光收集器设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供了片状光收集器设备，其包括光接收侧和光出射侧，以及包括有机染料的光导材料的多个弯曲结构，所述有机染料被配置成吸收至少部分的光源光并且将吸收的光的至少一部分转换成可见波长范围中的经转换的光。每个弯曲结构具有在光接收侧的凸起弯曲部分、在光出射侧的凹入部分和在光出射侧的光出射边缘部分。每个弯曲结构具有被配置成促进内耦合的光和可见的经转换的光在光出射边缘部分的方向上的输运的曲率和光导厚度，以提供从光出射边缘部分逸出的设备光。
【专利说明】光收集器设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光收集器设备。本发明还涉及太阳能设备、温室或照明单元，其包括这 样的光收集器设备。
【背景技术】
[0002] 光内耦合结构在本领域中是已知的。例如，W02009115574描述了包括具有两个主 表面侧的透明片的温室，其包含透明片内的发光染料，其特征在于在两个主表面侧的至少 一个上存在几何光学元件的阵列。特别地，光致发光染料包含在与透明片接触的分离层内。
[0003] 另外，发光太阳能集中器在本领域中是已知的。例如，W02012023094描述了诸如 例如使用其波导的后侧上的散射或者反射层的太阳能集中器之类的光电设备。散射或者反 射层还合并了用于吸收和发射的发光或者磷光材料。散射或者反射层中的附加的吸收和发 射功能性允许入射光的较为动态的使用。
【发明内容】
[0004] 重要的方面是光如何能够以高效的方式被引导朝向植物(例如，在温室中）并且具 有优化的光谱。像是棱镜、透镜或者散射微结构那样的结构的使用在本领域中是已知的。该 结构的确进行工作来提取光，但是不能足够有效地将光引导朝向植物。此外，提供有(这样 的）微结构的箔对于该应用而言可能变得过于昂贵。
[0005] 另外，可应用包含荧光染料和光散射(颗粒)添加剂的聚合基质。然而，似乎在一些 系统中超过50%的光被引导朝向温室的外部，并且没有被植物有效地使用。
[0006] 因此，本发明的一个方面是提供可替换的光收集器设备，其优选地另外至少部分 地消除上述缺陷中的一个或多个。
[0007] 因此，在第一方面中，本发明提供了包括片状光接收侧和光出射侧的光收集器设 备(在本文中也被指示为"设备")，光收集器设备包括光导材料的多个弯曲结构(在本文中 也被指示为"结构")，其中光导材料包括被配置成吸收光源光的至少一部分并且将所吸收 的光的至少一部分转换成可见波长范围中的经转换的光的有机染料，其中每个弯曲结构具 有被配置成从所述光源接收光并且被配置成将光源光耦合到弯曲结构中的在光接收侧的 凸起弯曲部分、在光出射侧的凹入部分和在光出射侧的光出射边缘部分，其中每个弯曲结 构具有被配置成促进内耦合的光和可见波长范围中的经转换的光在光出射边缘部分的方 向上的输运的曲率和光导厚度，以提供从光出射边缘部分逸出的设备光。
[0008] 利用这样的光收集器设备，（太阳）光可以高效地耦合到弯曲结构中，在弯曲结构 内被有机染料至少部分地转换成另一波长的光，并且在光出射边缘部分处耦合离开光收集 器设备。由此，提供了收集的(太阳）光和/或收集的经转换的(太阳）光。注意，光源不是 光收集器设备的(多个）基本实施例的一部分。
[0009] 光收集器设备被特别地设计成以高效的方式收集太阳的光，并且将收集的光在光 出射侧处耦合出（作为冷光和可选的其余太阳光)，所述收集的光至少部分地被有机染料转 换成冷光。因此，在实施例中，光收集器用于集中（太阳）光，并且至少部分地将该集中的太 阳光转换成冷光(通过利用染料对至少部分的太阳光的转换)。由于全内反射（TIR)，内耦合 的光和冷光可以迁移至边缘部分并且从光出射部分(或者光出射边缘部分)逸出。为了抵消 光导的TIR属性中的减小，有机染料基本上不作为微颗粒存在，而是优选地呈分子分布，因 而抵消光的全向散射。另外，染料具有本质上不与所述染料的发射光谱重叠的吸收和/或 激发光谱，因而抵消经转换的光的全向再发射。所述全向散射和全向再发射二者都导致光 导材料的TIR属性中的不合期望的减小，并且因此导致不太高效的太阳光收集器设备。 [0010] 光收集器设备包括多个弯曲结构。在一些实施例中，这些可包括半球结构，像是圆 顶那样，在其它实施例中，这些可以包括漏斗状结构或者球冠。凸起部分被配置在光接收 侦k因此，光接收侧包括多个凸起弯曲结构。凹入部分在光收集器设备的"背侧"（光出射 侧)。弯曲结构的边缘被用作外耦合或者光出射边缘部分(在光出射侧)。因此，弯曲结构的 至少一部分边缘被配置成允许内耦合的光在光收集器设备的光出射侧从弯曲结构的光出 射边缘部分逸出。
[0011] 注意，在光收集器设备（自身）的实施例中，除了可选的涂层，在凸起弯曲部分的上 游不存在物理结构。正是有利的弯曲结构提供高效的内耦合。
[0012] 术语"上游"和"下游"涉及项或者特征相对于来自光生成装置(在此特别地为太 阳或者光源）的光的传播的布置，其中相对于来自光生成装置的光线内的第一位置，更接近 光生成装置的光线中的第二位置是"上游"，并且更远离光生成装置的光线内的第三位置是 "下游"。这样，一个人也可以将光接收侧指示为上游侧或者上游面，并且将光出射侧指示为 下游侧或者下游面。
[0013] -般地，弯曲结构将被布置在规则图案中，像是以立方体或者六边形对称。特别 地，弯曲结构、特别是凸起部分可以被配置在紧密堆积中，诸如六边形紧密堆积或者立方体 紧密堆积。因此，半球结构或者漏斗状结构等可以被布置在诸如之前所定义的紧密堆积中。 因此，光收集器设备可以包括类似弯曲结构的六边形紧密堆积或者立方体紧密堆积。
[0014] 可选地，存在不同类型的结构的堆积或者特别是紧密堆积。例如，可以应用彼此交 替的多个半球弯曲结构和漏斗状弯曲结构的组合。这些可以被堆积(在相应弯曲结构的两 个子格中)，可选地堆积在紧密堆积中。
[0015] 注意，凸起弯曲部分可以因而造成突出类型的结构(相对于光收集器设备的平面 突出），诸如半球状结构，但是在实施例中还可以造成凹陷类型结构，诸如漏斗状结构。
[0016] 弯曲结构包括透明材料，特别地本质上包括透明材料，甚至更特别地由透明材料 制成，所述透明材料被配置成至少允许可见光，但是特别地还允许紫外（=uv)和/或红外 (=IR)的部分传播通过光导材料。用于光导材料的另一词语是"波导材料"。光导或者波导材 料可以包括选自于包括透射性有机材料支持的组中的一种或多种材料，诸如选自于包括PE (聚乙烯)、PP (聚丙烯)、PEN (聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC (聚碳酸酯)、聚丙烯酸甲酯（PMA)、 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)(树脂玻璃或者塑胶玻璃)、乙酸丁酸纤维素（CAB)、硅树脂、聚氯 乙烯（PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)、（PETG)(乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯)、 PDMS (聚二甲基硅氧烷）和C0C (环烯共聚物）的组。然而在另一实施例中，光导或者波导 材料可以包括无机材料。优选的无机材料选自于包括玻璃、(熔融)石英、透射性陶瓷材料和 硅树脂的组。还可以应用包括无机和有机部分二者的混合材料。PMMA、PC或者玻璃作为用 于波导的材料是特别优选的。
[0017] 因此，弯曲结构特别地是特别地具有使得存在凸起部分和凹入部分的曲率的弯曲 光导。因此，弯曲结构并不特别地包括圆形光纤。
[0018] 特别地，染料作为波导材料中的微颗粒基本上是不可用的，而是优选地呈分子分 布。这样，基本上没有晶粒边界可以被发现，鉴于散射，这是有利的。当将染料嵌入在有机 材料(诸如上文指示的透明有机材料中的一个或多个）中时，可以特别地获得染料的分子分 布。
[0019] 有机染料特别地被配置成吸收至少部分的内耦合的光源光并且将它转换成另一 波长的光。一般地，这将(也)是可见光。然而，染料可以被选取成提供带有特定功能的波长 区域中的光。例如，对于园艺应用，特定颜色对植物可以具有特定效应等。
[0020] 在实施例中，染料还可以被配置成将UV光转换成可见光。取决于光源光的类型 (参见下文)，有机发光材料可以例如包括绿光和红光发射材料的组合，或者黄光和红光发 射发光材料的组合等。然而，还可以应用将UV或者可见光转换到IR中的染料，这取决于(期 望的）应用。例如，在一些园艺应用中，还可能期望IR成分。
[0021] 另外，如对于本领域技术人员将是清楚的，术语"染料"还可以涉及多种染料，其中 的两种或更多种在不同波长范围中进行吸收和/或发射。这样，可以创建优化的吸收和/ 或发射光谱。在特定实施例中，弯曲结构的总数目的两个或更多子集分别包括两种或者更 多不同的染料。
[0022] 存在这样的有机发光材料或者染料的几乎无限的分类。相关的示例是二萘嵌苯 (诸如，在来自德国路德维希港BASF公司的其商标名称Lumogen之下已知的染料：Lumogen F240 澄、Lumogen F300 红 Lumogen F305 红、Lumogen F083 黄、Lumogen F170 黄、Lumogen F850绿)，来自印度孟买Neelikon食用染料与化工有限公司的黄172,以及从许多贸易者可 得到的诸如香豆素(例如，香豆素 6、香豆素 7、香豆素 30、香豆素 153、碱性黄51)、萘二甲酰 亚胺(例如溶剂黄11、溶剂黄116)、弗卢罗7GA、吡啶(例如，吡啶1)、吡咯亚甲基(诸如吡咯 亚甲基546、批咯亚甲基567)、突光素钠、若丹明（例如，若丹明110、若丹明B、若丹明6G、若 丹明3B、若丹明101、磺基若丹明101、磺基若丹明640、碱性紫11、碱性红2)、花青(例如，酞 菁、DCM)、芪(例如，Bis-MSB、DPS)之类的染料。可以使用若干其它的染料，诸如酸性染料、 碱性染料、直接染料和分散染料，只要它们显示出用于预期使用的足够高的荧光量子产率。 可以应用的特别感兴趣的有机材料包括例如用于绿色冷光的BASF Lumogen 850、用于黄色 冷光的BASF Lumogen R)83或者F170、用于橙色冷光的BASF Lumogen F 240以及用于红色 冷光的BASF Lumogen F 300或者F305。可选地，染料包括具有长衰减时间（诸如，数小时） 的磷光燃料，其可以应用于缺乏(充足）日光期间的照明。
[0023] 在本文中的术语白光对本领域技术人员而言是已知的。它特别地涉及具有在大约 2000和20000K之间、特别地为2700-20000K的相关色温的光，其用于特别地在大约2700K 和6500K的范围中的一般照明，和用于特别地在大约7000K和20000K的范围中的背光照明 目的，并且特别地在从BBL (黑体轨迹）大约15 SDCM (颜色匹配标准偏差）内，特别地在从 BBL大约10 SDCM内，甚至更特别地在从BBL大约5 SDCM内。
[0024] 术语"紫光"或者"紫光发射"特别地涉及具有在大约380_440nm范围中的波长的 光。术语"蓝光"或者"蓝光发射"特别地涉及具有在大约440-490nm范围中的波长的光(包 括一些紫色和青色调)。术语"绿光"或者"绿光发射"特别地涉及具有在大约490-560nm 范围中的波长的光。术语"黄光"或者"黄光发射"特别地涉及具有在大约560-590nm范围 中的波长的光。术语"橙光"或者"橙光发射"特别地涉及具有在大约590-620范围中的 波长的光。术语"红光"或者"红光发射"特别地涉及具有在大约620-750nm范围中、特别 是620-650nm的波长的光。术语"可见"、"可见光"或者"可见光发射"指的是具有在大约 380-750nm范围中的波长的光。术语"IR"（红外）可以特别地涉及大约750-3000nm，特别 是在大约750-1100nm范围中。
[0025] 当使用（一个或多个）（用于接收光收集器的收集的光的)太阳能电池时，（多种)染 料可以被优化以提供特别适配于(多个）太阳能电池的波长相关灵敏性的冷光光谱。
[0026] 如以上所指示的，光源不是本发明的基本实施例的一部分。特别地，光收集器设备 用于收集(并且至少部分地转换）太阳光。因此，在实施例中，术语"光源"可以涉及太阳。 然而，可选地，一个或多个人造光源可以用于收集光(并且从其转换光)。
[0027] 在实施例中（同样参见下文)，太阳光被收集，并且光收集器设备被用作照明单元。 在该实施例中，可选地，一个或多个人造光源还可以集成在照明单元中。用光收集器设备可 以可选地收集那些人造光源的光，但是在另一实施例中人造光源可以用作在没有收集和/ 或转换的光的情况下的辅助光源。这样的实施例的组合也是可能的。
[0028] 将弯曲结构的曲率和光导厚度特别地选取成具有良好的光内耦合和全内反射。在 内反射和通过染料的转换的意义上说，看起来凹入的(带有与凹入部分接触的空气或另一 气体)并带有作为光接收表面的凸起部分并且相对薄的弯曲结构具有良好的属性。特别地， 光导厚度选自于〇. 5-50_的范围，甚至更特别地选自于0. 5-10_的范围，诸如1-5_。
[0029] 透明系统中的光转换的方面(例如，溶解在PMMA或者PET中的发光染料；同样参见 上文）是观察到材料中生成的(各向同性的）光发射被俘获了相当大的部分。在矩形发光聚 合物的情况中，生成的光的总量中的有用分数为（同样参见图la):
【权利要求】
1. 一种包括光接收侧（1010)和光出射侧（1020)的片状光收集器设备（100)，所述光收 集器设备（100)包括光导材料（20)的多个弯曲结构（10)，其中光导材料（20)包括用于吸收 光源光的至少一部分并且用于将所吸收的光的至少一部分转换成可见的和IR波长范围中 的经转换的光的有机光转换染料，其中每个弯曲结构（10)具有用于从所述光源接收光并且 用于将光源光耦合到弯曲结构（10)中的在光接收侧（1010)的凸起弯曲部分（11)、在光出 射侧（1020)的凹入部分（12)和在光出射侧（1020)的光出射边缘部分（13)，其中每个弯曲 结构（10)具有用于促进内耦合的光和经转换的光在光出射边缘部分（13)的方向上的输运 的曲率和光导厚度（d)，以提供从光出射边缘部分（13)逸出的设备光。
2. 根据权利要求1的光收集器设备（100)，其中凸起弯曲部分（11)的至少20%的表面 区域具有局部曲率0.2 <威<5,其中K是描述局部曲率的凸起弯曲部分的截面平面中的拟 合圆的局部曲率，并且其中R是地平面的半径。
3. 根据前述权利要求中的任一项的光收集器设备（100)，其中每个弯曲结构（10)具有 地平面半径（R)，其中弯曲结构（10)具有球冠形状，其中具有所述地平面半径（R)的凸起弯 曲部分（11)具有弯曲结构表面面积（S)，其中凸起弯曲部分的曲率在范围2.5 < S/R2 < 30中具有归一化面积，并且具有选自于0. 5-50mm范围的光导厚度（d)。
4. 根据权利要求2-3中的任一项的光收集器设备（100)，其中光导厚度（d)和地平面半 径的比（d/R)为0.001彡d/R彡0.25。
5. 根据权利要求2-4中的任一项的光收集器设备（100)，具有选自于0. 25-100mm 范围的地平面半径（R)，并且其中具有所述地平面半径（R)的凸起弯曲部分（11)具有在 10mm2-0. 3m2范围中的弯曲结构表面面积（S)。
6. 根据前述权利要求中的任一项的光收集器设备（100)，其中弯曲结构（10)具有2D弯 曲漏斗（1052)片段的形状，带有在光接收侧（1010)的较大的第一开口（ 1551)和在光出射 侧（1020)的较小的第二开口（1552)。
7. 根据前述权利要求中的任一项的光收集器设备（100)，其中弯曲结构（10)具有2D弯 曲凹陷片段的形状，带有在光接收侧（1010)的较大的第一开口（1551)和包括在光出射侧 (1020)的光出射边缘部分（13)的封闭的延伸端（1553)。
8. 根据前述权利要求中的任一项的光收集器设备（100)，其中弯曲结构（10)具有中空 的球冠片段的形状，带有在光接收侧（1010)的凸起弯曲部分（11)和在光出射侧（1020)的 凹入部分（1020)。
9. 根据权利要求6-8中的任一项的光收集器设备（100)，包括类似弯曲结构（10)的六 边形紧密堆积或者立方体紧密堆积。
10. 根据前述权利要求中的任一项的光收集器设备（100)，其中弯曲结构（10)具有凸 起槽（1054)片段的形状，带有在光接收侧（1010)的凸起部分（11)和在出射侧（1020)的凹 入部分（12)。
11. 根据前述权利要求中的任一项的光收集器设备（100)，其中弯曲结构（10)的总数 目的两个或者更多子集分别包括两种或更多种染料。
12. 根据前述权利要求中的任一项的光收集器设备（100)，包括第一弯曲结构（10a) 和第二弯曲结构（10b)，第一弯曲结构（10a)包围第二弯曲结构（10b)，其中第一弯曲结构 (l〇a)的波导材料（20)中的染料不同于第二弯曲结构（10b)的波导材料（20)中的染料。
13. -种包括根据权利要求1-12中的任一项的光收集器设备（100)和太阳能电池 (300)的太阳能设备（2200)，其中太阳能电池 （300)被配置成接收从光出射边缘部分（13) 逸出的光。
14. 一种包括根据权利要求1-12中的任一项的光收集器设备（100)的温室（2300)，其 中收集器设备（100 )被配置成经由光出射边缘部分（13 )将光提供到温室（2300 )中。
15. -种照明单元（2100)，包括根据权利要求1-12中的任一项的光收集器设备（100)、 多个光源（2110)和可选地漫射器板，其中光源（2110)被配置成向光接收侧（1010)提供光 源光（2111)，并且其中可选的漫射器板被配置在多个光源（2110)和光收集器设备（100)之 间。
【文档编号】A01G9/24GK104302986SQ201380023994
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月6日 优先权日:2012年5月7日
【发明者】E.P.布内坎普, R.G.尼坎普 申请人:皇家飞利浦有限公司