专利名称：使用上转换光致发光太阳聚光器将入射辐射转换为电能的器件和方法
技术领域：
本发明涉及上转换光致发光太阳聚光器以及连接至该上转换光致发光太阳聚光器的光伏器件。
背景技术：
聚光器可以相当程度地降低来自光伏(photovoltaic，PV)电池的电的成本。常见的聚光器件和技术利用直接辐射分量，因此需要使用一些效率低的方法，例如太阳跟踪。使用荧光收集器来聚集太阳光的聚光器件是已知的。荧光收集器使用红移 (red-shifting)(或通过斯托克位移(stokes shift))将高频紫外线(UV)转换成可见光范围以供光伏电池使用。荧光收集器可包括掺杂有机染料和/或无机化合物的透明板。 荧光收集器构造成使得太阳光被染料或化合物吸收后，光子被全向再辐射(re-radiated isotropically)0再辐射光子然后利用内反射被局限于荧光收集器的板内，其中被局限的光子可在板的边缘利用带隙能刚好低于该荧光能量的光伏电池转换为电能。然而，在荧光收集器中，多余的光子能量由于荧光红移(或斯托克位移)被耗散在收集器中而不是在光伏电池中。由于常规聚光器只能使用UV光谱，因此常规聚光器仅使用总太阳光谱的有限部分。那么，大部分太阳光谱无法被常规聚光器使用于发电。常规聚光器的进一步限制是大气层将太阳光中相当部分的紫外线过滤掉了。
发明内容
上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例包括具有波导介质的波导。该实施例还包括与波导介质接触的上转换发光基团。所述上转换发光基团构造成用以吸收入射光子。 所述上转换发光基团也构造成用以发射被发射光子。所述被发射光子的能量比所述入射光子的能量高。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，上转换发光基团构造成在吸收所述入射光子之后再吸收第二入射光子，然后发射所述被发射光子，其中所述被发射光子的能量高于所述第二入射光子的能量。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，上转换发光基团构造成用以吸收波长在红外范围内的入射光子，然后发射波长在可见和/或近红外范围内的被发射光子。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述上转换发光基团被植入所述波导介质内。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述上转换发光基团设置在所述波导介质的表面上。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述上转换发光基团作为一个层、膜或板设置在所述波导介质的表面上。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中，所述波导介质是液体，所述上转换发光基团悬浮在所述液体中。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述波导介质选自非晶质氧化硅、氧化硅、透明塑料、透明液体、玻璃、有机玻璃、掺杂II-VI族半导体的玻璃以及亚克力塑料构成的群组中的一种。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述上转换发光基团是H聚集体。在此使用的H聚集体是指显示向蓝移或显示蓝移(hypsochromic shift)的染料。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是稀土离子。在此使用的稀土离子包括稀土离子纳米晶。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是稀土离子纳米晶。稀土离子纳米晶的例子包括(但不限于)钕(Nd3+)、镱(％3+)、铒 (Er3+)、铥(Tm3+)、钬(Ho3+)、镨(ft·3+)、铈(Ce3+)、钇(Y3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、钆(Gd3+)、铽 (Tb3+)、镝(Dy3+)和镥(Lu3+)。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是镧系元素螫合物(lanthanide chelate)。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团是NaYF4纳米晶。在另一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括设在波导一侧上的抗反射涂层以及设在抗反射涂层上的光锥(taper)。其中，所述光锥的折射率高于所述波导介质的折射率。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述光锥具有接收面和输出面， 所述接收面朝向所述波导，用以接收所述被发射光子，所述输出面用以输出所述被发射光子。其中，所述输出面小于所述接收面。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述光锥是纳米金刚石。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述光锥的折射率在是2. 0至2. 6的范围内，包括 2. 0 和 2. 6。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，波导的第二侧上设有反射面用以朝向光锥反射被发射光子。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，波导的多个侧上设置反射面用以朝向光锥反射被发射光子。在一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括直接连接至所述光锥的光伏器件，其中所述光伏器件的折射率高于所述光锥的折射率。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，光伏器件是量子点(quantum dot)、量子井(quantum well)光伏器件、 AKkiAs/GaAs量子井光伏器件、直接带隙(direct band gap)光伏器件、硅基光伏器件或 III-V族直接带隙光伏器件。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，上转换发光基团具有重叠的吸收光谱和发射光谱。在一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括第二上转换发光基团，其中所述第二上转换发光基团吸收第二入射光子并发射第二被发射光子。所述第二被发射光子的能量高于所述第二入射光子的能量，且所述第二入射光子的能量高于所述入射光子的能量。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述上转换发光基团具有第一吸收光谱和第一发射光谱，其中所述第一吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠。所述第二上转换发光基团具有第二吸收光谱和第二发射光谱，其中所述第二吸收光谱和第二发射光谱基本上不重叠。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中，所述第一吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠。在一个实施例中，所述第一发射光谱和第二发射光谱重叠。在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中，所述第一发射光谱和第二发射光谱基本上重叠。在一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器包括第一波导和设置在第一波导下方的第二波导。第一波导包括第一波导介质和与所述第一波导介质接触的第一上转换发光基团，其中所述第一上转换发光基团具有第一吸收光谱和第一发射光谱，且所述第一吸收光谱和第一发射光谱不重叠。第二波导包括第二波导介质以及与所述第二波导介质接触的第二上转换发光基团，其中第二上转换发光基团具有第二吸收光谱和第二发射光谱，所述第二吸收光谱和第二发射光谱不重叠，且所述第一吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠。在一个实施例中，所述第一波导和第二波导之间设置有光锥，其中所述光锥的折射率高于所述第一波导的折射率。在另一实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至第一波导和第二波导的光伏器件，其中所述第一发射光谱和第二发射光谱相互重叠，第一发射光谱和第二发射光谱与所述光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转换为电能。在一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至所述第一波导的第一光锥和连接至所述第二波导的第二光锥，其中所述第一光锥的折射率高于所述第一波导的折射率，所述第二光锥的折射率高于所述第二波导的折射率。在一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器包括连接至所述第一光锥的第一光伏器件和连接至所述第二光锥的第二光伏器件。所述第一发射光谱与所述第一光伏器件的第一吸收波长重叠以将辐射转化为电能。所述第二发射光谱与所述第二光伏器件的第二吸收波长重叠以将辐射转化为电能。在一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至所述第三光锥的第三光伏器件。所述第三发射光谱与所述第三光伏器件的第三吸收波长重叠以将辐射转化为电能。在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中，所述第一发射光谱与所述光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中，所述第二发射光谱与所述光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。在另一实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括设置在所述第二波导下方的第三波导。第三波导包括第三波导介质以及与所述第三波导介质接触的第三上转换发光基团，其中所述第三上转换发光基团具有第三吸收光谱和第三发射光谱，所述第三吸收光谱和第三发射光谱基本上不重叠，所述第三吸收光谱和第一吸收光谱基本上不重叠，且所述第三吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠。第一光锥连接至所述第一波导，其中所述第一光锥的折射率高于所述第一波导的折射率。第二光锥连接至所述第二波导，其中所述第二光锥的折射率高于所述第二波导的折射率。第三光锥连接至所述第三波导，其中所述第三光锥的折射率高于所述第三波导的折射率。在另一实施例中，上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至所述第一光锥的第一光伏器件、连接至所述第二光锥的第二光伏器件以及连接至所述第三光锥的第三光伏器件，其中，所述第一光伏器件的折射率高于所述第一光锥的折射率，所述第二光伏器件的折射率高于所述第二光锥的折射率，且所述第三光伏器件的折射率高于所述第三光锥的折射率。在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中，所述第一发射光谱与所述第一光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能，所述第二发射光谱与所述第二光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能，所述第三发射光谱与所述第三光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中，每一所述第一波导、第二波导和第三波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。在另一实施例中，上转换光致发光太阳聚光器包括叠置在一起的多个波导，其中每个波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。每个波导具有波导介质以及与波导介质接触的上转换发光基团。上转换发光基团构造成用以吸收入射光子然后发射被发射光子，所述被发射光子的能量高于入射光子的能量。该实施例包括设置在多个波导与光伏器件之间的抗反射涂层。光伏器件设置在多个波导的一个端侧以接收被发射光子，其中上转换发光基团的发射光谱与光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转换为电能。在另一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器包括设置在多个波导第二端侧的第二光伏器件，其中上转换发光基团的发射光谱与第二光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转换为电能。在另一个实施例中，提供了一种将入射辐射转换为电能的方法。该实施例包括利用上转换发光基团吸收入射辐射；从所述发光基团发射被发射光子，其中所述被发射光子的能量高于所述入射辐射的能量；利用波导将来自所述上转换发光基团的被发射光子引导至光伏器件；以及所述光伏器件吸收被发射光子并将其转换为电能。在另一个实施例中，该方法还包括利用第二上转换发光基团吸收第二入射辐射， 其中所述第二入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量；从所述第二发光基团发射第二被发射光子，其中所述第二被发射光子的能量高于所述第二入射辐射的能量；利用第二波导将来自所述第二上转换发光基团的第二被发射光子引导至光伏器件；以及所述光伏器件吸收第二被发射光子并将其转换为电能。在另一实施例中，该方法还包括利用第三上转换发光基团吸收第三入射辐射，其中所述第三入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量；从所述第三发光基团发射第三被发射光子，其中所述第三被发射光子的能量高于所述第三入射辐射的能量；利用第三波导将来自所述第三上转换发光基团的第三被发射光子引导至第三光伏器件；以及所述第三光伏器件吸收第三被发射光子并将其转换为电能。在另一个实施例中，被发射光子和第二被发射光子具有相同的能量。在另一个实施例中，第二被发射光子的能量高于被发射光子的能量。在一个实施例中，上转换光致发光太阳聚光器包括具有第一波导介质的第一波导以及设置在第一波导的表面上的发光基团层，其中所述发光基团层包括与所述第一波导介质接触的多个上转换发光基团。第二波导设置在所述发光基团层上方，其中所述第二波导具有第二波导介质，所述多个上转换发光基团与所述第二波导介质接触。光伏器件设在所述第一波导和第二波导的端侧。所述第一波导构造成用以将从多个上转换发光基团其中之一进入所述第二波导的被发射光子朝向所述光伏器件引导。所述第二波导构造成用以将从多个上转换发光基团其中之一进入所述第二波导的被发射光子朝向所述光伏器件引导。在一个实施例中，第一和/或第二波导介质是液体。在一个实施例中，第一和/或第二波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。在一个实施例中，第一和/或第二波导介质为选自非晶质氧化硅、氧化硅、透明塑料、透明液体、玻璃、有机玻璃、掺杂II-VI族半导体的玻璃以及亚克力塑料构成的群组中的一种。在一个实施例中，上转换发光基团是H聚集体。在一个实施例中，上转换发光基团是稀土离子。在一个实施例中，第一和/或第二波导的一侧设有抗反射涂层。抗反射涂层可设置在波导与发光基团层之间。在一个实施例中，光锥可设置在波导的一侧，并让抗反射涂层设置在光锥与波导之间。在一个实施例中，光锥的折射率高于第一和/或第二波导介质的折射率。光锥可具有接收面和输出面，其中接收面朝向第一和/ 或第二波导用以接收被发射光子，输出面用以输出被发射光子，其中接收面大于输出面。光锥可以是纳米金刚石。光锥的折射率可在2.0至2. 6的范围内，包括2.0和2. 6。在一个实施例中，光伏器件可直接连接至光锥，其中光伏器件的折射率高于光锥的折射率。在另一实施例中，多个上转换发光基团中的其中一个或多个发光基团的吸收光谱和发射光谱重叠。在一个实施例中，多个上转换发光基团中的其中一个发光基团的吸收光谱和发射光谱基本上重叠。在一个实施例中，多个上转换发光基团中的其中一个或多个发光基团的吸收光谱和发射光谱完全重叠。被发射光子可被局限于其进入的波导中，使得其被上转换发光基团再次吸收的可能性在统计上较低和/或在统计上不存在。将被发射光子局限在波导内，这是靠波导的将被发射光子朝向光伏器件引导的这种构造来达成的。从下列详细的描述中，本实用新型的其它特征和形式将变得更加明显。附图简要说明
图1是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图2是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图3是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图4是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图5是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图6是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图7是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图8是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图9是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图10是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图11是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图12是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。图13是上转换光致发光太阳聚光器的波导的一个实施例的立体图。图14是上转换光致发光太阳聚光器的波导的一个实施例的立体图。图15(a)_(h)是上转换光致发光太阳聚光器的多个波导的实施例的横截面示意图。图16例示上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图及其吸收和发射光
■i並曰ο图17例示上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图及其吸收和发射光
■i並曰ο图18是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
具体实施例方式一种将入射辐射转化为电能的方法，包括利用上转换发光基团吸收入射辐射； 从所述发光基团发射被发射光子，其中所述被发射光子的能量高于所述入射辐射的能量； 利用波导将来自所述上转换发光基团的被发射光子引导至光伏器件；以及所述光伏器件吸收被发射光子并将其转换为电能。该方法还可包括利用第二上转换发光基团吸收第二入射辐射，其中所述第二入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量；从所述第二发光基团发射第二被发射光子，其中所述第二被发射光子的能量高于所述第二入射辐射的能量；利用第二波导将来自所述第二上转换发光基团的第二被发射光子引导至光伏器件；以及所述光伏器件吸收第二被发射光子并将其转换为电能。该方法还可包括利用第三上转换发光基团吸收第三入射辐射，其中所述第三入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量；从所述第三发光基团发射第三被发射光子，其中所述第三被发射光子的能量高于所述第三入射辐射的能量；利用第三波导将来自所述第三上转换发光基团的第三被发射光子引导至第三光伏器件；以及所述第三光伏器件吸收第三被发射光子并将其转换为电能。这些实施例可以利用图中所示以及在此描述的上转换光致发光太阳聚光器的实施例来实施。图1是上转换光致发光太阳聚光器10的一个实施例的侧视图，其中聚光器10包括波导100。波导100具有波导介质102。上转换光致发光基团(chromophore) 104与波导介质102接触。上转换发光基团104构造成用以吸收入射光子(incident photon) 106。 上转换发光基团104构造成用以发射被发射光子(emitted photon) 108。图1例示该被发射光子108被波导100引导至光伏器件110以将被发射光子108转化为电能。在波导介质 102与光伏器件110之间的界面处可设置有光锥(taper)。在波导的一侧可设置反射面112 用以反射被发射光子。在一个实施例中，波导介质102对被发射光子108的波长是透明的。波导介质102 可以是玻璃和/或氧化硅。玻璃和氧化硅对通过波导的光致发光波长是透明的。波导介质 102可以是由溶胶-凝胶工艺(sol-gel process)制成的产品。该溶胶-凝胶工艺是将溶胶变成凝胶状网络，从而形成同时包含液相和固相的溶胶-凝胶介质。其中，固相可能形成一种胶体。该固相的形态可能是从离散胶状颗粒到连续链式聚合物网络之间的任何形态。 溶胶-凝胶介质的一个例子是非晶质氧化硅。溶胶-凝胶介质的折射率最好可调整至与上转换发光基团104相匹配。波导介质102的材料的例子包括(但不限于)非晶质氧化硅、 透明塑料、透明液体、氧化硅、玻璃、有机玻璃、参杂II-VI族半导体的玻璃或亚克力塑料。 II-VI族半导体的例子包括(但不限于)氧化镁(MgO)、硫化镁(MgS)、硒化镁(MgSe)、碲化镁(MgTe)、氧化锌(SiO)、硫化锌( 、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化镉(CcK)、硒化镉(CcKe)、碲化镉(CcTTe)、硫化汞(HgS)、硒化汞(HgSe)以及碲化汞(HgTe)。亚克力塑料具有相对低的溶点，与亚克力塑料接触或植入亚克力塑料中的上转换发光基团104的热损害的风险将会降低。波导介质102可以是固相、液相、玻璃相或其组合。当上转换光致发光基团104吸收入射光子106时，该上转换光致发光基团104获得能量并进入激发态。该上转换光致发光基团104可以通过减少能量而从激发态弛豫至低能态，例如基态。减少能量的一种方式是通过发射被发射光子108。上转换发光基团104的例子包括(但不限于)H聚集体(H-aggregate)、稀土离子 (rare-earth ion)、稀土离子纳米晶、镧系元素螫合物(lanthanide chelate)和/或NaYF4 纳米晶。更多上转换发光基团104的例子包括(但不限于)纳米晶，包括钕(Nd3+)、镱( 3+)、 铒(Er3+)、铥(Tm3+)、钬(Ho3+)、镨(ft·3+)、铈(Ce3+)、钇(Y3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、钆(Gd3+)、 铽(Tb3+)、镝(Dy3+)和/或镥(Lu3+)。被发射光子108的能量比入射光子106高。这种能量差被称为反斯托克位移(anti-Stokes shift)。这些额外的能量可能来自于晶格内热光子的耗散。这些额外的能量也可能来自于上转换发光基团104吸收一个以上的入射光子104， 每个被吸收的入射光子106的能量比被发射光子108低。在双光子过程中，上转换光致发光基团104吸收两个低能入射光子106并发射单一高能被发射光子108。因此，上转换发光基团构造成用以在吸收入射光之之后再吸收一个第二入射光子，然后发射所述被发射光子，其中所述被发射光子的能量比第二入射光子高。太阳光谱有相当的一部分是在红外范围，或者说波长从700纳米至3000纳米。上转换发光基团104构造成用以捕获至少一部分该光谱并将被捕获的光子的能量转换为光伏器件可用的波长(例如可见光谱的波长)。相比将紫外光谱下转换至可见和/或近红外光谱的器件而言，上转换发光基团104提升了器件整体效率。在一个实施例中，上转换发光基团104构造成用以吸收波长在红外范围的入射光子106，然后发射波长在可见范围的被发射光子108。红外范围包括近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外 (LffIR)和远红外(FIR)。在一个实施例中，红外范围包括从700纳米到1000纳米的波长范围。在一个实施例中，红外范围包括从700纳米到1400纳米的波长范围。在一个实施例中， 红外范围包括从700纳米到3000纳米的波长范围。在一个实施例中，红外范围包括从1000 纳米到1400纳米的波长范围，包括1000和1400纳米。在一个实施例中，红外范围包括从 1000纳米到3000纳米的波长范围，包括1000和3000纳米。在一个实施例中，红外范围包括从1400纳米到3000纳米的波长范围，包括1400和3000纳米。在一个实施例中，红外范围包括从3微米到8微米的波长范围，包括3和8微米。在一个实施例中，红外范围包括从 8微米到15微米的波长范围，包括8和15微米。在一个实施例中，红外范围包括从15微米到1000微米的波长范围，包括15和1000微米。光伏器件110的例子包括(但不限于)光伏电池、量子点(quantum dot,QD)、量子井(quantum well)光伏器件、AlGaAs/GaAs量子井光伏器件、直接带隙(direct band gap) 光伏器件、硅基光伏器件和/或III-V族直接带隙光伏器件。图2是上转换光致发光太阳聚光器12的一个实施例的侧视图，其与图1所示的上转换光致发光太阳聚光器10类似。图2所示的上转换光致发光太阳聚光器12包括波导 200和波导介质202。第一上转换光致发光基团204和第二上转换光致发光基团206与波导介质202接触。第一和第二上转换发光基团204、206分别构造成用以吸收第一和第二入射光子208、210。第一和第二上转换发光基团204、206分别构造成用以发射第一和第二被发射光子212、214。第一和第二被发射光子212、214的能量与被光伏器件216吸收的能量实质上相等。每一第一和第二被发射光子212、214的波长位于光伏器件216的吸收光谱范围内。图2例示第一和第二被发射光子212、214被波导200引导至光伏器件216，以将第一和第二被发射光子212、214转化为电能。波导介质202与光伏器件216之间的界面处可设置光锥。在一个实施例中，第二被发射光子214的能量比第二入射光子210高。在一个实施例中，第二入射光子210的能量比第一入射光子高208。在另一个实施例中，第一被发射光子212和第二被发射光子214具有相等的能量。图3是上转换光致发光太阳聚光器14的一个实施例的侧视图，其与图1所示的上转换光致发光太阳聚光器10类似。在图3中，与图1中的结构类似的结构采用相同标号。 图1所示的上转换发光基团104是植入波导介质102中并与波导介质102接触。图3所示的上转换发光基团104是设置在波导102的表面上并与波导介质102接触。当波导介质为一种液体时，上转换发光基团悬浮在该液体中。图1-3也可被理解为其描绘了上转换发光基团悬浮在波导介质中，其中该波导介质为一种液体。图4是上转换光致发光太阳聚光器16的一个实施例的侧视图，其与图3所示的上转换光致发光太阳聚光器14类似。在图4中，与图3中结构类似的结构采用相同标号。上转换光致发光太阳聚光器16包括波导100。图4所示的上转换发光基团104为设置于波导介质102的表面上并与波导介质102接触的薄膜或层105或板。例如，层105是一个具有多个上转换发光基团104的层，其涂在溶胶-凝胶介质102的表面上。图5是上转换光致发光太阳聚光器17的一个实施例的侧视图。上转换光致发光太阳聚光器17包括多个波导300。图5例示了三个波导300，其中这三个波导300叠置在一起，第二波导叠置在第一波导下方，第三波导叠置在第二波导下方。上转换光致发光太阳聚光器17可具有更多或更少的波导。上述多个波导300中的每一个包括波导介质302、 303,304o波导介质302、303、304的材料可以相同。波导介质302、303、304的材料也可以相互不同。每个上转换光致发光基团305、306、307都与其对应的波导介质302、303、304接触。上转换发光基团305、306、307分别被构造成用以吸收入射光子308、309、310。上转换发光基团305、306、307分别被构造成用以发射被发射光子311、312、313。图5例示这些被发射光子311、312、313分别被这些波导300引导至光伏器件320、321、322。这些光伏器件 320、321、322将被发射光子311、312、313转化为电能。每个和/或所有波导介质302、303、 304与光伏器件320、321、322之间的界面处可设置一个或多个光锥。波导介质302、303、304 之间的界面处可设置一个或多个光锥。上述多个波导300的一侧或多侧上可设置反射表面 330以反射被发射光子311、312、313。图6是上转换光致发光太阳聚光器18的一个实施例的侧视图，其与图5所示的上转换光致发光太阳聚光器17类似。在图6中，与图5中结构类似的结构采用相同标号。在图6所示的实施例中，上转换光致发光太阳聚光器18包括单一光伏器件323，而不是多个光伏器件320、321、322 (如图5所示)。如图6所示，每个被发射光子311、312、313被多个波导300引导至该光伏器件323。在每个和/或所有波导介质302、303、304与光伏器件323 之间的界面处可设置一个或多个光锥。
图7是上转换光致发光太阳聚光器19的一个实施例的侧视图。上转换光致发光太阳聚光器19包括多个波导400。图7例示了两个波导400，其中这两个波导400叠置在一起，第二波导位于第一波导下方。当描述一个波导位于另一个波导下方时，术语“下方”是指沿一个始于入射光子源的方向上的下方，使得该入射光子在进入位于第一波导下方的第二波导之前必须穿过该第一波导。上转换光致发光太阳聚光器19可以包括更多的波导叠置在一起。上述多个波导400分别具有波导介质402、403。上转换光致发光基团405、406分别与它们对应的波导介质402、403接触。上转换发光基团405、406分别构造成用以吸收入射光子408、409。上转换发光基团405、406分别构造成用以发射被发射光子411、412。图 7例示每个被发射光子411、412被多个波导400引导至光伏器件420、421、422、423。两个光伏器件420、422设置在同一个波导400的相反两端侧，另两个光伏器件421、423设置在同一个波导400的相反两端侧。光伏器件420、421、422、423将被发射光子411、412转化为电能。上述多个波导400的一侧或多侧可设置反射面440以将被发射光子411、412朝向光伏器件 420、421、422、423 反射。图8是上转换光致发光太阳聚光器20的一个实施例的侧视图，其与图7所示的上转换光致发光太阳聚光器19类似。在图8中，与图7中结构类似的结构采用相同标号。在图8中，上述多个波导400的一个端侧设置单一光伏器件425，而不是多个光伏器件422、 423(如图7所示)。光伏器件420、421设置在远离该单一光伏器件425的相反端侧。图9是上转换光致发光太阳聚光器21的一个实施例的侧视图，其与图8所示的上转换光致发光太阳聚光器20类似。在图9中，与图8中结构类似的结构采用相同标号。在图9中，上述多个波导400的一个端侧设置单一光伏器件426，而不是多个光伏器件420、 421 (如图7和8所示)。光伏器件425、似6设置在上述多个波导400的相反两端侧。图10是上转换光致发光太阳聚光器22的一个实施例的侧视图，其与图1所示的上转换光致发光太阳聚光器10类似。在图10中，与图1中结构类似的结构采用相同标号。 图10例示被发射光子108被波导100朝向光伏器件110引导。图10所示的实施例包括位于波导100与光伏器件110之间的界面元件。图10例示了一个光锥500，其设置在位于波导100端侧上的抗反射涂层501上。抗反射涂层501设置在波导的一侧上，该侧位于光锥 500与波导100和/或波导介质102之间的界面处。作为另一种方式，光锥500也可以设置成与波导100和/或波导介质102直接接触。光锥500的折射率高于波导102的折射率。光伏器件110接收来自光锥500 —侧的荧光。光伏器件Iio可以直接连接至光锥500。作为另一种方式，光伏器件110也可以利用位于光伏器件110与光锥500之间的抗反射涂层连接至光锥500。荧光从所有角度落到波导100的出光面，因此无法在具有相同折射率的波导介质 102中被进一步聚集。然而，通过设置折射率比波导102高的透明介质光锥500，则有可能将荧光的聚集度进一步提升大约5倍，这有利于不同单元的重叠以避免阴影损失(shading loss) ο光锥500具有输出面502和接收面503，输出面502用以朝向光伏器件110输出被发射光子，接收面503面向波导用以接收被发射光子108。在一个实施例中，光锥500的输出面502小于接收面503。光锥500可以是纳米金刚石。光锥500的材料的折射率可以是在2. 0至2. 6的范围内，包括2. 0和2. 6。波导100的第二侧可是设置有反射面112用以朝向光锥500反射被发射光子108。在另一实施例中，上转换光致发光太阳聚光器22也包括与光锥500直接连接的光伏器件110，其中该光伏器件110的折射率大于光锥500的折射率。图11是上转换光致发光太阳聚光器23的一个实施例的侧视图，其中图10所示的波导100叠置在另一个波导512上以形成多个波导520。第二波导512位于第一波导100 下方。第二波导512包括第二上转换光致发光基团504，其与第二波导介质513接触。第二上转换发光基团504构造成用以吸收第二入射光子506。第二上转换发光基团504构造成用以发射第二被发射光子508。图11例示第二被发射光子508被多个波导520朝向第二光伏器件510引导，以将被发射光子508转化成电能。图11例示设置在第二波导512的一个端侧的第二光锥511。抗反射涂层可设置在波导的一侧，该侧位于光锥511与第二波导512 和/或波导介质513之间的界面处。或者，光锥511可设置成与第二波导512和/或波导介质513直接接触。图11例示第二光伏器件510设置在第二光锥511的远离波导512的一个面上。光锥514设置在波导介质102、513之间的界面处。第一光锥500的折射率大于第一波导100的折射率，第二光锥511的折射率大于第二波导512的折射率，且第一光锥和第二光锥上连接有光伏器件。第一光伏器件110的折射率大于第一光锥500的折射率，且第二光伏器件510的折射率大于第二光锥511的折射率。图12是上转换光致发光太阳聚光器M的一个实施例的侧视图，其与图6所示的上转换光致发光太阳聚光器18类似。在图12中，与图6中结构类似的结构采用相同标号。 图12例示每个被发射光子311、312、313被多个波导300朝向光伏器件323引导。图12例示光锥600被设置在多个波导300与光伏器件323之间的界面处。图12例示光锥600设置在多个波导的一个端侧。抗反射涂层601设置在多个波导300的一侧上，该侧位于光锥 600与多个波导300和/或波导介质302、303、304之间的界面处。作为另一种方式，光锥 600也可以设置成与多个波导300和/或波导介质302、303、304直接接触。光伏器件323 与光锥600之间也可设置抗反射涂层602。图13是波导700的一个实施例的立体图，其中波导700在轴向上呈棒状，并具有几何横截面。图14是波导702的另一个实施例的立体图，其中波导702在轴向上呈棒状，并具有几何横截面。在一个实施例中，高宽比为1/1000。在一个实施例中，高宽比小于1/1000。图15(a)_(h)绘出波导的横截面的例子。几何横截面让这些波导可有效地叠置。 图15(a)绘出平行四边形的几何横截面。图15(b)绘出三角形的几何横截面。图15(c)绘出十字形的几何横截面。图15(d)绘出圆形的几何横截面。图15(e)绘出矩形的几何横截面。图15(f)绘出方形的几何横截面。图15(g)绘出六边形的几何横截面。图15(h)绘出八边形的几何横截面。图16是上转换光致发光太阳聚光器18、24(图6和图12)的实施例的侧视图及其吸收和发射光谱曲线。光谱曲线800例示在每个波长下的波长(λ)对强度的曲线图。光谱曲线800绘出第一上转换发光基团305的第一吸收光谱802和第一发射光谱804、第二上转换发光基团306的第二吸收光谱806和第二发射光谱808以及第三上转换发光基团307 的第三吸收光谱810和第三发射光谱812。
波长802、806、810渐增的入射光被对应的波导接收。上转换光致发光基团305、 306、307调变以吸收入射辐射的波长802、806、810并发射分别具有蓝移(blue-shifted)波长804、808、812的被发射光子311、312、313。这种蓝移辐射804、808、812在对应的波导中内反射并被引导至光伏器件323。基本上重叠的定义是当两个光谱的的重叠等于或超过50%，基本上不重叠的定义是当两个光谱的重叠少于50%。不重叠的定义是当两个光谱的重叠少于10%。图16例示第一吸收光谱802和第一发射光谱804基本上不重叠，第二吸收光谱 806和第二发射光谱808基本上不重叠，第三吸收光谱810和第三发射光谱812基本上不重叠。图16例示第一吸收光谱802和第一发射光谱804不重叠，第二吸收光谱806和第二发射光谱808不重叠，第三吸收光谱810和第三发射光谱812不重叠。图16例示第一吸收光谱802和第二吸收光谱806基本上不重叠，第二吸收光谱 806和第三吸收光谱810基本上不重叠。图16例示第一吸收光谱802和第三吸收光谱810
不重叠。图16例示第一发射光谱804和第二发射光谱808基本上重叠，第二发射光谱808 和第三发射光谱812基本上重叠，第一发射光谱804和第三发射光谱812基本上重叠。第一、第二和第三发射光谱804、808、812与光伏器件323的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。图17是上转换光致发光太阳聚光器17(图幻的实施例的侧视图及其吸收和发射光谱曲线图。光谱曲线900例示在每个波长下的波长(λ)对强度的曲线图。光谱曲线900 例示第一上转换发光基团305的第一吸收光谱902和第一发射光谱904、第二上转换发光基团306的第二吸收光谱906和第二发射光谱908以及第三上转换发光基团307的第三吸收光谱910和第三发射光谱912。第一吸收光谱902和第一发射光谱904基本上不重叠， 第二吸收光谱906和第二发射光谱908基本上不重叠，第三吸收光谱910和第三发射光谱 912基本上不重叠。第一吸收光谱902和第一发射光谱904不重叠，第二吸收光谱906和第二发射光谱908不重叠，第三吸收光谱910和第三发射光谱912不重叠。第一吸收光谱 902和第二吸收光谱906基本上不重叠，第二吸收光谱906和第三吸收光谱910基本上不重叠。图17例示第一吸收光谱902和第三吸收光谱910不重叠。第一发射光谱904和第二发射光谱908基本上不重叠，第二发射光谱908和第三发射光谱912基本上不重叠，第一发射光谱904和第三发射光谱912基本上不重叠。每个第一、第二和第三发射光谱904、908、 912与它们对应的光伏器件320、321、322的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。器件17的较低层的波导依序吸收并发射波长更长的光。较高层的波导吸收辐射，使得这些辐射波长不会明显进入较低层的波导。因此，较高层的发光基团吸收的光波长被有效地“阻挡”进入较低层的发光基团。发光基团辐射的发射被调变至对应类型的光伏器件的能量转换光谱的最高效部位。重叠光谱920例示了器件17如何能够有效地形成高效的能量转换系统。图18是上转换光致发光太阳聚光器25的一个实施例的侧视图。上转换光致发光太阳聚光器25包括第一波导930以及发光基团层934。第一波导930具有第一波导介质 932。发光基团层934设置在第一波导930的表面上。发光基团层934包括与第一波导介质932接触的多个上转换发光基团936、938。第二波导940设置在发光基团层942上方，其中第二波导940具有第二波导介质942，且上述多个上转换发光基团936、938与第二波导介质942接触。光伏器件944设置在第一波导930和第二波导940的一个端侧。图18例示光锥946设置在光伏器件944与第一和第二波导930、934之间。第一波导930构造成用以将从多个上转换发光基团938其中之一进入第一波导930的被发射光子948朝向光伏器件 944引导。第二波导940构造成用以将从多个上转换发光基团936其中之一进入第二波导 940的被发射光子950朝向光伏器件944引导。第一和/或第二波导930、940的一侧上可设置抗反射涂层。该抗反射涂层可设置在第一波导930与发光基团层934之间。该抗反射涂层可设置在第二波导940和发光基团层934之间。上述多个上转换发光基团936、938的吸收光谱和发射光谱可重叠、基本上重叠和/或完全重叠。被发射光子948、950可被局限在其进入的波导930、940中，使得其被上转换发光基团936、938再次吸收的可能性在统计上较低和/或在统计上不存在。将被发射光子948、950局限在波导930、940内，这是靠波导930、940的构造来达成的，其朝向光伏器件944引导波导930、940内的被发射光子948、 950。这种构造的例子包括(但不限于)波导930、940的几何形状(1 1000的高宽比)、波导介质932、942的种类、波导介质932、942与发光基团层934之间的折射率差异、设置在波导930、940与发光基团层934之间的抗反射涂层和/或上述构造的组合。虽然在此描述了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员将可认识到，在不脱离本发明的范围内，可以作各种变更或替换。本发明的范围应以所附的权利要求为准，并包括其等同范围。
权利要求
1.一种上转换光致发光太阳聚光器，包括 具有波导介质的波导；以及与所述波导介质接触的上转换发光基团，其中， 所述上转换发光基团构造成用以吸收入射光子， 所述上转换发光基团构造成用以发射被发射光子， 所述被发射光子的能量比所述入射光子的能量高， 所述上转换发光基团具有不重叠的吸收光谱与发射光谱。
2.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述上转换发光基团被植入所述波导介质内。
3.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述上转换发光基团设置在所述波导介质的表面上。
4.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述上转换发光基团作为一个层设置在所述波导介质的表面上。
5.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述波导介质是液体，所述上转换发光基团悬浮在所述液体中。
6.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。
7.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述波导介质选自非晶质氧化硅、氧化硅、透明塑料、透明液体、玻璃、有机玻璃、掺杂II-VI族半导体的玻璃以及亚克力塑料构成的群组中的一种。
8.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述上转换发光基团是H聚集体。
9.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述上转换发光基团是稀土1 子。
10.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中， 所述波导一侧设有抗反射涂层，所述抗反射涂层上设有光锥，所述光锥的折射率高于所述波导介质的折射率。
11.如权利要求10所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中，所述光锥具有接收面和输出面，所述接收面朝向所述波导，用以接收所述被发射光子， 所述输出面用以输出所述被发射光子， 所述输出面小于所述接收面。
12.如权利要求10所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述光锥是纳米金刚石。
13.如权利要求10所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述光锥的折射率在是 2. 0至2. 6的范围内，包括2. 0和2. 6。
14.如权利要求10所述的上转换光致发光太阳聚光器，还包括直接连接至所述光锥的光伏器件，其中所述光伏器件的折射率高于所述光锥的折射率。
15.如权利要求1所述的上转换光致发光太阳聚光器，还包括第二上转换发光基团，其中，所述第二上转换发光基团吸收第二入射光子并发射第二被发射光子， 所述第二被发射光子的能量高于所述第二入射光子的能量， 所述第二入射光子的能量高于所述入射光子的能量， 所述上转换发光基团具有第一吸收光谱和第一发射光谱， 所述第一吸收光谱和第一发射光谱基本上不重叠， 所述第二上转换发光基团具有第二吸收光谱和第二发射光谱，以及所述第二吸收光谱和第二发射光谱基本上不重叠。
16.如权利要求15所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述第一吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠。
17.如权利要求16所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中所述第一发射光谱和第二发射光谱重叠。
18.一种上转换光致发光太阳聚光器，包括 第一波导，其包括第一波导介质；以及第一上转换发光基团，其与所述第一波导介质接触，其中， 所述第一上转换发光基团具有第一吸收光谱和第一发射光谱， 所述第一吸收光谱和第一发射光谱不重叠， 第二波导，设置在所述第一波导下方，其中所述第二波导包括 第二波导介质；以及第二上转换发光基团，其与所述第二波导介质接触，其中， 所述第二上转换发光基团具有第二吸收光谱和第二发射光谱， 所述第二吸收光谱和第二发射光谱不重叠，以及所述第一吸收光谱和所述第二吸收光谱基本上不重叠。
19.如权利要求18所述的上转换光致发光太阳聚光器，还包括设置在所述第一波导和第二波导之间的光锥，其中所述光锥的折射率高于所述第一波导的折射率。
20.如权利要求18所述的上转换光致发光太阳聚光器，还包括 第三波导，设置在所述第二波导下方，其中所述第三波导包括 第三波导介质；以及第三上转换发光基团，其与所述第三波导介质接触，其中， 所述第三上转换发光基团具有第三吸收光谱和第三发射光谱， 所述第三吸收光谱和第三发射光谱基本上不重叠， 所述第三吸收光谱和第一吸收光谱基本上不重叠，以及所述第三吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠；第一光锥，其连接至所述第一波导，其中所述第一光锥的折射率高于所述第一波导的折射率；第二光锥，其连接至所述第二波导，其中所述第二光锥的折射率高于所述第二波导的折射率；以及第三光锥，其连接至所述第三波导，其中所述第三光锥的折射率高于所述第三波导的折射率。
21.如权利要求20所述的上转换光致发光太阳聚光器，还包括 第一光伏器件，其连接至所述第一光锥；第二光伏器件，其连接至所述第二光锥；以及第三光伏器件，其连接至所述第三光锥；其中， 所述第一光伏器件的折射率高于所述第一光锥的折射率， 所述第二光伏器件的折射率高于所述第二光锥的折射率，以及所述第三光伏器件的折射率高于所述第三光锥的折射率。
22.如权利要求21所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中，所述第一发射光谱与所述第一光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能， 所述第二发射光谱与所述第二光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能，以及所述第三发射光谱与所述第三光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能
23.如权利要求21所述的上转换光致发光太阳聚光器，其中，每一所述第一波导、第二波导和第三波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。
24.一种上转换光致发光太阳聚光器，包括 具有第一波导介质的第一波导；设在所述第一波导的表面上的发光基团层，所述发光基团层包括与所述第一波导介质接触的多个上转换发光基团；设在所述发光基团层上方的第二波导，其中所述第二波导具有第二波导介质，所述多个上转换发光基团与所述第二波导介质接触；光伏器件，设在所述第一波导和第二波导的端侧，其中，所述第一波导构造成用以将从多个上转换发光基团其中之一进入所述第一波导的被发射光子朝向所述光伏器件弓I导，所述第二波导构造成用以将从多个上转换发光基团其中之一进入所述第二波导的被发射光子朝向所述光伏器件弓I导。
全文摘要
本发明公开一种使用上转换光致发光太阳聚光器将入射辐射转换为电能的器件和方法。上转换光致发光太阳聚光器包括具有波导介质的波导。上转换发光基团与波导介质接触。上转换发光基团构造成用以吸收入射光子。上转换发光基团也构造成用以发射被发射光子。被发射光子的能量比入射光子的能量高。光伏器件吸收被发射光子用以产生电。
文档编号H01L31/042GK102460725SQ201080025080
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月3日 优先权日2009年5月1日
发明者加勒特·布鲁尔 申请人:加勒特·布鲁尔