专利名称：光电能量转换装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种光电能量转换装置，并且特别是关于一种具有半导体开关的光 电能量转换装置。
背景技术：
随着半导体光电特性的研究，目前市面上已有具经济效益的太阳能电池，其主要 利用太阳光照射PN接面半导体以激发出可移动的电子及空穴，并且电子及空穴在其内建 电场的影响下，对外可产生一电动势(electromotive force)。当该PN接面半导体连接一 负载形成回路时，该电动势即可对该负载作用。然而单一 PN接面半导体所能提供的电动势仅零点几个伏特，因此于实作上，常将 多个PN接面半导体串联以获取较高的电动势。但事实上每个PN接面半导体的寿命并不尽 然相同，尤其是实际使用环境的不同，其寿命的差异性更有可能变大，使得有可能仅其中一 个PN接面半导体损坏而致整个串联电路无法使用的情形发生。前述因其中一个元件损坏而无法使用的现象，不仅造成其它大部分可用元件沦为 废品，浪费资源，十分不环保，也使得其因此仍无法成为稳定电源，迄今多仅能作为辅助电 池供应的角色。因此，在太阳能电池的效率节节提升的今天，太阳能电池将逐渐成为具经济效益 的电源装置，实在有需要改善电路设计以避免前述资浪费的现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电能量转换装置，该光电能量转换装置具有旁路设 计，利用半导体开关使其于光电能量转换模块损坏时，仍能对外形成通路，进一步于多个光 电能量转换装置串联使用的情形下，整个串联电路能确保保持导通。本发明的光电能量转换装置包含一光电能量转换模块及一半导体开关。该光电能 量转换模块包含一光电能量转换半导体结构、一第一正电极及一第一负电极，其中当光线 照射该光转电半导体结构时，该正电极相对于该负电极间产生一电动势。该半导体开关包 含一第二正电极及一第二负电极，该第二正电极与该第一负电极电连接，该第二负电极与 该第一正电极电连接，其中于该光电能量转换半导体结构运作中，该电动势对该半导体开 关元件施加一反向偏压(reverse bias)使得该该半导体开关元件呈一关闭(cut off)状 态。其中该光电能量转换半导体结构可为一太阳能电池半导体结构或其它具有光伏 效应(photovoltaic effect)的材料制成的结构，该半导体开关可为一二极管、一双极晶体管或一场效应晶体管等等。本发明利用该半导体开关与该光电能量转换模块并联形成旁路。当该光电能量转 换模块正常工作时，该光电能量转换模块对该半导体开关产生反向偏压以使该半导体开关 关闭；当该光电能量转换模块损坏或因故未能正常工作而呈现断路时，该半导体开关可因其它串联的光电能量转换装置所提供的正向偏压(forward bias)而呈现开启状态，进而使 得该光电能量转换装置仍能导通。因此，整个串联电路仍能正常工作，不致因单一光电能量 转换模块损坏或因故未能正常工作时而需整个弃置或停下来维修。
关于本发明的优点与精神可以通过以下配合附图对本发明较佳实施例的详述得 到进一步的了解，其中图1是绘示根据本发明的一具体实施例的光电能量转换装置的功能方块图。图2是绘示基于图1的功能方块图的电路图。图3是绘示以多个光电能量转换装置串联的实施例的电路图。图4A及图4B是绘示使用不同半导体开关的光电能量转换装置的电路图。图5是绘示根据该具体实施例的光电能量转换装置的示意图。图6A是绘示光电能量转换装置沿图5中X-X线的剖面图。图6B是绘示根据另一具体实施例的光电能量转换装置的剖面图。图6C是绘示根据另一具体实施例的光电能量转换装置的剖面图。图7是绘示根据另一具体实施例的光电能量转换装置的剖面示意图。图8是绘示根据另一具体实施例的光电能量转换装置的剖面示意图。图9是绘示根据另一具体实施例的整合多个本发明的光电能量转换装置的示意 图。
具体实施例方式请参阅图1。图1是绘示根据本发明的一具体实施例的光电能量转换装置1的功 能方块图。光电能量转换装置1主要包含光电能量转换模块12及与光电能量转换模块12 并联的半导体开关14。光电能量转换模块12具有第一正电极1 及第一负电极12b。半导 体开关14具有第二正电极Ha及第二负电极14b，其中第二正电极1 与第一负电极12b 电连接，第二负电极14b与第一正电极12a电连接。于实际应用上，光电能量转换装置1通 常另以第三正电极16a及第三负电极16b作为与外界的电连接接口，其中第三正电极16a 与第一正电极12a电连接，第三负电极16b与第一负电极12b电连接。光电能量转换模块12包含光电能量转换半导体结构122 (请参阅图2)，用以将 光能转换成电能，通过第一正电极1 及第一负电极12b对外提供电源。于实作上，该光 电能量转换半导体结构可为太阳能电池半导体结构或其它具有光伏效应的材料制成的结 构；半导体开关14可为二极管、双极晶体管或场效应晶体管，例如萧特基二极管(khottky diode)。但本发明不以此为限。请并参阅图2，图2是绘示基于图1的功能方块图的电路图。当光电能量转换半导 体结构122(例如太阳能电池)运作(产生电动势)时，第一正电极1 与第一负电极12b 间产生正电压，使得与光电能量转换模块12并联的半导体开关14(例如二极管或萧特基二 极管)受到反向偏压而呈关闭状态。因此，当光电能量转换装置1对外输出功率时，其电 流将直接流经第三负电极16b、第一负电极12b、光电能量转换半导体结构122、第一正电极 12a及第三正电极16a，而半导体开关14因呈关闭状态而无电流流经。
反之，当光电能量转换半导体结构122因某些原因而无法正常运作以产生电动势 时(例如烧毁、因遮蔽或环境光不足而未能吸收足够光线)，第三负电极16b、第二正电极 14a、半导体开关14、第二负电极14b、第三正电极16a形成的电流路径则可有条件地形成通 路。以图3为例，图3是绘示以多个光电能量转换装置1串联的实施例的电路图。当 中间的光电能量转换半导体结构122无法正常运作，而左右两个光电能量转换半导体结构 122仍能正常运作时，则对外输出功率的电流路径如图中带箭头的虚线所示，因左右两个光 电能量转换装置1可对中间的光电能量转换装置1的半导体开关14形成正向偏压，故电流 路径仍可通过此半导体开关14流通中间的光电能量转换装置1，进而保持此串联的光电能 量转换装置1对外输出功率。简而言之，通过此旁路设计，本发明的光电能量转换装置纵使于其光电能量转换 半导体结构失效时，仍能对外保持有条件的通路状态。于串联多个本发明的光电能量转换 装置的应用中，更能突显本发明的功效，因仅单一或少数个光电能量转换装置失效时，整个 串联装置仍能正常运作且无需替换任何部件。补充说明的是，前述半导体开关14亦可视使 用设计而替换为双极晶体管或场效应晶体管，例如图4A及图4B。另外，光电能量转换半导 体结构本身得为实体上多个太阳能电池半导体结构(串联或并联)排列所组成。请参阅图5。图5是绘示根据该具体实施例的光电能量转换装置1的示意图。光 电能量转换装置1以基座16承载光电能量转换模块12 (未显示于图5中)、半导体开关14 及保护光电能量转换模块12的透明盖18等等。基座16本身是一多层结构，除可较轻易地 形凹陷结构外，亦能针对不同区域使用不同的材质，例如基座16下半部因光电能量转换模 块12于运作中产生高热故有耐热的需求，而上半部则可使用其它材质以降低成本或增加 基座16结构设计弹性。请并参阅图6A。图6A是绘示光电能量转换装置1沿图5中X-X线的剖面图。根 据该具体实施例，光电能量转换模块12包含基板124，光电能量转换半导体结构122则直接 形成于基板1 的上部；当然，光电能量转换半导体结构122亦得为独立的太阳能芯片而设 置于基板124上，如图6B所示，其中基板IM可为一硅基板、一陶瓷基板、一印刷电路板或 一金属基板。基座16由四层板状物组成，其中由上而下第三层板状物其上布有线路，以做 为各电极(极)间的连接，故第三层板状物可直接以印刷电路板制作，以便于电路布局。其 它层的板状物的材质可视实际产生设计而定，且基座16亦得为一体成型，例如一硅基座、 一低温共烧陶瓷基座或一印刷电路板。基座16利用多层板状物轻易地形成凹陷部164，此凹陷部164形成于基座16的第 一表面162 (底面)，基座16并且形成通孔166贯穿凹陷部164的底部16 及与第一表面 162相对的第二表面168。光电能量转换模块12(或是基板124)容置于凹陷部164中，光 电能量转换半导体结构122则能出于通孔166中。补充说明的是，本发明的基座16不以具有凹陷部166及透明盖18为必要。光电 能量转换模块12可直接置于基座16上，另以封胶20密封光电能量转换模块12，则无需使 用透明盖18而仍能达到保护功能，如图6C所示(未绘示半导体开关14)。当然，于图6C所 示的结构，仍可设置透明盖18加强保护功效。若透明盖18以正透镜取代，则兼具保护及聚 光功能。另外，基座16需具有电路连接功能，例如直接以印刷电路板或软性电路板作为基座16，则可直接在基座16上蚀刻出所需线路，或是在其它非导电板上披覆线路，抑或以软 性电路板贴于其它板材上(金属导体亦可)成形复合基板。此外，由于基座16与光电能量 转换模块12接属的部分可能需承受较高的温度而不受影响，因此此部分可使用耐高温且 膨胀系数较低的材质，以提供较稳定的基板结构(例如硅基座、低温共烧陶瓷基座)。请参阅图7。图7是绘示根据另一具体实施例的光电能量转换装置1'的剖面示 意图，其中热导管22未剖。图7的光电能量转换装置1'除了前述图6A所示的光电能量 转换装置1并进一步包含散热组件，此散热组包含热导管22及围绕于热导管22周围的多 个散热鳍片24。热导管22的一端包含平坦面22a，光电能量转换模块12 (或其基板124) 设置于平坦面2 上。为增加光电能量转换模块12与热导管22衔接的稳定性，另以固定 座26连接热导管22的该端，基座16则以螺丝或其它方式固定于固定座沈上；另为增加光 电能量转换模块12 (或其基板124)与平坦面22a的热传导效率(亦即降低热阻)，于基板 1 与平坦面22a之间填充导热相变材料沘(thermal phase change material)，以减少基 板1 与平坦面2 之间的气室，进而增加热传导效率。于另一实施例中，光电能量转换半 导体结构可以是太阳能芯片直接与热导管以导热相变材料黏接(或是光电能量转换半导 体结构设置于一承载板上而承载板设置于前述基座的凹陷部)，使光电能量转换半导体结 构产生的热量可以通过热导管与多个散热鳍片散逸置空气中。请参阅图8。图8是绘示根据另一具体实施例的光电能量转换装置的剖面示意图。 与图7的光电能量转换装置1 ‘不同之处在于，图8的光电能量转换装置进一步包含集光元 件，用以汇集光线于生电转换半导体结构122上。图8所示的集光元件包含集光杯30，设置 于基座16上。集光杯30的内表面30a可涂布反光材料，以增加光线汇集效果；集光杯30 的外表面30b可涂布绝热材料，以减少集光杯30内侧或集光杯本身吸收的热传导至集光杯 30外侧而影响其它元件，尤其是电子元件。另外，图8的剖面图并未绘示出半导体开关14，此是因半导体开关14被集光杯30 遮住；换句话说，光电能量转换半导体结构122则位于集光杯30的内侧，而半导体开关14 位于集光杯30的外侧，对于光电能量转换半导体结构122于运作中产生的热或是反射自光 电能量转换半导体结构122的光线(尤其是光电能量转换半导体结构122上设有透明盖18 时)不致直接传导或照射至半导体开关14，亦即集光杯30具有隔热效果。此外，为增加光 线汇集效果，集光元件可于集光杯30的杯口处加正透镜32(以虚线绘示出其位置)；当然， 此正透镜32亦可单独设置，不以与集光杯30同时设置为必要，但需考量正透镜32的支撑， 例如以数个支架支撑即可。值得一提的是，正由于使用集光杯30，甚至加上正透镜32，光电能量转换半导体 结构122于运作中产生的热量相当惊人，光电能量转换半导体结构122难以避免时有被烧 毁的可能，因此本发明的旁路设计(半导体开关)更具实益。同时，半导体开关14也是电 子元件易受温度影响，故为保持其它电子元件(包含半导体开关14)的工作正常，集光杯30 的隔热效果也是重要因素。请参阅图9。图9是绘示根据另一具体实施例的整合多个本发明的光电能量转换 装置1"的示意图，其中光电能量转换装置1"于壳体34中的部分以虚线择一绘示。图9 以壳体34 (或是以支架取代)整合(容置)多个光电能量转换装置1"，主要利用固定光电 能量转换装置1"的集光元件(的集光杯30)来达到机构尺寸整合的目的，另以串联(及并7联)该等光电能量转换装置1 “来达到电性整合的目的。于串联结构中，易因其中一个单元 的太阳能电池故障而致整个串联结构失效的情形，因本发明的光电能量转换装置采用旁路 设计，纵使某单元的光电能量转换半导体结构故障，整个串联结构仍是通路，其作动机制已 如前述，在此不再赘述。此外，图9的光电能量转换装置1"与图8的光电能量转换装置相似，但不同的处 主要在于散热鳍片是沿热导管22的轴向延伸，而图8 (或图7)所示的散热鳍片对则 沿热导管22的径向延伸。另外图9的集光杯30虽呈矩形，但本发明不以此为限；若配合一 般正透镜圆形设计，集光杯30亦得呈圆形以方便衔接正透镜。通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神， 而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希 望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
权利要求
1.一种光电能量转换装置，包含一光电能量转换模块，包含一光电能量转换半导体结构、一第一正电极及一第一负电 极，其中当光线照射该光转电半导体结构时，该正电极相对于该负电极间产生一电动势；一半导体开关，包含一第二正电极及一第二负电极，该第二正电极与该第一负电极电 连接，该第二负电极与该第一正电极电连接，其中于该光电能量转换半导体结构运作中，该 电动势对该半导体开关元件施加一反向偏压使得该该半导体开关元件呈一关闭状态；以及一基座，以承载该光电能量转换模块及该半导体开关，该基座包含一第三正电极及 一第三负电极，该第三正电极与该第一正电极电连接，该第三负电极与该第一负电极电连 接；其中该基座具有一第一表面、与该第一表面相对的一第二表面，一凹陷部形成于该第 一表面，一通孔贯穿该凹陷部的底部及该第二表面，该光电能量转换模块容置于该凹陷部 中致使该光电能量转换半导体结构朝向第二表面并露出于该通孔。
2.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其特征在于，该光电能量转换半导体结 构是一太阳能电池半导体结构。
3.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其特征在于，该半导体开关是一二极管、 一双极晶体管或一场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其特征在于，该半导体开关是一萧特基 二极管。
5.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其特征在于，进一步包含一散热组件，该 散热组件包含一热导管及围绕于该热导管的多个散热鳍片，该热导管包含一平坦面，该基 座设置于该平坦面上。
6.根据权利要求5所述的光电能量转换装置，其特征在于，该光电能量转换半导体结 构与该热导管的该平坦面以一导热相变材料黏接。
7.根据权利要求5所述的光电能量转换装置，其特征在于，该基座为一硅基座、一低温 共烧陶瓷基座或一印刷电路板。
8.根据权利要求1所述的光电能量转换装置，其特征在于，进一步包含一集光元件，该 集光元件设置于该基座上，用以汇集光线于该光电能量转换半导体结构上。
9.根据权利要求8所述的光电能量转换装置，其特征在于，该集光元件包含一集光杯， 该光电能量转换半导体结构位于该集光杯的内侧，该半导体开关位于该集光杯的外侧。
10.根据权利要求9所述的光电能量转换装置，其特征在于，该集光杯的外表面涂布一 绝热材料。
11.根据权利要求10所述的光电能量转换装置，其特征在于，该集光元件包含一正透^Ml O
12.一种光电能量转换装置，包含一光电能量转换模块，包含一光电能量转换半导体结构、一第一正电极及一第一负电 极，其中当光线照射该光转电半导体结构时，该正电极相对于该负电极间产生一电动势，其 中该光电能量转换模块包含一基板，该光电能量转换半导体结构设置于该基板上；一半导体开关，包含一第二正电极及一第二负电极，该第二正电极与该第一负电极电 连接，该第二负电极与该第一正电极电连接，其中于该光电能量转换半导体结构运作中，该电动势对该半导体开关元件施加一反向偏压使得该该半导体开关元件呈一关闭状态；以及 一散热组件，该散热组件包含一热导管及围绕于该热导管的多个散热鳍片，该热导管 包含一平坦面，该基板设置于该平坦面上。
13.根据权利要求12所述的光电能量转换装置，其特征在于，该基板为一硅基板、一陶 瓷基板、一印刷电路板或一金属基板。
14.根据权利要求12所述的光电能量转换装置，其特征在于，该半导体开关设置于该 基板上。
15.根据权利要求12所述的光电能量转换装置，其特征在于，进一步包含一导热相变 材料，设置于该基板与该热导管的该平坦面之间。
16.根据权利要求12所述的光电能量转换装置，其特征在于，进一步包含一集光元件， 该集光元件设置于该基板上，用以汇集光线于该光电能量转换半导体结构上。
17.根据权利要求16所述的光电能量转换装置，其特征在于，该集光元件包含一集光 杯，该光电能量转换半导体结构位于该集光杯的内侧，该半导体开关位于该集光杯的外侧。
18.根据权利要求17所述的光电能量转换装置，其特征在于，该集光杯的外表面涂布 一绝热材料。
19.根据权利要求18所述的光电能量转换装置，其特征在于，该集光元件包含一正透镜。
全文摘要
本发明揭露一种光电能量转换装置，包含一光电能量转换模块及一半导体开关。该光电能量转换模块包含一光电能量转换半导体结构、一第一正电极及一第一负电极。该半导体开关元件包含一第二正电极及一第二负电极，该第二正电极与该第一负电极电连接，该第二负电极与该第一正电极电连接。当光线照射该光转电半导体结构时，该第一正电极相对于该第一负电极间产生一电动势，对该半导体开关元件施加一反向偏压使得该该半导体开关元件呈一关闭状态。藉此，当串联使用该光电能量转换装置时，纵使其中一个或多个光电能量转换装置损坏，仍能保持整个串联电路导通。
文档编号H01L31/0232GK102044536SQ20091020806
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者彭韵琳, 林俊仁, 温纬业, 陈振贤 申请人:新灯源科技有限公司