Люминесцентный фотогальванический генератор и волновод для использования в фотогальваническом генераторе
Настоящее изобретение относится к люминесцентному фотогальваническому генератору (1) и волноводу для использования в таком фотогальваническом генераторе. Фотогальванический генератор содержит фотогальванический элемент (4) и волновод, содержащий прозрачную матрицу (2), имеющую частицы неорганического люминесцентного материала, рассредоточенные в ней, и/или неорганический люминесцентный материал, расположенный по меньшей мере на одной ее стороне. Волновод ассоциирован с фотогальваническим элементом (4), так что при использовании по меньшей мере часть света, излученного из люминесцентного материала, поступает в фотогальванический элемент (4), чтобы создать напряжение в элементе. При этом неорганический люминесцентный материал имеет максимум поглощения по меньшей мере в одной из ультрафиолетовой области, видимой области и инфракрасной области, ширину линии поглощения 50 нм или более, ширину линии испускания 20 нм или менее и Стоксов сдвиг 50 нм или более. Также предложен волновод для использования в фотогальваническом генераторе. Фотогальванический генератор (1) является альтернативой или усовершенствованием известных фотогальванических генераторов, которые обычно страдают от недостатка удельного выхода мощности. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к люминесцентному фотогальваническому генератору и волноводу для использования в фотогальваническом генераторе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фотогальванический генератор является устройством, которое производит электричество из света. За последние несколько лет происходит постоянная попытка увеличить эффективность фотогальванических генераторов. Традиционные солнечные панели, имеющие массив солнечных элементов, стали эффективны до такой степени, что теперь их промышленный выпуск широко распространен. Такие традиционные панели тем не менее обладают своими недостатками. Например, чтобы максимизировать выход мощности, они должны быть приспособлены к следованию за солнцем, когда оно пересекает небо. Более того, традиционные панели не очень хорошо производят электричество, если падающий свет является рассеянным, например, в облачный день.
В попытке преодолеть некоторые из проблем, связанных с традиционными панелями, в последнее время проведено исследование по разработке фотогальванических генераторов, которые могут использоваться в стационарных системах и которые могут работать эффективнее, когда окружающий свет рассеянный. Одним типом фотогальванического генератора, который был разработан, является люминесцентный фотогальванический генератор. Этот тип устройства включает в себя фотогальванический элемент и ассоциированную люминесцентную часть. Устройство обычно выполнено так, что падающий свет поступает в люминесцентную часть, по меньшей мере часть падающего света поглощается, затем излучается и поступает в фотогальванический элемент, где свет вырабатывает электричество. Люминесцентное излучение света обычно происходит во всех направлениях, поэтому подходящие отражатели должны располагаться в идеале вокруг сторон люминесцентной части, чтобы минимизировать потерю излученного света и направлять значительную часть излученного света в фотогальванический элемент. Люминесцентные фотогальванические генераторы, хотя и многообещающие в теории, еще должны достичь эффективности, которая позволит им использоваться в промышленном масштабе. Существует постоянное желание повысить эффективность люминесцентных фотогальванических генераторов.
Недавнее исследование в этой области сосредоточено на использовании органических люминесцентных материалов. Это иллюстрируется в статье под авторством Кюрри (Currie) и др. в журнале Science от 11 июля 2008 г., том 321, № 5886, стр. 226 - 228, озаглавленной "High-Efficiency Organic Solar Concentrators for Photovoltaics". Эта статья раскрывает органические люминесцентные солнечные концентраторы для использования при выработке электричества с помощью солнечных элементов. Солнечные концентраторы содержат стеклянную подложку, имеющую тонкую пленку органического красителя на своей поверхности. Использовались два типа органического красителя: 4-(дицианометилен)-2-t-бутил-6-(1,1,7,7-тетраметил-юлолидил-9-энил)-4H-пиран (DCJTB), флуоресцирующий краситель, и платиновый тетрафенилтетрабензопорфирин [Pt(TPBP)], фосфоресцирующий краситель.
Органические люминесцентные солнечные концентраторы, раскрытые в упомянутой выше статье под Currie и др., обладают довольно широкими спектрами излучения, подобно большинству органических люминесцентных материалов. С помощью таких материалов отражатели снаружи люминесцентной части концентраторов должны уметь отражать большую часть излученного света, если не весь. На стороне устройства, на которую падает свет, отражатель должен позволять падающему свету с подходящей длиной волны проходить через люминесцентный материал, чтобы этот свет можно было поглотить, но он должен препятствовать прохождению через отражатель излученного от люминесцентного материала света и вместо этого отражать этот свет, чтобы он мог достичь солнечного элемента. Такие отражатели называются фильтрами света или длины волны. Может быть дорогостоящим предоставить светофильтры, которые отражают в большом диапазоне длин волн.
Органические люминесцентные материалы также страдают от ухудшения в течение длительного периода, особенно от падающего ультрафиолетового света.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Было бы желательно предоставить альтернативный или усовершенствованный фотогальванический генератор по отношению к раскрытым в описании предшествующего уровня техники. Его можно усовершенствовать, например, в показателях эффективности и/или стоимости производства.
В первом аспекте настоящее изобретение предоставляет волновод для использования в фотогальваническом генераторе, причем волновод содержит прозрачную матрицу, имеющую (i) частицы из неорганического люминесцентного материала, рассредоточенные в ней, и/или (ii) неорганический люминесцентный материал, расположенный по меньшей мере на одной ее стороне, при этом неорганический люминесцентный материал имеет максимум поглощения по меньшей мере в одной из ультрафиолетовой области, видимой области и инфракрасной области, ширину линии поглощения 50 нм или более, ширину линии испускания 20 нм или менее и Стоксов сдвиг 50 нм или более.
Во втором аспекте настоящее изобретение предоставляет фотогальванический генератор, содержащий фотогальванический элемент, и волновод, содержащий прозрачную матрицу, имеющую (i) частицы из неорганического люминесцентного материала, рассредоточенные в ней, и/или (ii) неорганический люминесцентный материал, расположенный по меньшей мере на одной ее стороне, где волновод ассоциирован с фотогальваническим элементом, так что при использовании по меньшей мере часть света, излученного из люминесцентного материала, поступает в фотогальванический элемент, чтобы создать напряжение в элементе, при этом неорганический люминесцентный материал имеет максимум поглощения по меньшей мере в одной из ультрафиолетовой области, видимой области и инфракрасной области, ширину линии поглощения 50 нм или более, ширину линии испускания 20 нм или менее и Стоксов сдвиг 50 нм или более. Обнаружено, что неорганические люминесцентные материалы предпочтительны в сравнении с органическими люминесцентными материалами, поскольку они не имеют склонность к ухудшению в течение длительного периода. К тому же они допускают, будучи основанными на переносе энергии и/или неорганических материалах, легированных редкоземельными ионами или ионами переходных металлов, большой Стоксов сдвиг, не приводя к значительному температурному гашению люминесценции. Кроме того, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, которые описаны ниже, могут использоваться вместе с простыми в производстве интерференционными фильтрами, особенно варианты осуществления, в которых разность длин волн между длиной волны возбуждения и длиной волны излучения большая, а ширина линии испускания небольшая. В варианте осуществления, который описан ниже, светостойкие квантовые частицы, например квантовые точки, квантовые стержни или системы с ядром и оболочкой, могут использоваться в неорганическом люминесцентном материале или в качестве него. Повторное поглощение можно минимизировать с использованием квантовых частиц с непрямыми излучательными переходами, используя малые и большие квантовые частицы. В случае, когда энергия передается от малых к большим квантовым частицам, большие квантовые частицы присутствуют в малых количествах, чтобы предотвратить повторное поглощение большими квантовыми частицами.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал имеет ширину линии поглощения 50 нм или более, ширину линии испускания 20 нм или менее и Стоксов сдвиг 50 нм или более.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал имеет ширину линии поглощения 100 нм или более, ширину линии испускания 10 нм или менее и Стоксов сдвиг 100 нм или более.
В варианте осуществления волновод дополнительно содержит интерференционный фильтр, расположенный по меньшей мере на одной стороне прозрачной матрицы, причем интерференционный фильтр (i) позволяет пропускать свет в волновод в электромагнитной области, которая поглощается неорганическим люминесцентным материалом, и (ii) выборочно отражает свет в электромагнитной области, которая излучается из неорганического люминесцентного материала.
В варианте осуществления прозрачная матрица содержит некристаллический материал, а неорганический люминесцентный материал содержит кристаллический материал.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал содержит первый компонент, который поглощает свет в области от 300 нм до 1420 нм, и второй компонент, который излучает свет с большей длиной волны, чем поглощает первый компонент, и происходит перенос энергии между первым и вторым компонентом, так что неорганический люминесцентный материал поглощает свет в области от 300 нм до 1420 нм и излучает с большей длиной волны, и свет с большей длиной волны обладает подходящей энергией, чтобы создать напряжение в фотогальваническом элементе. Компонент, который поглощает свет в области от 300 нм до 1420 нм, является компонентом, который поглощает свет по меньшей мере в части области от 300 нм до 1420 нм; ему не нужно поглощать во всем этом диапазоне. Длина волны максимума поглощения у первого компонента может находиться в области от 300 нм до 1420 нм.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал имеет высокую границу полосы поглощения λa, где λa - длина волны, которая соответствует энергии, которая на 20% или более превышает ширину запрещенной зоны в фотогальваническом элементе.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал может содержать множество типов первого компонента, которые поглощают на разных длинах волн, и один тип второго компонента, который излучает на некоторой длине волны, и люминесцентный материал предпочтительно является линейным излучателем. Это признано полезным в том, что дает возможность материалу иметь широкий диапазон поглощения, но излучать практически только с одной длиной волны с узкой шириной полосы. В устройстве может использоваться множество разных неорганических люминесцентных материалов, причем разные материалы обладают поглощением на отличных друг от друга длинах волн, но имеют пик излучения, который является таким же или практически таким же (например, в пределах приблизительно 20 нм), как у других, и предпочтительно неорганические люминесцентные материалы являются линейными излучателями. Как объясняется ниже, это позволяет использовать относительно недорогие интерференционные фильтры, которые являются выборочно отражающими только для излученных длин волн, что экономит затраты на производство фотогальванического устройства.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал содержит неорганический фосфор. Неорганический люминесцентный материал может содержать множество типов неорганического фосфора.
В варианте осуществления неорганический фосфор содержит неорганический исходный материал, содержащий первый и второй компонент, где первый компонент является ионом, выбранным из Ce3+, Eu2+ или Yb2+, а второй компонент является ионом, выбранным из редкоземельного иона и иона переходного металла.
В варианте осуществления неорганический фосфор содержит Gd3Ga5O12; Ce, Cr.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал содержит неорганический флуоресцирующий материал.
В варианте осуществления неорганический флуоресцирующий материал содержит неорганический исходный материал, содержащий первый и второй компоненты, причем концентрация первого компонента в неорганическом исходном материале выше, чем концентрация второго компонента, и второй компонент присутствует в неорганическом исходном материале в количестве 0,5 мольного процента или менее.
В варианте осуществления неорганический флуоресцирующий материал содержит CaAlSiN3; Ce, Eu.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал содержит квантовые частицы, которые описаны в этом документе. В варианте осуществления первый и второй компоненты независимо содержат квантовые частицы, которые могут выбираться из квантовых точек, квантовых стержней и квантовых частиц с ядром и оболочкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1а и 1b показывают вариант осуществления фотогальванического генератора согласно настоящему изобретению, в котором частицы неорганического люминесцентного материала рассредоточены в прозрачной матрице;
Фиг. 2а и 2b показывают вариант осуществления фотогальванического генератора согласно настоящему изобретению, в котором слой, содержащий неорганический люминесцентный материал, располагается на стороне прозрачной матрицы; и
Фиг. 3 показывает вариант осуществления тандемного фотогальванического генератора согласно настоящему изобретению, содержащего множество прозрачных матриц и сопряженные параллельно фотогальванические элементы. Слой, содержащий неорганический люминесцентный материал, располагается на стороне прозрачных матриц.
На фигурах одинаковые номера ссылок относятся к одинаковым или сходным элементам.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение предоставляет волновод для использования в фотогальваническом генераторе и фотогальванический генератор, как описано выше.
Материалы для использования в волноводе и фотогальваническом элементе
Как описано в этом документе, прозрачная матрица содержит (i) рассредоточенные в ней частицы, содержащие неорганический люминесцентный материал, и/или (ii) неорганический люминесцентный материал, расположенный по меньшей мере на одной ее стороне. Если прозрачная матрица имеет рассредоточенные в ней частицы, содержащие неорганический люминесцентный материал, и неорганический люминесцентный материал, расположенный по меньшей мере на одной ее стороне, то неорганический люминесцентный материал частиц и материал, расположенный по меньшей мере на одной стороне прозрачной матрицы, могут быть одинаковыми или разными материалами, и могут быть такими, как описано в этом документе. Частицы могут содержать, по существу состоять или состоять из неорганического люминесцентного материала. Если частицы по существу состоят из неорганического люминесцентного материала, то предпочтительно менее 5 весовых процентов, еще предпочтительнее менее 2 весовых процентов, наиболее предпочтительно менее 1 весового процента других материалов присутствует в частицах.
Неорганический люминесцентный материал предпочтительно поглощает свет в области электромагнитного спектра, при желании выбранной из ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, и излучает свет с большей длиной волны. Свет с большей длиной волны обладает подходящей энергией, чтобы создать напряжение в фотогальваническом элементе. Неорганический люминесцентный материал предпочтительно поглощает свет в области от 300 нм до 1420 нм. Предпочтительно, чтобы максимум поглощения находился в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной областях электромагнитного спектра, предпочтительно в области от 300 нм до 1420 нм. Предпочтительно, чтобы ширина линии пика поглощения составляла 50 нм или более, предпочтительно 100 нм или более, еще предпочтительнее 150 нм или более, наиболее предпочтительно 200 нм или более. Ширина линии является шириной на половинной высоте линии поглощения в нм при измерении при 25°C. Большая длина волны предпочтительно соответствует энергии, по меньшей мере в 1,05 раз превышающей ширину запрещенной зоны в фотогальваническом элементе. Предпочтительно, чтобы отсутствовало или практически отсутствовало наложение спектра поглощения и спектра излучения у неорганического люминесцентного материала. Обнаружено, что это уменьшает повторное поглощение фотонов, излученных неорганическим люминесцентным материалом. Предпочтительно, чтобы Стоксов сдвиг в неорганическом люминесцентном материале составлял 50 нм или более, еще предпочтительнее 80 нм или более, еще предпочтительнее 100 нм или более.
Прозрачный матрица может состоять из любого материала, известного специалисту, например, прозрачная матрица может содержать материал, выбранный из стекла и прозрачного полимера. Прозрачный полимер может выбираться из полимера поли(метилметакрилата) (PMMA, который обычно имеет показатель преломления около 1,49) и полимера из поликарбоната (типичный показатель преломления около 1,58). Стекло может выбираться из любого известного прозрачного неорганического материала, включая, но не только, стекла, содержащие диоксид кремния, и стекла, выбранные из альбитового типа, типа кронгласа и типа флинтгласа. Разные стекла обладают разными показателями преломления, и при желании, стекло может выбираться на основе его показателя преломления. Например, стекло альбитового типа может иметь показатель преломления около 1,52. Стекло типа кронгласа может иметь показатель преломления примерно от 1,49 до 1,52. Стекло типа флинтгласа может иметь показатель преломления примерно от 1,58 до 1,89 в зависимости от его плотности и составляющих, что понятно специалисту.
Прозрачная матрица в данном контексте включает в себя, но без ограничения, материал, который может пропускать свет по меньшей мере в части электромагнитной области, в которой люминесцентный материал поглощает свет, и по меньшей мере в части электромагнитной области, в которой люминесцентный материал излучает свет. Он предпочтительно может пропускать свет по меньшей мере в части, а при желании во всей области от 300 до 2000 нм. При желании, показатель преломления неорганического люминесцентного материала составляет от 93% до 107% показателя преломления прозрачной матрицы, при желании от 95% до 105% показателя преломления прозрачной матрицы, при желании от 98% до 102% показателя преломления прозрачной матрицы. Авторы изобретения обнаружили, что эффективность можно повысить, когда показатель преломления люминесцентных частиц является таким же или по существу таким же, как и у прозрачной матрицы. Это устраняет рассеяние света на границе раздела между частицами и матрицей. Известны прозрачные материалы для использования в прозрачной матрице или в качестве нее с некоторым диапазоном показателей преломления, и выбор подходящего материала находится в компетенции специалиста.
В предпочтительном варианте осуществления прозрачная матрица содержит или является некристаллическим материалом, а неорганический люминесцентный материал содержит или является кристаллическим материалом. Обнаружено, что если стекло легировано люминесцентными неорганическими ионами, так что ионы находятся в аморфной среде, то они обычно не показывают эффективной люминесценции. В настоящем изобретении обнаружено, что неорганический кристаллический материал предпочтителен в качестве люминесцентного материала, так как эффективность люминесценции обычно выше, чем в некристаллическом материале. Преимущество прозрачной матрицы, содержащей некристаллический материал, например аморфный материал, содержащий стекло или полимер, в котором могут быть рассредоточены частицы кристаллического материала, состоит в том, что волновод обычно можно произвести эффективнее, чем прозрачную кристаллическую матрицу, вдобавок с высокой люминесцентной эффективностью.
Частицы неорганического люминесцентного материала могут обладать кубической симметрией. Частицы неорганического люминесцентного материала могут иметь любой подходящий размер. Частицы могут иметь объемный средний диаметр, например, от 10 нм до 2 мм. Когда показатель преломления частиц неорганического люминесцентного материала является таким же или по существу таким же, как у матрицы, в которой они рассредоточены, размер частиц не ограничивается. Неорганические частицы в матрице могут иметь объемный средний диаметр вплоть до около 100 нм, предпочтительно объемный средний диаметр вплоть до около 50 нм. Это особенно предпочтительно, когда частицы не обладают кубической симметрией и/или не имеют показателя преломления, который является таким же или по существу таким же, как у прозрачной матрицы, поскольку это снижает рассеяние света. Объемный средний диаметр частиц неорганического люминесцентного материала может определяться в соответствии с установленными методиками и оборудованием, известными специалисту, например, с использованием методик электронной микроскопии или с использованием инструмента Malvern Nanosizer (серийно выпускаемого).
Частицы неорганического люминесцентного материала могут быть рассредоточены в прозрачной матрице любым подходящим способом. Например, способ может содержать обеспечение жидкого прекурсора прозрачной матрицы, диспергирование частиц в жидком прекурсоре и отвержение жидкого прекурсора для образования прозрачной матрицы, в которой рассредоточены частицы неорганического люминесцентного материала. Жидкий прекурсор может, например, содержать или быть расплавленной формой материала твердой прозрачной матрицы, и частицы неорганического люминесцентного материала могут быть рассредоточены в расплавленном материале, который затем твердеет, чтобы образовать прозрачную матрицу, в которой рассредоточены частицы неорганического люминесцентного материала. Жидкий прекурсор может содержать жидкость-носитель, содержащую материал прозрачной матрицы и частицы неорганического люминесцентного материала, и жидкость-носитель может удаляться для образования прозрачной матрицы, в которой рассредоточены частицы неорганического люминесцентного материала; материал прозрачной матрицы и частицы неорганического люминесцентного материала могут присутствовать в жидкости-носителе, например, в виде раствора и/или суспензии. В качестве альтернативы, если твердая прозрачная матрица содержит полимер, то жидкий прекурсор может быть жидкостью, содержащей неполимеризованный или частично полимеризованный прекурсор полимера и частицы неорганического люминесцентного материала, и неполимеризованный или частично полимеризованный прекурсор можно полимеризировать или дополнительно полимеризировать для образования прозрачной матрицы, в которой рассредоточены частицы неорганического люминесцентного материала.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал содержит или является линейным излучателем. Линейный излучатель является компонентом, который излучает с очень узкой шириной линии испускания. Линейные излучатели включают в себя, но не ограничиваются, материалы, которые имеют ширину линии испускания 20 нм или менее, предпочтительно 10 нм или менее, наиболее предпочтительно 5 нм или менее. Ширина линии является шириной на половинной высоте линии испускания в нм при измерении при 25°C.
Опционально, линейный излучатель излучает свет с длиной волны λ1, фотогальванический генератор дополнительно содержит светофильтр, расположенный на стороне прозрачной матрицы, через которую свет входит в прозрачную матрицу, при этом светофильтр выборочно отражает излученный свет с длиной волны λ1 обратно в люминесцентный материал и/или в фотогальванический элемент, но предпочтительно делает возможным прохождение через фильтр света с длинами волн, при которых свет будет поглощаться люминесцентным материалом. Фильтр длины волны предпочтительно является интерференционным фильтром. Использование линейного излучателя позволяет использовать интерференционный фильтр, который является относительно недорогим, экономя на затратах производства фотогальванического устройства.
Неорганический люминесцентный материал может содержать неорганический флуоресцирующий материал или неорганический фосфор, причем неорганический фосфор предпочтителен. Неорганические фосфоры, в данной области техники иначе называемые неорганическими фосфоресцирующими материалами, известны специалисту. Они включают в себя неорганические люминесцентные материалы, которые поглощают свет с некоторой длиной волны, а затем излучают с другой длиной волны через квантовый механически запрещенный электронный переход, например спин или запрещенный по четности переход. Послесвечение люминесценции в фосфоресцирующих материалах обычно составит около 1 мкс или более. Тем не менее в некоторых материалах, в которых люминесценция обусловлена разрешенными оптическими переходами, излучение также может быть медленным, например, во многих материалах, легированных Eu2+ и/или Yb2+. В некоторых фосфоресцирующих материалах люминесценция может сохраняться секунды или даже минуты.
Фосфоресцирующие материалы предпочтительны в сравнении с флуоресцирующими материалами, поскольку они со значительно меньшей вероятностью повторно поглощают фотоны, излученные посредством люминесценции материала, чем флуоресцирующий материал с сопоставимыми спектрами поглощения и излучения. Это увеличит эффективность фотогальванического генератора.
Неорганический фосфор может быть неорганическим материалом, в котором поглощение и излучение происходит на одних и тех же ионах в материале. Неорганический фосфор может быть неорганическим материалом, содержащим и/или легированным ионами переходного металла и/или редкоземельными ионами. Предпочтительно, чтобы ионы переходного металла, на которых происходит поглощение и излучение, были ионами d3, то есть ионами, которые имеют 3 электрона на внешних d-орбиталях. Примеры ионов d3 включают в себя, но не ограничиваются, V2+, Cr3+, Mn4+ и Fe5+. Неорганический фосфор может содержать неорганический исходный материал, который легирован ионом, на котором происходит излучение и поглощение, обычно одним типом иона, на котором происходит излучение и поглощение. Примеры материалов включают в себя, но не ограничиваются, Al2O3:Cr и Mg2TiO4:Mn, в которых Al2O3 и Mg2TiO4 являются исходными материалами, а Cr3+ и Mn4+ являются ионами, на которых происходит излучение и поглощение. Предпочтительно, чтобы внутрикристаллическое поле, действующее на эти излучающие ионы, не было слишком малым, так как в противном случае будут обнаруживаться широкие спектры излучения.
Опционально, когда излучающие ионы находятся в исходном материале, Dq/B для излучающих ионов должно составлять по меньшей мере 2,1, когда значение C/B равно 2,5, где Dq - параметр напряженности внутрикристаллического поля, а B и C - параметры Рака для излучающих ионов в исходном материале. Dq, B и C для излучающего иона в исходном материале обычно легко доступны в литературе и/или измеримы с использованием известных методик.
Неорганические фосфоры, например упомянутые выше, признаны полезными, так как они способны поглощать в относительно широком диапазоне частот, помимо этого излучать с большей длиной волны в очень узком диапазоне (то есть имеют малую ширину спектральной линии). Более того, для ионов d3 полосы поглощения могут меняться в зависимости от исходного материала, который они легируют, но полоса излучения гораздо меньше зависит от исходного материала. Это позволяет специалисту соответственно адаптировать устройство и выбрать исходный материал в соответствии с нужным диапазоном поглощения. Количество (мольная доля) ионов переходного металла и/или редкоземельных ионов в исходном материале обычно составляет от примерно 0,1 до 10 мольных процентов. Если материал легирован ионами для замещения других ионов, то от 0,1 до 10 мольных процентов замещенных ионов являются ионами переходного металла и/или редкоземельными ионами.
Неорганический люминесцентный материал может быть неорганическим материалом, в котором поглощение и излучение происходит на различных компонентах материала. Неорганический люминесцентный материал может содержать первый компонент, который поглощает свет в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной областях электромагнитного спектра, при желании в области от 300 нм до 1420 нм, и второй компонент, который излучает свет с большей длиной волны, чем поглощает первый компонент, и происходит перенос энергии между первым и вторым компонентом, так что материал поглощает свет в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, опционально в области от 300 нм до 1420 нм, и излучает с большей длиной волны, и свет с большей длиной волны обладает подходящей энергией, чтобы создать напряжение в фотогальваническом элементе.
Неорганический люминесцентный материал может быть неорганическим материалом, в котором поглощение и излучение происходит на разных ионах в материале. Неорганический люминесцентный материал может содержать неорганический исходный материал, который легирован первым ионом, на котором происходит поглощение, и вторым ионом, на котором происходит излучение. В таких материалах перенос энергии от первого иона ко второму иону будет происходить после поглощения падающего света первым ионом, так что второй ион возбуждается до состояния, которое позволит ему излучать свет. Первый ион предпочтительно является ионом, который поглощает в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, опционально, в области от 300 нм до 1420 нм. Первый ион может выбираться из Ce3+, Eu2+ и Yb2+ . Второй ион может быть редкоземельным ионом, который может выбираться из Pr3+, Er3+, Nd3+, Ho3+, Yb3+, Tm3+, Sm3+, Dy3+, Mn2+, Yb2+ и Eu2+. Второй ион может быть ионом переходного металла, включающим, но без ограничения, ионы переходного металла d3, которые могут выбираться из V2+, Cr3+, Mn4+ и Fe5+.
Излучение света на втором ионе может быть запрещенным переходом, как описано выше; неорганический люминесцентный материал, который содержит неорганический исходный материал, который легирован первым ионом, на котором происходит поглощение, и вторым ионом, на котором происходит излучение, может быть неорганическим фосфоресцирующим материалом. Такие фосфоресцирующие неорганические материалы включают в себя, но без ограничения, Gd3Ga5O12; Ce, Cr, в которых Gd3Ga5O12 является исходным материалом, Ce в его катионной форме является первым ионом, а Cr в его катионной форме является вторым ионом. Этот материал поглощает в диапазоне от 300 до 500 нм (допустимое оптическое поглощение посредством Ce3+) и излучает на 730 нм (через переход на Cr3+, этот переход является квантовым механически запрещенным переходом). Такие материалы являются выгодными, так как уменьшается повторное поглощение излученных фотонов.
Первый и второй ионы в неорганическом фосфоре могут присутствовать в любом подходящем количестве, в зависимости от нужных уровней поглощения и/или излучения. Первый ион может присутствовать в неорганическом исходном материале в количестве от 0,5 до 5 мольных процентов. Второй ион может присутствовать в неорганическом исходном материале в количестве от 0,5 до 5 мольных процентов.
Излучение света на втором ионе может быть обусловлено разрешенным электронным переходом; неорганический люминесцентный материал, который содержит неорганический исходный материал, который легирован первым ионом, на котором происходит поглощение, и вторым ионом, на котором происходит излучение, может быть неорганическим флуоресцирующим материалом. Второй ион может выбираться из Eu2+ и Yb2+. Подходящие материалы включают в себя, но не ограничиваются CaAlSiN3; Ce, Eu, в которых CaAlSiN3 является исходным материалом, Ce3+ является первым ионом, а Eu2+ является вторым ионом. Этот материал поглощает в сине-зеленом спектре и излучает в диапазоне от 630 до 655 нм.
Первый и второй ионы в неорганическом флуоресцирующем материале могут присутствовать в любом подходящем количестве, в зависимости от нужных уровней поглощения и/или излучения. Первый ион может присутствовать в неорганическом исходном материале в количестве от 0,5 до 5 мольных процентов. Второй ион предпочтительно присутствует в неорганическом флуоресцирующем материале в количестве 0,5 или менее мольных процентов, предпочтительно 0,2 или менее мольных процентов, наиболее предпочтительно 0,1 или менее мольных процентов. Второй ион предпочтительно присутствует в неорганическом флуоресцирующем материале в количестве 0,01 или более мольных процентов. Авторы изобретения обнаружили, что снижение количества второго иона нижеуказанных выше уровней уменьшает поглощение излученных фотонов, что, в свою очередь, увеличивает эффективность фотогальванического генератора.
Неорганический люминесцентный материал может содержать частицы, содержащие полупроводник, которые имеют подходящий размер для флуоресценции; такие частицы, содержащие полупроводник, в этом документе будут называться квантовыми частицами. Неорганический люминесцентный материал может содержать квантовые точки, квантовые стержни и квантовые частицы с ядром и оболочкой. Квантовые точки, квантовые стержни и квантовые частицы с ядром и оболочкой являются частицами, содержащими полупроводник, которые имеют подходящий размер для флуоресценции. Квантовые стержни являются частицы с удлиненной формой. Квантовые частицы с ядром и оболочкой являются частицами, содержащим ядро из полупроводникового материала, имеющее покрытие из дополнительного материала, который при желании может покрывать всю поверхность ядра; дополнительный материал может быть материалом, выбранным из полупроводникового и/или диэлектрического материала. Частицы обычно имеют диаметр от 1 до 50 нм. Длина волны излучения, на которой будут флуоресцировать частицы, зависит от свойства полупроводникового материала, размера, формы частиц и от наличия оболочки/покрытия, окружающего отдельные частицы. Чем крупнее частицы, тем меньше энергия, с которой частица будет излучать свет при флуоресценции. Неорганический люминесцентный материал предпочтительно содержит частицы, содержащие полупроводник, которые излучают свет при флуоресценции, имея энергию фотона, которая выше запрещенной зоны солнечного элемента. Частицы, например квантовые точки, квантовые стержни и квантовые частицы с ядром и оболочкой, признаны полезными, так как они обычно имеют широкий спектр поглощения, но узкий спектр излучения.
Частицы, содержащие полупроводник, могут содержать частицы, содержащие полупроводниковый материал, выбранный из одного или нескольких из одноэлементного полупроводника группы IV, например кремния (Si) и германия (Ge); составных полупроводников группы IV, например, германида кремния (SiGe); полупроводников группы III-V, например антимонида алюминия (AlSb), арсенида алюминия (AlAs), фосфида алюминия (AlP), фосфида бора (BP), арсенида бора (BAs), антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP), антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs), нитрида индия(InN), фосфида индия (InP); трехкомпонентных полупроводниковых сплавов III-V, например арсенида алюминия-галлия (AlGaAs, AlxGa1-xAs), арсенида индия-галлия (InGaAs, InxGa1-xAs), фосфида индия-галлия (InGaP), арсенида алюминия-индия (AlInAs), антимонида алюминия-индия (AlInSb), нитрида арсенида галлия (GaAsN), фосфида арсенида галлия (GaAsP), фосфида алюминия-галлия (AlGaP), нитрида индия-галлия (InGaN), антимонида арсенида индия (InAsSb), антимонида индия-галлия (InGaSb); четырехкомпонентных полупроводниковых сплавов III-V, например фосфида алюминия-галлия-индия (AlGaInP, также InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP), фосфида арсенида алюминия-галлия (AlGaAsP), фосфида арсенида индия-галлия (InGaAsP), фосфида арсенида алюминия-индия (AlInAsP), нитрида арсенида алюминия-галлия (AlGaAsN), нитрида арсенида индия-галлия (InGaAsN), нитрида арсенида индия-алюминия (InAlAsN), нитрида антимонида арсенида галлия (GaAsSbN); пятикомпонентных полупроводниковых сплавов III-V, например, антимонида арсенида нитрида галлия-индия (GaInNAsSb), фосфида антимонида арсенида галлия-индия (GaInAsSbP); полупроводников II-VI, например, селенида кадмия (CdSe), сульфида кадмия (CdS), теллурида кадмия (CdTe), селенида цинка (ZnSe), сульфида цинка (ZnS), теллурида цинка (ZnTe); трехкомпонентных полупроводниковых сплавов II-VI, например теллурида кадмия-цинка (CdZnTe, CZT), теллурида ртути-кадмия (HgCdTe), теллурида ртути-цинка (HgZnTe), селенида ртути-цинка(HgZnSe); полупроводников I-VII, например медистого хлорида (CuCl); полупроводников IV-VI, например, селенида свинца (PbSe), сульфида свинца (PbS), теллурида свинца(PbTe), сульфида олова (SnS), теллурида олова (SnTe); трехэлементных полупроводников IV-VI, например, теллурида свинца-олова (PbSnTe), теллурида таллия-олова (Tl2SnTe5), теллурида таллия-германия (Tl2GeTe5); полупроводников V-VI, например, теллурида висмута (Bi2Te3); полупроводников II-V, например фосфида кадмия (Cd3P2), арсенида кадмия (Cd3As2), антимонида кадмия (Cd3Sb2), фосфида цинка (Zn3P2), арсенида цинка (Zn3As2), антимонида цинка (Zn3Sb2); и других, включающих йодид свинца (II) (PbI2), селенид галлия (GaSe), сульфид олова (SnS), сульфид висмута (Bi2S3); селенид меди-индия-галлия (CIGS); силицид платины (PtSi), йодид висмута (III) (BiI3), йодид ртути(II) (HgI2), бромид таллия(I) (TlBr), двуокись урана (UO2) и трехокись урана (UO3).
В предпочтительном варианте осуществления квантовые частицы, например квантовые точки, квантовые стержни и квантовые частицы с ядром и оболочкой, содержат полупроводниковый материал с запрещенной зоной с непрямыми переходами, включая, но без ограничения, Si и GaP. Обнаружено, что такие материалы с меньшей вероятностью повторно поглощают излученные фотоны.
Частицы, содержащие полупроводник, которые имеют подходящий размер, позволяющий им флуоресцировать, например, квантовые точки, квантовые стержни и квантовые частицы с ядром и оболочкой, могут быть созданы любым известным специалисту способом, включая, но без ограничения, методы использования жидких реактивов, химическое осаждение (металлоорганических) соединений из паровой фазы и методы лазерной абляции.
В другом предпочтительном варианте осуществления используются квантовые частицы с ядром и оболочкой. Как упоминалось выше, квантовые частицы с ядром и оболочкой являются частицами, содержащим ядро из полупроводникового материала, имеющее покрытие из дополнительного материала, который опционально может покрывать всю поверхность ядра; дополнительный материал может быть материалом, выбранным из полупроводникового и/или диэлектрического материала, и если дополнительный материал содержит полупроводниковый материал, то он может быть таким, как описано в этом документе. Излучение может происходить через границу раздела между ядром и его покрытием, затрагивая заряды одного вида в ядре и другого вида в оболочке, что приводит к большому Стоксову сдвигу. CdTe/CdSe квантовые частицы с ядром и оболочкой демонстрируют этот эффект. Соответственно, квантовые частицы с ядром и оболочкой могут содержать частицы, содержащие ядро из CdTe, имеющее покрытие из CdSe.
В варианте осуществления квантовые частицы с ядром и оболочкой могут быть удлиненными и могут содержать квантовые стержни. Квантовые стержни CdTe/CdSe проявляют меньшее спектральное наложение, чем сферические системы; это очень выгодно для сокращения потерь на повторное поглощение. Соответственно, квантовые частицы с ядром и оболочкой могут содержать удлиненные частицы, при желании квантовые стержни, содержащие ядро из CdSe, имеющее покрытие из CdS.
Неорганический люминесцентный материал может содержать первый компонент, который поглощает свет в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, опционально в области от 300 нм до 1420 нм, и второй компонент, который излучает свет с большей длиной волны, чем поглощает первый компонент, и происходит перенос энергии между первым и вторым компонентом, так что материал поглощает свет в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, опционально в области от 300 нм до 1420 нм, и излучает с большей длиной волны, и свет с большей длиной волны обладает подходящей энергией, чтобы создать напряжение в фотогальваническом элементе, и первый и второй компонент могут независимо содержать квантовые частицы, и квантовые частицы при желании выбираются из квантовых точек, квантовых стержней и квантовых частиц с ядром и оболочкой.
Неорганический люминесцентный материал может содержать первый набор квантовых частиц, которые поглощают свет в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, опционально в области от 300 нм до 1420 нм, и второй набор квантовых частиц, которые излучают свет с большей длиной волны, чем поглощает первый набор квантовых частица, и происходит перенос энергии между первым и вторым наборами квантовых частиц, так что материал поглощает свет в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, опционально в области от 300 нм до 1420 нм, и излучает с большей длиной волны, и свет с большей длиной волны обладает подходящей энергией, чтобы создать напряжение в фотогальваническом элементе.
Неорганический люминесцентный материал может содержать смесь квантовых частиц, которые могут иметь, например, разные размеры, формы и/или содержать разные материалы. Неорганический люминесцентный материал может, например, содержать смесь квантовых частиц, опционально выбранных из квантовых точек, квантовых стержней и систем с ядром и оболочкой, имеющих большие и малые размеры. Например, неорганический люминесцентный материал может содержать и/или быть образован из первого набора квантовых частиц подходящего размера, чтобы поглощать свет в ультрафиолетовой и/или видимой и/или инфракрасной области электромагнитного спектра, при желании в области от 300 нм до 1420 нм, и второго набора квантовых частиц подходящего размера, так что они излучают с большей длиной волны, чем поглощает первый набор квантовых частиц, и происходит перенос энергии между первым и вторым набором квантовых частиц. Предпочтительно, первый набор квантовых частиц будет иметь меньший объемный средний диаметр, нежели второй набор квантовых частиц, и первый набор квантовых частиц будет присутствовать в неорганическом люминесцентном материале в большей пропорции, чем второй набор квантовых частиц. Неорганический люминесцентный материал, который содержит первый и второй наборы квантовых частиц, может иметь Стоксов сдвиг в 50 нм или более, еще предпочтительнее 80 нм или более, еще предпочтительнее 100 нм или более.
В предпочтительном варианте осуществления второй набор квантовых частиц имеет объемный средний диаметр, больший либо равный боровскому радиусу экситона в полупроводниковом материале, из которого они сделаны, и первый набор квантовых частиц имеет объемный средний диаметр, который меньше боровского радиуса экситона в полупроводниковом материале, из которого они сделаны. Размеры частиц, а отсюда и объемный средний диаметр могут измеряться, например, с использованием ширины пика рентгеновской дифракции, с использованием электронной микроскопии или с использованием инструмента Malvern Nanosizer. Боровский радиус экситона в полупроводниковом материале зависит от определенного материала и обычно составляет от 1 до 10 нм. Он определяется эффективными массами носителей заряда в полупроводнике и диэлектрической постоянной полупроводника.
Объемное отношение (объем второго набора квантовых частиц:объем всех квантовых частиц) в люминесцентном материале предпочтительно равно 1:100 или менее, предпочтительно 1:200 или менее. Малое количество излучающих квантовых частиц относительно поглощающих квантовых частиц признано выгодным в том, что обнаружено сокращение повторного поглощения излученных фотонов.
В другом варианте осуществления используется два или более разных типов квантовых точек и/или квантовых стержней и/или систем с ядром и оболочкой. Квантовый блок, который формирует излучение, которое должно быть принято фотогальваническим элементом, должен присутствовать в небольших количествах, как указано выше.
Квантовые частицы могут быть рассредоточены в прозрачной матрице с использованием любой известной методики, например упомянутой выше, применяющей жидкий прекурсор. В предпочтительном способе жидкий прекурсор является жидкостью, содержащей неполимеризованный или частично полимеризованный прекурсор для полимера и квантовых частиц, и неполимеризованный или частично полимеризованный прекурсор полимеризуется или дополнительно полимеризуется для образования прозрачной матрицы, в которой рассредоточены квантовые частицы. Например, полимер может содержать PMMA, и жидкий прекурсор содержит растворитель, MMA и квантовые частицы.
Дисперсия квантовых частиц в PMMA может производиться следующим образом. При энергичном перемешивании подходящее количество коллоидного раствора квантовых частиц (наночастица при желании покрывается с использованием процедур TOP/TOPO, растворителем при желании является толуол) можно добавить в дистиллированный MMA (метилметакрилат) и подходящий радикальный инициатор (например, азо-бис-изобутиронитрил (AIBN) 0,05-0,2% по весу). Дисперсию MMA/квантовых частиц затем можно нагревать, например на термостатической "водяной бане" при температуре около 90°C в течение 20 минут, до тех пор, пока дисперсия не будет иметь подходящую вязкость для разливки (преполимеризация), а затем дисперсия разливается в подходящие формы. Формы могут дополнительно нагреваться, например, в печи при 60°C для постполимеризации, чтобы образовать дисперсию квантовых частиц в PMMA. Пластины можно сделать плоскими и отполировать.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что эффективность фотогальванического генератора будет зависеть от баланса факторов, включающих, но без ограничения, длины волн поглощения и излучения у люминесцентного материала, величину повторного поглощения, которое происходит в люминесцентном материале, и запрещенную зону в фотогальваническом элементе. Неорганический люминесцентный материал предпочтительно излучает свет, обладающий энергией (при максимальной интенсивности излучения) по меньшей мере в 1,05 раза выше ширины запрещенной зоны в фотогальваническом элементе. Чтобы максимизировать эффективность, люминесцентный материал предпочтительно должен поглощать в широком диапазоне длин волн. Обнаружено, что он должен поглощать при длинах волн больше примерно 300 нм. Так как фотонный поток быстро уменьшается для фотонов с энергиями выше 1 эВ (около 1420 нм), то неорганическому люминесцентному материалу нужно только поглощать вплоть до длин волн около 1420 нм. Однако, чтобы минимизировать повторное поглощение, наложение между спектром поглощения и спектром излучения должно быть как можно меньше, что обычно соответствует большому Стоксову сдвигу. Предпочтительно, чтобы неорганический люминесцентный материал обладал высокой границей полосы поглощения λa, где λa - длина волны, которая соответствует энергии, которая на 20% или более превышает ширину запрещенной зоны в фотогальваническом элементе (обе энергии измеряются в одинаковых единицах, например эВ).
Таблица I ниже показывает диапазон полупроводниковых материалов, которые могут использоваться в фотогальваническом элементе, их запрещенные зоны (заданные в нм), предпочтительные диапазоны поглощения и излучения у люминесцентного материала, который следует использовать вместе с полупроводниковыми материалами, и предпочтительные излучающие ионы, которые следует использовать вместе с полупроводниковыми материалами.
Хотя полупроводниковые материалы, обладающие широкими запрещенными зонами, обычно будут формировать более высокое напряжение, чем материалы с узкими запрещенными зонами, они имеют недостаток в том, что ширина спектра поглощения, который может использоваться в ассоциированном люминесцентном материале, меньше, чем для полупроводниковых материалов, имеющих узкие запрещенные зоны. Другими словами, для полупроводниковых материалов с широкими запрещенными зонами величина электромагнитного спектра, который может использоваться для поглощения в люминесцентном материале, будет меньше, чем для полупроводниковых материалов с узкими запрещенными зонами, поэтому процент падающих фотонов, преобразованных в электричество, будет меньше, и эффективность может быть ниже. В Таблице I видно, что CdTe и GaInP обладают более широкой запрещенной зоной, чем другие показанные полупроводниковые материалы (соответствующей более короткой длине волны запрещенной зоны, чем другие материалы), но ширина спектра поглощения у ассоциированного люминесцентного материала, который может использоваться с CdTe и GaInP, относительно мала по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что запрещенная зона материала в фотогальваническом элементе предпочтительно равна по меньшей мере 750 нм (или примерно максимальной ширине запрещенной зоны в 1,65 эВ). Соответственно, фотогальванический элемент предпочтительно содержит полупроводниковый материал, выбранный из Ge, GaInAs, CuInSe2, Si и GaAs.
| Таблица I | ||||
| Полупроводниковый материал в фотогальваническом элементе | Запрещенная зона (нм) полупроводникового материала | Предпочтительный диапазон поглощения (нм) люминесцентного материала | Предпочтительный диапазон излучения (нм) люминесцентного материала | Излучающие ионы, материалы |
| Ge | 1770 | 300-1420 | 1180-1680 | Er3+ |
| GaInAs | 1420 | 300-990 | 1120-1180 | |
| CuInSe2 | 1180 | 300-950 | 1075-1120 | |
| Si | 1125 | 300-900 | 840-1075 | Cr3+, Nd3+, Yb3+ |
| GaAs | 885 | 300-710 | 675-840 | Cr3+, Fe3+ |
| CdTe | 710 | 300-570 | 620-675 | Mn4+, Eu2+ |
| GaInP | 650 | 300-520 | -620 | Mn2+, Mn4+, Eu2+ |
Таблица I выше показывает сочетания полупроводниковых материалов и излучающих ионов, которые увеличили бы эффективность устройства, большей частью для волновода, который содержит только один тип люминесцентного материала и/или излучающего компонента. Волновод и/или устройство могут содержать множество типов люминесцентного материала и/или излучающих компонентов.
Конструкция фотогальванического генератора
Как обсуждалось выше, настоящее изобретение предоставляет фотогальванический генератор, содержащий фотогальванический элемент, и волновод, содержащий прозрачную матрицу, имеющую (i) частицы из неорганического люминесцентного материала, рассредоточенные в ней, и/или (ii) неорганический люминесцентный материал, который располагается по меньшей мере на одной ее стороне, где волновод ассоциирован с фотогальваническим элементом, так что при использовании по меньшей мере часть света, излученного из люминесцентного материала, поступает в фотогальванический элемент, чтобы создать напряжение в элементе.
Волновод и/или прозрачная матрица могут иметь множество сторон. В варианте осуществления фотогальванический элемент располагается по меньшей мере на одной стороне волновода. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один фотогальванический элемент располагался на каждой из двух сторон волновода. Прозрачная матрица может иметь первую сторону, через которую свет входит в прозрачную матрицу, и сторону, противоположную первой стороне, причем оставшаяся сторона или стороны прозрачной матрицы называются боковой стороной или сторонами. Один или несколько фотогальванических элементов предпочтительно располагаются на боковой стороне или сторонах.
В варианте осуществления светофильтр располагается по меньшей мере на одной стороне волновода или прозрачной матрицы. Светофильтр предпочтительно пропускает свет, который будет поглощаться люминесцентным материалом, но будет отражать свет, который излучается люминесцентным материалом. Подходящим фильтром является интерференционный фильтр. Такие фильтры известны специалисту и состоят из слоев материалов с чередующимися большими и малыми значениями показателя преломления. Предпочтительные интерференционные фильтры включают в себя, но без ограничения, фильтры, содержащие чередующиеся слои SiO2 (показатель преломления=1,46) и TiO2 (показатель преломления=2,42) или Ta2O5 (показатель преломления=2,17), или фильтры, состоящие из чередующихся органических слоев с низким и высоким показателем преломления.
Предпочтительно, чтобы отражающие материалы, которые отражают как свет, который будет поглощен, так и свет, который излучается, располагались на сторонах или частях сторон волновода, отличных от сторон или частей сторон, на которых располагается фотогальванический элемент и через которые свет входит в прозрачную матрицу. Отражающий материал может содержать, например, белый отражающий материал и/или зеркало. Белый отражающий материал может содержать белый гранулированный материал, например, содержащий частицы TiO2. Специалисту известны подходящие материалы.
В варианте осуществления частицы неорганического люминесцентного материала рассредоточены в прозрачной матрице, и прозрачная матрица имеет множество сторон, при этом расположенным по меньшей мере на одной стороне матрицы является фотогальванический элемент, расположенным по меньшей мере на одной стороне является светофильтр, оставшиеся стороны имеют расположенные на них отражающие материалы, которые отражают как свет, который будет поглощен, так и свет, который излучается неорганическим люминесцентным материалом.
В варианте осуществления неорганический люминесцентный материал располагается на стороне прозрачной матрицы. Слой, содержащий, по существу состоящий или состоящий из неорганического люминесцентного материала, может располагаться на стороне прозрачной матрицы. Если слой по существу состоит из неорганического люминесцентного материала, то предпочтительно менее 5 весовых процентов, еще предпочтительнее менее 2 весовых процентов, наиболее предпочтительно менее 1 весового процента других материалов присутствует в слое. Неорганический люминесцентный материал может быть расположен на поверхности прозрачной матрицы, при желании в виде слоя или включенным в слой или пленку. Сторона прозрачной матрицы, на которой располагается люминесцентный материал, предпочтительно находится напротив стороны, через которую свет входит в волновод, и предпочтительно один или несколько фотогальванических элементов располагаются на одной или нескольких боковых сторонах. Слой из неорганического люминесцентного материала предпочтительно будет иметь достаточную толщину, так что по меньшей мере 90% излученных фотонов в люминесцентном материале проходит обратно в волновод. Отражающий материал может быть расположен на внешней стороне неорганического люминесцентного материала, чтобы способствовать отражению излученных фотонов обратно в волновод.
В варианте осуществления фотогальванический генератор дополнительно содержит дифракционный элемент, который будет разделять свет на разные длины волн. Дифракционный элемент может ассоциироваться с волноводом, так что свет, падающий на дифракционный элемент, разделяется на разные длины волн перед входом в волновод. Это выгодно, когда используется больше одного вида фотогальванического элемента. Таким образом, энергию фотона света можно оптимально приспособить к используемому фотогальваническому элементу. Свет с большей энергией фотона приведет тогда к более высоким напряжениям, созданным соответствующими фотогальваническими элементами.
В варианте осуществления устройство может содержать тандемную систему солнечных элементов, в которой в устройство включается последовательность разных солнечных элементов. Разные солнечные элементы предпочтительно содержат материалы с разными запрещенными зонами. Разные солнечные элементы предпочтительно располагаются на боковой стороне устройства, так что в направлении распространения света, то есть в направлении от стороны, через которую свет входит в волновод, запрещенные зоны солнечных элементов уменьшаются.
Волновод и/или прозрачная матрица обычно могут быть кубовидными по форме. Они могут иметь поверхность для входа света, опционально имеющую светофильтр, поверхность напротив поверхности для входа света, причем оставшиеся стороны называются боковыми сторонами. Расстояние между поверхностью для входа света и противоположной поверхностью предпочтительно меньше, чем любое из расстояний между противостоящими боковыми сторонами. Светофильтр предпочтительно располагается на поверхности для входа света. Предпочтительно, чтобы один или несколько фотогальванических элементов располагались на одной или нескольких боковых сторонах. Отражающие материалы, которые отражают как свет, который будет поглощен, так и свет, который излучается, предпочтительно расположены на оставшихся сторонах волновода.
Фиг. 1а и 1b показывают вариант осуществления фотогальванического генератора 1 согласно настоящему изобретению. Прозрачная матрица 2 в волноводе варианта осуществления является кубовидной и может рассматриваться как имеющая верхнюю поверхность, четыре боковые поверхности и нижнюю поверхность. На Фиг. 1а показан вид сверху фотогальванического генератора 1, а на фиг. 1b - боковая проекция фотогальванического генератора 1. Частицы неорганического люминесцентного материала (не показаны) рассредоточены в прозрачной матрице волновода 2. Интерференционный фильтр 3 (не показан на фиг. 1а, показан на фиг. 1b) располагается на верхней поверхности прозрачного волновода, и фотогальванические элементы 4 располагаются на двух противоположных боковых поверхностях волновода. Белые отражающие материалы 5 располагаются на оставшихся поверхностях волновода.
Фиг. 2а и 2b показывают вариант осуществления фотогальванического генератора 1 согласно настоящему изобретению. Волновод варианта осуществления является кубовидным и может считаться имеющим верхнюю поверхность, четыре боковые поверхности и нижнюю поверхность. На Фиг. 2а показан вид сверху фотогальванического генератора 1, а на фиг. 2b - боковая проекция фотогальванического генератора 1. Слой неорганического люминесцентного материала 6 располагается на нижней поверхности прозрачной матрицы в волноводе. Интерференционный фильтр 3 (не показан на фиг. 2а, показан на фиг. 2b) располагается на верхней поверхности прозрачного волновода, и фотогальванические элементы 4 располагаются на двух противоположных боковых поверхностях волновода. Белые отражающие материалы 5 располагаются на оставшихся поверхностях волновода.
На Фиг. 3 показан вариант осуществления тандемного фотогальванического генератора 1 согласно настоящему изобретению. Генератор варианта осуществления является кубовидным и может считаться имеющим верхнюю поверхность, четыре боковые поверхности и нижнюю поверхность. На Фиг. 3 показан вид сверху фотогальванического генератора 1. Генератор содержит множество параллельных фотогальванических элементов 4, и между каждой парой элементов 4 расположена прозрачная матрица 2. На нижней поверхности каждой прозрачной матрицы находится слой неорганического люминесцентного материала (не показан). Интерференционный фильтр (не показан) располагается на верхней поверхности каждой из прозрачных матриц. Белые отражающие материалы располагаются на оставшихся поверхностях прозрачных матриц.
1. Фотогальванический генератор (1), содержащий
фотогальванический элемент (4); и
волновод, содержащий прозрачную матрицу (2), имеющую (i) частицы из неорганического люминесцентного материала, рассредоточенные в ней, и/или (ii) неорганический люминесцентный материал (6), расположенный по меньшей мере на одной ее стороне, при этом волновод ассоциирован с фотогальваническим элементом (4), так что при использовании по меньшей мере часть света, излученного из люминесцентного материала, поступает в фотогальванический элемент (4), чтобы создать напряжение в элементе, при этом неорганический люминесцентный материал имеет максимум поглощения по меньшей мере в одной из ультрафиолетовой области, видимой области и инфракрасной области, ширину линии поглощения 50 нм или более, ширину линии испускания 20 нм или менее и Стоксов сдвиг 50 нм или более.
2. Фотогальванический генератор (1) по п.1, в котором неорганический люминесцентный материал имеет ширину линии поглощения 100 нм или более, ширину линии испускания 10 нм или менее, и Стоксов сдвиг 100 нм или более.
3. Фотогальванический генератор (1) по п.1 или 2, в котором волновод дополнительно содержит интерференционный фильтр (3), расположенный по меньшей мере на одной стороне прозрачной матрицы, причем интерференционный фильтр (3) (i) позволяет пропускание света в волновод в электромагнитной области, которая поглощается неорганическим люминесцентным материалом, и (ii) выборочно отражает свет в электромагнитной области, которая излучается из неорганического люминесцентного материала.
4. Фотогальванический генератор (1) по п.1, в котором прозрачная матрица (2) содержит некристаллический материал, а неорганический люминесцентный материал содержит кристаллический материал.
5. Фотогальванический генератор (1) по п.1, в котором неорганический люминесцентный материал содержит первый компонент, который поглощает свет в области от 300 нм до 1420 нм, и второй компонент, который излучает свет с большей длиной волны, чем поглощает первый компонент, и перенос энергии происходит между первым и вторым компонентом, так что неорганический люминесцентный материал поглощает свет в области от 300 нм до 1420 нм и излучает с большей длиной волны, и свет с большей длиной волны обладает подходящей энергией, чтобы создать напряжение в фотогальваническом элементе.
6. Фотогальванический генератор (1) по п.5, в котором неорганический люминесцентный материал содержит неорганический фосфор.
7. Фотогальванический генератор (1) по п.6, в котором неорганический фосфор содержит неорганический исходный материал, содержащий первый и второй компонент, где первый компонент является ионом, выбранным из Ce3+, Eu2+ или Yb2+, а второй компонент является ионом, выбранным из редкоземельного иона и иона переходного металла.
8. Фотогальванический генератор (1) по п.7, в котором неорганический фосфор содержит Gd3Ga5O12; Ce, Cr.
9. Фотогальванический генератор (1) по п.5, в котором неорганический люминесцентный материал содержит неорганический флуоресцирующий материал.
10. Фотогальванический генератор (1) по п.9, в котором неорганический флуоресцирующий материал содержит неорганический исходный материал, содержащий первый и второй компонент, причем концентрация первого компонента в неорганическом исходном материале выше, чем концентрация второго компонента, и второй компонент присутствует в неорганическом исходном материале в концентрации 0,5 мольного процента или менее.
11. Фотогальванический генератор (1) по п.9, в котором неорганический флуоресцирующий материал содержит CaAlSiN3; Ce, Eu.
12. Фотогальванический генератор (1) по п.5, в котором первый и второй компонент независимо содержат компоненты, выбранные из квантовых точек, квантовых стержней и квантовых частиц с ядром и оболочкой.
13. Волновод для использования в фотогальваническом генераторе (1), содержащий прозрачную матрицу (2), имеющую (i) частицы из неорганического люминесцентного материала, рассредоточенные в ней, и/или (ii) неорганический люминесцентный материал (6), расположенный по меньшей мере на одной ее стороне, при этом неорганический люминесцентный материал имеет максимум поглощения по меньшей мере в одной из ультрафиолетовой области, видимой области и инфракрасной области, ширину линии поглощения 50 нм или более, ширину линии испускания 20 нм или менее и Стоксов сдвиг 50 нм или более.
14. Волновод по п.13, где волновод является волноводом как определено по любому из пп.2-12.
