CN102216816B - 用于适应性波长转换的设备和太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
描述一种用于适应性波长转换的设备和一种用于能量转换的设备。用于适应性波长转换的设备包括至少一个层，其包括波长转换材料并且被布置为接收并重发射光束。该设备还被布置为操纵所述至少一个层以：在封闭状态中操作，其中所述至少一个层的表面基本覆盖有波长转换材料；并且在开放状态中操作，其中所述至少一个层的表面基本未覆盖波长转换材料。用于适应性波长转换的设备可以结合太阳能电池或光伏电池应用，从而使得太阳能电池能够在变化的照明条件下接收具有适当光谱的辐射。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池领域，更具体地涉及波长转换材料用于改进光伏电池性能的用途。
背景技术
目前，光伏电池（也被称为太阳能电池）被广泛地应用以吸收入射的电磁辐射（例如太阳辐射）并将其转换为电能。当前存在不同类型的光伏电池设计，其可以包括各种光（一般地为辐射）吸收材料，比如硅（单晶的、多晶的或非晶的）、GaAs、聚合物、CdTe…等等，每种上述材料具有唯一的吸收特性。当前，世界上大多数光伏模块或电池包括单晶硅或多晶硅。
为了操作，光伏电池需要一定能量的光子来分离电子空穴对。对于硅基电池，所需的能量相当于近IR（红外）辐射。因此，具有比所需少的能量的光子（即吸收光谱之外）由于未被吸收而浪费。具有比所需多的能量的光子可以将超出部分消耗为热。结果，入射辐射的相当大的一部分不能用于生成电能。可以进一步明确的是，光伏电池中产生的热量可以进一步使该电池的性能恶化。
已经设计了将入射辐射光谱的较大部分转换为电能的不同方案。
作为实例，已经提出应用具有多个带有不同所需能量的电池的光伏阵列，以便高效地捕获更多的太阳光谱。对于这种方案，可以参考例如WO2008/024201。WO2008/024201公开了光谱分裂装置用于将入射光分裂为多个光束的用途，每个光束具有不同的标称光谱带宽。通过响应于不同的标称光谱带宽对多个太阳能电池的适当的空间布置，可以产生入射光的改进的用途。如WO2008/024201中公开的布置进一步描述了光学集中器用于增加到太阳能电池的入射光的量的用途。所示出的该布置的缺点在于，它需要不同类型的太阳能电池和光谱分裂装置，每种太阳能电池响应于不同的光谱带宽，使得该布置相当昂贵。
在US2007/0277869中也描述了相似的太阳能电池布置，其应用具有不同带隙的太阳能电池和能够将入射光的波长引导到针对那些波长最合适的电池的色散（dispersive）光学元件。
为了将入射辐射光谱的较大部分转换为电能，也已经提出用光转换材料涂覆光伏电池，该光转换材料将入射光谱的不可用部分转换为所需的能量。对于这种布置，可以例如参考EP1865562。这种方案的缺点在于，它提供了永久转换并且不适于适应（accommodate）太阳能电池的操作条件变化。这样的变化的操作条件可以在太阳能电池应用于向移动设备供电时发生。在这种应用中，入射光的辐射光谱可以依赖于使用该设备的位置（例如室内或室外）而变化。
可以进一步注意，US2007/0277869或WO2008/024201中所提出的布置均不适于适应变化的操作条件。
发明内容
所期望的是，提供一种促进太阳能电池或光伏电池在变化的条件下高效应用的设备。在本发明内，太阳能电池或光伏电池用于指可以吸收入射的电磁辐射（例如太阳辐射）并将其转换为电能的设备。
为了实现这一点，在本发明的第一方面，提供一种用于适应性波长转换的设备，该设备包括至少一个层，该层包括波长转换材料并被布置为接收并重发射光束，其中该设备被布置为操纵所述至少一个层以：在封闭状态中操作，其中所述至少一个层的表面用波长转换材料基本覆盖，以及在开放状态中操作，其中所述至少一个层的表面基本未用波长转换材料覆盖。根据本发明，光或光束被认为包含可见光谱内的电磁辐射和可见光谱外的电磁辐射。
根据本发明的第一方面的设备实现了适应性波长转换。为了实现这一点，该设备包括至少一个层，该层包括波长转换材料。这种层可以例如包括可被波长转换材料覆盖的透明板。该设备进一步被布置为操纵所述至少一个层以在两种不同的状态中操作。在第一状态中（也被称为封闭状态），所述至少一个层的表面基本用波长转换材料覆盖。在第二状态中（也被称为开放状态），所述至少一个层的表面基本未用波长转换材料覆盖。当在第一状态中操作时，由该层接收的光束可以被覆盖该层表面的波长转换材料转换。因此，该波长转换材料可以转换入射光束的光谱并且因此产生具有不同光谱的修改的光束。当在第二状态中操作时，具有特定光谱的入射光束实际上未受波长转换材料的影响并且因此可以以相同的光谱离开该层。根据本发明的第一方面的设备进一步被布置为操纵所述层以在第一或第二状态中操作。在下面的描述中更详细地描述了实现这种从在第一状态中操作到在第二状态中操作的转变（且反之亦然）的各种方案（比如机械的或电气的）。通过实现这种从在第一状态中操作到在第二状态中操作的转变，所述设备实现了入射光束的适应性转换；入射光束的光谱可以保持不受影响或可以被转换。当结合光伏电池应用时，所述设备因此促进了在变化的条件下太阳能电池或光伏电池的高效应用：依赖于可用的光的光谱，因为效率原因，可以决定在第一状态中操作还是在第二状态中操作。
在一个实施例中，根据本发明的第一方面的设备设有多个层，籍此，每个层可以设有不同的波长转换材料。通过组合多个层，入射光束的可用光谱的较大部分可被转换为最适合用于操作光伏电池的波长。
根据本发明的第二方面，提供一种用于能量转换的设备，其包括根据本发明的第一方面的用于适应性波长转换的设备和太阳能电池，其中该太阳能电池被布置为接收用于适应性波长转换的设备的重发射光束（一般地为电磁辐射）并且在使用中将所接收的光束至少部分地转换为电能。根据本发明的第二方面的用于能量转换的设备实现了在变化的条件下的高效能量转换。根据本发明的第二方面的用于能量转换的设备可以例如用在这样的环境中：其中可用的电磁辐射对于太阳能电池的转换多数情况下是无效的。在这种环境中（例如室内），用于能量转换的设备的用于适应性波长转换的设备可以被布置为在第一状态中操作，从而将入射电磁辐射转换为更适合用于操作太阳能电池的波长。
用于能量转换的设备进一步包括用于确定入射光束的频率特性（比如主频）或入射辐射的光谱的光传感器。该实施例的控制单元被布置为根据由光传感器提供的信号控制用于适应性波长转换的设备。同样，可以实现对变化的环境条件（即变化的照明条件）的自动适应。基于从光传感器接收的信号，控制单元（其可以例如包括微处理器或类似物）可以确定用于适应性波长转换的设备的最适合的状态并且控制用于适应性波长转换的设备在该状态中操作。
由于通过参考下面的详细描述并结合附图考虑时本发明的这些和其他方面变得更好理解，因此本发明的这些和其他方面将更易于理解，在附图中相似的参考符号指示相似的部件。
附图说明
在权利要求中和在参考附图的以下描述中描述了根据本发明的装置的其他有利实施例，在附图中：
图1示出根据本发明的用于能量转换的设备的第一实施例的截面；
图2A-2B示出在封闭状态和开放状态中用于适应性波长转换的设备的截面；
图3A-3B示出在封闭状态和开放状态中用于适应性波长转换的设备的另一个实施例的截面；
图4A-4B示出在封闭状态和开放状态中用于适应性波长转换的设备的另一个实施例的截面；
图5示出用于适应性波长转换的设备的另一个实施例的截面；
图6A-6B示出在两种不同的闭合状态中用于适应性波长转换的设备的另一个实施例的截面。
具体实施方式
在图1中，描绘了根据本发明的用于能量转换的设备的第一实施例。该设备包括用于适应性波长转换的设备10和太阳能电池12。用于适应性波长转换的设备10包括层11，其包括波长转换材料。层11被布置为接收由箭头13指示的第一光束。层11包括波长转换材料并且可以在第一（封闭）状态和第二（开放）状态中操作。在封闭状态中，层11被布置为吸收具有第一特定光谱的波长的第一光束13的能量并且至少部分地重发射作为由箭头14指示的具有第二特定光谱的波长的第二光束的能量，其中第二特定光谱的波长不同于第一特定光谱的波长。在开放状态中，光束13穿过层11，基本上没有波长转换。用于适应性波长转换的设备10进一步被布置为操纵层11以在第一状态或第二状态中操作。下面讨论如何实现这种转变的各种选择方案。
在图1的实施例中，太阳能电池12被布置为在层11在封闭状态中操作时接收光束14并且被布置为当层11在开放状态中操作时接收光束13。太阳能电池12被布置为将所接收的光束13或14的能量转换为电能。太阳能电池12可以例如是硅基光伏电池。上述层11与太阳能电池之间的协作使得太阳能电池能够提供对该设备的入射光束13的更高效的能量转换：因为，一般地太阳能电池12具有特定的波长范围（在该范围内其光敏性达到峰值），所以，可能有利的是，将具有在特定波长范围之外的波长的第一光束13的能量转换为具有在特定波长范围内的波长的第二光束14的能量。
例如，当第一光束13包括由灯发射的光束并且太阳能电池12在红外或近红外波长范围内具有其光敏性峰值（如可能在硅基太阳能电池的情况下）时，可能有利的是，使用诸如铕或镨激活稀土磷光体（比如Y2O3:Eu3+和Y2O3:Pr3+）之类的波长转换材料。这些材料具有在600-630nm范围内的峰值发射波长。因此，如果由灯发射的光束穿过该材料，则太阳能电池将能够将光束的更多能量转换为电能。以此方式，可以提高太阳能电池的效率。
波长转换材料的其他实例是光致变色材料，比如1,3,3,3-trimethylindolinobenzospiropyran、1,3,3-trimethylspiroindolinonaphthoxazine、吸收蓝色光并发射红色光的若丹明B、吸收绿色光并发射红色光的若丹明6G、以及二萘嵌苯染料。
可选地，控制单元15和光谱检测器16（一般地为光传感器）可以被提供以控制用于适应性波长转换的设备10。基于控制来自控制单元15的控制信号17，用于适应性波长转换的设备10可以操纵层11以在开放或封闭状态中操作。图1中示意性示出了控制单元15和光谱检测器16。控制单元15被布置为处理来自光谱检测器16的信号18并且评估层11是否在开放或封闭状态中操作。为了提供信号18，光谱检测器16可以被布置为接收光束13的相当小的一部分，以确定光束13的特定光谱的频率特性。一般地，光谱检测器或光传感器16被布置为向控制单元15提供包括关于光束13的特定光谱的信息的信号。可替代地，层11可由用户动作（例如通过操作设备10上提供的机械开关或选择器）操纵以在开放状态和封闭状态中操作。
可以理解，如果特定光谱中相对大量的能量位于太阳能电池的特定波长范围之外并且如果波长转换材料被布置用于将该能量转换为具有在太阳能电池的特定波长范围内的波长的第二光束的能量，则控制单元15可以控制用于适应性波长转换的设备以在封闭状态中操作层11。
在图2中，示出了如可以应用在根据本发明的用于适应性波长转换的设备中的层11的另一个实施例。图2A示出在封闭状态中的层11，图2B示出在开放状态中的所述层。层11包括衬底21和包含波长转换材料的液体22。在封闭状态中，液体22被布置为基本覆盖衬底21的表面23，开放状态中，该液体被布置为基本不覆盖衬底21的表面23。在封闭状态中，入射到层11的光束13被包括波长转换材料的液体22接收。当入射光束13穿过包括波长转换材料的液体时，由该波长转换材料重发射光束14。光束14可以进一步穿过透明衬底21。在图2B所示的开放状态中，光束13可以穿过透明衬底21，基本没有被液体22接收，从而使得光束13的第一光谱基本不变。
在图3中，示出根据本发明的用于适应性波长转换的设备的另一个实施例。图3A示出在封闭状态中的设备，且图3B示出在开发状态中的设备。在所示的实施例中，该设备包括包含液体和衬底21的层。如图所示的实施例的液体包括水基溶液31和油基溶液32，其中波长转换材料溶解在油基溶液中。在该实施例中，所示出的衬底21包括疏水性绝缘体，例如氟聚合物层。该实施例进一步包括电极35，其被布置为在电极35与水基溶液31之间的疏水性绝缘体21两端施加电压，其中在水基溶液31中形成正电荷34且在电极35中形成负电荷33。当如图3B所示施加电压时，水基溶液31可以将油基溶液32移位到疏水性绝缘体21的表面23的角落。当在该状态（也被称为开放状态）中操作时，入射到所述层的光束13可以穿过该层，基本不受油基溶液32中所包括的波长转换材料的影响。当不施加电压时（对应于如图3A中所描绘的状态），油基溶液32可以基本覆盖疏水性绝缘体21的表面23。当在该状态（也被称为封闭状态）中操作时，入射到所述层的光束13可以被油基溶液32中所包括的波长转换材料转换为光束14。
在图4中，示出了根据本发明的用于适应性波长转换的设备的另一个实施例。所述设备包括包含液体和衬底21的层，该液体包括包含波长转换材料的油基溶液32和可以包含在容积40中的水基溶液31。在所示出的实施例中，容积40包括进口管42和出口管41，从而使得容积中所包含的液体能够移位。与图2A-2B和图3A-3B所示的实施例相似，该设备可在开放状态和封闭状态中操作。在图4a中，示出了设备从开放状态改变为封闭状态。在该转变期间，油基溶液32沿着箭头B指示的方向流过进口管42。同时，水基溶液31沿着箭头A指示的方向流过出口管41。为了使这些溶液流动，可以在管42与41之间提供泵（未示出）。当油基溶液32基本覆盖衬底21的表面23，该设备被认为处于封闭状态中。在图4B中示出了从封闭状态改变为开放状态的设备。在此期间，油基溶液32沿着由箭头D指示的方向流过进口管42。同时，水基溶液31沿着由箭头C指示方向流过出口管41。当油基溶液32已经基本未覆盖衬底21的表面23时，该设备被认为处于封闭状态中。
图5中示出根据本发明的用于适应性波长转换的设备的又一个实施例。在该实施例中，盘51设有4个透明窗52、53、54、55。这些窗中的每一个可以用波长转换材料覆盖或者它可以被保留透明。在图5的实施例中，窗53未被覆盖。盘51被布置为在盘51上的特定区域处接收基本垂直于盘51的光束，该特定区域可以例如位于图5中示出窗52的地方。盘51被布置为围绕它自己的垂直于该盘的轴旋转。当盘旋转大约90度时，另一个窗将被定位以接收光束。通过旋转盘90、180或270度，不同的窗被选择来接收光束。当窗53或未被波长转换材料覆盖的另一个窗被定位以接收光束时，该设备被认为处于开放状态中。当窗52、54或55或由波长转换材料覆盖的另一个窗被定位以接收光束时，该设备被认为处于封闭状态中。从上文可以理解，其他实施例可以包含任意数量的窗。
还可以看到，两个不同的窗可以被不同的波长转换材料覆盖。
在图6A-6B中，示出根据本发明的用于适应性波长转换的设备的另一个实施例。在该实施例中，如图3A-3B所示的若干层已被堆叠。每层可以包括不同的波长转换材料61、62和63，例如其包含在油基溶液中。图6A和6B示出在两种不同状态中的设备。在图6A中，包括波长转换材料61的层被布置为接收光束13并重发射光束14。在图6B中，包括波长转换材料63的层11被布置为接收光束13并重发射光束14。
从图5和6可以理解，被选择以接收光束的层可以适应于光束的光谱。可能有利的是，选择这样的层：其波长转换材料将光束的能量的相当大的量转换以在封闭状态中操作，同时在开发状态中操作其他层。
可以理解，如图3、4、5和6所示的根据本发明的用于适应性波长转换的设备的实施例可以与太阳能电池组合，以便获得根据本发明的用于能量转换的设备。用于能量转换的设备的这样的实施例可以进一步包括例如图1中描述的控制单元和光谱检测器。例如，在图5中所描绘的实施例的另一个实施例中，控制单元可以被布置为确定哪一个窗被定位以接收光束。
当太阳能电池被提供以接收从例如图3、4、5和6所示的用于适应性波长转换的设备重发射的光束时，可以通过依赖于所体验的照明条件将入射光束的光谱进行适当转换来最优化太阳能电池的效率。例如，对于室内应用，入射光束的光谱可以变化，因为光束的源可以是太阳、氖灯、LED光等等。本发明同样可以应用于适应变化的室外照明条件。由于不同的位置（如北极上所接收的光的光谱可以例如不同于如近赤道所接收的光谱）、一天中不同的时间（比较如在上午或傍晚接收的光的光谱）或不同的天气条件（比较晴天或阴天所接收的光的光谱）的原因，可能例如遭遇这种变化的条件。因此，根据本发明的用于能量转换的设备可以被应用以确保依赖于变化的照明条件（室内或室外）入射光的光谱到更加适合于太阳能电池的光谱的优选转换（通过选择适当的一个或多个层以在封闭或开放状态中操作）。
由于所应用的层的表面相比于太阳能电池的表面（其可以例如是几平方分米）可以是小的（典型地可以例如是几平方厘米），所以从上文可以理解，本发明的另一个实施例包括若干层或彼此邻近定位的多个层的堆叠以覆盖太阳能电池的表面。
本发明描述了一种用于适应性波长转换的设备和一种用于能量转换的设备。用于适应性波长转换的设备包括至少一个层，其包括波长转换材料并且被布置为接收并重发射光束，该设备进一步被布置为操纵所述至少一个层以：在封闭状态中操作，其中所述至少一个层的表面基本覆盖有波长转换材料；并且在开放状态中操作，其中所述至少一个层的表面基本未覆盖波长转换材料。用于适应性波长转换的设备可以结合太阳能电池或光伏电池应用，从而使得太阳能电池能够在变化的照明条件下接收具有适当光谱的辐射。
根据需要，已经公开了本发明的详细实施例；然而应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示范，本发明可以以各种形式体现。因此，本文所公开的特定结构和功能细节不被解释为限制，而仅仅作为权利要求的基础并作为用于教导本领域技术人员以不同方式使用事实上处于任何适当详细结构的本发明的典型基础。而且，本文所使用的术语和短语其目的不是限制而是提供本发明的可理解的描述。
如本文所使用的字眼“一”或“一个”被定义为一个或超过一个。如本文所使用的字眼多个被定义为两个或超过两个。如本文所使用的字眼另一个被定义为至少第二个或更多个。如本文所使用的字眼包含和/或具有被定义为包括（即，开放语言，不排除其他元件或步骤）。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求或本发明的范围。
在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
Claims (11)
1.一种用于能量转换的设备，包括
用于适应性波长转换的设备，包括至少一个层，所述至少一个层包括波长转换材料并被布置为接收并重发射光束，其中用于适应性波长转换的设备被布置为操纵所述至少一个层以：在封闭状态中操作，其中所述至少一个层的表面用波长转换材料基本覆盖；以及在开放状态中操作，其中所述至少一个层的表面基本未用波长转换材料覆盖，
太阳能电池，其中该太阳能电池被布置为在使用中接收所述重发射的光束，
控制单元，以及
光传感器，该光传感器被布置为在使用中确定由波长转换材料所接收的光束的频率特性并且向控制单元提供信号，该控制单元被布置为根据所述信号控制用于适应性波长转换的设备。
2.根据权利要求1的用于能量转换的设备，其中所述波长转换材料被布置为吸收具有第一特定光谱波长的第一光束的能量并且至少部分地重发射作为具有不同于第一特定光谱波长的第二特定光谱波长的第二光束的能量。
3.根据权利要求2的用于能量转换的设备，其中第一特定光谱波长包括由灯发射的光束的波长的光谱。
4.根据权利要求2或3的用于能量转换的设备，其中第二特定光谱波长包括红外线或近红外。
5.根据权利要求1-3之一的用于能量转换的设备，其中所述至少一个层进一步包括包含波长转换材料的液体，其中包含波长转换材料的液体被布置为在封闭状态中基本覆盖所述层的表面并且在开放状态中基本不覆盖该层的表面。
6.根据权利要求5的用于能量转换的设备，其中包含波长转换材料的液体进一步包括水基溶液和油基溶液，其中所述波长转换材料溶解在油基溶液中。
7.根据权利要求5的用于能量转换的设备，其中所述至少一个层进一步包括用于提供表面的第一透明衬底。
8.根据权利要求7的用于能量转换的设备，其中所述至少一个层包括与第一透明衬底平行布置的第二透明衬底，所述液体包括在第一和第二透明衬底之间提供的波长转换材料。
9.根据权利要求7或8的用于能量转换的设备，其中第一透明衬底包括疏水性绝缘体，所述用于适应性波长转换的设备进一步包括电极，所述电极被布置为在使用中在电极与液体之间的疏水性绝缘体的两端施加电压。
10.根据权利要求1-3和6-8之一的用于能量转换的设备，包括两个或更多所述层，这些层彼此邻近地定位。
11.根据权利要求10的用于能量转换的设备，其中这些层沿着基本垂直于所述表面的方向彼此邻近布置。
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