DE3007543C2 - Light collecting plate for converting light energy into electrical and / or thermal energy - Google Patents
Light collecting plate for converting light energy into electrical and / or thermal energyInfo
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Description
a) die Konzentration Cb von B größer ist als die kritische Konzentration Q, für strahlungslosen Transfer der Anregungsenergie von A nach B (G, läßt sich aus den Spektren von A und B nach der Förster-Theorie berechnen oder durch Messungen ermitteln),a) the concentration Cb of B is greater than the critical concentration Q, for radiationless transfer of the excitation energy from A to B (G, can be calculated from the spectra of A and B according to the Förster theory or determined by measurements),
b) der Absorptionskoeffizient (=molarer Extinktionsmodul χ Konzentration [Mol/l]) von A ist mindestens um einen Faktor 10 größer als der Absorptionskoeffizient von B. b) the absorption coefficient (= molar extinction modulus χ concentration [mol / l]) of A is at least 10 times greater than the absorption coefficient of B.
proportional zum Verhältnis
Plattenfläche
Kantenflächeproportional to the ratio
Plate area
Edge surface
an. Für viele Anwendungen solcher Konzentratoren, speziell für die Nutzung als Solarkollektor, ist es erforderlich, daß der Wirkungsgrad, also das Verhältnisat. For many applications of such concentrators, especially for use as a solar collector, it is necessary that the efficiency, i.e. the ratio
auf die Oberfläche fallende Lichtenergie
ίο an der Kante zur Verfügung stehende Lichtenergie light energy falling on the surface
ίο available light energy at the edge
groß ist, & h. daß die Energieverluste (Lichtverluste) in der Platte gering bleiben.
Einer dieser Verluste ist die Selbstabsorption des Fluoreszenzlichtes durch die Fluoreszenzstoffe. Sie wird
insbesondere bei der Verwendung organischer Farbstoffe beobachtet und ist darauf zurückzuführen, daß es
in aller Regel einen Überlappungsbereich zwischen Absorptions- und Emissionsspektrum solcher Farbstoffe
gibt, so daß der Farbstoff in der Lage ist, sein eigenes Fluoreszenzlicht teilweise zu absorbieren (A b b. 2).is big, & h. that the energy losses (light losses) in the plate remain low.
One of these losses is the self-absorption of the fluorescent light by the fluorescent substances. It is particularly observed when using organic dyes and is due to the fact that there is usually an overlap area between the absorption and emission spectrum of such dyes, so that the dye is able to partially absorb its own fluorescent light (A b b. 2).
Die Selbstabsorption führt zu Verlusten, obwohl ein Teil des reabsorbierten Lichtes wieder als Sekundärfluoreszeiiz ausgestrahlt wird, weilSelf-absorption leads to losses, although part of the reabsorbed light is again used as secondary fluorescence broadcast because
2525th
Die Erfindung betrifft eine Lichtsammeiplatte (Lumineszenz-Lichtkonzentrator) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus [3] bekannt ist; seine Varianten wurden in verschiedenen Veröffentlichungen [1 — 6] und Patentanmeldungen [13-15] beschrieben.The invention relates to a light collecting plate (luminescence light concentrator) according to the preamble of claim 1, as it is known from [3]; its variants have been described in various publications [1 - 6] and patent applications [13-15].
Zunächst soll das allen derartigen Lumineszenzkonzentratoren zugrunde liegende Funktionsprinzip kurz erläutert werden (A b b. 1). Eine Platte (oder Schicht) aus transparentem Material, deren Brechungsindex größer als derjenige der Umgebung ist und in welcher sich Fluoreszenzzentren befinden, wird beleuchtet Das Licht wird teilweise von den Fluoreszenzstoffen absorbiert und in Fluoreszenzlicht einer größeren Wellenlänge umgewandelt. (Diese Wellenlängenverschiebung ist wesentlich für das Funktionieren des Konzentrators, da sie lange Laufstrecken des Fiuoreszenzlichts ermöglicht) Das Fluoreszenzlicht wird überwiegend durch Totalreflexion an den Plattenoberflächen in der Platte gehalten und an die Plattenkanten geführt, wo es der weiteren Nutzung (z. B. Umwandlung in Wärme oder Strom) zur Verfügung stehtFirst of all, the functional principle on which all such luminescence concentrators are based should be brief explained (A b b. 1). A plate (or layer) of transparent material whose index of refraction is larger than that of the environment and in which there are fluorescent centers, it is illuminated that Light is partially absorbed by the fluorescent substances and a larger part is converted into fluorescent light Wavelength converted. (This wavelength shift is essential for the functioning of the Concentrator, since it allows long distances of the fluorescent light) The fluorescent light becomes Mainly held in the plate by total reflection on the plate surfaces and on the plate edges where it is available for further use (e.g. conversion into heat or electricity)
Die Leuchtdichte an der Kante wächst für ein ideales System bei gleicher Beleuchtung des KonzentratorsThe luminance at the edge increases for an ideal system with the same illumination of the concentrator
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich 3 oder mehr verschiedene Fluoreszenzstoffe, im folgenden Ai genannt, in der Schicht befinden, wobei das Emissionsspektrum eines jeden Fluoreszenzstoffes Ai mit dem Absorp- 30 tionsspektrum des nächstlangwelligeren Fluoreszenzstoffes Ai+\ stark überlappt, und daß die Konzentrationen C, der Farbstoffe A2 bis An größer als die kritischen Konzentrationen Cn für strahlungslosen Energietransfer von A,_ 1 nach A,-(/= 2,..^n) sind, und daß mindestens der Farbstoff Ai um einen Faktor > 10 höher konzentriert ist als An.2. Device according to claim 1, characterized in that there are 3 or more different fluorescent substances, hereinafter called Ai , in the layer, the emission spectrum of each fluorescent substance Ai with the absorption spectrum of the next longer-wave fluorescent substance Ai + \ strongly overlaps, and that the concentrations C, of the dyes A 2 to A n greater than the critical concentrations Cn for radiationless energy transfer from A, _ 1 to A, - (/ = 2, .. ^ n) , and that at least the dye Ai by one Factor> 10 is more concentrated than A n .
40 die Fluoreszenzquantenausbeute η der Farbstoffe oft kleiner als 1 ist, nicht alle absorbierten Quanten also {ils Sekundärfluoreszenz wieder abgestrahlt werden, 40 the fluorescence quantum yield η of the dyes is often less than 1, so not all of the absorbed quanta are emitted again because of the secondary fluorescence,
die Sekundärfluoreszenz genau wie die Primärfluoreszenz z.T. in Richtungen erfolgt, in denen das Licht nicht durch Totalreflexion geführt werden kann, also die Platte verläßt (für isotrope Fluoreszenz bleibt der Bruchteilthe secondary fluorescence just like the primary fluorescence partly takes place in directions in which the Light cannot be guided by total reflection, i.e. it leaves the plate (for isotropic Fluorescence remains the fraction
Vtrap = COS OCg = 0,74 Vtrap = COS OCg = 0.74
in der Platte;in the plate;
»trap«
grad)."Trap"
Degree).
trapping efficiency = Einfangwirkungs-trapping efficiency = trapping efficiency
Die vorliegende Erfindung soll diese Verluste durch Selbstabsorption vermeiden. Ihr liegt folgende Idee zugrunde:The present invention aims to avoid these self-absorption losses. You have the following idea based on:
Da die Selbstabsorption bedingt ist durch zu starke Überlappung zwischen Absorptions- und Fluoreszenzbande, d. h. durch die, verglichen mit der Breite der Spektren, zu geringe Stokes-Verschiebung der Fluoreszenz gegenüber der Absorption, muß man bestrebt sein, die Spektrentrennung zu vergrößern. Eine Möglichkeit dazu besteht in der Übertragung der Anregungsenergie vom absorbierenden Molekül A auf ein anderes, langwelliger fluoreszierendes Molekül B (A b b. 3). Die langwelligere Fluoreszenz von B kann jetzt nicht mehr durch A absorbiert werden, wohl aber von B selbst, was natürlich genauso unerwünscht ist Um diese Reabsorption des Fluoreszenzlichtes in ßzu vermeiden, muß man die Konzentration von B gering halten.Since the self-absorption is caused by excessive overlap between the absorption and fluorescence bands, ie by the Stokes shift of the fluorescence compared to the absorption, which is too small compared to the width of the spectra, efforts must be made to increase the spectrum separation. One possibility for this is to transfer the excitation energy from the absorbing molecule A to another, longer-wave fluorescent molecule B (A b b. 3). The longer-wave fluorescence from B can no longer be absorbed by A , but it can be absorbed by B itself, which of course is just as undesirable. To avoid this reabsorption of the fluorescent light in β, the concentration of B must be kept low.
Zur Übertragung der Anregungsenergie von A nach B kommen i. w. zwei Mechanismen in Frage:There are basically two mechanisms that can be used to transfer the excitation energy from A to B:
6060
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1. Energietransfer durch Strahlung (radiativer
Transfer)1. Energy transfer through radiation (radiative
Transfer)
2. Strahlungsloser (nonradiativer) Transfer2. Radiationless (nonradiative) transfer
1.) Radiativer Transfer1.) Radiative transfer
Um die Energie durch Strahlung effizient von A nach B bekommen zu können, ist gute Überlappung desIn order to be able to get the energy efficiently from A to B through radiation, there is a good overlap of the
Emissionsspektrums von A mit dem Absorptionsspektrum von B erforderlich. Die Extinktion von B muß genügend groß sein, um auf Laufstrecken, die der Kollektordimension entsprechen, alles Fluoreszenzlicht von A absorbieren zu können.Emission spectrum of A with the absorption spectrum of B required. The extinction of B must be large enough to be able to absorb all of the fluorescent light from A on distances that correspond to the collector dimensions.
Sie muß andererseits klein sein, damit nicht Selbstabsorption in B auftritt Diese Randbedingungen haben zur Folge, daß in A höchstens der Wirkungsgrad f\A ■ f[aap, in B höchstens der Wirkungsgrad t\b ■ ηηρ auftritt (dabei ist η^ρ der Einfangwirkungsgrad, ??<rap=0,74 für isotrope Emission, η^ und ηβ sind die Fluoreszenzquantenausbeuten von A und B). Der maximale Gesamtwirkungsgrad beträgt demnachThey must on the other hand, be small in order not self-absorption in B occurs These constraints have ρ result, in A maximum efficiency f \ A ■ f [aap, in B maximum efficiency t \ b ■ ηηρ occurs (where η ^ of Trapping efficiency, ?? <rap = 0.74 for isotropic emission, η ^ and ηβ are the fluorescence quantum yields of A and B). The maximum overall efficiency is accordingly
· nA ■ n,rap nB · N A ■ n, rap n B
■ nA ■ nB - 0,55 · nA ■ nB ■ n A ■ n B - 0.55 · n A ■ n B
Ein vollkommen selbstabsorptionsfreier Farbstoff A hätte den maximalen Wirkungsgrad A dye A completely free of self-absorption would have the maximum efficiency
n,rap ■ "a < 0,74 n, rap ■ "a <0.74
so daß man durch die Energieübertragung durch Strahlung zusätzlich den Faktorso that through the energy transfer through radiation one also adds the factor
n,mp · nB < 0,74 n, mp * n B < 0.74
erhält.receives.
Der Effekt der Selbstabsorption führt bei typischen Farbstoffen zu einem Verlust von etwa 50% (bei 20 cm Laufstrecke und Maximalextinktion etwa 0,5 mm-·), so daß der radiative Transfer in den meisten Fällen nur eine Verbesserung von höchstensThe effect of self-absorption leads to a loss of about 50% with typical dyes (at 20 cm Running distance and maximum extinction about 0.5 mm- ·), so that the radiative transfer in most cases only an improvement of at most
0,740.74
0,50.5
- 1 = 1,48 - 1 = 48%- 1 = 1.48 - 1 = 48%
bringt.brings.
2.) Nonradiativer (strahlungsloser) Transfer2.) Non-radiative (radiationless) transfer
Die andere Möglichkeit, nämlich strahlungsloser Energietransfer von A nach B, ist ebenfalls ein seit langem bekannter Prozeß [7 -12].The other possibility, namely radiationless energy transfer from A to B, is also a process that has been known for a long time [7-12].
Er unterscheidet sich von der Übertragung durch Strahlung im wesentlichen durch das Fehlen des Zwischenzustandes mit einem realen Photon:It differs from the transmission by radiation essentially in the absence of the Intermediate state with a real photon:
Radiativer Transfer:Radiative transfer:
A* + B ^- Λ + hvA + B -* A + B*- A + B + hvB Nonradiativer Transfer: A * + B ^ - Λ + hv A + B - * A + B * - A + B + hv B Non-radiative transfer:
A* + 5- A + B* — A + B + hv„ A * + 5- A + B * - A + B + hv "
Auch hierfür ist gute Überlappung der Emission von A mit der Absorption von B erforderlich. Da keine Fluoreszenzemission in A auftritt, fehlt beim strahlungslosen Prozeß der Faktor ηΜρ · t\a im Wirkungsgrad, was ihn um mindestens 35% größer als den Wirkungsgrad im Falle radiativen Transfers werden läßtFor this, too, a good overlap between the emission from A and the absorption from B is necessary. Since there is no fluorescence emission in A , the radiationless process lacks the factor η Μρ · t \ a in the efficiency, which makes it at least 35% greater than the efficiency in the case of radiative transfers
Ein derartiges System wirkt also wie ein selbstabsorptionsfreier Kollektor, wenn die Konzentration von B genügend gering ist, so daß in B keine Selbstabsorption auftritt.Such a system thus acts like a self -absorption-free collector if the concentration of B is sufficiently low that no self-absorption occurs in B.
Da jedoch strahlungsloser Transfer erst oberhalb einer kritischen Konzentration Co von B bedeutend wird, ist es erforderlich, eine besondere Systemanordnung zu treffen.However, since radiationless transfer only becomes significant above a critical concentration Co of B , it is necessary to make a special system arrangement.
Statt, wie üblich, alt transparente Kollektorplatte homogen mit Fluoreszenzstoffen zu dotieren, bringt man, wie aus [3] bekannt, eine dünne, gefärbte Schicht der Dicke d unter optischem Kontakt auf einen klaren Träger der üblichen Dicke auf. um strahlungslosen Energietransfer zu erreichen. In dieser Schicht befinder sich beide Fluoreszenzstoffe A und 5(A b b. 4). Instead of doping old transparent collector plates homogeneously with fluorescent substances, as is usual, a thin, colored layer of thickness d is applied to a clear substrate of the usual thickness with optical contact, as is known from [3]. to achieve radiationless energy transfer. Both fluorescent substances A and 5 are located in this layer (A b b. 4).
In dieser Literaturstelle wird aber nicht gesagt, daß die Reabsorption durch diese Anordnung verringert wird. Die tatsächlichen Bedingungen unter denen die Reabsorption nämlich geringer wird, sind hier nicht angegeben und somit nicht erfüllt In 2 und 5 wird zwar andererseits darauf hingewiesen, daß strahlungsloser Energietransfer im Fluoreszenzkollektor eine Rolle spielt, ein Hinweis auf die hierfür besonders geeignete Anordnung noch auf die erforderliche Konzentrationsbedingung wird aber nicht gegeben. However, this reference does not say that the reabsorption is reduced by this arrangement. The actual conditions under which the This is because reabsorption is less are not specified here and are therefore not met. In 2 and 5, it is true on the other hand pointed out that radiationless energy transfer in the fluorescence collector plays a role plays, but no reference is made to the arrangement particularly suitable for this, nor to the necessary concentration conditions.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lichtsammelplatte wie sie aus [3] bekannt ist im Wirkungsgrad wesentlich zu verbessern.The object of the invention is therefore to provide a light collecting plate as it is known from [3] in terms of efficiency to improve significantly.
Erfindungsgemäß geschieht dies durch eine Lichtsammelplatte nach Anspruch 1.According to the invention, this is done by a light collecting plate according to claim 1.
Die Maßnahme nach Anspruch 2 ist für Systeme mit 3 oder mehr Farbstoffen geeignetThe measure according to claim 2 is suitable for systems with 3 or more dyes
Bringt man den absorbierenden Fluoreszenzstoff A üblicherweise in einer Konzentration Ca in den homogen dotierten Kollektor, so wird man für die dünneIf the absorbing fluorescent substance A is usually brought into the homogeneously doped collector in a concentration Ca , then one becomes for the thin one
Schicht die viel höhere Konzentration—Ca wählen,Layer choose the much higher concentration - Ca,
damit A auch auf der jetzt viel kürzeren Laufstrecke d< D gleichviel einfallendes Licht absorbiert. A so f au also the now much shorter running distance d <D is much of the incident light is absorbed.
Die Konzentration von B in der Schicht ist auch wesentlich höher als es in einem homogen dotierten Kollektor der Fall wäre, und zwar wird sie deutlich größer als die kritische Konzentration C0 für strahlungslosen Energietrar.sfer gewählt; sie ist jedoch immer noch wesentlich kleiner als die Konzentration von A. Da die Lichtwege für das Fluoreszenzlicht in der Schicht sehr kurz sind (der größte Teil des Weges wird im klaren Material zurückgelegt [A b b. 5]), hat man in B praktisch keine Selbstabsorption.The concentration of B in the layer is also significantly higher than would be the case in a homogeneously doped collector, and in fact it is chosen to be significantly higher than the critical concentration C 0 for radiationless energy transfer; however, it is still much smaller than the concentration of A. Since the light paths for the fluorescent light in the layer are very short (most of the path is covered in the clear material [A b b. 5]), one has in B practically no self-absorption.
Die Anordnung mit einer dünnen gefärbten Schicht unter optischem Kontakt auf einem klären Träger erlaubt es also, die kritische Konzentration Cb für B zu überschreiten, ohne die Selbstabsorptionsverluste im Fluoreszenzstoff B ansteigen zu lassen, was in einem homogen dotierten Kollektor nicht möglich ist.The arrangement with a thin colored layer under optical contact on a clear carrier allows the critical concentration Cb for B to be exceeded without increasing the self-absorption losses in the fluorescent substance B , which is not possible in a homogeneously doped collector.
Der wesentliche Unterschied zwischen strahlendem (radiativem) und strahlungslosem (nonradiativem)The main difference between radiative (radiative) and radiationless (nonradiative)
so Transfer ist darin zu sehen, daß für radiativen Transfer das Produkt Cb · I= Konzentration · Laufstrecke für das Fluoreszenzlicht genügend groß sein muß, während bei nonradiativem Transfer die Konzentration Cb oberhalb der kritischen Konzentration Ci liegen muß;This transfer can be seen in the fact that for radiative transfer the product Cb · I = concentration · distance must be sufficiently large for the fluorescent light, while for nonradiative transfer the concentration Cb must be above the critical concentration Ci;
die Laufstrecken beeinflussen diese Übertragungsart nicht. Eine Anordnung wie oben beschrieben (dünne gefärbte Schicht auf klarem Träger) zeichnet sich durch hohe Konzentration des Akzeptorfarbstoffes B bei geringerem Lichtweg für das Fluoreszenzlicht aus; hier spielt radiativer Transfer eine geringe, strahlungsloser jedoch eine große Rolle, weil das Produkt Cb · 1 nicht groß, Cb jedoch größer als Co istthe routes do not affect this type of transmission. An arrangement as described above (thin colored layer on a clear carrier) is characterized by a high concentration of the acceptor dye B with a smaller light path for the fluorescent light; Here, radiative transfer plays a small role, but non-radiation transfer a major role because the product Cb · 1 is not large, but Cb is larger than Co
Stärker noch als bei einem Zweikomponentensystem fallen die Vorteile des strahlungslosen Transfers bei einem Mehrkomponentensystem ins Gewicht, wenn die Quantenausbeuten der einzelnen Fluoreszenzstoffe < 1 sind. Darunter soll hier ein Konzentrator verstanden werden, der mit drei oder mehr verschiedenenThe advantages of radiationless transfer are even more important than with a two-component system a multi-component system when the quantum yields of the individual fluorescent substances <1 are. This is to be understood here as a concentrator with three or more different
Fluoreszenzstoffen dotiert ist, derart, daß die Emission eines jeden Farbstoffes auf die Absorption des nächstlangwelligeren Farbstoffs abgestimmt ist (s. Abb. 5).Fluorescent substances is doped in such a way that the emission of each dye on the absorption of the next longer-wave dye is matched (see Fig. 5).
Im allgemeinen wird man ein solches System so anlegen, daß die n— 1 kürzerwelligen Fluoreszenzstoffe sich in hoher Konzentration in der Schicht (s. o.) befinden, der letzte, langwelligste Fluoreszenzs'.off jedoch eine geringere Konzentration hat, um Selbstabsorption zu vermeiden; sie muß jedoch größer als die kritische Konzentration seinIn general, such a system will be designed so that the n- 1 shorter-wave fluorescent substances are in high concentration in the layer (see above), but the last, longest-wave fluorescent substance has a lower concentration in order to avoid self-absorption; however, it must be greater than the critical concentration
Auch hier liegt der Vorteil strahlungsloser Energieübertragung darin, daß es im Gegensatz zum radiativen Prozeß nur einen Emissionsakt (nämlich im n-ten Farbstoff) gibt, während beim radiativen Prozeß jede Stufe emittiert und daher zu Verlusten führt. Strahlungsloser Transfer führt hier zu einem Wirkungsgrad, der um mindestens den FaktorHere, too, the advantage of radiationless energy transfer lies in the fact that, in contrast to radiative There is only one act of emission (namely in the nth dye), while in the case of the radiative process there is only one act of emission Level is emitted and therefore leads to losses. Radiationless transfer here leads to an efficiency that by at least the factor
/Zl · «2 ... («„-I ' "lrap) ("η ' "trap) / Zl · «2 ... (« "-I '" lrap) ("η'" trap)
(die beiden letzten Faktoren entsprechen denen des Zweikomponentensystems) besser ist als es bei strahlender Energieübertragung der Fall wäre; in allen Stufen, insbesondere in der letzten, arbeitet er selbstabsorptionsfrei. (the last two factors correspond to those of the two-component system) is better than it is with more radiant Energy transfer would be the case; in all stages, especially in the last one, it works without self-absorption.
Dabei wurden die Verluste bei radiativem Transfer unterschätzt, indem angenommen wurde, daß in den Verlustkegel emittierte Quanten in den ersten n—2 Stufen durch den hochdotierten folgenden Farbstoff absorbiert und daher zurückgewonnen werden (deshalb tritt bei den ersten n—2 Faktoren der Faktor ηΙΓαρ nicht auf). In Wirklichkeit ist dies nie vollständig der Fall, vor allem nicht für Moleküle in der Nähe der Kollektoroberfläche und für Wellenlängen, die nicht nahe am Absorptionsmaximum der folgenden Stufe liegen.In this case, the losses were overestimated in radiative transfer by assuming that absorbs and in the loss cone emitted quanta in the first n-2 levels by the highly doped following dye therefore be recovered (therefore occurs in the first n-2 factors of the factor η ΙΓαρ not on). In reality this is never completely the case, especially not for molecules in the vicinity of the collector surface and for wavelengths that are not close to the absorption maximum of the following stage.
Außerdem konkurriert im kurzwelligen Teil des Fluoreszenzspektrums etwa der k-ten Stufe die Selbstabsorption in der k-len Stufe wirksam mit dem Transfer in die (k+\)-te Stufe, was zu zusätzlichen Verlusten führtIn addition, in the short-wave part of the fluorescence spectrum around the k-th stage, self-absorption in the k-len stage competes effectively with the transfer to the (k + \) th stage, which leads to additional losses
Zusammenfassungsummary
Die Selbstabsorption des Fluoreszenzlichts in Lumineszenzkonzentratoren verringert den Wirkungsgrad beträchtlich. Erforderlich ist eine bessere Trennung von Absorptions- und Emissionsspektrum, was z. B. durch strahlungslose oder durch strahlende Energieübertragung vom absorbierenden Fluoreszenzstoff A auf einen langwelliger emittierenden Farbstoff B gelingt Einfache Überlegungen zeigen, daß der strahlungslose Transfer mit wesentlich geringeren Verlusten arbeitet besonders bei mehrstufigen Systemen. Er funktioniert jedoch nur oberhalb einer bestimmten kritischen Konzentration Q> des Akzeptorfarbstoffes B gut Aus diesem Grund mußte eine Anordnung gewählt werden, die es erlaubt B genügend hoch zu konzentrieren, gleichzeitig aber die Selbstabsorption im Fluoreszenzstoff B gering zu halten. Dies ist die Idee, die dieser Erfindung zugrunde HegtThe self-absorption of fluorescent light in luminescence concentrators reduces the efficiency considerably. What is required is a better separation of the absorption and emission spectrum. B. by radiationless or radiant energy transfer from the absorbing fluorescent substance A to a long-wave emitting dye B succeeds. Simple considerations show that the radiationless transfer works with significantly lower losses, especially in multi-stage systems. However, it only works well above a certain critical concentration Q> of the acceptor dye B. For this reason, an arrangement had to be selected which allows B to be concentrated sufficiently high, but at the same time to keep the self-absorption in the fluorescent substance B low. This is the idea on which this invention is based
Um die Überlegungen zu unterstützen, wurden einige grundlegende Messungen mit zwei Experimentierfarbstoffen A und B durchgeführt Ihre Spektren sind in A b b. 6 dargestellt. Aus diesen Messungen ergeben sich Richtwerte für den Aufbau eines .realen Systems:To support the considerations, some basic measurements were carried out with two experimental dyes A and B. Their spectra are in A b b. 6 shown. These measurements result in guideline values for the construction of a real system:
Träger (z. B. Glas) der Dicke D= I- 3 mm
Schicht (z. B. Plexiglas, besser Kunststoff
mit η—ncias) der Dicke d= 5—50 μπιCarrier (e.g. glass) with a thickness of D = 1-3 mm
Layer (e.g. plexiglass, better plastic
with η — ncias) the thickness d = 5—50 μm
Konzentration von A: Concentration of A:
10 -100 g/l Schichtmaterial
ίο Konzentration von B: 10 -100 g / l layer material
ίο concentration of B:
C8 1 -10 g/l Schichtmaterial C 8 1 -10 g / l layer material
A b b. 7 zeigt ein gemessenes Absorptionsspektrum einer ähnlichen Schicht. Farbstoff B ist hier um einen Faktor 100 geringer dotiert als A. A b b. 7 shows a measured absorption spectrum of a similar layer. Dye B is less doped here by a factor of 100 than A.
Die Konzentrationsabhängigkeil der strahlungsiosen Energieübertragung geht aus Abb.8 hervor. Daraus und aus eigenen Rechnungen (nach der Förster-Theorie [7,9,10] ergibt sich auch die kritische Konzentration für B mit C0*= 10"3 kg/1. Bei ihr wird gerade die Hälfte der Anregungsenergie von A nach B strahlungslos übertragen. The concentration-dependent wedge of the radiation-free energy transfer is shown in Fig. 8. From this and from its own calculations (after the Förster theory [7,9,10] Also, the critical concentration is of B with C 0 * = 10 "3 kg / first case it is just half of the excitation energy from A to B transmitted without radiation.
Wegen der sehr geringen optischen Dichten von B in den für diese Messungen benutzten Proben kann man starken Einfluß der Selbstabsorption ausschließen. Die starke Verschiebung des Fluoreszenz-Spektrums von B für hohe Konzentrationen (vgl. A b b. 6) ist nicht durch Selbstabsorption verursacht sondern ein echter Konzentrationseffekt der auch bei sehr geringen optischen Dichten auftritt.Because of the very low optical densities of B in the samples used for these measurements, a strong influence of self-absorption can be excluded. The strong shift in the fluorescence spectrum of B for high concentrations (cf. A b b. 6) is not caused by self-absorption but a real concentration effect that occurs even at very low optical densities.
A b b. 9 zeigt Laufstreckenmessungen der Fluoreszenz an einem ähnlichen Zweikomponentensystem. Während die bei diesel Akzeptorkonzenlraiiun noch nicht vollständig gelöschte Donorfluoreszenz (A) auf der großen Laufstrecke (20 cm) durch Reabsorption in B noch beträchtlich geschwächt wird, tritt in B praktisch keine Selbstabsorption auf. Die Minimal transmission bei 425 nm (Absorptionsmaximum von A) betrug bei dieser Probe 50%; A läßt sich aber auch stärker dotieren.A b b. Fig. 9 shows distance measurements of the fluorescence on a similar two-component system. While the donor fluorescence (A) , which is not yet completely extinguished in the case of this acceptor concentration, is considerably weakened over the long distance (20 cm) by reabsorption in B, there is practically no self-absorption in B. The minimum transmission at 425 nm (absorption maximum of A) was 50% for this sample; However, A can also be doped more heavily.
Man beachte, daß hier natürlich nicht die Laufstrekken in der Schicht zurückgelegt wurden, sondern zum größten Teil in der klaren Matrix (s. A b b. 4), was jaNote that here, of course, the running routes were not covered in the shift, but to the for the most part in the clear matrix (see A b b. 4), which yes
gerade der Sinn dieser Erfindung istthis is exactly the point of this invention
Die Quantenausbeute für den Transferprozeß ist theoretisch nahezu 100%, wenn nur die Akzeptorkonzentration genügend hoch gewählt wird, sie hängt dann auch nicht mehr von der Quantenausbeute des Donors ab. Bedingt durch Effekte, die bei hohen Konzentrationen eine Rolle spielen (z. B. Verunreinigungen, Konzentrationslöschung im Akzeptor oder nicht vollständig gelöster Farbstoff), kann sie jedoch scheinbar kleiner sein. Für die untersuchten Systeme wurden etwa 80% gemessea Da dies kein theoretischer Grenzwert ist, sollte man geeignete Systeme mit höherer Transferausbeute finden, insbesondere sollten als Akzeptorfarbstoff weitere Fluoreszenzstoffe getestet werden.The quantum yield for the transfer process is theoretically almost 100% if only the acceptor concentration is chosen sufficiently high, it then no longer depends on the quantum yield of the donor away. Due to effects that play a role at high concentrations (e.g. contamination, concentration extinction in the acceptor or not completely dissolved dye), however, it may appear to be smaller be. For the systems examined, about 80% were measured a Since this is not a theoretical limit value, one should find suitable systems with a higher transfer yield, especially should be used as an acceptor dye other fluorescent substances can be tested.
Alle Untersuchungen wurden an dünnen Plexiglasschichten auf Glas- oder Plexiglasträgern durchgeführtAll investigations were carried out on thin Plexiglas layers on glass or Plexiglas supports
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P 2629 641.3
[15] Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie
P 2628 291.7[15] Device for converting solar energy into electrical energy
P 2628 291.7
Hierzu 7 BhUt Zeichnungen7 BhUt drawings
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