CN103339221A - 作为太阳能模组系统所用封装的提高日光采集效率的波长转换材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于至少一种太阳能电池或光伏装置的包含发光波长转换材料的封装结构，其用于提高太阳能电池装置的日光采集效率。发光波长转换材料包含至少一种生色团和光学透明聚合物基质。将本文公开的封装结构应用于包括太阳能电池、太阳能电池板以及光伏装置在内日光采集装置，通过拓宽能够由装置有效转换成电的入射太阳光的光谱，从而提高了所述装置的日光采集效率。

Description

作为太阳能模组系统所用封装的提高日光采集效率的波长转换材料
相关申请的引用
本专利申请要求2011年12月6日提交的第61/567,548号美国临时专利申请和2012年6月21日提交的第61/662,848号美国临时申请的优先权。所有上述申请在此通过援引全部并入本文以用于所有目的。
发明背景
技术领域
本发明的实施方案通常涉及用于太阳能电池、太阳能电池板或光伏装置的包含发光波长转换材料的封装结构，所述封装结构提高了这些装置的日光采集效率。
相关技术描述
太阳能的利用为传统化石燃料提供了有前景的可选能量来源，因此，能够将太阳能转换为电的装置、如光伏装置(也称为太阳能电池)的开发近年来引起了广泛的关注。已经开发了几种不同类型的光伏装置，包括基于硅的装置、III-V和II-VI PN结装置、铜-铟-镓-硒(CIGS)薄膜装置、有机敏化剂(sensitizer)装置、有机薄膜装置以及硫化镉/碲化镉(CdS/CdTe)薄膜装置，仅列举几例。有关这些装置的更多详情可以在诸如Lin等人,“High Photoelectric Conversion Efficiency of MetalPhthalocyanine/Fullerene Heterojunction Photovoltaic Device”(International Journal of Molecular Sciences 2011)等文献中找到。然而，这些装置中有许多种的光电转换效率仍然具有提高的空间，并且对于许多研究人员而言，开发提高这种效率的技术是一持续性挑战。
最近，开发的用来提高光伏装置效率的一项技术是，利用波长下转移膜(down-shifting film)。许多光伏装置不能有效利用整个光谱，因为装置上的材料吸收光的某些波长(通常较短的UV波长)，而不是使光穿过而到达将其转换成电的光导材料层。波长下转移膜的应用吸收较短波长的光子，并且以更有利的较长波长将它们再发射，随后它们可以被装置中的光导层吸收，并转换成电。
这种现象经常在薄膜CdS/CdTe和CIGS太阳能电池中观察到，这两者都利用CdS作为窗口层。这些薄膜太阳能电池的低廉成本和高效率，近年来已经引起了广泛关注，且典型的商业电池的光电转换效率为10-16%。然而，这些装置的一个问题是，CdS的能隙为约2.41eV，这使得低于514nm波长的光被CdS吸收，而不是穿过而到达其能被转换成能量的光导层。不能有效利用整个光谱，这降低了装置的整体光电转换效率。
许多报道已经公开了利用波长下转移材料来改善光伏装置的性能。例如，第2009/0151785号美国专利申请公开披露了含有波长下转移无机磷光剂材料的基于硅的太阳能电池。第2011/0011455号美国专利申请公开披露了集成太阳能电池，其包括电浆层(plasmonic layer)、波长转换层以及光伏层。第7,791,157号美国专利披露了具有含量子点化合物的波长转换层的太阳能电池。第2010/0294339号美国专利申请公开披露了含有荧光下转移材料的集成光伏装置，然而并未建立实施例。第2010/0012183号美国专利申请公开披露了具有波长下转移光致发光介质的薄膜太阳能电池；然而，未提供实施例。第2008/0236667号美国专利申请公开披露了以薄膜聚合物形式制备的包含无机荧光粉的增强的谱转换膜。在此通过援引将每一上述专利和专利申请公开并入本文，然而它们将这种额外的波长转换层直接应用于太阳能电池装置的顶部或内部，这增加了制造所述装置的成本，并增加了装置的厚度，这会导致光子到端面外的环境中的损失增加。
此外，太阳能模组通常在户外安装于屋顶上或安装于完全开放的空间，其中它们能够最大化地暴露于日光下，参见第2007/0295388号美国专利申请公开，其在此通过援引以整体形势并入作为参考。这种户外布置的类型使得这些装置持续不断地遭受天气和水分暴露，因此它们必须具有足够的保护以提供多年的稳定运转。通常，利用玻璃板使太阳电池组耐防风雨，但是玻璃板昂贵、沉重且是刚性的，并且还需要一些类型的边缘胶带来防止水分渗透侧面。第7,976,750号美国专利公开了通过将太阳能模组包埋于两个聚合物层之间且随后用泡沫剂填充缝隙来封装太阳能模组的方法。第2011/0017268号美国专利申请公开披露了用于封装太阳能模组装置的纳米结构的聚合物材料。第7,943,845号美国专利公开了利用聚(乙烯醇缩丁醛)组合物封装太阳能模组的方法。在此将这些专利和专利申请通过援引全文并入作为参考，然而，它们中没有一篇试图为太阳能装置同时提供环境保护以及提高的日光采集效率。
发明概述
本发明的一些实施方案提供了用于太阳能转换装置的封装结构。本发明的一些实施方案提供了包含发光波长转换材料的封装。在一些实施方案中，发光波长转换材料包含至少一种生色团和光学透明基质，其中发光波长转换材料被设置为封装太阳能转换装置并抑制水分和氧渗透到太阳能转换装置中。
在一些实施方案中，封装结构包括发光波长转换材料和设置为抑制水分和氧渗透到发光波长转换材料中的环境保护罩(environmentalprotective cover)。在一些实施方案中，发光波长转换材料包含至少一种生色团和光学透明聚合物基质。在一些实施方案中，发光波长转换材料和环境保护罩被设置为能封装太阳能转换装置，从而使得光在到达太阳能转换装置之前必须穿过发光波长转换材料和环境保护罩。
本发明的一些实施方案提供了改善太阳能转换装置性能的方法，包括用封装结构封装所述装置。在一些实施方案中，所述方法包括利用使用封装结构，所述封装结构包括发光波长转换材料，所述发光波长转换材料被设置为封装太阳能转换装置并被设置为抑制水分和氧渗透到太阳能转换装置中。在一些实施方案中，所述方法包括使用发光波长转换材料和环境保护罩，其中环境保护罩被设置为能抑制水分和氧渗透到发光波长转换材料。
附图简要说明
图1示出封装结构的实施方案，其中单个太阳能电池装置被封装于发光波长转换材料中，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
图2示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于发光波长转换材料中，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
图3示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装中，发光波长转换材料层合于聚合物封装的顶部，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
图4示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于发光波长转换材料中，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
图5示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装中，发光波长转换材料层合于聚合物封装的顶部，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
图6示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装材料中，发光波长转换材料层合于纯聚合物封装的顶部，额外的纯聚合物膜层合于发光波长转换层的顶部，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
图7示出封装结构的实施方案，其中单个太阳能电池装置被封装于发光波长转换材料中，且发光波长转换材料还用作环境保护器。
图8示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于发光波长转换材料，且发光波长转换材料还用作环境保护器。
图9示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装材料中，发光波长转换材料层合于纯聚合物封装的顶部，且发光波长转换材料还用作环境保护器。
图10示出封装结构的示例性实施方案，其中具有数个太阳能电池装置的太阳能电池板利用发光波长转换材料来封装太阳能电池装置，玻璃底板和玻璃顶板提供环境保护，背板(back sheet)位于太阳能电池装置的光入射表面之下，且边框将太阳能电池板保持在一起。
图11示出封装结构的示例性实施方案，其中具有数个太阳能电池装置的太阳能电池板利用发光波长转换材料来封装太阳能电池装置，背板位于太阳能电池装置的光入射表面之下，玻璃顶板提供环境保护，且边框将太阳能电池板保持在一起。
详细描述
本发明的实施方案在一个系统中一箭双雕地实现了保护电池免受有害的环境暴露并且提高了效率。用本文公开的包含发光波长转换材料的封装结构封装太阳能模组装置，提高了太阳能电池装置的日光采集效率，并为该装置提供了稳定的长期环境保护。可以形成包含发光波长转换材料的封装结构，以便与所有不同类型的太阳能电池和太阳能电池板相容，包括基于硅的装置、III-V和II-VI PN结装置、CIGS薄膜装置、有机敏化剂装置、有机薄膜装置、CdS/CdTe薄膜装置、染料敏化装置等。通过使用该结构封装太阳能模组装置，可以提高太阳能转换装置(如太阳能电池、光伏装置、太阳能电池板以及任何太阳能模组系统)的光电转换效率。
一些实施方案提供了包含发光波长转换材料的用于至少一种太阳能电池或光伏装置的封装结构。一些实施方案提供了包含发光波长转换材料和环境保护罩的用于至少一种太阳能电池或光伏装置的封装结构。在一些实施方案中，环境保护罩被设置为抑制水分和氧渗透到发光波长转换材料和太阳能电池或光伏装置，且包括塑料板或玻璃板。在一些实施方案中，将密封带应用于太阳能电池板的周长以抑制氧和水分从边缘进入。图1-6示出应用于太阳能电池或光伏模组装置的该封装结构的示例性实施方案。
本发明的一些实施方案提供了包含发光波长转换材料的用于至少一种太阳能电池或光伏装置的封装结构。在一些实施方案中，发光波长转换材料用作防止水分和氧渗透到太阳能电池中的环境保护器。在一实施方案中，发光波长转换材料被设计为防止样和水分渗透到太阳能电池，从而不在需要额外的环境保护罩，且该材料还能提高电池的日光采集效率。图7-9示出应用于太阳能模组装置的该封装结构的示例性实施方案。
本发明的实施方案还涉及改善光伏装置、太阳能电池、太阳能模组或太阳能电池板的性能的方法，包括用本文公开的封装结构封装所述装置。在一些实施方案中，可以将封装结构的发光波长转换材料浇铸在太阳能电池装置上，并适当地固化。在一些实施方案中，封装结构的发光波长转换材料可以采用膜或层的形式。在一些实施方案中，将为薄膜形式的发光波长转换材料辊层压于太阳能模组装置上，其中仅前层(front layer)层合于太阳能模组上，或者前层和背层(back layer)两者层合于太阳能模组装置上。
其他形式的发光波长转换材料也是可能的，以及将发光波长转换材料应用于太阳能模组装置的其他方法也是可能的。可以将封装结构应用于刚性装置，或可以将其应用于柔性装置。此外，可以用封装结构改善多个太阳能电池或光伏装置的性能。例如，在一些实施方案中，封装结构包括多个太阳能电池或光伏装置。
在一些实施方案中，其他材料也可以用于增强环境保护。玻璃板或塑料板经常用作环境保护罩，并且一旦用发光波长转换材料封装太阳能模组装置，玻璃板或塑料板就可以应用于其顶部和/或底部。在一些实施方案中，可以将密封带应用于装置的周长，从而防止氧或水分通过侧面进入。在一些实施方案中，还可以将背板用于太阳能模组装置之下，以反射和折射未被太阳能电池吸收的入射光。在一些实施方案中，还可以将封装的太阳能装置放入边框中，如用于形成太阳能模组或太阳能灯串(solar strings)的那些。图10和11示出用于太阳能模组装置中的封装结构的示例性实施方案。
生色团也称为发光染料或荧光染料，是吸收特定波长或波长范围的光子并且以不同的波长再发射光子的化合物。因为太阳能电池和光伏装置经常长时期(即20多年)暴露于极端环境条件下，因此，生色团的稳定性非常重要。在一些实施方案中，在发光波长转换材料中仅使用具有长时间的良好光稳定性(即，在1倍太阳光(AM1.5G)辐射下，照射20,000多小时并且具有<10%降解)的生色团或生色团化合物。在封装结构的一些实施方案中，两种或多种生色团包含于发光波长转换材料中。
在一些实施方案中，波长转换材料可以由数个层构成。在一些实施方案中，两种或多种生色团可以位于相同的发光波长转换材料层中，或它们可以位于单独的材料层中。可以期望在波长转换材料中具有多种生色团或发光染料，这取决于材料要封装的太阳能模组。例如，第一生色团可以用于将波长为400-450nm的光子转换成波长为500nm的光子，并且第二生色团可以用于将波长范围为450-475nm的光子转换成波长为500nm的光子，其中要被材料封装的太阳能模组系统在500nm波长下表现出最佳光电转换效率，从而发光波长转换材料封装装置显著提高太阳能模组系统的日光采集效率。
另外，在封装结构的一些实施方案中，至少一种生色团是上转换染料或上转移染料，意即将光子从较低能量(长波长)转换为较高能量(短波长)的生色团。上转换染料可以包括稀土材料，发现所述稀土材料吸收IR区(即~975nm)波长的光子，并再发生可见区(400-700nm)波长的光子，例如Yb3+、Tm3+、Er3+、Ho3+以及NaYF4。其他上转换材料描述于第6,654,161号和第6,139,210号美国专利中，以及在IndianJournal of Pure and Applied Physics,33卷,第169-178页,(1995)中，其均在此通过援引全文并入作为参考。
在封装结构的一些实施方案中，至少一种生色团是下变换染料或下转移染料，意即将高能光子(短波长)转换成能量较低的光子(长波长)的生色团。
在封装结构的一些实施方案中，波长转换材料由光学透明的聚合物基质构成。在一些实施方案中，光学透明的聚合物基质由选自以下的物质形成：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚酰亚胺、无定形聚碳酸酯、聚苯乙烯、硅氧烷溶胶凝胶、聚氨酯、聚丙烯酸酯以及其组合。
在封装结构的一些实施方案中，光学透明的聚合物基质包含多于一种的聚合物。在一些实施方案中，光学透明的聚合物基质包含一种主体聚合物、主体聚合物和共聚物或多种聚合物。一些实施方案中，聚合物基质材料的折射率范围为约1.4至约1.7。在一些实施方案中，聚合物基质材料的折射率范围为约1.45至约1.55。
在一些实施方案中，发光染料或生色团以约0.01wt%至约3wt%的量存在于聚合物基质中。在一些实施方案中，生色团以约0.05wt%至约1wt%的量存在于聚合物基质中。
通式I-a、I-b、II-a、II-b、III-a、III-b、IV以及V所表示的生色团可以在各种应用中用作荧光染料，包括在波长转换膜中。如通式所示，染料包含苯并杂环体系或二萘嵌苯衍生物。在未限制本发明的范围的情况下，对于可以使用的化合物类型的其他详情和实例在下文描述。
本文所用“电子供体基团”定义为增加2H-苯并[d][1,2,3]三唑体系的电子密度的任何基团。
“电子供体连接物”定义为能够连接两个2H-苯并[d][1,2,3]三唑体系以提供其π轨道共轭的任何基团，电子供体连接物也可以增加与之连接的2H-苯并[d][1,2,3]三唑的电子密度或对其具有中性影响。
“电子受体基团”定义为降低2H-苯并[d][1,2,3]三唑体系的电子密度的任何基团。电子受体基团的位置为2H-苯并[d][1,2,3]三唑环体系的N-2位。
术语“烷基”指支链或直链完全饱和的无环脂肪族烃基团(即，由碳和氢构成的不含双键和叁键的基团)。烷基包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、己基等。
本文所用术语“环烷基”指具有3-20个碳原子的饱和脂肪族环体系基团，包括但不限于环丙基、环戊基、环己基、环庚基等。
本文所用术语“烯基”指含有碳双键的单价直链或支链的2-20个碳原子的基团，其包括但不限于1-丙烯基、2-丙烯基、2-甲基-1-丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基等。
本文所用术语“炔基”指含有碳叁键的单价支链或支链的2-20个碳原子的基团，包括但不限于1-丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基等。
本文所用术语“芳基”指同素环芳香族基团，无论是一个环还是多个稠合环。芳基的实例包括但不限于苯基、萘基、菲基、并四苯基、芴基、芘基等。其他实例包括：
Figure BDA00002427431900091
萘-1-基    萘-2-基    蒽-1-基    蒽-2-基    蒽-9-基
Figure BDA00002427431900092
芘-1-基    二萘嵌苯-3-基   9H-芴-2-基
本文所用术语“烷芳基”或“烷基芳基”指烷基取代的芳基。烷芳基的实例包括但不限于乙基苯基、9,9-己二基-9H-芴等。
本文所用术语“芳烷基”或“芳基烷基”指芳基取代的烷基。芳烷基的实例包括但不限于苯丙基、苯乙基等。
本文所用术语“杂芳基”指其中一个或多个环原子是杂原子的芳香族环体系基团，不管是一个环还是多个稠合环。当存在两个或多个杂原子时，它们可以相同或不同。在稠合环体系中，一个或多个杂原子可以存在于仅一个环中。杂芳基的实例包括但不限于苯并噻唑基、苯并噁嗪基(benzoxazyl)、喹唑啉基、喹啉基、异喹啉基、喹喔啉基、吡啶基、哒嗪基、嘧啶基、吡嗪基、吡咯基、噁唑基、吲哚基、噻唑基等。取代的和未取代的杂芳基环的其他实例包括：
Figure BDA00002427431900093
吡啶-2-基    吡啶-4-基    2-氰基吡啶-5-基    哒嗪-3-基    哒嗪-4-基
Figure BDA00002427431900094
嘧啶-2-基    嘧啶-4-基    吡嗪-2-基    三嗪-2-基
Figure BDA00002427431900101
喹啉-2-基     喹啉-4-基     喹啉-6-基    异喹啉-1-基    喹唑啉-2-基
Figure BDA00002427431900102
喹唑啉-4-基   酞嗪-1-基     喹喔啉-2-基  萘啶-4-基      9H-嘌呤-6-基
Figure BDA00002427431900103
1H-吡咯-2-基  呋喃-2-基     噻吩-2-基
Figure BDA00002427431900104
吲哚-2-基     吲哚-3-基     吲哚-3-基
Figure BDA00002427431900105
苯并呋喃-2-基 苯并噻吩-2-基 9H-咔唑-2-基  二苯并呋喃-4-基 二苯并噻吩-4-基
本文所用术语“烷氧基”指通过--O--连接而共价结合于母体分子的直链或支链烷基。烷氧基的实例包括但不限于甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、丁氧基、正丁氧基、仲-丁氧基、叔丁氧基等。
本文所用术语“杂原子”指S(硫)、N(氮)和O(氧)。
本文所用术语“环状氨基”指环状部分中的仲胺或叔胺。环状氨基的实例包括但不限于吖丙啶基、哌啶基、N-甲基哌啶基等。
本文所用术语“环状亚氨基”指在两个羰基碳通过碳链而连接的基团中的亚胺。环状亚氨基的实例包括但不限于1,8-萘二甲酰亚胺、吡咯烷-2,5-二酮、1H-吡咯-2,5-二酮等。
本文所用术语“芳氧基”指通过--O--连接而共价结合于母体分子的芳基。
本文所用术语“酰氧基”指基团R-C(=O)O-。
本文所用术语“氨基甲酰基”指–NHC(=O)R。
本文所用术语“酮”和“羰基”指C=O。
本文所用术语“羧基”指–COOH。
本文所用术语“酯”指C(=O)O。
本文所用术语“胺基”指–NRC(=O)R’。
本文所用术语“氨基”指–NR’R”。
如本文所用，取代的基团来源于未取代的母体结构，其中已经用另一个原子或基团交换一个或多个氢原子。当取代时，取代基是一个或多个单独且独立地选自C1-C6烷基、C1-C6烯基、C1-C6炔基、C3-C7环烷基(任选地用卤素、烷基、烷氧基、羧基、卤代烷基、CN、-SO2-烷基、–CF3以及–OCF3取代的)、偕连接的环烷基、C1-C6杂烷基、C3-C10杂环烷基(如四氢呋喃基)(任选地用卤素、烷基、烷氧基、羧基、CN、-SO2-烷基、–CF3以及–OCF3取代的)、芳基(任选地用卤素、烷基、芳基取代的，所述芳基任选地用C1-C6烷基、芳烷基、烷氧基、芳氧基、羧基、氨基、亚氨基、胺基(氨基甲酰基)、任选取代的环状亚氨基、环状胺基、CN、-NH-C(=O)-烷基、–CF3以及–OCF3取代)，芳烷基(任选地用卤素、烷基、烷氧基、芳基、羧基、CN、-SO2-烷基、–CF3以及–OCF3取代的)，杂芳基(任选地用卤素、烷基、烷氧基、芳基、杂芳基、芳烷基、羧基、CN、-SO2-烷基、-CF3以及-OCF3取代的)、卤代(如氯代、溴代、碘代以及氟代)、氰基、羟基，任选取代的环状亚氨基、氨基、亚氨基、胺基、-CF3、C1-C6烷氧基、芳氧基、酰氧基、巯基(巯基(mercapto))、卤代(C1-C6)烷基、C1-C6烷硫基、芳硫基、单-和二-(C1-C6)烷基氨基、季铵盐、氨基(C1-C6)烷氧基、羟基(C1-C6)烷基氨基、氨基(C1-C6)烷硫基、氰基氨基、硝基、氨基甲酰基、酮(氧)基、羰基、羧基、羟乙酰基、甘氨酰基、肼基、脒基、胺磺酰基、磺酰基、亚磺酰基、硫代羰基、硫代羧基、磺酰胺、酯、C-酰胺、N-酰胺、N-氨基甲酸酯、O-氨基甲酸酯、脲以及其组合的基团。无论在什么地方以“任选取代的”描述取代基，则该取代基都可以用上述取代基取代。
式I-a和I-b
一些实施方案提供了具有下述结构之一的生色团：
Figure BDA00002427431900121
其中D1和D2是供电子基团，Li是电子供体连接物，并且A0和Ai是电子受体基团。在一些实施方案中，如果存在多于一个的电子供体基团，则其他电子供体基团可以被另一电子供体、氢原子或另一中性取代基占据。在一些实施方案中，D1、D2以及Li中至少一个是增强与之连接的2H-苯并[d][1,2,3]三唑系统的电子密度的基团。
在式I-a和I-b中，i是0-100的整数。在一些实施方案中，i是0-50、0-30、0-10、0-5或0-3的整数。在一些实施方案中，i是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在式I-a和I-b中，A0和Ai各自独立地选自任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的杂烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、任选取代的胺基、任选取代的环状胺基、任选取代的环状亚氨基、任选取代的烷氧基和任选地取代的羧基以及任选取代的羰基。
在一些实施方案中，A0和Ai各自独立地选自任选取代的杂芳基、任选取代的芳基、任选取代的环状亚氨基、任选取代的C1-8烷基以及任选取代的C1-8烯基；其中任选取代的杂芳基的取代基选自烷基、芳基以及卤素；任选取代的芳基的取代基是–NR1-C(=O)R2或任选取代的环状亚氨基，其中R1和R2如上文所述。
在一些实施方案中，A0和Ai各自独立地为被选自–NR1-C(=O)R2和任选取代的环状亚氨基的部分取代的苯基，其中R1和R2如上文所述。
在一些实施方案中，A0和Ai各自是任选取代的杂芳基或任选取代的环状亚氨基；其中任选取代的杂芳基和任选取代的环状亚氨基的取代基选自烷基、芳基以及卤素。在一些实施方案中，A0和Ai中的至少一个选自：任选取代的吡啶基、任选取代的哒嗪基、任选取代的嘧啶基、任选取代的吡嗪基、任选取代的三嗪基、任选取代的喹啉基、任选取代的异喹啉基、任选取代的喹唑啉基、任选取代的酞嗪基、任选取代的喹喔啉基、任选取代的萘啶基以及任选取代的嘌呤基。
在其他实施方案中，A0和Ai各自是任选取代的烷基。在其他实施方案中，A0和Ai各自是任选取代的烯基。在一些实施方案中，A0和Ai中至少一个选自：
Figure BDA00002427431900131
其中R是任选取代的烷基。
在式I-a和I-b中，A2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮、酯以及
Figure BDA00002427431900132
其中Ar是任选取代的芳基或任选取代的杂芳基。R1选自H、烷基、烯基、芳基、杂芳基、芳烷基、烷芳基；且R2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮以及酯；或R1和R2可以连接在一起而形成环。
在一些实施方案中，A2选自任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基和
Figure BDA00002427431900133
其中Ar、R1和R2如上文所述。
在式I-a和I-b中，D1和D2各自独立地选自氢、任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基、任选取代的烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、胺基、环状胺基以及环状亚氨基，条件是D1和D2两者不都是氢。
在一些实施方案中，D1和D2各自独立地选自氢、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基以及氨基，条件是D1和D2两者不都是氢。在一些实施方案中，D1和D2各自独立地选自氢、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基以及二苯基氨基，条件是D1和D2两者不都是氢。
在一些实施方案中，D1和D2各自独立地选自任选取代的芳基。在一些实施方案中，D1和D2各自独立地是被烷氧基或氨基任选取代的苯基。在其他实施方案中，D1和D2各自独立地选自氢、任选取代的苯并呋喃基、任选取代的噻吩基、任选取代的呋喃基、二氢噻吩二氧芑基(dihydrothienodioxinyl)、任选取代的苯并噻吩基以及任选取代的二苯并噻吩基，条件是D1和D2两者不都是氢。
在一些实施方案中，任选取代的芳基和任选取代的杂芳基的取代基可以选自烷氧基、芳氧基、芳基、杂芳基以及氨基。
在式I-a和I-b中，Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基。在一些实施方案中，Li选自任选取代的杂亚芳基和任选取代的亚芳基。
在一些实施方案中，Li中的至少一个选自1,2-亚乙烯基、亚乙炔基(acetylene)、1,4-亚苯基、1,1’-联苯-4,4’-二基、萘-2,6-二基、萘-1,4-二基、9H-芴-2,7-二基、二萘嵌苯-3,9-二基、二萘嵌苯-3,10-二基或芘-1,6-二基、1H-吡咯-2,5-二基、呋喃-2,5-二基、噻吩-2,5-二基、噻吩并[3,2-b]噻吩-2,5-二基、苯并[c]噻吩-1,3-二基、二苯并[b,d]噻吩-2,8-二基、9H-咔唑-3,6-二基、9H-咔唑-2,7-二基、二苯并[b,d]呋喃-2,8-二基、10H-吩噻嗪-3,7-二基以及10H-吩噻嗪-2,8-二基；其中每个部分都是任选取代的。
式II-a和II-b
一些实施方案提供了具有下述结构之一的生色团：
Figure BDA00002427431900151
其中i是0-100的整数。在一些实施方案中，i是0-50、0-30、0-10、0-5或0-3的整数。在一些实施方案中，i是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在式II-a和II-b中，Ar是任选取代的芳基或任选取代的杂芳基。在一些实施方案中，在2H-苯并[d][1,2,3]三唑环体系的N-2位置处被胺基或环状亚氨基取代的芳基提供了意料不到且改善的效果。
在式II-a和II-b中，R4是
Figure BDA00002427431900152
或任选取代的环状亚氨基；R1各自独立地选自H、烷基、烯基、芳基、杂芳基、芳烷基、烷芳基；R3各自独立地选自任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基；或R’和R”可以连接在一起而形成环。
在一些实施方案中，R4是选自以下的任选取代的环状亚氨基：
Figure BDA00002427431900153
Figure BDA00002427431900161
Figure BDA00002427431900162
且其中R’各自是任选取代的烷基或任选取代的芳基，且X是任选取代的杂烷基。
在式II-a和II-b中，R2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基。
在式II-a和II-b中，D1和D2各自独立地选自氢、任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基、任选取代的烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、胺基、环状胺基以及环状亚氨基，条件是D1和D2两者不都是氢。
在式II-a和II-b中，Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基。
在一些实施方案中，Li中至少一个选自1,2-亚乙烯基、亚乙炔基、1,4-亚苯基、1,1’-联苯-4,4’-二基、萘-2,6-二基、萘-1,4-二基、9H-芴-2,7-二基、二萘嵌苯-3,9-二基、二萘嵌苯-3,10-二基或芘-1,6-二基、1H-吡咯-2,5-二基、呋喃-2,5-二基、噻吩-2,5-二基、噻吩并[3,2-b]噻吩-2,5-二基、苯并[c]噻吩-1,3-二基、二苯并[b,d]噻吩-2,8-二基、9H-咔唑-3,6-二基、9H-咔唑-2,7-二基、二苯并[b,d]呋喃-2,8-二基、10H-吩噻嗪-3,7-二基以及10H-吩噻嗪-2,8-二基；其中每个部分都是任选地取代的。
式III-a和III-b
一些实施方案提供了具有下述结构之一的生色团：
在式(III-a)和(III-b)中的烷基在2H-苯并[d][1,2,3]三唑环体系N-2位置的布置以及取代的苯基在C-4和C-7位置的布置，提供了意料不到且改善的效果。在式III-a和III-b中，i是0-100的整数。在一些实施方案中，i是0-50、0-30、0-10、0-5或0-3的整数。在一些实施方案中，i是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在式III-a和III-b中，A0和Ai各自独立地选自任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的杂烷基、任选取代的胺基、任选取代的烷氧基、任选取代的羰基以及任选取代的羧基。
在一些实施方案中，A0和Ai各自独立地是未取代的烷基或被选自以下的部分取代的烷基：-NRR”、-OR、-COOR、-COR、-CONHR、-CONRR”、卤素以及-CN；其中R是C1-C20烷基，且R”是氢或C1-C20烷基。在一些实施方案中，任选取代的烷基可以是任选取代的C1-C40烷基。在一些实施方案中，A0和Ai各自独立地是C1-C40烷基或C1-C20卤代烷基。
在一些实施方案中，A0和Ai各自独立地是C1-C20卤代烷基、C1-C40芳烷基或C1-C20烯基。
在式III-a和III-b中，每个R5都独立地选自任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基以及氨基。在一些实施方案中，R5可以在正位或对位连接于苯基环。在一些实施方案中，R5独立地选自C1-C40烷氧基。
在式III-a和III-b中，A2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮、酯以及
Figure BDA00002427431900181
其中Ar是任选取代的芳基或任选取代的杂芳基，R1选自H、烷基、烯基、芳基、杂芳基、芳烷基、烷芳基；且R2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮以及酯；或R1和R2可以连接在一起而形成环。
在式III-a和III-b中，Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基。
在一些实施方案中，Li中至少一个选自1,2-亚乙烯基、亚乙炔基、1,4-亚苯基、1,1’-联苯-4,4’-二基、萘-2,6-二基、萘-1,4-二基、9H-芴-2,7-二基、二萘嵌苯-3,9-二基、二萘嵌苯-3,10-二基或芘-1,6-二基、1H-吡咯-2,5-二基、呋喃-2,5-二基、噻吩-2,5-二基、噻吩并[3,2-b]噻吩-2,5-二基、苯并[c]噻吩-1,3-二基、二苯并[b,d]噻吩-2,8-二基、9H-咔唑-3,6-二基、9H-咔唑-2,7-二基、二苯并[b，d]呋喃-2,8-二基、10H-吩噻嗪-3,7-二基以及10H-吩噻嗪-2,8-二基；其中每一部分都是任选取代的。
式IV
一些实施方案提供了具有下述结构的生色团：
Figure BDA00002427431900182
其中i是0-100的整数。在一些实施方案中，i是0-50、0-30、0-10、0-5或0-3的整数。在一些实施方案中，i是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在式IV中，Z和Zi各自独立地选自-O-、-S-、-Se-、-Te-、-NR6-、-CR6=CR6-以及-CR6=N-，其中R6是氢、任选取代的C1-C6烷基或任选取代的C1-C10芳基；以及
在式IV中，D1和D2独立地选自任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基、任选取代的烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、胺基、环状胺基以及环状亚氨基；j是0、1或2，以及k是0、1或2。在一些实施方案中，–C(=O)Y1和–C(=O)Y2基团可以连接于D1和D2的任选地取代的部分的取代基。
在式IV中，Y1和Y2独立地选自任选取代的芳基、任选取代的烷基、任选取代的环烷基、任选取代的烷氧基以及任选取代的氨基；以及
在式IV中，Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基。
在一些实施方案中，Li中至少一个选自1,2-亚乙烯基、亚乙炔基、1,4-亚苯基、1,1’-联苯-4,4’-二基、萘-2,6-二基、萘-1,4-二基、9H-芴-2,7-二基、二萘嵌苯-3,9-二基、二萘嵌苯-3,10-二基或芘-1,6-二基、1H-吡咯-2,5-二基、呋喃-2,5-二基、噻吩-2,5-二基、噻吩并[3,2-b]噻吩-2,5-二基、苯并[c]噻吩-1,3-二基、二苯并[b,d]噻吩-2,8-二基、9H-咔唑-3,6-二基、9H-咔唑-2,7-二基、二苯并[b，d]呋喃-2,8-二基、10H-吩噻嗪-3,7-二基以及10H-吩噻嗪-2,8-二基；其中每一部分都是任选取代的。
对于上述任何式中的Li，电子连接物表示共轭的电子体系，其可以是中性的或自身充当电子供体。在一些实施方案中，下文提供了一些实例，其可以含有或可不含有其他连接的取代基。
1,2-亚乙烯基    亚乙炔基       1,4-亚苯基       1,1’-联苯-4,4’-二基
Figure BDA00002427431900192
萘-2,6-二基     萘-1,4-二基    9H-芴-2,7-二基
Figure BDA00002427431900201
二萘嵌苯-3,9-二基   二萘嵌苯-3,10-二基      芘-1,6-二基等。
Figure BDA00002427431900202
1H-吡咯-2,5-二基             呋喃-2,5-二基             噻吩-2,5-二基
Figure BDA00002427431900203
噻吩并[3,2-b]噻吩-2,5-二基   苯并[c]噻吩-1,3-二基      二苯并[b,d]噻吩-2,8-二基
Figure BDA00002427431900204
9H-咔唑-3,6-二基             二苯并[b,d]呋喃-2,8-二基  10H-吩噻嗪-3,7-二基等。
式V-a和V-b
一些实施方案提供了下述通式(V-a)或通式(V-b)所示的二萘嵌苯二酯衍生物：
Figure BDA00002427431900205
Figure BDA00002427431900211
其中式(I)中的R1和R1’各自独立地选自氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C2-C10烷氧基烷基、C6-C18芳基以及C6-C20芳烷基；式(I)中的m和n各自独立地为1-5；且式(II)中的R2和R2’各自独立地选自C6-C18芳基和C6-C20芳烷基。在实施方案中，如果式(II)上的一个氰基存在于二萘嵌苯环的4位上，则其他氰基不存在于二萘嵌苯环的10位上。在实施方案中，如果式(II)上的一个氰基存在于二萘嵌苯环的10位上，则其他氰基不存在于二萘嵌苯环的4位上。
在实施方案中，R1和R1’独立地选自氢、C1-C6烷基、C2–C6烷氧基烷基以及C6–C18芳基。在实施方案中，R1和R1’各自独立地选自异丙基、异丁基、异己基、异辛基、2-乙基-己基、二苯基甲基、三苯甲基以及二苯基。在实施方案中，R2和R2’独立地选自二苯基甲基、三苯甲基以及二苯基。在实施方案中，式(I)中的每个m和n都独立地为1-4。
在一些实施方案中，封装结构的发光波长转换材料还包含一种或多种敏化剂。在一些实施方案中，敏化剂包括纳米颗粒、纳米金属、纳米线或碳纳米管。在一些实施方案中，敏化剂包括富勒烯。在一些实施方案中，富勒烯选自任选取代的C60、任选取代的C70、任选取代的C84、任选取代的单壁碳纳米管以及任选取代的多壁碳纳米管。在一些实施方案中，富勒烯选自[6,6]-苯基-C61-丁酸-甲酯、[6,6]-苯基-C71-丁酸-甲酯以及[6,6]-苯基-C85-丁酸-甲酯。在一些实施方案中，敏化剂选自任选取代的酞菁、任选取代的二萘嵌苯、任选取代的卟啉以及任选取代的三萘嵌苯(terrylene)。在一些实施方案中，封装结构的发光波长转换材料还包含敏化剂的组合，其中敏化剂的组合选自任选取代的富勒烯、任选取代的酞菁、任选取代的二萘嵌苯、任选取代的卟啉以及任选取代的三萘嵌苯。
在一些实施方案中，封装结构的发光波长转换材料所包含的敏化剂的量基于组合物的总重量为约0.01%至约5%重量比。
在一些实施方案中，封装结构的发光波长转换材料还包含一种或多种增塑剂。在一些实施方案中，增塑剂选自N-烷基咔唑衍生物和三苯胺衍生物。
在一些实施方案中，发光波长转换材料的组合物还包含UV稳定剂、抗氧化剂或吸收剂。在一些实施方案中，纯聚合物封装的组合物还包含UV稳定剂、抗氧化剂或吸收剂。
在一些实施方案中，用作环境罩的玻璃板或塑料板还可以包含强UV吸收剂以阻止有害的高能辐射。在一些实施方案中，其他材料或层也可以用于结构中，例如玻璃板、反射背板、边缘密封带、边框材料、聚合物材料或将其他层粘附于系统的粘附层。
本发明的另一方面涉及改善太阳能电池、太阳能灯串、太阳能电池板或光伏装置的性能的方法，所述方法包括用本文公开的封装结构封装所述装置。
在所述方法一些实施方案中，太阳能电池板包括至少一个光伏装置或太阳能电池，其包括硫化镉/碲化镉太阳能电池。在一些实施方案中，光伏装置或太阳能电池包括联硒化铜铟镓太阳能电池。在一些实施方案中，光伏电池或太阳能电池包括III-V或II-VI PN结装置。在一些实施方案中，光伏电池或太阳能电池包括有机敏化剂装置。在一些实施方案中，光伏电池或太阳能电池包括有机薄膜装置。在一些实施方案中，光伏装置或太阳能电池包括非晶硅(a-Si)太阳能电池。在一些实施方案中，光伏装置或太阳能电池包括微晶硅(μc-Si)太阳能电池。在一些实施方案中，光伏装置或太阳能电池包括晶体硅(c-Si)太阳能电池。
在所述方法一些实施方案中，也可以将额外的材料层用于封装结构中。例如，可以用玻璃板或塑料板来提供额外的环境保护。背板可以用于提供未被太阳能电池吸收的光子的反射和/或折射。粘附层可能也是需要的。例如，发光波长转换材料与玻璃板之间的粘附层，用于将这个两个层粘附在一起。还可以包括其他层以进一步提高太阳能模组的光电转换效率。例如，可以将微结构层提供于封装结构的顶部上或提供于发光波长转换材料与玻璃板之间，所述微结构被设计为通过降低光子到环境的损失而进一步提高太阳能模组的日光采集效率，所述光子在吸收和波长转换后，通常从生色团中以离开太阳能模组装置的光电转换层的方向再发射。表面上具有各种微结构(即角锥体或圆锥体)的层可以增加光子到太阳能电池装置的光电转换层的内部反射和折射，从而进一步提高所述装置的日光采集效率。
日光采集装置还可以是刚性的或柔性的。例如，刚性装置包括基于硅的太阳能电池。柔性太阳能装置经常由有机薄膜制成，并且可以用于服装、帐篷或其他柔性基材上。因此，在一些实施方案中，可以将封装结构应用于刚性装置或柔性装置。
图1示出封装结构的实施方案，其包括通过使用发光波长转换材料101的膜将电池层合在两侧上而封装的单个太阳能电池装置100，发光波长转换材料包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102。玻璃或塑料膜可以用作环境保护罩103，且用密封带104将侧面封住以防止氧和水分的进入。
图2示出封装结构的另一实施方案，其显示了通过使用发光波长转换材料101的膜将电池层合在两侧上而封装的多个太阳能电池装置100，发光波长转换材料包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102，其中玻璃或塑料膜用作环境保护罩103，且用密封带104将侧面封住以防止氧和水分进入。
图3示出封装结构的另一实施方案，其显示了通过使用纯聚合物封装105将电池层合在两侧上、接着将发光波长转换材料101层合在纯聚合物封装的顶部上而封装的多个太阳能电池装置100。发光波长转换材料101包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102，并且其中玻璃或塑料膜用作环境保护罩103，且用密封带104将侧面封住以防止氧和水分进入。
图4示出封装结构的另一实施方案，其显示了通过使用发光波长转换材料101的膜将电池层合在光入射表面上而封装的多个太阳能电池装置100，发光波长转换材料包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102。背板106用于太阳能电池之下，玻璃或塑料膜用作环境保护罩103，且用密封带104将侧面封住以防止氧和水分进入。
图5示出封装结构的另一实施方案，其显示了通过使用纯聚合物封装105将电池层合在两侧上、接着将发光波长转换材料101层合在纯聚合物封装的顶部上而封装的多个太阳能电池装置100。发光波长转换材料包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102。背板106用于太阳能电池之下，玻璃或塑料膜用作环境保护罩103，且用密封带104将侧面封住以防止氧和水分进入。
图6示出封装结构的另一实施方案，其显示了通过使用纯聚合物封装105将电池层合在一侧上、接着将发光波长转换材料101层合在纯聚合物封装的顶部上而封装的多个太阳能电池装置100。发光波长转换材料101包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102。含有阻止有害高能辐射的UV吸收剂的额外的纯聚合物封装层105被层合在发光波长转换材料的顶部上，并且玻璃或塑料膜用作环境保护罩103，且用密封带104将侧面封住以防止氧和水分进入。
图7示出封装结构的另一实施方案，其显示了封装在发光波长转换材料101中的单个太阳能电池装置100，发光波长转换材料包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102，并且其中发光波长转换材料还发挥防止氧和水分渗透到电池的环境保护作用。
图8示出封装结构的另一实施方案，其显示了封装在发光波长转换材料101中的多个太阳能电池装置100，发光波长转换材料包含光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102，并且其中发光波长转换材料还发挥防止氧和水分渗透到电池的环境保护作用。
图9示出封装结构的另一实施方案，其显示了通过使用纯聚合物封装105将电池层合在光入射侧、接着将发光波长转换材料101层合在纯聚合物封装的顶部上而封装的多个太阳能电池装置100。发光波长转换材料101包括光学透明的聚合物基质和至少一种生色团102，并且其中发光波长转换材料还发挥防止氧和水分渗透到电池的环境保护作用。玻璃或塑料膜用作底部环境保护罩103，且用密封带104将侧面封住以防止氧和水分进入。
图10示出封装结构的另一实施方案，其显示了用多个太阳能电池装置100构造的太阳能电池板，发光波长转换材料101封装太阳能电池装置，玻璃底板103和玻璃顶板103用作环境保护罩103，背板106位于底部玻璃板之下，且边框107将模组保持在一起。
图11示出封装结构的另一实施方案，其显示了用多个太阳能电池装置100构造的太阳能电池板，发光波长转换材料101封装太阳能电池装置，背板106位于太阳能电池装置的光入射表面之下，玻璃顶板103粘附于模组的顶部，且边框107将模组保持在一起。
在一些实施方案中，通过以下方式将包含至少一种生色团和光学透明聚合物基质的发光波长转换材料应用于太阳能电池装置：首先合成液体或凝胶形式的染料/聚合物溶液，利用本申请的标准方法，如旋转涂布或落模铸造，将染料/聚合物溶液应用于布置在可拆基板上的太阳能电池基质，接着将染料/聚合物溶液固化成固体形式(即热处理、UV暴露等)，如可以通过配方设计所确定的。
在另一实施方案中，通过以下方式将包含至少一种生色团和光学透明聚合物基质的发光波长转换材料应用于太阳能电池装置：首先合成染料/聚合物薄膜，接着利用光学透明且光稳定的粘附剂和/或层合机将染料/聚合物薄膜粘附于太阳能电池装置。可以将染料/聚合物薄膜首先应用于太阳能电池的顶部上，接着应用于太阳能电池的底部上，从而完全封装电池。还可以仅将染料/聚合物薄膜应用于顶面，其中太阳能电池的底表面固定于基板，如背板，并将染料/聚合物薄膜应用于太阳能电池的顶面以及不使太阳能电池与其连接的的基板部分。
形成封装结构的合成方法并无限制。发光波长转换材料的合成方法并无限制，但是可以遵循下文详述的方案1和方案2所述的示例性步骤。
方案1：形成WLC材料的湿加工通用步骤
在一些实施方案中，将包含至少一种生色团102和光学透明聚合物基质的发光波长转换材料101制造成膜结构。波长转换层通过以下方式制造：(i)用以预定比例制备具有溶解于诸如四氯乙烯(TCE)、环戊酮、二氧己环等溶剂中的聚合物粉末的聚合物溶液；(ii)通过将聚合物溶液与生色团以预定重量比混合制备含有聚合物混合物的生色团溶液以获得含有染料的聚合物溶液，(iii)直接将含有染料的聚合物溶液浇铸在玻璃基材上，接着在2小时内从室温到高达100°C热处理所述基材，通过130°C进一步过夜真空加热完全除去剩余的溶剂，从而形成染料/聚合物膜，以及(iv)在使用之前，在水中剥离染料/聚合物膜，接着干燥自立(free-standing)的聚合物膜；(v)通过改变染料/聚合物溶液浓度和蒸发速度，可以将膜厚度控制在1μm至1mm。
方案2：用于形成WLC材料的干加工通用步骤
在一些实施方案中，将包含至少一种生色团102和光学透明聚合物基质的发光波长转换材料101制造成膜结构。波长转换层通过以下方式制造：(i)在一定温度下，利用混合器以预定比例将聚合物粉末或颗粒与生色团粉末混合；(ii)在一定温度下，将混合物脱气1-8小时；(iii)接着利用挤出机形成层；(v)挤出机将层厚度控制在1μm至1mm。
一旦形成发光波长转换封装膜，则利用光学透明且光稳定的粘附剂，将其粘附于太阳能模组装置。
为了概括本发明的各方面和相对于相关技术而实现的优点，本公开描述了本发明的某些目标和优点。当然，应当理解到，本发明的任何具体实施方案不一定可以实现所有这类目标或优点。因此，例如，本领域技术人员应当认识到，本发明可以以实现或优化本文所教导的一种优点或一组优点的方式体现或执行，而不必实现本文所教导或提出的其他目标或优点。
根据下面详述的实施例，本发明的其他方面、特征和优点将会显而易见。
实施例
下述实施方案并非意图限制本发明。在本公开中，除非另有说明，所列的取代基包括进一步取代的和未被取代的基团。此外，在本公开中，如未指定条件和/或结构，则本领域技术人员根据本文教导应当能轻易地提供这类条件和/或结构。
生色团的合成
化合物1和2
根据下述方案，进行生色团的合成：
Figure BDA00002427431900271
在氩气中搅拌4,7-二溴苯并[2,1,3]噻二唑(13.2g,45mmol)、4-(N，N-二苯胺)苯基硼酸(30.0g,104mmol)、碳酸钠(21.2g,200mmol)的水(80mL)溶液、四(三苯基膦)钯(0)(5.0g,4.3mmol)、正丁醇(800mL)以及甲苯(400mL)的混合物，并在100°C下加热20小时。在冷却至室温后，用水(600mL)稀释混合物，并搅拌2小时。最后用甲苯(2L)提取反应混合物，并在减压条件下除去挥发物。用硅胶和己烷/二氯甲烷(1:1)作为洗脱机，对残留物进行层析，从而获得26.96g(43.3mmol,96%)的4,7-双[N，N-二苯基氨基)苯基)]苯并[2,1,3]噻二唑(中间体A)。
向在氩气下搅拌且在冰/水浴中冷却的中间体A(22.0g,35.3mmol)的二氯甲烷(800mL)溶液分批添加4-叔丁基苯甲酰氯(97.4mL,500mmol)和氯化锌的二乙醚(700mL,700mmol)的1M溶液。44°C将获得的混合物搅拌并加热68小时。将反应混合物倒入碎冰(2kg)中、搅拌、用饱和碳酸钠处理至pH 8，用二氯甲烷(2L)稀释，并且在大气压力下通过烧结玻璃漏斗过滤。分离二氯甲烷层，用硫酸镁干燥，并且蒸发溶剂。残留物柱层析(硅胶，己烷/二氯甲烷/乙酸乙酯,48:50:2)，然后从乙醇再结晶获得纯发光染料化合物1作为初馏分，7.72g(28%)。1H NMR(400MHz,CDCl3)：δ7.94(d,2H,J=7.3Hz),7.87(d,2H,J=7.7Hz),7.74(m,6H),7.47(d,2H,J=7.3Hz),7.36(t,2H,J=7.3Hz),7.31(d,2H,J=7.3Hz),7.27(m,6H),7.19(m,7H),7.13(d,2H,J=7.7Hz),7.06(t,2H,J=7.3Hz),1.35(s,9H).UV-vis光谱：λmax=448nm(二氯甲烷),456nm(PVB膜)。荧光测定：λmax=618nm(二氯甲烷),562nm(PVB膜)。
第二馏分产生生色团化合物2,12.35g(37%产率)。1H NMR(400MHz,CDCl3)：δ7.95(d,4H,J=8.4Hz),7.79-7.73(m,10H),7.48(d,4H,J=7.7Hz),7.36(t,4H,J=7.7Hz),7.31(d,4H,J=8.4Hz),7.25(d,4H,J=7.7Hz),7.18(t,J=7.3,2H,Ph),7.14(d,4H,J=8.8Hz),1.35(s,18H)。UV-vis光谱：λmax=437nm(二氯甲烷),455nm(PVB膜)。荧光测定：λmax=607nm(二氯甲烷),547nm(PVB膜)。
中间体B
以两步法合成共同中间体B。
Figure BDA00002427431900281
步骤1：2-(4-硝基苯基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑的合成
在氩气下将4-硝基氯苯(55.0g,349mmol)、苯并三唑(50.0g,420mmol)、碳酸钾(200g,500mmol)和NMP(500mL)的混合物搅拌并在130°C下加热5小时。利用薄层层析，监测反应进程。将反应混合物倒入碎冰(2kg)中。在所有的冰融化后，过滤掉固体，并用水(200mL)洗涤。将产物悬浮于甲醇(1.5L)中，搅拌30分钟。过滤掉晶体并在真空干燥箱中干燥。利用硅胶和乙酸乙酯(1%)的甲苯热溶液作为洗脱剂进行柱层析，获得2-(4-硝基苯基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑(24.24g,30%产率)。1H NMR(400MHz,CDCl3)：δ8.57(d,J=9.2Hz,2H,4-硝基苯基),8.44(d,J=9.2Hz,2H,4-硝基苯基),7.93(m,2H,苯并三唑),7.47(m,2H,苯并三唑)。
步骤2：4,7-二溴-2-(4-硝基苯基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑(中间体B)的合成
在与Hbr阱连接的回流冷凝器中，将2-(4-硝基苯基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑(7.70g,31.2mmol)、溴(4.8mL,94mmol)和48%HBr(120mL)的混合物于130°C加热20小时。将反应混合物倒入碎冰(800g)上，用5%的Na2SO3溶液脱色，并在室温下静置2小时。过滤沉淀，并用水(200mL)洗涤，随后用2%NaHCO3(200mL)洗涤，接着再用水(200mL)洗涤。在真空干燥箱中干燥材料，从而获得4,7-二溴-2-(4-硝基苯基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑(中间体B,13.47g)，其纯度为90%。产率为97%。1H NMR(400MHz,CDCl3)：δ8.65(m,2H,4-硝基苯基),8.44(m,2H,4-硝基苯基),7.54(s,2H,苯并三唑)。
中间体C
利用下述反应方案合成中间体C。
Figure BDA00002427431900301
将中间体B(3.98g,10.0mmol)、4-异丁氧基苯基硼酸(5.00g,25.7mmol)、碳酸钠(5.30g,50mmol)水(40mL)溶液、四(三苯基膦)钯(0)(2.00g)、正丁醇(60mL)以及甲苯(30mL)的混合物在氩气下搅拌并于100°C下加热4小时。将反应混合物倒入水(200mL)中、搅拌30分钟，并用甲苯(500mL)提取。将提取物用水(200mL)洗涤、浓缩至100mL体积，并用二氯甲烷(200mL)和甲醇(200mL)稀释。以50psi用10%Pd/C(2g)将获得的溶液氢化20分钟，通过Celite层过滤，并在减压条件下除去溶剂。对残留物进行层析(硅胶，己烷/二氯甲烷/乙酸乙酯,35:50:5)，从而获得4,7-双(4-异丁氧基苯基)-2-(4-氨基苯基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑(中间体C)(3.80g,75%)。1H NMR(400MHz,CDCl3)：δ8.22(d,J=8.4Hz,2H,4-氨基苯基),8.09(d,J=8.7Hz,4H,4-i-BuOC6H4),7.57(s,2H,苯并三唑),7.06(d,J=8.7Hz,4H,4-i-BuOC6H4),6.79(d,J=8.5Hz,2H,4-氨基苯基),3.90(bs,2H,NH2),3.81(d,J=6.6Hz,4H,i-BuO),2.14(m,2H,i-BuO),1.06(d,J=7.0Hz,12H,i-BuO)。
化合物3
根据下述反应方案合成化合物3：
Figure BDA00002427431900311
中间体C(0.92g,1.82mmol)、3,3-二甲基戊二酸酐(284mg,2.0mmol)的1,2-二氯乙烷(20mL)溶液在回流冷凝器中于80°C加热20小时。在冷却至室温后，添加乙酰氯(0.28mL,4.0mmol)，并且将混合物于80°C加热1小时。用二氯甲烷(200mL)稀释反应混合物，并用饱和NaHCO3(100mL)洗涤。用MgSO4干燥溶液，并在减压条件下除去挥发物。利用柱层析(硅胶，己烷/二氯甲烷/乙酸乙酯,37:60:3)纯化粗产物，并从乙醇中结晶，从而获得黄色细针状的1-(4-(4,7-双(4-异丁氧基苯基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑-2-基)苯基)-4,4-二甲基哌啶-2,6-二酮(化合物3,551mg,48%产率)。1H NMR(400MHz,CDCl3)：δ8.53(d,J=8.8Hz,2H,4-亚氨基苯基),8.08(d,J=8.8Hz,4H,4-i-BuOC6H4),7.61(s,2H,苯并三唑),7.26(d,J=8.8Hz,2H,4-亚氨基苯基),7.07(d,J=8.8Hz,4H,4-i-BuOC6H4),3.82(d,J=6.6Hz,4H,i-BuO),2.72(s,4H,4,4-二甲基哌啶-2,6-二酮),2.14(m,2H,i-BuO),1.24(s,6H,4,4-二甲基哌啶-2,6-二酮),1.06(d,J=7.0Hz,12H,i-BuO)。UV-vis光谱(PVB)：λmax=388nm。荧光测定(PVB)：λmax=478nm。
实施例1
通过以下方式制造波长转换层：(i)制备20wt%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)(来自Aldrich，且按收到时的原样使用)，其具有在环戊酮中溶解的聚合物粉末；(ii)通过将PVB聚合物溶液与合成的化合物1以0.3wt%的重量比(以化合物1/PVB)混合而制备含有生色团的PVB基质，以获得含有生色团的聚合物溶液；(iii)通过直接将含有染料的聚合物溶液浇铸在玻璃基板上，接着在室温至高达100°C热处理基板2小时，通过于130°C进一步过夜真空加热，完全除去残留的溶剂，从而形成染料/聚合物膜；以及(iv)在使用之前，在水中剥离染料/聚合物膜，接着干燥自立的聚合物膜。在使膜干燥以后，可以将其热压成厚度为约500μm的发光波长转换板。
那么，在一些实施方案中，在真空下，于130°C将发光波长转换板、商用5英寸单晶硅太阳能电池以及纯PVB聚合物封装层合于约3mm厚度的玻璃板上，用发光波长转换板作为前表面，这与图8所示的结构相似。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，所实现的相对提高为约12.5%。
实施例2
利用与实施例1所给予的相同方法，合成实施例2，除了使用化合物2而不是化合物1，且使用纯乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)聚合物封装而不是纯PVB聚合物封装外。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，观察到相对提高为约8.9%。
实施例3
与实施例2相似，合成实施例3，除了结构被层合于两个约3mm厚的玻璃板之间，这与图3所示的结构相似，其中层的顺序如下：顶玻璃板、发光波长转换板、封装于纯EVA聚合物中的太阳能电池以及底部玻璃板。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，观察到相对提高为约7.5%。
实施例4
与实施例2相似，合成实施例4，除了将结构层合于约3mm厚的玻璃板和背板(254μm厚的MadicoTFB PV背板，由Madico,Inc.制造)之外，所述结构与图5所示结构相似，其中层的顺序为：顶玻璃板、发光波长转换板、封装于纯EVA聚合物中的太阳能电池以及背板。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，观察到相对提高为约7.8%。
实施例5
与实施例3相似，合成实施例5，除了将化合物3以0.1%的重量比(化合物3/EVA)用于波长转换层中，且使用1英寸×1英寸的晶体硅太阳能电池，而不是5英寸×5英寸的单晶硅太阳能电池之外。将结构层合两个约3mm厚的玻璃板之间，这与图3所述的结构形似，其中层的顺序如下：顶玻璃板、发光波长转换板、封装于纯EVA聚合物中的太阳能电池以及底部玻璃板。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，观察到相对提高为约2.6%。
实施例6
与实施例5相似，合成实施例6，除了将化合物3以0.2%的重量比(化合物3/EVA)用于波长转换层中之外。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，观察到相对提高为约2.8%。
实施例7
与实施例5相似，合成实施例7，除了将化合物3以0.3%的重量比(化合物3/EVA)用于波长转换层中之外。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，观察到相对提高为约1.6%。
比较实施例8
除了未使用发光化合物，与实施例5相似，合成实施例8，其中层的顺序如下：顶玻璃板、纯EVA板、封装于EVA聚合物中的太阳能电池以及底部玻璃板。在层合之前和之后，测量太阳能电池的输出，观察到相对提高为约0.7%。
本发明的目标是提供适合封装太阳能电池、光伏装置、太阳能模组以及太阳能电池板的包含发光波长转换材料的封装结构。如上述实施例所说明的，该材料的使用提高了太阳能电池光转换效率。
为了概括本发明的各方面和相对于相关技术而实现的优点，本公开描述了本发明的某些目标和优点。当然，应当理解到，本发明的任何具体实施方案不一定能实现所有这类目标或优点。因此，例如，本领域技术人员应当认识到，本发明可以以实现或优化本文所教导的一种优点或一组优点的方式体现或执行，而不必实现本文所教导或提出的其他目标或优点。本领域技术人员应当认识到，在未偏离本发明精神的情况下，可以进行许多不同的修饰。因此，应当清楚地认识到，本发明的形式仅是示例性的，并且并非意图限制本发明的范围。

Claims (26)

1.用于太阳能转换装置的封装结构，其包括：
发光波长转换材料，其包含至少一种生色团和光学透明的聚合物基质；以及
其中所述发光波长转换材料被设置为封装所述太阳能转换装置且抑制水分和氧渗透到所述太阳能转换装置。
2.如权利要求1所述的封装结构，其中所述至少一种生色团由式(I-a)或(I-b)表示：
Figure FDA00002427431800011
其中
i是0-100的整数；
A0和Ai各自独立地选自任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的杂烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、任选取代的胺基、任选取代的环状胺基、任选取代的环状亚氨基、任选取代的烷氧基、任选取代的羧基以及任选取代的羰基；
A2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮、酯以及
Figure FDA00002427431800012
其中Ar是任选取代的芳基或任选取代的杂芳基；R1选自H、烷基、烯基、芳基、杂芳基、芳烷基以及烷芳基；R2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮以及酯；或R1和R2可以连接在一起而形成环；
D1和D2各自独立地选自氢、任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基、任选取代的烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、胺基、环状胺基以及环状亚氨基，条件是D1和D2两者不都是氢；以及
Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基以及任选取代的杂亚芳基。
3.如权利要求2所述的封装结构，其中所述至少一种生色团还由式(II-a)或(II-b)表示：
Figure FDA00002427431800021
其中
i是0-100的整数；
Ar是任选取代的芳基或任选取代的杂芳基；
R4是
Figure FDA00002427431800022
或任选取代的环状亚氨基；
R1各自独立地选自H、烷基、烯基、芳基、杂芳基、芳烷基以及烷芳基；
R3各自独立地选自任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的芳基以及任选取代的杂芳基；或R’和R”可以连接在一起而形成环；
R2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基以及任选取代的杂亚芳基；
D1和D2各自独立地选自氢、任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基、任选取代的烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、胺基、环状胺基以及环状亚氨基，条件是D1和D2两者不都是氢；以及
Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基以及任选取代的杂亚芳基。
4.如权利要求2所述的封装结构，其中所述至少一种生色团还由式(III-a)或(III-b)表示：
Figure FDA00002427431800031
其中
i是0-100的整数；
A0和Ai各自独立地选自任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的杂烷基、任选取代的胺基、任选取代的烷氧基、任选取代的羰基以及任选取代的羧基；
每个R5独立地选自任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基以及氨基；
A2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮、酯以及
Figure FDA00002427431800032
其中Ar是任选取代的芳基或任选取代的杂芳基；R1选自H、烷基、烯基、芳基、杂芳基、芳烷基以及烷芳基；以及R2选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚芳基、任选取代的杂亚芳基、酮以及酯；或R1和R2可以连接在一起而形成环；以及
Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基以及任选取代的杂亚芳基。
5.如权利要求1所述的封装结构，其中所述至少一种生色团由式(IV)表示：
其中，
i是0-100的整数；
Z和Zi各自独立地选自–O–、–S–、–Se–、–Te–、–NR6–、–CR6=CR6–以及–CR6=N–，其中R6是氢、任选取代的C1-C6烷基以及任选取代的C1-C10芳基；以及
D1和D2独立地选自任选取代的烷氧基、任选取代的芳氧基、任选取代的酰氧基、任选取代的烷基、任选取代的芳基、任选取代的杂芳基、任选取代的氨基、胺基、环状胺基以及环状亚氨基；
j是0、1或2，以及k是0、1或2；
Y1和Y2独立地选自任选取代的芳基、任选取代的烷基、任选取代的环烷基、任选取代的烷氧基以及任选取代的氨基；以及
Li独立地选自任选取代的亚烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的亚芳基以及任选取代的杂亚芳基。
6.如权利要求1所述的封装结构，其中所述至少一种生色团由式(V-a)或式(V-b)表示：
Figure FDA00002427431800051
其中式(I)中的R1和R1’各自独立地选自氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C1-C10烷氧基、C6-C18芳基以及C6-C20芳烷基；式(I)中的m和n各自独立地是1、2、3、4或5；且式(II)中的R2和R2’各自独立地选自C6-C18芳基和C6-C20芳烷基。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的封装结构，其中所述封装结构包含两种或多种生色团。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的封装结构，其中所述光学透明的聚合物基质包含一种或多种聚合物。
9.如权利要求8所述的封装结构，其中所述聚合物选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯醋酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚酰亚胺、无定形聚碳酸酯、聚苯乙烯、硅氧烷溶胶-凝胶、聚氨酯、聚丙烯酸酯以及其组合。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的封装结构，其中所述聚合物基质的折射率为约1.4至约1.7。
11.如权利要求1至10中任一权利要求所述的封装结构，其中所述生色团以约0.01wt%至约3wt%的量存在于所述聚合物基质中。
12.如权利要求1至11中任一权利要求所述的封装结构，其中所述发光波长转换材料还包含一种或多种敏化剂。
13.如权利要求12所述的封装结构，其中所述敏化剂选自任选取代的富勒烯、任选取代的酞菁、任选取代的二萘嵌苯、任选取代的卟啉以及任选取代的三萘嵌苯。
14.如权利要求12至13中任一权利要求所述的封装结构，其中基于所述发光波长转换材料的总重量，敏化剂以约0.01%至约5%重量比的量而存在。
15.如权利要求12至14中任一权利要求所述的封装结构，其中所述敏化剂包括纳米颗粒、纳米金属、纳米线或碳纳米管。
16.如权利要求12至15中任一权利要求所述的封装结构，其中所述敏化剂包括富勒烯。
17.如权利要求1至16中任一权利要求所述的封装结构，其中所述发光波长转换材料的组合物还包含一种或多种增塑剂。
18.如权利要求17所述的封装结构，其中所述增塑剂选自N-烷基咔唑衍生物和三苯胺衍生物。
19.如权利要求1至18中任一权利要求所述的封装结构，其中所述发光波长转换材料还包含UV稳定剂、抗氧化剂和/或吸收剂。
20.如权利要求1至19中任一权利要求所述的封装结构，其还包括一种或多种玻璃板、反射背板、边缘密封带、边框材料、聚合物封装材料或将额外的层粘附于所述系统的粘附层。
21.如权利要求1至20中任一权利要求所述的封装结构，其还包括含UV吸收剂的额外的聚合物层。
22.用于太阳能转换装置的封装结构，其包括：
发光波长转换材料，其包含至少一种生色团和光学透明的聚合物基质；
环境保护罩，其被设置为抑制水分和氧渗透到所述发光波长转换材料和所述太阳能转换装置中；以及
其中所述发光波长转换材料和所述环境保护罩被设置为封装所述太阳能转换装置，从而光在到达所述太阳能转换装置之前必须穿过所述发光波长转换材料和所述环境保护罩。
23.如权利要求22所述的封装结构，其中所述环境保护罩包括玻璃层或塑料层。
24.如权利要求22至23中任一权利要求所述的封装结构，其还包括位于所述太阳能转换装置周长周围的密封带。
25.改善太阳能转换装置的性能的方法，其包括用权利要求1至24中任一权利要求所述的封装结构封装所述装置。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述太阳能转换装置包括至少一种选自III-V或II-VI PN结装置、铜-铟-镓-硒(CIGS)薄膜装置、有机敏化剂装置、有机薄膜装置、硫化镉/碲化镉(CdS/CdTe)薄膜装置、无定形硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池以及晶体硅太阳能电池的装置。
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