專利名稱：發(fā)光太陽能集中的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造發(fā)光太陽能集中器(LSC)的方法。更具體地，本發(fā)明還涉及結(jié)合了摻雜發(fā)光染料的有機(jī)-無機(jī)、溶膠-凝膠復(fù)合膜的LSC，提供高的效率和穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
世界上傳統(tǒng)的能源供應(yīng)主要基于可容易利用的化石來源，這種能源供應(yīng)正在快速減少。能源危機(jī)的主要短期替代物，核裂變能，引起大量的爭議，且還不知道真正實(shí)現(xiàn)核聚變的日期。毫無疑問，太陽能是潔凈且無危險(xiǎn)的來源，如果開發(fā)出適當(dāng)?shù)姆椒▉硎占⒓小?儲(chǔ)存、以及轉(zhuǎn)換漫射且本質(zhì)上斷續(xù)的太陽光，那么能為解決能源問題提供相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。在完全可以想象到的強(qiáng)烈的政治上反對建造核反應(yīng)堆的的情形下，在沒有充足水電力的國家中太陽能光伏電池的可行性表示一種安全體系。然而，很顯然，如果只是因?yàn)橹苽鋼诫s的高等級硅本身需要非常大量的電能，那么如果每千瓦所需的硅的量能夠被削減到1/5或 1/10，這將是決定性的優(yōu)勢。集中太陽光的一種方式涉及拋物面鏡(或用于太陽能爐的這樣的反射表面的組件)或Fresnel透鏡，這將適合于砷化鎵(GaAs)光伏。然而，安裝用于跟蹤太陽每天的表觀運(yùn)動(dòng)所需要的定日鏡類型的裝置是昂貴的，且它幾乎損失全部量的漫射光，其構(gòu)成到達(dá)歐洲和美國的大多數(shù)地區(qū)的地球表面的約60%的光。平面發(fā)光集中器的原理由Weber和Lambe1首先提出，且隨后同時(shí)由Goetzberger 與Greubel2和由Swartz, Cole以及kwail3更詳細(xì)地闡述。該主題已經(jīng)由Batchelder、 Zewail以及Cole4_5和由Goetzberger與Wittwer6進(jìn)一步分析，且側(cè)重于熒光有機(jī)染料物質(zhì)的使用。Reisfeld等人描述了雖然添加三價(jià)釹或鈥提高收率8，但鈾酰離子在無機(jī)玻璃7 中起作用。在參考文獻(xiàn)η1中，我們提出使用基于摻雜染料的二氧化硅的溶膠-凝膠玻璃來集中太陽能。然而，到目前為止，僅觀測到非常低效率的能量輸出。發(fā)明詳述在太陽能應(yīng)用中，諸如玻璃和塑料的材料已經(jīng)被用來最小化熱損耗、集中并聚焦光、以及保護(hù)吸收器。與玻璃比較，塑料更加便宜、更容易被形成復(fù)雜的形狀、重量輕且沒那么易碎。因此，在太陽能應(yīng)用中日益增加對諸如聚碳酸酯和丙烯酸酯類聚合物的塑料的使用，然而，由于本領(lǐng)域中普遍已知聚碳酸酯和丙烯酸酯類聚合物是感光性的且當(dāng)暴露于UV 輻射時(shí)會(huì)降解，因此這些塑料必須加以處理和保護(hù)。有機(jī)-無機(jī)、溶膠-凝膠復(fù)合基質(zhì)。溶膠-凝膠涂層被認(rèn)為是簡單且便宜的。更具體地，溶膠-凝膠法是一種用于產(chǎn)生固態(tài)玻璃塊或薄膜的低溫技術(shù)。利用這種方法，容易在玻璃、陶瓷、金屬或其它固體襯底上制作涂層。另外，相對溫和的合成條件允許添加諸如有機(jī)染料或無機(jī)離子的各種摻雜劑， 這將所得到的玻璃/摻雜劑的組合轉(zhuǎn)化成可以用在各種光學(xué)或傳感應(yīng)用中的活性材料。溶膠-凝膠法允許制備透明且多孔的無機(jī)基質(zhì)并在它的孔隙中引入有機(jī)分子。該方法包含硅醇化物的水解和縮合反應(yīng)以產(chǎn)生3D、無定形、多孔的且穩(wěn)定的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)。有機(jī)改性的硅氧烷基質(zhì)，特別是具有大的有機(jī)改性劑的那些硅氧烷基質(zhì)是允許引入大量的有機(jī)分子的優(yōu)選材料。在本發(fā)明中，存在使用基于諸如TEOS或TMOS, GLYMO, PhTMOS, ICPTMOS, PEG TPOZ的各種醇化物的溶膠-凝膠復(fù)合雜化材料；涂層的重要組分是復(fù)合DURS(分別利用 ICPTM0S和PEG合成的)，賦予涂層彈性和柔性。TPOZ被用作膜折射率的改性劑和環(huán)氧聚合的有效催化劑?；|(zhì)中大的有機(jī)改性劑(PhTMOS前驅(qū)體中的苯基)被用來篩選孔表面的強(qiáng)極性硅烷醇基。發(fā)明簡要概述更具體地，本發(fā)明涉及摻雜發(fā)光染料的有機(jī)-無機(jī)、溶膠-凝膠復(fù)合涂層，其提供了高的效率和穩(wěn)定性且用于發(fā)光太陽能集中器。涂層是基于有機(jī)改性的硅氧烷(有機(jī)改性硅酸鹽)且通過溶膠-凝膠過程形成的光學(xué)透明的玻璃材料。溶膠-凝膠基質(zhì)包括復(fù)合雜化材料，例如二氨基甲酸酯-硅氧烷(DURS)(分別由異氰酸基-丙基-三甲氧基-硅烯 (ICPTM0S)和聚乙二醇(PEG)合成)，賦予涂層彈性和柔性。溶膠-凝膠涂層基于各種醇化物，例如四乙氧基-硅烷(TEOS)；四甲氧基-硅烷(TMOS)；縮水甘油基-丙氧基-三甲氧基-硅烷(GLYMO)；苯基-三甲氧基-硅烷(PhTMOS)；以及正四丙醇鋯(TPOZ)。諸如DFSB-K82-黃；DFSB-K-61-透藍(lán)；DFWB-K1-60-橙；若丹明 640 ；若丹明紅；以及若丹明B的熱穩(wěn)定且高效的發(fā)光染料被用在單摻雜的、雙摻雜的、三摻雜的或四摻雜的復(fù)合膜中，其在可見范圍吸收、考慮到太陽光譜、并且以較長的波長發(fā)射，從而減少自吸收。由于將發(fā)光染料和合成的銀納米顆粒并入到新的復(fù)合有機(jī)改性陶瓷基質(zhì)中，因而出現(xiàn)光發(fā)射的增強(qiáng)。由于表面等離子體共振，摻雜了尺寸在10-40nm范圍內(nèi)的球狀銀納米顆粒的復(fù)合膜提供發(fā)光的增強(qiáng)。本發(fā)明包括由溶膠-凝膠過程獲得的銀納米顆粒的新的晶體生長過程。利用硝酸銀和二甲基甲酰胺(DMF)，在雜化的復(fù)合有機(jī)改性硅酸鹽溶膠-凝膠溶液中原位還原銀納米顆粒。雜化的復(fù)合基質(zhì)包含二氨基甲酸酯封端的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)(di-urethane therminated silica network)，它充當(dāng)穩(wěn)定劑和耦聯(lián)劑。以這種方式，獲得各種尺寸和形狀的銀納米顆粒是可能的。由于等離子體共振在400-410nm的范圍內(nèi)發(fā)生，因此銀納米顆粒展示出強(qiáng)特征的消光峰。更具體地，本發(fā)明包括在溶膠-凝膠介質(zhì)中合成且并入復(fù)合膜中的銀納米顆粒。發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)提高了 LSC的效率。包含強(qiáng)吸收和高度熒光染料的膜涂層在其周邊周圍與一組光伏電池(PVC)接觸。被染料所吸收的光以熒光再輻射。由于LSC的表面的全內(nèi)反射，熒光從薄板(sheet)的薄邊緣出現(xiàn)且照到PVC。因此，玻璃板或塑料板充當(dāng)光陷阱和到PVC的2-D光導(dǎo)管。根據(jù)本發(fā)明的涂層具有與諸如玻璃(或塑料)的襯底的折射率相等的預(yù)定折射率和30-35mkm范圍內(nèi)的均勻的最大厚度。利用滴鑄法將涂層沉積在玻璃襯底上，在室溫下保持48小時(shí)，然后在30°C、優(yōu)選地50°C且最優(yōu)選地70°C下干燥M小時(shí)。LSC將所發(fā)射的熒光集中到沉積在薄板上的板(plate)的邊緣處的小區(qū)域，光伏電池可以連接到此區(qū)域。就到達(dá)板的表面的輻射能量與如下文中所描述的從LSC測量并計(jì)算的輸出能量相比的百分比而言，帶有超過70%的量子效率和投射的功率轉(zhuǎn)換效率的所記錄的發(fā)光太陽能集中器顯示高達(dá)12-23%的效率。用透明的環(huán)氧樹脂將具有板的表面的1/33的面積且具有17%的效率額定值的條狀硅電池粘貼到邊緣中的一個(gè)且暴露在太陽模擬器中。測量短路電流，然后乘以4(以說明是4個(gè)可利用的邊緣)。結(jié)果與覆蓋板的整個(gè)表面且具有所測量的17%的效率額定值的標(biāo)準(zhǔn)電池的結(jié)果相比較。結(jié)果顯示用單個(gè)LSC (包括混合染料和非堆疊的集中器)，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)12. 59%的效率且面積僅為標(biāo)準(zhǔn)電池面積的1/8，而基于相同的測量方法，用3堆疊的集中器，每一個(gè)吸收太陽光譜的不同部分，結(jié)果顯示23. 5%的效率。在參考文獻(xiàn)19中所討論的基于昂貴的GaAs和(ialnP的太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率的預(yù)測結(jié)果僅為6. 8%。相比之下，本文給出的基于用硅電池測量的功率轉(zhuǎn)換效率的結(jié)果超過23. 5%0發(fā)明陳述本發(fā)明提供一種呈現(xiàn)出高效率和持久熒光特性的發(fā)光太陽能集中器(LSC)，該發(fā)光太陽能集中器包括至少一塊具有兩個(gè)主表面和多個(gè)邊緣的板，多個(gè)邊緣具有連接到其上的太陽能電池，所述板包括選自由玻璃和塑料組成的組的襯底且設(shè)置有沉積在其至少一個(gè)主表面上的基于復(fù)合的無機(jī)-有機(jī)、溶膠-凝膠的膜，其中所述膜摻雜有至少一種發(fā)光染料且所述集中器包括至少三種基本上不同吸收范圍的發(fā)光染料，且其中所述膜具有至少 IOym的厚度。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述溶膠-凝膠膜具有至少20 μ m的厚度且在本發(fā)明的大多數(shù)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述溶膠-凝膠膜具有約30 μ m-50 μ m之間的厚度。優(yōu)選地，所述LSC包括至少一種膜，該膜摻雜有發(fā)光染料和尺寸在8nm-60nm范圍內(nèi)的球狀銀納米顆粒，用于增加由所述染料所提供的發(fā)光強(qiáng)度。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述LSC包括至少一塊所界定的板，所述板設(shè)置有沉積在其兩個(gè)主表面上的基于復(fù)合的無機(jī)-有機(jī)、溶膠-凝膠的摻雜熒光染料的膜。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述LSC還包括沉積為其上層的多孔的防反射涂層，用來將太陽光的反射率從8%減小到小于1 %。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式中，所述LSC包括至少一塊所界定的板，所述板設(shè)置有沉積在其至少一個(gè)主表面上的基于復(fù)合的無機(jī)-有機(jī)、溶膠-凝膠的膜，其中所述膜摻雜有至少兩種熒光染料。優(yōu)選地，所述LSC還包括鄰近其下側(cè)設(shè)置的漫反射器，以將未吸收的光反射回，漫反射器將在LSC中遭受額外的暴露。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述LSC設(shè)置有多種發(fā)光染料，這些發(fā)光染料吸收 350nm到600nm之間的范圍內(nèi)的太陽光譜的能量。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述至少一種發(fā)光染料以單分子分散在甘油基丙氧基三甲氧基硅烷苯基二氧化硅-聚氨酯(glymophenylsilica-polyurethane)基質(zhì)膜中。如上所述，本發(fā)明的優(yōu)選LSC是基于至少三種發(fā)光染料的組合。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式中，多種不同的發(fā)光染料以單分子分散在相同的甘油基丙氧基三甲氧基硅烷苯基二氧化硅-聚氨酯基質(zhì)膜中而且適用于襯底玻璃或聚合物板。在本發(fā)明的其它優(yōu)選實(shí)施方式中，形成了至少三個(gè)單獨(dú)的板的堆疊，它們中的每
個(gè)具有以單分子分散在甘油基丙氧基三甲氧基硅烷苯基二氧化硅-聚氨酯基質(zhì)膜中的單
5種或多種不同的發(fā)光染料，每個(gè)摻雜染料的膜各自適用于所述堆疊的組成的襯底玻璃或聚合物板。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，存在于每個(gè)基質(zhì)膜中的染料的量在0. lg/m2到0. 2g/ m2之間。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，存在于每個(gè)基質(zhì)膜中的染料的量在0. 13g/m2 到0. 17g/m2之間。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述漫反射器是鄰近所述LSC的下側(cè)設(shè)置的大體上地白反射器(white reflector)。LSC的主要優(yōu)點(diǎn)是■光的高度集中而無需跟蹤?！雎涔獾母呤占?。如果入射輻射以小于角度Φ到達(dá)板上而被“錯(cuò)誤指向”， 設(shè)陷流量(trapped flux)僅乘以(sinO)，其對于Φ = 80°仍是0. 9848而對于Φ = 70° 是0. 9397，這表示典型的錯(cuò)誤指向值?！鲆騆SC板與空氣接觸的大的面積而產(chǎn)生的良好散熱，防止轉(zhuǎn)換器設(shè)備的不必要的加熱，其加熱對硅電池產(chǎn)生有害作用是已知的?！霭l(fā)光物質(zhì)的選擇允許優(yōu)化所集中的光達(dá)到光轉(zhuǎn)換設(shè)備的最大光譜靈敏度(這可以進(jìn)行除了光伏電池的反應(yīng)之外的光化學(xué)反應(yīng)，例如，光合作用過程)。■使暴露于白光的太陽能電池的相對低的效率可以通過利用LSC作為分束器被避免并將它們耦合到具有在不同光譜范圍內(nèi)的最佳靈敏度的光伏電池，并因此以更有效的方式使用太陽光譜。定量考慮LSC的總效率由以下物理損耗因素控制臨界錐損耗對應(yīng)于穿過球殼(具有在中心處的熒光種類的微分體積4 π r2dr)的各向同性發(fā)光的分?jǐn)?shù)(fractiorOcos θ。，這通過被發(fā)射到臨界錐的外部經(jīng)歷連續(xù)的全反射 (見圖2)。因此，
權(quán)利要求
1.一種展示出高效率和持久熒光性質(zhì)的發(fā)光太陽能集中器LSC，包括至少一塊具有兩個(gè)主表面和多個(gè)邊緣的板，所述多個(gè)邊緣具有附在其上的太陽能電池，所述板包括選自由玻璃和塑料組成的組的襯底且設(shè)置有沉積在其至少一個(gè)主表面上的基于復(fù)合的無機(jī)-有機(jī)、溶膠-凝膠的基質(zhì)膜，其中所述膜摻雜有至少一種發(fā)光染料以及所述集中器包括至少三種實(shí)質(zhì)上不同吸收范圍的發(fā)光染料，并且其中所述膜具有至少 ο μ m的厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的LSC，包括至少一個(gè)膜，所述膜摻雜有發(fā)光染料和尺寸在 8nm-60nm范圍內(nèi)的球狀銀納米顆粒，以便增加由所述染料提供的發(fā)光強(qiáng)度。
3.如權(quán)利要求1所述的LSC，包括至少一塊所界定的板，所述板設(shè)置有沉積在其兩個(gè)主表面上的基于復(fù)合的無機(jī)-有機(jī)、溶膠-凝膠的摻雜熒光染料的膜。
4.如權(quán)利要求1所述的LSC，包括至少一塊所界定的板，所述板設(shè)置有沉積在其至少一個(gè)主表面上的基于復(fù)合的無機(jī)-有機(jī)、溶膠-凝膠的膜，其中所述膜摻雜有至少兩種熒光染料。
5.如權(quán)利要求1所述的LSC，還包括漫反射器，所述漫反射器被安置在鄰近所述LSC的下側(cè)。
6.如權(quán)利要求1所述的LSC，還包括大體上地白反射器，其被安置在鄰近所述LSC的下側(cè)。
7.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中所述至少一種發(fā)光染料吸收太陽光譜并且以較長波長發(fā)射，來減少自吸收。
8.如權(quán)利要求2所述的LSC，其中所述球狀銀納米顆粒NP是通過利用硝酸銀和二甲基甲酰胺DMF，在形成基質(zhì)的雜化的復(fù)合有機(jī)改性硅酸鹽溶膠-凝膠溶液中原位還原銀納米顆粒來產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求8所述的LSC，其中所述形成的基質(zhì)包括充當(dāng)穩(wěn)定劑和耦聯(lián)劑的二氨基甲酸酯封端的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)。
10.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中所述溶膠-凝膠膜具有與所述襯底的折射率實(shí)質(zhì)上相同的折射率。
11.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中所述LSC還包括沉積為其上層的多孔的防反射涂層，以便將太陽光的反射率從8%減小到小于1%。
12.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中所述溶膠-凝膠膜具有至少20μ m的厚度。
13.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中所述溶膠-凝膠膜具有至少30μ m的厚度。
14.如權(quán)利要求1所述的LSC，其設(shè)置有多種發(fā)光染料，所述多種發(fā)光染料吸收350nm 到600nm之間的范圍內(nèi)的太陽光譜的能量。
15.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中所述至少一種發(fā)光染料以單分子分散在甘油基丙氧基三甲氧基硅烷苯基二氧化硅-聚氨酯基質(zhì)膜中。
16.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中存在于基質(zhì)膜中的染料的量在0.lg/m2到0. 2g/m2 之間。
17.如權(quán)利要求1所述的LSC，其中存在于基質(zhì)膜中的染料的量在0.13g/m2到0. 17g/ m2之間。
全文摘要
本發(fā)明提供展示出高效率和持久熒光性質(zhì)的發(fā)光太陽能集中器(LSC)，包括至少一塊具有兩個(gè)主表面和多個(gè)邊緣的板，多個(gè)邊緣具有附在其上的太陽能電池，該板包括選自由玻璃和塑料組成的組的襯底且設(shè)置有沉積在其至少一個(gè)主表面上的基于復(fù)合的無機(jī)-有機(jī)、溶膠-凝膠的基質(zhì)膜，其中膜摻雜有至少一種發(fā)光染料，且集中器包括至少三種實(shí)質(zhì)上不同吸收范圍的發(fā)光染料，且其中膜具有至少10μm的厚度。
文檔編號(hào)H01L31/052GK102239570SQ200980142531
公開日2011年11月9日 申請日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日
發(fā)明者埃坦·什姆埃利, 維多利亞·列夫琴科, 萊娜特·雷斯費(fèi)爾德, 阿姆農(nóng)·列伊科維奇, 齊阿拉·薩萊戴羅夫 申請人:綠太陽能源有限公司