全譜電磁能系統的製作方法

2023-04-25 16:15:56

對相關申請的引用：本申請要求2014年5月22日提交的序列號為62/002,122的美國臨時專利申請、以及2014年7月14日提交的序列號為62/024,305的美國臨時專利申請的優先權和權益，該每個申請的內容將通過引用結合到本申請中。本發明涉及用於從電磁輻射捕獲能量並提供該能量用於消耗的方法和設備。

背景技術：

主要但過時的獲取能源的方法造成了人類的痛苦。當人們想駕駛汽車，晚上閱讀，或為工廠供電，為這種需求供應能源的主流方式是從地球獲取某種形式的減少的碳和燃燒它。由於碳氫化合物，如石油和煤炭分布不均勻，這種做法導致地緣政治不穩定和暴力。由於碳氫化合物供應有限，如果沒有找到替代品，那些緊張局勢將加劇。即使這些地緣政治緊張局勢可以解決，基本能源供應範式的前提是單向化學計量，其中碳氫化合物燃燒產生二氧化碳。根據美國環境保護局的報告，每年有超過9萬億噸的碳被釋放到大氣中。

替代能源如太陽能可能會有所幫助，如果這些能源能夠滿足需求。 雖然光伏（photovoltaic，PV）太陽能發電行業的收入每年接近1000億美元，但光伏技術需要最好慢慢償還的巨額資本投資。現有的PV電池被部署為每平方米最多產生約0.200kW的材料的平板。在陽光充足的一天，只要太陽照耀一塊牌桌大小的太陽能電池可以保持六個燈泡點亮。對於PV電池的一些背景技術，參見郝林（Hering）的美國授權專利號8,093,492和奧塔巴斯（Ortabasi）的美國授權專利6,689,949。

技術實現要素：

本發明提供了一種從電磁輻射（electromagnetic radiation，EMR）捕獲能量並且可以將該能量提供為電的電池。該電池從比傳統系統更寬的EMR譜捕獲能量，即從紫外延伸到超過紅外的EV範圍。電池包括在空間的三個維度上與EMR相互作用的材料的組合物，利用了所洞察到的EMR在三個獨立維度上消耗能量，該三個獨立維度——由磁場B的變化方向限定的第一維度，變化的電場E的第二維度，第三維度是EMR的傳播方向。通過使用內反射器，電池在內部捕獲EMR。通過使用3D介質，電池最大化了其與EMR的潛在相互作用和從EMR捕獲能量的潛力。電池包括以多個帶隙為特徵的材料的組合物。來自寬電磁譜的內部EMR將這些材料的電子從價帶激發到導帶，可以使用所包括的電極收穫電子形成電流。

通過包括具有吸收性表面和稜鏡聚焦的彎曲的上表面幾何形狀，電池在每天的大持續時間內捕獲EMR能量，甚至事實上，當它不嚴格地說是日光時，電池捕獲所有形式的光，間接的、反射的、漫射的、折射的和稜鏡光。通過所描述的特徵和現象，本發明的電池使可從中捕獲能量的EMR譜最大化，並使捕獲能量的效率以及每天捕獲的持續時間最大化。至少因為那些原因，本發明的電池表現出非常高的效率，並且事實上可以提供至少約每立方米2.9kWh的功率或更高。

由於本發明的電池提供的高效率和功率生產，可以滿足人們對能量的需求，而不產生化學計量的二氧化碳量，並且不會加劇圍繞不均勻分布的烴燃料的地緣政治壓力。因此，本發明的系統和方法提供了用於滿足全球能量需求的工具，而不會堆積在人的痛苦上。使用本發明的系統和方法，人們可以在晚上閱讀，旅行，經營他們的業務，並且以令人愉快和可持續的方式繼續他們的生活。

尊敬地提出，通過二維（歐幾裡德（Euclidean））方法來解決光伏太陽能發電問題的模塊化技術已受到限制，這已阻礙了整個可用能量的電磁譜的利用。簡而言之，使用x和y軸來定義能量的PV太陽能收集的界限和邊界具有本質上的局限。

因此，本發明的目的是提供利用密集填充（帶狀技術）（dense packing (ribbon technology)）的方法、系統和過程，其促進大的Kw/hr和每平方米的最大能量收穫。

簡要說明，在三維、在層中收集的電磁（electro-magnetic，EM）能量允許具有優化的帶隙結構的多個平面有效運作，由此集成的多樣的和重疊的三維電磁膜允許系統在整個電磁頻譜收集能量，並且允許利用直接和間接光的本系統被利用。

本發明的方面提供了一種電磁能捕獲電池，其包括具有上表面層和下表面層的材料體。所述上表面層接收進入材料的電磁輻射（EMR），所述上表面層和下表面層將內部（EMR）反射回材料中，並且所述材料基本上跨越所述上表面和下表面之間的三維空間，使得所述內部EMR在所述三維空間與所述材料相互作用。所述材料的組成定義多個帶隙，使得可見光譜之外的內部EMR的波長將電子從價帶激發到導帶。

所述電池包括與所述材料接觸的至少一個電極。在優選實施例中，所述下表面層定義一在所述材料內具有一焦點的拋物面。所述上表面層可以是彎曲的，以使得，例如當電池在無雲日放置在室外時，從日出到日落的直射陽光定義了所述彎曲表面的法線。所述材料可以包括多個膜，所述多個膜包括多個半導體。優選地，所述膜定義一種非平面幾何形狀。所述膜可以通過使用氬氣的方法形成，使得所述膜耐分層（delamination）。技術人員理解涉及厚/薄術語的語義是歷史的產物，而不是技術上的區別。

所述電池還可以包括與所述材料接觸並定義第一電觸點和第二電觸點的第一電極和第二電極，所述第一電觸點和第二電觸點可從電池的外部接近。將所述上表面暴露於包括紅外波長的EMR，這在第一電觸點和第二電觸點之間產生電壓。

根據實施例，所述電池將廣譜的EMR轉換為電，所述EMR包括紫外線穿過和超過紅外的形式。所述電池可操作地使用UV（紫外線）、可見和不可見的EMR產生電力。本發明的電池覆蓋200-5000EV的光譜。可以發現，所述上表面暴露於EMR產生至少2kW/m3。

在某些實施例中，一個電池包括傾斜的鍍銀頂（silvered-apical）稜鏡以吸收間接EM輻射能量。所述電池可包括多個EM氬膜，所述多個EM氬膜可以是透明的、穩定的，並且能夠吸收200ev到5000ev的能量。優選地，成角度的鍍銀頂稜鏡吸收間接EM輻射能量。所述電池可以吸收總EMR譜，只有小於10％的EMR被折射。稜鏡聚焦可以將表面積增加兩倍。

所述電池可以包括組件，所述組件包括一個或多個內部鏡面拋物面反射器。所述電池可以包括雙拋物面反射基底（例如，以促進EMR的光子的內部反射和多次通過所述材料）。所述電池還可包括分解EMR並增加吸收的內襯，其通過充當允許輻射進入但抑制其離開的半透膜來分解EMR並增加吸收的內襯。在一些實施例中，內部EMR的任何給定光子與電子相互作用至少7次。在某些實施例中，內部EMR的光子平均與電子相互作用超過30次。所述電池可以包括在所述底表面處的拋物鏡面表面，其迫使EMR返回穿過所述材料，使得EMR的光子平均穿過所述材料至少7次，並且至少一些EMR光子穿過所述材料至少37次。

通過前述特徵，化學性質和結構，本發明的電池從自紫外到超紅外的EMR的完整光譜收集能量。

附圖說明

圖1示出了本發明的電池101。

圖2A-2C示出了電池101的芯構件 201。

圖3示出了電池101的端構件301。

圖4A-4C示出了根據本發明教導的示例性外部裝配硬體部分401的視圖。

圖5A-5C示出了根據本發明教導的示例性外部底座組件硬體部分501的視圖。

圖6A-6C示出了本發明電池的端構件601。

圖7示出了圖形描述的本發明的效率。

圖8A給出了花瓣實施例的透視圖。

圖8B給出了花瓣實施例的側視圖。

圖8C給出了花瓣實施例的頂視圖。

圖8D是圖8C的AA線剖視圖。

圖9是一個示出了根據本發明教導的實施例中增加的捕獲如何被驅動的算法。

圖10是根據用於優化從電磁光譜收穫能量的過程的步驟示意流程圖。

圖11示意性地示出了如通過本教導所證明的用於多次通過電池的材料的內部EMR的再循環。

具體實施方式

本文所示的是一種電磁能捕獲電池，其包括具有上表面和下表面的材料體。該材料可以包含玻璃或者其他這樣的材料具有一種內部化學形態可展現所列舉的性質。至少該下表面可以提供如所述的拋物面聚焦功能。優選地，電池具有可接收電磁輻射（electromagnetic radiation，EMR）到材料中的上表面，上表面和下表面將內部（EMR）反射回該材料中，並且該材料基本上跨越上表面和下表面之間的三維空間使得內部EMR在該三維空間中與該材料相互作用。例如根據本發明方法製備（例如，通過氬淨化工藝製備）的，一種膜形式的所述材料的組合物，限定了多個帶隙，使得在可見光譜之外的內部EMR的波長從電子帶激發電子到導帶。該電池具有重疊構造的內部結構或幾何形狀，即，一種帶狀技術或布局能量密度，其產生比本文數據所示的常規PV陣列更多的功率。

本發明配置了一種電磁捕獲系統，其利用這種輻射能量的整個頻譜來產生功率。

本發明所述的電磁捕獲系統（electromagnetic capture system, EM-CS）覆蓋200-5000EV（電子伏特）的較寬頻譜，而現有技術的標準PV（光伏發電）則覆蓋800-1100EV的較小範圍。 EM-CS使用更具動態的氬膜，而不是現有技術的標準薄膜。

本發明所示的電磁捕獲系統（EM-CS）是一種新技術，其捕獲和轉換廣譜的電磁輻射，包括在熱捕獲領域中的紫外穿過和超過紅外（C）形式的光。

該技術捕獲更寬範圍的電磁輻射的能力與「太陽能」不同。這種更寬的範圍加上被提高的系統效率在更長的時間段內提供更大的面板容量，這實現了更低的每瓦特成本和更大的總輸出。

增加的面板容量需要顯著減少的表面積，使得即使在空間有限和或價高的情況下也可以安裝面板。

「包含」或「捕獲」（與本發明共同使用的）技術相比當前的家用/商用/實用級安裝方式，實現顯著的成本節省，這是由於其較小的結構佔地面積和較少面板數量，需要明顯較少的佔地面積，安裝勞動和輔助設備。

EM-CS技術結合電池存儲可以作為第一個正當的「基荷」可再生能源解決方案。

適用於併網和離網系統，本系統規定了對電磁（EM）全譜能量的限制利用範圍。

根據實施例，本發明的「面板」被設計為可包含/捕獲和轉換高達2.9kW/m3的更大範圍的輻射能量，這與市場上的所有其它面板不同。因為根據本發明所述，面板利用UV、可見光和不可見光光譜。

根據實施例，本發明公開了多個EM「氬膜」（透明，穩定，並且吸收範圍達200ev至5000ev）。同樣，專有玻璃配方被設計為吸收總EM輻射光譜（具有最小限度的——6-8％的折射光，任何類型的EM輻射光譜），添加成一定角度的鍍銀頂稜鏡進一步增加吸收間接電磁（EM）輻射能量的能力。

根據實施例，雙重拋物面反射基底引導並捕獲陽光，使得系統的效率最大化。

該技術允許多達800％的更多的EM輻射，給出更多的總千瓦/天（kW/day）吸收，取決於至點和區域。

根據實施例，其內層分解電磁（EM）輻射，作為一道半透膜，增強吸收，允許輻射進入但抑制其出射。

新技術將總輻射量提高到比單獨的膜多66％。這就是為什麼這是一種EM「系統」而不僅僅是另一種如現有技術所公開的太陽能電池板。

吸收能力：直接、間接、反射、稜鏡光甚至散射能量，也同樣是其特點。

值得注意的是內部設計增加電子通量至少約7-37倍。

與傳統系統不同，傳統系統中EM面板僅使用部分EM光譜。（當前面板僅使用高達0.6kW/m2的20％的可見光譜）。

本系統由一種設計利用所有可用電磁輻射能量的系統所產生，遠遠超過一般太陽能電池板的小範圍，甚至超過UV到IR的大量可用範圍。該系統設計成吸收更大廣譜的輻射能量。

現有的太陽能電池板僅利用800至1100（nm）波長，而本教導使用寬帶技術，其利用大得多的200至5000（nm）波長。

當前的面板「反彈」陽光，而新的EM面板「捕獲」太陽的能量，和/或「包含」大得多的太陽能量的等分。

輻射旋轉設計增加其在輻射下的暴露面積，比傳統模型增加近70％。

這種設計利用陽光的角度、地球的旋轉、直線增長的時間和更大的吸收率之間的關係和以減少反射/折射光，並增加進入捕獲單元的光輻射量（斯涅爾定律）。

此外，玻璃組合物使其能夠吸收間接光。

其它相關的背景技術可以在塔科摩圖（Takamoto）於2009年5月18日到21日在美國佛羅裡達州坦帕市舉辦的CS曼坦克大會（CS MANTECH CONFERENCE）發表的多結太陽能電池的現狀和未來發展（4頁），郝林（Hering）的美國專利8,093,492，巴赫（Bach）的美國專利6,335,480，和奧塔巴斯（Ortabasi）的美國專利6,689,949中找到，其每一者以引用的方式明確地併入本文中，就如同在本文中完全闡述的一樣。

本文公開的技術涉及用於從諸如太陽的能源產生能量的系統和方法。所公開的技術的實施例被配置為能夠捕獲寬範圍的電磁能並且將該能量有效地轉換為用於各種用途的電。可以包括各種特徵以實現電磁能量的有效捕獲，從而提高太陽能發電系統的效率。例如，玻璃的獨特形狀和組成可以用於改善系統中光的進入和捕獲，拋物面或其他類似的反射器可以用於捕獲能量，例如來自各種角度的太陽（或其它來源的電磁能）的太陽能，並且可以組合具有各種不同帶隙的多層光伏材料以捕獲可見光譜內和可見光譜之外的寬譜電磁能量。

系統的早期原型包括玻璃或其他透明外殼，使用具有不同帶隙（帶隙材料）的一種或多種太陽能轉換材料（即，光伏材料）產生的能量轉換堆疊，以及反射器。反射器可以被配置為將原本可能不撞擊在外殼上的陽光（或來自太陽的其他電磁能量）重新定向到玻璃外殼，使得反射的光可以被玻璃外殼捕獲並被引向光伏材料。所公開的技術的這些和其他特徵和方面可以以各種組合被利用和組合以創建有效的能量產生系統。這些特徵的各個方面在本文中以實施例的方式來描述。在各種實施例中，用於封裝光伏材料的玻璃可以被配製成增加或最大化到達並且可以被光伏材料捕獲的電磁輻射光譜的總量。

玻璃被回火以改善其抗斷裂性，並且期望其寬的波長透射光譜。例如，在各種實施例中，回火的磷酸鹽MgF（氟化鎂）和藍寶石玻璃可以被提供，其具有在大約400至2750nm的波長上遞送大約80至90％的透射率的透射光譜。在一些實施例中，玻璃可以在約200至5000nm的光譜上實現高百分比的透射。該玻璃可以摻雜磷化學品（例如，20％或更少，但是可以使用其它摻雜百分比）以改變電磁能量的吸收以及玻璃的折射率。摻雜是為了增加玻璃的有效接收角度而進行的，使得與未摻雜的玻璃相比，來自太陽的更多能量被接受到玻璃中並且較少被反射離開玻璃的表面。

另外，玻璃外殼被規劃為，尤其包括在玻璃的外表面上的抗反射（antireflective, AR）塗層和在玻璃的內表面上的氧化物塗層。與未塗布的玻璃相比，可以添加抗反射塗層以減少外表面的反射量。內表面上的氧化物塗層可以被提供以執行各種功能。例如，可以提供氧化物塗層以分光地將光線分成其光譜組成成分。這允許入射光被分離成光譜分量，並且光譜分量從玻璃的內表面指向不同的方向。

氧化物塗層還可以用作半透膜，允許輻射進入但抑制其離開。這可以促進在首次通過材料時未被吸收和轉換的光子的再利用。通過所描述的適當的摻雜和其它特性，實施例可被應用以實現向帶隙材料輸送58.86％的撞擊在玻璃上的直接光，和向帶隙材料輸送高達30％的撞擊在玻璃的直接光。這可以實現，因為以淺角度入射在玻璃上的光可以被捕獲而不是被反射，然後可以朝向位於玻璃外殼的中心區域內的光伏帶隙材料折射。

根據本教導，可以捕獲以淺角度照射在玻璃上的光，而不是反射。在圖2中示出了其簡單示例，其中淺角度的入射光線被光伏能量轉換材料的堆疊接受並折射。玻璃外殼的形狀對於提高系統的效率和提高可以由系統捕獲的電磁譜的範圍是重要的。該形狀不限於圖中所示的形狀。可以使用各種形狀的玻璃外殼，然而，在一些實施例中，圓形形狀用於向電磁能源（例如，太陽，燈或其他能量源）呈現更直接的角度，並且便於光朝向光伏材料的折射。

在一個方面，本發明提供了一種改進的高效電磁能捕獲系統（EM-CS）。 EM-CS包括電池101。

圖1示出了本發明的電池101。電池101包括芯構件201和一個或多個端構件301。

圖2A-2C示出了電池101的芯構件201。圖2A給出芯構件201的透視圖。圖2B給出了構件201的剖面圖。圖2C示出了芯構件201中的電極網絡。芯構件101包括，以組合的方式，至少一個具有上表面層和下表面層的材料體，其中上表面層接收電磁輻射（EMR）進入材料中，並且上表面層和下表面層將內部EMR反射回材料中。表面層優選包括摻雜的玻璃，例如摻雜MgF2（氟化鎂）或其它合適的金屬滷化物或這樣的材料（「專用玻璃」）。材料體跨越上表面層和下表面層之間的三維空間，由此內部EMR在這些維度上與材料相互作用。材料體通過由多個帶隙限定的密集填充帶技術捕獲在其中傳播的EMR，由此內部EMR的波長將電子從價帶激發到導帶。密集填充帶技術包括最內膜205，第二膜206，第三膜207和最外膜208。在優選實施例中，包括至少約3到7個之間的膜。在一個實施例中，每個膜包括分別選自砷化鎵（GaAs），鍺（Ge），矽（Si）和銦鎵二磷（GaInP2）中的一種。每個膜可能分別包括列在表1中的材料。在其它實施例中，可以使用諸如硫化鎵（GaS）、鎵銦磷（GIP）、鎵銦砷（GIA）、銦鎵（InGa）、碲化鎘（CdTe）、硒化銅銦鎵（CIGS）、碲化鎘/硫化鎘（CdTe/CdS）、二硒化銅銦（CulnSe2）、氮化鎵銦（GIN）、鋅錳碲化物（ZMT）和/或硫化鎘（CdS）的材料。圖2C示出與材料體的膜接觸的電極。本文中稱為材料體的「專有玻璃」的上表面可以由摻雜有金屬滷化物，優選氟化鎂（MgF2），的玻璃提供，以最大化電池101中的EM輻射的保持。摻雜的上表面層可以是最外膜208或者優選地是在材料體的頂部上的覆蓋層。

端構件301包括與端構件601鄰接並由基部501支撐的硬體部分401。圖4A給出了硬體部分401的透視圖。圖4B給出了硬體部分401的端視圖。圖4C給出了硬體部分401的俯視圖。圖5A給出了基部501的透視圖。圖5B給出了基部501的端視圖。圖5C給出了基部501的俯視圖。圖6A給出了端構件601的透視圖。圖6B給出了端構件601的端視圖。圖6C給出了端構件601的俯視圖。

圖7示出諸如電池101的EM-CS捕獲模塊的效率。本發明的捕獲模塊包括具有主體的捕獲電池，主體具有從一端延伸到另一端的下表面和彎曲上表面，其中彎曲的上表面可以被成形為提供一表面，當太陽穿過天空，從日出到日落時太陽的光線大致垂直於該表面。與常規的平面或盒式太陽能電池相比，這樣的幾何形狀可以提供高達約66％的陽光暴露的增加。注意，因為外殼的尺寸相對於地球非常小，所以太陽通常不以相對於外殼的恆定弧度行進。在一些實施例中，玻璃殼體可以被配置為，與橫跨玻璃殼體的頂部相比，在兩側具有更小的曲率半徑。換句話說，殼體被構造成具有大致花形構造。

這在日出和日落時間期間，當來自太陽的能量以低傾斜角度撞擊到地球上時，提供直接光的捕獲可能是有用的。在其他實施例中，玻璃外殼被配置成花瓣狀形狀，以在太陽在白天穿過天空時呈現對太陽光線的正垂表面（正交面，normal surface）。

圖8A-8D示出了根據某些實施例的用於在厚膜/多膜電池內使用的「花瓣」構件的複雜形狀。圖8A給出了花瓣實施例的透視圖。圖8B給出了花瓣實施例的側視圖。圖8C給出了花瓣實施例的俯視圖。圖8D是圖8C的AA線剖視圖。可以通過應用圖9所示的算法來導出圖8A所示的形態，以將一天中的多個不同時間的輸入EM的寬譜矢量轉換成朝向通過濺射、硒化、退火和層壓製造的厚膜狀層。一個或多個花瓣元件可以彼此組合或與本文公開的具有廣譜EM-CS電池的其它元件組合使用。在一個實施方案中，本發明提供了一種EM捕獲電池，其包括至少一個，優選至少約3至7個如圖8所示的構件。每個構件包括一個厚膜，該厚膜通過所包括的、在本文別處所列的半導體材料限定至少約一個到多個帶隙。

複雜的部分球形形狀可以使用但不需要使用，並且實際上，在各種實施例中，圍繞給定的緯度和經度或應用的地理區域，外殼可以被成形為基於太陽的星曆對太陽呈現更直接的角度。採光模型和其他技術可用於優化玻璃外殼的形狀和輪廓以捕獲最大量的能量。

圖9示出了組合透鏡製造者方程和斯涅爾定律的結果，以展示可以將3.5太陽能量折射，聚焦和（不反射）到EM-CS中，其中外層示意性地引導光，如在底板上示出的向量所示。

圖9示出了使用轉換公式來引導本發明的電池的表面幾何形狀的設計。其中（X，Y，Z）是3D點在世界坐標空間中的坐標，（u，v）是以像素為單位的投影點的坐標。A稱為內在參數矩陣，（cx，cy）是主點（通常在圖像中心），fx，fy是以像素相關單位表示的焦距。因此，如果來自單元內的圖像由某個因子縮放，則所有這些參數應該由相同的因子縮放（分別乘/除）。內在參數的矩陣不依賴於入射光，並且一旦進行估算，就可以重新使用（只要焦距是固定的）。聯合旋轉-平移矩陣[R|t]被稱為外部參數的矩陣。它用於描述光源相對於電池的運動。也就是說，[R|t]將點（X，Y，Z）的坐標轉換到相對於電池固定的某個坐標系。電池表面可能有一些變形，主要是徑向變形和輕微的切向變形。因此，上述模型如圖9所示得以擴展。在圖9中，k_1，k_2，k_3，k_4，k_5，k_6是徑向失真係數，p_1，p_2是切向失真係數。在所示的函數中，係數作為（k_1，k_2，p_1，p_2 [，k_3 [，k_4，k_5，k_6]]）向量被傳遞或返回。也就是說，如果向量包含4個元素，則意味著k_3=0。失真係數不依賴於外部光，因此它們也屬於固有電池參數。圖9所示的擴展模型可以用於在給定固有和外部參數的情況下將3D點投影到圖像平面；給定內在參數、幾個3D點及其投影計算外部參數；從已知校準圖案的幾個視圖（即，用於電池表面形態的設計）估計內在和外在電池光學參數；並估計厚膜的相對位置和取向，並計算優化EM捕獲的整流變換。

捕獲電池還可以進一步包括在底表面和至少一部分上表面上的內部鏡面反射或鍍銀或其它反射塗層，例如沿著上表面的側面。在各種示例性實施例中，整個底表面以及側面的大約三分之二的表面可以包括反射塗層或鏡面反射。內部鏡面反射產生光子（離子或電子）反射室，其中電磁輻射進入捕獲電池，從鏡面反射並在捕獲電池內部周圍反彈，產生全內反射，或接近全內反射，或包含進入系統的光子的大量反射。這具有提高捕獲光子將影響分布在捕獲電池內部的光伏材料的可能性的效果。

由於在該示例中鏡面反射局限於外殼的底部表面和側表面的底部部分，所以其不影響外部光入射、衍射、折射或反射；其唯一的效果是「捕獲」一旦穿透到電池中的光子。當一個光子依然未被捕獲時，其最終轉化為熱，並加熱光伏材料。這增加了從光子收集的電子流（有時被稱為通過增加粒子範圍的德爾塔-K（Delta-K）效應）。

捕獲電池可能具有光學活性和非反射表面（例如，使用鈉鈣、硼矽酸鹽或磷酸鹽玻璃組合的特定配方），允許高水平的光子穿透，同時最小化可能發生的基於穿透角度或/地球/太陽陽光彎曲的衍射、折射或反射。該設計允許來自大氣散射的太陽輻射的衰減，並且增加在給定位置處可用的太陽輻射的吸收。目前的光伏系統通常使用薄膜光伏電池，其具有非常低的效率，僅利用總可用光子的一部分，並且遭受分層。在一些實施例中，本文描述的技術的各種實施例利用厚膜類似技術用於光伏材料，這些厚膜可以薄至0.03nm或厚至5.0微米。

此外，如所討論的，薄膜或厚膜的語義是使得技術人員理解哪些版本可被實施以允許如本文所解釋的在一個或多個通過中根據需要應用多個層或多個帶隙材料。例如，透明卡普頓聚醯亞胺/鉬（Kapton/molybdenum）（或需要從美國（USA）德拉瓦州（DE）威明頓市（Wilmington）的杜邦（DuPont）公司獲得的其他聚醯亞胺，例如阿普蘭斯（UPILEX））。可提供半透明、多層、多帶隙的材料，優選厚膜狀材料（或多厚膜帶隙晶格（multiple thick film band gap lattice，MTFBG），例如膜205，206，...）作為光伏材料。在各種實施例中，材料可以是具有由不同半導體材料製成的多個p-n結的一種集成多結光伏電池，每種半導體材料具有不同的帶隙。在其他實施例中，多帶隙材料可以由多個單獨的厚膜製成，每個厚膜具有一個具有指定帶隙的光伏材料。理想地，堆疊被製成使得每個p-n結具有不同的帶隙能量，並且響應於撞擊在設備上的電磁頻譜的不同波長而產生電流。通過使用更多的可用電磁頻譜這增加了裝置的轉換效率。

提供具有多個帶隙的多種材料允許電池單元響應於光譜的多個不同波長。在一些實施例中，光伏堆疊包括2至4層帶隙材料，每個帶隙材料具有不同的帶隙能量。在其他實施例中，可以提供帶隙材料組成的其它不同數量的層，包括單層堆疊或多於4層。邊際返回可以隨著層數的增加而減小，這取決於許多因素，例如：可用電磁能量的譜，堆疊中各種材料的透明度和吸收效率，可以實現包含或捕獲光子的內反射的量，等等。在操作中，光伏堆疊的外帶隙材料可以捕獲在與其帶隙能量相關聯的波長處的光子，並將它們轉換成電流。

沒有被第一層捕獲的那些光子穿過到隨後的層，直到它們被捕獲，吸收，從後續層的表面反射，或者穿過堆疊並被反射以離開玻璃外殼的反射表面。部分被反射光子到達光伏堆疊，再次給予這些光子被捕獲並轉換成電流的機會，否則光子就會丟失。多層，多頻帶的帶隙厚膜可以是可彎曲的，並且可以結合具有針對存在於白光（包括例如紫外和紅外光）中的不同波長的光優化的不同帶隙的不同材料，以及對於出現在不同時間內的不同波長的光。例如，在日出和日落期間，光譜與中午不同，因此可以為不同材料提供不同的帶隙以捕獲那些不同類型的光的儘可能多的能量。在一個示例性實施例中，不同的材料可以包括例如GaAs（砷化鎵），Ge（鍺），Si（矽）和GaInP2（鎵銦二磷）。在其他實施例中，可以使用諸如GaS（硫化鎵），GIP（鎵銦磷），GIA（鎵銦砷)，InGa（鎵銦），CdTe（碲化鎘），CIGS（硒化銅銦鎵），CdTe（碲化鎘）/CdS （硫化鎘），CulnSe2（硒銅銦化物)，GIN（氮化銦鎵），ZMT（鋅錳碲化物）和/或CdS（硫化鎘）的材料。在一些實施例中，選擇材料的帶隙，使得其存在重疊帶以實現在光譜的最密集區域的能量轉換。在一些實施例中，可以改變材料的化學成分以調節連接處的帶隙。

表1展示了可以與其相關聯的帶隙一起使用的不同材料的另一示例，以及使用2層或更多層的預估轉換效率。技術人員可以理解，由於重疊，在該示例中降低了示例性數量。

在各種示例性實施例中，可以提供兩層，三層，四層或五層獨特的厚膜300，其可以在膜的任一側上聚集光子，在某些實施例中，每個膜的厚度可以在約0.03至5.0微米，如圖2B中的膜205，206，...所示）。膜的長度和寬度可以具有合適的尺寸，這取決於外殼的可用尺寸和體積。長度和寬度也可以基於膜在外殼內分層的方式來選擇。例如，在一些實施例中，膜可以在外殼內以平面的（planar）或平的（flat）（或基本上平坦的）的構造分層。在其它實施例中，膜可以是彎曲的或捲曲的或纏繞的，並且以同軸或基本上同軸的方式在外殼內分層。例如，可以使用具有足夠彈性的柔性層，當插入到外殼中時，使得它們符合外殼的內輪廓。因此，膜可以以外殼的形狀被構造。慣例地，在已經出現設計問題限制膜的寬度的情況下，帶狀長度的膜可以在外殼內彼此纏繞（例如以螺旋方式）。多層半透明光伏堆疊可以與用於離子收集的正電荷進行電氣性連接。該多層半透明光伏堆疊至少可以部分地被內部反射環繞，如上文關於圖1和2的描述。這種獨特的膜技術允許雙向光伏路徑（即，從頂部向下和從底部向上的能量轉換）。

如上所述，在各種實施例中，可以使用厚膜技術來製造多層帶隙材料，無論是作為集成器件還是作為單片。在實施例中，聚醯胺，厚膜基材如Mylar（邁拉），KAPTON或任何其它聚醯亞胺膜（可得自美國德拉瓦州威明頓市的杜邦公司）或其它類型的膜可用作基材，這些材料可以有不同程度透明度。襯底片材可以穿過沉積裝置（例如使用化學氣相沉積（chemical vapor deposition）或CVD）或其它類似裝置，其中裝置的層沉積在襯底上。除了化學氣相沉積之外，諸如例如擠出正印刷，VPD（氣相聚合澱積），噴濺塗覆法等的其它技術也可以用於鋪設各種相應的層。

例如，在這種工藝中，可以將電極層和半導體層沉積到襯底上以產生厚膜光伏材料。相應的製造設備可以使用惰性氣體（例如氬氣）保持在正壓力下，以維持腔室相對不含或完全不含氧氣。這可以避免氧化反應對材料的有害影響。在單片上製造帶隙材料的情況下，可以在給定襯底上製造單結器。

另一方面，需要有異質結器件的情況下，多個帶隙材料可以沉積在單個襯底上。在需要時，氧化銦錫，石墨或其它類似材料可用於製造透明電極。所公開的技術的各個方面可以單獨地或以各種組合的形式使用，包括在完全能量轉換系統中使用，所述完全能量轉換系統包括：捕獲單元（其中光子可以被更完全地保存，從而產生更大程度的能量吸收和轉換）；多層光伏系統，獨特的厚膜加工技術；採用多縫隙材料更大程度地利用光譜（因此獲得更大的曝光和更大的光子吸收）和一種多維核心，該核心採用納米技術，應用於（點，網格）GPS和各種傳感器，電子存儲用途和臭氧生成。此外，本發明涉及的玻璃，其特有的配方和安裝角度使其有捕獲間接光的能力，增加了系統的總瓦特能量。使用具有多層收集膜300的捕獲單元可以結合所有上述技術以製造多層多帶隙雙向光伏膜芯。捕獲單元可以通過增加可提供光子吸收的曝光量，以及增加通過帶隙材料的光子通量的數量來與厚膜一起工作。

厚膜避免了薄膜技術中的問題，它更加穩定並且仍然具有允許光子通過具有多個帶隙材料的多個吸收層的透明度。當存在太陽光或另一電磁輻射源或波等形式的輻射源，本光伏系統可用於產生電子流（電流）。本光伏系統可以在家庭，商業建築，工業等方面應用，在汽車或任何其他形式的交通工具上或其中使用。該系統可以是可攜式的，因為它是高效的，並且可以在需要能量的任何地方使用。材料的帶隙具有激發該材料的一個原子以能夠將其電子中的其中一個從較低能量狀態或帶移動到較高能量狀態或帶所需的能量。

只有能級大於帶隙能級的光子可以激發電子從價帶移動到導帶，在那裡它們可以流動並產生電。對於具有較低帶隙的材料，一個較大範圍的光頻率將具有足夠高的能量以激發那些材料中的電子，使其從價帶移動到導帶（這有助於確定價帶材料）。此外，存在各種「可調諧」材料，例如InGap（鎵銦磷）或CIGS（硒化銅銦鎵）。因此，材料的帶隙越小，光撞擊該材料越容易轉換為電。但是當帶隙太小時，導帶中的帶負電荷的電子與其留下的帶正電荷的原子（即，「空穴」）太容易重組，使得保持電子流（即，電流）變得困難。

因為不同頻率的光攜帶不同水平的能量，所以可提供具有不同帶隙的材料以捕獲光譜內的不同頻率的光，以優化可從光譜中獲得的能量的總量。帶隙的選擇不僅在特定波長下有較高效率，而且收集最多的總電子，值得注意的是，越高頻率的光攜帶越多的能量。有關帶隙一些實例是：矽的帶隙為1.11-1.12eV；硒為1.5-1.6 eV；GaAs鎵/砷為1.3-1.4eV；CuO銅/氧化物為2.0eV；GaTe為1.4eV；AlAs鋁/砷為2.3eV。光也具有特定的獨特波長。

例如，紅色是622-780nm；橙色為622-597nm；紅外A為700-1400nm；紅外B為1400-3000nm；紅外C為3000-10000nm。因此，矽理論上可以轉換具有等於其1.11-1.12eV帶隙的波長的100％的光子，同時還轉換具有較短波長和較高能量的較低百分比的光子。然而，具有超過1.12eV的波長的光的光子將不會在矽中產生任何電，因為這些較長波長的光子具有小於克服矽的1.1-1.12eV帶隙所需的最小能級。

在實踐中，使用矽的常規太陽能電池具有範圍從約12％至14％的實際轉換效率。也就是說，擊中常規矽太陽能電池的光子中僅有約12％至約14％的能量被轉換成電（與霍夫曼（Hoffman）在1960年或54年前產生的範圍相同）。使用可調PV材料，即InGN(N)(P)，CIGS，GaAs，AlGeN改變了這一點。通過推動硒（Se）在配方中的含量，人們可以操縱帶隙和調整「孔」。因此，如果使用矽（Si），可提供至少約1,112-800ev的範圍（其中後者允許更多的孔），則可以調諧其它單獨的層以覆蓋850-600和650-315，因此覆蓋能量的最高梯度（來自紅外線c-紫外線b）。

真正的效率考慮了所覆蓋的能量範圍、所述範圍轉換的效率、和能量聚焦的持續時間。起作用的是角度內部鏡面反射（捕獲）減少反射/折射。使用銦、鎵和氮（Inl-xGaxN）的組合測試原型，它們一起實際上轉換太陽光的整個光譜，包括紫外線，紅外線和x射線光譜的一些有限部分。這些材料摻雜有碲化鎘（CdTe）和硒化銅銦鎵（CIGS），碲化鎘/硫化鎘（CdTe/CdS），CuInSe2（銅銦硒化物-CIS），氮化鎵銦（GIN）；鋅錳碲化物（ZMT）；硫化鎘（CdS）。

圖10示出了本發明的方法。步驟的流程圖示出了用於優化來自電磁譜的能量的捕獲的過程。

圖11示出了用於多次通過電池的材料的內部EMR的再循環，同樣根據瞬時EM-CS，來自直接的、間接的、反射的、稜鏡的和擴散的能量的光子被容納並且源自其的能量。

此外，本發明中所描述的特徵、結構或特性可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。在下面的描述中，提供了許多具體細節以供對本發明的實施例的透徹理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，可以在沒有一個或多個具體細節的情況下，或者利用其他方法、組件、材料等來實踐本發明。在其他情況下，未詳細示出或描述公知的結構、材料或操作以避免模糊本發明的方面。

本文中包括的任何示意圖和/或流程圖以及步驟的語言描述通常被闡述為語言或圖形邏輯流程圖。因此，所示的順序和標記的步驟指示所呈現的方法的一個實施例。在功能、邏輯或效果上等同於所示系統、過程或方法的一個或多個步驟或其部分的其他步驟和方法可能被構思。

另外，所採用的任何格式和/或符號被提供以解釋相關聯的系統、過程和方法的邏輯步驟，並且被理解為不限制該方法的範圍。儘管在流程圖中可能採用各種箭頭類型和線類型，但是它們被理解為不限制相應方法的範圍。實際上，一些箭頭或其它連接器可能用於僅指示該方法的邏輯流程。例如，箭頭可以指示所描繪的方法的枚舉步驟之間的未指定持續時間的等待或監視時段。另外，步驟的順序提出不指示其需要在另一步驟之前或之後執行，除非明確闡述。

通過引用明確併入本文，如同在此完全闡述的是以下美國授權專利和出版物以及外國專利——其中的每一個已經被回顧並且與本教導區區分。在此提供它們僅僅是為了定義現有技術，並且同時作為信息公開聲明提交。美國專利號8,093,492、6,335,480、和6,898,949。

在定義本領域狀態時，遺贈或歷史嘗試以解決這些問題也有一定的價值，但缺乏改進的應用程式來克服科學。

儘管根據目前被認為是最實用和優選的實施方式描述了方法、設備、組合物等，但是應當理解，本公開不需要限於所公開的實施方式。旨在覆蓋包括在權利要求的精神和範圍內的各種修改和類似布置，其範圍應當符合最寬泛的解釋，以包括所有這樣的修改和類似結構。本公開包括所附權利要求的任何和所有實施方式。應當理解，在本公開的一個特定實施例的部件、特性或步驟的描述的上下文中，術語「本公開」不暗示或意味著本公開的所有實施例包括該特定部件、特性、或步驟。

還應當理解，在不脫離本公開的本質的情況下可以進行各種改變。這樣的改變也隱含地包括在描述中。它們仍然落入本公開的範圍內。應當理解，本公開旨在產生獨立地並且作為整體系統以及在方法和裝置模式兩者中覆蓋本公開的多個方面的專利。

此外，本公開和權利要求的各種要素中的每一個也可以以各種方式實現。本公開應當被理解為包括每個這樣的變化，是任何裝置實現、方法或過程實現的變化，或者甚至僅僅是這些變化的任何元素的變化。

特別地，應當理解，由於本公開涉及的要素，每個要素的詞語可以由等效的裝置術語或方法術語表達——即使只有功能或結果相同。

這種等同的、更寬的或甚至更通用的術語應當被認為包括在每個要素或動作的描述中。這些術語可以在需要使本公開被賦予的隱含的廣泛覆蓋範圍明確的情況下被替換。

應當理解，所有動作可以表示為採取該動作的手段或作為引起該動作的要素。

類似地，所公開的每個物理元件應當被理解為包括該物理元件促進的動作的公開。

在本專利申請中提及的任何專利、出版物或其他參考文獻通過引用併入本文。

在作出非實質性替代的程度上，如果申請人事實上沒有起草任何權利要求以字面上包含任何特定實施方式，並且在其它方面適用的情況下，不應該將申請人理解為以任何方式意圖或者實際上放棄了申請人根本不可能預期到的所有可能性；本領域技術人員不應當合理地期望申請人已經起草了將字面上涵蓋這樣的替代實施方式的權利要求。

此外，根據傳統的權利要求解釋，使用過渡短語「包括（comprising）」用於維持本文中的「開放式」權利要求。因此，除非上下文另有要求，否則應當理解，術語「包括（comprise）」或諸如「包括（comprises）」或「包括（comprising）」的變體旨在暗示包括所述的元件或步驟或元件或步驟的組，而不是排除任何其它元件或步驟或一組元件或步驟。這些術語應以其最廣泛的形式解釋，以便使申請人能夠在法律上允許的範圍內最寬。