CN102668128A - 发光太阳能聚光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于太阳能电池的发光太阳能聚光器，包含具有发光基质的收集器，和波长选择滤光器，其中所述波长选择滤光器设置在所述收集器的表面之上，其中所述发光基质具有对应于波长λex的吸收边沿并在波长大约λem发射辐射，其中所述选择滤光器具有色散为负或零的折射率差异Δn，和其中所述波长选择滤光器被设计为保持发射的辐射在所述收集器内同时将入射辐射的反射带移动至≥25o的角度和/或将所述反射带缩窄到≤10o的范围。

Description

发光太阳能聚光器
技术领域
本发明涉及太阳能聚光器(solar concentrators)领域。更特别地，本发明涉及包含发光基质(luminescent substrates)的太阳能聚光器。
背景技术
太阳能聚光器被广泛地用于提高太阳能电池的性能。
太阳能聚光器的目的是收集大表面上的入射辐射并将能量集中到其边缘，在这里能量被太阳能电池或光电(photovoltaic, PV)电池收集。因此，入射的阳光被集中到所述太阳能电池的表面，从而增加随后被转换成电能的辐射的能量密度。
太阳能聚光器的一种公知形式是所谓的发光太阳能聚光器(luminescent solar concentrator，LSC)。发光太阳能聚光器通常包含收集器(collector)，其被设计为平的并且光学透明或半透明的片。该片通常由材料例如玻璃、聚合物等形成。所述收集器包含发光基质或用发光基质涂覆，所述发光基质吸收入射阳光并发射更长波长的光。通常，更长波长的光发射向所有方向。然而，相当部分的所述发射的光被捕获在所述片中，并通过全内反射被传递到所述平片的至少一个边缘并从而传递到太阳能电池的表面，由此将光从大表面(所述片的表面)集中到较小的表面(所述边缘的表面)。这种效应被广泛地称为“边缘发光效应(edge glow effect)”。输出表面面积(即所述边缘)处的光强度对输入表面面积(即所述收集区域)处的光强度的比值是所谓的集中度(concentration ratio)。
为了改善所述集中度，在所述太阳能聚光器表面上提供滤光器或镜子是已知的。该滤光器具有防止所述发射的辐射离开所述发光太阳能聚光器并从而防止所述发射的辐射发生损失的目的。然而，该滤光器不仅反射从所述收集器内部发射的光，而且也可以(至少部分地)反射入射阳光。这导致较少的阳光进入所述太阳能聚光器并从而减少被引导至所述太阳能电池的光的量。
这些常规发光太阳能聚光器的主要缺点是不足的集中度，导致没有被太阳能电池利用的极大辐射损失。
定义
如本文中所使用的那样，术语“折射率差异(refractive index contrast)”应该是指多个层(multilayer)中不同材料之间的折射率差(Δn = nh – nl，其中nh是高折射率和nl是低折射率，或Δn = ne – no，其中ne 是非常折射率和no是寻常折射率)。
如本文中所使用的那样，术语“吸收边沿(absorption edge)”应该是指在其附近吸收能力出现突然升高的波长。
如本文中所使用的那样，术语“反射带(reflection band)”应该是指其中辐射被反射的角度范围。
发明内容
本发明的一个目的是提供克服了上述局限的太阳能聚光器。
本发明的一个进一步的目的是提供增强了在收集器中被捕获的辐射的发光太阳能聚光器。
这些目的通过根据权利要求1的发光太阳能聚光器得以实现。特别地，公开了发光太阳能聚光器，其包括具有发光基质(luminescent substrate)的收集器，和波长选择滤光器，其中所述波长选择滤光器设置在所述收集器的表面之上，其中所述发光基质具有对应于波长λex的吸收边沿并在大约波长λem发射辐射，其中所述选择滤光器具有色散为负或零的折射率差异Δn(wherein the selective filter has a refractive-index contrast Δn with a negative or zero dispersion)，和其中所述波长选择滤光器被设计为将发射的辐射保持在所述收集器内同时将入射，即激发，辐射的反射带移动(shifting)至≥25o的角度和/或将所述反射带缩窄到≤10o的范围。
本发明基于以下出人意料的发现：通过提供具有色散为负或零的折射率差异Δn的波长选择滤光器，可以将入射辐射的反射带移动到≥25o的角度和/或可以将所述反射带缩窄到≤10o的范围，如果所述滤光器包含具有平均折射率正色散的材料则尤其是后者这种情况。已经发现，正色散影响所述反射带的移动，而折射率差异的负色散影响所述反射带变得更窄。
有利的角度，所述反射带将被移动至所述角度并且其是本发明的一部分，是这样的角度，优选是≥35o，特别是≥50o和尤其≥90o的值。
所述反射带的宽度可以优选缩窄到≤ 7o的值，特别是缩窄到≤ 5o的值和尤其是≤ 2o的值。在一个特别的实施方案中，可以将所述反射带缩窄直到达到0o的宽度，这意味着根本不存在所述反射带。
这导致以下优点：所述波长选择滤光器反射大量由所述发光基质发射的辐射，从而减少了发射的辐射的损失。与此相对比，根据本发明的太阳能聚光器减少了被反射并从而被阻止进入所述收集器的入射阳光的量。
所述集中度因此得到提高并且根据本发明的发光太阳能聚光器可以以出人意料的方式减少辐射的损失并从而分别改善太阳能电池的性能或后者的功率输出。
有利地，所述波长选择滤光器具有色散为负的折射率差异Δn。这导致所描述的反射带被缩窄的效果。如果所述选择滤光器具有色散为零的折射率差异Δn，也可以实现这种效果。
在一个实施方案中，所述选择滤光器由多个层形成，所述多个层包括具有高折射率和低色散的材料和此外具有低折射率和高色散的材料。通过使用多个层，单个层的光学性能可以通过选择所述单个的层而得到很好地调节。通过组合不同的层，所述选择滤光器的光学性能同样可以得到非常好地调节。
在一个进一步的实施方案中，所述选择滤光器是基于胆甾型液晶聚合物(cholesteric liquid-crystal polymers)。这些聚合物非常适合用于形成选择滤光器，因为在聚合过程期间和通过聚合条件，或通过选择相应的单体可以很好地限定光学性能。因此可以非常好地调节所述波长选择滤光器。
进一步，优选地，所述液晶聚合物具有正色散。这使得入射辐射的反射带能够被移动到高角度从而允许更大量的辐射进入所述收集器。
在一个进一步的实施方案中，所述液晶聚合物由具有三个分子实体(entities)的单体分子形成，所述三个分子实体中的两个基本上彼此平行并且基本上垂直于第三个。这些类型的单体在聚合过程后将在相应的聚合物中引起所希望的性能并且因此非常适合应用。
此外，优选地，所述液晶聚合物包含至少一种手性单元。通过引入手性单元，可以精确限定所述反射带的位置。由此，所获得的光学性能是极其可调的，因为它们高度依赖于这样的手性单元以及依赖于所述手性单元的浓度。
附图说明
将参考下文描述的实施方案说明本发明的这些和其它方面，并且本发明的这些和其它方面从下文描述的实施方案将变得显而易见。
在附图中：
图1 示出了根据本发明的一种发光太阳能聚光器的示意图；
图2 示出了根据本发明的一种发光太阳能聚光器的反射性(reflectivity)；
图3 示出了用于形成根据本发明的发光太阳能聚光器的一种优选单体的示意图；
图4 示出了能够与图3的单体一起使用的一种单体的示意图。
具体实施方式
图1中，示意性地示出了根据本发明的太阳能聚光器10。所述太阳能聚光器10包含收集器12，其有利地被设计为平的片。优选地，所述收集器12由光学透明的或至少半透明的材料形成。非常适用的示例性材料是玻璃，聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。所述收集器12包含收集表面14，其优选朝向入射阳光。所述入射阳光示意性地由虚线箭头16表示。
沿着所述收集器12的边缘20安装了光电电池或太阳能电池18。所述太阳能电池18可以是任何类型。合适的太阳能电池18包括但不限于体效应技术电池(bulk technology cell)如非晶硅电池、多晶硅电池(multicrystalline silicon cell)、多晶硅电池(polycrystalline silicon cell)、单晶硅电池或薄膜电池如碲化镉电池(cadmium telluride cells)、硒铜铟电池(copper indium selenide cells)、砷化镓电池(gallium arsenide cells)、硒化铟电池(indium selenide cells)或铜铟镓硒电池(copper indium gallium selenide cells)。所述太阳能电池18包含面向所述收集器12的边缘20的主吸收表面22。
可以使用具有一个太阳能电池18的一个收集器12。此外，可以设计阵列，由此，举例而言，在两个收集器12之间放置双面太阳能电池18。在这种情况下，所述太阳能电池12额外包含第二吸收表面。
位于所述收集器12中或涂覆在其上，分别提供了发光基质或材料。所述发光基质可以由荧光体(fluorophores)或磷光体(phosphores)组成，例如以染料形式或作为颗粒，即发光体(luminophores)24。所述发光体24吸收波长小于或等于所谓的吸收边沿波长λex的阳光。所述入射辐射或阳光分别被所述发光体24吸收，后者由此进入激发态。由于它们的发光行为，已经吸收了所述入射辐射的所述发光体24以更长波长λem(λem≥λex)发射辐射。通常，发射的更长波长的光发射向所有方向。然而，所述更长波长的光的一部分通过全内反射(TIR)被捕获在所述收集器12中并由此通过所述收集器12被导向其边缘20。这通过图1中的箭头示出。在所述边缘22，所述光被转移到所述太阳能电池18的吸收表面20。
所述收集器12因此聚集在其收集表面14进入所述收集器12的入射阳光并将其导向所述太阳能电池18。这使得更多的光能被所述太阳能电池18利用并因此使得所述太阳能电池18具有更高的能量输出。
为了通过全内反射增加在所述收集器12中被捕获的发射的辐射，特别是没有被捕获在所述收集器12中的辐射的量，提供了波长选择滤光器26。可以将所述波长选择滤光器26设置在所述收集器12的表面之上，即将其直接设置在所述收集器12的表面上，或可以在所述收集器12的表面和所述波长选择滤光器26之间提供间隙。所述波长选择滤光器26也称为光子带阻滤光器(photonic band-stop filter)、干涉滤光器(interference filter)或布拉格反射镜(Bragg mirror)。如果所述波长选择滤光器26位于所述收集器12的收集表面14上或恰好上方，并因此在所述发光基质表面之上，则是特别有利的，即使其是以涂层的形式提供。此外，可能的是在所述收集器12的每一侧上提供各自的波长选择滤光器。
所述波长选择滤光器反射所述发射的辐射并因此防止发射的辐射发生损失。这样，在所述收集器12内部被捕获的辐射的量增加，导致更多的辐射被导向所述太阳能电池18并因此导致后者更高的能量输出。
然而，重要的是克服入射阳光被大量反射的影响。这种入射光的反射抵消了所希望的效果，因为其减少了进入所述太阳能电池18的阳光的量。
这可以通过设计具有波长依赖性的滤光器26实现。这意味着所述滤光器能够反射具有波长λem的发射的阳光但不大量反射具有波长λex的入射阳光。
波长选择滤光器的反射性行为在图2中示出。
在图2中，将所述波长选择滤光器26的反射性相对于辐射的入射角作图。曲线a示出了对于发射波长λem处的辐射在收集器12中所希望的反射带。曲线a包含在角度Φ= 0°附近的宽峰。该宽峰示出了所述波长选择滤光器的反射带，所述反射带是其中各种辐射被反射的角度范围。因此，最希望的是当Φ = Φc = asin(1/n(λem))为全反射的临界角和n(λem)是在所示波长处的折射率时，该反射带从角度-Φ延伸到角度Φ。这意味着所述波长选择滤光器反射全部辐射，所述辐射由发光体24在-Φc到Φc的范围发射。以位于该区域以外的角度射到所述波长选择滤光器26的全部辐射都在全内反射的范围内。因此，发射的辐射没有损失，而是全部被导向所述边缘20并从而导向所述太阳能电池18。
曲线b示出了在激发波长λex处辐射的反射性，因此示出了入射阳光的反射。如果所述波长选择滤光器由关于折射率不具有色散的材料形成，这意味着所述折射率与辐射的光的波长无关(n(λex) = n(λem))，则可以获得该曲线。这种材料的另一特性是作为Δn(λex) = Δn(λem)获得的折射率差异性能。可以看出存在两个反射带，在其中入射阳光被反射并从而被阻止进入到所述收集器12中。
为了增加进入所述收集器12的入射阳光的量，一种可能是使所述反射带移动到高角度。这意味着只有以高角度射到所述波长选择滤光器的阳光将被反射。通常，所述太阳能电池18的收集表面14朝向所述入射阳光，由此使得实现小的入射角度。因此，在高角度的反射带将只引起少量的入射辐射被反射并因此损失。
图2中示意性地示出了所述反射带的移动并通过曲线c进行说明。通过箭头示出了所述移动。可以看出，所述反射带被移动到较高的角度。如果激发辐射的反射带被移动到≥ 25°的角度则是优选的，其中如果激发辐射的反射带被移动到≥ 35°，尤其是≥ 50°和最希望地≥ 90°的角度则是特别优选的。通过在所述波长选择滤光器中提供具有(平均)折射率正色散n(λex)>n(λem)的材料可以实现这种移动，如以下所述。因此，与较长波长相比在较短波长处所述折射率更大。
减少被反射并从而被阻止进入所述收集器12的波长为λex的入射，即激发，辐射的量的另一方式是缩窄入射辐射的反射带。这通过曲线d示意性地说明并通过箭头示出。反射带缩窄是指在其中入射辐射被反射的反射带的宽度更小。所述反射带的宽度由所述滤光器26中的折射率差异决定。可以通过提供波长选择滤光器，其包含具有折射率差异负色散(Δn(λex) < Δn(λem))的材料，实现所述反射带的缩窄。优选将所述反射带缩窄到≤ 10o的范围，其中如果将所述激发辐射的反射带缩窄到≤7o，尤其是≤4o和最希望地≤1o的范围则是特别优选的。当然，如果将所述反射带缩窄到0o的范围，所述反射带根本不存在，是特别优选的。
这种效应可以很好地与所述反射带向更高角度的移动结合。如果所述波长选择滤光器中的材料不仅具有折射率差异的负色散，而且具有正色散(n(λex) > n(λem))，则尤其是这种情况。
因此希望提供使发射的辐射的反射带缩窄和/或移动到高角度的波长选择滤光器。
这可以通过使用由介质层(dielectric layer)的多个层形成的波长选择滤光器实现。在这种情况下，可使用具有正色散的材料，导致发射的辐射的反射带被移动向较高角度。代替使用具有正色散的材料或除了使用具有正色散的材料以外，所使用的材料在它们的折射率方面可以具有差异，其被设计为使得折射率差异Δn将具有负色散，从而使各个反射带缩窄。这将导致大量增加在所述收集器12中捕获的辐射的量的波长选择滤光器。
优选地，所述多个层包含具有高折射率和低色散的材料以及此外具有低折射率和高色散的材料。此外，可使用包含具有小折射率差异的许多层的多个层。这里，如果构成层包含双折射聚合物，则是特别优选的。
实现根据本发明的波长选择滤光器的另一种可能是通过使用液晶，特别是胆甾型液晶形成后者。重要的是选择所述液晶以具有正色散(n(λex) > n(λem))。这实现了发射的辐射的反射带被移动向高角度。除此之外，或代替具有正色散，希望所使用的液晶具有色散为负的双折射，实现具有负色散的折射率差异(Δn(λex) < Δn(λem))。在这种情况下，如上所述，发射的辐射的反射带被缩窄。包含具有色散为负的折射率差异的材料的波长选择滤光器的一个进一步的优点是它们的以下性质：具有基本上矩形形状的反射带。矩形形状是合意的，因为在反射区域和非反射区域之间存在锐利边界(sharp borders)。
就包含胆甾型液晶的滤光器26而言，优选使用通过液晶单体聚合制备的胆甾型聚合物。
根据本发明可以使用的分子的一种优选的一般结构在图3中示出。根据图3，设计分子使它们由三个棒状介晶分子实体(mesogenic molecule entities)构成，它们中的两个在有序状态中基本上彼此平行取向，并且此外基本与第三个垂直。通常，所述两个平行实体对折射率和双折射色散(birefringence dispersion)的贡献相当低，而第三实体对折射率和双折射色散具有相对高的贡献。液晶单体的这种分子设计导致具有折射率负色散的双折射并导致正色散。然而，要注意的是色散取决于分子轴。
部分（moieties）28、30、32、34可以是能够聚合以形成聚合物网络的官能端基或所述部分只是不参与聚合过程的端基。然而，优选所述部分28、30、32、34中的一个是官能基团。所述部分28、30、32、34，举例而言，可以选自包含以下的组：
Figure 11456DEST_PATH_IMAGE001
     。
部分36、38、40、42、44、46可以是连接各种官能部分的间隔基基团(spacer groups)。所述间隔基基团可以例如是亚烷基，但其也可以是提供某种功能性例如手性的基团。此外，可在所述官能部分之间提供直接键接，尤其是用于将部分52连接到48和50。所述部分36、38、40、42、44、46，举例而言，可以选自包含以下的组：
Figure 928596DEST_PATH_IMAGE002
     。
部分48和50可以是棒状介晶单元。它们对折射率和双折射色散的贡献相当小。这些部分可以包含饱和的环以保持低极化率(polarizability)。所述部分48和50，举例而言，可以选自包含以下的组：
     。
所述部分52可以是对折射率和双折射色散具有相对低贡献的棒状介晶单元。在所述单体的取向态下，部分（moiety）52以平均与部分48和50的取向垂直或接近垂直的取向将自己取向。这些部分可以包含共轭的不饱和基团以使极化率高。部分52，举例而言，可以选自包含以下的组：
Figure 165859DEST_PATH_IMAGE004
     。
根据以上所述，用于形成波长选择滤光器的单体的一些有利的例子，举例而言，可以选自包含以下的组：
Figure 865011DEST_PATH_IMAGE006
  。
为了使加工更容易，为了稳定液晶向列相和为了调节光学性能，可以将以上限定的例子或其它相应的单体与更多的常规液晶单体混合。这些常规液晶单体可以具有如图4中所示的结构。图4中示出的单体包含部分28、30、36和38，其可以与图3中描述的那些类似。此外，所述常规液晶单体包含中心部分56，其可以与图3的部分48类似。除此以外，也可设计具有更多芳香基团的部分56。这导致稳定液晶性能的部分56。所述部分56可以，举例而言，选自包含以下的组：
     。
相应地，根据图用于稳定液晶性能的可应用的液晶单体，举例而言，可以选自包含以下的组：
Figure 330945DEST_PATH_IMAGE008
Figure 62140DEST_PATH_IMAGE009
     。
除了使用包含根据图3和4的单体的双组份混合物，反应性单体共混物可以包含许多组分与不同的单体。举例而言，可加入光引发剂、稳定剂等以改善所述单体的加工性能和分别由所述单体形成的聚合物或聚合物网络的力学和光学性能。
为了引起导致波长依赖性反射(wavelength-dependant reflection)的胆甾相，所述单体中的至少一种应该各自是手性的或含有手性基团。所述基团可以例如合并到所述间隔基单元36、38、40、42中或合并到中心部分56中。一种示例性的手性单元可以是
Figure 55504DEST_PATH_IMAGE010
     。
非常适合用于本发明的示例性的手性单体，举例而言，选自包含以下的组：
Figure 809833DEST_PATH_IMAGE011
Figure 609162DEST_PATH_IMAGE012
Figure 132547DEST_PATH_IMAGE013
     。
必须注意的是，具有手性单元的单体的浓度决定反射带的位置。通常，手性单元或掺杂剂的浓度各自可以在0.1到100%之间变化，优选的值可以在20到40wt%。然而，所述手性单元的浓度取决于螺旋扭曲力(helical twisting power)(HTP = 1/pc，其中p是螺旋的螺距和c是掺杂剂的wt%浓度/100)。
形成光学膜的一种一般方式是通过用来自溶液的单体混合物涂覆基材，例如所述收集器12，例如通过缝形模头涂覆(slot die coating)或胶板印刷。因而过程如下：将单体溶解在溶剂如二甲苯中，施加后通过适度加热蒸发所述溶剂并且通过调节温度使单体混合物保持为其液晶相。接着，通过短UV曝光将所述单体聚合成聚合物网络。通过在聚合前将单体共混物施加到其上的排列介质(aligning medium)促进了分子的无缺陷整体排列(monolithic alignment)。这可以是用聚酯织物(polyester tissue)摩擦的薄聚酰亚胺涂层，如从LCD制造已知的那样，或其可以是被摩擦的基材本身。
通常，部分48和50以及56以平面排列和部分52将其本身排列为平均与此垂直。所述基团52的排列补偿所述基团48、50和56的排列。但基团52双折射的波长依赖性比48、50和60的那些高得多。因此，大波长处的双折射高于在较短波长处。
虽然在附图和以上说明中已经详细地阐述和描述了本发明，但是这些阐述和描述应该被认为是说明性的或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施方案。从对附图、公开内容和后附权利要求的研究，在实施所要求保护的发明时，本领域技术人员可以理解并实施所公开的实施方案的其它变体。在权利要求中，词语“包含(包括)”并不排除其它要素或步骤，而不定冠词“a”或“an”不排除复数。仅仅在彼此不同的附属权利要求中提及某些措施的事实并不表示不能有利地利用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应该被认为是限制范围。

Claims (10)

1.用于太阳能电池的发光太阳能聚光器，其包括
具有发光基质的收集器，和
波长选择滤光器，
其中所述波长选择滤光器设置在所述收集器的表面之上，
其中所述发光基质具有对应于波长λex的吸收边沿并在波长λem周围发射辐射，
其中所述选择滤光器具有色散为负或零的折射率差异Δn，和
其中所述波长选择滤光器被设计为将发射的辐射保持在所述收集器内同时将入射辐射的反射带移动至≥25o的角度和/或将所述反射带缩窄到≤10o的范围。
2.根据权利要求1的发光太阳能聚光器，其中所述波长选择滤光器被设计为将入射辐射的反射带移动至≥35o的角度，特别是≥50o的角度，尤其是≥90o的角度。
3.根据权利要求1或2的发光太阳能聚光器，其中所述波长选择滤光器被设计为将所述反射带缩窄到≤7o的范围，特别是≤5o，尤其是≤2o的角度。
4.根据权利要求1到3任意一项的发光太阳能聚光器，其中所述选择滤光器具有色散为负的折射率差异Δn。
5.根据权利要求1到3任意一项的发光太阳能聚光器，其中所述选择滤光器具有色散为零的折射率差异Δn。
6.根据权利要求1到5任意一项的发光太阳能聚光器，其中所述选择滤光器由多个层形成，所述多个层包括具有高折射率和低色散的材料和此外具有低折射率和高色散的材料。
7.根据权利要求1到6任意一项的发光太阳能聚光器，其中所述选择滤光器基于胆甾型液晶聚合物。
8.根据权利要求7的发光太阳能聚光器，其中所述液晶聚合物具有正色散。
9.根据权利要求7或8任意一项的发光太阳能聚光器，其中所述液晶聚合物由具有三个分子实体的单体分子形成，所述三个分子实体中的两个基本上彼此平行并基本上与第三个垂直。
10.根据权利要求7到9任意一项的发光太阳能聚光器，其中所述液晶聚合物包含至少一种手性单元。
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