太阳能是一种可转换成其它形式的能量(例如热及电)的可更新能源。使用太阳能作为可靠的可更新能源的主要缺点在于将光能转换为热或电的低效率及太阳能依据一天中的时间及一年中的月份的变化。
基于将光能转换为电能的原理的光伏(PV)电池可用于将太阳能转换为电能。使用PV电池的系统可具有介于10-20％之间的转换效率。PV电池可制作成极薄且不像使用太阳能的其它装置那样大且笨重。PV电池的大小可在从几毫米到数十厘米的范围内。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足够的电量。
太阳能集光器可用于收集并聚焦太阳能以在PV电池中达成较高的转换效率。举例来说，抛物面反射镜可用于收集并聚焦光于将光能转换成热及电的装置上。其它类型的透镜及反射镜也可用于显著增加转换效率，但其未克服所接收太阳能的量依据一天中的时间、一年中的月份或天气条件的变化。此外，采用透镜/反射镜的系统往往是笨重及沉重的，因为需要有效地收集并聚焦日光的透镜及反射镜必须是庞大的。
PV电池可用于宽广范围的应用中，例如为卫星及航天器提供功率、为居住及商业财产提供电力、为汽车蓄电池及其它导航仪表充电。PV电池的性能取决于日光，因此类似于使用太阳能的其它装置，PV电池的转换效率取决于一天中的时间、一年中的月份及一天的天气条件。为克服这些缺点，有利地采用将光收集并聚焦于PV电池上并跟踪太阳在一整天中的移动的光收集器及集光器。另外，还有利地具有在多云的昼间收集漫射光的能力。此等系统是复杂、通常笨重且庞大的。对于许多应用来说，还需要这些光收集器及/或集光器在大小上是小型的。

本文中所述的各种实施例包括用于收集/集中环境光并将所收集的光引导到光电池的光导。所述光导可包含表面起伏特征以重新引导入射光并通过多重全内反射来使入射光传播通过所述光导。所述表面起伏特征可包括反射光的小面。在一些实施例中，所述小面可相对于彼此成角度。所述光电池光学耦合到所述光导。在一些实施例中，所述光电池可邻近于所述光导安置。在一些其它实施例中，所述光电池可安置于所述光导的一个拐角处。在再其它实施例中，所述光电池可安置于所述光导下方。在一些实施例中，所述光导可安置于衬底上。所述衬底可包括玻璃、塑料、电致变色玻璃、智能玻璃等等。
在一个实施例中，揭示一种用于收集太阳能的装置。所述装置包括具有顶部及底部表面的第一光导，所述光导在其中通过所述顶部及底部表面处的多重全内反射来导引光。所述装置进一步包括光学耦合到所述第一光导的光电池。在一些实施例中，多个棱镜特征安置于所述第一光导上以重新引导通过所述顶部表面接收的环境光，以使得通过从所述顶部及底部表面到所述光电池的全内反射在所述光导中导引所述光。在一个实施例中，所述棱镜特征可包括细长凹槽。在一些实施例中，所述细长凹槽可以是直的。在其它实施例中，所述细长凹槽可以是弯曲的。在所述装置的一个实施例中，所述棱镜特征可包括凹坑。在一个实施例中，所述凹坑可以是锥形的。
在一个实施例中，所述装置可包括第一光导，所述第一光导进一步包括安置于衬底上的棱镜膜且所述膜在其中包含所述多个棱镜特征。在一些实施例中，所述棱镜特征可位于所述第一光导的所述底部表面处。在一些其它实施例中，所述棱镜特征可沿多个平行线性路径延伸。在其它实施例中，所述棱镜特征可沿多个同心圆形弯曲路径延伸。在再其它实施例中，所述棱镜特征沿多个椭圆形弯曲路径延伸。
在所述装置的一个实施例中，所述第一光导包括：第一层，其包括所述第一组棱镜特征；及第二层，其包括第二组棱镜特征。<在一些实施例中，所述第一层中的所述棱镜特征中的至少一些棱镜特征相对于所述第二层中的所述棱镜特征中的一些棱镜特征横向偏移。在另一实施例中，所述第一层中的所述棱镜特征中的至少一些棱镜特征与所述第二层中的所述棱镜特征中的一些棱镜特征不同地成形。在所述装置的另一实施例中，具有顶部及底部表面且包含介于所述顶部与底部表面之间的多个边缘的第二光导安置于所述第一光导下方。所述第二光导包括多个棱镜特征以重新引导通过所述底部表面接收的光，以使得通过从所述顶部及底部表面的全内反射在所述第二光导中导引光。在所述第二光导中导引的光经引导而朝向光电池。
在本发明的一个实施例中，揭示一种用于收集太阳能的装置。所述装置包括用于导引光的第一装置，所述第一装置具有用于反射光的第一及第二装置，以使得通过所述第一及第二光反射装置处的多重全内反射在所述用于导引光的装置内导引光。<所述装置进一步包括：用于将光能转换成替代形式的能量的装置；及用于重新引导通过所述第一及第二光反射装置接收的环境光的装置，以使得通过从所述第一及第二光反射装置到所述用于将光能转换成电能的装置的全内反射在所述用于导引光的装置中导引所述光。在一个实施例中，所述第一及第二光反射装置可包括所述光导引装置的所述顶部及底部表面。多个边缘可安置于所述光导引装置的所述顶部与底部表面之间。
在本发明的一个实施例中，揭示一种制造用于收集太阳能的装置的方法。所述方法包括提供第一光导，所述第一光导具有顶部及底部表面。所述方法进一步包括：提供光电池以便将所述第一光导光学耦合到所述光电池；及在所述第一光导的所述顶部或底部表面中的一者上形成多个棱镜特征。
在一个实施例中，揭示一种用于收集环境光的装置。所述装置包括：用于导引光的第一装置，所述第一装置具有用于反射光的第一及第二装置，以使得通过所述第一及第二光反射装置处的多重全内反射在所述第一光导引装置内导引光；及用于重新引导通过所述第一光导引装置的所述顶部表面相对于所述第一导光装置的法线以大于45度的第一角度接收的环境光的多个装置，所述重新引导装置以第二角度折射所述环境光，以使得通过从所述第一及第二光反射装置的全内反射在所述第一光导引装置中导引光。
附图说明
在所附示意性图式中图解说明本文中所揭示的实例性实施例，所述示意性图式仅出于说明性目的。
图1A图解说明包括多个棱镜特征以将光收集并导引到光电池的棱镜光导的侧视图。
图1B图解说明包括多个棱镜特征以将光收集并导引到光伏电池的棱镜光导的透视图。
图1C显示图1A中所述的实施例的透视图。
图2图解说明包括两层堆叠成具有偏移棱镜特征以便以较高的效率将光收集并导引到光伏电池中的棱镜光导的实施例。
图3图解说明耦合成导引模式的入射于光导上的光射线的分布。
图4图解说明在具有宽的成角度小面的棱镜膜的情况下入射辐射沿其耦合成导引模式的凸角。
图5图解说明在具有窄的成角度小面的棱镜膜的情况下入射辐射沿其耦合成导引模式的凸角。
图6图解说明具有两层包括窄的及宽的成角度小面以使收集角度最大化的棱镜光导的实施例。
图7图解说明其中在同一棱镜光导上构成窄的及宽的成角度小面的实施例。
图8A图解说明由与放置于中心处的光电池同心布置的若干棱镜特征构成的实施例。
图8B图解说明由若干曲线棱镜特征及放置于一个边缘处的光电池构成的实施例。
图9图解说明微结构图案矩阵。
图10图解说明其中光电池相对于棱镜薄膜成斜面的实施例。
图11图解说明包括收集器透镜、棱镜膜及安置于光电池阵列上的反射器的实施例的侧视图。
图12A图解说明包括在两个侧上受反射器限界以将光引导到放置于另两个边缘处的两个光电池中的锥形特征的薄膜的俯视图。
图12B是具有锥形小面的图12A中所图解说明的实施例的侧视图。
图13A图解说明包括两个光收集膜及一光电池的实施例的侧视图。
图13B图解说明包括两个光收集膜及两个光电池的实施例的侧视图。
图13C图解说明包括一个光收集膜及两个光电池的实施例的侧视图。
图14显示放置于居住住宅的屋顶上及窗户上的光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜。
图15显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的车顶上的实施例。
图16图解说明光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜附接到膝上型计算机的本体。
图17显示将光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜附接到一件衣服的实例。
图18显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19指示其中光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜附接到航空器的机翼及窗户的实施例。
图20指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21指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22指示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23显示其中大致为柔性的以被卷起的光收集薄片光学耦合到光电池的实施例。

以下具体实施方式是针对本发明的某些具体实施例。然而，本发明可以多种不同方式加以体现。如从以下说明将明了，所述实施例可实施于经配置以收集、捕集并集中一源的辐射的任一装置中。更特定来说，本发明涵盖本文中所述的实施例可实施于各种各样的应用中或与各种各样的应用相关联，例如为居住及商业财产提供功率、为例如膝上型计算机、PDA、手表、计算器、蜂窝式电话、摄录一体机、照相机及摄像机、mp3播放器等电子装置提供功率。另外，本文中所述的实施例可用于可戴式发电衣服、鞋及附件中。本文中所述的实施例中的一些可用于为汽车蓄电池、导航仪表及抽水充电。本文中所述的实施例还可在航空航天及卫星应用中得到应用。
在本文中所述的各种实施例中，太阳能收集器及/或集光器耦合到光电池。所述太阳能收集器及/或集光器包括光导，例如其上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转向到光导中且通过全内反射被导引穿过光导。光电池沿光导的一个或一个以上边缘安置且从光导发射出的光耦合到光电池中。使用光导来将环境光收集、集中并引导到光电池可实现以增加的效率及降低的成本将光能转换成热及电的光电装置。光导可形成为板、薄片或膜。光导可由刚性或半刚性材料制作而成。在一些实施例中，光导可由柔性材料形成。在再其它实施列中，光导可包括薄膜。光导可包括以线性方式布置的凹槽。在替代实施例中，棱镜特征可具有非线性范围。举例来说，在一些实施例中，棱镜特征可沿曲线布置。替代实施例可由具有分散在整个光导介质中的锥形反射特征的薄膜光导构成。
在图1A中显示用于将环境光耦合到光电池中的棱镜光导的一个实施例。光电池可以是光伏电池或光检测器。棱镜光导收集器是基于互换原理。图1A图解说明包括相对于光电池100安置的光导104的实施例的侧视图。在一些实施例中，光导104可进一步包括衬底105及安置于所述衬底上的多个棱镜特征108。光导104可包括其间包含多个边缘的顶部及底部表面。可通过所述多个棱镜特征重新引导到所述光导中且在所述光导内通过所述顶部及底部表面处的多重全内反射导引入射于所述光导上的光。光导104可包括对处于光电池对其敏感的一个或一个以上波长下的辐射透明的光学透射材料。举例来说，在一个实施例中，光导104可对处于可见及近红外区中的波长透明。在其它实施例中，光导104可对处于紫外或红外区中的波长透明。>光导104可由刚性或半刚性材料(例如玻璃或丙烯酸树脂)形成以便为所述实施例提供结构稳定性。另一选择为，光导104可由柔性材料(例如柔性聚合物)形成。
光导104包括两个表面。上部表面经配置以接收环境光。底部表面安置于上部表面下方。光导104周围受边缘界限。通常，光导104的长度及宽度大致大于光层器104的厚度。光导104的厚度可从0.5到10mm变化。光导104的面积可从0.01到10000cm2变化。在一些实施例中，构成光导104的材料的折射率可显著高于周围以便通过全内反射(TIR)在光导104内导引环境光的一大部分。
在一个实施例中，如图1A中所示，所述光导由安置于衬底105的底部表面上的棱镜特征108构成。所述棱镜特征一般来说是形成于衬底105的底部表面上的细长凹槽。所述凹槽可填充有光学透射材料。棱镜特征108可通过模制、压印、蚀刻或其它替代技术形成于衬底105的底部表面上。另一选择为，棱镜特征108可安置于可层压于衬底105的底部表面上的膜上。在一些包括棱镜膜的实施例中，可仅仅在所述棱镜膜内导引光。在此等实施例中，衬底105可仅仅提供结构稳定性。棱镜特征108可包括各种各样的形状。举例来说，棱镜特征108可以是线性v型凹槽。另一选择为，棱镜特征108可包括曲线凹槽或非线性形状。
图1B显示呈线性v型凹槽116形式的棱镜特征108的放大图。v型凹槽116包括相对于彼此以角距α布置的两个平面小面F1及F2，如图1B中所示。所述小面之间的角距α可从15度到120度变化。在一些实施例中，小面F1及F2可具有相等长度。另一选择为，在其它实施例中，所述小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0.01到0.5mm之间变化。由‘b’所指示的v型凹槽的宽度可在0.001到0.100mm之间变化，而由‘d’所指示的v型凹槽的深度可在0.001到0.5mm之间变化。
图1C显示图1A中所述的实施例的透视图。如图1C中所示，图1C中所述的实施例由沿衬底105的底部表面布置的若干行线性v型凹槽构成。
参考图1A及1C，光电池100相对于光导104横向安置。所述光电池经配置以接收通过棱镜特征108导引穿过光导104的光。光电池100可包括单层或多层p-n结且可由硅、非晶硅或其它半导体材料(例如碲化镉)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100。光电池100还可包括薄的多光谱层。所述多光谱层可进一步包括分散于聚合物中的纳米晶体。可堆叠若干多光谱层以增加光电池100的效率。图1A及1B显示其中光电池100沿光导104的一个边缘安置(例如，安置到光导104的左侧)的实施例。然而，另一光电池也可安置于光导104的另一边缘处(例如，安置到光导104的右侧)。相对于光导104定位光电池的其它配置也可行。
入射于光导104的上部表面上的环境光透射通过光导104，如光路径112所指示。当射到棱镜特征108的小面上时，所述光通过多重反射从光导104的上部及底部表面全内反射。在射到光导104的边缘上之后，所述光射线退出光导104且光学耦合到光电池100。可使用透镜或光导管来将光从光导104光学耦合到光电池100。在一个实施例中，举例来说，光导104可朝向较接近于光电池100的端无棱镜特征108。不具有任何棱镜特征的光导104的部分可充当光导管。可通过光导收集并导引的光的量将取决于棱镜特征的几何形状、类型及密度。所收集的光的量还将取决于确定数值孔径的光导材料的折射率。
光通过TIR被导引穿过光导104。经导引的光可因光导中的吸收及从其它小面的散射而遭受损失。为减少经导引的光的此损失，需要将光导104的长度限制为几十英寸以减少反射次数。然而，限制光导104的长度可减少其上收集光的面积。因此，在一些实施例中，光导104的长度可增加到大于几十英寸。在一些其它实施例中，光学涂层可沉积于光导104的表面上以减少菲涅尔损失。
当光射线射到无棱镜特征108的光导的部分上时，其可透射通过所述光导且不转向到所述光导中。为减少以此方式逸出所述光导的光的量，可有利地堆叠若干包括棱镜特征的光导层，其中所述棱镜特征相对于彼此偏移，如图2中所图解说明。图2图解说明包括具有棱镜特征208的第一光导层204及具有棱镜特征216的第二光导层212的实例性实施例2。光电池200相对于所述两个光导层204及212横向安置。棱镜特征208及216相对于彼此偏移。光射线220转向并被导引穿过光导204，如上文所述。从点A通过光导204的光射线224转向并被导引穿过光导212。以此方式偏移棱镜特征208及216减少所述特征之间的空间并增加所述棱镜特征的密度。偏移所述特征可增加光学耦合到所述光电池的光的量，从而增加所述光电池的电输出。由于光导层204及212可以是薄的，因此可堆叠多个光导层并增加耦合到所述PV电池的光的量。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菲涅尔损失。在一些实施例中，至少十个光导层可堆叠在一起。
使用棱镜光导板、薄片或膜来将光收集、集中并朝向光电池引导的优点在于可能需要较少数目个光电池来达成所要电输出。因此，此技术可能可减少通过光电池产生能量的成本。
图3显示通过棱镜特征耦合到光导中的入射于光导上的光射线的分布。所述入射光的分布包含两个凸角312及316。入射凸角312接近于所述光导的表面的法线。入射凸角312可从相对于光导104接近法线入射跨越到与光导104的法线呈约45度。入射凸角316相对于所述光导的表面大致平行定向。所述入射凸角的角展度可在从相对于光导104的表面呈约45度到相对于光导104的表面呈近似掠射角的范围内。
通常已知，可使棱镜特征的物理性质发生变化以变更入射凸角的大小、形状及角度。举例来说，图4图解说明包括光导404的实施例。棱镜特征408安置于光导404的底部表面上。入射于光导404的上部表面上的光通过棱镜特征408转向到光导404中且通过TIR被导引穿过光导404。包括棱镜特征408的小面之间的角距α较大(例如大于90度)，从而产生宽的棱镜特征。所述宽的棱镜特征可使以大致掠射的入射角(例如，与光导404的表面呈约5度-45度)入射的光转向。
相反，图5中所示的实施例，棱镜特征508的小面之间的角距α较小(例如，小于90度)，从而产生窄的成角度小面。所述宽的棱镜特征可使以大致接近于所述表面的法线的角度(例如，与光导504的表面的法线呈约5度-45度)入射的光转向。
图6显示由相对于光电池600的边缘横向安置的两个光导604及608构成的实施例。光导604进一步由相对窄的棱镜特征612构成且光导608由相对宽的成角度小面616构成。接近于法线(例如，与所述两个光导604及608的表面的法线呈5度-45度)的光射线620被有效地收集并被导引穿过具有相对窄的成角度小面的光导604，而以掠射角(例如，与所述两个光导604及608的表面呈约5度-45度)入射的光射线624被有效地收集并被导引穿过具有相对较宽小面的光导608。
此设计的一个优点在于光可有效地以各种各样的角度收集而无需机械旋转所述膜。因此，可显著减少光电池的性能对一天中的时间及一年中的月份的依赖性。举例来说，来自太阳的光可在早晨及傍晚以掠射角入射于光导上，而来自太阳的光可大约在中午接近于法线入射于光导上。包括具有相对窄的及宽的成角度小面的多个光导层的上述实施例将能够在早晨、中午及傍晚以大约相等的效率收集光。图7图解说明在同一光导上包括窄的及宽的成角度小面两者的替代实施例。
图8图解说明使用多角方法的实施例。在一个实施例中，具有棱镜特征或v型凹槽的细长小面不具有线性范围。实施例中所图解说明的特定实施例由由光学透射材料形成的光导板、薄片或膜800构成。凹槽沿光导板800的表面上的同心圆804布置。在一些实施例中，凹槽可沿椭圆形路径安置。此等凹槽可以是v型凹槽，如截面812所指示。同心V型凹槽可使用与线性v型凹槽类似的制作过程制作而成。此光导将相对于光导800的平面以各种各样的方位角Φ接受光。所述v型凹槽使所述光转向。光然后传播到同心图案的中心(如光射线808所指示)并入射于放置于所述同心图案的中心处的光电池816上。图8中所述的实施例可有利地例如在多云条件下收集漫射环境光。
在替代实施例中，如图8A中所指示，光电池820可定位于光导板、薄片或膜824的一个拐角处。所述光导板、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828形成于所述光导板、薄片或膜上。曲线824的中心不处于光导板、薄片或膜824的中心处。曲线828的中心比另一拐角更接近于具有光电池820的拐角。所述凹槽呈凹形且其面向光电池820。包括弯曲凹槽828的光导板、薄片或膜824可收集光且使其朝向所述凹形侧转向并将所述光引导到光电池820。包括曲线棱镜特征或凹槽的此设计可在光收集方面比包括沿线性棱镜膜的一个边缘安置的光电池的设计更有效。
如上文所述，在一些实施例中，可将光导的长度限制为几十英寸以减少因反射而引起的损失。然而，限制光导的长度可减少其上收集光的面积。在一些应用中，可有利地在大的面积上收集光。在此等情况下，一种方法可以是图9中所示的微结构矩阵图案可能有益。图9中所示的实施例图解说明布置成矩阵图案的多个元件900。所述矩阵图案可由多个行及列构成。行的数目可等于列的数目。任两行中元件的数目可不相同。类似地，任两列中元件的数目也可不相同。在一些实施例中，所述矩阵图案可以是不规则的。所述矩阵中的元件包括其上形成有多个v型凹槽图案904的光导板、薄片或膜。也可使用除v型凹槽以外的其它凹槽图案。所述矩阵中的元件可含有相同或不同的微结构图案。举例来说，所述不同元件中的微结构图案可在大小、形状及类型上不同。因此，所述矩阵中的不同元件可以不同的角度收集目光。光电池908可在所述矩阵的周边内且沿所述矩阵的周边分布。上文所揭示的方法可有利地制作例如可固定到居住及商业建筑物的屋顶的由耦合到光电池的光收集器构成的大面板。
在图1A中所示的实施例中，光电池100向上对接抵靠在光导板、薄片或膜105的边缘上。还可有利地使所述光导板、薄片或膜于其边缘处成斜面以将光朝向光电池重新引导出所述光导板、薄片或膜，如图10中所示。图10图解说明具有包括棱镜特征1008的成斜面的光导板、薄片或膜1004的实施例。图10中所示的实施例的侧视图指示具有上部表面S1及下部表面S2的光导。上部及下部表面S1及S2在左侧由边缘表面E1限界且在右侧由边缘表面E2限界。边缘表面E1及E2相对于上部及下部表面S1及S2倾斜。边缘表面E1及E2相对于上部及下部表面S1及S2的倾斜角不等于90E。光射线1012通过全内反射沿所述成斜面的光导导引并入射于安置于光导板或膜1004后方的光电池1000上。使光导板、薄片或膜1004的边缘成斜面可简化光电池1000与光导板、薄片或膜1004之间的对准。
入射于光导板、薄片或膜1004的上部表面上的光射线1012通过棱镜特征1008转向到光导1004中并在光导1004内通过从上部及下部表面S1及S2的全内反射导引。在射到倾斜边缘E1上时，经导引的光射线1012朝向安置于光导1004后方的光电池1000接近于下部表面S2的法线引导出所述光导。
可将包括棱镜特征的多个成斜面的光导布置成类似于图9中所述的实施例的矩阵图案。此实施例中的光电池可安置于所述矩阵图案之下。入射于所述矩阵图案的上部表面上的环境光通过光导的成斜面的边缘朝向安置于所述矩阵图案后方的光电池引导。
在一些实施例中，可有利地通过所述光导板或膜或包括棱镜特征的光导板或膜的堆叠的边缘来收集光，如图11中所示。图11图解说明包括光导板、薄片或膜1100的实施例。所述光导包括四个表面S1、S2、S3及S4。光通过收集透镜1104收集并入射于光导1100的一个表面S1上。所安置的棱镜特征1103安置于光导1100的邻近表面S2上。进入光导板、薄片或膜1100的光通过棱镜特征1103转向并通过全内反射被导引穿过光导板、薄片或膜1100。由1112所指示的光射线在光导1100内通过从邻近于输入表面S1的所述两个表面S2及S3的全内反射导引直到其射到棱镜特征1103的小面中的一者上为至。在射到所述小面上时，光射线1112朝向远离包括棱镜特征1103的表面安置的光电池1108引导出光导1100，如图11中所指示。然而，由1116指示的不射到所述棱镜特征上且因此不引导出光导板、薄片或膜1100的光射线通过位于远离收集透镜1104的另一端处的反射器1120耦合回到所述光导板、薄片或膜1100中。
图12A指示薄膜太阳能集光器1200的俯视图。薄膜太阳能集光器1200由光学透射材料形成且包括两个表面。所述薄膜太阳能集光器具有形成于远离光入射通过其的表面的薄膜太阳能集光器的表面上的锥形空腔1204而不是细长凹槽。图12B指示具有锥形空腔的薄膜太阳能集光器的侧视图。再次参考图12A，锥形空腔1204以随机或有序方式分布在整个所述光导薄膜中。薄膜太阳能集光器1200进一步包括沿薄膜太阳能集光器1200的两个边缘放置的光电池1208。在图12A中所示的实施例中，反射器1212沿薄膜太阳能集光器1200的其余边缘放置以增加光捕集效率。然而，在替代实施例中，反射器1212可由光电池1208替换。
图12B中所指示的锥形空腔具有圆形截面。然而，也可形成具有椭圆形截面的锥形空腔。入射于薄膜太阳能集光器1200的表面上的光由锥形空腔1204全内反射并经引导而朝向光电池1208。所述锥形空腔是三维结构且因此可从多个方向接受光并沿多个方向反射光。图12A及图12B中所述的实施例可以完全立体角收集光且因此具有较大光收集能力。
在一些实施例中，具有棱镜特征的两个光导层可经堆叠以收集环境及反射光，如图13A-13C中所示。图13A中所图解说明的实施例包括顶部光导层1305及底部光导层1307。(术语顶部及底部仅相对于所述图式来说，即使所述结构可重新定向。)光导层1305及1307包括顶部表面S1及底部表面S2。顶部光导层1305进一步包括安置于底部表面S2上的棱镜特征。底部光导层1307包括安置于顶部表面S1上的棱镜特征。在一些实施例中，位于所述两个光导层上的棱镜特征可相对于彼此偏移。在一些实施例中，例如，其中所述两个光导层1305及1307是漫射的，所述棱镜特征可不相对于彼此偏移。在一些实施例中，顶部光导层1305及底部光导层1307中的棱镜特征之间的偏移距离经配置以减少或避免视觉假象。所述两个光导层1305及1307可通过粘合剂接合在一起。在一些实施例中，所述两个光导层1305及1307可层压在一起。在一些实施例中，所述两个光导层可包括位于其之间的间隙。
所述两个光导层1305及1307可安置于衬底1301上。衬底1301可选自由透明衬底组成的群组且可以是部分反射表面、显示器装置、包括干涉式调制器(IMOD)或其它适合的材料的显示器装置。在一些实施例中，衬底1301可包括智能玻璃或可切换玻璃。智能玻璃或可切换玻璃是一种可响应于所施加的电压而改变其透明度的玻璃或上釉。智能玻璃或可切换玻璃可包括电致变色装置、悬浮粒子装置或聚合物分散液晶装置。在电致变色装置中，所述智能玻璃由电致变色材料形成。在其它实施例中，电致变色材料层可安置于透明介质的外表面或内表面上。所述电致变色材料可响应于电压或电流而在不透明、半透明及透明之间改变其透明性。一旦已实施改变，所述电致变色材料将维持其透明度，甚至在移除所述电压或电流之后。在包括形成有悬浮粒子装置的智能玻璃的实施例中，呈层压板、膜或薄片形式的粒子薄层可安置于两个透明材料(例如玻璃或塑料)层之间。当不施加电压时，所述粒子可以随机方式布置且可吸收或阻隔光通过。然而，响应于所施加的电压，所述粒子可对准且可允许光通过其。在聚合物分散液晶装置中，液晶材料层可安置于包括玻璃或塑料的两个透明层之间。类似于悬浮粒子装置，当不施加电压时，液晶可以随机方式定向且因此阻隔光。响应于电压，液晶可沿一方向定向且允许光通过其。所述两个光导层1305及1307可通过粘合剂附加到衬底1301。在一些实施例中，所述两个光导层1305及1307可层压到衬底1301。在一些实施例中，此衬底1301可以是漫射的。举例来说，在某些实施例中，衬底1301可具有漫反射表面。
光电池1303安置到所述两个光导层1305及1307的一个侧(例如，安置到左侧或安置到右侧，如图13A中或别处所示)。在图13A中，所述光电池安置到光导层1305及1307的左侧。射到位于顶部光导层1305的底部表面S2上的小面上的入射光束1313由所述小面反射并朝向光电池1303导引穿过顶部光导层1305。因此，顶部光导层1305可用于捕捉入射光的一部分。一些入射光可不射到顶部光导层1305的小面上。不射到顶部光导层1305的小面上的一些入射光可通过底部光导层1307及衬底1301，如射线1311所指示。不射到顶部光导层1305的小面上的一些入射光(例如对于射线1313)可从底部光导层1307及衬底1301的界面反射出顶部光导层1305，如射线1315所指示。然而，一些反射光可射到位于底部光导层1307的顶部表面上的小面上(如射线1317所指示)且朝向光电池1303导引穿过所述底部光导层(如上所述，衬底1301可以是漫射的，例如，具有漫反射表面。在一些实施例中，漫射层可安置于所述衬底上。还可使用其它设计。)因此，底部光导层1307可捕捉未由顶部光导层1305收集的光且从衬底1301反射。其它配置也可行。
在一些实施例中，所述光导层的光收集能力可随所述特征的密度而线性变化。因此，为增加所述两个光导层1305及1307所捕捉的光的量并减少通过所述衬底或所述顶部光导层退出的光的量，可增加所述棱镜特征的密度。在一些实施例中，所述棱镜特征的表面积可以是所述光导层的总表面积的约5％-10％。在一些实施例中，所述特征密度可大于所述膜的总表面积的10％。其它配置也可行。
在一些实施例中，所述PV电池可安置到光导层1305及1307的两个侧，如图13B中所示。在图13B中，入射光1309通过顶部光导层1305收集并经引导而朝向安置到所述光导层的右侧的光电池1303b。另外，底部光导层1307收集从衬底1301反射的光并将此收集光朝向安置到所述光导层的左侧的光电池1303a引导。如上所述，衬底1301可以是漫射的，例如具有漫反射表面。在一些实施例中，漫射层可安置于所述衬底上。再其它配置也可行。
在一些实施例中，可排除顶部光导层1305，如图13C中所示。在图13C中，两个光电池1303a及1303b分别安置到光导层1307的左侧及右侧。射到安置于光导层1307的顶部表面S1上的棱镜特征的小面上的入射光束1309由所述棱镜特征反射且朝向光电池1303b导引穿过光导层1307。不射到小面上的光束1313进入光导层1307且由衬底1301反射。如上所述，衬底1301可以是漫射的，例如具有漫反射表面。在一些实施例中，漫射层可安置于所述衬底上。反射射线1317射到安置于光导层1307的顶部表面S1上的棱镜特征的小面上且朝向光电池1303a导引穿过所述光导层。以此方式，可使用单个光导层来收集入射及反射光两者。各种各样的其它配置也可行。
可使用使用包括棱镜特征的光收集板、薄片或膜来将光收集、集中并引导到光电池的方法来实现具有增加的效率且可以是廉价、薄及轻便的太阳能电池。可布置包括耦合到光电池的光收集板、薄片或膜的太阳能电池以形成太阳能电池面板。此等太阳能电池面板可用于各种各样的应用中。举例来说，包括光学耦合到光电池的多个光收集光导的太阳能电池面板1404可如图14中所图解说明安装于居住住宅或商业建筑物的屋顶上或放置于门及窗户上以为家庭或商行提供补充电力。所述光收集板、薄片或膜可由透明或半透明板、薄片或膜形成。出于美学目的，所述棱镜光收集板、薄片或膜可以是彩色的(例如红色或棕色)。所述光收集板、薄片或膜可为刚性或柔性的。在一些实施例中，所述光收集板、薄片或膜可以是足够柔性的以被卷起。由此等薄片1408构成的太阳能电池面板可附接到窗玻璃，如图14中所示。所述光收集薄片可以是透明的以看透所述窗户。另一选择为，其可以是彩色的以阻挡光。在其它实施例中，所述棱镜薄片可具有波长过滤性质以过滤出紫外辐射。
在其它应用中，光收集板、薄片或膜可如图15及16中所示分别安装于汽车及膝上型计算机上以提供电力。在图15中，光收集板、薄片或膜1504安装到汽车的车顶。光电池1508可沿光收集器1504的边缘安置。光电池所产生的电力可用于例如为由汽油、电或两者提供动力的车辆的蓄电池再充电或也可运行电组件。在图16中，光收集板、薄片或膜1604可附接到膝上型计算机的本体(例如外部壳体)。此有利于在缺少电连接的情况下为膝上型计算机提供电力。另一方面，光学耦合到光电池的光导收集器可用于为膝上型计算机蓄电池再充电。
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17图解说明包括光学耦合到光电池1708的光收集板、薄片或膜1704的夹克或背心，光电池1708安置于所述夹克或背心的下周边周围。在替代实施例中，光电池1708可安置于所述夹克或背心上的任何地方处。光收集板、薄片或膜1704可将环境光收集、集中并引导到光电池1708。光电池1708所产生的电力可用于为手持式装置(例如PDA、mp3播放器、蜂窝式电话等)供电。另一方面，光电池1708所产生的电力可用于照亮处于黑暗中的航空公司地勤人员、警察、消防队员及应急工作者所穿戴的背心及夹克以增加可见度。在图18中所图解说明的另一实施例中，光收集板、薄片或膜1804可安置于鞋上。光电池1808可沿光收集板、薄片或膜1804的边缘安置。
由耦合到光电池的棱镜光收集板、薄片或膜构成的太阳能电池面板也可安装于飞机、卡车、火车、自行车、帆船及卫星上。举例来说，如图19中所示，光收集板、薄片或膜1904可附接到飞机的机翼或飞机的窗玻璃。光电池1908可沿光收集板、薄片或膜的边缘安置，如图19中所图解说明。所产生的电力可用于为航空器的部件提供电力。图20图解说明使用耦合到光电池的光收集器来为船中的导航仪表或装置(例如，电冰箱、电视及其它电设备)供电。光收集板、薄片或膜2004附接到帆船的帆或另一选择为附接到船的本体。PV电池2008安置于光收集板、薄片或膜2004的边缘处。在替代实施例中，光收集板、薄片或膜2004可附接到帆船的本体，例如，舱孔或甲板。光收集板、薄片或膜2104可安装于自行车上，如图21中所指示。图22图解说明光学耦合到光电池以为通信、气象及其它类型的卫星提供电力的光收集板、薄片或膜的另一应用。
图23图解说明是足够柔性的以被卷起的光收集薄片2304。所述光收集薄片光学耦合到光电池。图23中所述的实施例可被卷起并在露营或背包旅行时携带以在户外及在其中电连接稀少的遥远位置中产生电力。另外，光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜可附接到各种各样的结构及产品以提供电力。
光学耦合到光电池的光收集板、薄片或膜可具有模组化的附加优点。举例来说，依据设计，光电池可经配置以有选择地附接到光收集板、薄片或膜并与光收集板、薄片或膜分离。因此，现有光电池可周期性由更新及更有效的光电池替换而不必替换整个系统。替换光电池的此能力可显著减少维护及升级的成本。
各种各样的其它变型也可行。可添加、移除或重新布置膜、层、组件及/或元件。另外，可添加、移除或重新排序处理步骤。此外，虽然本文中已使用术语膜及层，但本文中所使用的此等术语包含膜堆叠及多层。此等膜堆叠及多层可使用粘合剂粘着到其它结构或可使用沉积或以其它方式形成于其它结构上。
上述实例仅具有实例性，且所属领域的技术人员现在可对上述实例作出众多利用及对上述实例的偏离，而此并不背离本文中所揭示的发明性概念。所属领域的技术人员可易于明了对这些实例的各种修改，且本文中所界定的一般性原理可应用于其它实例，而此并不背离本文中所述的新颖方面的精神及范围。因此，本发明的范围并不打算仅限于本文中所示的实例，而是将赋予与本文中所揭示的原理及新颖特征相一致的最广泛范围。字词“实例性”在本文中专用于意指“充当实例、示例或图解”。本文中描述为“实例性”的任一实例均未必应视为比其它实例优选或有利。