CN101861655A - 利用波导方式传输在散射介质中产生的光照的方法与装置 - Google Patents

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CN101861655A CN200880020878.4A CN200880020878A CN101861655A CN 101861655 A CN101861655 A CN 101861655A CN 200880020878 A CN200880020878 A CN 200880020878A CN 101861655 A CN101861655 A CN 101861655A
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Abstract

本发明提供了一种发光波导装置及其制造方法，用于将太阳能转化为电能。特别地，本发明涉及提取及波导在散射介质中产生的发光，以提高光线聚集性能，通过堆叠具有折射系数稍小于发光基板的折射系数而依然大于空气的折射系数的一个或一对透明板，经散布于发光基板中的发光颗粒所重新发射的光线的很大一部分可被提取出，从令因颗粒散射的不良效果减小。另外，通过利用另一附加的高效率的折射光学元件以改变被重新发射的并具有落入逃逸锥体角度的光线的方向，令其具有较大的角度，以令这些本应散射出的光子通过全内反射波导，这些改进可减小临界角损失及增加波导管一端输出光线的强度。

Description

利用波导方式传输在散射介质中产生的光照的方法与装置
【技术领域】
本发明的实施例涉及光波导技术领域，其中光波导技术是指光学限制由发光基板产生的光照光子并引导光的传播而没有明显的光学损失。本发明涉及光波导装置及制造所述光波导装置的方法，此方法可用于将太阳能转化为电能。
本专利申请主张在2007年6月18日申请的美国临时专利申请60/934,872号的优先权。
【背景技术】
从转换效率及成本效益方面来看，太阳能电池对于利用光伏技术产生太阳能电能是非常重要的。目前太阳能电池的成本占到整个系统成本的大约50％。降低此成本的方法主要集中在二个方向：第一个方向是采用新的制造方法或大规模生产以降低太阳能电池的成本，第二个方向是通过将尽可能多的太阳光聚集在小面积、高效率的电池上，如此以减少昂贵的太阳能电池的使用量。
传统的利用透镜及抛物线镜面的方法被广泛利用以聚集太阳光。然而，利用几何光学元件的聚光器只在直射的太阳光下工作，因此需要跟踪太阳及良好的散热。而这些缺点可通过利用发光聚光器(luminescentconcentrator，LC)克服，该发光聚光器基本由一组嵌有发光物质颗粒的透明板组成。这些透明板吸收入射的具有宽光谱范围的太阳光，而后在各个方向上等方向性地重新发出具有窄光谱范围的光线。这些具有高折射系数的透明板作为光导收集器收集大部分的上述的重新发出的光线，其中这些光线以大于由司乃耳定律(Snell’s law)确定的用于全部内反射的临界角的入射角撞击到透明板的表面，如此确保上述捕获的光线通过内反射从一点传输至另外一点而至到透明板的边缘，其下方并位于太阳能电池内的(参见J.Javetski，电子学(Electronics)，52，105(1979)；H.J.Hovel et al.，太阳能材料(SolarEnergy Materials)，2，19(1979)；美国专利.4,227,939，发明人为A.H.Zewail等)。
将发光聚光器用于太阳能转换的概念是在20世纪70年代引入的。在这些聚光器的早期的形式中，是在透明的玻璃或塑料基材中散渗有有机物染料分子，其中该基板的折射系数大于空气的折射系数，而该有机物染料分子用以吸收入射的太阳光内的短波长的光子，之后再以较长的波长(即为降频转换)重新发射这些光子，而太阳能电池在量子效率上而言具有较好的光谱响应，如此达到较高的能量转换效率。之后，此种思想扩张到应用无机物半导体量子点(参考美国专利.64763120，发明人为K.W.J.Barnham，及其所列的参考文件)或纳米结构混合材料(参考美国专利申请公开号US2004/0095658，发明人为M.Buretea等)作为发光物质。与其他类型的太阳能聚光器相比较，发光聚光器具有以下优点：(I)因发光材料可以吸收任何角度的入射光，因此不需跟踪太阳的运动；(II)因为短波长的光子的多余的能量产生的热量在通过此聚光器的整个面积进行发散，因此边缘安装的太阳能电池产生的热量很低；(III)此聚光器可在直射的或漫射的太阳光的条件下均可使用；(IV)在确定的厚度下可以易于通过增加聚光器的面积而增大聚光系数。
对于发光聚光器，一部分重新发射的光子会落入如图1所示的逃逸锥体中，并从透明基板逃逸出，此逃逸出的光子的部分取决于收集器的反射系数(n1)及外围物质的反射系数(n0)，并通过如下公式一确定：
f = 1 - ( n 1 2 - n 0 2 ) 1 / 2 n 1 公式一
这些从收集器发射到外部介质的光线的入射角小于全部内反射的临界角。对于处于空气中并且通常折射系数n＝1.5的玻璃透明板而言，损失的部分大约占25％(临界角为41.8度)。
在实践中，有多种原因致使发光聚光器未能达到所期望的高效率。在使用有机染料的情形下，因为此染料的吸收光谱与发射光谱非常接近，并且吸收光谱未能涵盖足够的有用的太阳光谱，因此需以级联的方式(亦即第二种染料吸收第一种染料的发射光，如此类推)使用多种染料以将大部分有用的太阳能量光谱转化为低能量光谱。在上述级联的每一级中均有部分能量的损失，如此多级的级联中会很快损失大部分的能量。在无机物涂覆玻璃的情形下，为保持该涂覆玻璃的透明性，即保持单一相位的材料，只能添加非常少量的发光掺杂剂，从而导致很低的量子效率。如果加入大量的发光掺杂剂，则产生的材料包括二种相位(一种为玻璃，一种为加入的发光材料)，此二种相位的材料是不透明的并会散射被重新发射的光线。
【发明内容】
本发明的实施例涉及提取及波导一种介质内产生的发光，用以提高发光聚光器的性能。通过在发光板顶部设置高效率传输折射的光学元件与/或玻璃板，以改变被重新发射的光子的方向，其中这些相对法线的夹角落入逃逸区域的被重新发射的光子被改变为具有较大的角度，如此这些本应外射的光子能够通过全内部反射而在玻璃板内波导至侧边缘，如此减少临界角损失并增加边缘输出光线的强度。
【附图说明】
图1是光子逃逸锥面(escape cone)的示意图，其中这些光子是由嵌入透明基板的发光颗粒发出，此透明基板的折射系数为n1，而外围介质的折射系数为n2，其中n1＞n2，并且这些从基板向外部介质传输的光子相对法线的入射角小于全部内反射的临界角(θc)。
图2为一较佳的发光光谱的示意图。
图3为一种具有多相发光基板的组成示意图。
图4为一种对称设置的发光波导管的示意图，其中此波导管在玻璃板(该玻璃板安装在邻近发光板位置以作为折射元件，并且玻璃板邻近空气)上设有折射光学元件，该折射光学元件直接安装在发光板上方以捕获从发光基板顶部逃逸出的具有逃逸锥角的光线。
图5是将一玻璃板放置于发光基板上以减少发光基板的逃逸锥角度的示意图，其中玻璃板的折系数大于发光基板的折射系数。
图6为一种具有折射光学元件(transmission VGB，传输VGB)及安装了盖板玻璃的对称构造的波导管示意图。
图7为将嵌于发光基板的发光颗粒发射的光子限制在装置中并将光线引导至波导管边缘的对称波导管的示意图。
图8为一种具有折射光学元件(传输VGB)及安装了盖板玻璃的非对称配置的波导管的示意图。
图9为将嵌于发光基板的发光颗粒发射的光子限制在装置中并将光线引导至波导管边缘的非对称波导管的示意图。
【实施方式】
前述的背景技术及发明内容及随后的图式简要说明如结合附图研读将得以更好的理解。在附图示中所表示的较佳的实施方式只是用以解释本发明，但应理解本发明并非局限于附图所表示的结构及排配。在所有的图示中，相同的元件标号指示相同的元件。其中表示“顶部”及“底部”的用语是用以区别不同的表面或端盖。此述的用语并非表明该装置必须以“顶部”表面或端盖位于“底部”表面或端盖之上的方向设置，无论如何变换均应在本发明的保护范围之内。
为克服上述缺陷，本发明提出另外一种的发光板设计。首先，可使用将吸收光谱与发射光谱有效分隔的高效无机发光物质，并且该发光物质的吸收光谱(absorption spectrum)应覆盖大部分的有用的太阳光谱，并且它的发射光谱(emission spectrum)位于光伏半导体电池的吸收边界的上界及附件，并在具有相对较高效率的区域并与吸收光谱相区隔(如图2所示)。如果使用多个发光物质以扩宽吸收光谱，它们的发射光谱最好相同或接近，并且与任一吸收光谱无重叠部分。
为确保发光板的效率，可采用一种多相的方法。高浓度的一种或多种发光物质可被混合或有序分散于非吸收(在相关的吸收与发射光谱内)的聚合物，塑料材料或其他材料的基体中。这种多相的发光基板在图3中有描述。发光基板24包括一基体74，该基体74的折射系数为nia，而散布于基体74内的发光颗粒72的折射系数为nib，该发光基板24具有整体的平均折射系数为n1。
这种两相或多相的介质为散射介质，对照射于其上的光线的散射取决于此内嵌的介质的尺寸/形状/组成及方位。在该介质内产生的光线在途中经过大量的散射而达到基板的末端或边缘。由一种特定的颗粒产生照明，并且此部分的照明通过全部内反射而光学局限于基板中，并且此部分的照明在板中向边缘传播过程中会被另一种颗粒散射。对于经过N次的散射过程，内部捕获的光线成为[1-f]N，如此，大部分的光线将从位于逃逸锥内的顶部表面逃逸出，而只有少部分的光线在内部被捕获并被引导至边缘末端。发光聚光器的性能因多次散射过程而被严重消弱，而其中的散射过程阻止光线传输至边缘。由于这些原因，找到解决多次散射影响的方法显得非常重要。
首先，如果令基体物质的折射系数与发光颗粒的折射系数非常匹配则可显著地减少散射效果。这里，选择折射系数(n1b与n1a)大约相同的发光物质(发光颗粒)与基体，或差别在20％之内，最好在10％之内，更好是在1％之内。折射系数匹配的越接近，则散射效果越低。较佳地，尽可能地消除散射效果以保证光线有效传输至基板边缘，因此最好是令n1b＝n1a，而该基板，其中基体物质的折射系数与发光颗粒的折射系数大致相同，而呈透明状，从而可单独用于发光聚光器，或与以下揭示的多层装置或结构结合使用。
再者，如果基体与发光物质的折射系数不匹配，则基板呈模糊或非透明，大部分的光线将从位于逃逸锥内的顶部表面逃逸出。以下所揭示的波导装置或结构将用以有效在改变并引导该光线至波导管的边缘末端。这些波导装置或结构用以尽可能地将重新发射的光线内反射并引导这些重新发射的光线至波导管的边缘的末端。
请参阅图5所示，在本发明的一个实施例中，如果发光基板(luminescentsubstrate)24具有很低的整体平均折射系数n1，如此导致一个相当大角度的逃逸锥，发光基板24的顶部及/或底部表面将被高透明的盖板(plates)26覆盖。该盖板26可由高透明度的玻璃制成，其折射系数n2大于发光基板物质的折射系数n1，如此减小顶部表面光线的逃逸角。在此种配置中，从发光基板24的顶部表面逃逸的部分光子通过内反射而被盖板26收集并被自由传输至边缘末端并且不被散射。具有相对法线的入射角角度小于全内反射的临界角的光子根据司乃耳定律是由基片及盖板的折射系数确定，其中公式二如下：
θ c 1 = sin - 1 ( n 1 / n 2 ) 公式二
并且部分光子进入盖板26。如果发生多重散射，大部分的光线将从此锥形角内逃逸出。如图5所示，一束相对表面的入射角小于θc 1的光线会从发光基板24逃逸至顶部盖板26。在允许进入盖板26的所有光子中，一部分光子将从上表面逃逸出，因为此部分光子落入在盖板26与空气之间界面形成全部内反射的临界角θc 2所决定的逃逸锥内。其他部分的光子将被光学限制在装置结构中。如图5所示，发光光线22由于其入射角大于θc 2，所以其传输是在板内波导。
在部分的实施例中，折射的光学元件可被安装在盖板26的顶部及/或底部表面，如图6所示，或直接安装在发光板上(假若发光板的逃逸锥角不是太大)，并且进一步可再覆盖一层玻璃板(Glass sheet)32以引导光波，支撑光学反射层及UV保护层，如图4所示。折射光学元件34设计为用来特别改变那部分逃逸光子的传输方向以变为符合在玻璃盖板与空气之间的界面形成全内反射所要求一系列角度。这部分光学装置的功能用以捕获从顶部表面逃逸出的光线并改变方向后到玻璃盖板的末端边缘。这种配置及效果对于形成发光聚光器的透明或非透时，有机或无机，单相或多相的发光基板均可实现。
折射光学元件34较佳地可为一传输折射光栅，此传输折射光栅是许多反射元件的组合，这些反射元件之间的间隔距离与感兴趣的波长(光栅常数)相当。这些反射元件可为透明材料并且此材料的厚度具有周期性的变化(表面起伏)或者在一维方向形成的折射系数周期性变化的平面薄膜。当光栅的厚度明显超过记录于光栅上的基频的条纹间隔，此光栅在布拉格折射状态工作，从而也可称为体布拉格光栅(volume Bragg grating，VGB)。其介质凸出的厚度用以抑制(或滤除)除在重组中的第一衍射阶次的其他部分，如此效率可达到很高。体布拉格光栅可以采用二个具有单位振幅并具有共同波长的平面波入射在光敏介质形成了相对平面法线的夹角的全息术方式制造。在光敏元件的同样一边入射的安排记录传输全息图，而该介质相对面的入射形成反射全息图。因为布拉格光栅的入射角及折射角，中央波长，波谱及角度宽度均可以通过变化光栅的厚度，折射系数调制周期及光栅的向量方向而得以适当选择出，因此光栅可视为非常有用的角度及光谱选择器。另外，因折射量的物理性质所天然具有的布拉格光栅的选择性能可被更进一步应用于多路传输一系列存储于同一物理体积上的全息图，之后从不同角度独立地入射光的折射，如此极大增强了体布拉格光栅的整体效能，从而接收在给定的光谱范围内较宽角度范围内的入射光，并将他们散射至相同的位置。
传输的VGB可制为记录多个全息图，此全息图是在该光栅的同一物理体积内按角度多路传输，并且能够整合于光谱频宽与发光颗粒重新发射的光线相匹配的发光波导管中。
请参阅图6与图7所示，实施本发明的发光波导管包括一发光基板24，该发光基板24具有平均折射系数n1；一对具有折射系数n2的盖板26，该盖板26覆盖于发光基板24的顶部及底部表面；一传输体布拉格光栅34，设置于每一盖板26的上方，并且在该体布拉格光栅上方各自覆盖有一层玻璃板32。该体布拉格光栅(或称为折射光学元件)34的折射系数与玻璃板32的折射系数n3相匹配。
发光颗粒通过光激发后重新发射的，入射角大于临界角并且是根据公式二由n1及n2确定光子10将在发光基板24内通过全部内反射而沿方向A与方向B被“管道传送”。而小于临界角的被重新发射的光子20则进入覆盖发光基板24的顶部与底部盖板26，此光子20的一部分将在盖板26与体布拉格光栅(或称为折射光学元件)34的界面处沿方向A与方向B被全部内反射，而其余落入由n2和n3确定的逃逸锥内的光子则离开透明板并碰撞至角位多向传输的体布拉格光栅34上，该体布拉格光栅34将这些光子40的方向改变，以令这些光子相对表面的入射角大于全内反射所需要的角度。如此，这些本该损失的光子则被光学限制在玻璃板内。在此方案中，如果采用多相位的发光基板，由于发光基板母体与发光颗粒的折射系数不匹配而产生的损失将被减小。通过此种方式，几乎所有的被嵌于发光基板24中的发光颗粒重新发射的光子均被沿方向A与方向B波导至边缘。
在另外一实施例中，如图4所示，该折射光学元件34及保护玻璃板32可以替代盖板26。在此实施例中，发光基板24的顶部及底部表面覆盖有一折射光学元件34，而此折射光学元件34进一步被一玻璃板32覆盖以提供保护。发光基板24的折射系数为n1，玻璃板32的折射系数为n3。较佳地，n1小于n3。这样，当从发光基板24重新发出并落入由n1与n3所确定的逃逸锥的光子将从发光基板24逃逸出并碰撞到折射光学元件34上，而此折射光学元件34改变这些光子相对平面法线的夹角，令此夹角大于全反射所需要的角度，如此这些被改变方向的光子被采用光学方式限制在玻璃板32内。
在另一实施例中，可采用一种非对称配置的发光波导管。请参阅图8所示，可采用一镜面镀层(mirror coating)42代替上述的对称发光波导管的底部。此镜面镀层42将发光基板产生的光线的底端部分向光波管的顶端反射。所有被反射的光子以光学方式限制在波导管内并管道传输至末端边缘(沿方向A与方向B)。通过此种方式，此装置的结构可比上面所述的对称结构更加紧凑。特别注意的是，由于传输体布拉格光栅的角度选择性，此种非对称的设置将导致在末端边缘不均匀的照明，此种情形在一些波导管的应用，如太阳能集热器，是不太理想的。
而减小此非对称结构所产生的不理想的效果的方法是通过在波导管光线较少的一端(如与方向B相对的末端)涂覆镜面镀层，从而令被重新发射的光子而只被波导到波导管的一个末端(例如只沿方向A)，如图9所示。在此种设计中，沿方向B传输的光子被镜面镀层反射至相对的一端(与方向A相对的末端)，如此导致大部分的光线沿一个方向波导(即本例中的方向A)。
尽管非对称装置的结构已在图8与图9揭示，但作为一种应用的结构包括发光基板24，盖板26，折射光学元件34及盖板32，并且在一个或多个表面上设置镜面镀层也可应用于此处所揭示的其他结构上。
在此处揭示的多层装置或构造可在透明或非透明，有机物(包括有机染料)或无机物(包括无机物发光颗粒)，单相或多相发光基板上实施以形成高效的发光聚光器。
尽管以上描述了本发明的实施方式或较佳的实施方式，但对于所属技术领域的人员而言，很显然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，依可以产生上述实施方式的许多变型和变化。

Claims (47)

1.一种波导管，包括：
a.一发光基板，具有平均折射系数n1；
b.一透明板，覆盖于发光基板一表面，此透明板的折射系数为n2，其中n2比n1大，并且也比空气的折射系数大。
2.如权利要求1所述的波导管，进一步包括：
a.一折射光学元件，覆盖在透明板的一表面；
b.一透明盖板，覆盖于折射光学元件的一表面，该折射光学元件及透明盖板的折射系数为n3。
3.如权利要求2所述的波导管，发光基板另一表面设有一镜面镀层。
4.如权利要求2所述的波导管，该折射发光元件为体布拉格光栅。
5.如权利要求2所述的波导管，该透明盖板为玻璃。
6.如权利要求2所述的波导管，进一步包括：
a.第二透明板，覆盖在发光基板的第二表面，第二透明板的折射系数为n2；
b.第二光学折射元件，覆盖在第二透明板的一表面上；
c.第二透明盖板，覆盖在第二光学折射元件的一表面，第二光学折射元件及第二透明盖板的折射系数为n3。
7.如权利要求1所述的波导管，发光基板的另一表面涂有镜面镀层。
8.如权利要求1所述的波导管，进一步包括第二透明板，该第二透明板覆盖在发光基板的第二表面，第二透明板的折射系数为n2。
9.如权利要求1所述的波导管，其中发光基板为一多相或单相基板。
10.如权利要求1所述的波导管，其中发光基板包括一基体，该基体的折射系数为n1a，而散布于基体中的发光颗粒的折射系数也为n1a。
11.如权利要求10所述的波导管，其中基体为聚合物。
12.如权利要求10所述的波导管，其中发光颗粒为无机物或有机物。
13.一种制造波导管的方法，包括如下步骤：
a.提供一折射系数为n1的发光基板；
b.在发光基板一表面覆盖一透明板，该透明板的折射系数为n2，其中n2比n1大。
14.如权利要求13所述的制造波导管的方法，其中进一步包括如下步骤：
a.在透明板一表面覆盖一折射光学元件；
b.在该折射光学元件表面覆盖一透明盖板，该折射光学元件及透明盖板的折射系数为n3。
15.如权利要求14所述的制造波导管的方法，进一步包括在发光基板另一表面涂覆有将光线反射回发光基片的镜面。
16.如权利要求14所述的制造波导管的方法，进一步包括如下步骤：
a.在发光基板的第二表面覆盖第二透明板，第二透明板的折射系数为n2；
b.在第二透明板表面覆盖第二折射光学元件；
c.在第二折射光学元件的第二表面覆盖第二透明板，第二折射光学元件及第二透明板的折射系数为n3。
17.如权利要求14所述的制造波导管的方法，其中该折射光学元件为体布拉格光栅。
18.如权利要求13所述的制造波导管的方法，进一步包括在发光基板另一表面涂覆有将光线反射回发光基片的镜面。
19.如权利要求13所述的制造波导管的方法，其中发光基板为一多相或单相基板。
20.如权利要求13所述的制造波导管的方法，其中发光基板包括一基体，该基体的折射系数为n1a，而散布于基体中的发光颗粒的折射系数也为n1a。
21.如权利要求20所述的制造波导管的方法，其中基体为聚合物。
22.如权利要求20所述的制造波导管的方法，其中发光颗粒为无机物或有机物。
23.一种多相发光基板，包括：
a.一透明基体，其折射系数为n1a；
b.散布在透明基体中的发光颗粒，此发光颗粒的折射系数为n1b，其中n1a与n1b大致相等。
24.如权利要求23所述的多相发光基板，其中基体为聚合物。
25.如权利要求23所述的多相发光基板，其中发光颗粒为无机物或有机物。
26.一种制造多相发光基板的方法，包括如下步骤：
a.提供一折射系数为n1a的透明基体；
b.提供一折射系数为n1b的发光颗粒，其中n1a与n1b大致相等；
c.将发光颗粒散设于透明基体中。
27.如权利要求26所述的制造多相发光基板的方法，其中基体为聚合物。
28.如权利要求26所述的制造多相发光基板的方法，其中发光颗粒为无机物。
29.一种波导管，包括：
a.一具有平均折射系数n1的发光基板；
b.一折射光学元件，覆盖在发光基板的表面；
c.一透明盖板，覆盖在折射光学元件的表面，该折射光学元件及透明盖板的折射系数为n3。
30.如权利要求29所述的波导管，其中该折射光学元件为体布拉格光栅。
31.如权利要求29所述的波导管，其中透明盖板为玻璃。
32.如权利要求29所述的波导管，其中该波导管进一步包括设在发光基板另一表面的镜面镀层。
33.如权利要求29所述的波导管，进一步包括：
a.覆盖在发光基板另一表面的第二折射光学元件；
b.第二透明盖板，覆盖在第二折射光学元件的表面上，第二折射光学元件及第二透明板的折射系数为n3。
34.如权利要求29所述的波导管，其中发光基板为一多相或单相基板。
35.如权利要求29所述的波导管，其中发光基板包括一基体，该基体的折射系数为n1a，而散布于基体中的发光颗粒的折射系数也为n1a。
36.如权利要求10所述的波导管，其中基体为聚合物。
37.如权利要求10所述的波导管，其中发光颗粒为无机物或有机物。
38.一种制造波导管的方法，包括如下步骤：
a.提供一折射系数为n1的发光基板；
b.在发光基板表面覆盖一折射光学元件；
c.在折射光学元件表面覆盖一透明盖板，该折射光学元件与透明盖板的折射系数为n3。
39.如权利要求38所述的制造波导管的方法，该折射光学元件为体布拉格光栅。
40.如权利要求38所述的制造波导管的方法，该透明盖板为玻璃。
41.如权利要求38所述的制造波导管的方法，该波导管进一步包括在发光基板另一表面设置的玻璃涂层。
42.如权利要求38所述的制造波导管的方法，进一步包括如下步骤：
a.在发光基板另一表面覆盖第二折射光学元件；
b.在第二光学折射元件表面覆盖第二透明盖板，第二折射光学元件与第二透明盖板的折射系数为n3。
43.如权利要求38所述的制造波导管的方法，其中发光基板为一多相或单相基板。
44.如权利要求38所述的制造波导管的方法，其中发光基板包括一基体，该基体的折射系数为n1a，而散布于基体中的发光颗粒的折射系数也为n1a。
45.如权利要求44所述的制造波导管的方法，其中基体为聚合物。
46.如权利要求44所述的制造波导管的方法，其中发光颗粒为无机物或有机物。
47.一种将光子局限在波导管内的方法，包括如下步骤：
a.提供权利要求1所述的波导管；
b.激发发光颗粒。
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