CN103999241A - 具有纳米结构化发光层的发光太阳能集中器 - Google Patents

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Abstract

一种发光太阳能集中器，包括：用于在至少一个工作模式中转换入射光(16)的至少一个发光器件(12)，其中该发光器件(12)具有至少一个纳米结构化层(34)和至少一个发光构件(14)，并且其中该纳米结构化层(34)紧邻该发光构件(14)；以及至少一个光导件(18)，其设计成通过全内反射在一方向上引导光。

Description

具有纳米结构化发光层的发光太阳能集中器
技术领域
本发明涉及发光太阳能集中器和具有至少一个发光太阳能集中器的光伏发电机。
背景技术
发光太阳能集中器(LSC)的原理在光伏发电机的领域中是公知的。玻璃或塑料板可含有或者可以涂覆有某种类型的发光材料，该发光材料吸收入射光并且发射波长更长的光。波长更长的发射光的一份额通过全内反射被陷捕在玻璃或塑料板内部并且被引导到边缘，所述光在该边缘被耦合到小面积的高效太阳能电池内。现有技术发光太阳能集中器比如描述于文献WO2010/023657A2。LSC是有希望的，因为它们是低成本的并且可以将太阳能电池的工作点偏移到更高光强。
由于不希望的损耗引起的它们低效率的原因，LSC尚未让它们的承诺成真。这些包括对太阳光的有限的吸收，对所发射的发光的再吸收以及不通过全内反射被陷捕的光的逃逸。
包括利用由入射光激励的表面等离子体极化声子来调整所发射光的波长依存性的纳米结构化层的等离子体器件在本领域中是已知的。比如，文献US2010/0259826A1描述在硅和聚合物衬底中的纳米结构图案，该纳米结构涂覆有能够支持等离子体波的材料，例如，比如金、银、铬、钛、铜和铝的导电材料。纳米结构被描述成表现出太阳光谱中光的波长量级的特征间距离。
期望将LSC构思的优点与由纳米结构化层提供的有关发射特性设计控制的选项结合，从而提高光伏发电机的效率。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种有关通过全内反射陷捕光以及有关对所发射光的最小化的再吸收而具有提高效率的发光太阳能集中器。
在本申请中，术语“光”、“电磁波”和“辐射”被同义地使用，并且指波长从紫外区域之下延伸到红外区域之上的电磁波连续谱的一部分，其基本上由400-1000纳米(nm)的区间来表征。
在本发明的一个方面中，该目的是通过一种发光太阳能集中器实现，该发光太阳能集中器包括：用于在至少一个工作模式中转换入射光的至少一个发光器件，其中该发光器件具有至少一个纳米结构化层和至少一个发光构件，并且其中该纳米结构化层紧邻(close proximity)该发光构件；以及至少一个光导件，其设计成通过全内反射在一方向上引导光。
如本申请中使用的短语“发光(luminescent)”应具体被理解为包括磷光的特征并且也包括荧光的特征。如本申请中使用的短语“紧邻”应具体被理解为纳米结构化层和发光构件之间的距离，该距离为入射和/或发射光的波长的量级。典型地，此距离因而应小于700nm，优选地小于500nm，甚至更优选小于400nm。紧邻因此还包括其中发光构件应用在纳米结构化层的表面上的情形。它还包括其中纳米结构化层被发光构件包含的情形。
入射光的吸收以及发光的发射都可以被在吸收和发射的频率处具有谐振结构阵列的纳米结构化层增强。谐振结构的示例由支持Mie谐振的具有与光波长相当的尺度的电介质颗粒给出。谐振结构的其它示例为支持局域化表面等离子体激元极化声子(LSPP)的金属颗粒或纳米天线。在下文中且不丧失一般性，我们将结构中的谐振称为LSPP并且将结构称为纳米天线。激励发光构件的入射光可以与LSPP谐振，这允许即使利用非准直光源来增强激励(泵浦增强)。藉此，可以提供具有提高效率的发光太阳能集中器。入射光的吸收具体可以通过改变纳米天线的尺寸和形状来调谐。
在本发明的另一方面中，纳米结构化层包括纳米天线或谐振结构的至少一个阵列。藉此可以提供入射光的增强和发光的发射的宽范围设计选项。该阵列可以是一维阵列，其中纳米天线沿着与层平面平行的直线方向布置。在另一优选实施例中，该阵列可以是二维阵列，其中纳米天线沿着至少两个不平行的直线方向布置，所述至少两个不平行的直线方向都平行于层平面。在再一实施例中，该阵列可以是三维阵列，其中该二维阵列的纳米天线至少布置在就层平面具有不同距离的两个水平。在这些阵列的任何一个中，纳米天线可以基本上在垂直于层平面的延伸方向上延伸。如本申请中针对方向、平行性和平面的倾斜而使用的短语“基本上”应具体被理解为包括与所指定的方向、平行性或平面倾斜的小于20°，优选小于15°并且尤其优选小于10°的偏差。
在本发明的另一方面中，纳米结构化层包括谐振散射体的至少一个阵列。术语“阵列”意指在上文给出的描述的完整范围内理解。这为入射光的增强和发光的发射提供另一个宽范围的设计选项。
通过将入射光耦合到表面晶格谐振可以进一步提高发光太阳能集中器的效率，其中该表面晶格谐振起源于布置成阵列的纳米天线的衍射耦合，即单独的LSPP。藉此，所发射的光可以被耦合到表面晶格谐振，以及藉此强度可以被谐振地增加并且在发射的方向和偏振上都得到控制。由于耦合的强度取决于波长和偏振，而发射的方向性非常类似表面晶格谐振的角色散，所发射的光的比如波长范围、方向和偏振的发射特性可以通过充分地设计纳米天线的阵列而被定制。
在本发明的又一方面中，提供该发光器件，从而在比光导件的全内反射临界角大的角在至少一个工作模式中最大地发射电磁波。结果，通过利用全内反射提高对发射光的陷捕，可以实现发光太阳能集中器的效率提高。对于光导件材料的1.5的折射率，在相对于与空气的边界处在入射位置的竖直方向取的大于42°角的电磁波发射是优选的。
在本发明的另一方面中，在发光太阳能集中器的至少一个工作模式中，纳米结构化层的电磁波的发射谱的下限波长大于发光构件的电磁波的吸收谱的上限波长。如本申请中使用的短语“下限波长”应具体被理解为纳米结构化层的发射谱的比最大强度出现处的波长小的第一波长，其具有为该最大发射强度的10%的发射强度。如本申请中使用的短语“上限波长”应具体被理解为发光材料的吸收谱的比最大吸收出现处的波长大的第一波长，其具有为最大吸收的10%的吸收程度。有利地，通过在不与吸收谱交叠的波长区域中的发射，可以避免发光构件对所发射电磁波的再吸收，并且更多光可用于被太阳能电池吸收。
在本发明的另一方面中，纳米结构化层在至少一个方向上具有周期性结构。如本申请中使用的短语“周期性结构”应具体被理解为其某种特征在一方向上等距离重复的结构。重复的特征可包括该结构的若干特征的组合。这些距离优选地在100nm至1000nm的范围内。较前所述发光的发射增强是由于发射光耦合到表面晶格谐振以及这些模式耦出到辐射。因此，通过改变阵列的周期性可以有利地调谐发射。阵列的在两个不平行方向上的周期性可以有利地造成利用所发射的光二维覆盖光导件。
在优选实施例中，发光器件的纳米结构化层包括异质结构半导体纳米线的至少一个阵列。用于此类纳米结构化材料的制造工艺对于本领域技术人员是公知的，使得提供用于发光太阳能集中器的纳米结构化层的成本可以保持在合理水平。
在本发明的另一方面中，异质结构半导体纳米线分别优选地具有直径小于100nm的顶部部分以及底部直径小于300nm的渐缩底部部分。纳米线的此形状可以有利地导致显著的发射最大值。
在本发明的另一方面中，纳米结构化层在至少一个方向上具有基本上500nm的周期性节距。如本申请中使用的短语“基本上”应具体被理解为包括在由指定值给出的中心节距周围±20%，优选地±10%的区间内的节距。这可以导致在期望波长处的强烈且显著的发射最大值。
本发明的另一目的是提供一种光伏发电机，其具有表现出提高的效率的发光太阳能集中器。这可以通过将本发明的发光太阳能集中器的实施例与光学耦合到该发光太阳能集中器的至少一个太阳能电池组合来实现。
附图说明
本发明的这些和其它方面将通过下文描述的实施例而清楚明了并且将参考下文描述的实施例予以阐述。然而这种实施例不一定代表本发明的全部范围，并且因此参考权利要求且此处用于阐释本发明的范围。
附图中：
图1示意性示出具有发光太阳能集中器的光伏发电机的现有技术，
图2图示在依据图1的发光太阳能集中器中使用的有机染料Lumogen Red 305的吸收谱和发射谱，
图3示意性示出具有依据本发明实施例的发光太阳能集中器的光伏发电机，
图4示意性图示用于在依据图3的发光太阳能集中器中使用的纳米结构化层的实施例，
图5在两个不同视图中图示依据图4的发光器件的光发射的角分布，
图6图示用于在依据图3的发光太阳能集中器中使用的纳米结构化层的另一实施例，以及
图7图示依据图6的发光器件的光发射的角分布。
具体实施方式
此说明书可以包括本发明的若干实施例。相似特征、部件和功能通常用相似附图标记来标记。出于区分的目的，后缀a，b，…被附到用于各种实施例的附图标记。对于在一个实施例中对相似特征的功能的缺失描述，此处参考对第一实施例的该特征的功能的描述。
图1示意性示出具有现有技术的发光太阳能集中器的光伏发电机10a的实施例。
发光太阳能集中器包括用于在准备工作模式中转换入射光的发光器件12a。发光器件12a包括发光构件14a。在该准备工作模式中，发光构件14a吸收入射光16a(图1中虚线)并且将更长波长λ的光发射到光导件18a中。
光导件18a由平行于视图平面延伸的矩形塑料板形成，并且布置在发光构件14a之上朝向入射光16a的方向。光导件18a设计成在基本上平行于该矩形板较长边的各方向上通过全内反射引导光，假设光在光导件18a内行进并且相对于竖直方向20a以比临界角αcrit大的角α接近光导件18a和周围空气之间的边界，对于光导件的1.5的折射率该临界角为42°。
在图1的视图中光导件18a的右端侧，太阳能电池24a布置在光导件18a，该太阳能电池24a收集通过全内反射被陷捕在光导件18a内部的光。太阳能电池24a按照本领域技术人员公知的方式被提供从而将所收集光的能量转换为电能。
图2图示在依据图1的太阳能集中器的发光构件14a中使用的有机染料Lumogen Red 305(由BASF提供)的吸收谱26a和发射谱28a。该有机染料的发射谱28a的约570nm的下限波长30a小于吸收谱26a的约610nm的上限波长32a，造成发光构件14a中对发光的再吸收，这导致效率损失。由于在比临界角αcrit小的角α发射的发光的逃逸，出现更多损失。
图3示出具有依据本发明实施例的发光太阳能集中器的光伏发电机10b。该发光太阳能集中器包括用于在准备工作模式中转换入射光的发光器件12b。该发光器件12b包括纳米结构化层34b以及接触且藉此紧邻纳米结构化层34b的发光构件14b。
图4示意性图示依据图3的发光太阳能集中器的纳米结构化层34b的实施例。衬底的表面被纳米结构化，包括由金属银颗粒形成的等离子体纳米天线36b的二维阵列，该等离子体纳米天线36b在与由两个阵列维度38b、40b跨过的平面基本上垂直的延伸方向上延伸。金属银颗粒具有圆角矩形形状。等离子体纳米天线36b的阵列在对应于阵列维度38b、40b的两个方向上是周期性的，因为纳米天线36b结构在两个阵列维度38b、40b的第一个38b中以550nm的第一节距42b并且在两个阵列维度38b、40b的第二个40b中以350nm的第二节距44b重复。
纳米天线36b的阵列接触由一层硒化镉(CdSe)/硫化镉(CdS)量子点形成的发光构件14b。发光构件14b的层具有200nm的厚度并且布置在纳米天线36b的阵列的顶部上，平行于图4的视图平面。
纳米天线36b的阵列支持局域化表面等离子体激元极化声子(LSPP)。激励发光构件14b的入射光16b可以与LSPP谐振，这允许甚至利用非准直光源增强发光构件14b的激励(泵浦增强)。
通过将入射光16b耦合到由单独LSPP的衍射耦合造成的表面晶格谐振，进一步增大发光太阳能集中器的效率。藉此，发射强度I被谐振地增大，并且发射的方向性和偏振都受控制。由于耦合的强度取决于波长λ和偏振，而发射的方向性非常类似表面晶格谐振的角色散，比如波长范围、方向和偏振的发射特性由纳米天线36b的阵列的设计确定。通过改变纳米颗粒的尺寸和形状可以调谐吸收(发光构件14b的泵浦)，而通过改变阵列的周期性可以调谐光的发射。
图5在两个不同视图中图示依据图4的发光器件12b的光发射的角分布。图5左部的图示出对于各种波长λ，光的发射增强f与发射角β的依存性。发射增强f被定义为由在裸玻璃衬底(即没有纳米结构化层34b)的顶部上的量子点的发射归一化的在纳米天线36b的阵列的顶部上的量子点的发射。为了清楚，图5右部的图像示出发射增强f与发射角β和波长λ的依存性的等高线图。
如图5所显示，发光器件12b被提供从而在准备工作模式中，对于约630nm的波长λ在比光导件18b的全内反射临界角αcrit大的角βmax最大地发射电磁波。
从图5的两个图可以理解，对于每个波长λ和每个发射角β，量子点的发射被增强。这种整体发射增强f为泵浦效率和发射效率二者增大的组合效应。由于入射光16b的频率与阵列中局域化表面等离子体激元谐振的频率吻合，泵浦增强是由纳米天线36b对泵浦光的谐振散射引起。
此处重要地指出，局域化表面等离子体激元谐振可以针对任何入射角被激励，这使得利用诸如漫射太阳光的非准直光源进行激励也是可行的。
发射增强f是由发射光耦合到表面晶格谐振以及这些模式耦出到辐射引起。发射增强f强烈地依赖于发射角β和波长λ，如发射光耦合到的表面晶格谐振的色散所指示。比如，在575nm处，在正向方向上(β=0°)具有10倍的发射增强f。在600nm的波长λ处，发射在所有发射角β处或多或少是均匀的，发射增强f在4.5至6.5的范围。在630nm的波长λ处，在相对于样品法向的45°的角β处观察到12倍的发射增强f。因此，有可能设计按照限定方式增强和引导发光构件14b的发射的纳米天线36b的阵列。
通过上述说明书而不详细地另外描述另一实施例即可清楚，本发明可以有利地应用于这样的实施例，该实施例包括的发光器件12c具有依据图4的纳米结构化层34c并且具有依据图1的现有技术发光太阳能集中器的发光构件14c。这种情况下纳米结构化层34c将被提供以增强在波长λ范围中的发射，其中通过使发射谱28c不交叠吸收谱26c；即通过将纳米结构化层34c的电磁波的发射谱28c的下限波长30c调谐为大于发光构件14c(由Lumogen Red 305代表)的电磁波的吸收谱26c的上限波长32c，在该波长λ范围中可以避免发光构件14c的再吸收。约630nm至700nm的波长λ范围将适合于实现期望效果。
用于在依据图3的发光太阳能集中器中使用的发光器件12d的另一实施例图示于图6，该图示出发光器件12d的纳米结构化层34d的SEM(扫描电镜照片)图片，该纳米结构化层34d包括异质结构半导体纳米线46d的阵列。
半导体纳米线46d按标准方式利用诸如金属有机物化学气相外延(MOVPE)或分子束外延(MBE)的化学气相沉积(CVD)技术生长在用于外延生长的结晶衬底上。通常，纳米线46d的生长由金属催化剂颗粒来催化，该金属催化剂颗粒定义纳米线46d的直径。该金属催化剂颗粒可以通过衬底适形压印光刻(SCIL)被结构化用于制作纳米线46d的有序阵列。纳米线46d择优在<111>晶方上生长，使得生长在(111)衬底上的纳米线46d竖直地对齐。
异质结构半导体纳米线46d的每一个包括由磷化铟(InP)制成的第一节段以及充当发光构件14d的由磷砷化铟(InAsP)制成的较小的第二节段。在SEM图像中无法区分这两个节段。各节段在纳米线46d的延伸方向48d上连续地布置。
异质结构半导体纳米线46d的阵列在对应于阵列维度38d、40d的两个不平行方向上具有周期性结构。纳米线46d生长在节距42d、44d为513nm的方形晶格中。纳米线46d的顶部部分50d生长成直的，具有90nm的直径和2μm的长度；底部部分52d是渐缩的，具有1μm的长度和270nm的底部直径。
图7的图像示出InP纳米线的这种阵列的光致发光图与发射角β和波长λ的函数。光致发光的最令人感兴趣的特征为InAsP区段在波长λ>900nm处的发射。从图7清楚，存在两个强烈且紧密间隔的带，这两个带引起在57°的发射角βmax和956nm的波长λ附近光发射的显著最大值。光的这些显著最大值是由于纳米线46d的阵列的周期性结构引起。通过计算包括直径为90nm且间距为513nm的无限长非吸收圆柱体的光子晶体的布洛赫模式供比较，说明周期性结构对发射廓形的重要性。图7中的白色曲线示出光子晶体的所计算的第2频带。带结构计算和光致发光之间的良好一致表明周期性结构在定义方向性光发射中的关联性。这种一致证明了对于阵列发射的下述解释的合理性：光激励纳米线46d和InAsP节段择优地衰减成周期性结构的固有振荡(“本征模式”)，所述固有振荡在界面处被耦合到自由空间辐射。
此处给出的理论背景被视为处在当今的知识水平。对所涉及现象的理论理解中的将来变化不应影响所描述的发明的有效性。
尽管本发明已经在附图和前述说明书中详细图示和描述，这种图示和描述被认为是图示性或示例性的并且不是限制性的；本发明不限于所公开各实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。在权利要求中，措词"包括"不排除其它元件或步骤，并且不定冠词"一"不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应解读为限制范围。
附图标记列表
10 光伏发电机
12 发光器件
14 发光构件
16 入射光
18 光导件
20 竖直方向
24 太阳能电池
26 吸收谱
28 发射谱
30 下限波长
32 上限波长
34 纳米结构化层
36 纳米天线
38 阵列维度
40 阵列维度
42 节距
44 节距
46 纳米线
48 延伸方向
50 顶部部分
52 底部部分
α 角
αcrit 临界角
f 发射增强
I 强度
β 发射角
βmax 发射最大的角
λ 波长。

Claims (10)

1.一种发光太阳能集中器，包括：
用于在至少一个工作模式中转换入射光(16)的至少一个发光器件(12)，其中该发光器件(12)具有至少一个纳米结构化层(34)和至少一个发光构件(14)，并且其中该纳米结构化层(34)紧邻该发光构件(14)；以及
至少一个光导件(18)，其设计成通过全内反射在一方向上引导光。
2.如权利要求1所述的发光太阳能集中器，其中该纳米结构化层(34)包括等离子体纳米天线(36)的至少一个阵列。
3.如权利要求1所述的发光太阳能集中器，其中该纳米结构化层(34)包括谐振散射体的至少一个阵列。
4.如前述权利要求中任意一项所述的发光太阳能集中器，其中该发光器件(12)被提供，从而在至少一个工作模式中在比该光导件(18)的全内反射临界角(αcrit)大的发射角(βmax)最大地发射电磁波。
5.如前述权利要求中任意一项所述的发光太阳能集中器，其中在至少一个工作模式中，该纳米结构化层(34)的电磁波的发射谱(28)的下限波长(30)大于该发光构件(14)的电磁波的吸收谱(26)的上限波长(32)。
6.如前述权利要求中任意一项所述的发光太阳能集中器，其中该纳米结构化层(34)在至少一个方向上具有周期性结构。
7.如前述权利要求中任意一项所述的发光太阳能集中器，其中该发光器件(12)的该纳米结构化层(34)包括异质结构半导体纳米线(46)的至少一个阵列。
8.如权利要求7所述的发光太阳能集中器，其中每个该异质结构半导体纳米线(46)具有直径小于100nm的顶部部分(50)以及底部直径小于300nm的渐缩底部部分(52)。
9.如权利要求7或8所述的发光太阳能集中器，其中该纳米结构化层(34)在至少一个方向上具有基本上500nm的周期性节距(42，44)。
10.一种光伏发电机(10)，包括：
至少一个如前述权利要求中任意一项所述的发光太阳能集中器，以及
至少一个太阳能电池(24)，其光学耦合到该发光太阳能集中器。
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