聚焦發(fā)光和熱輻射聚光器的制造方法
【專利摘要】本公開涉及一種聚焦發(fā)光聚光器，其中，由宏觀聚光器對(duì)通過在微腔或光子晶體內(nèi)放置吸收器/發(fā)射器獲得的定向發(fā)射進(jìn)行定向并分別聚焦到用于3D或2D聚集的點(diǎn)或線。在此所公開的聚焦發(fā)光聚光器可以提供高聚光比而無(wú)需追蹤，以及可以減少與常見的聚光器有關(guān)的再吸收損失。本公開進(jìn)一步涉及包括聚焦發(fā)光聚光器的光伏電池和/或光學(xué)檢測(cè)器裝置。本公開的裝置和方法也能用在例如太陽(yáng)能、熱及熱光伏應(yīng)用中。
【專利說明】聚焦發(fā)光和熱輻射聚光器
[0001]本申請(qǐng)要求2011年5月13日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/485，896號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其在此通過引用而全部并入。
[0002]本發(fā)明利用美國(guó)政府支持在由U.S.Air Force Office of Scientific Research授權(quán)的FA9550-07-10364下做出。政府享有本發(fā)明一定的權(quán)利。
[0003]所要求保護(hù)的發(fā)明是代表一個(gè)或多個(gè)如下聯(lián)合的大學(xué)公司研究協(xié)議當(dāng)事人和/或與這些當(dāng)事人相關(guān)而完成的:University of Michigan和Global Photonic EnergyCorporation。該協(xié)議在本發(fā)明完成日和之前生效，以及所要求保護(hù)的發(fā)明是作為在該協(xié)議的范圍內(nèi)采取的行動(dòng)的結(jié)果而完成的。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本公開一般涉及聚焦發(fā)光聚光器。本公開進(jìn)一步涉及包括微腔的聚焦發(fā)光聚光器，該微腔包括可以以定向方式吸收和發(fā)射能量的光敏材料。還公開了利用聚焦發(fā)光聚光器，通過將能量聚焦到光敏元件上發(fā)電的方法。本公開的聚焦發(fā)光聚光器可用在例如光伏和熱光伏應(yīng)用和裝置中。
【背景技術(shù)】
[0005]光電裝置依賴于材料的光學(xué)和電子特性來(lái)電子地產(chǎn)生或檢測(cè)電磁輻射或由環(huán)境電磁輻射發(fā)電。
[0006]光敏光電裝置將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電。太陽(yáng)能電池，也稱為光伏(PV)裝置是專用于發(fā)電的一種光敏光電裝置?？梢杂沙?yáng)光以外的光源發(fā)電的PV裝置能用來(lái)驅(qū)動(dòng)耗電負(fù)載來(lái)以提供例如發(fā)光、加熱，或?qū)χT如計(jì)算器、無(wú)線電、計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)視或通信設(shè)備的電子電路或裝置供電。這些發(fā)電應(yīng)用通常還涉及電池或其他儲(chǔ)能裝置的充電使得當(dāng)不能獲得太陽(yáng)或其他光源的直接照射時(shí)操作可以繼續(xù)或平衡具有特定應(yīng)用需求的PV裝置的功率輸出。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)“電阻性負(fù)載”是指任何耗電或存儲(chǔ)電路、裝置、設(shè)備或系統(tǒng)。
[0007]另一種光敏光電裝置是光電導(dǎo)體電池。就其功能而言，信號(hào)檢測(cè)電路監(jiān)視裝置的電阻來(lái)檢測(cè)由于光吸收引起的變化。
[0008]另一種光敏光電裝置是光電檢測(cè)器。操作中，光電檢測(cè)器結(jié)合電流檢測(cè)電路使用，電流檢測(cè)電路測(cè)量當(dāng)光電檢測(cè)器暴露于電磁輻射時(shí)生成的電流并可以具有所施加的偏壓。如在此所述的檢測(cè)電路能向光電檢測(cè)器提供偏壓以及測(cè)量光電檢測(cè)器對(duì)電磁輻射的電子響應(yīng)。
[0009]根據(jù)是否存在下文所述的整流結(jié)以及根據(jù)裝置是否利用外部施加的電壓，也稱為偏壓或偏置電壓進(jìn)行操作來(lái)特征化這三種光敏光電裝置。光電導(dǎo)體電池不具有整流結(jié)并且通常利用偏壓操作。PV裝置具有至少一個(gè)整流結(jié)并且不利用偏壓操作。光電檢測(cè)器具有至少一個(gè)整流結(jié)并且通常但不總是利用偏壓操作。一般而言，光伏電池向電路、裝置或設(shè)備供電，但不提供控制檢測(cè)電路的信號(hào)或電流，或來(lái)自檢測(cè)電路的信息的輸出。與此相反，光電檢測(cè)器或光電導(dǎo)體提供控制檢測(cè)電路的信號(hào)或電流，或來(lái)自檢測(cè)電路的信息的輸出，但不對(duì)電路、裝置或設(shè)備供電。
[0010]傳統(tǒng)上，光敏光電裝置由多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，例如晶體、多晶體或非晶硅、砷化鎵、碲化鎘等等組成。其中，術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體”表示當(dāng)通過熱或電磁激發(fā)，誘發(fā)電荷載流子時(shí)，能導(dǎo)電的材料。術(shù)語(yǔ)“光電導(dǎo)”通常涉及其中電磁輻射能量被吸收，并且由此轉(zhuǎn)換成電荷載流子的激發(fā)能以便載流子能傳導(dǎo)，即傳輸材料中的電荷的過程。在此使用術(shù)語(yǔ)“光電導(dǎo)體”和“光電導(dǎo)材料”來(lái)表示對(duì)其吸收電磁輻射的特性選擇來(lái)生成電荷載流子的半導(dǎo)體材料。
[0011]由能將入射太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成有用電力的效率來(lái)特征化PV裝置。利用結(jié)晶或非晶硅的裝置在商業(yè)應(yīng)用中占主要地位，并且一些已經(jīng)獲得23%或更高的效率。然而，由于無(wú)顯著效率劣化缺陷地制造大型晶體固有的問題，特別是大表面積的高效的基于晶體的裝置難以制造并且昂貴。另一方面，高效非晶硅裝置仍然存在穩(wěn)定性問題。當(dāng)前商業(yè)上可獲得的非晶硅電池的穩(wěn)定效率在4和8%之間。最近的研究致力于使用有機(jī)光伏電池來(lái)實(shí)現(xiàn)可接受的光伏轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟(jì)的制造成本。
[0012]優(yōu)化PV裝置，以獲得在對(duì)于最大光電流與光電壓的乘積的標(biāo)準(zhǔn)照明條件(即1000ff/m2,AMl.5頻譜照明的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件)下的最大發(fā)電。在標(biāo)準(zhǔn)照明條件下的這種電池的功率轉(zhuǎn)換效率依賴于下述三個(gè)參數(shù):(I)在O偏壓下的電流，即，短路電流Isc，安培，(2)在開路條件下的光電壓，即開路電壓伏特，以及(3)填充因子，ff。
[0013]PV裝置當(dāng)跨負(fù)載連接并且受光照射時(shí)，產(chǎn)生光生電流。當(dāng)在無(wú)限負(fù)載下照射時(shí)，PV裝置生成其最大可能電壓，當(dāng)其電觸點(diǎn)短路照射時(shí)，PV裝置生成其最大可能電流，Istort-C^uit或Isc。當(dāng)實(shí)際上用來(lái)發(fā)電時(shí)，PV裝置連接到有限電阻性負(fù)載以及由電流和電壓的乘積，IXV給出功率輸出。由PV裝置生成的最大總功率本身上不可能超出乘積，IscXVf當(dāng)優(yōu)化 負(fù)載值以獲得最大功率提取時(shí)，電流和電壓分別具有值Imax和vmax。
[0014]用于PV裝置的優(yōu)值是填充因子，ff，定義如下:
[0015]ff= {1-VJ / {ISCV0C} (O
[0016]其中，ff總是小于1，因?yàn)樵趯?shí)際使用中，無(wú)法同時(shí)獲得Is。和V。。。但是，當(dāng)ff接近I時(shí)，裝置具有更小串聯(lián)或內(nèi)部電阻，由此在最佳條件下，將1%和Vre的乘積的更大百分比提供給負(fù)載。其中，Pin。是裝置上入射的功率，可以通過下述公式，計(jì)算裝置的功率效率YP:
[0017]Y P=ff* (Isc*V0C)/Pinc
[0018]當(dāng)適當(dāng)能量的電磁福射入射在半導(dǎo)體有機(jī)材料,例如有機(jī)分子晶體(OMC )材料,或聚合物上時(shí)，光子可以被吸收以產(chǎn)生激發(fā)分子態(tài)。以符號(hào)表不為Sd+hv vSd*。其中，Sc^PStl*分別表示基態(tài)和激發(fā)分子態(tài)。該能量吸收與電子從可以是B-鍵的HOMO能級(jí)的束縛態(tài)躍遷至可以為B*-鍵的LUMO能級(jí)，或等效地，空穴從LUMO能級(jí)躍遷至HOMO能級(jí)有關(guān)。在有機(jī)薄膜光電導(dǎo)體中，所生成的分子態(tài)通常被認(rèn)為是激子，即作為準(zhǔn)粒子傳輸?shù)?、束縛態(tài)的電子-空穴對(duì)。激子在成對(duì)重組前能具有可觀的壽命，成對(duì)重組是指原電子和空穴彼此重組，而不是與來(lái)自其他對(duì)的空穴或電子重組的過程。為產(chǎn)生光電流，電子-空穴對(duì)通常在兩種不同的接觸有機(jī)薄膜之間的供體-受體界面分離。如果電荷不分離，它們能或通過低于入射光的能量的光的發(fā)射的輻射方式，或通過產(chǎn)生熱的非輻射方式，在成對(duì)重組過程中重組，也稱為淬熄。在光敏光電裝置中，這些結(jié)果的任何一個(gè)都是不期望的。
[0019]電場(chǎng)或接觸處的不均勻性可能導(dǎo)致激子淬熄而不是在供體-受體界面解離，導(dǎo)致對(duì)電流無(wú)凈貢獻(xiàn)。因此，期望使光生激子遠(yuǎn)離該接觸。這具有限制激子擴(kuò)散到結(jié)附近的區(qū)域的作用使得相關(guān)電場(chǎng)具有更大機(jī)會(huì)來(lái)分離由結(jié)附近的激子的解離而釋放的電荷載流子。
[0020]為產(chǎn)生占據(jù)大部分容積的內(nèi)生電場(chǎng)，常用的方法是并置具有適當(dāng)被選導(dǎo)電特性的兩層材料，尤其是針對(duì)它們的分子量子能量態(tài)的分布。這兩種材料的界面稱為光伏異質(zhì)結(jié)。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體理論中，用于形成PV異質(zhì)結(jié)的材料一般表示為η或P型。其中，η型是指多數(shù)載流子類型為電子。這能看作具有處于相對(duì)自由能態(tài)的許多電子的材料。P型表示多數(shù)載流子類型為空穴。這些材料具有處于相對(duì)自由能態(tài)的許多空穴。背景，即非光生的多數(shù)載流子濃度的類型主要由缺陷或雜質(zhì)而導(dǎo)致的非有意摻雜而定。雜質(zhì)的類型和濃度決定在最高占用分子軌道(HOMO)能級(jí)和最低未占用分子軌道(LUMO)能級(jí)之間的間隙，稱為H0M0-LUM0間隙內(nèi)的，費(fèi)米能量或能級(jí)的值。該費(fèi)米能量特征化由占用概率等于1/2的能量的值表示的分子量子能態(tài)的統(tǒng)計(jì)學(xué)占用。接近LUMO能級(jí)的費(fèi)米能量表示電子是主要載流子。接近HOMO能級(jí)的費(fèi)米能量表示空穴是主要載流子。因此，費(fèi)米能量是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要特征化特性并且原型PV異質(zhì)結(jié)傳統(tǒng)上具有P-η界面。
[0021]術(shù)語(yǔ)“整流”尤其表示界面具有非對(duì)稱導(dǎo)電特性，S卩，界面支持優(yōu)選地在一個(gè)方向中的電荷傳輸。整流通常與在適當(dāng)選擇的材料之間的異質(zhì)結(jié)處發(fā)生的內(nèi)置電場(chǎng)有關(guān)。
[0022]如在此所使用的，以及如本領(lǐng)域的技術(shù)人員通常所應(yīng)當(dāng)理解的，如果第一能級(jí)更接近真空能級(jí)，則第一“最高占用分子軌道”(HOMO) “最低未占用分子軌道”(LUMO)能級(jí)是“大于”或“高于”第二 HOMO或LUMO能級(jí)。由于電離電位(IP)被測(cè)量為相對(duì)于真空能級(jí)的負(fù)能量，較高HOMO能級(jí)對(duì)應(yīng)于具有較小絕對(duì)值的IP (較小負(fù)值的IP)。類似地，較高LUMO能級(jí)對(duì)應(yīng)于具有較小絕對(duì)值的電子親和力(EA)(具有較小負(fù)值的EA)。在常規(guī)能級(jí)圖上，真空能級(jí)位于頂部，材料的LUMO能級(jí)高于同一材料的HOMO能級(jí)。“較高” HOMO或LUMO能級(jí)比“較低” HOMO或LUMO能級(jí)更接近該圖的頂部。
[0023]就有機(jī)材料而言，術(shù)語(yǔ)“供體”和“受體”是指兩種接觸但不同有機(jī)材料的HOMO和LUMO能級(jí)的相對(duì)位置。這與將這些術(shù)語(yǔ)用在無(wú)機(jī)物方面大不相同，其中，“供體”和“受體”是指可以用來(lái)分別形成無(wú)機(jī)η和P型層的摻雜劑的類型。就有機(jī)物而言，如果與另一種材料接觸的一種材料的LUMO能級(jí)較低，那么該材料是受體。否則是供體。在缺少外部偏壓時(shí)，在能量方面有利于供體-受體結(jié)處的電子移入受體材料，以及空穴移入供體材料。
[0024]有機(jī)半導(dǎo)體的重要特性是載流子遷移率。遷移率測(cè)量電荷載流子響應(yīng)于電場(chǎng)，能移過導(dǎo)電材料的容易程度。就有機(jī)光敏裝置而言，包括由于高電子遷移率而由電子優(yōu)先傳導(dǎo)的材料的層可以稱為電子傳輸層，或ETL。包括由于高空穴遷移率而由空穴優(yōu)先傳導(dǎo)的材料的層可以稱為空穴傳輸層，或HTL。優(yōu)選地，但不必須，受體材料是ETL以及供體材料是HTL。
[0025]常見的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體PV電池采用ρ-η結(jié)來(lái)建立內(nèi)場(chǎng)。早期有機(jī)薄膜電池，諸如由Tang,在Appl.Phys Iett.48, 183(1986)所提出的，包括與用在常見的無(wú)機(jī)PV電池中類似的異質(zhì)結(jié)。然而，現(xiàn)在意識(shí)到除建立Ρ-η型結(jié)外，異質(zhì)結(jié)的能級(jí)偏移也起著重要的作用。
[0026]由于有機(jī)材料中的光生過程的基本屬性，認(rèn)為有機(jī)D-A異質(zhì)結(jié)的能級(jí)偏移對(duì)有機(jī)PV裝置的操作很重要。在有機(jī)材料的光激發(fā)時(shí)，產(chǎn)生局部Frenkel或電荷轉(zhuǎn)移激子。為發(fā)生電檢測(cè)或電流產(chǎn)生，必須使束縛激子解離成它們的構(gòu)成電子和空穴。能由內(nèi)置電場(chǎng)誘發(fā)該過程，但在有機(jī)裝置中發(fā)現(xiàn)的電場(chǎng)的效率為低(F?106V/cm)。有機(jī)材料中的最有效的激子解離發(fā)生在供體-受體(D-A)界面處。在該界面處，具有低電離電勢(shì)的供體材料與具有高電子親和力的受體材料形成異質(zhì)結(jié)。取決于由供給和受體材料的能級(jí)的排列，激子的解離在這樣的界面處會(huì)變得能量方面有利，導(dǎo)致受體材料中的自由電子極化子和供體材料中的自由空穴極化子。
[0027]當(dāng)與傳統(tǒng)的基于硅的裝置相比時(shí)，有機(jī)PV電池具有許多潛在優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)PV電池重量輕，材料使用經(jīng)濟(jì)并且能設(shè)置在低成本基板，諸如柔性塑料箔片上。然而，有機(jī)PV裝置通常具有相對(duì)低的量子產(chǎn)率(所吸收的光子與所生成的載流子對(duì)的比率，或電磁輻射-電轉(zhuǎn)化效率)，為約1%或更小的數(shù)量級(jí)。認(rèn)為部分是由于本身光導(dǎo)過程的二階屬性。即，載流子生成要求激子生成、擴(kuò)散和電離或收集。存在與這些過程的每一個(gè)有關(guān)的效率Y。下標(biāo)使用如下=P為功率效率，EXT為外部量子效率，A為光子吸收，ED為擴(kuò)散，CC為收集，以及INT為內(nèi)部量子效率。使用該表示法:
[0028]y P ~ y EXT= Y A* Y ED* Y cc
[0029]y EXT=yΑ* Y INT
[0030]激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度(Ld)通常遠(yuǎn)小于(Ld~50Δ )光吸收長(zhǎng)度(~500 Δ ),要求在使用具有多個(gè)或高折疊界面的厚的因而是電阻性的電池，或具有低光吸收效率的薄電池之間進(jìn)行折衷。
[0031]已經(jīng)采用增加效率的不同方法，包括使用摻雜的有機(jī)單晶、共軛聚合物摻合物，以及使用具有增大的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度的材料。由于引入供體/受體(DA)異質(zhì)結(jié)，有機(jī)PV電池的功率轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)穩(wěn)定地增加。已經(jīng)報(bào)道了纏繞或“塊狀異質(zhì)結(jié)”結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)，其中，DA界面在用于光子吸收的位置的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度(~IOnm)內(nèi)。然而，這些非晶摻合物的高串聯(lián)電阻限制活性層厚度，可能導(dǎo)致低填充因子和降低的光吸收，并因此，導(dǎo)致低太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率。
[0032]通過使用光學(xué)聚光器，可以增加光伏裝置的效率。光學(xué)聚光器通常使用反射鏡、反射透鏡和/或折射透鏡來(lái)將光能聚集在PV電池上。因?yàn)楣鈱W(xué)材料通常比用在PV電池中的材料較不昂貴，使用聚光器會(huì)降低整個(gè)制造和維護(hù)成本，以及還會(huì)允許使用較少量特別高效但昂貴的PV電池材料。
[0033]聚光比(CR)是聚光透鏡或反射鏡的面積與暴露于入射輻射的PV電池的面積的比率..CR=Aconc/Apv。聚光一般受光學(xué)器件的質(zhì)量和聚光器將太陽(yáng)光聚焦在PV電池表面的能力限制。擴(kuò)散或散射的太陽(yáng)光一般不如直射太陽(yáng)光有用，因?yàn)閿U(kuò)散輻射以不能耦合至電池的大角度到達(dá)聚光器。聚光器應(yīng)當(dāng)指向太陽(yáng)以實(shí)現(xiàn)PV電池上的直射光的最大聚光。常見的光學(xué)聚光器具有若干缺點(diǎn)。例如，為實(shí)現(xiàn)高太陽(yáng)光聚光比(CR>10)，光學(xué)聚光器通常要求昂貴的追蹤系統(tǒng)來(lái)保持太陽(yáng)光的法向入射。此外，用來(lái)聚光的透鏡和/或反射鏡還產(chǎn)生熱，通常要求冷卻來(lái)保持PV裝置的效率。冷卻需求會(huì)產(chǎn)生額外的生產(chǎn)和維護(hù)成本，以及不期望的復(fù)雜性和/或后勤問題。
[0034]已經(jīng)開發(fā)非追蹤聚光器，包括發(fā)光聚光器(LSC)，其通過使用波導(dǎo)吸收和定向地再發(fā)射能量。Currie等人(Science, 2008, vol.321，pp.226-228)公開了有機(jī)太陽(yáng)光聚光器裝置，包括沉積在連接到太陽(yáng)能電池的高折射率玻璃基板上的有機(jī)染料。然而，LSC的效率受波導(dǎo)層中的再吸收和散射損失限制，會(huì)造成低聚光比(CR〈10)。常見的LSC的示例如圖1所[0035]本領(lǐng)域仍然需要以相對(duì)低成本和不需要冷卻地實(shí)現(xiàn)高CR的非追蹤光學(xué)聚光器。為解決這一和上述的其他問題，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能夠諸如通過使用包圍微腔、光柵或光子晶體，實(shí)現(xiàn)高定向的再發(fā)射能量，以及利用聚焦發(fā)光聚光器(focusing luminescentconcentrator, FLSC),聚焦高定向的能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0036]由此，公開了一種聚焦發(fā)光聚光器(FLSC),用于聚焦能量。在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)LSC包括微腔，該微腔包括:頂部半透明鏡；底部半透明鏡；以及頂部和底部半透明鏡之間的光敏材料，其中，所述光敏材料吸收并從微腔以定向方式再發(fā)射能量，例如其中再發(fā)射能量聚焦在至少一個(gè)光敏元件上。
[0037]在一個(gè)實(shí)施例中，微腔包括具有至少一個(gè)焦點(diǎn)的形狀,諸如圓柱形/球形或橢圓形，以及再發(fā)射能量被聚焦在位于該形狀內(nèi)的至少一個(gè)焦點(diǎn)處的至少一個(gè)光敏元件上。
[0038]在另一實(shí)施例中，微腔是平的并且該FLSC進(jìn)一步包括位于微腔和至少一個(gè)光敏元件之間的菲涅耳透鏡，以便將發(fā)射的能量聚焦在至少一個(gè)光敏元件上。FLSC可以是非追蹤的。
[0039]將應(yīng)當(dāng)理解光敏材料能向下轉(zhuǎn)換(down-convert)所吸收的能量使得再發(fā)射的能量低于所吸收的能量。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，光敏材料包括熒光染料或熒光染料的混合物。
[0041]在一個(gè)實(shí)施 例中，頂部半透明鏡和底部半透明鏡包括分布式布拉格反射器(DBR)。應(yīng)當(dāng)理解，能彼此獨(dú)立地調(diào)諧頂部DBR、底部DBR或兩者以便吸收和發(fā)射特定能量波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍。
[0042]微腔的光敏材料包括各種材料，例如光子晶體或金屬納米粒子。
[0043]還公開了一種利用如在此所述的聚焦發(fā)光聚光器(FLSC)，將光能聚焦在至少一個(gè)光敏元件上來(lái)發(fā)電的方法。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括
[0045]?使FLSC暴露于光能使得能量通過頂部半透明鏡進(jìn)入微腔，以便通過光敏材料吸收；
[0046]?通過底部半透明鏡發(fā)射能量；以及
[0047]?將發(fā)射的能量聚焦在至少一個(gè)光敏元件上。
[0048]除上述主題外，本公開包括多個(gè)其他示例性特征，諸如下文所述的特征。應(yīng)當(dāng)理解上述描述和下述描述僅是示例性的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]附圖包括在該說明書中并構(gòu)成其一部分。
[0050]圖1是常規(guī)的發(fā)光聚光器的示意圖。
[0051]圖2是包括分布式布拉格反射器(DBR)的聚焦發(fā)光聚光器的示意圖。
[0052]圖3是具有菲涅爾透鏡的平聚焦發(fā)光聚光器的示意圖。
[0053]圖4是圓柱形/球形聚焦發(fā)光聚光器的示意圖。還示出了對(duì)圓柱形/球形聚焦發(fā)光聚光器模擬的微腔發(fā)射曲線和聚焦平面強(qiáng)度曲線。[0054]圖5是橢圓形聚焦發(fā)光聚光器的示意圖。還示出了對(duì)圓柱形/球形聚焦發(fā)光聚光器模擬的微腔發(fā)射曲線和聚焦平面強(qiáng)度曲線。
[0055]圖6是具有菲涅爾透鏡的平聚焦發(fā)光聚光器的示意圖。還示出了對(duì)圓柱形/球形聚焦發(fā)光聚光器模擬的微腔發(fā)射曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0056]本公開涉及聚焦發(fā)光聚光器(FLSC)。本公開的FLSC可以用在各種光伏和熱光伏裝置及應(yīng)用中，諸如光伏(PV)電池、太陽(yáng)能電池、光伏檢測(cè)器、熱光伏電池和電和/或熱的
生產(chǎn)/生成中。
[0057]本公開的FLSC的實(shí)施例可以包括可以修改或定向入射輻射的發(fā)射模式的微腔。
[0058]在一些實(shí)施例中，微腔包括頂部半透明鏡、底部半透明鏡，以及位于頂部和底部半透明鏡之間的至少一種光敏材料。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)“半透明”是指至少部分透光。根據(jù)本公開的半透明鏡可以具有從很弱到很強(qiáng)反射率的范圍，其中，反射率(R)定義為入射光與反射光之比:R=(Ri/RMf)。強(qiáng)反射鏡具有接近I的反射率值。半透明鏡可以包括至少一種介電材料，諸如氧化硅(SiOx,玻璃)、氧化鈦(TiOx)、氮化硅(SiNx)、Te02、LiF、其他無(wú)機(jī)介電材料、聚合物、蒸發(fā)小分子及其組合。 [0059]在本公開的一些實(shí)施例中，半透明鏡的至少一個(gè)包括分布式布拉格反射器(DBR)。DBR是可以包括不同光學(xué)材料層的交替順序的光學(xué)結(jié)構(gòu)。那些材料之間的界面處的輻射的建設(shè)性或破壞性干涉有助于DBR的特性反射率。圖2示出了根據(jù)本公開的DBR的示例。可以調(diào)諧DBR的這些非限制示例來(lái)吸收和/或發(fā)射特定波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的光，諸如電磁頻譜中的紫外線、可見光和/或紅外區(qū)域中的波長(zhǎng)。
[0060]在本公開的一些實(shí)施例中，可以彼此獨(dú)立地調(diào)諧頂部DBR和底部DBR來(lái)吸收和/或發(fā)射從 350nm 至 1.50 μ m,諸如從 400nm 至 1.30 μ m、400nm 至 1.25 μ m、400nm 至 1.20 μ m、41Onm至1.30 μ m、410nm至1.25 μ m或410nm至1.20 μ m的范圍的光波長(zhǎng)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可以調(diào)諧頂部DBR來(lái)吸收從400nm至1.20 μ m的波長(zhǎng)以及發(fā)射從410nm至1.30μηι的波長(zhǎng)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可以調(diào)諧底部DBR來(lái)吸收從400nm至1.20 μ m的波長(zhǎng)以及發(fā)射從410nm至1.30μπι的波長(zhǎng)。在某些實(shí)施例中，可以同時(shí)調(diào)諧頂部DBR和底部DBR來(lái)吸收從400nm至1.20 μ m的波長(zhǎng)以及發(fā)射從410nm至1.30 μ m的波長(zhǎng)。應(yīng)注意到本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將根據(jù)本公開預(yù)期其他范圍。
[0061]在一些實(shí)施例中，光敏材料可以吸收入射輻射以及將所吸收的輻射向下轉(zhuǎn)換為用于從微腔定向發(fā)射的較低能量。如在此所使用的，“向下轉(zhuǎn)換”，或其任何形式是指將電磁能量轉(zhuǎn)換成較低能量或更長(zhǎng)波長(zhǎng)的能力。
[0062]在其他實(shí)施例中，光敏材料可以吸收入射輻射以及將所吸收的輻射向上轉(zhuǎn)換(up-convert)成用于從微腔定向發(fā)射的較高能量。如在此所使用的，“向上轉(zhuǎn)換”或其任何形式是指將電磁能量轉(zhuǎn)換成更高能量或更短波長(zhǎng)的能力。例如，光敏材料可以將可見光外的光波長(zhǎng)(例如λ>700ηπι)轉(zhuǎn)換成在可見光范圍內(nèi)(例如400≤λ≤700nm)。向上轉(zhuǎn)換可以例如經(jīng)光子能量的組合發(fā)生。
[0063]在本公開的一些實(shí)施例中，微腔可以包括光子晶體。光子晶體可以包括例如介電材料，其中，晶體的晶格常數(shù)為約光波長(zhǎng)。光子晶體通常由光子能帶隙(PBG)特征化，該P(yáng)BG允許特定波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的傳輸同時(shí)排除其他波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的傳輸。
[0064]根據(jù)本公開的光子晶體可以具有一維(1-D)、二維(2-D)和/或三維(3-D)結(jié)構(gòu)形式，以及可以是天然和/或人造的。在一些實(shí)施例中，光子晶體包括介電材料，諸如氧化硅(SiOx,玻璃)、氧化鈦(TiOx)、氮化硅(SiNx)、其他無(wú)機(jī)介電材料、聚合物及其組合。
[0065]光子晶體可以進(jìn)一步包括摻雜在光子晶體的晶格中的至少一種光敏材料。
[0066]在其他實(shí)施例中，微腔包括頂部DBR、底部DBR和位于頂部和底部DBR之間的至少一種光敏材料，其中，DBR的至少一個(gè)包括光子晶體。
[0067]根據(jù)本公開的光敏材料可以具有突光和/或磷光特性。在一些實(shí)施例中，光敏材料包括至少一種有機(jī)化合物，諸如花青染料、葉啉、葉吩、若丹明、聯(lián)吡啶、二萘嵌苯、方酸菁。在至少一個(gè)實(shí)施例中，光敏材料包括有機(jī)染料，諸如熒光有機(jī)染料分子。在另一實(shí)施例中，光敏材料包括有機(jī)染料的混合物，諸如包括至少一種熒光有機(jī)染料的有機(jī)染料的混合物。非限制性示例包括4- (二氰基亞甲基)-2-第三丁基-6- (1，1，7，7_四甲基久洛P定-9-烯基)-4H-批喃(4_ (dicyanomethylene)-2-t-butyl_6-(1，I, 7, 7-tetramethyl juloidyl-9-enyl) -4H-pyran) (DCJTB)> 四苯基四苯并P卜啉鉬(platinum tetraphenyltetrabenzoporphyrin (Pt (TPBP)) ) (Pt (TPBP) )、2，3，7，8，12，13，17，18-八乙基-21H, 23H-卟吩鉬(II) (2，3，7，8，12，13，17，18-octaethyl-21H, 23H-porphine platinum(II)) (PtOEP)、2-甲基-6-[2，3，6，7-四氫-1H，5H-苯并[ij]喹嗪_9_yl)乙烯基]-4H-吡喃-4-亞基]丙燒 _ 二 月青(2-methyl_6-[2-(2, 3, 6, 7-tetrahydro-lH, 5H-benzo[i j]quinolizin-9-yl)ethenyl] -4H-pyran-4-ylidene]propane_dinitrile) (DCM2)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到其他熒光和/或磷光化合物也可以適用于本公開的聚焦發(fā)光聚光器。
[0068]在一些實(shí)施例中，光敏材料包括至少一種無(wú)機(jī)化合物，諸如膠態(tài)量子點(diǎn)(PbS, PbSe, CdSe, Si)。也可以涵蓋包括有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的混合物的光敏材料，諸如摻雜在無(wú)機(jī)基質(zhì)中的稀土金屬離子。
[0069]本公開的聚焦發(fā)光聚光器的微腔可以是平的，或可以形成宏觀曲率。在至少一個(gè)實(shí)施例中，微腔包括具有至少I焦點(diǎn)的形狀，諸如圓柱形/球形。見例如圖4。在至少一個(gè)實(shí)施例中，微腔包括具有至少2焦點(diǎn)的形狀，諸如橢圓形。見例如圖5。本公開的某些實(shí)施例可以包括平的或形成宏觀曲率的微腔的陣列。也可以預(yù)期微腔的組合。
[0070]聚焦發(fā)光聚光器可以進(jìn)一步包括至少一個(gè)菲涅耳透鏡。例如，菲涅耳透鏡可以位于微腔和至少一個(gè)光敏元件之間以便將從微腔發(fā)射的能量聚焦到至少一個(gè)光敏元件上。菲涅耳透鏡可以包括硬和/或柔性材料，諸如各種塑料材料。
[0071]微腔可以包括二維或三維的金屬納米粒子，光敏材料摻雜在納米粒子之間。這些結(jié)構(gòu)起類似于光子晶體的作用，修改發(fā)射器的輻射衰減路徑和建立定向發(fā)射。在一個(gè)實(shí)施例中，光敏材料可以分散在聚合物基體，諸如聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)中。納米粒子可以包括單一金屬或金屬合金。適當(dāng)?shù)?，金屬納米粒子的非限制性示例包括貴金屬，諸如金(Au)、銀(Ag)、鉬(Pt)和鈀(Pd)及其合金。在一個(gè)實(shí)施例中，納米粒子可以規(guī)則地排列，諸如行或列的陣列。
[0072]在一個(gè)實(shí)施例中，微腔可以包括光柵。光柵可以一維或二維圖案化以及可以具有多個(gè)周期。特別地，準(zhǔn)晶體圖案可以用來(lái)增加傅立葉空間中的光柵的方位角對(duì)稱性。
[0073]在另一實(shí)施例中，聚焦發(fā)光聚光器包括由低折射率指數(shù)層和發(fā)射層組成的消散地耦合的雙層。根據(jù)本公開的發(fā)射層可具有熒光和/或磷光特性。在一些實(shí)施例中，發(fā)射層可以包括至少一種有機(jī)化合物，諸如花青染料、葉啉、葉吩、若丹明、聯(lián)吡啶、二萘嵌苯、方酸菁。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射層包括有機(jī)染料，諸如熒光有機(jī)染料分子。在另一實(shí)施例中，光敏材料包括有機(jī)染料的混合物，諸如包括至少一種熒光有機(jī)染料的有機(jī)染料的混合物。有機(jī)染料的非限制性示例包括4- (二氰基亞甲基)-2-第三丁基-6- (1，1，7，7_四甲基久洛啶-9-烯基)-4H-吡喃(DCJTB)、四苯基四苯并卟啉鉬(Pt (TPBP))、2，3，7，8，12，13，17，18-八乙基-21H, 23H-卟吩鉬(II) (PtOEP)、2_ 甲基 _6_[2，3，6，7-四氫-1H，5H-苯并[ij]喹嗪-9-yl)乙烯基]-4H-吡喃-4-亞基]丙烷-二腈(DCM2)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射層包括聚合物，諸如聚(9，9- 二正辛基弗-苯并噻二唑)(poly (9，9-d1-n-octylf luorene-alt-benzothiadiazole) ) (F8BT)。低折射率指數(shù)層可以通過例如使用在 Giebink 等人的(Applied Physics Letters, 2011, vol.98, iss.8, art.081103)中描述的犧牲致孔劑方法形成。
[0074]建立定向發(fā)射的另一方法是使用摻雜染料的微球，其尺寸在I和10微米之間。能提取發(fā)射到回音壁模式中的光來(lái)生成高定向發(fā)射。
[0075]通過將光能聚焦到至少一個(gè)光敏元件上，聚焦發(fā)光聚光器可以用在發(fā)電中。光敏元件可以包括例如光伏電池，諸如太陽(yáng)能電池，諸如有機(jī)太陽(yáng)能電池。根據(jù)本公開的光伏電池包括例如，U.S.專利 N0.6，451，415(“0rganic Photosensitive Optoelectronic Devicewith an Exciton Blocking Layer，，)、6,657，378 (“Organic Photovoltaic Device，，)、U.S.專利 N0.7, 179, 543 (“Doping of Organic Opto-Electronic Device to ExtendReliability”)，全部?jī)?nèi)容在此引入以供參考。
[0076]在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)光敏元件位于包括聚焦發(fā)光聚光器的微腔的至少一個(gè)焦點(diǎn)處。在一些實(shí)施例中，多個(gè)光敏兀件位于至少一個(gè)焦點(diǎn)處，諸如光敏兀件的陣列。在一些實(shí)施例中，例如，微腔 包括具有一個(gè)焦點(diǎn)的球形/圓柱形，以及至少一個(gè)光敏元件位于至少一個(gè)焦點(diǎn)處。在其他實(shí)施例中，微腔包括具有兩個(gè)焦點(diǎn)的橢圓形，其中，至少一個(gè)光敏元件位于兩個(gè)焦點(diǎn)的一個(gè)或兩個(gè)處。
[0077]至少一個(gè)光敏元件可以附接到至少一個(gè)光電檢測(cè)器，諸如諧振光電檢測(cè)器或光電檢測(cè)器的陣列。光電檢測(cè)器可以包括例如有機(jī)光電檢測(cè)器。
[0078]本公開的聚焦發(fā)光聚光器也可以用在熱應(yīng)用中。例如，可以聚焦由微腔或光子晶體定向的黑體發(fā)射，以用于在太陽(yáng)能、熱或熱光伏應(yīng)用。
[0079]還公開了利用在此所述的聚焦發(fā)光聚光器(FLSC)，通過將光能聚焦在至少一個(gè)光敏元件上發(fā)電的方法。
[0080]在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括:
[0081]?使FLSC暴露于光能以便能量通過頂部半透明鏡進(jìn)入微腔，以便由光敏元件吸收；
[0082]?通過底部半透明鏡發(fā)射能量；以及
[0083]?將所發(fā)射的能量聚焦在至少一個(gè)光敏元件上。
[0084]在另一實(shí)施例中，在此所述的方法包括利用光敏材料，向下轉(zhuǎn)換所吸收的能量使得重新發(fā)射的能量低于所吸收的能量。
[0085]在此所述的發(fā)電的方法使用具有帶一個(gè)焦點(diǎn)的圓柱形/球形的FLSC，以及至少一個(gè)光敏元件位于該焦點(diǎn)處。在另一實(shí)施例中，F(xiàn)LSC微腔具有帶兩個(gè)焦點(diǎn)的橢圓形，以及至少一個(gè)光敏元件位于每一焦點(diǎn)處。
[0086]在另一實(shí)施例中，在此所述的方法可以包括將至少一個(gè)諧振光電檢測(cè)器附接到至少一個(gè)光敏元件。在此所述的方法可以進(jìn)一步包括串聯(lián)堆疊并且附接到至少一個(gè)光敏元件的至少兩個(gè)諧振光電檢測(cè)器。
[0087]如所述，所發(fā)射的能量可以是熱能或太陽(yáng)能，以及光敏元件可以包括太陽(yáng)能電池。
[0088]示例
[0089]可以通過參考示例性實(shí)施例的下述詳細(xì)描述和工作示例，更容易理解本公開。應(yīng)當(dāng)理解，鑒于在該說明書中公開的描述和示例，其他實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說將變得顯而易見。
[0090]示例 I
[0091]在圖4中示出了對(duì)圓柱/球形聚焦發(fā)光聚光器模擬的微腔發(fā)射曲線。通過使用插圖中所述的微腔發(fā)射曲線執(zhí)行模擬，該微腔發(fā)射曲線是使用在H.Benisty, J.0pt.Soc.Am.A, 15, 1192(1998)中所述的轉(zhuǎn)移矩陣和源項(xiàng)(source terms)方法產(chǎn)生。然后,發(fā)射曲線向前傳播并且計(jì)算空間中的每一點(diǎn)的強(qiáng)度。如圖4所示，1-D和2-D聚光比為CRid?6和CR2d ?36。
[0092]示例 2
[0093]對(duì)橢圓聚焦發(fā)光聚光器模擬的微腔發(fā)射曲線如圖5所示。如在示例I中所述地執(zhí)行模擬。1-D和2-D聚光比為CRid?10和CR2d?100。
[0094]示例 3
[0095]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的微腔模擬。示出了夾在分別由具有低和高折射率指數(shù)n=l.5 (SiO2)和n=2.2 (TiO2)的四分之一波堆疊組成的兩個(gè)平分布的布拉格反射鏡之間的發(fā)射層?；蛘?，也能使用雙層消散地耦合的腔結(jié)構(gòu)來(lái)生成高定向發(fā)射。
[0096]除非另外說明，否則在說明書和權(quán)利要求書中所使用的成分、反應(yīng)條件等等的數(shù)量的所有數(shù)字在所有示例中均應(yīng)當(dāng)理解為由術(shù)語(yǔ)“約”修飾。因此，除非另外說明，否則在下述說明書和所附加權(quán)利要求中所述的數(shù)值參數(shù)是可以取決于本發(fā)明尋求獲得的所需特性而改變的近似值。
[0097]考慮在此公開的說明書和實(shí)施本發(fā)明，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說將是顯而易見的。意圖將說明書和示例認(rèn)為僅是示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神由所附權(quán)利要求書限定。
【權(quán)利要求】
1.一種聚焦發(fā)光聚光器(FLSC),用于聚焦能量,所述FLSC包括微腔,所述微腔包括: -頂部半透明鏡； -底部半透明鏡；以及 -在所述頂部半透明鏡和所述底部半透明鏡之間的光敏材料； 所述光敏材料吸收能量并從微腔以定向方式再發(fā)射能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，再發(fā)射的能量被聚焦在至少一個(gè)光敏元件上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的FLSC，其中，所述微腔包括具有至少一個(gè)焦點(diǎn)的形狀，以及再發(fā)射的能量被聚焦在位于所述至少一個(gè)焦點(diǎn)處的所述至少一個(gè)光敏元件上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的FLSC，其中，所述微腔具有圓柱形/球形或橢圓形形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的FLSC，其中，所述微腔是平的；所述FLSC進(jìn)一步包括位于所述微腔和所述至少一個(gè)光敏元件之間的菲涅耳透鏡，以將發(fā)射的能量聚焦在所述至少一個(gè)光敏元件上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，所述光敏材料能夠向下轉(zhuǎn)換所吸收的能量，使得再發(fā)射的能量低于所吸收的能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，所述光敏材料包括熒光染料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，所述光敏材料包括熒光染料的混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要`求1所述的FLSC，其中，所述頂部半透明鏡和底部半透明鏡的至少一個(gè)包括分布式布拉格反射器(DBR)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的FLSC，其中，當(dāng)頂部半透明鏡和底部半透明鏡均包括DBR時(shí)，彼此獨(dú)立地調(diào)諧所述頂部DBR、所述底部DBR或兩者，以吸收和發(fā)射特定能量波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的FLSC，其中，調(diào)諧所述頂部DBR，以吸收400nm至1.2 μ m范圍的波長(zhǎng)，以及發(fā)射410nm至1.3μπι范圍的波長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的FLSC，其中，調(diào)諧所述底部DBR，以吸收400nm至1.2μπι范圍的波長(zhǎng)，以及發(fā)射410nm至1.3μπι范圍的波長(zhǎng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，所述微腔包括包括所述光敏材料的光子晶體。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，所述微腔包括包括所述光敏材料的金屬納米粒子。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，所述FLSC是非追蹤的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FLSC，其中，所吸收和再發(fā)射的能量包括熱能。
17.—種通過利用聚焦發(fā)光聚光器(FLSC)將光能聚焦在至少一個(gè)光敏元件上來(lái)發(fā)電的方法，所述FLSC包括微腔，所述微腔包括: -頂部半透明鏡； -底部半透明鏡；以及 -在所述頂部半透明鏡和所述底部半透明鏡之間的光敏材料； 所述方法包括步驟: i)使所述FLSC暴露于光能，使得能量透過所述頂部半透明鏡進(jìn)入所述微腔，以便由所述光敏材料吸收； ?)發(fā)射能量透過所述底部半透明鏡；以及iii)將發(fā)射的能量聚焦在至少一個(gè)光敏元件上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，至少一個(gè)諧振光電檢測(cè)器被附接到所述至少一個(gè)光敏元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述能量是太陽(yáng)能以及所述光敏元件是太陽(yáng)能電池。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述太陽(yáng)能電池是有機(jī)太陽(yáng)能電池以及所述光敏元件是有機(jī)光敏元`件。
【文檔編號(hào)】H01L31/052GK103875081SQ201280033477
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月13日
【發(fā)明者】斯蒂芬·R·弗里斯特, 諾爾·C·吉賓克 申請(qǐng)人:密歇根大學(xué)董事會(huì)