[发明专利]发光转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将入射光的一部分光谱转换为更大波长的发光转换器。此外，本发明涉及这种发光转换器的制造方法以及包含这种发光转换器的太阳能发电机（solar power generator）。

背景技术

US2009/0010608A1公开了一种发光太阳能集中器（luminescent solar concentrator）（LSC），其用于吸收日光光谱的某些部分，其中被吸收的能量以更大的波长再发射，其与相关联的太阳能电池的吸收特性相匹配。在特定实施例中，LSC可以包含PbSe量子点作为发光材料。

发明内容

基于该背景技术，本发明的目的在于提供一种在效率和成本方面具有改善的特性的转换光能尤其是日光光能的装置。

该目的通过根据权利要求1的发光转换器和根据权利要求15的太阳能发电机而得以实现。优选实施例在从属权利要求中披露。

根据本发明的发光转换器，其特征在于其包括发光材料的魔尺寸簇（magic-sized cluster）。魔尺寸簇，以下简写为“MSC”，是一种小的微晶（crystallite），由于其包括特定（“魔”）数目的原子而是热力学稳定的（thermodynamically stable）。构成MSC的原子的数目为离散值，这是因为正是在该离散（魔）数目时可以获得热力学的最小值，而增加或减少原子数目的活化能量将显著大于kT。因此，只有有限数目的MSC的离散尺寸是稳定的。这不同于较大的纳米晶体（例如量子点）的情形，其增多或者移除原子的活化能量接近于或者小于kT，从而原子的数目不必限制为某些离散值。从离散尺寸MSC到QD尺寸的连续统（continuum）的转换在2-3nm的范围内。关于MSC及其制造步骤的更多信息可以在文献（例如，WO2009/120688A1;Evans等的“Ultrabright PbSe Magic-sized Clusters”，Nano Letters，2008, 8(9), 2896-2899；通过参考将这些文献合并入本申请）中找到。

由于多种原因，证明使用MSC作为发光材料是有利的。例如，MSC的吸收和再发射的光谱可以被选择，使得大部分的太阳光谱被吸收，并以与太阳能电池的特性非常匹配的波长再发射，这使得发光转换器适用于发光太阳能集中器（LSC）中。而且，可以使吸收和发射光谱之间的重叠变小，从而使光子再吸收所引起的损耗最小化。此外，MSC通常具有高量子效率，这能够改善发光转换器的性能。

发光转化器的MSC优选是直径不大于3nm的微晶。

而且，MSC优选是对称微晶。这样，表面原子的数目被最小化，产生热力学稳定的成分并具有非常低浓度的晶格缺陷，而该缺陷是可能淬熄发光的。

至于MSC的化学成分，优选包括半导体，最优选地包括分别取自元素周期表中的Ⅳ族和Ⅵ族的两种元素的化合物。其他可能的材料还包括取自元素周期表中的Ⅱ和Ⅵ族、或Ⅲ和Ⅴ族元素的两种元素的化合物。还包括来自Ⅳ族的单一元素的MSC。这种化合物的特别优选的例子包括铅盐，例如PbSe、PbTe或PbS。其他可适用的化合物例如是CdSe、InP、GaAs、以及Si。

MSC可由单一的均匀材料组成。在优选实施例中，MSC覆盖有涂层。这样，可以以取决于所使用的涂层类型的附加积极特征来补充MSC的有利特性。例如，涂层可以包括有机材料和/或无机半导体，比如PbS。例如，涂层可钝化MSC的表面，从而保护MSC并增加发光转换器的寿命。

MSC或MSC的涂层（若存在的话）可选地可以包含有助于将MSC的发射集中在小的波长范围内的线发射掺杂剂。具体地，线发射掺杂剂可以是例如Nd、Dy、Ho、Er或Tm的稀土元素（离子）。

发光转换器的MSC可以全部具有相同尺寸，即，包括正好相同数目的原子。可替换地，发光转换器的MSC可以属于具有不同尺寸的至少两类微晶。由于MSC的吸收和发射性能取决于它们的尺寸，因此通过MSC的尺寸分布能够调整发光转换器的光谱特性。MSC的尺寸最优选地这样选取，使得在不同尺寸的MSC之间能够发生能量转移。

为了减小自吸收造成的损耗，前述实施例中MSC尺寸的分布优选地这样选择，使得MSC的浓度负相关（inversely related）于它们的尺寸（即，大MSC的浓度小于小MSC的浓度）。