DE2714477C2

DE2714477C2 - Wellenlängenumsetzer

Info

Publication number: DE2714477C2
Application number: DE2714477A
Authority: DE
Inventors: Philippe Edouard Jean Leon Alexis Puteaux Gravisse
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-31
Publication date: 1985-04-25
Also published as: FR2346858A1; FR2346858B1; DE2714477A1; BR7701991A; US4088508A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenlängenumsetzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Wellenlängenumsetzer ist aus der US-PS 34 26 212 bekannt. Er dient dem Zweck, elektromagnetische Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, an die spektrale Empfindlichkeit eines Strahlungsempfängers anzupassen. Beispielsweise wird die spektrale Empfindlichkeit eines Photoelements an die Spektralverteilung des Sonnenlichts angepaßt, um den Wirkungsgrad der Energieumwandlung durch das Photoelement zu verbessern, oder Sonnenlicht wird in Wellenlängenbereiche umgesetzt, die bei der Photosynthese von Bedeutung sind, um so das Gedeihen von In Gewächshäusern oder dergleichen aufgezogenen Pflanzen zu fordern. Ein solcher Wellenlängenumsetzer enthält in einer Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA) homogen verteilte szintillierende Substanzen. Die szintillierenden Substanzen sind hinsichtlich Ihres Emissions- und Absorptions-Vermögens kaskadenartig kombiniert, was bedeutet, daß sich mit Ausnahme der am kurzwelligen Ende der Kaskade liegenden Substanz das Absorptionsspektrum jeweils einer der Substanzen mit dem Emissionsspektrum einer anderen Substanz überlappt. In der US-PS 34 26 212 werden als szintillierende Substanzen eine Vielzahl von Farbstoffen genannt, wozu auch Uranin gehört. Die Eigenschaften von fluoreszierenden Farbstoffen sind z. B. In Römpp »Chemielexikon«, Franksche Verlagshandlung, Stuttgart 1966, Stichworte: »Fluoreszenz«, »optische Bleichmittel«, beschrieben. Weitere Einzelheiten zu Uranin und Rhodamin B finden sich In »The Merck Index«, Merck & Co., Rahway, N. J. 1968, Stichworte: »Fluorescein Sodium« und »Rhodamlne B«. Bei dem Wellenlängenumsetzer nach der US-PS 3426 212 liegen die Konzentrationen der verwendeten szintillierenden Substanzen in der Größenordnung von einigen Zehntel Gew.-96, bezogen auf das Harz, Insbesondere Polymeinylmethacrylat, aus dem die Matrix besteht, in der die szintillierenden Substanzen verteilt sind. Ober die Schichtstärken der Wellenlängenumsetzer enthält die US-PS 3126 212 keine konkreten Angaben.

Aus »Research Disclosure«, Nr. 129, Januar 1975, Selten 20 bis 21 ist ein Wellenlängenumsetzer im Zusammenhang mit einem Photoelement beschrieben, der aus einer Schicht eines fluoreszierenden Farbstoffs in einer Lösung besteht. In der Lösung können auch mehrere fluoreszierende Farbstoffe gemischt enthalten sein. FOr die Farbstofflösung muß ein eigenes Gefäß vorgesehen werden, an dessen Seitenflächen die Photoelemente angebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen WeHeniänge&usnsetzer der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß unter besonderer Berücksichtigung der Verträglichkeit der verwendeten szintillierenden Substanzen mit den Bestandteilen der Harzschicht der Wirkungsgrad verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im keraizelchnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Wahl des Harzmaterials, in dem die szintillierenden Substanzen verteilt sind, ebenso wie die der szintillierenden Substanzen selbst kritisch ist, well viele szintillierende Substanzen, die sich dem Fachmann anbieten, da sie eine hohe Photonenausbeute ergeben, durch Polymerisationsmittel zerstört werden. Bei dem erfindungsgemäßen Wellenlängenumsetzer haben die szintillierenden Substanzen eine vergleichsweise sehr geringe Konzentration, während die Schichtstärke von 3 mm sehr groß gewählt wurdß. Zu; Optimierung des Wirkungsgrades 1st ferner die Abstufung der Konzentrationen der verschiedenen szinti liierenden Substanzen unter Berücksichtigung Ihrer Lage In der Kaskade von Bedeutung. Dfe diesbezüglichen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wellenlängenumsetzers gewährleisten eine optimale Ausnutzung der durch Absorption und Reemission erzeugten Photonen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigt

Flg. 1 eine schematische Darstellung einer üblichen Sperrschlcht-Photozelle,

Flg. 2 eine Schnittansicht eines an die Photozelle von Fig. 1 angepaßten Wellenlängenumsetzers,

FI g. 3 ein Schema zur Verdeutlichung der sich In der Schicht aus Polymethylmethacrylat abspielenden Vorgänge,

Flg. 4 die Strom-Spannungskurven für eine übliche Photozelle mit Glas (gestrichelte Kurve), sowie für die gleiche Photozelle ohne Glas, jedoch mit PMMA-Schlcht mit zwei szintillierenden Substanzen (ausgezogene Kurve), und

FI g. 5 die Strom-Spannungskurven für eine übliche Photozelie mit Glas (gestrichelte Kurve), und für die gleiche Photozelle ohne Glas mit PMMA-Schlchl mit drei szintillierenden Substanzen (ausgezogene Kurve).

Wie Flg. 1 zeigt, besteht eine übliche Photozelle 1 z. B. aus einer Slllzlumschicht {Si), wobei diese letztere

vorzugsweise für zwischen 700 und 800 nm gelegene Photonen Φ empfindlich Ist, oder aus CdS oder aus CdTe.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung ermöglicht eine sehr ausgeprägte Erhöhung der Gesamtausbeute der Photozelle von Fig. 1, und zwar dank einer aus Polymethylmethacrylat bestehenden Schicht 2, die verschiedene szintilllerende Substanzen enthält, welche in dieser Schicht homogen verteilt sind; diese Substanzen weiden so ausgewählt, daß das Absorptlonsspek- to trum der einen Substanz das Emissionsspektrum einer anderen szlntillterenden Substanz überlappt, mit Ausnahme' der am Kaskadenbeginn befindlichen Substanz, d. h. der in Richtung der kürzeren Wellenlängen angeordneten-Substanz.

Fig. 3 erlaubt ein besseres Verständnis der sich im Innern der Schicht 2 abspielender. Vorgänge, wo die szlntiillerenden Substanzen A, B, C, D dispergiert sind; die Pfeile zeigen bestimmte Bahnmöglichkeiten für die Photonen.

Die von A ausgesendeten Photonen wenden beispielsweise durch Moieküie B, die sich entweder zwischen A und der Photozelle oder zwischen A und der taßeren Strahlungsquelle 5 befinden, abgefangen und absorbiert. Gleiches geschieht mit den Emissionen von B, C und D.

Statistisch gesehen richten sich die Photonen mit großer Wellenlänge (700-800 nm) somit zur Hälfte auf die Photozelle und zur Hälfte in entgegengesetzter Richtung; tatsächlich sind die parallel zur Zwlschenfläehe Schicht-S/ ausgesendeten Photonen zu vernachlässigen.

Es ist somit leicht verständlich, daß die mit der Photozelle erziehe Ausbeute wesentlich höher ist als etwa bei einer Vorrichtung mit Mehrfachschicht-Struktür, wie sie aus der FR-OS 22 46 078 bekannt Ist, wo die verschiedenen Photonen Reflexionen an den Zwischenflächen der verschiedenen auf der Photozelle befindlichen Schichten unterworfen waren. Tatsächlich erreicht die Möglichkeit, daß ein von A ausgesendetes Photon die Photozelle erreicht, etwa 0,5, während sie bei der Schichtstruktur nur 0,0625 beträgt; die Photozelle gewinnt somit eine von einer Kumulierung An absorbierter und dann von den verschiedenen szintilllerenden Substanzen wieder ausgesendeten Energien stammende große Energiemenge wieder, und zwar ausgehend von kurzen Wellenlängen.

Die die szintlillerenden Substanzen enthaltende Matrix muß bestimmte Eigenschaften besitzen und insbesondere für das Empfindlichkeitsspektrum der so Photozelle und der veischtedenen szintilllerenden Substanzen durchlässig sein. Ferner muß darauf geachtet werden, uaß die Absorptionsschwelle der Matrix hei einer Wellenlänge unterhalb des Absorptionsbereichs der Substanz A liegt, wenn man die Kaskade A-B-C^D- Photozelle betrachtet.

Zur Erzielung der besten Ergebnisse ist es unerläßlich, daß die verschiedenen szintilllerenden Substanzen möglichst homogen In dem Schichtmaterial verteilt sind.

Ein anderes Phänomen, welches die Ausbeute des Photoelements beeinflußt, Ist die Konzentration der szintilllerenden Substanzen, welche die meisten Chancen ergibt, daß Photonen das Photoelement erreichen. Eine zu hohe Konzentration führt zu einer Verfärbung der Matrix und sciYil·. zu einer Filterwirkung, welche die Gesamtausbeute des Photoelements herabsetzt. Indem bestimmte Wellenlängen reflektiert werden. Im übrigen ist die höchste Konzentration diejenige der am Kaskadenanfang, in Richtung der kurzen Wellenlängen stehenden Substanz.

Es folgen Beispiele, bei denen der Wellenlängenumsetzer an ein Photoelement vom Typ RTC BPX 47 A mit 24 cm² empfindlicher Oberfläche auf Siliziumbasis angepaßt ist.

Beispiel 1
(F i g. 4, gestrichelte Kurve)

Man arbeitet mit einem Photoelement der vorstehend genannten Art, das in üblicher Weise antireflektierend gemacht wurde und mit einer Glasfolie bedeckt ist. Man erhält die Strom-Spannungskurve mit den folgenden Kenngrößen nach einer Belichtung von 1 kW/m² (mit einem dem Sonnenspektrum angenäherten Spektrum):

- Kurzschiüßstrom:

406 mA

- Leerlaufspannung:

52OmV

Leistung zum Zeitpunkt optimalen Betriebs (optimaler Belastungswiderstand: 0,83 il):

123 mW.

Beispiel 2
(Flg. 4, ausgezogene Kurve)

Das gleiche Photoelement wie in Beispiel 1, jedoch ohne Glasfolie, aber beschichtet mit einer nicht gegen UV behandelten Matrix aus PMMA mit einer Dicke von 3 mm, enthaltend 2 · ΙΟ"⁴ Mol Uranin/kg Harz und 2 · ΙΟ"⁵ Mol Rhodamin B/kg Harz, ergibt die folgenden Kennwerte unter den gleichen Belichtungsbedingungen:

Kurzschlußstrom:
426 mA, d. h. ein Gewinn von 4,9«

- I.cerlaufspannung:

53OmV

- Leistung zum Zeltpunkt optimalen Betriebs:

132 mW, d. h. eine Zunahme um 7,3».

Beispiel 3
(Flg. 5, gestrichelte Kurve)

Ein anderes Photoelement, ähnlich dem von Beispiel 1, ergibt die folgenden Kenngrößen:

Kursschlußstrom:
395 mA

- Leerlaufspannuni:

510 mV

Leistung zum Zeltpunkt optimalen Betriebs:
119 mW.

Beispiel 4
(F i g. 5, ausgezogene Kurve)

Das nicht mit Glas belegte Photoelement von Beispiel 3 wird mit C'ner 3 mm dicken Schicht aus nicht gegen UV behandeltem PMMA versehen, In welcher dispergiert sind:

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- 2 · 1<£ Mol/kg Harz Dlphenyloxazol _{H|erni 2 B|att} Zeichnungen

- 2 ■ 10-* Mol/kg Harz Uranin

- 2 ■ ΙΟ"⁵ Mol/kg Harz Rhodamin B.

Die mit diesem Photoelement erhaltenen Kennwerte ^; sind die folgenden:

Kurzschlußspannung:

440 mA. d. h. eine Zunahme um 11.4^ Leerlaufspannung:

545 mV
Leistung zum Zeltpunkt optimalen Betriebs:

140 mW. d. h. eine Zunahme um 17.6%.

Aus den vorstehenden Beispielen ergibt sich, daß die ■ Gewinne sowohl in bezug auf den Kurzschlußstrom als auch auf die Leistung zum Zeitpunkt optimalen Betriebs beträchtlich sind. Insbesondere was das Photoelement von BeKnlül 4 anbelangt.

Außerdem ist die Dicke der Schicht von 3 mm von : Bedeutung, da diese Schicht nicht nur als Träger für die szlntilllerenden Substanzen dient, sondern auch noch eine Schutzwirkung für das Photoelement ausübt. Auch hierin unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den bekannten Wellenlängenumsetzern, bei denen die :· Dicke der die Photoelemente bedeckenden synthetischen Schichten kaum 100 μ übersteigt.

Gerade wegen dieser größeren Dicke (mehrere Millimeter) kann der erfindungsgemäße Wellenlängenumsetzer allein verwendet werden und beispielsweise die · durchsichtigen Wände eines Gewächshauses bilden, in welchen man auf diese Welse die Reemisston von Photonen (Energie) in den spezifischen Bereichen der Photosynthese (430-440 nm. 650 nm> begünstigt, so daß das Gedeihen der In Gewächshäusern dieser Art behan- :■· delten Pflanzen gefördert wird.

Auch kann man den Wellenlängenumsetzer an einen photothermischen Wandler anpassen, wobei die Schicht so behandelt wird, daß im Weilenlängenbereich der optimalen Ausbeute des schwarzen Körpers eine * größere Anzahl vors Photonen als die in der betrachteten Wellenlängenzusammensetzung anwesenden mobilisiert wird. Da die durch solche Wandler erzeugte Wärmeenergie eine Funktion von Λν ist. wächst die Anzahl erzeugter Wärmeeinheiten im gleichen Anteil. ^; wenn Ar zunimmt.

Im Faiit einer Verwendung des Welleniangenumsetzers bei einem Photoelement sei bemerkt, daß die mit der mit szintilllerenden Substanzen gefüllten Schicht belegte Photozelle den Vorteil besitzt, daß sie nicht ; antireflektierend gedacht wurde, so daß sie schwarz aussieht, was bedeutet, daß alle Strahlungen von der Photozelle eingefangen werden können: Anders verhält es sich bei den bekannten Photozellen, wo die Photozelle antireflekiierend gemacht wurde und ein bläuli- ;? ches Aussehen besitzt, was bedeutet, daß der dem Blau entsprechende Energiebereich nicht von dem Photoelement aufgenommen wird, was einen Leistungsverlust bedeutet.

Ein weiterer Vorteil eines schwarzen und somit nicht antireflektierend gemachten Photoelements besteht darin, daß es die Wiedemutzbarmachung der durch die empfindliche Oberfläche des Photoelements reflektierten Photonen ermöglicht, indem diese dank der szintillierenden Substanzen in nutzbare Photonen wieder -5 umgewandelt werden, wobei diese nutzbaren Photonen in statistischer Verteilung wieder auf das Photoelement gerichtet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Wellenlängenumsetzer, der eine in der Spektralverteilung dem Sonnenlicht in etwa entsprechende s Strahlung an die spektrale Empfindlichkeit eines Strahlungsempfängers, insbesondere eines Fotoelements, anpaßt und mit hoher Quantenausbeute kurzwellige Energie mittels mehrerer szintillierender Substanzen in Energie größerer Wellenlängen umsetzt, wobei die szintillierenden Substanzen hinsichtlich ihres Emissions- und Absorptionsvermögens kaskadenartig wirken, was bedeutet, daß sich mit Ausnahme der am kurzwelligen Ende der Kaskade liegenden Substanz das Absorptlonsspektrum jeweils einer der Substanzen mit dem Emissionsspektrum einer anderen Substanz überlappt» und wobei die szintillierenden Substanzen in einer Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA) homogen verteil» sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) eine Dicke von 3 ram aufweisi, daß das Polymethylmethacrylat nicht gegen UV behandelt ist und daß als szintillierende Substanzen in dem Polymethylmethacrylat

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2 · 1(H Mol Uranin pro kg PMMA und
2 · IO-⁵ Mol Rhodamin B pro kg PMMA

enthalten sind.

2. Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) zusätzlich 2 1(H Mol DiDhenylPxazol pro kg PMMA enthält.

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