Полноспектральное устройство для захвата электромагнитной энергии
Изобретения относятся к способам и устройствам для захвата энергии из электромагнитного излучения и подачи этой энергии для потребления. Технический результат – создание солнечных элементов, которые максимизируют спектр электромагнитного излучения, из которого происходит захват энергии, эффективность захвата этой энергии и продолжительность захвата в течение дня, демонстрируют высокую эффективность и фактически способны обеспечить мощность, составляющую по меньшей мере примерно 2,9 кВтч на м3 или больше. Достигается тем, что система для захвата электромагнитной энергии содержит элемент, содержащий в комбинации: по меньшей мере одно тело, выполненное из материала и содержащее криволинейный верхний поверхностный слой, выполненный с возможностью приема электромагнитного излучения с передачей его в материал, и нижний поверхностный слой. Верхний и нижний поверхностные слои выполнены с возможностью отражения внутреннего электромагнитного излучения обратно в материал, содержащий многослойные пленки с множеством полупроводников. Многослойные пленки задают неплоскую трехмерную ленточную геометрию так, что они по существу охватывают три измерения пространства между верхним поверхностным слоем и нижним поверхностным слоем, посредством чего внутреннее электромагнитное излучение взаимодействует с материалом в трех измерениях и возбуждает электроны к переходу из валентной зоны в зону проводимости в материале. Система содержит, по меньшей мере, один электрод, контактирующий с указанным элементом для выработки электрической энергии. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 22 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно и в пользу предварительной заявки на патент США № 62/002 122, поданной 22 мая 2014 г., и предварительной заявки на патент США № 62/024 305, поданной 14 июля 2014 г., содержание каждой из которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
[0002] Настоящие изобретения относятся к способам и устройствам для захвата энергии из электромагнитного излучения и подачи этой энергии для потребления.
Уровень техники
[0003] Следствием преобладающего, но устарелого подхода к энергии являются страдания людей. Когда люди хотят управлять автомобилями, читать ночью или питать энергией заводы, преобладающий подход к подаче энергии для этих целей состоит в извлечении некоторой разновидности преобразованного углерода из недр Земли с последующим его сжиганием. Поскольку углеводороды типа нефти и угля распределены неравномерно, такой подход вызывает геополитическую нестабильность и насилие. При ограниченных поставках углеводородов эта напряженность может быть усилена, если не будут найдены альтернативы. Даже при разрешении геополитической напряженности основная парадигма энергообеспечения основана на односторонней стехиометрии, при которой углеводороды сгорают с образованием углекислого газа. Согласно докладам Агентства США по охране окружающей среды каждый год происходит выброс в атмосферу более 9 триллионов метрических тонн углерода.
[0004] Энергия, получаемая из нетрадиционных источников, например, солнечная энергия могла бы помочь, если бы эти источники были способны удовлетворять требованиям. Хотя доход от промышленности по изготовлению фотоэлектрических солнечных энергетических установок близок к 100 миллиардам долларов в год, технология фотоэлектрических панелей требует огромных капиталовложений, которые в лучшем случае окупаются медленно. Существующие фотоэлектрические солнечные элементы развернуты как плоские панели материала, которые в лучшем случае вырабатывают примерно 0,200 кВт на квадратный метр. В солнечный день солнечный элемент размером с карточный стол способен питать шесть лампочек при солнечном освещении. Для некоторого понимания уровня техники относительно фотоэлектрических солнечных элементов, см. патент США № 8093492 (Hering) и патент США № 6689949 (Ottabasi).
Раскрытие сущности изобретения
[0005] Настоящее изобретение предлагает солнечный элемент, захватывающий энергию из электромагнитного излучения и способный предложить эту энергию в виде электричества. Этот солнечный элемент захватывает энергию из более широкого спектра электромагнитного излучения, чем известные системы, а именно, в электромагнитном спектре от ультрафиолетового диапазона и за пределы инфракрасного диапазона. Этот солнечный элемент содержит композицию материала, взаимодействующую с электромагнитным излучением в трехмерном пространстве, используя ту особенность, что электромагнитное излучение проявляет энергию при распространении в трех независимых измерениях - в первом измерении, заданном направлением изменения магнитного поля В, во втором измерении, заданном направлением изменения электрического поля Е, и в третьем измерении, представляющем собой направление распространения электромагнитного излучения. При использовании направленных внутрь отражателей солнечный элемент захватывает электромагнитное излучение внутренним образом. При использовании трехмерной среды солнечный элемент максимизирует свое потенциальное взаимодействие с электромагнитным излучением и потенциал для захвата энергии из него. Солнечный элемент содержит композицию материалов, характеризуемых множеством запрещенных зон. Внутреннее электромагнитное излучение из широкого электромагнитного спектра возбуждает электроны этих материалов из валентных зон в зоны проводимости, которые могут быть собраны в виде электрического тока при использовании имеющих место электродов.
[0006] При использовании геометрии криволинейной верхней поверхности с поглощающей поверхностью и призматической фокусировкой солнечный элемент захватывает энергию электромагнитного излучения в течение большой продолжительности каждого дня даже при фактическом отсутствии, строго говоря, дневного света; солнечный элемент захватывает все формы света (не направленного, отраженного, рассеянного, преломленного и призматического). Посредством описанных особенностей и явлений солнечные элементы согласно настоящему изобретению максимизируют спектр электромагнитного излучения, из которого происходит захват энергии, эффективность захвата этой энергии и продолжительность захвата в течение дня. По меньшей мере вследствие этих причин солнечные элементы согласно настоящему изобретению демонстрируют очень высокую эффективность и фактически способны обеспечить мощность, составляющую по меньшей мере примерно 2,9 кВтч на м3 или больше.
[0007] Вследствие высоких эффективности и выработки энергии, обеспечиваемых солнечными элементами согласно настоящему изобретению, потребности людей в энергии могут быть удовлетворены без выработки стехиометрического количества углекислого газа и без ухудшения геополитических противоречий, связанных с неравномерным распределением углеводородного топлива. Таким образом, системы и способы согласно настоящему изобретению обеспечивают средства для удовлетворения глобального энергопотребления без отягощения людей страданиями. Используя системы и способы согласно настоящему изобретению, люди могут читать ночью, путешествовать, реализовывать свой бизнес и продолжить проводить свою жизнь в приятной и экологически безопасной манере.
[0008] Следует отметить, что модульная технология, предназначенная для разрешения проблем, связанных с фотоэлектрическим преобразованием солнечной энергии, была до настоящего времени ограничена двумерным (евклидовым) подходом, что исключает эффективное использование всего электромагнитного спектра доступной энергии. Короче говоря, использование осей х и у для задания предельных значений и границ при фотоэлектрическом сборе солнечной энергии в сущности ограничено.
[0009] Соответственно, задача настоящих изобретений состоит в обеспечении методологий, систем и способов, эффективно использующих плотную упаковку (ленточную технологию), что облегчает получение больших значений килоВатт/час и сбор максимальных значений энергии с квадратного метра.
[0010] Кратко говоря, электромагнитная энергия, послойно собранная в трех измерениях, обеспечивает возможность множеству плоскостей по существу работать с оптимизированными структурами с запрещенными зонами, посредством чего интегральный вариант реализации и перекрываемые трехмерные электромагнитные пленки обеспечивают системам возможность собирать энергию во всем электромагнитном спектре, и настоящие системы, использующие и направленный и ненаправленный свет, будут эффективно использованы.
[0011] В качестве особенностей настоящего изобретения предложен солнечный элемент захвата электромагнитной энергии, который содержит тело, выполненное из материала с верхним поверхностным слоем и нижним поверхностным слоем. Верхний поверхностный слой выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения с передачей его в материал, верхний и нижний поверхностные слои выполнены с возможностью отражения внутреннего электромагнитного излучения обратно в материал, и материал по существу охватывает три измерения пространства между верхней поверхностью и нижней поверхностью таким образом, что внутреннее электромагнитное излучение взаимодействует с материалом в трех измерениях. Композиция материала образует множество запрещенных зон таким образом, что длины волн внутреннего электромагнитного излучения за пределами видимого спектра возбуждают электроны из валентной зоны в зону проводимости.
[0012] Солнечный элемент содержит по меньшей мере один электрод, контактирующий с материалом. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения нижний поверхностный слой образует параболическую кривую, имеющую фокус внутри материала. Верхний поверхностный слой может быть изогнут таким образом, что, например, при размещении солнечного элемента на открытом воздухе в безоблачный день направленный солнечный свет образует перпендикуляр к криволинейной поверхности от восхода солнца до заката. Материал может содержать множество пленок, содержащих множество полупроводников. В предпочтительном варианте реализации пленки задают неплоскую геометрию. Пленки могут быть выполнены в ходе способа, использующего газообразный аргон таким образом, что пленки сопротивляются расслаиванию. Специалистам в данной области техники понятно, что семантика, используемая в терминологии «толстый/тонкий», представляет собой исторический артефакт в противоположность техническим различиям.
[0013] Кроме того, солнечный элемент может содержать первый электрод и второй электрод, контактирующие с материалом и задающие первый электрический контакт и второй электрический контакт, доступные извне солнечного элемента. Воздействие на верхнюю поверхность электромагнитным излучением, содержащим длины волн инфракрасного диапазона, приводит к выработке напряжения на первом электрическом контакте и на втором электрическом контакте.
[0014] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения солнечный элемент преобразует широкий спектр электромагнитного излучения в электричество, причем электромагнитное излучение попадает в диапазон начиная от ультрафиолетового излучения и кончая за пределами инфракрасного излучения. Солнечный элемент может работать, используя ультрафиолетовое, видимое и невидимое электромагнитное излучение для выработки мощности. Солнечные элементы согласно настоящему изобретению перекрывают диапазон 200-5000 эВ. Можно обнаружить, что воздействие на верхнюю поверхность электромагнитным излучением приводит к выработке мощности, составляющей по меньшей мере 2 кВт на м3.
[0015] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения солнечный элемент содержит угловую посеребренно-апикальную призму, предназначенную для поглощения энергии ненаправленного электромагнитного излучения. Солнечный элемент может содержать множество электромагнитных пленок аргона, которые могут быть прозрачными, устойчивыми и быть способными поглощать излучение от 200 эВ до 5000 эВ. В предпочтительном варианте реализации угловая посеребренно-апикальная призма поглощает энергию ненаправленного электромагнитного излучения. Солнечный элемент способен поглощать полный спектр электромагнитного излучения с менее чем 10% преломленного электромагнитного излучения. Призматическая фокусировка может увеличить площадь поверхности в два раза.
[0016] Солнечный элемент может содержать узлы, содержащие один или более внутренних зеркальных параболических отражателей. Солнечный элемент может содержать двойные параболические отражающие основания (например, для содействия внутреннему отражению и множественным проходам фотонов электромагнитного излучения через материал). Солнечный элемент может также содержать внутреннюю облицовку, выполненную с возможностью рассеивания электромагнитного излучения и увеличения поглощающей способности, действуя как полупроницаемая мембрана, обеспечивающая вход излучения, но препятствующая его выходу. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения любой заданный фотон внутреннего электромагнитного излучения взаимодействует с электронами по меньшей мере 7 раз. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения фотоны внутреннего электромагнитного излучения взаимодействуют с электронами в среднем больше 30 раз. Солнечный элемент может содержать параболическую зеркальную поверхность на нижней поверхности, которая направляет электромагнитное излучение обратно через материал таким образом, что фотоны электромагнитного излучения в среднем проходят через материал по меньшей мере 7 раз, и по меньшей мере некоторые из фотонов электромагнитного излучения проходят через материал по меньшей мере 37 раз.
[0017] При использовании описанных выше особенностей, химического состава и структуры солнечного элемента согласно настоящему изобретению собирают энергию из полного спектра электромагнитного излучения от ультрафиолетового диапазона до дальней инфракрасной области.
Краткое описание чертежей
[0018] На фиг. 1 показан солнечный элемент 101согласно настоящему изобретению.
[0019] На фиг. 2А-2С показан элемент 201 ядра солнечного элемента 101.
[0020] На фиг. 3 показан концевой элемент 301 солнечного элемента 101.
[0021] На фиг. 4А-4С показаны виды взятой в качестве примера секции 401 оборудования внешнего узла согласно настоящему изобретению.
[0022] На фиг. 5А-5С показаны виды взятой в качестве примера секции 501 оборудования узла внешнего основания согласно настоящему изобретению.
[0023] На фиг. 6А-6С показан концевой элемент 601 солнечного элемента согласно настоящему изобретению.
[0024] На фиг. 7 показано графическое описание эффективности настоящего изобретения.
[0025] На фиг. 8А показан перспективный вид варианта реализации в виде цветочного лепестка.
[0026] На фиг. 8В показан вид сбоку варианта реализации в виде цветочного лепестка.
[0027] На фиг. 8С показан вид сверху варианта реализации в виде цветочного лепестка.
[0028] На фиг. 8D показан вид в разрезе вдоль линии АА на фиг. 8С.
[0029] На фиг. 9 проиллюстрирован алгоритм, показывающий, как увеличенный захват реализован в вариантах реализации настоящего изобретения.
[0030] На фиг. 10 схематически показана блок-схема операций согласно способу оптимизации сбора энергии из электромагнитного спектра.
[0031] На фиг. 11 схематически показана рециркуляция внутреннего электромагнитного излучения при многократном прохождении через материал солнечного элемента, согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
[0032] В настоящем описании описан солнечный элемент захвата электромагнитной энергии, содержащий тело, выполненное из материала с верхней поверхностью и нижней поверхностью. Материал может включать стекло или другой такой материал, обладающий химическими особенностями и внутренней формой, удовлетворяющими указанным свойствам. По меньшей мере нижняя поверхность может обеспечить указанную параболическую фокусировку. Предпочтительно, что солнечный элемент имеет верхнюю поверхность, выполненную с возможностью приема электромагнитного излучения с передачей его в материал, причем верхняя и нижняя поверхности выполнены с возможностью отражения внутреннего электромагнитного излучения обратно в материал, и материал по существу охватывает три измерения пространства между верхней поверхностью и нижней поверхностью таким образом, что внутреннее электромагнитное излучение взаимодействует с материалом в трех измерениях. Композиция материала, например, в виде пленок согласно способу по настоящему изобретению (например, выполненных посредством способа чистки аргоном), задает множество запрещенных зон таким образом, что длины волн внутреннего электромагнитного излучения за пределами видимого спектра возбуждают электроны из валентной зоны в зону проводимости. Солнечный элемент обладает внутренней структурой или геометрией с наслаивающимся образованием, то есть, использована ленточная технология или размещение плотности энергии, которые вырабатывают больше энергии, чем известные массивы фотоэлектрических элементов, как показано в виде данных в настоящем описании.
[0033] Настоящее изобретение выполнено как система захвата электромагнитной энергии, которая эффективно использует весь спектр такой излученной энергии для выработки энергии.
[0034] Изображенная система захвата электромагнитной энергии перекрывает более широкий спектр 200-5000 эВ, тогда как известные фотоэлектрические устройства перекрывают меньший диапазон 800-1100 эВ. Система захвата электромагнитной энергии использует более динамическую пленку аргона в противоположность известной тонкой пленке.
[0035] Система захвата электромагнитной энергии представляет собой новую технологию, которая захватывает и преобразует широкий спектр электромагнитного излучения, включая разновидности ультрафиолетового излучения и вплоть до разновидностей дальнего инфракрасного С излучения для выработки теплоты.
[0036] Способность такой технологии захватывать более широкий ежедневный диапазон электромагнитного излучения как таковой не равнозначен захвату «солнечного» излучения. Этот расширенный диапазон вместе с увеличенной эффективностью системы обеспечивает большую производительность панели в течение более длительных промежутков времени, что приводит к меньшей стоимости в расчете на ватт и большей полной мощности.
[0037] Увеличенная производительность панелей требует значительно меньшей площади поверхности, что обеспечивает возможность установки панелей даже в случае ограниченного и/или дорогостоящего пространства.
[0038] Технология «удержания» или «захвата» (эти термины используют взаимозаменяемо в настоящей заявке) дает существенное снижение издержек для текущих установок категории «жилое/коммерческое/сервисное строение» вследствие ее меньшей площади строительства и уменьшенного количества панелей, что требует значительно меньших земельного участка, рабочей силы при монтаже и вспомогательного оборудования.
[0039] Технология системы захвата электромагнитной энергии, объединенная с хранением энергии в батареях, может функционировать как первое обоснованное техническое решение для «базовой нагрузки» возобновляемого источника энергии.
[0040] Подходящие и для связанной с сетью и для автономной системы, системы согласно настоящему изобретению предусматривают неограниченное использование энергии всего спектра электромагнитной энергии.
[0041] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения «панели» разработаны для удержания/захвата и преобразования большого диапазона излучения до значения 2,9 кВт/м3 в отличие от всех других панелей на рынке. Таким образом, согласно настоящим изобретениям, панели используют спектры ультрафиолетового, видимого и невидимого света.
[0042] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения раскрыто множество электромагнитных «пленок аргона» (прозрачных, устойчивых и способных поглощать энергию от 200 эВ до 5000 эВ). Аналогичным образом, фирменные составы стекла разработаны для поглощения полного спектра электромагнитного излучения (с минимальным значением 6-8% преломленного света любого типа), причем добавление угловых посеребренно-апикальных призм дополнительно увеличивает способность поглощать энергию ненаправленного электромагнитного излучения.
[0043] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения двойные параболические отражающие основания направляют и захватывают солнечный свет с обеспечением максимальной эффективности системы.
[0044] Эта технология обеспечивает возможность увеличения электромагнитного излучения до 800 процентов, обеспечивая большее значение полной поглощенной мощности кВт/день в зависимости от солнцестояния и зоны.
[0045] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения внутренняя облицовка выполнена с возможностью рассеивания электромагнитного излучения, увеличения поглощающей способности, действуя как полупроницаемая мембрана, обеспечивающая вход излучения, но препятствующая его выходу.
[0046] Эта новая технология увеличивает полное излучение до 66% больше, по сравнению с одной только пленкой. Именно поэтому эта система представляет собой электромагнитную «систему», а не просто другую солнечную батарею, как описано в известном уровне техники.
[0047] Аналогично показана способность поглощать направленную, ненаправленную, отраженную, призматическую и даже рассеянную энергию.
[0048] Внутренняя конструкция увеличивает количество прохождений электронов по меньшей мере примерно в 7-37 раз, что особо отмечено.
[0049] В противоположность известным системам, где электромагнитные панели используют только часть электромагнитного спектра. (Панели известного уровня техники используют только видимый спектр до 20% от 0,6 кВт/м2).
[0050] Настоящая система получена в результате проектирования системы, использующей ВСЮ доступную энергию электромагнитного излучения, намного превышающую небольшой диапазон обычной солнечной батареи и даже превышающую большие доступные диапазоны от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Эта система разработана для поглощения в намного более широких спектрах излучения.
[0051] Существующие солнечные батареи используют только длины волн от 800 до 1100 эВ, тогда как в настоящем изобретении использована технология широкого спектра, где использован намного более широкий диапазон длин волн от 200 до 5000 нм.
[0052] Известные панели «отражают» солнечный свет, тогда как новые электромагнитные панели «захватывают» солнечную энергию и/или «удерживают» намного большее количество энергии.
[0053] Конструкция с вращением излучения увеличивает воздействие излучения почти на 70% по сравнению с известными моделями.
[0054] Эта конструкция использует угол падения солнечного света, вращение Земли, соотношение между увеличенным временем падения излучения под прямым углом и увеличенной поглощающей способностью для уменьшения отраженного/преломленного света и увеличения излучения света, входящего в солнечный элемент захвата (закон Снеллиуса).
[0055] Кроме того, композиция стекла обеспечивает ему возможность поглощать ненаправленный свет.
[0056] Дополнительные полезные сведения могут быть найдены в докладе Takamoto, 2009, Статус и будущее развитие многопереходных солнечных элементов, CS MANTECH CONFERENCE, 18-21 мая, Тампа, Флорида, США (4 страницы); и в патентах США № 8093492 (Hering), № 6335480 (Bach) и № 6689949 (Ortabasi), содержание каждого из которых во всех отношениях явно включено в настоящую заявку посредством ссылки, как полностью сформулировано в настоящем описании.
[0057] Технология, раскрытая в настоящем описании, направлена на системы и способы для выработки энергии из таких источников, как солнце. Варианты реализации раскрытой технологии выполнены с возможностью захвата широкого спектра электромагнитной энергии и эффективного преобразования этой энергии в электричество для множества вариантов использования. Множество особенностей может быть использовано для обеспечения возможности эффективного захвата электромагнитной энергии для увеличения эффективности системы генерации солнечной энергии. Например, уникальные формы и композиции стекла могут быть использованы для улучшения ввода и захвата света в системе, параболический или другой аналогичный отражатель могут быть использованы для захвата энергии, такой как солнечная энергия от солнца (или от другого источника электромагнитной энергии) под различными углами и множество слоев фотоэлектрических материалов со множеством различных ширин запрещенной зоны могут быть объединены для захвата широкого спектра электромагнитной энергии внутри и вне видимого светового спектра.
[0058] Ранний прототип системы содержит стеклянный или иной прозрачный корпус, пакет для преобразования энергии, выполненный с использованием одного или более солнечных конверсионных материалов (то есть, фотоэлектрических материалов), имеющих различную ширину запрещенной зоны (материалов с запрещенной зоной), и отражатель, выполненный с возможностью перенаправления солнечного света (или другой электромагнитной энергии от солнца) на стеклянный корпус, который в противном случае не мог бы падать на корпус, так что отраженный свет мог быть захвачен стеклянным корпусом и направлен к фотоэлектрическим материалам. Эти и другие особенности и аспекты раскрытой технологии могут быть использованы и скомбинированы в различных комбинациях для создания эффективной системы выработки энергии. Различные аспекты этих особенностей описаны в этом документе посредством примеров. В различных вариантах реализации настоящего изобретения стекло, используемое для размещения фотоэлектрических материалов, может быть разработано для увеличения или максимизации полной величины спектра электромагнитного излучения, который достигает фотоэлектрических материалов и может быть захвачен ими.
[0059] Стекло закалено для улучшения его сопротивляемости поломке, и желательно для обеспечения широкого спектра пропускания длин волн. Например, в различных вариантах реализации настоящего изобретения, закаленное стекло с фосфатом, с MgF и сапфиром способно иметь спектр пропускания, обеспечивающий пропускание от примерно 80% до 90% на длинах волн от примерно 400 до 2750 нм. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения стекло может обеспечивать высокий процент пропускания в спектре от примерно 200 нм до 5000 нм. Стекло может быть легировано фосфорным составом (например, в процентном отношении 20% или меньше, хотя могут быть использованы и другие проценты легирования) для изменения поглощения электромагнитной энергии, а также показателя преломления стекла. Легирование выполнено для увеличения эффективного угла приема стекла таким образом, что больше энергии от солнца принято в стекло и меньше отражено от поверхности стекла по сравнению с нелегированными стеклами.
[0060] Кроме того, имеет место управление стеклянной оболочкой, посредством, среди прочего, антибликового покрытия на наружной поверхности стекла и окисного покрытия на внутренней поверхности стекла. Антибликовое покрытие может быть добавлено для уменьшения величины отражения от наружной поверхности по сравнению со стеклом без покрытия. Окисное покрытие на внутренней поверхности может быть предусмотрено для выполнения различных функций. Например, окисное покрытие может быть предусмотрено для призматического разбиения света на его составляющие спектральные компоненты. Это обеспечивает возможность разбиения поступающего света на спектральные компоненты и направления этих спектральных компонент в различных направлениях от внутренней поверхности стекла.
[0061] Окисное покрытие может также действовать как полупрозрачная мембрана, обеспечивающая вход излучения, но препятствующая его выходу. Это способно облегчить повторное использование фотонов, которые не были поглощены и преобразованы при их первом прохождении через материалы. При соответствующем легировании и других описанных особенностях могут быть осуществлены варианты реализации, которые обеспечивают подачу к материалам с запрещенной зоной 58,86% направленного света, падающего на стекло, и подачи к материалам с запрещенной зоной до 30% ненаправленного света, падающего на стекло. Это может быть достигнуто, поскольку свет, падающий на стекло под малым углом, может быть захвачен, а не отражен, и затем может быть преломлен по направлению к фотоэлектрическим материалам с запрещенной зоной, расположенным в центральной области стеклянной оболочки.
[0062] Согласно настоящему изобретению свет, падающий на стекло под малым углом, может быть захвачен, а не отражен. Простой пример этого показан на фиг. 2, в котором падающие под малыми углами лучи света приняты пакетом фотоэлектрических материалов преобразования энергии и преломлены по направлению к нему. Форма стеклянного корпуса важна для увеличения эффективности системы и диапазона электромагнитного спектра, который может быть захвачен системой. Форма не ограничена формой, показанной на чертежах. Однако, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы различные формы стеклянного корпуса, причем округленную форму используют для обеспечения более прямого угла падения для источника электромагнитной энергии (например, солнца, лампы или другого источника энергии) и облегчения преломления света по направлению к фотоэлектрическим материалам.
[0063] В одном аспекте изобретение обеспечивает улучшенную высокоэффективную систему захвата электромагнитной энергии. Система захвата электромагнитной энергии содержит солнечный элемент 101.
[0064] На фиг. 1 показан солнечный элемент 101 согласно настоящему изобретению. Солнечный элемент 101 содержит элемент 201 ядра и один или более концевых элементов 301.
[0065] На фиг. 2А-2С показан элемент 201 ядра солнечного элемента 101. На фиг. 2А показан перспективный вид элемента 201 ядра. На фиг. 2В показан вид в разрезе сбоку профиля элемента 201 ядра. На фиг. 2С показана сеть электродов в элементе 201 ядра. Элемент 101 ядра содержит, в совокупности, по меньшей мере тело из материала с верхним и нижним поверхностными слоями, посредством чего верхний поверхностный слой принимает электромагнитную излучение с передачей его в материал, а верхний и нижний поверхностные слои отражают внутреннее электромагнитное излучение обратно в материал. Поверхностный слой предпочтительно содержит легированное стекло, например, с MgF2 или с другим подходящим галидом металла или с таким материалом («фирменное стекло»). Это тело охватывает три измерения пространства между верхними поверхностными слоями и нижними поверхностными слоями, посредством чего внутреннее электромагнитное излучение взаимодействует с материалом в этих измерениях. Тело захватывает проходящее в нем электромагнитное излучение посредством технологии плотно упакованной ленты, заданной множеством запрещенных зон, посредством чего длина волны внутреннего электромагнитного излучения переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. Технология плотно упакованной ленты содержит самую внутреннюю пленку 205, вторую пленку 206, третью пленку 207 и самую внешнюю пленку 208. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения имеют место по меньшей мере примерно от 3 до 7 пленок. В одном варианте реализации настоящего изобретения каждая пленка содержит материал, отдельно выбранный из GaAs, Ge, Si и GaInP2. Каждая пленка может отдельно содержать материалы, перечисленные в Таблице 1. В других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы такие материалы, GaS, GIP, GIA, InGa, CdTe, селенид галлия-индия-меди, CdTe/CdS, CuInSe2, GIN, ZMT и/или CdS. На фиг. 2C показаны электроды в контакте с пленками тела. В настоящем описании верхняя поверхность, названная «фирменным стеклом» тела из материала, может быть представлена стеклом, которое легировано галидом металла, предпочтительно MgF2, для максимизации удержания электромагнитного излучения в солнечном элементе 101. Легированная верхняя поверхность может быть наиболее удаленной пленкой 208 или, предпочтительно, представляет собой слой покрытия поверх материального тела.
[0066] На фиг. 3 показан концевой элемент 301 солнечного элемента 101. Концевой элемент 301 содержит аппаратную секцию 401, размещенную впритык к концевому элементу 601 и поддерживаемую секцией 501 основания. На фиг. 4А показан перспективный вид аппаратной секции 401. На фиг. 4В показан вид с конца аппаратной секции 401. На фиг. 4С показан вид сверху аппаратной секции 401. На фиг. 5А показан перспективный вид секции 501 основания. На фиг. 5В показан вид с конца секции 501 основания. На фиг. 5С показан вид сверху секции 501 основания. На фиг. 6А показан перспективный вид концевого элемента 601. На фиг. 6В показан вид с конца концевого элемента 601. На фиг. 6С показан вид сверху концевого элемента 601.
[0067] На фиг. 7 показана эффективность модуля системы захвата электромагнитной энергии, такого как солнечный элемент 101. Модуль захвата согласно настоящему изобретению содержит солнечный элемент захвата с телом, обладающим нижней поверхностью и криволинейной верхней поверхностью, причем обе поверхности проходят от одного конца до другого и криволинейная верхняя поверхность может иметь контур, обеспечивающий поверхность, примерно перпендикулярную к лучам солнца при перемещении солнца по небу от восхода до заката. Такие конфигурации способны обеспечивать составляющее до примерно 66% увеличение солнечного воздействия по сравнению с известными плоскими или коробчатого типа солнечными элементами. Следует отметить, что поскольку размер корпуса очень мал по сравнению с Землей, солнце обычно не выполняет перемещение по постоянной дуге относительно корпуса. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения стеклянный корпус может быть выполнен с возможностью меньшего радиуса кривизны на двух сторонах по сравнению с радиусом кривизны через вершину стеклянного корпуса. Другими словами, корпус имеет конфигурацию, приблизительно совпадающую с формой цветка.
[0068] Это может быть полезно для обеспечения захвата прямого света во время восхода и заката солнца при падении энергии от солнца на стекло под малыми углами наклона к земле. В других вариантах реализации настоящего изобретения стеклянный корпус выполнен в форме цветочного лепестка для образования поверхности, перпендикулярной к лучам солнца при перемещении солнца по небу в течение дня.
[0069] На фиг. 8A-8D показана сложная форма для элемента в виде «цветочного лепестка», предназначенного для использования внутри толстопленочного/многопленочного солнечного элемента согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения. На фиг. 8А показан перспективный вид варианта реализации в форме цветочного лепестка. На фиг. 8В показан вид сбоку варианта реализации в форме цветочного лепестка. На фиг. 8С показан вид сверху варианта реализации в форме цветочного лепестка. На фиг. 8D показан вид в разрезе вдоль линии АА на фиг. 8С. Морфология, показанная на фиг. 8А, может быть получена посредством применения алгоритма, иллюстрированного на фиг. 9, для преобразования векторов поступающего электромагнитного излучения широкого спектра во множестве различных значений времени в течение дня в ориентации для напоминающих толстые пленки слоев, образованных посредством напыления, селенизации, термической обработки и наслаивания. Один или множество элементов в форме лепестка могут быть использованы в комбинации друг с другом или с другим элементом, раскрытым в настоящем описании в связи с ячейкой широкоспектральной системы захвата электромагнитной энергии. В одном варианте реализации настоящее изобретение предлагает солнечный элемент захвата электромагнитной энергии, содержащий по меньшей мере один и предпочтительно по меньшей мере примерно 3-7 элементов, как показано на фиг. 8, причем каждый элемент содержит толстую пленку, задающую по меньшей мере от примерно 1 до большого количества запрещенных зон посредством включенных полупроводниковых материалов, перечисленных в другом месте в настоящем описании.
[0070] Сложные частично сферические формы могут, но не обязательно должны, быть использованы и, действительно, в различных вариантах реализации настоящего изобретения корпус может быть сформирован для образования в большей степени прямого угла относительно солнца на основании эфемерид солнца для заданной широты и долготы или географической области применения. Модели дневного освещения и другие методики могут быть использованы для оптимизации формы и контура стеклянного корпуса для захвата максимального количества энергии.
[0071] На фиг. 9 показан результат объединения уравнения производителей линз и закона Снеллиуса, показывающий, что можно преломить, сфокусировать (но не отразить обратно) 3,5 энергии солнца в систему захвата электромагнитной энергии, причем внешний слой схематично направляет свет, как показано векторами, иллюстрируемыми на нижней панели.
[0072] Фигура 9 иллюстрирует использование формулы преобразования для управления структурой геометрии поверхности с солнечным элементом согласно настоящему изобретению. Здесь (X, Y, Z) представляют собой координаты трехмерной точки в мировом координатном пространстве, a (u, v) координаты точки проекции в пикселях. А называют матрицей собственных параметров, (сх, су) представляет собой главную точку (которая обычно имеет место в центре изображения), a fx, fy представляют собой фокусные расстояния, выраженные в связанных с пикселями единицах. Таким образом, если изображение, выходящее изнутри устройства, масштабировано на некоторый коэффициент, то все эти параметры должны быть масштабированы (умножены/разделены, соответственно) на тот же самый коэффициент. Матрица собственных параметров не зависит от поступающего света и, единожды рассчитанная, может быть повторно использована (при фиксированном фокусном расстоянии). Совместную матрицу [R|t] поворота - переноса называют матрицей внешних параметров. Ее используют для описания перемещения источника света относительно солнечного элемента. Таким образом, матрица [R|t] переводит координаты точки (X, Y, Z) в некоторую систему координат, фиксированную относительно солнечного элемента. Поверхность солнечного элемента может иметь определенную дисторсию, главным образом радиальную дисторсию и небольшую тангенциальную дисторсию. Таким образом, вышеупомянутая модель вытянута так, как показано на фиг. 9. На фиг. 9 k1, k2, k3, k4, k5, k6 представляют собой коэффициенты радиальной дисторсии, a p1, р2 представляют собой коэффициенты тангенциальной дисторсии. Коэффициенты высшего порядка не учитывают. В показанных функциях коэффициенты переданы или возвращены как вектор (k1, k2, p1, р2 [k3 [k4, k5, k6]]). Таким образом, если вектор содержит 4 элемента, это означает, что k3=0. Коэффициенты дисторсии не зависят от внешнего света, так что они также принадлежат к собственным параметрам солнечного элемента. Расширенная модель, показанная на фиг. 9, может быть использована для проекции трехмерных точек на плоскость изображения, заданную собственными и внешними параметрами; вычисления внешних параметров при заданных собственных параметрах, нескольких трехмерных точек и их проекций; оценки собственных и внешних оптических параметров солнечного элемента на основе нескольких видов известного градуировочного рисунка (то есть для структуры морфологии поверхности солнечного элемента); для оценки взаимного положения и ориентации толстых пленок и вычисления преобразования для внесения поправок, которые оптимизируют захват электромагнитного излучения.
[0073] Солнечный элемент захвата может дополнительно содержать внутреннее зеркальное покрытие, или серебряное или другое отражающее покрытие на нижней поверхности и, по меньшей мере, на части верхней поверхности, например вдоль сторон верхней поверхности. В различных взятых в качестве примера вариантах реализации настоящего изобретения вся нижняя поверхность может содержать отражающее или зеркальное покрытие, так же как примерно две трети поверхности сторон. Внутреннее зеркальное покрытие образует фотонную (ионную или электронную) отражающую камеру, в которой происходит отражение электромагнитного излучения, вошедшего в солнечный элемент захвата, от зеркального покрытия и резкое его изменение внутри солнечного элемента захвата, что образует полное внутреннее отражение, или почти полное внутреннее отражение или большое количество отражений для удержания вошедших в систему фотонов. Это увеличивает вероятность того, что захваченные фотоны будут выполнять соударение с фотоэлектрическим материалом, распределенным в ячейке захвата.
[0074] Поскольку в этом примере зеркальное отражение ограничено нижней поверхностью и нижними частями боковой поверхности корпуса, оно не воздействует на проникновение, дифракцию, рефракцию или отражение внешнего света; его единственное действие состоит в «захвате» фотонов, однажды проникших в солнечный элемент. Если фотон остался незахваченным, в конечном счете происходит его преобразование с нагревом фотоэлектрического материала. Это увеличивает поток электронов, собранных из фотонов (что иногда называют дельта-К эффектом посредством увеличения диапазона частиц).
[0075] Солнечный элемент захвата может обладать оптически активной и неотражающей внешней частью (например, посредством использования особой рецептуры комбинации известково-натриевого, боросиликатного или фосфатного стекол), обеспечивающей возможность высокого уровня проникновения фотона при минимизации дифракции, преломления или отражения, которые могут иметь место вследствие угла проникновения для солнечной кривизны Земли/Солнца или вследствие этой кривизны. Эта структура учитывает коэффициент ослабления солнечного излучения вследствие рассеяния в атмосфере и увеличивает поглощающую способность солнечного излучения, доступную в данном местоположении. Известные фотоэлектрические системы как правило используют тонкопленочные фотогальванические фотоэлементы, которые имеют очень низкую эффективность, используют только небольшую долю от полного количества доступных фотонов и страдают от расслоения. Различные варианты реализации технологии согласно настоящему описанию используют толстопленочную технологию для фотоэлектрических материалов; в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения эти толстые пленки могут быть столь тонкими как 0.03 нм или столь толстыми как 5,0 микрон.
[0076] Кроме того, как обсуждено, семантика тонких или толстых пленок такова, что специалистам в данной области техники понятно, какие версии могут быть осуществлены для обеспечения возможности использования множества слоев или множества материалов с запрещенной зоной при одном или более необходимых прохождений, как объяснено в настоящем описании. Например, прозрачный каптон/молибден (или другие необходимые полиимиды, производимые компанией DuPont, Уилмингтон, Делавэр, США, такие как UPILEX). Светопроницаемый, многоуровневый, многозонный материал с запрещенной зоной, предпочтительно подобный толстой пленке материал (или многозонная толстопленочная решетка с запрещенной зоной, такая как пленки 205, 206 …) может быть взят в качестве фотоэлектрического материала. В различных вариантах реализации настоящего изобретения материал может быть интегральным многопереходным фотоэлектрическим солнечным элементом со множеством р-n переходов, выполненных из различных полупроводниковых материалов, каждый из которых имеет различную запрещенную зону. В других вариантах реализации настоящего изобретения материал со множеством запрещенных зон может быть выполнен из множества отдельных толстых пленок, каждая из которых имеет фотоэлектрический материал с определенной запрещенной зоной. В идеале пакет элементов выполнен таким, что каждый р-n переход имеет различную энергию запрещенной зоны, и вырабатывает ток в ответ на различную длину волны электромагнитного спектра, падающего на систему. Это увеличивает конверсионную эффективность устройства при использовании большей части доступного электромагнитного спектра.
[0077] Наличие множества материалов со множеством запрещенных зон обеспечивает блоку возможность отвечать на множество различных длин волн спектра. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пакет фотоэлектрических элементов содержит от 2 до 4 слоев материалов с запрещенной зоной, причем каждый имеет различную энергию запрещенной зоны. В других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть предложены другие количества слоев материалов с запрещенной зоной, включая однослойный пакет или пакет с количеством слоев больше четырех. Предельная отдача может быть уменьшена при увеличении числа слоев в зависимости от ряда факторов, включая, например, спектр доступной электромагнитной энергии, прозрачность и эффективность поглощения различных материалов в пакете элементов, величину внутреннего отражения, которое может быть достигнуто для удержания захваченных фотонов и так далее. При работе внешний материал с запрещенной зоной пакета фотоэлектрических элементов захватывает фотоны, которые он может захватить, на длине волны, связанной с ее энергией запрещенной зоны, и преобразует их в электрический ток.
[0078] Фотоны, не захваченные первым слоем, проходят через следующие слои, пока они не будут захвачены, поглощены, отражены от поверхности последующего слоя, или проходят через пакет элементов и претерпевают отражение от отражающих поверхностей стеклянного корпуса. Часть отраженных фотонов снова достигает пакета фотоэлектрических элементов, что обеспечивает возможность для этих в противном случае потерянных фотонов быть захваченными и преобразованными в электрический ток. Многоуровневая толстая пленка с множеством запрещенных зон может быть выполнена сгибаемой и может содержать различные материалы, с различными запрещенными зонами, оптимизированными для различных длин волны света, присутствующих в белом свете (включая, например ультрафиолетовый и инфракрасный свет), и для различных длин волн света, имеющих место в разное время. Например, во время восхода и заката солнца спектр света отличен от спектра в полдень, так что могут быть использованы различные материалы с различными запрещенными зонами для захвата как можно большей энергии этих различных типов света. В одном варианте реализации настоящего изобретения в качестве примера различные материалы могут содержать GaAs, Ge, Si и GaInP2, например. В других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы такие материалы, GaS, GIP, GIA, InGa, CdTe, селенид галлия-индия-меди, CdTe/CdS, CuInSe2, GIN, ZMT и/или CdS. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения запрещенные зоны материалов выбраны таким образом, что они представляют собой наложенные зоны для достижения преобразования энергии из самых плотных областей спектра. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения химические композиции материалов могут быть различны для настройки запрещенных зон переходов.
[0079] В таблице 1 показан другой пример различных материалов, которые могут быть использованы вместе со связанными с ними ширинами запрещенной зоны и предполагаемой эффективностью преобразования, при использовании двух или более слоев. Специалистам в данной области техники понятно, что в этом примере приведенные в качестве примера значения уменьшены вследствие наложения.
[0080] В различных взятых в качестве примера вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы два, три, четыре или пять слоев уникальных толстых пленок 300, которые способны собирать фотоны с обеих сторон пленки, каждая из которых в конкретных вариантах реализации настоящего изобретения способна изменяться от примерно 0,03 до 5,0 микрон (мкм) по толщине (например, как показанные на фиг. 2В пленки 205, 206...). Длина и ширина пленок может иметь подходящие значения в зависимости от доступных размеров и объема корпуса. Длина и ширина могут также быть выбраны на основании того способа, посредством которого пленки уложены слоями внутри корпуса. Например, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пленки могут быть уложены в слои в двумерной или плоской (или по существу плоской) конфигурации внутри корпуса. В других вариантах реализации настоящего изобретения пленки могут быть изогнуты или скручены или обернуты и уложены в слои внутри корпуса коаксиальным или по существу коаксиальным способом. Например, могут быть использованы гибкие слои с достаточной упругостью, так что при введении их в корпус они соответствуют внутреннему контуру корпуса. Соответственно, пленки могут выполнены с возможностью принятия формы корпуса. В случае традиционного ограничения ширины пленки в связи с особенностями конструкции подобные ленте длины пленок могут быть намотаны (например, винтовым способом) внутри друг друга в корпусе. Многослойный светопроницаемый пакет фотоэлектрических элементов может быть электрически связан с положительным зарядом для сбора ионов. Многослойный светопроницаемый пакет фотоэлектрических элементов может быть, по меньшей мере частично, окружен внутренним зеркальным покрытием, как описано выше со ссылками на фиг. 1, 2 и 3. Эта уникальная пленочная технология обеспечивает возможность двунаправленного фотоэлектрического пути (то есть, преобразования энергии сверху вниз и снизу вверх).
[0081] Как отмечено выше, в различных вариантах реализации настоящего изобретения множество слоев материалов с запрещенной зоной может быть изготовлено или в виде встроенного устройства или в виде отдельных листов при использовании толстопленочной технологии. В качестве примеров полиамиды, толстопленочная подложка, например, из майлара, каптона или любой другой полииимидной пленки (выпускаемая компанией DuPont, Уилмингтон, Делавэр, США), или другая пленка могут быть использованы в качестве подложки, причем такие материалы доступны с различными степенями прозрачности. Лист подложки может быть пропущен через устройство осаждения (например, при использовании химического осаждения из паровой фазы) или другое аналогичное устройство, в котором происходит осаждение слоев на подложку. В дополнение к химическому осаждению из паровой фазы, другие методики, например, позитивная экструзионная печать, разложение в газовой фазе, распыление и т.п. могут быть использованы для укладки различных слоев.
[0082] Например, в таком способе слои электрода и полупроводниковые слои могут быть осаждены на подложку для образования толстопленочного фотоэлектрического материала. Устройство для изготовления может быть поддержано при положительном давлении при использовании инертного газа, такого как, например, аргон для поддержания камеры относительно свободной или абсолютно свободной от кислорода. Таким образом можно избежать неблагоприятного воздействия окисления на материалы. При выполнении материалов с запрещенной зоной в виде отдельных листов одно устройство перехода может быть выполнено на данной подложке.
[0083] С другой стороны, при необходимости гетеропереходного устройства материалы с множеством запрещенных зон могут быть осаждены на одну подложку. При необходимости окись олова и индия, графен или другие аналогичные материалы могут быть использованы для создания прозрачных электродов. Различные аспекты раскрытой технологии могут быть использованы по отдельности или в различных комбинациях, в том числе в полных системах преобразования энергии, содержащих: солнечный элемент захвата (в котором фотоны могут быть удержаны с большей полнотой, что приводит к большей степени поглощения и преобразования энергии); многослойную фотоэлектрическую систему с уникальной толстопленочной технологией обработки; использование материала с множеством запрещенных зон для большего доступа к спектру света (и, следовательно, с большим воздействием и большей способностью поглощения фотонов); многоразмерное ядро для использования с нанотехнологией (точки, решетка) GPS и различные датчики, устройства хранения и создания озона. Кроме того, способность захватить ненаправленное освещение под некоторым углом и тип рецептуры стекла увеличивают полную общую энергетическую мощность системы. Использование элементов захвата с многими уровнями собирающей пленки 300 может включать все вышеупомянутые технологии для создания многослойного с многими запрещенными зонами двунаправленного фотоэлектрического пленочного ядра. Солнечный элемент захвата может работать с толстой пленкой посредством увеличения воздействия света, которая может обеспечивать поглощение фотонов, и посредством увеличения количества фотонов, проходящих через материал с запрещенной зоной.
[0084] Толстая пленка избегает проблем, имеющих место в тонкопленочной технологии; она более устойчива и все еще обеспечивает прозрачность для фотонов, проходящих через множество поглощающих слоев с материалами со множеством запрещенных зон. Настоящая фотоэлектрическая система может быть использована для выработки потока электронов (электрического тока) при наличии солнечного света или другого источника электромагнитного излучения или волн. Настоящая фотоэлектрическая система может быть использована на домах или коммерческих зданиях или внутри них, в промышленных применениях, автомобилях, или в любой другой форме транспортного средства. Система может быть мобильной, поскольку она весьма эффективна, и может быть использована в любом месте при потребности в энергии. Ширина запрещенной зоны материала представляет собой энергию, необходимую для возбуждения атома этого материала в достаточной степени для перемещения одного из его электронов из нижнего энергетического состояния, или зоны, в более высокое энергетическое состояние, или зону.
[0085] Только фотоны с энергетическими уровнями, превышающими уровни в запрещенной зоне, способны возбуждать электроны для перемещения из валентной зоны в зону проводимости, где они могут течь и создавать электрический ток. Для материалов с меньшими ширинами запрещенной зоны больший диапазон частот света будет иметь достаточно высокие энергии для возбуждения электронов в этих материалах для перемещения из валентной зоны в зону проводимости (это помогает определить материал с валентной зоной). Кроме того, существуют различные «перестраиваемые» материалы, такие как InGap или селенид галлия-индия-меди. Поэтому, чем меньше ширина запрещенной зоны материала, тем легче свет, падающий на этот материал, может быть преобразован в электричество. Но при слишком малой ширине запрещенной зоны отрицательно заряженные электроны в зоне проводимости слишком легко рекомбинируют с положительно заряженными атомами, которые они оставили позади (то есть, с «дырками»), так что становится затруднительным поддержание потока электронов (то есть, электрического тока).
[0086] Поскольку различные частоты света несут разные уровни энергии, материалы с различными ширинами запрещенной зоны могут быть предложены для захвата различных частот света внутри спектра для оптимизации общего объема энергии, получаемой из спектра. Ширины запрещенных зон выбирают так, что они не только эффективны на конкретной длине волны, но также собирают большинство полных электронов, имея в виду, что свет с большей частотой несет больше энергии. Некоторые примеры ширины запрещенной зоны: ширина запрещенной зоны кремния равна 1,11-1,12 эВ; селена равна 1,5-1,6 эВ; GaAs галлия/мышьяка равна 1,3-1,4 эВ; CuO, окиси меди равна 2,0 эВ; GaTe равна 1,4 эВ; AlAs алюминия/мышьяка равна 2,3 эВ. Свет также имеет отдельные уникальные длины волн.
[0087] Например, красный свет имеет длину волны от 622 до 780 нм; оранжевый свет имеет длину волны от 622 до 597 нм; инфракрасное излучение А имеет длину волны от 700 до 1400 нм; инфракрасное излучение В имеет длину волны от 1400 до 3000 нм; и инфракрасное излучение С имеет длину волны от 3000 до 10000 нм. Соответственно, кремний теоретически способен преобразовать 100% фотонов, имеющих длину волны, эквивалентную его ширине запрещенной зоны 1,11-1,12 эВ, также преобразовывая при этом меньший процент фотонов, имеющих более короткую длину волны и более высокую энергию. Однако, фотоны света, имеющего длину волны, превышающую 1,12 эВ, не будут вырабатывать электричество в кремнии, поскольку эти фотоны с большей длиной волны имеют менее чем минимальный уровень энергии, необходимый для преодоления ширины запрещенной зоны кремния от 1,11 до 1,12 эВ.
[0088] На практике известные использующие кремний солнечные элементы имеют фактическую эффективность преобразования в диапазоне от примерно 12% до 14%. Таким образом, только от примерно 12% до примерно 14% энергии фотонов, падающих на известные кремниевые солнечные элементы, преобразованы в электричество (это тот же самый диапазон, что получил Хоффман в 1960 г., то есть 54 года назад). Использование перестраиваемого фотоэлектрического материала, то есть, InGS (N) (Р), селенида галлия-индия-меди, GaAs, AlGeN, изменяет эту ситуацию. Используя формулу выше в Se можно как управлять шириной запрещенной зоны, так и проводить регулировку «дырок». Следовательно, если использование Si обеспечивает диапазон по меньшей мере от примерно 1,112 до 800 эВ (последнее значение обеспечивает большее количество дырок), то другие отдельные слои можно подстроить для перекрытия диапазонов 850-600 и 650-315, покрывая, таким образом, самый высокий перепад энергий (от ИКc до УФb).
[0089] При рассмотрении истинной эффективности учитывают перекрытый диапазон энергий, эффективность преобразования в указанном диапазоне и продолжительность действия сфокусированной энергии. При этом играет роль угол внутреннего зеркального отражения (захвата), уменьшающий отражение/преломление. Прототипы были проверены при использовании комбинаций индия, галлия и азота (InI-xGaxN), которые вместе преобразуют фактически весь спектр солнечного света, включая ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны и некоторую ограниченную часть спектра рентгеновского излучения. Эти материалы были легированы теллуридом кадмия (CdTe) и селенидом галлия-индия-меди (CIGS), CdTe/CdS, CuInSe2 (селенидом индия-меди - CIS), нитридом галлия-индия (GIN); теллуридом цинка-марганца (ZMT); сульфидом кадмия (CdS).
[0090] На фиг. 10 проиллюстрированы способы согласно настоящему изобретению. Блок-схема операций показывает способ оптимизации сбора энергии из электромагнитного спектра.
[0091] На фиг. 11 показана рециркуляция внутреннего электромагнитного излучения при многократных проходах через материал солнечного элемента, аналогичным образом размещены фотоны, обеспечиваемые направленной, ненаправленной, отраженной, призматической и рассеянной энергией, и энергия получена из них согласно настоящей системе захвата электромагнитной энергии.
[0092] Кроме того, описанные характеристики, структуры, или особенности согласно настоящему изобретению могут быть объединены любым подходящим образом в одном или большем количестве вариантов реализации настоящего изобретения. В последующем описании многочисленные отдельные подробности предусмотрены для обеспечения полного понимания вариантов реализации настоящего изобретения. Однако, специалистам в данной области техники понятно, что изобретение может быть осуществлено без одной или большего количества отдельных деталей, или при использовании других способов, компонентов, материалов и т.д. С другой стороны, известные структуры, материалы или операции не показаны или не описаны подробно во избежание затенения особенностей настоящего изобретения.
[0093] Любые принципиальные схемы и/или диаграммы в виде блок-схем наряду со словесными описаниями операций, включенных в настоящее описание, в целом сформулированы или как лингвистические или как иллюстрационные логические диаграммы в виде блок-схем. Как таковые, изображенные упорядоченные и маркированные операции показательны для одного варианта реализации представленного способа. Могут быть разработаны другие операции и способы, которые эквивалентны по функции, логике, или действию одной или более операций, или их частей, иллюстрированных устройств, операций или способов.
[0094] Кроме того, любые использованные формы и/или обозначения предусмотрены для объяснения логических операций соответствующих устройств, процессов и способов и понимаемы как не ограничивающие объем способа. Хотя различные типы стрелок и типы линий могут быть использованы в диаграммах в виде блок-схем, они понимаемы как не ограничивающие объем соответствующего способа. Действительно, некоторые стрелки или другие элементы соединения могут быть использованы только для указания на логический поток способа. Например, стрелка может указывать на период ожидания или управления неопределенной продолжительности между перенумерованными операциями изображенного способа. Кроме того, порядок, в котором предложено выполнение операции, не указывает, что она должна быть выполнена до или после другой операции, если это явно не указано.
[0095] Явно включены в настоящее описание посредством ссылки, что равносильно полной формулировке в настоящем описании, следующие патенты США, публикации и иностранные патенты, причем каждый из них был рассмотрен и отличен от настоящего изобретения. Они предложены в настоящем описании только для определения существующего уровня техники и одновременно подаваемы как заявление о раскрытии информации. Патенты США № 8093492, № 6335480 и № 6898949.
[0096] Традиционные или относящиеся к прошлому попытки разрешения этих проблем также имеют некоторое значение при определении существующего уровня техники, причем имеет место лишь малое количество улучшенных приложений, чтобы превзойти этот уровень.
[0097] Хотя способы, системы, композиции и т.п., были описаны с точки зрения того, что, как теперь полагают, они представляют собой самые практические и предпочтительные варианты реализации, следует понимать, что изобретение не должно быть ограничено раскрытыми вариантами реализации. Оно предназначено для охвата различных модификаций и аналогичных расположений, попадающих в область сущности и объема формулы изобретения, причем эта область должна быть согласована с самой широкой интерпретацией для охвата всех таких модификаций и аналогичных структур. Настоящее раскрытие содержит любые и все варианты реализации последующих пунктов формулы. Подразумевается, что термин «настоящее раскрытие» в контексте описания компонента, особенности или операции одного определенного варианта реализации изобретения, не подразумевают или не означает, что все варианты реализации изобретения включают эту определенную компоненту, особенность или операцию.
[0098] Следует также понимать, что разнообразные изменения могут быть выполнены без отступления от сущности раскрытия. Такие изменения также косвенно включены в описание. Они все же попадают в объем этого раскрытия. Следует понимать, что это раскрытие предназначено для выдачи патента, охватывающего многочисленные аспекты раскрытия и независимо и как полную систему, и в режиме способа и в режиме устройства.
[0099] Кроме того, каждый из различных элементов раскрытия и формулы может также быть достигнут множеством способов. Следует понимать, что это раскрытие охватывает каждое такое изменение, причем это может быть изменение реализации любой аппаратной реализации, способа или реализации способа, или даже просто изменение любого их элемента.
[0100] В частности, следует понимать, что поскольку раскрытие относится к элементам раскрытия, словесная формулировка каждого элемента может быть выражена посредством эквивалентных аппаратных терминов или относящихся к способу терминов, даже если только функция или результат представляют собой одно и то же.
[0101] Следует полагать, что такие эквивалентные, более широкие или даже более общие термины охвачены в описании каждого элемента или каждой операции. При необходимости такие термины могут быть использованы, чтобы сделать ясным неявный широкий охват, на который это раскрытие имеет право.
[0102] Следует понимать, что все действия могут быть выражены как средства для принятия этих действий или как элемент, который вызывает это действие.
[0103] Аналогичным образом, следует понимать, что каждый раскрытый физический элемент охватывает раскрытие действия, которое этот физический элемент облегчает.
[0104] Любые патенты, публикации или другие упомянутые в этой заявке на патент тем самым включены в настоящую заявку посредством ссылки.
[0105] До такой степени, в которой выполнены несущественные замены, до такой степени, в которой заявитель фактически не проводил предварительной редакции любого пункта формулы изобретения для буквального охвата любого частного варианта реализации, и до такой степени, применимой в ином случае, не следует понимать, что заявитель любым образом был намерен отказаться или фактически отказался от права такой защиты, поскольку заявитель возможно просто не был в состоянии ожидать все возможности; не следует разумно ожидать, что специалист в данной области техники провел предварительную редакцию пункта формулы изобретения, которое в буквальном смысле слова охватило бы такие альтернативные реализации.
[0106] Кроме того, использование переходной фразы «содержащий» предназначено для поддержки в настоящем описании «допускающих дополнение» пунктов формулы, согласно традиционной интерпретации пункта формулы. Таким образом, если контекст не требует иного, следует понимать, что термин «содержать» или его разновидности типа «содержит» или «содержащий», предназначен для того, чтобы подразумевать включение указанного элемента или операции или группы элементов или операций, но не исключать любой другой элемент или операцию или группу элементов или операций. Такие термины должны быть интерпретированы в их самых широких формах для предоставления заявителю самое широкую юридически допустимую защиту.
1. Система для захвата электромагнитной энергии, содержащая элемент, содержащий в комбинации:
- по меньшей мере одно тело, выполненное из материала и содержащее криволинейный верхний поверхностный слой и нижний поверхностный слой, причем верхний поверхностный слой выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения с передачей его в материал, верхний и нижний поверхностные слои выполнены с возможностью отражения внутреннего электромагнитного излучения обратно в материал, материал содержит многослойные пленки, содержащие множество полупроводников, причем многослойные пленки задают неплоскую трехмерную ленточную геометрию так, что они по существу охватывают три измерения пространства между верхним поверхностным слоем и нижним поверхностным слоем, посредством чего внутреннее электромагнитное излучение взаимодействует с материалом в трех измерениях и возбуждает электроны к переходу из валентной зоны в зону проводимости в материале, и
- по меньшей мере один электрод, контактирующий с указанным элементом для выработки электрической энергии.
2. Система по п. 1, в которой нижняя поверхность образует параболическую кривую, имеющую фокус внутри многослойных пленок материала.
3. Система по п. 1 или 2, в которой многослойные пленки содержат один или более полупроводников, выбранных из группы: GaAs, Ge, Si, GaInP2, GaS, GaInAs (GIA), InGa, InN, InSb, InGaAs, InGaAsP, CdTe, CuInGaSe (CIGS), CdTe/CdS, CuInSe2, GaInN (GIN), GaInP, GaSb, ZnMnTe (ZMT) и CdS.
4. Система по одному из пп. 1-3, в которой верхняя поверхность образована таким образом, что при размещении используемого элемента на открытом воздухе в безоблачный день направленный солнечный свет образует перпендикуляр к криволинейной верхней поверхности от восхода до заката солнца.
5. Система по одному из пп. 1-4, дополнительно содержащая
(i) первый электрод и второй электрод, контактирующие с материалом и образующие первый электрический контакт и второй электрический контакт, доступные извне используемого элемента, или
(ii) нижний поверхностный слой содержит один или более внутренних зеркальных параболических отражателей, и
(iii) внутреннюю облицовку, выполненную с возможностью разделения света на спектральные компоненты и увеличения поглощающей способности, действуя как полупроницаемая мембрана, обеспечивающая вход электромагнитного излучения в используемый элемент, но препятствующая его выходу из указанного элемента.
6. Система по п. 5, в которой воздействие на верхнюю поверхность инфракрасным электромагнитным излучением приводит к выработке электрического напряжения через первый электрический контакт и второй электрический контакт.
7. Система по одному из пп. 1-6, в которой используемый элемент выполнен с возможностью захвата энергии из электромагнитного излучения в диапазоне по меньшей мере от 200 до 5000 нм.
8. Система по одному из пп. 1-7, в которой воздействие на верхнюю поверхность электромагнитным излучением приводит к выработке по меньшей мере 2 кВт на м3.
9. Система по п. 1, выполненная с возможностью использования ультрафиолетового, видимого и невидимого электромагнитного излучения для выработки мощности посредством включения в верхний и/или нижний поверхностный слой закаленного фосфатного стекла, стекла с MgF или сапфирового стекла.
10. Система по п. 1, в которой верхний поверхностный слой содержит угловую посеребренно-апикальную призму для поглощения ненаправленного электромагнитного излучения с обеспечением таким образом призматической фокусировки, которая увеличивает площадь поверхности в два раза.
11. Способ выработки электроэнергии, включающий:
- обеспечение системы по любому из пп. 1-10,
- обеспечение воздействия на систему электромагнитным излучением и
- преобразование электромагнитного излучения в электроэнергию внутри указанной системы.
