[发明专利]基于间接带隙半导体纳米晶的大面积发光的太阳能聚集器

说明书

本发明的主题是发光的太阳能聚集器，其包含玻璃状或塑料基体，该玻璃状或塑料基体含有胶态间接带隙半导体纳米晶并特别地含有硅纳米晶。

本发明涉及根据主要权利要求的前序部分的太阳能聚集器。

如所知的，发光的太阳能聚集器(或LSC)包含限定了聚集器本体的玻璃或塑料波导，其掺杂有通常被称作荧光团的高发射性元素，或涂覆有含有高发射性元素的膜。直射和/或漫射太阳光被这样的荧光团吸收并以更长的波长被再发射。以这种方法产生的冷光通过全内反射传播至波导的边缘，并通过附着至聚集器本体的周长的光伏电池转化成电能。

通常地，这样的发光的太阳能聚集器包含具有片或平行六面体的通用形式的本体(限定了上述波导)，其掺杂有有机或有机金属荧光团或基于胶态纳米颗粒的荧光团。或者这样的本体的表面涂覆有含有荧光团的薄膜。

荧光团吸收太阳光(漫射和入射太阳光两者)并且通过荧光或磷光将其以较长的波长再发射。通过全内反射将所发射的光导向波导的边缘，在此通过位于沿波导的侧面或周围表面的小光伏电池将所发射的光转化成电。通过适当选择波导中的荧光团浓度和波导的光学性质，可构造具有期望的透明程度和任意形状的器件，该器件可容易被包括在建筑(例如光伏窗)中。

因此发光的太阳能聚集器是比以太阳辐射的几何浓度为基础工作的已知系统(其需要跟踪光源的机构)更实用的器件。

最终，因为位于聚集器(充当波导)边缘的光伏电池间接地被聚集器内产生的冷光照亮，所以发光的太阳能聚集器没有经历如在普通的大型和薄膜光伏板中那样的任何效率损失和源于其上产生的阴影的电应力。

为了获得高效的太阳能聚集器，荧光团需要是高度光稳定的并具有在光谱可见光和近红外区域中宽的吸收谱，高的发光效率和在荧光团自身吸收谱和光发射谱之间最大可能性的能量分离(由术语“Stokes位移”表示)。后一要求对于制造大的聚集器是必需的，在大的聚集器中由给定荧光团发射的光在到达聚集器本体的边缘之前不得不行经相对长的路径。

已知使用高发射性但相对可光降解的有机荧光团。它们的Stokes位移通常受限制并且这导致由再吸收通过荧光团自身发射的光所致的大量光损失。

还已知使用由具有宽的Stokes位移的有机稀土络合物限定的荧光团；然而这样的元素仅能够利用小部分的太阳光谱和/或展现出非常低的发光效率。当胶态纳米晶(QD)被用作包含在太阳能聚集器的本体或波导中的发射极时遇到了相似的问题。虽然这样的纳米晶具有高的发射产率(emission yield)和高的光吸收系数，但是它们通常具有在吸收谱和发射谱之间大的重叠，其导致所发射光的强的再吸收。这一事实阻碍构造具有大尺寸的太阳能聚集器，并且仅可获得具有非常小面积的器件。

最近还使用了胶态纳米晶(QD或“量子点”)，其展现宽的吸收谱和高效的发光，并还可经调节以捕获或收集在可见光或近红外(NIR)光谱区域内最大的太阳辐射，以便获得来自发光的太阳能聚集器(LSC)的最大的响应。这还通过选择异质结构的或掺杂的纳米晶或使用导致在吸收功能和发射功能之间内在解耦联的三元半导体组合物来实现。

以本文件的所有者的名义采用序号PCT/IB2016/000032提交的文本描述了太阳能聚集器，其包含聚合物材料或含有胶态纳米晶的基于二氧化硅玻璃的本体，其中后者是含有以下的至少三元硫族元素半导体纳米晶：第I_B族或IUPAC命名法的第11族中的过渡金属，第III_A族或IUPAC命名法的第13族中的金属，和至少一种来自第VI_A族或IUPAC命名法的第16族的硫族元素。

该专利文本(指出各种类型的可用半导体)描述了解决方案，通过该解决方案可获得具有以下的太阳能聚集器：大尺寸(多至数百线性厘米)，由于所发射光的再吸收所致的有限的光损失，高透明度，该太阳能聚集器还适合于用作建筑结构或移动结构(例如机动车辆或一般而言的车辆)内的光伏窗。