁场中小球将优先定向，磁场将通过中心接触件240、242引导或 集中。这可增加对准小球的能量阱，小球233的平坦表面与反射镜接 触件238、237的槽或凹陷239、241平行。当小球被正确对准时，侧 电极表面237、238与半球形小球233的侧面接触。光电二极管半导 体小球233通常将被掺杂以具有掺杂在内部的正电荷载体及掺杂在 外部的负电荷载体。因此，小球240的平坦表面上的电接触件与P内 层接触，外表面接触件237、238与N层接触。由于小球的侧接触件 237、238与电介质涂层235、236之间的摩擦系数差，一旦小球进行 金属接触，小球233趋于固定在凹陷239、241内。槽或凹陷239、 241的形状和弹性可制成使得其在小球的任一侧上形成楔形接触件 237、238，从而在小球正确对准时保持小球。
使对准过程在升高的温度进行也是有用的，在所述升高的温度附 近，小球侧接触件237、238将焊接或粘到小球233外表面，因而使 侧接触件粘在小球上并在小球已进行平行表面对准及电接触时保持 小球。其它可能的保持方案是使小的胶粘剂、硅酮橡胶或粘性液体小 滴位于槽或凹陷底部中的电介质隔离层239、241上，当小球平坦表 面被对准时，通过与小球233的平坦表面接触降低表面张力能量。这 将用作小球夹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。为去除多余或未对准的小球233，可翻转组 件以利用重力使未保持在适当位置中的小球233离开。其它选择是置 放具有粘性表面涂层如硅酮橡胶的成形工具，当其降低到阵列表面上 方时，其将仅与多余小球机械接触。处于不正确位置的小球233在槽 或凹陷中相较平行表面对准的小球233处于更高的位置。检查所有小 球233是否均已对准的过程可通过可视观察或具有真空或粘性表面 的精确工具完成，所述工具安装在槽或凹陷内且仅接触和去除未被正 确安装在槽或凹陷239、241内的电池。一旦小球233的平坦表面与 槽或凹陷239、241、237、238的平坦表面对准，电接触件239、240、 242、238可通过用闪光灯加热半导体小球233而确保与小球233热 机接触，加热后的金属体接触并使小球233压靠电接触件237、241、 242。传递能量以焊接、钎焊或熔接接触件的其它可能方法是将超声 波声能用脉冲输送到半导体小球233和接触件237、242、238内以摩 擦熔接或焊接接触件。通过电路和电池237、238、233、240、242的 电脉冲还可用于使电接触件弧焊到半导体光电二极管小球233。如果 电路237、238、233、240、242短路、连接到电源或为充电电容器， 另一电接触件熔接、钎焊、退火或焊接方法是使用从半导体光电二极 管233自产生的电脉冲，然后激光束跨电池扫描，或闪光灯在电池旁 边发光。产生短的电脉冲以在机械接触点提供断的热能脉冲从而熔 接、钎焊、退火或焊接接触件。在电介质衬底241顶部的中心接触件 242或侧接触件金属薄膜可被设计成，它们用作熔融及汽化金属242、 237、238、243和使下面的电介质239、241膨胀时如果过多电流流 过局部电路则断开电路的电熔断器。这可用于使误连接或短路的电池 断开连接。确保接触步骤也可在耐火透镜和反射镜231下面的组件放 在电池上方且这些电池通过耐火透镜和反射镜231保持在适当位置 之后进行。耐火罩透镜和反射镜231可压靠半导体小球233以进行电 接触并在太阳阵列的整个寿命期间均保持电接触。耐火罩231可用胶 粘剂232及电接触材料237、239、238、241、242中的弹性张力及耐 火材料的重力压在并保持在半导体233上，接触材料237、242、238 在阵列的整个寿命期间均保持接触。透镜-反射镜组件薄板231在外 表面上可具有保护性或抗反射涂层。适当的薄膜为碳氟化合物 (Mihama)、二氧化钛涂层以使外表面光反应和自清洁，或者硬的 抗刮擦涂层如反应溅射的金刚石薄膜。可选地，如用高压挤出工艺将 透明胶粘剂或接合凝胶234、232(如Dow Corning 184或gel Q3-6575)散布在电池上。玻璃或透明电介质罩透镜-反射镜231放在 光耦合材料234、232的上方，由于横向挤压运动，光耦合材料234、 232被压在半导体和反射镜周围，气泡通过胶粘剂图案中的气体通道 压出组件。整个组件可用升高的温度固化。组件可在压力下固化以使 透镜-反射镜薄板231压靠半导体小球233并保持对电接触件237、 240、242、238的压力。胶粘剂或光耦合材料234、232在固化过程 期间或之后收缩可进一步地在固化过程期间或之后产生使透镜-反射 镜薄板231压在小球233和接触件237、240、242、238上的压力。 在电介质衬底239的背侧及金属接触件242上，涂覆辐射热传递及保 护性涂层244如加有碳黑的硅酮涂料或二氧化钛硅酮涂料。组合后的 系统可用光脉冲、光栅激光束或电脉冲进行测试，短路电池或反向电 池可通过熔融或汽化电接触件而从阵列的并联串联电路去除。到外面 的电系统和电路的电连接预计通过玻璃材料薄板231边缘处的电接 触焊点完成。
图15为串联并联电池的电路，在光伏电池253之间的并联及串 联连接中由薄膜式电导体或电介质、熔断器或压敏变阻器253、258， 逆流保护二极管254或压敏变阻器254置于输出线路上。逆流保护元 件254也可以与掺杂半导体小球一样的方法置放在弹性成形电接触 件中，具有到光电二极管的反向电子空穴梯度，如图15中的示意图 所示。逆流保护二极管254未被图示，因此可放在阵列边缘上的反射 镜阵列之间的任何光集中区域的外面。逆流保护二极管254可定期按 排放在阵列中以能够匹配保护二极管电压和电流特性并产生分布式 逆流保护从而避免因任何单一保护二极管或一串保护二极管故障而 危害整个系统。在并联连接的电池中，单一电池开路引起的部分损失 效应为1除以连在一起的电池数量。在串联并联电连接网络中，整个 系统上单点故障的效应正比于行部分损失除以行数，因为来自其它行 的电流将能够在单点故障周围流动。随机单电池故障的数量正比于电 路中的总电池数量。因此，在许多等电位并联连接的电池和串联连接 的大阵列中，其中任何单行中的电池数量与阵列中电池总数的平方根 成正比，则由随机单开路故障引起的可能部分损失与阵列中电池总数 的反平方根成正比。该统计学观察具有实践意义，即对于串联并联阵 列，阵列中单个电池的数量越高，由于随机电池故障引起的部分损失 越小。电池数量越高，这些光伏阵列越可靠，这与通常的直觉相反： 电路中电池越多，故障及输出损失概率越高。在高电压阵列中，逆流 保护电池254及旁路二极管257可定期按行形成在阵列中。电池之间 的并联电连接253在使电流绕过阵列中由于制造缺陷或遮蔽而性能 变低的单一电池方面是有用的。旁路二极管257可在一行性能低或被 遮蔽的电池252周围传导电流。
并联电连接253和串联电连接258可通过电介质绝缘衬底上的薄 导电沉积物或压敏变阻器形成有效的熔断器，所述沉积物或压敏变阻 器用选择为随电流、电压或温度上升具有特定电阻增加的电导体、半 导体沉积而成。特定例子的氧化锌薄膜将随施加的电压增加其电阻。 沉积物可以是真空溅射沉积物、墨喷沉积物、等离子体喷射沉积物、 箔压花、与光电二极管小球连接类似的各个半导体沉积物。大多数金 属在室温时具有合乎需要的低电阻特性，然后随温度升高电阻增加。 如果过多电流流过并联或串联电连接如几倍于单一二极管的电流，金 属由于材料中的欧盟能量耗散而发热。如果电流和产生的热量足够 高，电路可能熔融金属甚至电介质衬底，并永久断开并联电路连接。 电池253之间的开路熔融可用于在光电池短路或反向连接时永久断 开这些光电池周围的电路。器件如压敏变阻器253可形成在并联电路 连接中，其被设计成随电流升高电阻增加。压敏变阻器253可被设计 成可逆地快速响应于电流过多并有效地箝位并联或串联连接中的最 大电流。在照亮的光伏阵列被选择性遮蔽如树枝阴影的情况下，为保 护光电二极管免遭过高电流和电压，该最大电流箝位非常重要。示意 性示出的阵列可通过周边总线连接251、255连接(250、256)到其 它阵列或电负载。可电连接在输出连接或总线连接250、256上及与 图9中所示阵列组合的其它可能的电器件为DC-DC转换器、DC-AC 转换器、电容器、电池、电解电池、飞轮、电动机、灯、泵和风扇。
本发明的一些特征和元件包括：
1、电接触件用弹性机械系统保持压在半导体主体上。
2、使用光电二极管主体或电极的形状确定半导体反向。
3、使用槽或孔安装电池。
4、使用球的平坦侧用于保持、定向及将其移到电连接。
5、槽还是电连接。
6、槽还是反射镜。
7、槽还是光透射。
8、球上的电接触件的位置和尺寸可有利地用于半导体运行。
9、电接触件具有提供熔断器及电路中断电特性的厚度。
10、电接触件可以是反射镜。
11、电接触件可以透明。
12、电接触件可与电导体或金属不同。
13、电接触件和半导体可实质上形成热电结。
14、电接触件和半导体可形成产生光的结。
15、槽和电接触件形成除热系统。
16、电接触件和反射镜为热导体以从光电二极管除热。
17、阵列背侧上的涂层增强辐射散发和除热。
18、反射镜/透镜为除热系统。
19、反射镜/透镜为机械安装和保护系统。
20、使用并联串联连接提供可靠的电路连接。
21、可使用胶粘剂。
22、可使用光学界面桥接或胶粘剂。
23、可使用光固化胶粘剂。
24、可使用粘性材料将电池紧固在槽中。
25、可将球压在槽中以实现接触。
26、可使用焊接以完成接触。
27、可使用熔接以实现电接触件固定。
28、可使用闪光灯以实现电接触件固定，光电二极管产生电流以 熔接和/或加热电池。
29、可使用超声波能量完成焊接或熔接。
30、可用薄膜将光学器件涂覆为反射器或电路。
31、槽或孔中的小球在任一侧具有两个或两个以上不同的接触 件。
32、不必须使用所述形状(在进入槽之前简单地定向)。
33、阵列为透镜/反射镜、离散半导体、电接触件及背罩或反射 镜等组成部分的组合。
34、槽或孔可在电介质中形成。
35、槽或孔可在具有电介质涂层的金属中形成。
36、槽或孔可在具有电介质和导电涂层的金属中形成。
37、成形空腔的壁可具有提高电接触件弹性的结构。
38、成形空腔的壁为电接触件弹性具有槽、缝、沟、隆起、基座、 纤维。
39、空腔接触表面上的电涂层为电接触件弹性具有纤维、粉末。
40、成形空腔上的接触件为弹性多形表面。
41、涂层可以许多方式沉积或形成，如真空沉积、墨喷印刷、喷 射粉末。丝网印刷、箔压花、焊接、压印或层压。
42、使用硅酮橡胶。
43、使用氟化碳氢化合物。
44、使用玻璃、铝、银、锡、氧化锡、钢、铜、合金、硅球、 硅、其上具有电接触件的球、焊膏、加有碳的涂料、TiO2、光催化剂 或白色涂层。
45、使用玻璃外表面的光催化剂浸渍或材料折射率清洁外表面， 并阻止高频光到达光电二极管。
46、使用槽的阴影优先定位电路的沉积物或自遮蔽。
47、电连接和衬底可形成光电二极管的光收集系统。
48、光电二极管阵列可耦合到光集中光学器件。
49、电连接系统还可以是光学部件。
50、背面保护薄板还可以在集光器上。
51、光散射也可用在光学器件中。
52、可使用光闪烁体或转换。
53、与夹持槽电接触的半导体棒也用作有效的光伏电池。
54、内置电逆流保护。
55、转换到电池逆变器和电功率电网。
56、与太阳追踪系统一起使用。
57、使用光谱分离或过滤。
58、可将烟道或液体流通道放在阵列背面，及使用液体流或气流 冷却光电二极管阵列。
59、可将相变材料热耦合到光电二极管阵列的背面以从光伏阵列 吸热及存热。
60、可连接电子电路以操纵光伏阵列的电输出。
61、可将电池连接到光伏阵列以储存电能。
62、在电接触件下面使用弹性层以确保电接触及使之成为热膨胀 和收缩补偿器。
63、将光伏阵列连接到太阳对准或追踪系统。
64、夹持器为弹性夹持器并能打开以接受半导体及闭合以完成接 触。
65、使用静电移动和保持半导体。
66、使用磁性移动和保持半导体。
67、使用重力移动和保持半导体。
68、使用粘性表面保持半导体。
69、使用粘性表面将半导体保持在凹槽的底部处。
70、使用光滑表面以使半导体能进行非滚动接触移动。
71、重力可用于将玻璃罩和透镜/反射镜压入电池和电极以保持 半导体和接触件之间的压力。
在本发明已结合特定实施例进行描述的同时，可在不背离下述权 利要求确定的本发明范围的情况下对本发明进行修改和变化。