CN102484121A

CN102484121A - 具有电源的照明设备

Info

Publication number: CN102484121A
Application number: CN2010800389147A
Authority: CN
Inventors: W.F.帕斯维尔; H.利夫卡
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-05-30
Also published as: WO2011027277A2; JP2013504144A; US20120139424A1; EP2474036A2; KR20120069701A; US9136308B2; JP5624140B2; WO2011027277A3

Abstract

本发明涉及一种照明设备（1000），包括：至少部分透明的太阳能电池（200），布置在至少部分透明的光源（100）的背侧。优选地，光源（100）是被结构化为多个电致发光区（131）和非有源区（132）的OLED。优选地，电致发光区与布置在光源（100）与太阳能电池（200）之间的镜层（310）的反射区（311）对准。

Description

具有电源的照明设备

技术领域

本发明涉及一种包括用于发电的太阳能电池的照明设备。

背景技术

从WO 2008/017986 A2获知一种照明设备，包括电池的集成布置，该集成布置在一侧具有有机太阳能电池并在另一侧具有有机发光二极管（OLED）。

发明内容

基于该背景技术，本发明的目的是提供一种备选的具有电源的照明设备，其特别适于户外离网照明，例如在街道照明应用中。

该目的是通过根据权利要求1所述的照明设备来实现的。优选实施例是在从属权利要求中公开的。

根据本发明的照明设备包括以下组件：

a）具有前侧和背侧的至少部分透明的光源。术语“透明的”应当关于电磁谱的给定相关部分来理解，典型地，该部分包括由光源发射的波长和环境光的波长。此外，如果在上述相关谱范围内对象的总体透明度为至少10%、优选地至少50%、最优选地至少90%，则该对象应当被称为“（部分）透明的”。

b）布置在光源的所述背侧的至少部分透明的太阳能电池。术语“太阳能电池”应当表示能够将电磁辐射转换为电能（特别是，从紫外（UV）至红外（IR）的范围内的辐射）的任何设备。优选地，太阳能电池直接地或者经由中间层实质上（materially）接合至光源的背侧。

通过将两个（至少部分）透明的组件（即，光源和太阳能电池）进行组合，上述照明设备作为整体可以是至少部分透明。这有助于对照明设备给出合适的外观，即使光源和/或太阳能电池所覆盖的面积相对较大也是如此，这是由于可能通常必须实现足够的太阳能采集和/或照明。此外，对光源和太阳能电池进行背靠背布置的集成设计还有助于提供紧凑的外观。因此，还可以实现较大的配置，这是由于例如在街道照明应用中需要较大的配置。

一般地，照明设备的光源可以由任何合适的电源（例如，由公用电网）供电。类似地，可以将由太阳能电池在暴露给光（典型地，日光）期间生成的电能供给至附近的任何消耗者。然而，优选地，该照明设备包括与太阳能电池和光源都耦合的能量存储器（例如，可再充电电池）。因此，可以将由太阳能电池在日间生成的电能存储在能量存储器中，直到在夜间从能量存储器取得电能以驱动光源。应当理解，典型地，能量存储器将包括对这种功能来说合适的控制电路，即，根据可用的或所需的电力（以及可能地，诸如环境照明条件之类的其他参数）对存储器的充电和放电进行控制的电路。这种电路是本领域技术人员已知的。能量存储器可以布置在任何方便的地点，特别是，远离光源和太阳能电池（经由电导线连接至它们）。

在许多应用中，仅在照明设备的一侧需要人工照明，而外部光能从相对侧到达太阳能电池。在街道照明的情况下，日光从例如顶侧到达照明设备，而人工光必须被发射至底侧。在这种和类似情况下，优选地，光源被设计为使得其仅通过其前侧发射光。因此，没有光是通过光源的背侧沿不需要或者甚至可能不期望该光的方向发射的。

根据本发明的另一优选实施例，所述照明设备包括镜层，所述镜层是部分透明的并布置在光源与太阳能电池之间某处（包括其集成至这些组件之一中的位置）。如其名称所指示，所述镜层在至少一侧是（部分地）反射性的。如果面向太阳能电池的那一侧是反射性的，则穿过太阳能电池的光将被反射回到太阳能电池中，从而提高能量转换的效率。如果面向光源的那一侧是反射性的，则通过光源的背侧离开光源的光可以被反射回到光源中，使得其最终将通过前侧而发射。这样，更多（或者甚至所有）发射可以被定向至前侧。应当注意，镜层还可以在概念上被认为分别是光源或太阳能电池的集成组件。

最优选地，上述镜层在两侧（即，面向太阳能电池的那一侧以及面向光源的那一侧）都是反射性的。这使得能够针对能量转换和光发射均实现所描述的优势。

根据具有镜层的照明设备的另一发展，所述镜层具有含有至少一个非透明区和至少一个透明区的结构。在这种情况下，透明区保证了镜层作为整体是（部分）透明的。在非透明区中，可以通过使该区在其顶侧和/或底侧是反射性的来实现镜层的反射性。

在上述情况下，优选地，所述光源包括有机发光二极管（OLED）单元，所述有机发光二极管单元具有以下组件：

- 第一透明电极层。以下，该层将被简称为“阳极”，以指示在光源的操作期间该阳极通常是利用比其反电极（“阴极”）更低的电势来驱动的。然而，一般地，这种命名不应当暗示对第一电极层的设计的任何限制。

- 第二透明电极层，以下将被称为“阴极”。对于该层，与对于阳极类似的结论是适用的。

- 有机层，布置在阳极与阴极之间。可通过电致发光性生成光的适当有机材料是从传统OLED公知的。还应当注意，术语“层”应当包括多层结构，特别是在有机层的情况下。

有机层、阳极和阴极应当共同构成有机层中的功能结构，所述功能结构包括至少一个电致发光区和至少一个非电致发光区，以下，非电致发光区被称为“非有源区”。此外，光源的背侧的镜层应当具有以下结构，所述结构含有：至少一个非透明区，与所述有机层的电致发光区对准；以及至少一个透明区，与所述有机层的非有源区对准。应当注意，如果在相关谱范围内，区的透明度小于5%、优选地近似0%，则该区被称为“非透明的”。例如，镜层可以直接或间接地布置在阳极或阴极的任一侧，或者，镜层可以嵌入或集成到阳极或阴极中。

OLED光源和镜层的所描述的“结构化设计”具有以下优势：其可以同时是透明的（在透明区与非有源区对准的点处）并具有首要或者甚至单个光发射方向（在非透明区阻挡其关联电致发光区的光发射的点处）。根据有机层和镜层的结构的特定尺寸和相互布置，可以在较宽范围内调整这些属性。因此，例如，可以经由镜层中的透明区的相对大小来影响整个光源的透明度。此外，可以在1:1（通过两个电极的发射相等）与0:1（仅发射至一侧）之间的范围内调整通过阳极和阴极的有源发射的比率。

以下，将更详细地描述OLED光源和/或镜层的“结构化设计”的各个优选实施例。

根据“结构化设计”的第一优选实施例，有机层和镜层的结构是全局对准的和/或局部上完美对准的。

“全局对准”意味着：光源具有给定的“对准轴”（典型地，与阳极、阴极和有机层垂直的轴），并且在该对准轴的方向上，每个电致发光区与非透明区成一直线，每个非有源区与透明区成一直线。因此，一方面的电致发光/非有源区和另一方面的透明/非透明区的图案遵照相同光栅，尽管这些区的形状可以彼此有局部偏差。

“局部上完美对准”意味着：在该对准轴的方向上，至少一个电致发光区的每个点与非透明区的点成一直线，和/或，非有源区的每个点与透明区的点成一直线。因此，至少一个电致发光/非有源区和至少一个透明/非透明区均对准并在几何上全等。

例如，具有全局和局部上完美对准的结构的“结构化设计”可以用于阻挡光源在一个方向上的整个发射。

在备选实施例中，有机层和镜层的结构仅是部分对准的。例如，至少一个电致发光区可能不相对于光源的上述对准轴而与非透明区成一直线，从而实现辅助方向上的一些发射。

在结构化镜层的优选实施例中，镜层的非透明区在面向有机层的那一侧是反射性的。然后，将在有机层的对应电致发光区中生成的光反射回到所述层，使得其不会损失而是被发射到所期望的方向上。

优选地，镜层的非透明区可以包括金属，例如从由银（Ag）、铝（Al）、铜（Cu）和金（Au）（但不仅限于这些金属）构成的组中选择的金属。

典型地，镜层的非透明区将覆盖镜层的面积的约10%至90%。所覆盖的百分比越小，则光源的透明度越高。

非透明区可以相当任意地成形并分布在镜层的区域中。优选地，非透明区被成形为（椭圆形、圆形、矩形以及其他几何形状）点或条并以规则或不规则（随机）的图案分布。

典型地，镜层的透明和/或非透明区可以具有在1微米（传统光刻的下限）与100微米之间的范围内的（平均）直径。在该上下文中，术语“直径”必须针对这些区的非圆形形状而适当定义，例如，被定义为可完全刻在所述形状中的最大圆形的直径。优选地，将透明和/或非透明区的直径选择为使得可以容易地制造镜层并且避免不期望的光学效应（例如，显见的图案或衍射）。也可以使用或者与更小的直径区相结合地使用更大的直径或更大的图形结构，以便实现视觉上舒适的、可见的图案。

可以以不同方式实现有机层中的电致发光和非有源区的功能结构。因此，例如，可能的情况是：有机层自身的材料在物理上结构化为在这些区中表现出不同的电致发光属性。另一种可能性是：阳极和/或阴极被结构化为电荷-载流子注入属性不同的区；然后，具有正常注入属性的区将在（材料上同质的）有机层中产生电致发光区，而具有减小的注入属性或不具有注入属性的区将在有机层中产生非有源区。

除以上说明的特定结构化设计外，优选地，照明设备的光源一般可以包括OLED，所述OLED以从有机发光二极管（OLED）公知的方式通过有机层的电致发光性来生成光。

在照明设备中，一般地，太阳能电池可以特别包括布置在两个电极层之间的有机太阳能材料。合适的有机太阳能材料/电池例如从WO 2008/017986 A2或US-2005/0023975 A1可知。有机太阳能电池与OLED类似，区别在于有机太阳能电池将光能转换为电能，反之并非如此。

可选地，照明设备可以是柔性的，从而允许符合于一些所期望的形状（例如载体或框架的形状）。

此外，典型地，照明设备将包括附加结构和/或层，以提供例如对抗环境的机械稳定性或密封。特别是，照明设备可以包括柔性的衬底，优选地，具有防水层的衬底。

根据本发明的另一实施例，光源包括不仅一个具有阳极、阴极和有机层的多层OLED单元，而是包括多个这种多层OLED单元的堆叠。这些多层单元中的每一个包括阳极、阴极和有机层，其中，不同单元的有机层具有不同的发射特性，例如分别在红色、绿色和蓝色范围内的发射峰。此外，多层单元中的至少一个的有机层可以在功能上被结构化为电致发光区和非有源区，以实现与结构化的镜层的上述交互。优选地，多层单元的所有有机层在功能上被结构化为电致发光区和非有源区，其中，对应的结构可以相同并彼此对准，或者不同并且不对准。

有利地，根据本发明的照明设备可以用在许多不同应用中，这些不同应用尤其包括街道照明或橱窗照明（例如，商店或办公室的照明、用于广告的照明，或者自主公共汽车站的照明）。此外，根据本发明的照明设备可以用作例如温室的覆盖层，或者用作桌子的覆盖层。

相应地，本发明的一个单独方面涉及一件家具（例如桌子），包括具有光源和太阳能电池的照明设备。因此，可以提供在黑暗期间进行照明的户外产品（例如园桌），其中，太阳能电池提供自主电源。在桌子的情况下，优选地，照明设备构成了桌子的使用的表面（即，其上放置有对象的表面）或者其至少一部分。最优选地，该件家具可以包括上述类型的照明设备，即，具有耦合到至少部分透明的太阳能电池的至少部分透明的光源的照明设备。

附图说明

本发明的这些和其他方面将从以下描述的实施例中变得明了并且将参照这些实施例来阐明。将借助附图通过示例的方式来描述这些实施例，在附图中：

图1示意性地示出了穿过根据本发明的包括光源和太阳能电池的照明设备的截面。

具体实施方式

已知的离网太阳能供电的街道照明产品均具有顶部较大太阳能电池的典型特征，从而对其给出庞大的令人不舒适的外观。因此，这里提出，将（部分）透明的太阳能电池和（部分）透明的光源组合为一个设备。这提供了新型离网街道照明器具，同时提高了光源和太阳能电池的效率。

图1示意性地示出了根据上述原理设计的照明设备1000。照明设备1000由以下各项构成：

- 光源100，这里由具有前侧（图中层110的底表面）和背侧（图中层140的顶表面）的OLED单元实现；

- 太阳能电池200，这里被实现为有机太阳能电池；

- 中间层300，包括镜层310和粘着层320；

- 能量存储器400（电池），太阳能电池和光源与之相连接。

以下，将更详细地描述在其背侧具有镜层310的光源100。在制造期间，典型地，将首先处理这些组件。在对应坐标系的正z方向上看，光源100包括以下层序列：

- 透明衬底110，例如由具有防水层的玻璃或透明塑料制成。该衬底提供了机械稳定性并保护敏感光电子层。

- 第一透明电极层120，被称为“阳极”，其可以例如由氧化铟锡（ITO）、掺杂的氧化锌或有机层（比如PEDOT:PSS）构成，可能与精炼金属网格结构相结合，以便降低有效薄层电阻。

- 有机层130，其在功能上（并且在该实施例中，还在物理上）被结构化为电致发光区131和非有源（即，非电致发光）区132，其中，所述各区被布置为在x方向上彼此邻近并在z方向上延伸通过整个有机层。在电致发光区131中，当从不同侧注入该层的电子和空穴复合时，通过从传统OLED已知的过程来生成光。典型地，非有源区132由电致发光区131的修改后的材料构成。然而，一般地，非有源区可以由完全不同的（有机或无机）材料构成。

- 第二透明电极层140，被称为“阴极”，其例如由银（Ag）的薄层构成。

布置在光源100的背侧的“镜层”310由非透明区311和透明区312的图案构成。在所示的示例中，镜层310的结构与有机层130的结构全局对准和局部上完美对准，其中，相对于给定的对准方向（在该实施例中，z方向）判断该对准。优选地，非透明区311包括金属，例如Ag、Al、Cu或Au。非透明区311嵌入到使OLED单元防水且构成透明区312（例如TFE（薄膜封装））的透明材料中。应当注意，所述各组件的其他布置也是可能的。因此，例如，非透明区311可以布置在透明材料312的顶部。此外，备选地，镜层可以集成到OLED单元100（例如处于有机层130与阴极140之间）中。

当在阳极120与阴极140之间施加适当电压时，将在电致发光区131中生成光。如光线LE所示，该光的一部分将被立即定向至衬底110并如所期望的那样通过其前侧离开光源100。

如光线LE’所示，将沿相反方向（正z方向）向光源100的背侧发射所生成的光的另一部分。然而，由于镜层310的非透明区311，通过背侧的发射被阻挡。由于非透明区311典型地在其底侧是反射性的，因此光线LE’并不是仅被吸收而是也被反射，从而将能够也通过前侧离开光源100。

如光线LT所示，环境光可以自由地在镜层的透明区312中穿过照明设备1000。因此，照明设备1000将显现为（至少部分）透明的，并同时具有有源光发射的主导或主要方向（负z方向）。

透明有机太阳能电池200包括（从上到下）：

- 透明阴极240，例如薄Ag；

- 有机太阳能净化材料230；

- 透明阳极220，例如ITO；

- 柔性透明衬底（例如塑料），充当密封和防水层。

经由粘着层320和镜层310，太阳能电池200接合至单侧透射OLED单元100，使得这两个组件均保持其柔性属性。

太阳能电池200的有机层230将入射光线LS（典型地，日光的光线）转换为电能，该电能被提供给存储器400。恰巧经过太阳能电池的光线LS’可以被镜层310中的非透明点311反射，然后由有机层230转换。因此，非透明点311可以显著地提高太阳能电池200的效率以及光源100的光学输出耦合。

如果有机电致发光层130的非有源材料132被改变为绝缘体，则甚至可以进一步增强效率，这是由于通过这些区域的泄漏电流被防止，从而更多电流可用于发光。

应当注意，太阳能电池的尺寸可以比OLED单元大，以捕获更多光。在这种情况下，仍然可以在非重叠区域中应用非透明点311，以便具有更透明的太阳能电池。如果太阳能电池小于OLED单元，则类似的结论依然有效。

用于制造上述类型的OLED单元100的方法可以包括以下步骤（按所列出的或任何其他顺序执行）：

- 在两个透明电极层（即，“阳极”和“阴极”）之间制备（完全）电致发光的有机层。该步骤与通常OLED的公知制造相对应。应当注意，该制备可以包括对（例如透明衬底的）其他层的使用。

- 通过在至少一个区中局部除去电致发光性来结构化上述有机层，以生成电致发光区和非有源区的结构。用于（例如经由红外照射）破坏有机层中的电致发光性的适当方法是本领域技术人员熟知的。

应当注意，所处理的区应当就电致发光性而言是非有源的，但应当是/保持为透明的。

那么，结构化镜层可以布置（直接或间接）在阴极处，使得镜层的至少一个非透明区（最后，即，在成品OLED单元中）与结构化有机层的电致发光区对准，并且镜层的至少一个透明区（最后）与有机层的非有源区对准。

用于在有机层中局部除去电致发光性的优选方法是：利用特定波长和较高强度（例如多于10 MW/cm²的强度）的光来照射该层。因此，可以影响（例如分解）有机材料，使得引起电致发光性的过程链被中断。

根据制造方法的优选实施例，在局部除去电致发光性之前，将镜层布置在阴极处。在这种情况下，镜层的结构可以用作用于生成有机层中的结构的一种掩模。例如，可以通过镜层来照射有机层，使得保护镜层的非透明区的阴影中的区域免受辐射，从而保持其电致发光性。该方案的优势是简化的照射扫描（全部区域）和自动/精确的对准。

以上参照图1的示例说明的本发明提供了对例如对街道照明、橱窗照明等适用的离网太阳能发电的照明器具的新型生成。由于透明属性，即使这些照明器具的大小会比传统照明器具的大小稍大，这些照明器具也将显得较不刺眼。由于其柔性属性，还可以增大照明器具的形状方面的设计自由度。

最后，需要指出，在本申请中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个，单个处理器或其他单元可以实现多个装置的功能。本发明在于每个新型特性特征以及特性特征的每种组合。此外，权利要求中的附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims

1.一种照明设备（1000），包括：

a）至少部分透明的光源（100），具有前侧和背侧；

b）至少部分透明的太阳能电池（200），布置在所述背侧。

2.根据权利要求1所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述照明设备（1000）包括与所述光源（100）和所述太阳能电池（200）耦合的能量存储器（400）。

3.根据权利要求1所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述光源（100）被设计为仅通过所述前侧来发射光（LE、LE’）。

4.根据权利要求1所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述照明设备（1000）包括镜层（310），所述镜层（310）是部分透明的并布置在所述光源（100）与所述太阳能电池（200）之间。

5.根据权利要求4所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述镜层（310）在两侧都是反射性的。

6.根据权利要求4所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述镜层（310）具有含有至少一个非透明区（311）和至少一个透明区（312）的结构。

7.根据权利要求6所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述光源（100）是OLED单元并包括：

- 阳极（120），由第一透明电极层形成；

- 阴极（140），由第二透明电极层形成；

- 有机层（130），布置在所述阳极与所述阴极之间；

其中，所述有机层、所述阳极和所述阴极构成所述有机层中的结构，该结构含有至少一个电致发光区（131）和至少一个非有源区，即非电致发光区（132），

以及，其中，所述镜层（310）具有以下结构，该结构含有与所述电致发光区对准的至少一个非透明区（311）和与所述有机层的非有源区对准的至少一个透明区（312）。

8.根据权利要求6所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述镜层（310）的非透明区（311）包括金属，优选地是，Ag、Al、Cu和/或Au。

9.根据权利要求6所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述非透明区（311）覆盖所述镜层（310）的面积的约10%至90%，和/或，所述非透明区（311）被成形为以规则或不规则图案分布的点或条。

10.根据权利要求6所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述镜层（310）的透明区（312）和/或非透明区（311）具有约1 μm与约100 μm之间的直径。

11.根据权利要求7所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述阳极和/或所述阴极被结构化为电荷-载流子注入属性不同的区。

12.根据权利要求1所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述光源（100）包括OLED。

13.根据权利要求1所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述太阳能电池（200）包括布置在两个电极层（220、240）之间的有机太阳能材料（230）。

14.根据权利要求1所述的照明设备（1000），

其特征在于，所述照明设备（1000）是柔性的和/或其包括柔性衬底（110、210），优选地具有防水层。

15.一件家具，特别是桌子，包括具有光源（100）和太阳能电池（200）的照明设备（1000），特别是根据权利要求1所述的照明设备（1000）。