[发明专利]使用上转换光致发光太阳聚光器将入射辐射转换为电能的器件和方法

说明书

相关申请

本申请主张2009年5月1日提交的美国临时申请第61/174,494号的优先权。该临时申请的全部公开内容以引用的方式并入本案中。

技术领域

本发明涉及上转换光致发光太阳聚光器以及连接至该上转换光致发光太阳聚光器的光伏器件。

背景技术

聚光器可以相当程度地降低来自光伏(photovoltaic，PV)电池的电的成本。常见的聚光器件和技术利用直接辐射分量，因此需要使用一些效率低的方法，例如太阳跟踪。

使用荧光收集器来聚集太阳光的聚光器件是已知的。荧光收集器使用红移(red-shifting)(或通过斯托克位移(stokes shift))将高频紫外线(UV)转换成可见光范围以供光伏电池使用。荧光收集器可包括掺杂有机染料和/或无机化合物的透明板。荧光收集器构造成使得太阳光被染料或化合物吸收后，光子被全向再辐射(re-radiated isotropically)。再辐射光子然后利用内反射被局限于荧光收集器的板内，其中被局限的光子可在板的边缘利用带隙能刚好低于该荧光能量的光伏电池转换为电能。然而，在荧光收集器中，多余的光子能量由于荧光红移(或斯托克位移)被耗散在收集器中而不是在光伏电池中。

由于常规聚光器只能使用UV光谱，因此常规聚光器仅使用总太阳光谱的有限部分。那么，大部分太阳光谱无法被常规聚光器使用于发电。常规聚光器的进一步限制是大气层将太阳光中相当部分的紫外线过滤掉了。

发明内容

上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例包括具有波导介质的波导。该实施例还包括与波导介质接触的上转换发光基团。所述上转换发光基团构造成用以吸收入射光子。所述上转换发光基团也构造成用以发射被发射光子。所述被发射光子的能量比所述入射光子的能量高。

在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，上转换发光基团构造成在吸收所述入射光子之后再吸收第二入射光子，然后发射所述被发射光子，其中所述被发射光子的能量高于所述第二入射光子的能量。

在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，上转换发光基团构造成用以吸收波长在红外范围内的入射光子，然后发射波长在可见和/或近红外范围内的被发射光子。

在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述上转换发光基团被植入所述波导介质内。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述上转换发光基团设置在所述波导介质的表面上。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述上转换发光基团作为一个层、膜或板设置在所述波导介质的表面上。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述波导介质是液体，所述上转换发光基团悬浮在所述液体中。

在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。

在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述波导介质选自非晶质氧化硅、氧化硅、透明塑料、透明液体、玻璃、有机玻璃、掺杂II-VI族半导体的玻璃以及亚克力塑料构成的群组中的一种。

在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述上转换发光基团是H聚集体。在此使用的H聚集体是指显示向蓝移或显示蓝移(hypsochromic shift)的染料。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是稀土离子。在此使用的稀土离子包括稀土离子纳米晶。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是稀土离子纳米晶。稀土离子纳米晶的例子包括(但不限于)钕(Nd³⁺)、镱(Yb³⁺)、铒(Er³⁺)、铥(Tm³⁺)、钬(Ho³⁺)、镨(Pr³⁺)、铈(Ce³⁺)、钇(Y³⁺)、钐(Sm³⁺)、铕(Eu³⁺)、钆(Gd³⁺)、铽(Tb³⁺)、镝(Dy³⁺)和镥(Lu³⁺)。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是镧系元素螫合物(lanthanide chelate)。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是NaYF₄纳米晶。

在另一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括设在波导一侧上的抗反射涂层以及设在抗反射涂层上的光锥(taper)。其中，所述光锥的折射率高于所述波导介质的折射率。