聚光設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聚光設(shè)備。
[0002] 更具體而言，本發(fā)明涉及包括具有多邊形、圓形或橢圓形形狀的主發(fā)光太陽(yáng)能聚 光器（LSC)以及定位在所述主發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)外面的至少一個(gè)次發(fā)光太陽(yáng)能聚光 器（LSC)的聚光設(shè)備。
[0003] 所述聚光設(shè)備可以有利地用在諸如像光伏電池（或太陽(yáng)能電池）、光電解電池的 光伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備）中。所述聚光設(shè)備還可以有利地用在光伏窗中。
[0004] 本發(fā)明還涉及包括所述聚光設(shè)備的光伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備），其中至少一個(gè)光 伏電池（或太陽(yáng)能電池）定位在所述次發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的較小外側(cè)面處。
【背景技術(shù)】
[0005] 在現(xiàn)有技術(shù)狀況中，采用太陽(yáng)輻射能量的主要限制中的一個(gè)由光伏設(shè)備（或太陽(yáng) 能設(shè)備）的最優(yōu)地只吸收具有窄光譜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的輻射的能力表示。
[0006] 例如，對(duì)照從大約300nm波長(zhǎng)至大約2500nm波長(zhǎng)延伸的太陽(yáng)福射光譜范圍，基于 晶體硅的光伏電池（或太陽(yáng)能電池）例如具有在900nm-lIOOnm范圍內(nèi)的最佳吸收區(qū)域（有 效光譜），而聚合物光伏電池（或太陽(yáng)能電池）在暴露于具有小于大約500nm的波長(zhǎng)輻射時(shí) 會(huì)受損，因?yàn)橐鸬墓饨到猬F(xiàn)象在低于這個(gè)限值時(shí)會(huì)變得顯著?，F(xiàn)有技術(shù)狀況的光伏設(shè)備 (或太陽(yáng)能設(shè)備）的效率通常在從570nm至680nm的光譜范圍（黃-橙色）內(nèi)處于其最大 值。
[0007] 先前指出的缺點(diǎn)暗示光伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備）的有限外量子效率（EQE)，EQE被 定義為在光伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備）的半導(dǎo)體材料中生成的電子-空穴對(duì)數(shù)目與入射到光 伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備）上的光子數(shù)目之比。
[0008] 為了提高光伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備）的外量子效率（EQE)，已開發(fā)出了設(shè)備，即， 發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)，當(dāng)其被插在光輻射源（太陽(yáng)）與光伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備）之 間時(shí)，LSC有選擇地吸收具有光伏設(shè)備（或太陽(yáng)能設(shè)備）的有效光譜之外的波長(zhǎng)的入射輻 射，以具有在有效光譜內(nèi)的波長(zhǎng)的光子的形式發(fā)射所吸收的能量。當(dāng)由發(fā)光太陽(yáng)能聚光器 (LSC)發(fā)射的光子的能量高于入射光子的能量時(shí)，光致發(fā)光過(guò)程（包括太陽(yáng)福射的吸收和 隨后具有較低波長(zhǎng)的光子的發(fā)射）也被稱為"上轉(zhuǎn)換"過(guò)程。與此相反，當(dāng)由發(fā)光太陽(yáng)能聚 光器（LSC)發(fā)射的光子的能量低于入射光子的能量時(shí)，光致發(fā)光過(guò)程被稱為"下轉(zhuǎn)換"過(guò) 程。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)狀況中已知的發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)通常是以片材的形式并且包括 由本身對(duì)感興趣的輻射透明的材料（例如，透明的玻璃或透明的聚合物材料）制成的基質(zhì)， 通常選自例如有機(jī)化合物、金屬絡(luò)合物、無(wú)機(jī)化合物（例如，稀土）、"量子點(diǎn)"（QD)的一種 或多種光致發(fā)光化合物。由于全反射的光學(xué)現(xiàn)象，由光致發(fā)光化合物發(fā)射的輻射朝著所述 片材的薄邊緣被"引導(dǎo)"，在那里被集中到在其上定位的光伏電池（或太陽(yáng)能電池）上。以 這種方式，低成本材料（稱為片材）的廣闊表面可用于將光聚集到高成本材料[光伏電池 (或太陽(yáng)能電池）]的小表面上。
[0010] 所述光致發(fā)光化合物可以以薄膜形式沉積在由透明材料制成的基質(zhì)上，或者它們 也可以分散在透明基質(zhì)內(nèi)。作為替代，透明基質(zhì)可以利用光致發(fā)光發(fā)色團(tuán)直接官能化。 [0011] 光致發(fā)光化合物應(yīng)當(dāng)具有被有利地用在發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的構(gòu)造中的許 多特性并且這些不總是互相兼容。
[0012] 首先，由熒光發(fā)射的輻射的頻率必須對(duì)應(yīng)于高于閾值的能量，低于該閾值，代表光 伏電池（或太陽(yáng)能電池）的核心的半導(dǎo)體不再能夠工作。
[0013] 其次，光致發(fā)光化合物的吸收光譜應(yīng)當(dāng)盡可能廣泛，以便吸收大部分入射的太陽(yáng) 輻射，然后以期望的頻率重新發(fā)射它。
[0014] 還期望太陽(yáng)輻射的吸收是非常強(qiáng)烈的，使得光致發(fā)光化合物可以在最低可能的濃 度發(fā)揮其功能，從而避免大量地使用光致發(fā)光化合物。
[0015] 此外，太陽(yáng)輻射的吸收過(guò)程及其在較低頻率的后續(xù)發(fā)射必須以最高可能的效率發(fā) 生，從而最小化所謂的非輻射損失，常常用術(shù)語(yǔ)"熱化"統(tǒng)一指示：過(guò)程的效率是由它的量子 產(chǎn)率來(lái)測(cè)量的。
[0016] 最后，吸收和發(fā)射頻帶必須具有最小重疊，因?yàn)榉駝t的話由光致發(fā)光化合物的分 子發(fā)射的輻射將被吸收并至少部分地被相鄰的分子散射。一般被稱為自吸收的所述現(xiàn)象必 然導(dǎo)致效率的顯著損失。具有較低頻率的吸收光譜的峰值與所發(fā)射輻射的峰值的頻率之差 通常被指示為斯托克斯（Stokes)"偏移"并以nm測(cè)量（即，它不是被測(cè)量的兩個(gè)頻率之差， 而是對(duì)應(yīng)于它們的兩個(gè)波長(zhǎng)之差）。所述斯托克斯偏移必須足夠高，從而保證吸收頻帶與發(fā) 射頻帶之間最小可能的重疊，從而獲得發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的高效率，牢記已經(jīng)提到 的所發(fā)射的輻射的頻率對(duì)應(yīng)于高于閾值的能量的必要性，低于該閾值，光伏電池（或太陽(yáng) 能電池）不能工作。
[0017] 有關(guān)以上發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以在例如以下文獻(xiàn)當(dāng)中找 到：Weber W.H.等，"Applied Optics"（1976)，Vol. 15, Issue 10, pages 2299-2300; Levitt J. A.等，"Applied 0ptics"（1977)，Vol. 16，Issue 10，pages 2684-2689; Reisfeld R.等，"Nature"（1978)，Vol.274，pages 144-145 ;Goetzberger A.等，"Applied Physics"（1978)，Vol.16，Issue 4, pages 399-404。
[0018] 發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的主要目標(biāo)是減少高成本材料的量，[即，用于光伏電池 (或太陽(yáng)能電池）的構(gòu)造的材料的量]。此外，發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的使用使得有可能 既利用直接光又利用散射光操作，這與其性能在很大程度上取決于光從哪個(gè)方向到達(dá)的硅 光伏面板（或太陽(yáng)能面板）的使用相反：因此，所述發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)可以在城市一 體化的背景下被用作無(wú)源元件，即，不需要太陽(yáng)能跟蹤器的元件，具有各種顏色和形狀。例 如，不透明的發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)可以用在墻壁和屋頂中，而半透明的發(fā)光太陽(yáng)能聚 光器（LSC)可以用作窗戶。
[0019] 有關(guān)以上用途的更多細(xì)節(jié)可以在例如以下文獻(xiàn)中找到：Chatten A.J.等， "Proceeding Nanotech Conference and Expo" (2011)， Boston， USA， pages 669-670 ; Dedbije M.G·，"Advanced Functional Materials'，(2010)，Vol. 20，Issue 9，pages 1498-1502 ;Dedbije M.G.等，"Advanced Energy Materials"（2012)，Vol.2，pages 12_35〇
[0020] 發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的進(jìn)一步應(yīng)用是所謂的發(fā)光光譜分離器（LSS)。在這 種情況下，小發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)串聯(lián)定位，每個(gè)LSC具有處于不同波長(zhǎng)的最大吸收， 并且劃分之前被另一太陽(yáng)能聚光器，諸如像定位在所述串聯(lián)結(jié)構(gòu)前面的光學(xué)太陽(yáng)能聚光 器，聚集的光。這些發(fā)光光譜分離器（LSS)的優(yōu)點(diǎn)包括光被引導(dǎo)通過(guò)短距離的事實(shí)。有 關(guān)這些發(fā)光光譜分離器（LSS)的更多細(xì)節(jié)可以在例如Fischer B.等，"Solar Energy Materials&Solar Cells"（2011)，Vol. 95, pages 1741-1755 當(dāng)中找到。
[0021] 作為替代，發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)可用于產(chǎn)生光、利用太陽(yáng)輻射并降低能耗，例 如，在辦公室用途的建筑物中：被聚集的光實(shí)際上可以通過(guò)光纜被運(yùn)送到所述建筑物，因此 允許節(jié)能。有關(guān)所述用途的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以在例如以下文獻(xiàn)中找到：Earp A.A.等，"Solar Energy Materials&Solar Cells"（2004)，Vol. 84，pages 411-426 ;Earp A. Α·等，"Solar Energy"（2004)，Vol. 76, pages 655-667。
[0022] 對(duì)于提高發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)的性能的研究已經(jīng)涉及各個(gè)方面，諸如像：（i) 減少自吸收現(xiàn)象；（ii)增加太陽(yáng)光的吸收；（iii)使發(fā)射的光與光伏電池（或太陽(yáng)能電池） 的具有最大量子效率的光譜范圍重合；（ iv)減小光伏電池（或太陽(yáng)能電池）的面積。
[0023] 例如，Goetzberger 等在"Applied Physics"（1979)，Vol. 190，Issue 1，pages 53-58中公開了在發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC)中太陽(yáng)光的更大聚集可以通過(guò)對(duì)光在其中聚集 的邊緣應(yīng)用錐度來(lái)獲得，使得具有更高的折