(57)【要約】本システムは光学素子、溶射されて光学素子の上に配置された材料、および光学素子に結合された太陽電池を含んでいる。いくつかの態様は、光学素子の上に第１の材料を熱溶射して、光学素子に太陽電池を結合するステップを提供する。第１の材料の熱溶射は、光学素子の上に溶融金属粉を溶射するステップを含んでいる。
2010518255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子の上に第１の材料を熱溶射するステップと、
前記光学素子に太陽電池を結合するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記第１の材料を熱溶射するステップが、前記光学素子の上に溶融金属粉を溶射するステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光学素子の上に溶融金属粉を溶射するステップが、
前記光学素子の上にステンシルを配置するステップと、
前記ステンシルおよび前記光学素子の上に溶融金属粉を溶射するステップを含んでいる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ステンシルを除去して、前記光学素子から出た光が透過可能な開口部を露出させるステップを更に含んでいて、
前記光学素子に前記太陽電池を結合させるステップが、
前記太陽電池の電気接点を前記第１の材料に結合させて前記太陽電池の光活性領域を前記開口部に整列させるステップを含んでいる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ステンシルが機械的な、硬い、または柔らかい工具を含んでいる、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の材料を熱溶射するステップが、前記光学素子の上にポリマーを粉体コーティングするステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ほぼ透明な芯の上に反射材料を堆積させるステップと、
前記反射材料の上に絶縁体を堆積させるステップとを更に含んでいて、
前記第１の材料を熱溶射するステップが、前記絶縁体の上に溶融金属粉を溶射するステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記絶縁体を堆積させるステップが、前記反射材料の上にポリマーを粉体コーティングするステップを含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記反射材料を堆積させるステップが、前記ほぼ透明な芯の上に前記反射材料を物理蒸着させるステップを含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の材料を熱溶射するステップが、
前記絶縁体の上にステンシルを配置するステップと、
前記ステンシルおよび前記絶縁体の上に溶融金属粉を溶射するステップとを含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学素子の上に前記第１の材料を熱溶射するステップが、
前記光学素子の上にステンシルを配置するステップと、
前記ステンシルおよび前記光学素子の上に前記第１の材料を溶射するステップとを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記光学素子の上に太陽電池を結合するステップが、前記太陽電池の電気接点を前記第１の材料に結合して、前記太陽電池の光活性領域を、前記光学素子から出た光が透過可能な開口部に整列させるステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
光学素子と、
溶射されて前記光学素子の上に配置された材料と、
前記光学素子に結合された太陽電池とを含む装置。
【請求項１４】
前記溶射された材料が硬化した金属粉を含んでいる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前期光学素子が、前記光学素子から出た光が透過可能な開口部を含んでいて、
前記太陽電池の電気接点が前記硬化した金属粉に結合されていて、
前記太陽電池の光活性領域が前記開口部に整列している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記溶射された材料がポリマーを含んでいる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記光学素子が、
ほぼ透明な芯と、
前記ほぼ透明な芯の上に配置された反射材料と、
前記反射材料の上に配置された絶縁体とを含んでいて、
前記溶射された材料が前記絶縁体の上に配置されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記絶縁体が粉体コーティングされたポリマーを含んでいる、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記光学素子が、前記光学素子から出た光が透過可能な開口部を含んでいて、
前記太陽電池の電気接点が前記溶射された材料に結合されていて、
前記太陽電池の光活性領域を前記開口部に整列している、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
いくつかの実施形態は一般に、太陽輻射の収集および集光に関する。より具体的には、これらの実施形態は太陽輻射収集器を効率的に製造するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
集光型太陽輻射収集器は、受光した太陽輻射（すなわち日光）を集光ビームに変換して、集光ビームを小型の光電池へ導くことができる。光電池は次いで、受光したビームの光子を電流に変換する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２３１１３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
米国特許出願公開第２００６／０２３１１３３号に、数種類の集光型太陽輻射収集器が記述されている。同記述によれば、集光型太陽輻射収集器は、受光した太陽輻射を誘導する反射材料、太陽輻射から生じた電流を通す導電材料、および／または各種の導体を互いに絶縁する絶縁材料を含んでいてよい。これらの材料の一つ以上を用いて太陽輻射収集器を製造するのは複雑且つ高価なため不適当である。
【０００５】
例えば、これらの材料を堆積させる従来の技術には、真空状態内での蒸発またはスパッタリングが含まれる。堆積された材料に所望のパターンおよび特徴を生成するために薄膜リソグラフィ技術が用いられる。そのような技術では、フォトレジスト堆積、マスキング、ＵＶ露出、およびその後で材料の各層に対しエッチングを施す必要がある。薄膜リソグラフィは、幾何学的な精度は高いものの相当に高価である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
少なくとも上述の問題を解決すべく、いくつかの態様において、光学素子の上に第１の材料を溶射して、当該光学素子に太陽電池を結合させる方法、手段および／またはプロセスステップを提供する。第１の材料の熱溶射には、光学素子の上に溶融金属粉を溶射するステップが含まれていてよい。更に、光学素子への溶融金属粉の溶射には、ステンシルを光学素子の上に配置して、ステンシルおよび光学素子の上に溶融金属粉を溶射するステップが含まれていてよい。
【０００７】
いくつかの態様において、第１の材料の熱溶射には、光学素子の上にポリマーを粉体コーティングするステップが含まれる。更に別の態様によれば、ほぼ透明な芯の上に反射材料を堆積させ、反射材料の上に絶縁体を堆積させて、第１の材料の熱溶射には絶縁体の上に溶融金属粉を溶射するステップが含まれる。
【０００８】
他の態様において、光学素子と、溶射されて当該光学素子の上に配置された材料と、当該光学素子に結合された太陽電池を提供する。溶射された材料は、硬化された金属粉を含んでいてよい。更なる態様において、光学素子は、当該光学素子から出た光が透過可能な開口部を含んでいて、太陽電池の電気接点は硬化された金属粉に結合されていて、太陽電池の光活性領域が開口部に整列している。
【０００９】
溶射された材料はポリマーを含んでいてよい。追加的または代替的に、光学素子はほぼ透明な芯と、ほぼ透明な芯の上に配置された反射材料と、反射材料の上に配置された絶縁体とを含んでいて、溶射された材料が絶縁体の上に配置されている。上述の態様に関して更に、絶縁体は粉体コーティングされたポリマーを含んでいてよい。
【００１０】
しかし、当業者は本明細書の記述を容易に他の実施形態および用途に適合させることができるため、本発明の請求項は開示する実施形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
以下の実施形態の構造および使用法は、同一参照番号が同一部材を指す添付の図面に示す明細書を精査すれば明らかになろう。
【図１】いくつかの実施形態による方法のフロー図である。
【図２Ａ】いくつかの実施形態による、光学素子の一部および導電材料の斜視図である。
【図２Ｂ】いくつかの実施形態による、光学素子の一部および導電材料の断面図である。
【図３Ａ】いくつかの実施形態による、光学素子の一部およびそれに結合された太陽電池の斜視図である。
【図３Ｂ】いくつかの実施形態による、光学素子の一部およびそれに結合された太陽電池の斜視図である。
【図４】いくつかの実施形態による方法のフロー図である。
【図５Ａ】いくつかの実施形態による透明な光学素子の斜視図である。
【図５Ｂ】いくつかの実施形態による透明な光学素子の断面図である。
【図６Ａ】いくつかの実施形態による、上部に反射材料が配置された透明な光学素子の斜視図である。
【図６Ｂ】いくつかの実施形態による、上部に反射材料が配置された透明な光学素子の断面図である。
【図７Ａ】いくつかの実施形態による、上部に電気絶縁装置が配置された光学素子の斜視図である。
【図７Ｂ】いくつかの実施形態による、上部に電気絶縁装置が配置された光学素子の断面図である。
【図８Ａ】いくつかの実施形態による、上部に導電材料が配置された光学素子の斜視図である。
【図８Ｂ】いくつかの実施形態による、上部に導電材料が配置された光学素子の断面図である。
【図９】いくつかの実施形態による光学素子および太陽電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の説明は、当業者ならば誰でも記述されている実施形態を形成および使用できるように提供し、いくつかの実施形態を実行するために考えられる最良の形態を開示するものである。しかし、当業者には各種の変更が容易に行なえることは明らかであろう。
【実施例１】
【００１３】
図１は、いくつかの実施形態によるプロセス１００のフロー図である。プロセス１００は、機械、ハードウェア、ソフトウェアおよび手操作の任意の組合せにより実行できる。
【００１４】
最初に、Ｓ１１０において光学素子の上に第１の材料を溶射する。第１の材料は、溶射が可能な任意の材料を含んでいてよい。第１の材料の溶射には、粉体を溶融状態まで加熱して、溶融粉体を光学素子の上に溶射するステップを含んでいる。溶融粉体は次いで、光学素子の上で冷却されて材料の固体層を生成する。いくつかの実施形態において、光学素子の上に溶融粉体を溶射する前にステンシルを光学素子に適用してもよい。第１の材料は従って、ステンシルにより画定されるパターンで堆積される。
【００１５】
第１の材料が金属である場合、熱溶射は公知のツインワイヤアーク処理を用いて実行することができる。第１の材料が金属またはセラミックである場合、Ｓ１１０においてプラズマスプレー技術は用いてもよい。更に、第１の材料がポリマー（例：ポリエステル、エポキシ、ポリウレタン等）である場合、第１の材料はＳ１１０で光学素子の上に塗布された粉体であってよい。従って熱溶射という用語は、少なくともツインワイヤアーク処理、プラズマ溶射（例：熱、冷、支援）、および粉体コーティングを包含している。
【００１６】
光学素子への第１の材料の熱溶射は、光学素子の上に既に堆積されている他の材料（群）の上に第１の材料を溶射するステップを含んでいてよい。いくつかの実施形態によれば、光学素子は、光の所望の波長を操作および／または透過させるべく構成されていてよい。光学素子は、任意の数の異種材料および／または素子（例：レンズ、反射面および光学的に透明な部分）を含んでいてよい。
【００１７】
図２Ａは、いくつかの実施形態による装置２００の斜視図であり、図２Ｂは図２Ａに示す装置２００の断面図である。装置２００は光学素子２２０、およびＳ１１０のいくつかの実施形態によりその上に溶射された導電材料２１０を含んでいる。図２Ａ、２Ｂは、装置２００が任意の適切な形状または大きさであってよいことを示すため、装置２００の一部のみを示す。
【００１８】
導電材料２１０は、銅、金およびニッケルを含んでいるがこれに限定されない、現在公知の、または将来公知になる１個以上の導体の任意の組合せを含んでいてよい。光学素子２２０の上の材料２１０の厚さは、図２Ｂに示すように一様でなくてもよい。
【００１９】
Ｓ１２０において、太陽電池を光学素子に結合する。Ｓ１２０における結合は、既に光学素子の上に堆積された他の材料（群）に太陽電池を結合するステップを含んでいてよい。例えば、太陽電池の電気接点が光学素子の上に堆積された導電材料に結合されていてよい。そのような結合により、導電材料と太陽電池との間に電気的および機械的な相互接続を形成することができる。いくつかの実施形態において各種のフリップチップボンディング技術を用いて、光学素子の上に堆積された導電材料に太陽電池の電気接点を結合させることができる。
【００２０】
図３Ａは、いくつかの実施形態に従いＳ１２０を実行した後の装置２００の斜視図である。図３Ｂは、図３Ａに対応する断面図である。太陽電池３００のはんだバンプ３０５が導電材料２１０に結合される。はんだバンプ３０５はまた、太陽電池３００の図示しない端子に各々結合することができる。
【００２１】
太陽電池３００は、光学素子２２０から光子を受光し、それに応答して電荷担体を生成すべく太陽電池（例：ＩＩＩ−Ｖ電池、ＩＩ−ＶＩ電池等）を含んでいてよい。この点に関して、いくつかの実施形態には、太陽電池３００が光学素子２２０から光を受光できる誘電導電材料２１０を通る開口部を含んでいる。
【００２２】
図４は、いくつかの実施形態によるプロセス４００のフロー図である。プロセス４００は、機械、ハードウェア、ソフトウェアおよび手操作の任意の組合せにより実行することができる。
【００２３】
プロセス４００はＳ４１０から始まり、光学素子を形成する。光学素子は任意の適切な材料または材料の組合せで構成されていてよい。光学素子は、現在公知の、または将来公知になる装置およびシステムの任意の組合せを用いて形成することができる。
【００２４】
図５Ａはいくつかの実施形態に従いＳ４１０で形成された光学素子５００の斜視図であり、図５Ｂは素子５００の断面図である。光学素子５００は、Ｓ４１０において公知の方法を用いて低鉄ガラスから鋳造することができる。あるいは、別々の部分を接着または別途互いに結合させて素子５００を形成することができる。光学素子５００は、いくつかの実施形態による太陽集光器の素子を含んでいてよい。
【００２５】
素子５００は、凸面５１０、台座５２０、および凹面５３０を含んでいる。いくつかの実施形態による動作を行なう間の素子５００の各部分の目的は以下の説明から明らかになろう。
【００２６】
Ｓ４２０において光学素子の上に反射材料を堆積させる。反射材料は、１個以上の鏡面を形成することを目的としていてよい。反射光の波長、反射材料の光学素子への接着、およびコスト（但しこれに限定されない）を考慮しながら任意の適当な反射材料を用いてよい。いくつかの実施形態において、反射材料は、ミラーコーティング、誘電強化コーティング、および／または保護目的の誘電またはポリマー塗装コーティングを含んでいてよい。反射材料は、スパッタリングその他の物理蒸着、液相堆積等により堆積させることができる。
【００２７】
図６Ａ、６Ｂに、Ｓ４２０のいくつかの実施形態を実行した後の光学素子５００の斜視図および断面図を各々示す。反射材料５４０は、凸面５１０および凹面５３０の上に堆積されている。反射材料５４０は、スパッタリングされた銀またはアルミニウムを含んでいてよい。台座５２０の垂直および水平面は、反射材料５４０がその上に堆積されないようにＳ４２０においてマスキングされていても、またはその上に堆積された反射材料５４０があればこれを除去すべく別途処理してもよい。
【００２８】
次に、Ｓ４３０において光学素子の上にポリマーを粉体コーティングする。ポリマーは電気絶縁体を含んでいてよく、粉体コーティングは現在公知の、または将来公知になる任意の方法により行なわれてよい。ポリマーは、反射材料と導電材料の間の機械的な緩衝層として機能することができる。この緩衝層はまた、溶射、浸漬または積層等の他の手段により堆積することができる。いくつかの実施形態によれば、Ｓ４３０において任意の誘電体、ポリエステル、エポキシおよびポリウレタン等、他の適当な絶縁体が光学素子の上に粉体コーティングされる。
【００２９】
図７Ａ、７ＢにＳ４３０のいくつかの実施形態を示す。ポリマー５５０は、凸面５１０の上、より具体的には反射材料５４０の上に堆積されている。Ｓ６１５は、ポリマー５５０が台座５２０の垂直および水平面上に堆積されないように実行することができる。図に示す実施形態によれば、ポリマー５５０は凹面５３０の上（すなわち凹面５３０の上に堆積された反射材料５４０の上）には堆積されない。
【００３０】
プロセス４００に戻り、Ｓ４４０において光学素子の上にステンシルを配置し、Ｓ４５０においてステンシルおよび光学素子の上に溶融金属粉を溶射する。ステンシルは、機械的な、硬い、または柔らかい工具を含んでいてよい。ステンシルは、溶融金属粉を受容しない、先に堆積されているポリマー部分を覆うことができる。溶融金属粉は、一種類以上の金属（例：ニッケル、銅）の任意の組合せを含んでいてよい。
【００３１】
図８Ａはいくつかの実施形態に従いＳ４５０を実行した後の光学素子５００の断面図であり、図８Ｂは斜視図である。導電材料５６０は、台座５２０および絶縁体５５０の一部を覆う。Ｓ４５０において導電材料５７０もまた溶射されて絶縁体５５０の一部を覆う。Ｓ４４０において導電材料５６０と導電材料５７０間の図に示す隙間の形状にステンシルが配置されている。この隙間により、導電材料５６０と導電材料５７０の間の電気絶縁が容易になる。
【００３２】
開口部５６５は、素子５００に入射する光の出射ウインドウを含んでいてよい。Ｓ４４０で配置されたステンシルもまた開口部５６５を画定することができる。そのようなステンシルは、機械的、液体または固体マスクを含んでいて、Ｓ４５０の後で除去（すなわち、剥離または分解）することができる。
【００３３】
導電材料５６０、５７０は素子５００の上方へ一様な高さまで延びているように見えるが、この高さは一様でなくてもよい。導電材料５６０、５７０は、素子５００に結合された光（太陽）電池により生じた電流の導電路を形成することができる。導電材料５６０および導電材料５７０はまた、米国特許出願公開第２００６／０２３１１３３号に記述されているように、太陽集光器配列内の隣接する太陽集光器の太陽電池を電気的に結合することができる。
【００３４】
Ｓ４６０において太陽電池の電気接点を光学素子の上に溶射された金属に結合する。電気接点ははんだバンプを含んでいてよく、ボンディングパッドの各種の層のような任意の数の中間的な導電素子を用いて電気接点を露出部分に結合してもよい。電気接点の金属への結合は、現在公知の、または将来公知になる任意のフリップチップボンディング技術を含んでいてよい。例えば、電気接点はピックアンドプレース機械を用いて金属の上に配置することができ、光学素子および太陽電池をリフロー炉に配置して電気接点を溶解し、その後冷却することができる。
【００３５】
図９に、導電材料５６０に結合された太陽電池９００のはんだバンプ９１０を示す。太陽電池９００のウインドウ９２０は太陽電池９００の光活性領域を覆う。従って、いくつかの実施形態においてはんだバンプ９１０は、光活性領域が開口部５６５に整列するように導電材料５６０に結合されている。
【００３６】
図９の装置５００は一般に、上述の米国特許出願公開第２００６／０２３１１３３号の記述に従って動作することができる。図９を参照するに、太陽光線は表面５９８に入射し、凸面５１０に配置された反射材料５４０により反射される。光線は、凹面５３０上の反射材料５４０へ向けて反射され、その後、開口部５６５へ向けて反射される。反射された光線は、開口部５６５を透過して、太陽電池９００のウインドウ９２０により受光される。光学分野の当業者には、１個以上の他の表面形状の組合せを用いて太陽光線を太陽電池に集光できることが認識されよう。
【００３７】
太陽電池９００は、表面５９８で受光された光子エネルギーの相当な部分を受容し、受光した光子エネルギーに応答して電流を発生させる。電流は、導電材料５６０および導電材料５７０を通じて外部回路（および／または同様の直列結合された装置）を透過することができる。この点に関して、太陽電池９００はまた、導電材料５７０と電気的に結合された電気接点を含んでいてよい。そのような接点は、はんだバンプ９１０が結合されている接点の極性とは逆の極性を示す。
【００３８】
本明細書に記述したいくつかの実施形態は単に例示を目的としている。これらの実施形態には、本明細書に記述した素子の現在公知または今後公知となるバージョンが含まれている。従って、当業者は本明細書の記述から、各種の変型および変更により他の実施形態も実装可能であることが認識されよう。
【符号の説明】
【００３９】
２００  装置、２１０  導電材料、２２０  光学素子、３００  太陽電池、３０５  はんだバンプ、５００  光学素子、５１０  凸面、５２０  台座、５３０  凹面、５４０  反射材料、５５０  ポリマー、５６０，５７０  導電材料、５６５  開口部、５９８  表面、９００  太陽電池、９１０  はんだバンプ、９２０  ウインドウ。
【図１】
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【図２Ａ】
2010518255.tif 000004
【図２Ｂ】
2010518255.tif 000005
【図３Ａ】
2010518255.tif 000006
【図３Ｂ】
2010518255.tif 000007
【図４】
2010518255.tif 000008
【図５Ａ】
2010518255.tif 000009
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
2010518255.tif 000011
【図６Ｂ】
2010518255.tif 000012
【図７Ａ】
2010518255.tif 000013
【図７Ｂ】
2010518255.tif 000014
【図８Ａ】
2010518255.tif 000015
【図８Ｂ】
2010518255.tif 000016
【図９】
2010518255.tif 000017
【国際調査報告】
2010518255.tif 000018