KR101659713B1 - 발광성의 광발전 생성기 및 광발전 생성기에 이용하기 위한 도파관 - Google Patents

발광성의 광발전 생성기 및 광발전 생성기에 이용하기 위한 도파관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광성의 광발전 생성기(1) 및 이러한 광발전 생성기에서 이용하기 위한 도파관에 관한 것이다. 광발전 생성기는 광발전 셀(4); 및 무기 발광 재료의 입자들이 분산되어 있고, 및/또는 적어도 일 측에 무기 발광 재료(6)가 배치된 투명 매트릭스(2)를 포함하는 도파관을 포함한다. 도파관은 이용시 발광 재료로부터 방사되는 광의 적어도 일부가 광발전 셀(4)에 보내져 셀에서 전압을 생성하도록 광발전 셀(4)에 연관된다. 바람직한 실시예들에서, 무기 발광 재료는 선 발광체이고, 방사는 재료 내에 금지 전자 전이에 기인한다. 무기 발광 재료는 무기 인광체, 무기 형광 재료 및 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 시스템들에서 선택될 수 있다. 광발전 생성기(1)는 일반적으로 면적당 전력 출력이 불충분한 공지의 광발전 생성기들에 대한 대안이거나 개량이다.

Description

발광성의 광발전 생성기 및 광발전 생성기에 이용하기 위한 도파관{A LUMINESCENT PHOTOVOLTAIC GENERATOR AND A WAVEGUIDE FOR USE IN A PHOTOVOLTAIC GENERATOR}
본 발명은 발광성의 광발전 생성기 및 광발전 생성기에서 이용하기 위한 도파관에 관한 것이다.
광발전 생성기는 광으로부터 전기를 생성하는 디바이스이다. 광발전 생성기들의 효율을 증가시키기 위해서 지난 수년동안 지속적인 노력이 있어왔다. 솔라셀 어레이를 구비하는 통상의 솔라 패널들은 현재 상업화가 널리 행해지는 위치까지 효율적이 되었다. 그럼에도불구하고 이러한 통상적 패널들은 자신들의 단점들이 있다. 예를 들면, 전력 출력을 최대화하기 위해서, 이들은 하늘을 가로지를 때 태양을 추종하게 하여야 한다. 또한, 통상의 패널들은 특히 예를 들면, 흐린날에 입사광이 분산한다면 전기를 생성하지 못한다.
통상의 패널들에 연관된 문제들 중 일부를 극복하기 위한 노력으로, 최근에 주변광이 분산할 때 더 효율적으로 동작할 수 있는 고정형 시스템들에서 이용될 수 있는 광발전 생성기들을 개발하는데 연구가 실행되었다. 개발된 한 유형의 광발전 생성기는 발광성의 광발전 생성기이다. 이러한 유형의 디바이스는 광발전 셀 및 연관된 발광 부를 포함한다. 전형적으로 디바이스는 입사광이 발광 부에 보내지고, 입사광의 적어도 일부가 흡수되고, 이어서 방사되어 광전기 셀에 보내지고 여기에서 광이 전기를 생성하도록 구성된다. 광의 발광성 방사는 전형적으로 전 방향이므로, 적합한 반사기들은 이상적으로 방사 광의 유실을 최소화하고 방사 광의 상단 부분이 광발전 셀에 안내되게 하기 위해 발광 부의 측들 주위에 배치되어야 한다. 발광성의 광발전 생성기들은 이론적으로는 전도유망할지라도, 상업적으로 이용될 수 있게 하는 효율엔 아직 도달하지 않았다. 발광성의 광발전 생성기들의 효율을 개선하려는 지속적 요망이 있다.
이 기술에서 최근에 연구는 유기 발광 재료들의 이용에 집중되었다. 이것은 2008년 7월 11일 Science에 Currie 등에 의한 논문에 예시되어 있다.
'High-Efficiency Organic Solar Concentrators for Photovoltaics' 명칭의 Vol. 321. no. 5886, pp. 226 - 228. 이 논문은 솔라 셀들을 이용하여 전기를 생성하는데 이용하기 위한 유기 발광성 솔라 집광기들을 개시한다. 솔라 집광기들은 표면 상에 유기 안료 박막을 갖는 유리 기판을 포함한다. 두 유형들의 유기 안료가 이용되었다: 4-(디시아노메칠렌)-2-t-부틸-6-(1,1,7,7-테트라메칠율로리딜-9-에닐)-4H-피란(DCJTB), 형광 안료, 및 백금 테트라페닐테트라벤조포피린[Pt(TPBP)], 인광 안료.
Currie 등에 의한 위에 언급된 논문에 개시된 유기 발광성 솔라 집광기들은 대부분의 유기 발광 재료들과 공통으로, 꽤 넓은 방사 스펙트럼들을 갖는다. 이러한 재료들을 이용하여, 집광기들의 발광기 바깥에 반사기들은 전부는 아닐지라도 방사 광의 대부분을 반사시킬 수 있을 필요가 있다. 광이 입사하는 디바이스의 일면 상에, 반사기는 적합한 파장의 입사광을 통과시켜 발광 재료에 보내지게 하여 이 광이 흡수될 수 있게 하여야 하나, 발광 재료로부터 방사 광은 반사기를 통과하지 못하게 하고 대신 이를 반사시켜 솔라 셀에 도달할 수 있게 하여야 한다. 이러한 반사기들을 광 또는 파장 필터들이라고 한다. 넓은 범위의 파장들에 걸쳐 반사하는 광 필터들을 제공하는 것은 비용이 들 수 있다.
유기 발광 재료들은 확장된 기간 동안, 특히 입사 UV 광으로부터 열화된다.
종래기술에 개시된 것들에 대한 대안 또는 개선된 광발전 생성기를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이것은 예를 들면, 효율 및/또는 제조 비용 면에서 개선될 수 있다.
제 1 양태에서, 본 발명은 (i) 무기 발광 재료의 입자들이 분산되어 있고, 및/또는 (ii) 적어도 일 측에 무기 발광 재료가 배치된 투명 매트릭스를 포함하고 광발전 생성기에서 이용하기 위한 도파관을 제공하고, 무기 발광 재료는 UV 영역, 가시 영역 및 적외 영역 중 적어도 하나 내의 최대 흡수 피크, 50 nm 이상의 흡수 선폭, 20 nm 이하의 방사 선폭 및 50 nm 이상의 스토크스 이동을 갖는다.
제 2 양태에서, 본 발명은 (i) 무기 발광 재료의 입자들이 분산되어 있고, 및/또는 (ii) 적어도 일 측에 무기 발광 재료가 배치된 투명 매트릭스를 포함하는 도파관, 및 광발전 셀을 포함하고, 도파관은 이용에 있어서 발광 재료로부터 방사되는 광의 적어도 일부가 광발전 셀에 보내져 셀에서 전압을 생성하도록 광발전 셀에 연관된 것인, 광발전 생성기를 제공하고, 무기 발광 재료는 UV 영역, 가시 영역 및 적외 영역 중 적어도 하나 내의 최대 흡수 피크, 50 nm 이상의 흡수 선폭, 20 nm 이하의 방사 선폭 및 50 nm 이상의 스토크스 이동을 갖는다.
무기 발광 재료들은 확장된 기간에 걸쳐 열화하지 않는 경향이 있기 때문에 유기 발광 재료들보다 바람직한 것으로 발견되었다. 또한, 이들은 에너지 전달 및/또는 희토류 또는 전이 금속 이온들이 도핑된 무기 재료들에 기초하였을 때, 발광의 상당한 열적 퀀칭을 초래함이 없이 큰 스토크스 이동을 가능하게 한다. 또한, 이하 기술된 바와 같이, 본 발명의 어떤 실시예들, 특히 여기 파장과 방사 파장 간에 파장차이가 크고 방사 선폭이 작은 실시예들은 제조하기가 용이한 간섭 필터들고 함께 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 이하 기술된 바와 같이, 양자 도트들, 양자 로드들 또는 코어 쉘 시스템들과 같은 광안정 양자 입자들이 무기 발광 재료에 또는 무기 발광 재료로서 이용될 수 있다. 재흡수는 작은 양자 입자들 및 큰 양자 입자들을 이용하여, 간접 방사 전이들을 가진 양자 입자들을 이용함으로써 최소화될 수 있다. 에너지가 작은 양자 입자에서 큰 양자 입자로 전달되는 경우에, 큰 양자 입자들은 소량으로 있어 큰 양자 입자들에 의한 재흡수를 방지한다.
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일 실시예에서, 무기 발광 재료는 100 nm 이상의 흡수 선폭, 10 nm 이하의 방사 선폭 및 100 nm 이상의 스토크스 이동을 갖는다.
일 실시예에서, 도파관은 투명 매트릭스의 적어도 일 측에 배치된 간섭 필터를 더 포함하고, 간섭 필터는 (i) 무기 발광 재료에 의해 흡수되는 전자기 영역 내에 광을 도파관으로 투과하게 하고, (ii) 무기 발광 재료로부터 방사되는 전자기 영역 내에 광을 선택적으로 반사시킨다.
일 실시예에서, 투명 매트릭스는 비결정성 재료를 포함하고, 무기 발광 재료는 결정성 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 무기 발광 재료는 300 nm 내지 1420 nm의 영역에 광을 흡수하는 제 1 종들, 및 제 1 종들이 흡수하는 것보다 큰 파장의 광을 방사하는 제 2 종들을 포함하고, 에너지 전달이 제 1 종과 제 2 종 간에 생성하여, 무기 발광 재료는 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하고, 더 큰 파장에서 방사하고, 더 큰 파장의 광은 광발전 셀에서 전압을 생성하기에 적합한 에너지를 갖는다. 300 nm 내지 1420 nm 영역에 광을 흡수하는 종들은 300 nm 내지 1420 nm 영역의 적어도 일부에 광을 흡수하는 종들이고, 이 범위 전체에 걸쳐 흡수할 필요는 없다. 제 1 종들의 최대 흡수의 파장은 300 nm 내지 1420 nm 영역 내에 놓일 수 있다.
일 실시예에서, 무기 발광 재료는 λa의 고 파장 흡수 한계를 갖고, 여기에서 λa는 광발전 셀에서 대역 갭의 에너지보다 20 % 이상인 에너지에 대응하는 파장이다
일 실시예에서, 무기 발광 재료는 서로 다른 파장들을 흡수하는 복수 유형들의 제 1 종들 및 어떤 파장으로 방사하는 단일 유형의 제 2 종들을 포함할 수 있고, 발광 재료는 바람직하게 선 발광체이다. 이것은 재료가 넓은 흡수 범위를 가질 수 있게 하고 좁은 대역폭을 가진 실질적으로 단일 파장으로만 방사할 수 있게 하는 잇점이 있음이 발견되었다. 복수의 서로 다른 무기 발광 재료들은 디바이스에서 이용될 수 있고, 서로 다른 재료들은 서로 간에 서로 다른 파장들에 대해 흡수를 가지지만, 서로 동일하거나 실질적으로 동일한(예를 들면, 약 20 nm 이내) 방사 피크를 갖고, 바람직하게 무기 발광 재료들은 선 발광체들이다. 아래 설명된 바와 같이, 이것은 이용될 방사되는 파장들에 대해서만 선택적으로 반사하는 비교적 저가의 간섭 필터를 허용하고, 이는 광발전 디바이스의 제조 비용을 절약한다.
일 실시예에서, 무기 발광 재료는 무기 인광체를 포함한다. 무기 발광 재료는 복수의 유형의 무기 인광체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무기 인광체는 제 1 및 제 2 종들을 함유하는 무기 호스트 재료를 포함하고, 제 1 종들은 Ce3+, Eu2+ 또는 Yb2+에서 선택되는 이온이고, 제 2 종들은 희토류 이온 및 전이 금속 이온에서 선택된 이온이다.
일 실시예에서, 무기 인광체는 Gd3Ga5O12;Ce, Cr를 포함한다. 일 실시예에서, 무기 발광 재료는 무기 형광 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 무기 형광 재료는 제 1 및 제 2 종들을 함유하는 무기 호스트 재료를 포함하고, 무기 호스트 재료 내 제 1 종들의 농도는, 제 2 종들의 농도보다 크고, 제 2 종들은 0.5 몰 % 미만의 농도로 무기 호스트 재료에 있다.
일 실시예에서, 무기 형광 재료는 CaAlSiN3;Ce, Eu을 포함한다.
일 실시예에서, 무기 발광 재료는 여기에 기술된 바와 같이 양자 입자들을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 종들은 독립적으로 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들에서 선택된 종들을 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 무기 발광 재료의 입자들이 투명 매트릭스에 분산된 본 발명의 광발전 생성기의 일 실시예를 도시한 도면들이다.
도 2a 및 도 2b는 무기 발광 재료를 포함하는 층이 투명 매트릭스의 일 측에 배치된 본 발명의 광발전 생성기의 일 실시예를 도시한 도면들이다.
도 3은 복수의 투명 매트릭스들을 포함하고 병렬 광발전 셀들이 인접한 본 발명의 탠뎀 광발전 생성기의 일 실시예를 도시한 도면이다. 무기 발광 재료를 포함하는 층은 투명 매트릭스들의 일 측에 배치된다.
도면에서 동일 구성요소에 동일 참조 부호들을 이용한다.
본 발명은 위에 기술된 바와 같이 광발전 생성기에서 이용하기 위한 도파관 및 광발전 생성기를 제공한다.
도파관 및 광발전 셀에서 이용하기 위한 재료들
여기에 기술된 바와 같이, 투명 매트릭스는 (i) 이에 분산된 무기 발광 재료를 포함하는 입자들 및/또는 (ii) 자신의 적어도 일측 상에 배치된 무기 발광 재료를 갖는다. 투명 매트릭스가 이에 분산된 무기 발광 재료 및 적어도 자신의 일측 상에 배치된 무기 발광 재료를 포함하는 입자들을 갖는다면, 입자들의 무기 발광 재료 및 투명 매트릭스의 적어도 일측에 배치된 재료는 동일하거나 서로 다른 재료들이 수 있고, 기에 기술된 바와 같을 수 있다. 입자들은 무기 발광 재료를 포함하거나, 필수로 이것으로 구성되거나, 이것으로 구성될 수 있다. 입자들이 필수로 무기 발광 재료로 구성된다면, 입자들에는 바람직하게는 5wt% 미만, 더 바람직하게는 2 wt% 미만, 가장 바라직하게는 1 wt% 미만의 다른 재료들이 존재한다.
무기 발광 재료는 바람직하게 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역에서 선택적으로 선택되는 전자기 스펙트럼의 영역에 광을 흡수하여 더 큰 파장의 광을 방사한다. 더 큰 파장의 광은 광발전 셀에서 전압을 생성하는데 적합한 에너지를 갖는다. 무기 발광 재료는 바람직하게는 300 nm 내지 1420 nm 영역에 광을 흡수한다. 바람직하게, 최대 흡수 피크는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역 이내이고, 바람직하게는 300 nm 내지 1420 nm의 영역 이내이다. 바람직하게, 흡수 피크의 선폭은 50 nm 이상, 바람직하게는 100 nm 이상, 더 바람직하게는 150 nm 이상, 가장 바람직하게는 200 nm 이상이다. 선폭은 25℃에서 측정되었을 때, nm에서 흡수선의 반 높이에서 폭이다. 더 큰 파장은 바람직하게는 광발전 셀에서 밴드갭 에너지의 적어도 1.05배의 에너지에 대응한다. 바람직하게, 무기 발광 재료의 흡수 스펙트럼 및 방사 스펙트럼은 전혀 또는 실질적으로 겹치지 않는다. 이것은 무기 발광 재료에 의해 방사되는 광자들의 재흡수를 감소시키는 것으로 발견되었다. 바람직하게, 무기 발광 재료에서 스토크스 이동은 50 nm 이상, 더 바람직하게는 80 nm 이상, 더 바람직하게는 100 nm 이상이다.
투명 매트릭스는 당업자에 공지된 임의의 재료일 수 있고, 예를 들면, 투명 매트릭스는 유리 및 투명 폴리머에서 선택된 재료를 포함할 수 있다. 투명 폴리머는 폴리(메칠 메타크릴레이트) 폴리머(PMMA, 이것은 전형적으로 약 1.49의 굴절률을 갖는다) 및 폴리카보네이트 폴리머(약 1.58의 전형적인 굴절률)에서 선택될 수 있다. 유리는 이산화실리콘을 포함한 유리들 및 알바이트 유형, 크라운 유형 및 플린트 유형로부터 선택된 유리들 - 이들로 제한되는 것은 아님 - 을 포함한 임의의 공지의 투명 무기 비정질 재료로부터 선택될 수 있다. 서로 다른 유리들은 서로 다른 굴절률들을 갖고, 요망된다면 유리는 이의 굴절률에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 알바이트 유형의 유리는 약 1.52의 굴절률을 가질 수 있다. 크라운 유형의 유리는 약 1.49 내지 1.52의 굴절률을 가질 수 있다. 플린트 유형의 유리는 당업자가 아는 바와 같이 밀도 및 구성성분들에 따라, 약 1.58 내지 약 1.89의 굴절률을 가질 수 있다.
본 맥락에서 투명 매트릭스는 발광 재료가 광을 흡수하는 전자기 영역의 적어도 일부에서 그리고 발광 재료가 광을 방사하는 전자기 영역의 적어도 일부에서 광을 투과시킬 수 있는 재료를 포함하나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 이것은 바람직하게 300 내지 2000 nm 영역을 적어도 부분적으로, 선택적으로는 이 영역 전체에 걸쳐 광을 투과시킬 수 있다. 선택적으로, 무기 발광 재료의 굴절률은 투명 매트릭스의 굴절률의 93 % 내지 107 %이고, 선택적으로 투명 매트릭스의 굴절률의 95 % 내지 105 %이고, 선택적으로 투명 매트릭스의 굴절률의 98 % 내지 102% 이다. 본 발명자들은 발광성 입자들의 굴절률이 매트릭스의 굴절률과 동일하거나 실질적으로 동일할 때 효율이 개선될 수 있음을 발견하였다. 이것은 입자들과 매트릭스 간에 계면에서 광을 산란시키는 것을 피하게 한다. 일 범위의 굴절률을 가진 투명 매트릭스에 또는 투명 매트릭스로서 이용하기 위한 투명 재료들은 공지되어 있고, 적합한 재료의 선택은 당업자의 범위 내에 있다.
바람직한 일 실시예에서, 투명 매트릭스는 비결정성 재료이거나 이를 포함하고, 무기 발광 재료는 결정성 재료이거나 이를 포함한다. 이온들이 비정질 환경 내에 있게 유리에 발광성 무기 이온들이 도핑된 경우, 이들은 일반적으로 효율적 발광을 보이지 않음이 발견되었다. 본 발명에서, 무기 결정성 재료는 발광의 효율이 비결정성 재료보다 일반적으로 높기 때문에 발광 재료로서 바람직함이 발견되었다. 비결정성 재료, 예를 들면, 유리 또는 폴리머를 포함하는 비정질 재료를 포함하는 투명 매트릭스 - 이 내에 결정성 재료의 입자들이 분산될 수 있다 - 의 잇점은 도파관가 투명 결정성 매트릭스보다 일반적으로 더 효율적으로, 그러면서도 고 발광성 효율을 갖고 제조될 수 있다는 것이다.
무기 발광 재료의 입자들은 입방 대칭을 가질 수 있다. 무기 발광 재료의 입자들은 임의의 적합한 크기일 수 있다. 입자들은 예를 들면, 10 nm 내지 2 mm의 체적 평균 직경을 가질 수 있다. 무기 발광 재료의 입자들의 굴절률이 이들 입자들이 분산된 매트릭스의 굴절률과 같거나 실질적으로 동일할 때, 입자들의 크기는 제약되지 않는다. 매트릭스 내에 무기 입자들은 약 100 nm까지의 체적 평균 직경, 바람직하게는 약 50 nm까지의 체적 평균 직경을 가질 수 있다. 이것은 입자들이 입방 대칭을 갖고 있지 않고 및/또는 투명 매트릭스와 동일한 또는 실질적으로 동일한 귤절률을 갖지 않을 때, 이는 광의 산란을 감소시키므로 특히 바람직하다. 무기 발광 재료의 입자들의 체적 평균 직경은 예를 들면, 전자 현미경 기술들을 이용하거나, 말번 나노사이저 기기(시판됨)을 이용하여, 당업자에게 알려진 확립된 기술들 및 장비에 따라 결정될 수 있다.
무기 발광 재료의 입자들은 임의의 적합한 방법에 의해 투명 매트릭스에 분산될 수 있다. 예를 들면, 방법은 투명 매트릭스에 액상 전구체를 제공하는 단계, 액상 전구체 내에 입자들을 분산시키는 단계, 및 무기 발광 재료의 입자들이 분산되는 투명 매트릭스를 형성하기 위해 액상 전구체를 고형화하는 단계를 포함할 수 있다. 액상 전구체는 예를 들면, 고형 투명 매트릭스의 용융된 형태의 재료일 수도 있고 또는 이를 포함할 수도 있으며, 무기 발광 재료의 입자들은 용융된 재료에 분산될 수 있고, 이는 이어서 고화되어 무기 발광 재료의 입자들이 분산된 투명 매트릭스를 형성한다. 액상 전구체는 투명 매트릭스의 재료 및 무기 발광 재료의 입자들을 함유하는 액체 캐리어를 포함할 수 있고, 액체 캐리어는 무기 발광 재료의 입자들이 분산된 투명 매트릭스를 형성하기 위해 제거될 수 있으며; 투명 매트릭스의 재료 및 무기 발광 재료의 입자들은 액체 캐리어 내에 예를 들면, 용액 및/또는 현탁액으로서 있을 수 있다. 대안적으로, 고형 투명 매트릭스가 폴리머를 포함한다면, 액상 전구체는 폴리머 및 무기 발광 재료의 입자들에 중합되지 않은 또는 불완전하게 중합된 전구체를 함유하는 액체일 수 있으며, 중합되지 않은 또는 불완전하게 중합된 전구체는 무기 발광 재료의 입자들이 분산된 투명 매트릭스를 형성하기 위해 중합되거나 더욱 중합될 수 있다.
일 실시예에서, 무기 발광 재료는 선 발광체이거나 이를 포함한다. 선 발광체는 매우 좁은 방사 선폭을 갖고 방사하는 종들(species)이다. 선 발광체들은 20 nm 이하, 바람직하게는 10 nm 이하, 가장 바람직하게는 5nm 이하의 방사 선폭을 갖는 재료들을 포함하나, 이들로 제한되는 것은 아니다. 선폭은 25℃에서 측정되었을 때 nm로 방사선의 반 높이에서의 폭이다.
선택적으로, 선 발광체는 파장 λ1인 광을 방사하고, 광발전 생성기는 투명 매트릭스의 일측 상에 배치된 광 필터를 추가로 포함하고 이를 통해 광이 투명 매트릭스에 진입하고, 광 필터는 파장 λ1의 방사 광을 다시 발광 재료에 및/또는 광발전 셀에 선택적으로 반사시키지만 바람직하게는 광이 발광 재료에 의해 흡수될 파장들의 광은 필터를 통해 투과하게 한다. 파장 필터는 바람직하게는 간섭 필터이다. 선 발광체의 이용은 비교적 저렴한 간섭 필터를 이용할 수 있게 하므로, 광발전 디바이스의 제조 비용을 절약한다.
무기 발광 재료는 무기 형광 재료 또는 무기 인광체를 포함할 수 있고, 무기 인광체가 바람직하다. 이 기술에서 무기 인광 재료들이라고도 하는 무기 인광체들은 당업자에 공지되어 있다. 이들은 어떤 파장의 광은 흡수하고 양자 기구적 금지 전자 전이, 예를 들면, 스핀 또는 패리티 금지 전이를 통해 또 다른 파장으로 방사하는 무기 발광 재료들을 포함한다. 인광 재료들에서 발광의 지속은 일반적으로 약 1 μsec 이상이 될 것이다. 그럼에도불구하고, 발광이 허용된 광학적 전이들에 기인하는 것인 일부 재료들에서, 방사는 예를 들면, Eu2+ 및/또는 Yb2+이 도핑된 많은 재료들에서 느릴 수 있다. 일부 인광 재료들에서, 발광은 몇초 또는 심지어 수분간 지속할 수 있다.
인광 재료들은 이들이 비슷한 흡수 및 방사 스펙트럼들을 가진 형광 재료보다 재료의 발광을 통해 방사되는 광자들을 훨씬 덜 재흡수할 것이기 때문에, 형광 재료들보다 바람직하다. 이것은 광발전 생성기의 효율을 증가시킬 것이다.
무기 인광체는 흡수 및 방사가 재료 내 동일 이온들 상에서 생성하는 무기 재료일 수 있다. 무기 인광체는 전이 금속 및/또는 희토류 이온들을 함유하는 및/또는 이들이 도핑된 무기 재료일 수 있다. 바람직하게, 흡수 및 방사가 생성하는 전이 금속 이온들은 d3 이온들, 즉 이들의 외곽 d-오비탈들에서 3개의 전자들을 갖는 이온들이다. d3 이온들의 예들은 V2+, Cr3+, Mn4+ 및 Fe5+을 포함하나, 이들로 제한되는 것은 아니다. 무기 인광체는 방사 및 흡수가 생성하는 이온, 전형적으로 방사 및 흡수가 생성하는 단일 유형의 이온이 도핑된 무기 호스트 재료를 포함할 수 있다. 재료들의 예들은 Al2O3:Cr 및 Mg2TiO4:Mn을 포함하나, 이들로 제한되는 것은 아니며, 여기에서 Al2O3 및 Mg2TiO4는 호스트 재료들이고, Cr3+ 및 Mn4+는 방사 및 흡수가 생성하는 이온들이다. 바람직하게, 이들 방사 이온들에 작용하는 결정장(crystal field)은 너무 작다면 넓은 방사 스펙트럼들이 생성될 것이기 때문에, 너무 작지 않다.
선택적으로, 방사 이온들이 호스트 재료 내에 있을 때, 방사 이온들을 위한 Dq/B는 C/B 값이 2.5일 때 적어도 약 2.1일 것이고, 여기에서 Dq는 결정장 세기 파라미터이고 B 및 C는 호스트 재료 내 방사 이온들에 대한 Racah 파라미터들이다. 호스트 재료 내에 방사 이온에 대한 Dq, B 및 C는 문헌에서 일반적으로 쉽게 입수될 수 있고/있거나 공지의 기술들을 이용하여 측정할 수 있다.
위에 언급된 것들과 같은 무기 인광체들은 이들이 비교적 넓은 범위의 주파수들에 대해 흡수할 수 있으면서도 매우 좁은 범위(즉, 접은 선폭을 갖는)에 대해 긴 파장을 방사할 수 있어 잇점이 있음이 발견되었다. 또한, d3 이온들에 있어서, 흡수 대역들은 이들이 도핑되는 호스트 재료에 따라 달라질 수 있지만 방사 대역은 호스트 재료에 훨씬 덜 의존된다. 이것은 당업자가 그에 따라 이에 맞게 디바이스를 수정하고 요망되는 흡수 범위에 따라 호스트 재료를 선택할 수 있게 한다. 호스트 재료 내 전이 금속 이온들 및/또는 희토류 이온들의 량(몰 분률)은 전형적으로 약 0.1 내지 10 몰 %이다. 이온들이 다른 이온들을 대체하기 위해 재료에 도핑된다면, 0.1 내지 10 몰 %의 대체된 이온들이 전이 금속 이온들 및/또는 희토류 이온들이 된다.
무기 발광 재료는 재료 내 서로 다른 종들에서 흡수 및 방사가 생성하는 무기 재료일 수 있다. 무기 발광 재료는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하는 제 1 종들, 제 1 종들이 흡수하는 것보다 더 큰 파장의 광을 방사하는 제 2 종들을 포함할 수 있고, 에너지 전달이 제 1 종과 제 2 종 간에 생성하여, 재료는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하고, 더 큰 파장에서 방사하고, 더 큰 파장의 광은 광발전 셀에서 전압을 생성하기에 적합한 에너지를 갖는다.
무기 발광 재료는 재료 내 서로 다른 이온들에서 흡수 및 방사가 생성하는 무기 재료일 수 있다. 무기 발광 재료는 흡수가 생성하는 제 1 이온 및 방사가 생성하는 제 2 이온이 도핑된 무기 호스트 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료들에서, 제 1 이온에서 제 2 이온으로 에너지 전달은 제 2 이온이 광을 방사할 수 있게 하는 상태로 여기되게 제 1 이온에 의해 입사광의 흡수 후에 생성할 것이다. 제 1 이온은 바람직하게는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 흡수하는 이온이다. 제 1 이온은 Ce3+, Eu2+ 및 Yb2+에서 선택될 수 있다. 제 2 이온은 Pr3+, Er3+, Nd3+, Ho3+, Yb3+,Tm3+, Sm3+, Dy3+, Mn2+, Yb2+ 및 Eu2+에서 선택될 수 있는 희토류 이온일 수 있다. 제 2 이온은 V2+, Cr3+, Mn4+ 및 Fe5+에서 선택될 수 있는 d3 전이 금속 이온들, - 이들로 제한되는 것은 아니다 - 를 포함한 전이 금속 이온일 수 있다.
제 2 이온에서 광의 방사는 위에 기술된 바와 같이 금지 전이일 수 있고, 흡수가 일어나는 제 1 이온 및 방사가 일어나는 제 2 이온이 도핑된 무기 호스트 재료를 포함하는 무기 발광 재료는 무기 인광 재료일 수 있다. 이러한 인광 무기 재료들은 Gd3Ga5O12;Ce, Cr를 포함하나, 이들로 한정되는 것은 아니며, 여기에서 Gd3Ga5O12은 호스트 재료이고, 양이온 형태의 Ce는 제 1 이온이고 양이온 형태의 Cr이 제 2 이온이다. 이 재료는 300 내지 500 nm(Ce3+에 의해 허용되는 광학 흡수) 범위에서 흡수하고 730 nm로 방사한다(Cr3+에서 전이를 통해서, 이 전이는 양자 기구적으로 금지 전이가다). 이러한 재료들은 방사되는 광자들의 재흡수가 감소되므로 잇점이 있다.
무기 인광체 내 제 1 및 제 2 이온들은 흡수 및/또는 방사의 요망되는 레벨들에 따라 임의의 적합한 량으로 있을 수 있다. 제 1 이온은 무기 호스트 재료에 0.5 내지 5몰 %의 량으로 있을 수 있다. 제 2 이온은 무기 호스트 재료에 0.5 내지 5몰%의 량으로 있을 수 있다.
제 2 이온에서 광의 방사는 허용된 전자 전이에 기인한 것일 수 있고, 흡수가 일어나는 제 1 이온 및 방사가 일어나는 제 2 이온이 도핑된 무기 호스트 재료를 포함하는 무기 발광 재료는 무기 인광 재료일 수 있다. 제 2 이온은 Eu2+ 및 Yb2+에서 선택될 수 있다. 적합한 재료들은 CaAlSiN3;Ce, Eu를 포함하나, 이것으로 제한되는 것은 아니며, 여기에서, CaAlSiN3는 호스트 재료이고, Ce3+가 제 1 이온이고, Eu2+가 제 2 이온이다. 이 재료는 청색-녹색 스펙트럼에서 흡수하고 630 내지 655 nm의 범위에서 방사한다.
무기 형광 재료 내 제 1 및 제 2 이온들은 흡수 및/또는 방사의 요망되는 레벨들에 따라 임의의 적합한 량으로 있을 수 있다. 제 1 이온은 무기 호스트 재료에 0.5 내지 5몰 %의 량으로 있을 수 있다. 제 2 이온은 무기 호스트 재료에 0.5 이하의 몰 %, 바람직하게는 0.2 이하의 몰 %, 가장 바람직하게는 0.1 이하의 몰 %의 량으로 있을 수 있다. 제 2 이온은 바람직하게는 무기 형광 재료에 0.01 이상의 몰 %의 량으로 있다. 본 발명자들은 제 2 이온의 량을 위에 나타낸 레벨들 미만으로 감소시킴으로써 방사된 광자들의 흡수를 감소시키며 이는 광발전 생성기의 효율을 증가시킨다는 것을 발견하였다.
무기 발광 재료는 형광을 생성하기에 적합한 크기를 가진 반도체 함유 입자들을 포함할 수 있고, 이러한 반도체 함유 입자들을 여기에서는 양자 입자들이라 한다. 무기 발광 재료는 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들을 포함할 수 있다. 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들은 형광을 생성하기게 적합한 크기를 가진 반도체 함유 입자들이다. 양자 로드들은 형상이 긴 입자들이다. 양자 코어/쉘 입자들은 선택적으로 코어의 전체 표측을 코팅할 수도 있을 추가의 재료가 코팅된 반도체 재료의 코어를 포함하는 입자들이고, 추가의 재료는 반도체 및/또는 유전 재료에서 선택된 재료일 수 있다. 입자들은 일반적으로 크기가 1 내지 50 nm의 직경을 갖는다. 입자들이 형광을 생성할 방사 파장은 반도체 재료의 특성 및 입자들의 크기와 형상에 따르며, 개개의 입자들을 둘러싸는 쉘/코팅의 존재에 따른다. 입자들이 클수록, 형광을 생성할 때 입자가 광을 방사할 에너지는 더 낮아진다. 무기 발광 재료는 바람직하게는 솔라셀의 대역갭 이상인 광자 에너지를 갖고 형광을 생성할 때 광을 방사하는 반도체 함유 입자들을 포함한다. 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들과 같은 종들을 이들이 일반적으로 넓은 흡수 스펙트럼을 갖고 좁은 방사 스펙트럼을 갖기 때문에, 잇점이 있는 것으로 발견되었다.
반도체 함유 입자들은 다음 중 하나 이상에서 선택된 반도체 재료를 포함하는 입자들을 포함할 수 있다: 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)와 같은 IV족 원소 반도체; 실리콘 게르마나이드(SiGe)와 같은 IV족 화합물 반도체들; 알루미늄 안티모나이드(AlSb), 알루미늄 아세나이드(AlAs), 알루미늄 포스파이드(AlP), 보론 포스파이드(BP), 보론 아세나이드(BAs), 갈륨 안티모나이드(GaSb), 갈륨 아세나이드(GaAs), 갈륨 포스파이드(GaP), 인듐 안티모나이드(InSb), 인듐 아세나이드(InAs), 인듐 나이트라이드(InN), 인듐 포스파이드(InP)와 같은 III-V족 반도체들; 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs, AlxGal-xAs), 인듐 갈륨 아세나이드(InGaAs, InxGal-xAs), 인듐 갈륨 포스파이드(InGaP), 알루미늄 인듐 아세나이드(AlInAs), 알루미늄 인듐 안티모나이드(AlInSb), 갈륨 아세나이드 나이트라이드(GaAsN), 갈륨 아세나이드 포스파이드(GaAsP), 알루미늄 갈륨 포스파이드(AlGaP), 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN), 인듐 아세나이드 안티모나이드(InAsSb), 인듐 갈륨 안티모나이드(InGaSb)와 같은, III-V 3원 반도체 합금들; 알루미늄 갈륨 인듐 포스파이드(AlGaInP, 또한 InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP), 알루미늄 갈륨 아세나이드 포스파이드(AlGaAsP), 인듐 갈륨 아세나이드 포스파이드(InGaAsP), 알루미늄 인듐 아세나이드 포스파이드(AlInAsP), 알루미늄 갈륨 아세나이드 나이트라이드(AlGaAsN), 인듐 갈륨 아세나이드 나이트라이드(InGaAsN), 인듐 알루미늄 아세나이드 나이트라이드(InAlAsN), 갈륨 아세나이드 안티모나이드 나이트라이드(GaAsSbN)와 같은, III-V 4원 반도체 합금들; 갈륨 인듐 나이트라이드 아세나이드 안티모나이드(GaInNAsSb), 갈륨 인듐 아세나이드 안티모나이드 포스파이드(GaInAsSbP)와 같은, III-V 4원 반도체 합금들; 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 설파이드(CdS), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 아연 셀레나이드(ZnSe), 아연 설파이드(ZnS), 아연 텔루라이드(ZnTe)와 같은, II- VI 반도체들; 카드뮴 아연 텔루라이드(CdZnTe, CZT), 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe), 수은 아연 텔루라이드(HgZnTe), 수은 아연 셀레나이드(HgZnSe)와 같은, II-VI 3원 합금 반도체들; 염화제일구리(CuCl)와 같은, I-VII 반도체들; 납 셀레나이드(PbSe), 황화납(PbS), 납 텔루라이드(PbTe), 주석 설파이드(SnS), 주석 텔루라이드(SnTe)와 같은, IV-VI 반도체들; 납 주석 텔루라이드(PbSnTe), 탈륨 주석 텔루라이드(T12SnTe5), 탈륨 게르마늄 텔루라이드(T12GeTe5)와 같은, IV-VI 3원 반도체들; 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3)와 같은, V-VI 반도체들; 카드뮴 포스파이드(Cd3P2), 카드뮴 아세나이드(Cd3As2), 카드뮴 안티모나이드(Cd3Sb2), 아연 포스파이드(Zn3P2), 아연 아세나이드(Zn3As2), 아연 안티모나이드(Zn3Sb2)와 같은, II-V 반도체들; 및 납(II) 요오드화물(PbI2), 갈륨 셀레나이드(GaSe), 주석 설파이드(SnS), 비스무트 설파이드(Bi2S3); 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS); 백금 실리사이드(PtSi), 비스무트(III) 요오드화물(BiB), 수은(II) 요오드화물(HgI2), 탈륨(I) 브로마이드(TlBr), 이산화우라늄(UO2) 및 삼산화우라늄(UO3)를 포함한 그외.
바람직한 일 실시예에서, 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들과 같은 양자 입자들은 Si 및 GaP를 포함한, - 이들로 제한되는 것은 아니다 - 인다이렉트 밴드갭을 가진 반도체 재료를 포함한다. 이러한 재료들은 방사된 광자들을 거의 재흡수하지 않을 것임이 발견되었다.
양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들과 같은, 반도체 함유 입자들 형광을 생성하기게 적합한 크기를 가진 입자들은 습식화학적 방법들, (MO)CVD 방법들 및 레이저 연마 방법들을 포함한, - 이들로 제한되는 것은 아님 - 당업자에게 공지된 임의의 방법에 의해 만들어질 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 양자 코어/쉘 입자들이 이용된다. 위에 언급된 바와 같이, 양자 코어/쉘 입자들은 선택적으로 코어의 전체 표측을 코팅할 수도 있을 추가의 재료가 코팅된 반도체 재료의 코어를 포함하는 입자들이고, 추가의 재료는 반도체 및/또는 유전 재료에서 선택된 재료일 수 있고, 추가의 재료가 반도체 재료를 포함한다면, 이것은 여기에 기술된 바와 같은 것일 수 있다. 방사는 코어에 한 종류의 전하와 쉘에 다른 종류의 전하를 수반하여 코어와 코팅간 계측을 통해 생성할 수 있어, 더욱 큰 스토크스 이동을 유발한다. CdTe/CdSe 양자 코어/쉘 입자들이 이 효과를 나타낸다. 따라서, 양자 코어/쉘 입자들은 CdSe가 코팅된 CdTe의 코어를 포함하는 입자들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 양자 코어/쉘 입자들은 길 수 있으며 양자 로드들을 포함할 수 있다. CdSe/CdS 양자 로드들은 스펙트럼이 겹치는 것이 구형 시스템들보다는 덜하고, 이것은 재흡수 손실들을 감소시킴에 있어 매우 이익이 된다. 따라서, 양자 코어/쉘 입자들은 CdS가 코팅된 CdSe의 코어를 포함하는 긴 입자들, 선택적으로 양자 로드들을 포함한다.
무기 발광 재료는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하는 제 1 종들, 제 1 종들이 흡수하는 것보다 더 큰 파장의 광을 방사하는 제 2 종들을 포함할 수 있고, 에너지 전달이 제 1 종과 제 2 종 간에 생성하여, 재료는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하고, 더 큰 파장에서 방사하고, 더 큰 파장의 광은 광발전 셀에서 전압을 생성하기에 적합한 에너지를 갖고, 제 1 및 제 2 종들은 독립적으로 양자 입자들을 포함할 수 있고, 양자 입자들은 선택적으로 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들에서 선택된다.
무기 발광 재료는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하는 제 1 세트의 양자 입자들, 제 1 세트의 양자 입자들종들이 흡수하는 것보다 더 큰 파장의 광을 방사하는 제 2 세트의 양자 입자들을 포함할 수 있고, 에너지 전달이 제 1 세트의 양자 입자들과 제 2 세트의 양자 입자들 간에 생성하여, 재료는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하고, 더 큰 파장에서 방사하고, 더 큰 파장의 광은 광발전 셀에서 전압을 생성하기에 적합한 에너지를 갖는다.
무기 발광 재료는 예를 들면, 서로 다른 크기들, 형상들을 가질 수 있고/있거나 서로 다른 재료들을 포함할 수 있는 양자 입자들의 혼합을 포함할 수 있다. 무기 발광 재료는 예를 들면, 큰 크기와 작은 크기를 갖는, 양자 도트들, 양자 로드들 및 코어/쉘 시스템들에서 선택적으로 선택된, 양자 입자들의 혼합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 무기 발광 재료는 전자기 스펙트럼의 UV 및/또는 가시 및/또는 적외 영역, 선택적으로 300 nm 내지 1420 nm의 영역에서 광을 흡수하기에 적합한 크기의 제 1 세트의 양자 입자들, 및 제 1 세트의 양자 입자들이 흡수하는 더 큰 파장으로 방사하고 에너지 전달이 제 1 및 제 2 세트의 양자 입자들 간에 생성하게 하는 적합한 크기의 제 2 세트의 양자 입자들을 포함할 수 있고/있거나 이들로부터 형성되었을 수도 있다. 바람직하게, 제 1 세트의 양자 입자들은 제 2 세트의 양자 입자들보다 작은 체적 평균 직경을 가질 것이고, 제 1 세트의 양자 입자들은 제 2 세트의 양자 입자들보다 더 큰 부분으로 무기 발광 재료에 존재할 것이다. 제 1 및 제 2 세트의 양자 입자들을 포함하는 무기 발광 재료는 50 nm 이상, 더 바람직하게는 80 nm 이상, 더 바람직하게는 100 nm 이상의 스토크스 이동을 가질 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 제 2 세트의 양자 입자들은 이들이 만들어지는 반도체 재료 내 여기자의 보어-반경과 같거나 이보다 큰 체적 평균 직경을 갖고, 제 1 세트의 양자 입자들은 이들이 만들어지는 반도체 재료 내 여기자의 보어-반경 미만인 체적 평균 직경을 갖는다. 입자 크기들 및 따라서 체적 평균 직경은 예를 들면, XRD 피크 폭을 이용하거나, 전자현미경을 이용하거나, 말번 나노사이저 기기를 이용하여 측정될 수 있다. 반도체 재료 내 여기자의 보어-반경은 특정의 재료에 따르며 일반적으로 1 내지 10nm이다. 반도체 내 전하 캐리어들의 유효 질량들 및 반도체의 유전상수에 의해 결정된다.
발광 재료에서 용량비(제 2 세트의 양자 입자들의 용량: 모든 양자 입자들의 용량는 바람직하게 1 : 100 이하, 바람직하게 1 : 200 이하이다. 흡수된 양자 입자들에 비해 소량의 양자 입자들의 방사는 방사되는 광자들의 재흡수가 감소된 것으로 발견되었기 때문에 잇점이 있는 것으로 발견되었다.
또 다른 일 실시예에서, 2 이상의 서로 다른 유형들의 양자 도트들 및/또는 양자 로드들 및/또는 코어/쉘 시스템들이 이용된다. 광발전 소자에 의해 수신될 방사선을 생성하는 양자 유닛은 위에 명시된 바와 같이 소량으로 있어야 한다.
양자 입자들은 액상 전구체를 채용하는 위에 언급된 것들과 같은 임의의 공지된 기술을 이용하여 투명 매트릭스 내 분산될 수 있다. 바람직한 방법에서, 액상 전구체는 폴리머 및 양자 입자들에 중합되지 않은 또는 불완전하게 중합된 전구체를 함유하는 액체이고, 중합되지 않은 또는 불완전하게 중합된 전구체는 양자 입자들이 분산된 투명 매트릭스를 형성하기 위해 중합되거나 더욱 중합된다. 예를 들면, 폴리머는 PMMA를 포함할 수 있고, 액상 전구체는 솔벤트, MMA, 및 양자 입자들을 포함한다.
PMMA에 양자 입자들의 분산은 다음과 같이 만들어질 수 있다. 강한 교반하에서, 적합한 량의 양자 입자 콜로이드 용액(나노입자들은 TOP/TOPO 절차들을 이용하여 선택적으로 캡핑(cap)되며, 솔벤트는 선택적으로 톨루엔이다)이 증류된 MMA(메칠 메타크릴레이트) 및 적합한 라디칼 개시제(예를 들면, 0.05 ~ 0.2 중량%의 아조비스이소브티로니트릴(AIBN))에 첨가될 수 있다. 이어서 MMA/양자 입자 분산은 예를 들면, 분산이 주조되기에 적합한 점성을 갖게 되고(전중합) 이어서 분산이 적합한 주형들에서 주조될 때까지, 20분 동안, 약 90℃의 자동온도조절 수조에서 가열될 수 있다. 주형들은 PMMA에 양자 입자들의 분산을 형성하기 위해 후중합동안 예를 들면, 60℃의 오븐에서 더욱 가열될 수 있다. 플레이트들은 평탄화되고 연마될 수 있다.
본 발명자들은 광발전 생성기의 효율은 발광 재료의 흡수 및 방사 파장들, 발광 재료에서 생성하는 재흡수 량 및 광발전 셀 내 대역 갭을 포함한, - 이들로 제한되는 것은 아님 - 인자들의 균형에 좌우될 것임을 발견하였다. 무기 발광 재료는 바람직하게는 광발전 셀에 대역 갭의 에너지의 적어도 1.05배의 에너지를 갖는(방사의 최대 세기) 광을 방사한다. 효율을 최대화하기 위해서, 발광 재료는 바람직하게는 광범위한 파장들에 걸쳐 흡수해야 한다. 약 300 nm 이상의 파장들에서 흡수해야 함이 발견되었다. 약 1 eV(약 1420 nm) 이상의 에너지들을 가진 광자들의 경우 태양광에서 광자 플럭스는 급속하게 감소하기 때문에, 무기 발광 재료는 약 1420 nm의 파장들까지만 흡수하기만 하면 된다. 그러나, 재흡수를 최소화하기 위해서, 흡수 스펙트럼과 방사 스펙트럼 간에 중첩은 가능한 한 작아야 하고, 이것은 일반적으로 큰 스토크스 이동에 대응한다. 바람직하게, 무기 발광 재료는 λa의 고 파장 흡수 한계를 갖고, 여기에서 λa는 광발전 셀에서 대역 갭의 에너지보다 20 % 이상인 에너지에 대응하는 파장이다(이들 두 에너지들은 eV과 같은 동일한 단위들로 측정된다).
아래 표 1은 광발전 셀에서 이용될 수 있는 한 범위의 반도체 재료들, 이들의 대역 갭들(nm로 주어졌음), 반도체 재료들에 이용할 발광 재료의 바람직한 흡수 및 방사 범위들, 및 반도체 재료들에 이용할 바람직한 방사 이온들을 보인 것이다.
고 에너지 대역 갭들을 가진 반도체 재료들은 일반적으로 저 에너지 대역 갭들을 가진 것들보다 높은 전압을 생성할 것이지만, 이들은 연관된 발광 재료에서 이용될 수 있는 흡수 스펙트럼 폭이 저 에너지 대역 갭들을 가진 반도체 재료들에 대한 것보다 작다는 단점이 있다. 즉, 고 에너지 대역 갭들을 가진 반도체 재료들에 있어서, 발광 재료에서 흡수를 위해 이용될 수 있는 전자기 스펙트럼량은 저 에너지 대역 갭들을 가진 반도체 재료들에 대한 것보다 작을 것이고, 따라서 전기로 전환되는 입사 광자들의 퍼센티지는 더 작아질 것이고, 효율은 더 낮아질 수 있다. 표 1에서, CdTe 및 GaInP은 나타낸 다른 반도체 재료들(다른 재료들보다 짧은 밴드갭 파장에 대응하는)보다 더 큰 에너지 밴드갭을 가지지만, CdTe 및 GaInP과 함께 이용될 수 있는 연관된 발광 재료의 흡수 스펙트럼의 폭은 다른 반도체 재료들에 비해 비교적 작음을 알 수 있다. 본 발명자들은 광발전 셀에 재료의 밴드갭이 바람직하게 적어도 750 nm(또는 1.65 eV의 최대 밴드갭 에너지)임을 발견하였다. 따라서, 광발전 셀은 바람직하게 Ge, GaInAs, CuInSe2, Si 및 GaAs에서 선택된 반도체 재료를 포함한다.
광발전 셀에서의 반도체 재료 반도체 재료의 밴드갭(nm) 발광 재료의 바람직한 흡수 범위(nm) 발광 재료의 바람직한 방사 범위(nm) 발광 이온들, 재료들
Ge 1770 300 - 1420 1180 - 1680 Er3+
GaInAs 1420 300 - 990 1120 - 1180
CuInSe2 1180 300 - 950 1075 - 1120
Si 1125 300 - 900 840 - 1075 Cr3+, Nd3+, Yb3+
GaAs 885 300 - 710 675 - 840 Cr3+, Fe3+
CdTe 710 300 - 570 620 - 675 Mn4+, Eu2+
GaInP 650 300 - 520 - 620 Mn2+, Mn4+, Eu2+
위의 표 1은 일반적으로 단지 한 유형의 발광 재료 및/또는 방사 종들을 함유하는 도파관에 대해서, 디바이스의 효율을 증가시킬 반도체 재료들와 방사 이온들의 조합들을 보인 것이다. 도파관 및/또는 디바이스는 복수의 유형들의 발광 재료 및/또는 방사 종들을 포함할 수 있다.
광발전 생성기의 구성
위에 논한 바와 같이, 본 발명은 (i) 무기 발광 재료의 입자들이 분산되어 있고/있거나 (ii) 일 측에 무기 발광 재료가 배치된 투명 매트릭스를 포함하는 도파관, 및 광발전 셀을 포함하는 광발전 생성기를 제공하고, 도파관은 이용에 있어서 발광 재료로부터 방사되는 광의 적어도 일부가 광발전 셀에 보내져 셀에서 전압을 생성하도록 광발전 셀에 연관된다.
도파관 및/또는 투명 매트릭스는 복수의 측들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 광발전 셀은 도파관의 적어도 일 측 상에 배치된다. 바람직하게, 적어도 한 광발전 셀은 도파관의 양 측들 각각에 배치된다. 투명 매트릭스는 광이 투명 매트릭스로 진입하는 제 1 양태, 및 제 1 양태에 대향한 측을 가질 수 있고, 투명 매트릭스의 나머지 측 또는 측들은 옆 측 또는 측들이라 한다. 하나 이상 광발전 셀들은 바람직하게는 옆 측 또는 측들 상에 배치된다.
일 실시예에서, 광 필터는 도파관 또는 투명 매트릭스의 적어도 일면 상에 배치된다. 광 필터는 바람직하게는 발광 재료에 의해 흡수될 광은 투과하게 하나 발광 재료에 의해 방사되는 광은 반사시키지 않을 것이다. 적합한 필터는 간섭 필터이다. 이러한 필터들은 당업자에게 공지되어 있고, 큰 굴절률값과 작은 굴절률값을 교번하여 가진 재료들의 층들로 구성된다. 바람직한 간섭 필터들은 SiO2(굴절률 = 1.46) 및 TiO2(굴절률 = 2.42) 또는 Ta2O5(굴절률 = 2.17)이 교번한 층들을 포함하는 필터들, 또는 저 및 고 굴절률의 교번하는 유기층들로 구성된 필터들을 포함하나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
바람직하게, 흡수될 광 및 방사되는 광 둘 다를 반사시키는 반사 재료들은 광발전 셀이 배치되고 광이 투명 매트릭스로 진입하는 측들 또는 측들의 일부 이외의 도파관의 측들 또는 측들의 부분들 상에 배치된다. 반사 재료는 예를 들면, 백색 반사 재료 및/또는 미러를 포함할 수 있다. 백색 반사 재료는 예를 들면, TiO2 입자들을 함유하는 백색 입상 재료를 포함할 수 있다. 적합한 재료들은 당업자에게 공지되어 있다.
일 실시예에서, 무기 발광 재료의 입자들은 투명 매트릭스에 분산되고, 투명 매트릭스는 복수의 측들을 갖고, 매트릭스의 적어도 일면엔 광발전 셀이 배치되고, 적어도 일면엔 광필터가 배치되며, 흡수할 광 및 무기 발광 재료에 의해 방사되는 광 둘 다를 반사시키는 반사 재료들은 나머지 측들 상에 배치된다.
일 실시예에서, 무기 발광 재료는 투명 매트릭스의 일 측에 배치된다. 무기 발광 재료를 포함하거나, 이것으로 필수적으로 구성되거나, 이것으로 구성되는 층은 투명 매트릭스의 일 측에 배치될 수 있다. 층이 필수적으로 무기 발광 재료로 구성된다면, 층에는 바람직하게 5 wt% 미만, 더 바람직하게는 2 wt% 미만, 가장 바람직하게는 1 wt% 미만의 다른 재료들이 존재한다. 무기 발광 재료는 선택적으로 층으로서 투명 매트릭스의 표면 상에 배치되거나, 층 또는 막에 포함될 수 있다. 발광 재료가 배치되는 투명 매트릭스의 일면은 바람직하게는 광이 도파관에 진입하는 면에 대향하고, 바람직하게 하나 이상 광발전 셀들은 측들 중 하나 이상의 옆 측 상에 배치된다. 무기 발광 재료 층은 바람직하게는 발광 재료 내 방사된 광자들의 적어도 90 %가 도파관로 다시 통과하게 하는 충분한 두께를 가질 것이다. 반사 재료는 방사된 광자들이 도파관로 반사할 수 있게 무기 발광 재료의 외옆 측 상에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 광발전 생성기는 회절 소자를 추가로 포함하고, 이는 광을 서로 다른 파장들로 분할할 것이다. 회절 소자는 회절 소자에 입사하는 광이 도파관에 진입하기 전에 서로 다른 파장들로 분리되게 도파관에 연관될 수 있다. 이것은 한 종류 이상의 광발전 셀이 이용될 때 잇점이 있다. 따라서, 광의 광자 에너지는 이용되는 광발전 셀에 최적으로 맞게 적응될 수 있다. 더 높은 광자 에너지를 가진 광은 더 높은 전압들이 대응하는 광발전 소자에 의해 생성되게 할 것이다.
일 실시예에서, 디바이스는 직렬의 서로 다른 솔라 셀들이 디바이스 내 포함되는 탠뎀 솔라 셀 시스템을 포함할 수 있다. 서로 다른 솔라 셀들은 바람직하게 서로 다른 대역 갭들을 가진 재료들을 포함한다. 서로 다른 솔라 셀들은 바람직하게 광 전파 방향으로, 즉 광이 도파관에 진입하는 면에서 멀어지는 방향으로 솔라 셀들의 대역 갭들이 감소하게 디바이스의 옆 측 상에 배치된다.
도파관 및/또는 투명 매트릭스는 일반적으로 형상이 직육면체일 수 있다. 이것은 선택적으로 광 필터를 갖는 광의 진입을 위한 표면, 광의 진입을 위한 표면에 대향한 표측을 가질 수 있고, 나머지 측들은 측들이라 한다. 광의 진입을 위한 표면과 이의 대향한 표면 간 거리는 바람직하게는 서로 대향한 측들 간 거리들 중 어느 한 거리 미만이다. 광 필터는 바람직하게는 광의 진입을 위한 표면 상에 배치된다. 바람직하게, 하나 이상 광발전 셀들은 측들 중 하나 이상에 배치된다. 흡수될 광 및 방사되는 광 둘 다를 반사시키는 반사 재료들은 바람직하게 도파관의 나머지 측들 상에 배치된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 광발전 생성기(1)의 일 실시예를 도시한다. 실시예의 도파관의 투명 매트릭스(2)는 직육면체이고 상부 표면, 4개의 옆 표면들 및 낮은 표면을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 도 1a은 광발전 생성기(1)의 평면도이고, 도 1b는 광발전 생성기(1)의 옆 측도이다. 무기 발광 재료의 입자들(도시되지 않음)은 도파관(2)의 투명 매트릭스 내에 분산된다. 간섭 필터(3)(도 1a엔 도시되지 않고, 도 1b에 도시되었음)는 투명 도파관의 상부 표면 상에 배치되고, 광발전 셀들(4)은 도파관의 2개의 서로 대향한 측들 상에 배치된다. 백색 반사 재료들(5)은 도파관의 나머지 표면들 상에 배치된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 광발전 생성기(1)의 실시예를 도시한다. 실시예의 도파관은 직육면체이고 상부 표면, 4개의 옆 표면들 및 낮은 표면을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 도 2a는 광발전 생성기(1)의 평면도이고, 도 2b는 광발전 생성기(1)의 측면도이다. 무기 발광 재료 층(6)은 도파관의 투명 매트릭스의 낮은 표면 상에 배치된다. 간섭 필터(3)(도 2a엔 도시되지 않고, 도 2b엔 도시되었음)는 투명 도파관의 상부 표면 상에 배치되고, 광발전 셀들(4)은 도파관의 2개의 서로 대향한 측들 상에 배치된다. 백색 반사 재료들(5)은 도파관의 나머지 표면들 상에 배치된다.
도 3은 본 발명의 탠뎀 광발전 생성기(1)의 일 실시예를 도시한다. 실시예의 생성기는 직육면체이고 상부 표면, 4개의 옆 표면들 및 낮은 표면을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 도 3은 광발전 생성기(1)의 평면도이다. 생성기는 다수의 병렬 광발전 셀들(4)을 포함하고, 각 쌍의 셀들(4) 사이엔 투명 매트릭스(2)가 배치된다. 각각의 투명 매트릭스의 낮은 표면 상에는 무기 발광 재료 층(도시되지 않음이 있다.
간섭 필터(도시되지 않음)는 투명 매트릭스들 각각의 상부 표면 상에 배치된다. 백색 반사 재료들은 투명 매트릭스들의 나머지 표면들 상에 배치된다.
1: 광발전 생성기 2: 투명 매트릭스
3: 간섭 필터 4: 광발전 셀

Claims (15)

  1. 광발전 생성기(1)로서,
    광발전 셀(4); 및
    투명 매트릭스(2)를 포함하는 도파관을 포함하고,
    상기 투명 매트릭스(2)는, (i) 상기 투명 매트릭스 내에 분산된 무기 발광 재료의 입자들 및/또는 (ii) 적어도 상기 투명 매트릭스의 일 측에 배치된 무기 발광 재료(6)를 포함하며,
    상기 도파관은 이용시 상기 발광 재료로부터 방사되는 광의 적어도 일부가 상기 광발전 셀(4)에 보내져 상기 광발전 셀에서 전압을 생성하도록 상기 광발전 셀(4)에 연관되고,
    상기 무기 발광 재료는 UV 영역, 가시 영역 및 적외 영역 중 적어도 하나 내의 최대 흡수 피크, 50 nm 이상의 흡수 선폭, 20 nm 이하의 방사 선폭 및 50 nm 이상의 스토크스 이동(Stokes shift)을 갖고,
    상기 무기 발광 재료는 300 nm 내지 1420 nm의 영역 내의 광을 흡수하는 제1 종들, 및 상기 제1 종들이 흡수하는 것 보다 큰 파장의 광을 방사하는 제2 종들을 포함하고, 에너지 전달이 상기 제1 종과 상기 제2 종 간에 생성하여, 상기 무기 발광 재료가 300 nm 내지 1420 nm의 영역 내의 광을 흡수하고, 상기 보다 큰 파장에서 방사하고, 상기 보다 큰 파장의 광은 상기 광발전 셀에서 전압을 생성하는 에너지인, 광발전 생성기(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 무기 발광 재료는 100 nm 이상의 흡수 선폭, 10 nm 이하의 방사 선폭 및 100 nm 이상의 스토크스 이동을 갖는, 광발전 생성기(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관은 상기 투명 매트릭스의 적어도 일 측에 배치된 간섭 필터(3)를 더 포함하고, 상기 간섭 필터(3)는 (i) 상기 무기 발광 재료에 의해 흡수되는 전자기 영역 내에 광을 상기 도파관으로 투과하게 하고, (ii) 상기 무기 발광 재료로부터 방사되는 전자기 영역 내에 광을 선택적으로 반사시키는, 광발전 생성기(1).
  4. 제1항에 있어서, 상기 투명 매트릭스(2)는 비결정성 재료를 포함하고, 상기 무기 발광 재료는 결정성 재료를 포함하는, 광발전 생성기(1).
  5. 제1항에 있어서, 상기 무기 발광 재료는 무기 인광체를 포함하는, 광발전 생성기(1).
  6. 제5항에 있어서, 상기 무기 인광체는 제1 및 제2 종들을 함유하는 무기 호스트 재료를 포함하고, 상기 제1 종들은 Ce3+, Eu2+ 또는 Yb2+으로부터 선택되는 이온이고, 상기 제2 종들은 희토류 이온 및 전이 금속 이온으로부터 선택된 이온인, 광발전 생성기(1).
  7. 제6항에 있어서, 상기 무기 인광체는 Gd3Ga5O12;Ce, Cr를 포함하는, 광발전 생성기(1).
  8. 제1항에 있어서, 상기 무기 발광 재료는 무기 형광 재료를 포함하는, 광발전 생성기(1).
  9. 제8항에 있어서, 상기 무기 형광 재료는 제1 및 제2 종들을 함유하는 무기 호스트 재료를 포함하고, 상기 무기 호스트 재료 내 상기 제1 종들의 농도는 상기 제2 종들의 농도보다 크고, 상기 제2 종들은 0.5 몰% 이하의 농도로 상기 무기 호스트 재료에 존재하는, 광발전 생성기(1).
  10. 제8항에 있어서, 상기 무기 형광 재료는 CaAlSiN3;Ce, Eu을 포함하는, 광발전 생성기(1).
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 종들은 독립적으로 양자 도트들, 양자 로드들 및 양자 코어/쉘 입자들로부터 선택된 종들을 포함하는, 광발전 생성기(1).
  12. 광발전 생성기(1)에서 이용하기 위한 도파관으로서, 상기 도파관은 투명 매트릭스(2)를 포함하고, 상기 투명 매트릭스(2)는, (i) 상기 투명 매트릭스 내에 분산된 무기 발광 재료의 입자들 및/또는 (ii) 적어도 상기 투명 매트릭스의 일 측에 배치된 무기 발광 재료(6)를 포함하며, 상기 무기 발광 재료는 UV 영역, 가시 영역 및 적외 영역 중 적어도 하나 내의 최대 흡수 피크, 50 nm 이상의 흡수 선폭, 20 nm 이하의 방사 선폭 및 50 nm 이상의 스토크스 이동을 갖고, 상기 무기 발광 재료는 300 nm 내지 1420 nm의 영역 내의 광을 흡수하는 제1 종들, 및 상기 제1 종들이 흡수하는 것 보다 큰 파장의 광을 방사하는 제2 종들을 포함하고, 에너지 전달이 상기 제1 종과 상기 제2 종 간에 생성하여, 상기 무기 발광 재료가 300 nm 내지 1420 nm의 영역 내의 광을 흡수하고, 상기 보다 큰 파장에서 방사하고, 상기 보다 큰 파장의 광은 광발전 셀에서 전압을 생성하는 에너지인, 광발전 생성기(1)에서 이용하기 위한 도파관.
  13. 제12항에 있어서, 상기 도파관은 제2항 및 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 규정된 바와 같은, 광발전 생성기(1)에서 이용하기 위한 도파관.
  14. 삭제
  15. 삭제
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