專利名稱：發(fā)光光伏發(fā)生器以及用在光伏發(fā)生器中的波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光光伏發(fā)生器以及用在光伏發(fā)生器中的波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
光伏發(fā)生器是從光產(chǎn)生電的設(shè)備。過去數(shù)年來(lái)，進(jìn)行了不斷的努力以提高光伏發(fā)生器的效率。具有太陽(yáng)能電池陣列的傳統(tǒng)太陽(yáng)能面板已經(jīng)變得高效，達(dá)到商業(yè)化現(xiàn)在較普遍的程度。然而，這樣的傳統(tǒng)面板具有其缺點(diǎn)。例如，為了最大化功率產(chǎn)額，它們應(yīng)當(dāng)適于在太陽(yáng)穿過天空時(shí)跟隨太陽(yáng)。此外，如果例如在陰天入射光漫射，那么傳統(tǒng)面板不能特別好地產(chǎn)生電。在克服與傳統(tǒng)面板關(guān)聯(lián)的一些問題的努力中，近來(lái)已經(jīng)展開了開發(fā)光伏發(fā)生器的研究，所述光伏發(fā)生器可以用在固定系統(tǒng)中并且可以在外界光漫射時(shí)更高效地工作。已經(jīng)開發(fā)的一種類型的光伏發(fā)生器是發(fā)光光伏發(fā)生器。這種類型的設(shè)備包括光伏電池以及關(guān)聯(lián)的發(fā)光部分。該設(shè)備典型地被設(shè)置成使得入射光進(jìn)入發(fā)光部分，至少一些入射光被吸收，然后發(fā)射和傳送到光伏電池，在那里，光產(chǎn)生電。光的發(fā)光發(fā)射典型地處于所有方向上，從而適當(dāng)?shù)姆瓷淦骼硐氲貞?yīng)當(dāng)圍繞發(fā)光部分的側(cè)面放置以便最小化發(fā)射的光的損耗并且將盡可能多的發(fā)射的光引導(dǎo)到光伏電池。發(fā)光光伏發(fā)生器盡管在理論上有前途，仍然必須達(dá)到允許其商業(yè)上使用的效率。存在改進(jìn)發(fā)光光伏發(fā)生器的效率的持續(xù)的愿望。該領(lǐng)域中的最近研究集中于有機(jī)發(fā)光材料的使用。這在Currie等人的題為 High-Efficiency Organic Solar Concentrators for Photovoltaics (.Science, 11 July 2008, Vol. 321. no. 5886，pp. 226 - 228)的論文中給出了示例。該論文公開了用于利用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電的有機(jī)發(fā)光太陽(yáng)能聚光器。太陽(yáng)能聚光器包括在其表面上具有有機(jī)染料薄膜的玻璃襯底。使用了兩種類型的有機(jī)染料4-( 二氰亞甲基)-2-叔丁基-6-(1，1,7, 7-四甲基久咯呢定基-9-烯基)-4H-吡喃(DCJTB)，一種熒光染料；以及鉬四苯基四苯(platinum tetraphenyltetrabenzoporphyrin) [Pt (TPBP)]，一種磷光染料。上面提到的Currie等人的論文中公開的有機(jī)發(fā)光太陽(yáng)能聚光器與大多數(shù)有機(jī)發(fā)光材料一樣具有相當(dāng)寬的發(fā)射譜。利用這樣的材料，聚光器的發(fā)光部分之外的反射器需要能夠反射大多數(shù)(如果不是全部的話)發(fā)射的光。在光入射的設(shè)備側(cè)面，反射器必須允許適當(dāng)波長(zhǎng)的入射光直達(dá)發(fā)光材料，使得該光可以被吸收，但是其必須防止來(lái)自發(fā)光材料的發(fā)射的光穿過反射器，并且改為反射該光，使得它可以到達(dá)太陽(yáng)能電池。這樣的反射器稱為濾光器或波長(zhǎng)濾波器。提供跨大范圍的波長(zhǎng)反射的濾光器可能是昂貴的。有機(jī)發(fā)光材料還在延長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)遭受退化，尤其是經(jīng)受入射的UV光。

發(fā)明內(nèi)容
希望的是提供對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所公開的光伏發(fā)生器的可替換的或者改進(jìn)的光伏發(fā)生器。其可以例如在效率和/或制造成本方面被改進(jìn)。在第一方面中，本發(fā)明提供了一種用在光伏發(fā)生器中的波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括透明基體(matrix)，該透明基體具有(i)散布于其中的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒和/或(ii)設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料。在第二方面中，本發(fā)明提供了一種包括光伏電池和波導(dǎo)的光伏發(fā)生器，該波導(dǎo)包括透明基體，該透明基體具有(i)散布于其中的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒和/或(ii)設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料，其中波導(dǎo)與光伏電池關(guān)聯(lián)，使得在使用時(shí)從發(fā)光材料發(fā)射的光的至少一些進(jìn)入光伏電池以便在電池中產(chǎn)生電壓。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)發(fā)光材料相對(duì)于有機(jī)發(fā)光材料是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈儾粌A向于在延長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)退化。此外，當(dāng)基于能量轉(zhuǎn)移和/或摻雜有稀土或過渡金屬離子的無(wú)機(jī)材料時(shí)， 它們?cè)试S實(shí)現(xiàn)大的斯托克斯位移(Stokes Shift)，而不導(dǎo)致發(fā)光的大量熱猝滅。而且，如下文所描述的本發(fā)明的某些實(shí)施例可以與易于制造的干涉濾波器一起使用，尤其是其中激發(fā)波長(zhǎng)與發(fā)射波長(zhǎng)之間的波長(zhǎng)差為大且發(fā)射線寬為小的實(shí)施例。在如下文所描述的一個(gè)實(shí)施例中，諸如量子點(diǎn)(quantum dot)、量子棒或核殼系統(tǒng)之類的耐光量子顆粒可以用在無(wú)機(jī)發(fā)光材料中或者用作無(wú)機(jī)發(fā)光材料。再吸收可以通過使用具有間接發(fā)射躍遷的量子顆粒、 使用小和大的量子顆粒而最小化。在其中能量從小的量子顆粒轉(zhuǎn)移到大的量子顆粒的情況下，大的量子顆粒少量存在以防止大的量子顆粒的再吸收。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料具有50nm或更大的吸收線寬、20nm或更小的發(fā)射線寬以及50nm或更大的斯托克斯位移。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料具有IOOnm或更大的吸收線寬、IOnm或更小的發(fā)射線寬以及IOOnm或更大的斯托克斯位移。在一個(gè)實(shí)施例中，所述波導(dǎo)進(jìn)一步包括設(shè)置在透明基體的至少一側(cè)處的干涉濾波器，該干涉濾波器(i)允許由無(wú)機(jī)發(fā)光材料吸收的電磁區(qū)域內(nèi)的光透射到波導(dǎo)中，以及 (ii)選擇性地反射從無(wú)機(jī)發(fā)光材料發(fā)射的電磁區(qū)域內(nèi)的光。在一個(gè)實(shí)施例中，所述透明基體包含非晶體材料并且無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括晶體材料。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括吸收300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光的第一物種(species)以及發(fā)射比第一物種吸收的波長(zhǎng)更大的波長(zhǎng)的光的第二物種，并且在第一和第二物種之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使得無(wú)機(jī)發(fā)光材料吸收300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光，在更大的波長(zhǎng)處發(fā)射，并且更大波長(zhǎng)的光處于適當(dāng)?shù)哪芰恳员阍诠夥姵刂挟a(chǎn)生電壓。吸收 300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光的物種是吸收300nm_1420nm區(qū)域的至少一部分內(nèi)的光的物種； 它無(wú)需跨整個(gè)該范圍吸收。第一物種的最大吸收的波長(zhǎng)可以位于300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料具有高波長(zhǎng)吸收極限Xa，其中Xa是與比光伏電池中的帶隙能量大20%或更多(20% or more than)的能量相應(yīng)的波長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括在不同波長(zhǎng)處吸收的多種類型的第一物種以及在特定波長(zhǎng)處發(fā)射的單種類型的第二物種，并且發(fā)光材料優(yōu)選地為線發(fā)射器。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這是有利的，因?yàn)樗沟盟霾牧夏軌蚓哂袑挼奈辗秶?，但是基本上僅在具有窄的帶寬的單一波長(zhǎng)處發(fā)射。在所述設(shè)備中可以使用多種不同的無(wú)機(jī)發(fā)光材料，這些不同的材料彼此在不同的波長(zhǎng)上具有吸收，但是具有彼此相同或基本上相同(例如在大約20nm內(nèi))的發(fā)射峰，并且優(yōu)選地這些無(wú)機(jī)發(fā)光材料是線發(fā)射器。如下面所解釋的，這允許實(shí)現(xiàn)相對(duì)廉價(jià)的干涉濾波器，這些干涉濾波器選擇性地僅僅對(duì)于要使用的發(fā)射的波長(zhǎng)是反射的，這節(jié)省了光伏設(shè)備的制造成本。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括無(wú)機(jī)磷光體。該無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括多種類型的無(wú)機(jī)磷光體。在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)磷光體包括包含第一和第二物種的無(wú)機(jī)基質(zhì)(host)材料，其中第一物種是選自Ce3+、Eu2+或的離子，并且第二物種是選自稀土離子和過渡金屬離子的離子。在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)磷光體包括Gd3Ga5O12;Ce，Cr。在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括無(wú)機(jī)熒光材料。在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)熒光材料包括包含第一和第二物種的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料， 該無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中第一物種的濃度大于第二物種的濃度，并且第二物種以0. 5mole% (摩爾百分比)或更少的量存在于無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中。在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)熒光材料包括CaAlSiN3; Ce, Eu。在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括如本文所描述的量子顆粒。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二物種獨(dú)立地包括量子顆粒，這些量子顆?？梢赃x自量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼顆粒。


圖Ia和圖Ib示出了本發(fā)明的光伏發(fā)生器的實(shí)施例，其中無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒散布于透明基體中；
圖加和圖2b示出了本發(fā)明的光伏發(fā)生器的實(shí)施例，其中包含無(wú)機(jī)發(fā)光材料的層設(shè)置在透明基體的一側(cè)；以及
圖3示出了本發(fā)明的串聯(lián)(tandem)光伏發(fā)生器的實(shí)施例，其包括多個(gè)透明基體和鄰接平行光伏電池。包含無(wú)機(jī)發(fā)光材料的層設(shè)置在透明基體的一側(cè)。在附圖中，相似的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了如上文所描述的用在光伏發(fā)生器中的波導(dǎo)以及光伏發(fā)生器。用在波導(dǎo)和光伏電池中的材料
如本文所描述的，透明基體具有(i)散布于其中的包括無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒和/或 ( )設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料。如果透明基體具有散布于其中的包括無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒以及設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料，那么顆粒的無(wú)機(jī)發(fā)光材料以及設(shè)置在透明基體的至少一側(cè)的材料可以是相同或不同的材料并且可以是如本文所描述的。這些顆?？梢园o(wú)機(jī)發(fā)光材料，基本上由無(wú)機(jī)發(fā)光材料組成或者由無(wú)機(jī)發(fā)光材料組成。如果顆粒基本上由無(wú)機(jī)發(fā)光材料組成，那么優(yōu)選地小于5wt%、更優(yōu)選地小于2wt%、最優(yōu)選地小于 lwt%的其他材料存在于顆粒中。無(wú)機(jī)發(fā)光材料優(yōu)選地吸收電磁譜區(qū)域內(nèi)的光，可選地吸收選自電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域的光，并且發(fā)射更大波長(zhǎng)的光。更大波長(zhǎng)的光處于適當(dāng)?shù)哪芰恳员阍诠夥姵刂挟a(chǎn)生電壓。無(wú)機(jī)發(fā)光材料優(yōu)選地吸收300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光。優(yōu)選地，最大吸收峰處于電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)，優(yōu)選地處于300歷-1420歷區(qū)域內(nèi)。優(yōu)選地，吸收峰的線寬是50nm或更大，優(yōu)選地為IOOnm或更大，更優(yōu)選地為150nm或更大，最優(yōu)選地為200nm或更大。線寬是在25° C測(cè)量時(shí)吸收線在半高處的以nm為單位的寬度。所述更大波長(zhǎng)優(yōu)選地與光伏電池中的帶隙能量的至少1.05倍的能量相應(yīng)。優(yōu)選地，不存在或者基本上不存在無(wú)機(jī)發(fā)光材料的吸收譜和發(fā)射譜的重疊。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這降低了無(wú)機(jī)發(fā)光材料發(fā)射的光子的再吸收。優(yōu)選地，無(wú)機(jī)發(fā)光材料中的斯托克斯位移為50nm或更大，更優(yōu)選地為80nm或更大，更優(yōu)選地為IOOnm或更大。所述透明基體可以是技術(shù)人員已知的任何材料，例如，透明基體可以包括選自玻璃和透明聚合物的材料。該透明聚合物可以選自聚(甲基丙烯酸甲酯)聚合物(PMMA，其典型地具有大約1. 49的折射率)和聚碳酸酯聚合物(典型的折射率為大約1. 58)。所述玻璃可以選自任何已知的透明無(wú)機(jī)無(wú)定形材料，包括但不限于包含二氧化硅的玻璃以及選自鈉長(zhǎng)石型、冠型(crown type)和火石型(flint type)的玻璃。不同的玻璃具有不同的折射率，并且如果希望的話，可以基于玻璃的折射率選擇玻璃。例如，鈉長(zhǎng)石型玻璃可以具有大約1.52的折射率。冠型玻璃可以具有大約1.49至1.52的折射率。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，火石型玻璃可以具有從大約1. 58至大約1. 89的折射率，這取決于它的密度和成分。本文中的透明基體包括但不限于這樣的材料，該材料可以透射至少其中發(fā)光材料吸收光的電磁區(qū)域部分以及至少其中發(fā)光材料發(fā)射光的電磁區(qū)域部分中的光。它優(yōu)選地可以至少部分地透射跨300-2000nm區(qū)域的光，可選地透射跨整個(gè)該區(qū)域的光?？蛇x地， 無(wú)機(jī)發(fā)光材料的折射率是透明基體的折射率的93%-107%，可選地為透明基體的折射率的 95%-105%，可選地為透明基體的折射率的98%-10洲。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)光材料的折射率與透明基體的折射率相同或基本上相同時(shí)，可以提高效率。這避免了顆粒與基體之間的界面處的光散射。具有大范圍的折射率的用在透明基體中或者用作透明基體的透明材料是已知的，并且選擇適當(dāng)?shù)牟牧咸幱诩夹g(shù)人員的技能之內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，透明基體包含非晶體材料或者為非晶體材料并且無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括晶體材料或者為晶體材料。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在玻璃摻雜有發(fā)光無(wú)機(jī)離子，使得這些離子處于無(wú)定形環(huán)境內(nèi)的情況下，它們通常不表現(xiàn)出高效的發(fā)光。在本發(fā)明中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)晶體材料作為發(fā)光材料是優(yōu)選的，因?yàn)榘l(fā)光的效率通常比在非晶體材料中高。晶體材料的顆?？梢陨⒉加谄渲械陌蔷w材料(例如包括玻璃或聚合物的無(wú)定形材料)的透明基體的優(yōu)點(diǎn)在于，通?？梢员韧该骶w基體更高效地制造波導(dǎo)，其仍然具有高的發(fā)光效率。無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆?？梢跃哂辛Ⅲw對(duì)稱性。無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆?？梢跃哂腥魏芜m當(dāng)?shù)某叽纭＿@些顆?？梢跃哂欣鐝腎Onm至2mm的體積平均直徑。當(dāng)無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒的折射率與它們散布于其中的基體的折射率相同或者基本上相同時(shí)，顆粒的尺寸不受限制?；w內(nèi)的無(wú)機(jī)顆粒可以具有高達(dá)大約IOOnm的體積平均直徑，優(yōu)選地具有高達(dá)大約 50nm的體積平均直徑。這在顆粒沒有立體對(duì)稱性和/或沒有與透明基體相同或基本上相同的折射率時(shí)是特別優(yōu)選的，因?yàn)樗档土斯獾纳⑸?。無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒的體積平均直徑可以依照技術(shù)人員已知的建立的技術(shù)和裝備來(lái)確定，例如使用電子顯微技術(shù)或者使用馬爾文(Malvern)納米尺寸儀器(商業(yè)上可獲得)來(lái)確定。無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆?？梢酝ㄟ^任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄉ⒉加谕该骰w中。例如，該方法可以包括向透明基體提供液體前驅(qū)(precursor)，將顆粒散布在液體前驅(qū)內(nèi)以及使液體前驅(qū)固化以形成無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒散布于其中的透明基體。液體前驅(qū)可以例如包括固體透明基體材料的熔化形式或者為該熔化形式，并且無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆?？梢陨⒉荚谠撊刍牧现?，該熔化材料然后固化以形成無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒散布于其中的透明基體。液體前驅(qū)可以包括包含透明基體的材料和無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒的液體載體，并且可以移除該液體載體以形成無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒散布于其中的透明基體；透明基體的材料以及無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆?？梢源嬖谟谝后w載體中，作為例如溶液和/或懸浮液?？商鎿Q地，如果固體透明基體包括聚合物，那么液體前驅(qū)可以是包含該聚合物的未聚合或者不完全聚合的前驅(qū)以及無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒的液體，并且該未聚合或者不完全聚合的前驅(qū)可以被聚合或者進(jìn)一步聚合以形成無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒散布于其中的透明基體。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括線發(fā)射器或者為線發(fā)射器。線發(fā)射器是以非常窄的發(fā)射線寬發(fā)射的物種。線發(fā)射器包括但不限于這樣的材料，所述材料具有20nm或更小、優(yōu)選地IOnm或更小、最優(yōu)選地5nm或更小的發(fā)射線寬。線寬是在25° C測(cè)量時(shí)發(fā)射線在半高處的以nm為單位的寬度?？蛇x地，線發(fā)射器發(fā)射波長(zhǎng)為λ 1的光，所述光伏發(fā)生器進(jìn)一步包括設(shè)置在透明基體一側(cè)的濾光器，光通過濾光器進(jìn)入透明基體，該濾光器向后選擇性地將波長(zhǎng)為λ1的發(fā)射的光反射到發(fā)光材料和/或光伏電池，但是優(yōu)選地允許這樣的波長(zhǎng)的光透射通過該濾波器，所述波長(zhǎng)的光將被發(fā)光材料吸收。波長(zhǎng)濾波器優(yōu)選地為干涉濾波器。線發(fā)射器的使用允許使用相對(duì)廉價(jià)的干涉濾波器，從而節(jié)省了光伏設(shè)備的制造成本。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括無(wú)機(jī)熒光材料或無(wú)機(jī)磷光體，該無(wú)機(jī)磷光體是優(yōu)選的。另外在本領(lǐng)域中稱為無(wú)機(jī)磷光材料的無(wú)機(jī)磷光體是技術(shù)人員所已知的。它們包括吸收特定波長(zhǎng)的光并且然后通過量子力學(xué)禁戒電子躍遷(例如自旋或宇稱禁戒躍遷)在另一波長(zhǎng)處發(fā)射的無(wú)機(jī)發(fā)光材料。磷光材料中發(fā)光的持續(xù)通常為大約Ws或更多。然而，在其中發(fā)光歸因于允許的光學(xué)躍遷的一些材料中，例如在摻雜有Eu2+和/或的許多材料中，發(fā)射也可能是緩慢的。在一些磷光材料中，發(fā)光可以持續(xù)數(shù)秒或者甚至數(shù)分鐘。磷光材料相對(duì)于熒光材料是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈冞h(yuǎn)比具有可比的吸收和發(fā)射譜的熒光材料不太可能再吸收通過材料的發(fā)光發(fā)射的光子。這將增大光伏發(fā)生器的效率。無(wú)機(jī)磷光體可以是這樣的無(wú)機(jī)材料，其中吸收和發(fā)射發(fā)生在材料中的相同離子上。無(wú)機(jī)磷光體可以是包含和/或摻雜有過渡金屬和/或稀土離子的無(wú)機(jī)材料。優(yōu)選地，其上發(fā)生吸收和發(fā)射的過渡金屬離子是d3離子，即在其外層d軌道具有3個(gè)電子的離子。d3 離子的實(shí)例包括但不限于V2+、Cr3+、Mn4+*i^5+。無(wú)機(jī)磷光體可以包括這樣的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料， 其摻雜有其上發(fā)生發(fā)射和吸收的離子，典型地?fù)诫s有其上發(fā)生發(fā)射和吸收的單一類型的離子。材料的實(shí)例包括但不限于Al2O3 = Cr和M&Ti04:Mn，其中Al2O3和Ife2TiO4是基質(zhì)材料并且Cr3+和Mn4+是其上發(fā)生發(fā)射和吸收的離子。優(yōu)選地，作用于這些發(fā)射離子的晶體場(chǎng)不太小，因?yàn)榉駝t將遇到寬的發(fā)射譜?？蛇x地，當(dāng)發(fā)射離子處于基質(zhì)材料內(nèi)時(shí)，發(fā)射離子的Dq/B應(yīng)當(dāng)在C/B值為2. 5時(shí)為至少大約2. 1，其中Dq是晶體場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)并且B和C為基質(zhì)材料中的發(fā)射離子的拉卡 (Racah)參數(shù)?；|(zhì)材料內(nèi)的發(fā)射離子的Dq、B和C通常容易在文獻(xiàn)中獲得和/或通過使用已知的技術(shù)測(cè)得。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如上所述的無(wú)機(jī)磷光體是有利的，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谙鄬?duì)較寬的頻率范圍上吸收，然而在非常窄的范圍(即具有窄線寬)上在較長(zhǎng)波長(zhǎng)處發(fā)射。此外，對(duì)于d3離子，吸收帶可以根據(jù)它們摻雜到其中的基質(zhì)材料而變化，但是發(fā)射帶遠(yuǎn)不那么依賴于基質(zhì)材料。 這允許技術(shù)人員相應(yīng)地適應(yīng)性調(diào)節(jié)所述設(shè)備并且依照希望的吸收范圍選擇基質(zhì)材料。基質(zhì)材料中過渡金屬離子和/或稀土離子的量(摩爾份額)典型地為大約0. l-10mole%。如果將這些離子摻雜到材料中以代替其他離子，那么代替的離子的0. 1_10!11016%是過渡金屬離子和/或稀土離子。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以是這樣的無(wú)機(jī)材料，其中吸收和發(fā)射發(fā)生在材料中的不同物種上。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括吸收電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)的，可選地 300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光的第一物種以及發(fā)射比第一物種吸收的波長(zhǎng)更大的波長(zhǎng)的光的第二物種，并且在第一和第二物種之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使得該材料吸收電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)的，可選地300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光，在更大的波長(zhǎng)處發(fā)射，并且更大波長(zhǎng)的光處于適當(dāng)?shù)哪芰恳员阍诠夥姵刂挟a(chǎn)生電壓。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以是這樣的無(wú)機(jī)材料，其中吸收和發(fā)射發(fā)生在材料中的不同離子上。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括摻雜有其上發(fā)生吸收的第一離子以及其上發(fā)生發(fā)射的第二離子的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料。在這樣的材料中，在第一離子吸收入射光之后將發(fā)生從第一離子到第二離子的能量轉(zhuǎn)移，使得第二離子被激發(fā)到允許其發(fā)射光的狀態(tài)。第一離子優(yōu)選地為在電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)，可選地在300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)吸收的離子。第一離子可以選自Ce3+、Eu2+和Yb2+。第二離子可以是稀土離子，其可以選自ft·3+、Er3+、Nd3+、 Ho3+、Yb3\ Tm3+、Sm3+、Dy3+、Mn2+、Yb2+和Eu2+。第二離子可以是過渡金屬離子，包括但不限于 d3過渡金屬離子，其可以選自V2+、Cr3+、Mn4+和狗5+。第二離子上的光發(fā)射可以是如上面所描述的禁戒躍遷；包括摻雜有其上發(fā)生吸收的第一離子以及其上發(fā)生發(fā)射的第二離子的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料的無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以是無(wú)機(jī)磷光材料。這樣的磷光無(wú)機(jī)材料包括但不限于Gd3Ga5O12 ； Ce, Cr，其中Gd3^i5O12是基質(zhì)材料， 處于其陽(yáng)離子形式的Ce是第一離子并且處于其陽(yáng)離子形式的Cr是第二離子。該材料在 300-500nm (Ce3+的允許的光學(xué)吸收)的范圍內(nèi)吸收并且在730nm處發(fā)射(通過Cr3+上的躍遷，該躍遷是量子力學(xué)禁戒躍遷)。這樣的材料是有利的，因?yàn)榘l(fā)射的光子的再吸收被降低。取決于吸收和/或發(fā)射的希望的水平，無(wú)機(jī)磷光體中的第一和第二離子可以以任何適當(dāng)?shù)牧看嬖?。第一離子可以以0.5-5mole%&量存在于無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中。第二離子可以以0. 5-5mole%的量存在于無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中。第二離子上的光發(fā)射可能歸因于允許的電子躍遷；包括摻雜有其上發(fā)生吸收的第一離子以及其上發(fā)生發(fā)射的第二離子的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料的無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以是無(wú)機(jī)熒光材料。第二離子可以選自Eu2+*%2+。適當(dāng)?shù)牟牧习ǖ幌抻贑aAlSiN3;Ce，Eu，其中 CaAlSiN3是基質(zhì)材料，Ce3+是第一離子并且Eu2+是第二離子。該材料在藍(lán)-綠色譜內(nèi)吸收并且在630-655nm的范圍內(nèi)發(fā)射。取決于吸收和/或發(fā)射的希望的水平，無(wú)機(jī)熒光材料中的第一和第二離子可以以任何適當(dāng)?shù)牧看嬖?。第一離子可以以0.5-5mole%&量存在于無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中。第二離子優(yōu)選地以0. 5mole%或更少、優(yōu)選地0. 2mole%或更少、最優(yōu)選地0. Imole%或更少的量存在于無(wú)機(jī)熒光材料中。第二離子優(yōu)選地以0.01!11016%或更多的量存在于無(wú)機(jī)熒光材料中。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將第二離子的量減少到低于上面指出的水平降低了發(fā)射的光子的吸收，這反過來(lái)增大了光伏發(fā)生器的效率。
無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括半導(dǎo)體包含顆粒，所述顆粒具有適當(dāng)?shù)某叽缫栽试S它們發(fā)熒光；這樣的半導(dǎo)體包含顆粒將在這里稱為量子顆粒。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包含量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼顆粒。量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼顆粒是具有適當(dāng)尺寸以允許其發(fā)熒光的半導(dǎo)體包含顆粒。量子棒是形狀上細(xì)長(zhǎng)的顆粒。量子核/殼顆粒是包括半導(dǎo)體材料核的顆粒，所述核在其上具有另一材料的涂層，該涂層可選地可以涂敷核的整個(gè)表面；所述另一材料可以是選自半導(dǎo)體和/或電介質(zhì)材料的材料。顆粒通常具有尺寸為l-50nm的直徑。顆粒發(fā)熒光所在的發(fā)射波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體材料的性質(zhì)以及顆粒的尺寸和形狀并且取決于包圍各顆粒的殼/涂層的存在性。顆粒越大，顆粒發(fā)熒光時(shí)發(fā)射光的能量越低。無(wú)機(jī)發(fā)光材料優(yōu)選地包括發(fā)熒光時(shí)發(fā)射具有高于太陽(yáng)能電池的帶隙的光子能量的光的半導(dǎo)體包含顆粒。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，諸如量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼顆粒之類的物種是有利的，因?yàn)樗鼈兙哂型ǔ閷挼奈兆V，但是具有窄的發(fā)射譜。所述半導(dǎo)體包含顆?？梢园òx自以下一個(gè)或多個(gè)的半導(dǎo)體材料的顆粒:IV族元素半導(dǎo)體，例如硅(Si)和鍺(Ge) ；IV族化合物半導(dǎo)體，例如鍺化硅(SiGe)； III-V族半導(dǎo)體，例如銻化鋁(AlSb)、砷化鋁(AlAs)、磷化鋁(A1P)、磷化硼(BP)、砷化硼 (BAs)、銻化鎵(GaSb)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、氮化銦(InN)、磷化銦αηΡ) ；III-V三元半導(dǎo)體合金，例如砷化鋁鎵(AWaAs，Alxfeil-xAs)、砷化銦鎵(InGaAs，InxGal-xAs )、磷化銦鎵(InGaP)、砷化鋁銦(Al InAs )、銻化鋁銦(Al化釙)、 氮砷化鎵(GaAsN)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鋁鎵(AWaP)、氮化銦鎵(InGaN)、銻砷化銦 (InAsSb)、銻化銦鎵(InGaSb) ；III-V四元半導(dǎo)體合金，例如磷化鋁鎵銦(AWalnP，也為 InAlGaP, InGaAlP, AUnGaP)、磷砷化鋁鎵(AWaAsP)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、磷砷化鋁銦(AlInAsP)、氮砷化鋁鎵(AWaAsN)、氮砷化銦鎵(InGaAsN)、氮砷化銦鋁(InAlAsN)、氮銻砷化鎵(GaAsSbN) ；III-V五元半導(dǎo)體合金，例如銻砷氮化鎵銦(GaInNAsSb)、磷銻砷化鎵銦(GaInAsSbP) ;II-VI半導(dǎo)體，例如硒化鎘(CdSe)、硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)、硒化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)、碲化鋅(ZnTe) ；II-VI三元合金半導(dǎo)體，例如碲化鎘鋅(CdZnTe， CZT)、碲化汞鎘(HgCdTe)、碲化汞鋅(HgZnTe)、硒化汞鋅(HgZnSe) ；I-VII半導(dǎo)體，例如氯化亞銅(CuCl) ； IV-VI半導(dǎo)體，例如硒化鉛(PbSe)、硫化鉛(PbS)、碲化鉛(PbTe)、硫化錫 (SnS)、碲化錫(SnTe) ；IV-VI三元半導(dǎo)體，例如碲化鉛錫(PbSnTe)、碲化鉈錫(T12SnTe5)、 碲化鉈鍺(T12GeTe5) ；V-VI半導(dǎo)體，例如碲化鉍(Bi2Te3) ；II-V半導(dǎo)體，例如磷化鎘 (Cd3P2 )、砷化鎘(Cd3As2 )、銻化鎘(Cd3Sb2 )、磷化鋅(Zn3P2 )、砷化鋅(Zn3As2 )、銻化鋅(Zn3Sb2)；以及其他，包括碘化鉛(II) (PbI2)、硒化鎵(GaSe)、硫化錫(SnS)、硫化鉍 (Bi2S3);硒化銅銦鎵(CIGS);硅化鉬(PtSi)、碘化鉍(III) (BiI3)、碘化汞(II) (HgI2)、溴化鉈(I) (TlBr),二氧化鈾(U02)和三氧化鈾(U03)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，諸如量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼顆粒之類的量子顆粒包括具有間接帶隙的半導(dǎo)體材料，包括但不限于Si和GaP。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這樣的材料不太可能再吸收發(fā)射的光子。具有適當(dāng)?shù)某叽缫栽试S其發(fā)熒光的半導(dǎo)體包含顆粒，例如量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼顆粒，可以通過技術(shù)人員已知的任何方法制成，包括但不限于濕化學(xué)法、(MO)CVD方法以及激光消融方法。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，使用了量子核/殼顆粒。如上面所提到的，量子核/殼顆粒是包括半導(dǎo)體材料核的顆粒，所述核在其上具有另一材料的涂層，該涂層可選地可以涂敷核的整個(gè)表面；所述另一材料可以是選自半導(dǎo)體和/或電介質(zhì)材料的材料，并且如果所述另一材料包括半導(dǎo)體材料，那么它可以是如本文所描述的。發(fā)射可以經(jīng)由核及其涂層之間的界面發(fā)生，涉及核中的一種電荷以及殼中的另一種電荷，其導(dǎo)致更大的斯托克斯位移。CdTe/Cdk量子核/殼顆粒表現(xiàn)出這種效應(yīng)。因此，量子核/殼顆?？梢园ò珻dTe 核的顆粒，所述CdTe核在其上具有Cdk涂層。在一個(gè)實(shí)施例中，量子核/殼顆?？梢允羌?xì)長(zhǎng)的，并且可以包括量子棒。Cdk/CdS 量子棒表現(xiàn)出比球形系統(tǒng)更少的譜重疊；這在降低再吸收損耗中是非常有益的。因此，量子核/殼顆?？梢园?xì)長(zhǎng)的顆粒，可選地為量子棒，包括在其上具有CdS涂層的Cdk核。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括吸收電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)的，可選地300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光的第一物種以及發(fā)射比第一物種吸收的波長(zhǎng)更大的波長(zhǎng)的光的第二物種，并且在第一和第二物種之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使得該材料吸收電磁譜的UV和/ 或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)的，可選地300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光，在更大的波長(zhǎng)處發(fā)射，并且更大波長(zhǎng)的光處于適當(dāng)?shù)哪芰恳员阍诠夥姵刂挟a(chǎn)生電壓，并且第一和第二物種可以獨(dú)立地包括量子顆粒，這些量子顆?？蛇x地選自量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼顆粒。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括吸收電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)的，可選地300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光的第一組量子顆粒以及發(fā)射比第一組量子顆粒吸收的波長(zhǎng)更大的波長(zhǎng)的光的第二組量子顆粒，并且在第一組和第二組量子顆粒之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使得該材料吸收電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)的，可選地300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光，在更大的波長(zhǎng)處發(fā)射，并且更大波長(zhǎng)的光處于適當(dāng)?shù)哪芰恳员阍诠夥姵刂挟a(chǎn)生電壓。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括量子顆粒的混合物，這些量子顆粒可以例如具有不同的尺寸、形狀和/或包括不同的材料。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以例如包括可選地選自量子點(diǎn)、量子棒和核/殼系統(tǒng)的具有大尺寸和小尺寸的量子顆粒的混合物。例如，無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以包括吸收電磁譜的UV和/或可見光和/或紅外區(qū)域內(nèi)的，可選地300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光的適當(dāng)尺寸的第一組量子顆粒以及具有適當(dāng)?shù)某叽?，使得其在比第一組量子顆粒吸收的波長(zhǎng)更大的波長(zhǎng)處發(fā)射的第二組量子顆粒和/或由所述第一組量子顆粒和所述第二組量子顆粒形成，并且在第一組和第二組量子顆粒之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。優(yōu)選地，第一組量子顆粒將具有比第二組量子顆粒更小的體積平均直徑，并且第一組量子顆粒將以比第二組量子顆粒更大的比例存在于無(wú)機(jī)發(fā)光材料中。包括第一組和第二組量子顆粒的無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以具有50nm 或更大、更優(yōu)選地80nm或更大、更優(yōu)選地IOOnm或更大的斯托克斯位移。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第二組量子顆粒具有等于或大于它們由其制成的半導(dǎo)體材料中的激發(fā)子的波爾半徑的體積平均直徑，并且第一組量子顆粒具有小于它們由其制成的半導(dǎo)體材料中的激發(fā)子的波爾半徑的體積平均直徑。顆粒尺寸以及因而體積平均直徑可以例如通過使用XRD峰寬、使用電子顯微術(shù)或者使用馬爾文納米尺寸儀器測(cè)量。半導(dǎo)體材料中的激發(fā)子的波爾半徑取決于特定材料并且通常介于Inm與IOnm之間。它由半導(dǎo)體中的載荷子的有效質(zhì)量以及半導(dǎo)體的介電常數(shù)確定。所述發(fā)光材料中的體積比(第二組量子顆粒的體積所有量子顆粒的體積)優(yōu)選地為1:100或更小，優(yōu)選地為1:200或更小。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于吸收量子顆粒的少量發(fā)射量子顆粒是有利的，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)發(fā)射的光子的再吸收被降低。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用了兩種或更多種不同類型的量子點(diǎn)和/或量子棒和/或核/殼系統(tǒng)。產(chǎn)生要由光伏元件接收的輻射的量子單元應(yīng)當(dāng)以如上面所規(guī)定的小的量存在。量子顆粒可以通過使用任何已知的技術(shù)散布于透明基體中，所述技術(shù)例如上面提到的采用液體前驅(qū)的那些技術(shù)。在一種優(yōu)選的方法中，液體前驅(qū)是包含聚合物的未聚合或者不完全聚合的前驅(qū)以及量子顆粒的液體，并且該未聚合或者不完全聚合的前驅(qū)被聚合或者進(jìn)一步聚合以形成量子顆粒散布于其中的透明基體。例如，所述聚合物可以包括PMMA，并且液體前驅(qū)包括溶劑、MMA和量子顆粒。量子顆粒在PMMA中的散布物(dispersion)可以如下形成。在劇烈的攪拌下，可以將適當(dāng)數(shù)量的量子顆粒膠體溶液(可選地使用Τ0Ρ/Τ0Ρ0過程覆蓋的納米顆粒，溶劑可選地為甲苯)添加到蒸餾的MMA (甲基丙烯酸甲酯)和適當(dāng)?shù)淖杂苫l(fā)劑(例如0. 05-0. 2%的重量的偶氮二異丁腈(AIBN))中。然后，可以例如在恒溫水槽中在大約90° C下將該MMA/ 量子顆粒散布物加熱20分鐘，直到該散布物具有適當(dāng)?shù)恼扯纫员銤沧?預(yù)聚合)，并且然后在適當(dāng)?shù)哪＞咧袧沧⒃撋⒉嘉铩？梢岳缭诳鞠渲性?0° C下進(jìn)一步加熱這些模具以便后聚合，以形成量子顆粒在PMMA中的散布物。板可以平坦化且拋光。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)生器的效率取決于若干因素的平衡，這些因素包括但不限于發(fā)光材料的吸收和發(fā)射波長(zhǎng)、發(fā)光材料中發(fā)生的再吸收的量以及光伏電池中的帶隙。無(wú)機(jī)發(fā)光材料優(yōu)選地發(fā)射具有光伏電池中的帶隙能量的至少1.05倍的能量的光(在最大發(fā)射強(qiáng)度下)。為了最大化效率，發(fā)光材料優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)跨大范圍的波長(zhǎng)吸收。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它應(yīng)當(dāng)在高于大約300nm的波長(zhǎng)處吸收。由于對(duì)于具有高于IeV的能量(大約1420nm)的光子而言，陽(yáng)光的光子通量迅速減少，因而無(wú)機(jī)發(fā)光材料只需吸收高達(dá)大約1420nm的波長(zhǎng)。然而，為了最小化再吸收，吸收譜與發(fā)射譜之間的重疊應(yīng)當(dāng)盡可能小，這通常與大的斯托克斯位移相應(yīng)。優(yōu)選地，無(wú)機(jī)發(fā)光材料具有高波長(zhǎng)吸收極限Xa，其中Xa是與比光伏電池中的帶隙能量大20%或更多的能量相應(yīng)的波長(zhǎng)(兩個(gè)能量均以相同單位(例如eV)度量)。下面的表I示出了可以用在光伏電池中的一系列半導(dǎo)體材料、它們的帶隙(以nm 為單位給出)、應(yīng)當(dāng)與半導(dǎo)體材料一起使用的發(fā)光材料的優(yōu)選的吸收和發(fā)射范圍以及應(yīng)當(dāng)與半導(dǎo)體材料一起使用的優(yōu)選的發(fā)射離子。盡管具有高能量帶隙的半導(dǎo)體材料通常產(chǎn)生比具有低能量帶隙的半導(dǎo)體材料更高的電壓，但是它們具有以下缺點(diǎn)可以用在關(guān)聯(lián)的發(fā)光材料中的吸收譜的寬度小于具有低能量帶隙的半導(dǎo)體材料。換言之，對(duì)于具有高能量帶隙的半導(dǎo)體材料而言，可以用于發(fā)光材料中的吸收的電磁譜的量將小于具有低能量帶隙的半導(dǎo)體材料，因此轉(zhuǎn)換成電的入射光子的百分?jǐn)?shù)將更小，并且效率可能更低。在表I中，可以看出，CdTe和(ialnP具有比所示的其他半導(dǎo)體材料更大的能量帶隙(相應(yīng)于比其他材料更短的帶隙波長(zhǎng))，但是可以與CdTe和 GaInP 一起使用的關(guān)聯(lián)發(fā)光材料的吸收譜的寬度與所述其他半導(dǎo)體材料相比相對(duì)較小。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光伏電池中的材料的帶隙優(yōu)選地為至少750nm (或者大約1. 65eV的最大帶隙能量)。因此，光伏電池優(yōu)選地包括選自Ge、GaInAs, CuInSe2, Si和GaAs的半導(dǎo)體材料。表 I光伏電池中的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的帶隙(nm)發(fā)光材料的優(yōu)選吸收范圍(nm)發(fā)光材料的優(yōu)選發(fā)射范圍(nm)發(fā)射離子，材料Ge1770300 - 14201180-1680Er3+GaInAs1420300-9901120-1180CuInSe21180300 - 9501075-1120Si1125300-900840-1075Cr3+，Nd3+’ Yb3+GaAs885300-710675-840Cr3+, Fe3+CdTe710300-570620-675Mn4+，Eu2+GaInP650300-520-620Mn2+, Mn4+，Eu2+
上面的表I示出了會(huì)增大設(shè)備的效率的半導(dǎo)體材料和發(fā)射離子的組合，其通常用于包含僅僅一種類型的發(fā)光材料和/或發(fā)射物種的波導(dǎo)。該波導(dǎo)和/或設(shè)備可以包含多種類型的發(fā)光材料和/或發(fā)射物種。光伏發(fā)牛器的構(gòu)造
如上面所討論的，本發(fā)明提供了一種包括光伏電池和波導(dǎo)的光伏發(fā)生器，該波導(dǎo)包括透明基體，該透明基體具有(i)散布于其中的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒和/或(ii)設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料，其中波導(dǎo)與光伏電池關(guān)聯(lián)，使得在使用時(shí)從發(fā)光材料發(fā)射的光的至少一些進(jìn)入光伏電池以便在電池中產(chǎn)生電壓。所述波導(dǎo)和/或透明基體可以具有多個(gè)側(cè)面。在一個(gè)實(shí)施例中，光伏電池設(shè)置在波導(dǎo)的至少一側(cè)。優(yōu)選地，至少一個(gè)光伏電池設(shè)置在波導(dǎo)的兩個(gè)側(cè)面的每一個(gè)側(cè)面。透明基體可以具有光通過其進(jìn)入透明基體的第一側(cè)面以及與第一側(cè)面相對(duì)的側(cè)面，透明基體的其余一個(gè)或多個(gè)側(cè)面稱為橫向側(cè)面。所述一個(gè)或多個(gè)光伏電池優(yōu)選地位于所述橫向側(cè)面上。在一個(gè)實(shí)施例中，濾光器設(shè)置在波導(dǎo)或透明基體的至少一側(cè)。濾光器優(yōu)選地允許將被發(fā)光材料吸收的光透射，但是將反射被發(fā)光材料發(fā)射的光。適當(dāng)?shù)臑V波器是干涉濾波器。這樣的濾波器是技術(shù)人員已知的并且包括具有交替的大折射率值和小折射率值的材料層。優(yōu)選的干涉濾波器包括但不限于包含SW2 (折射率=1.46)和TW2 (折射率=2. 42)或 Ta2O5 (折射率=2. 17)的交替層的濾波器，或者包含低折射率和高折射率的交替有機(jī)層的濾波器。優(yōu)選地，反射將被吸收的光和被發(fā)射的光二者的反射材料設(shè)置在波導(dǎo)的側(cè)面或側(cè)面部分上，所述側(cè)面或側(cè)面部分不同于光伏電池設(shè)置于其上并且光通過其進(jìn)入透明基體的側(cè)面或側(cè)面部分。所述反射材料可以包括例如白色反射材料和/或反射鏡。白色反射材料可以包括例如包含TiO2顆粒的白色粒狀材料。適當(dāng)?shù)牟牧鲜羌夹g(shù)人員已知的。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒散布于透明基體中并且透明基體具有多個(gè)側(cè)面，其中光伏電池設(shè)置在基體的至少一側(cè)，濾光器設(shè)置在至少一側(cè)，其余側(cè)面在其上設(shè)置了反射將被吸收的光以及被無(wú)機(jī)發(fā)光材料發(fā)射的光二者的反射材料。在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料設(shè)置在透明基體的側(cè)面處。包括無(wú)機(jī)發(fā)光材料、基本上由無(wú)機(jī)發(fā)光材料組成或者由無(wú)機(jī)發(fā)光材料組成的層可以設(shè)置在透明基體的側(cè)面處。如果該層基本上由無(wú)機(jī)發(fā)光材料組成，那么優(yōu)選地小于5wt%、更優(yōu)選地小于2wt%、最優(yōu)選地小于lwt%的其他材料存在于該層中。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以設(shè)置在透明基體的表面上，可選地作為層或者結(jié)合到層或膜中。發(fā)光材料設(shè)置于其上的透明基體側(cè)面優(yōu)選地與光通過其進(jìn)入波導(dǎo)的側(cè)面相對(duì)，并且優(yōu)選地一個(gè)或多個(gè)光伏電池設(shè)置在所述橫向側(cè)面的一個(gè)或多個(gè)上。無(wú)機(jī)發(fā)光材料層優(yōu)選地具有足夠的厚度，使得發(fā)光材料中至少90%的發(fā)射的光傳回波導(dǎo)中。反射材料可以設(shè)置在無(wú)機(jī)發(fā)光材料的外側(cè)上以便幫助發(fā)射的光反射回波導(dǎo)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述光伏發(fā)生器進(jìn)一步包括衍射元件，其將光分開成不同的波長(zhǎng)。該衍射元件可以與波導(dǎo)關(guān)聯(lián)，使得入射到衍射元件上的光在進(jìn)入波導(dǎo)之前分開成不同的波長(zhǎng)。這在使用超過一種光伏電池時(shí)是有利的。通過這種方式，光的光子能量可以最佳地適于使用的光伏電池。具有較高光子能量的光于是導(dǎo)致相應(yīng)的光伏元件產(chǎn)生較高的電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)備可以包括串聯(lián)太陽(yáng)能電池系統(tǒng)，其中一系列不同的太陽(yáng)能電池包含在該設(shè)備中。這些不同的太陽(yáng)能電池優(yōu)選地包括具有不同帶隙的材料。這些不同的太陽(yáng)能電池優(yōu)選地位于設(shè)備的橫向側(cè)面，使得在光傳播的方向上，即在遠(yuǎn)離光通過其進(jìn)入波導(dǎo)的側(cè)面的方向上，太陽(yáng)能電池的帶隙降低。所述波導(dǎo)和/或透明基體形狀上可以大體為立方形。它可以具有用于允許光進(jìn)入的、可選地其上具有濾光器的表面，與用于允許光進(jìn)入的表面相對(duì)的表面，其余側(cè)面稱為橫向側(cè)面。用于允許光進(jìn)入的表面與其相對(duì)的表面之間的距離優(yōu)選地小于相對(duì)的橫向側(cè)面之間的距離中的任一個(gè)。濾光器優(yōu)選地位于用于允許光進(jìn)入的表面上。優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè)光伏電池位于所述橫向側(cè)面的一個(gè)或多個(gè)上。反射將被吸收的光以及被發(fā)射的光二者的反射材料優(yōu)選地設(shè)置在波導(dǎo)的其余側(cè)面上。圖Ia和圖Ib示出了本發(fā)明的光伏發(fā)生器1的實(shí)施例。該實(shí)施例的波導(dǎo)的透明基體2為立方形并且可以被認(rèn)為具有頂部表面、四個(gè)橫向表面以及底部表面。圖Ia示出了光伏發(fā)生器1的頂視圖，并且圖Ib示出了光伏發(fā)生器1的側(cè)視圖。無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒(未示出)散布于波導(dǎo)2的透明基體中。干涉濾波器3 (圖Ia中未示出，圖Ib中示出)設(shè)置在透明波導(dǎo)的頂部表面上，并且光伏電池4設(shè)置在波導(dǎo)的兩個(gè)相對(duì)橫向表面上。白色反射材料5設(shè)置在波導(dǎo)的其余表面上。圖加和圖2b示出了本發(fā)明的光伏發(fā)生器1的實(shí)施例。該實(shí)施例的波導(dǎo)為立方形并且可以被認(rèn)為具有頂部表面、四個(gè)橫向表面以及底部表面。圖加示出了光伏發(fā)生器1的頂視圖，并且圖2b示出了光伏發(fā)生器1的側(cè)視圖。無(wú)機(jī)發(fā)光材料層6設(shè)置在波導(dǎo)的透明基體的底部表面上。干涉濾波器3 (圖加中未示出，圖2b中示出)設(shè)置在透明波導(dǎo)的頂部表面上，并且光伏電池4設(shè)置在波導(dǎo)的兩個(gè)相對(duì)橫向表面上。白色反射材料5設(shè)置在波導(dǎo)的其余表面上。圖3示出了本發(fā)明的串聯(lián)光伏發(fā)生器1的實(shí)施例。該實(shí)施例的發(fā)生器為立方形并且可以被認(rèn)為具有頂部表面、四個(gè)橫向表面以及底部表面。圖3示出了光伏發(fā)生器1的頂視圖。該發(fā)生器包括若干平行的光伏電池4，并且透明基體2設(shè)置在每對(duì)電池4之間。無(wú)機(jī)發(fā)光材料層(未示出)位于每個(gè)透明基體的底部表面上。干涉濾波器(未示出)設(shè)置在每個(gè)透明基體的頂部表面上。白色反射材料設(shè)置在透明基體的其余表面上。
權(quán)利要求
1.一種光伏發(fā)生器(1)，包括光伏電池(4)；以及包括透明基體(2)的波導(dǎo)，該透明基體具有(i)散布于其中的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒和/ 或(ii)設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料(6)，其中波導(dǎo)與光伏電池(4)關(guān)聯(lián)，使得在使用時(shí)從發(fā)光材料發(fā)射的光的至少一些進(jìn)入光伏電池(4)以便在電池中產(chǎn)生電壓。
2.依照權(quán)利要求1的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)發(fā)光材料具有50nm或更大的吸收線寬、20nm或更小的發(fā)射線寬以及50nm或更大的斯托克斯位移。
3.依照權(quán)利要求1的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)發(fā)光材料具有IOOnm或更大的吸收線寬、IOnm或更小的發(fā)射線寬以及IOOnm或更大的斯托克斯位移。
4.依照權(quán)利要求2或3的光伏發(fā)生器(1)，其中所述波導(dǎo)進(jìn)一步包括設(shè)置在透明基體的至少一側(cè)處的干涉濾波器(3)，該干涉濾波器(3) (i)允許由無(wú)機(jī)發(fā)光材料吸收的電磁區(qū)域內(nèi)的光透射到波導(dǎo)中，以及(ii)選擇性地反射從無(wú)機(jī)發(fā)光材料發(fā)射的電磁區(qū)域內(nèi)的光。
5.依照權(quán)利要求1的光伏發(fā)生器(1)，其中透明基體(2)包含非晶體材料并且無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括晶體材料。
6.依照權(quán)利要求1的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括吸收300nm-1420nm 區(qū)域內(nèi)的光的第一物種以及發(fā)射比第一物種吸收的波長(zhǎng)更大的波長(zhǎng)的光的第二物種，并且在第一和第二物種之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使得無(wú)機(jī)發(fā)光材料吸收300nm-1420nm區(qū)域內(nèi)的光， 在更大的波長(zhǎng)處發(fā)射，并且更大波長(zhǎng)的光處于適當(dāng)?shù)哪芰恳员阍诠夥姵刂挟a(chǎn)生電壓。
7.依照權(quán)利要求6的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括無(wú)機(jī)磷光體。
8.依照權(quán)利要求7的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)磷光體包括包含第一和第二物種的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料，其中第一物種是選自Ce3+、EU2+或 2+的離子，并且第二物種是選自稀土離子和過渡金屬離子的離子。
9.依照權(quán)利要求8的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)磷光體包括Gc^a5O12;Ce，Cr。
10.依照權(quán)利要求6的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)發(fā)光材料包括無(wú)機(jī)熒光材料。
11.依照權(quán)利要求10的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)熒光材料包括包含第一和第二物種的無(wú)機(jī)基質(zhì)材料，該無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中第一物種的濃度大于第二物種的濃度，并且第二物種以0. 5mole%或更小的濃度存在于無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中。
12.依照權(quán)利要求10的光伏發(fā)生器(1)，其中所述無(wú)機(jī)熒光材料包括CaAlSiN3;Ce,Eu。
13.依照權(quán)利要求6的光伏發(fā)生器(1)，其中第一和第二物種獨(dú)立地包括選自量子點(diǎn)、 量子棒和量子核/殼顆粒的物種。
14.一種用在光伏發(fā)生器(1)中的波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括透明基體(2)，該透明基體具有 (i )散布于其中的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒和/或(i i )設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料(6 )。
15.依照權(quán)利要求14的波導(dǎo)，其中該波導(dǎo)如權(quán)利要求2-13中任何一項(xiàng)所限定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光光伏發(fā)生器(1)以及用在這種光伏發(fā)生器中的波導(dǎo)。該光伏發(fā)生器包括光伏電池(4)以及包括透明基體(2)的波導(dǎo)，該透明基體具有散布于其中的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的顆粒和/或設(shè)置在其至少一側(cè)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料(6)。波導(dǎo)與光伏電池(4)關(guān)聯(lián)，使得在使用時(shí)從發(fā)光材料發(fā)射的光的至少一些進(jìn)入光伏電池(4)以便在電池中產(chǎn)生電壓。在優(yōu)選的實(shí)施例中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料是線發(fā)射器并且發(fā)射歸因于材料內(nèi)的禁戒電子躍遷。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以選自無(wú)機(jī)磷光體、無(wú)機(jī)熒光材料以及量子點(diǎn)、量子棒和量子核/殼系統(tǒng)。光伏發(fā)生器(1)是通常因單位面積功率產(chǎn)額不足而不利的已知光伏發(fā)生器的一種可替換方案或改進(jìn)。
文檔編號(hào)H01L31/0232GK102246314SQ200980149696
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者R. 朗達(dá) C., K. G. 德博爾 D. 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司