CN105493290A - 光致发光半导体纳米晶体基发光太阳能聚光体 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了发光太阳能聚光体，其包括光致发光纳米颗粒。该光致发光纳米颗粒包括敏化缺陷的发光的半导体纳米晶体。该缺陷可以包括例如原子、原子团或晶格空位。该缺陷可以纳入到半导体纳米晶体中，吸附于半导体纳米晶体的表面上，或以其他方式与半导体纳米晶体的表面相关。

Description

光致发光半导体纳米晶体基发光太阳能聚光体
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年7月1日提交的美国专利申请No.61/841887和2013年10月24日提交的美国专利申请No.61/895224的优先权，通过引用将其全文并入本文。
政府许可权利声明
本发明是在国家科学基金会授予的DMR-1035512和DMR-1206221的政府支持下完成的。政府在本发明中享有某些权利。
背景技术
发光太阳能聚光体(LSC)收集和聚集阳光用于太阳能发电。LSC是典型地由涂有或浸有发光体的平面波导构成的设备。由涂在波导上或包含在波导中的发光体吸收的阳光被再发射到波导中，其中其被全内反射捕捉，这使其传播到待聚光的边缘以用于光转化设备，例如光伏电池(PV)。不同于基于透镜和反射镜的聚光体(其要求跟踪系统以跟随太阳的运动，并且只能聚集直接、镜面反射的(specular)阳光)，LSC是无源器件，其对于漫反射和镜面反射的阳光等同地工作良好。因此，它们的建立，安装和维护也是较不昂贵的，且更容易地集成到所建立的环境或可携式的太阳能系统中，更容忍损伤，且可用于其中几乎没有直接阳光的气候。此外，由于LSC能通过向下偏移(downshifting)产生波长与带隙匹配的光子，所以对于PV冷却具有降低的需要，且可以将每个均纳有不同发光体的多个LSC导堆跺以分离太阳光谱用于级联多电池的转化。
在图1中显示了示例性的LSC10，其中所述平面波导12包含多个发光体15。该平面波导12边缘连合到对于发光体15的发射波长敏感的PV电池14。如图1所详示，发光体15吸收第一波长的光16，并发出第二、红色偏移的波长的光18。所发射的光18用于在PV电池14中产生电流。
与带隙匹配的、高效率的PV电池结合，LSC提供减小太阳能发电的成本超过一个数量级的潜力。然而，LSC迄今几乎不具有实际影响，这主要由于光学量子效率(OQE)随聚光体尺寸迅速下降(即，随着LSC尺寸增加，更小分数的入射阳光聚集在边缘处)。几个因素促进OQE减小，其中有两个通常是主要的：(i)由发光体的不统一的光致发光量子产率(QY)造成的光子损失，和(ii)在波导材料的临界逃逸椎(escapecone)内的角度下，从波导的顶部和底部从发射损耗的光子，如通过Snell定律定义的那样。例如，典型的基于有机发光体的LSC和聚(甲基丙烯酸甲酯)或玻璃波导可以具有由因素(i)造成的接近零的损失率，但由因素(ii)造成的损失率为约25％每发射。OQE的降低还可因再吸收和再发射而发生，因为向波导边缘传播的所捕获的光子可遇到其它要再吸收和再发射多次的发光体，且由于非辐射弛豫过程对于每个连续的再吸收/再发射事件均可损耗部分光子。因此重复性逃逸锥和QY损耗随距离而增加(compound)。
先前为了解决这一问题的努力包括使用大斯托克斯(Stokes)偏移发光体，其在吸收和发射之间具有大的能量差以减少光的再吸收。这些发光体的例子包括某些有机染料、量子点、镧化物和基于过渡金属的分子和微晶磷光体，和其发射受到固态溶剂化而红移的有机染料。然而，这些发光体往往具有低的QY、仅捕获小部分太阳光谱的窄或弱的光谱吸收带、有限的环境寿命、大的散射横截面、或这些缺点的组合。用于改善效率的其它方法元素包括使用选择波长的反射镜和取向的发光体用于引导的较大部分的发光进入波导模式和离开逃逸锥。然而，已证明这些方法在制作具有长环境寿命的大面积、高效率的LSC方面都不成功。
因此，需要具有长环境寿命的大面积、高效率的LSC。本发明试图满足这一需求并提供进一步的相关优点。
发明概述
提供该概述从而以简化的形式引入概念的选择，其在发明详述部分得到进一步描述。该概述不打算确定所要求保护的主题的关键特征，也不打算用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
一方面，本公开的特征是包括多个光致发光纳米颗粒的LSC。每个光致发光纳米颗粒包括半导体纳米晶体和纳米晶体缺陷。所述纳米晶体缺陷和半导体纳米晶体组合以产生光致发光效应。该缺陷可以包括原子、原子团、晶格空位、及其任何组合。波导材料具有悬于其中或施加到其表面的多个光致发光颗粒。
另一方面，本公开的特征是包括所述LSC的窗板、独立的聚合物膜、电子显示器、和/或触摸屏。
附图说明
前述方面和许多本发明的附属优点将更容易理解，因为当结合附图时，通过参考下面的详述其变得更好理解，其中：
图1是现有技术中公知的代表性发光太阳能聚光体(LSC)的示意图。
图2是LSC的实施方案的示意图。
图3A是LSC的实施方案的发射过程的示意图。
图3B示出了光致发光纳米颗粒的实施方案的两个光致发光(PL)衰减曲线。所述两个衰减曲线是不可区分的，与可忽略不计的热激活的非辐射衰减一致。光致发光纳米颗粒具有在290和77K测定的100％的光致发光的量子产率(QY)。
图4A-4C是光致发光纳米颗粒的实施方案的示意图。图4A是一致性(monolithic)光致发光纳米颗粒的示意图。图4B是具有由三个壳层包围的芯的光致发光纳米颗粒的示意图。图4C是具有由壳包围的芯的光致发光纳米颗粒的示意图。
图5显示了光致发光纳米颗粒的实施方案的吸收光谱。在2.1eV的光致发光的最大值对应于～590nm。图5还示出了光致发光纳米颗粒的实施方案的光致发光激发(PLE)。
图6是光致发光纳米晶体的实施方案的扫描电子显微图。
图7是用于光致发光纳米颗粒的缺陷和半导体材料组合的实施方案的能量图。
图8是显示1m2LSC的波导损耗对OQE上的影响和用于波导材料的衰减系数的图。
图9是多层LSC的实施方案的示意图。
图10是多层LSC的实施方案的示意图。
图11是用于测量LSCOQE随几何的增益变化的实验装置的示意图。
图12A-12C是包括光致发光纳米颗粒的实施方案的聚合物膜LSC的归一化吸收(ABS)和发射(EM)光谱。图12A∶包括Mn:ZnSe/ZnS光致发光纳米颗粒的LSC。图12B∶包括Mn:CdZnSe/ZnS光致发光纳米颗粒的LSC。图12C：包括Cu:CdSe/CdS光致发光纳米颗粒的LSC。
图13A至13C是显示光致发光纳米颗粒的实施方案的OQE随几何增益的变化。图13A：Mn:ZnSe/ZnS光致发光纳米颗粒。图13B∶Mn:CdZnSe/CdS光致发光纳米颗粒。图13C：Cu:CdSe/CdS光致发光纳米颗粒。
图14A-14C是包括光致发光纳米颗粒的实施方案的聚合物LSC的通过边缘孔隙收集的发射光谱随几何增益的变化。使用图11所示的实验设备收集发射光谱。每一线代表掩模的不同位置，从掩模的左侧到收集边缘测量的5-75mm。相应的几何增益范围为7.8-20。图14A：包括MnCdZnSe/CdS光致发光纳米颗粒的LSC。图14B：包括Mn:ZnSe/ZnS光致发光纳米颗粒的LSC。图14C：包括Cu:CdSe/CdS光致发光纳米颗粒的LSC。
图15A和15B是包括光致发光纳米颗粒的实施方案的填充液体的LSC的归一化的吸收(ABS)和发射(EM)光谱。图15A：包括Mn-掺杂的芯-壳ZnSe/ZnS光致发光纳米颗粒的LSC。图15B：包括合金Zn1-x-yCdxMnySe光致发光纳米颗粒的LSC。
图16A和16B是作为离开包括光致发光纳米颗粒实施方案的填充液体的LSC边缘的激发距离的函数的归一化发射光谱。使用点激发源照射LSC。每条线代表使用激发点和收集边缘之间的不同距离所收集的发射光谱，在图16A该距离为从0.01到2.0英寸，在图16B中为0.3-1.3英寸。图16A：包括Zn1-x-yCdxMnySe光致发光纳米颗粒的LSC。图16B：包括Mn掺杂的芯－壳ZnSe/ZnS光致发光纳米颗粒的LSC。所述光谱随着激发的距离增加没有显示出明显的红移，表示极少乃至没有自吸收。
图17是显示对于两种基于光致发光纳米颗粒的LSC，归一化的OQE与激发距离的函数的图。
图18是比较本公开的光致发光纳米颗粒的实施方案和现有技术的光致发光纳米颗粒的实施方案的归一化波导的光致发光强度与激发和收集之间的距离的函数的图。对于本公开的光致发光纳米颗粒的实施方案，这些数据表现出显著更小的波导损耗。
详细描述
本公开描述了包括光致发光纳米颗粒的LSC。光致发光纳米颗粒包括与缺陷相关的半导体纳米晶体。该缺陷可以包括例如原子、原子团、或晶格空位。当缺陷为原子或原子团时，可将缺陷引入半导体纳米晶体，吸附到其上，或以其他方式与半导体纳米晶体的表面相关。当缺陷为晶格空位时，该缺陷可以存在于半导体纳米晶体的表面之内或之上。
该半导体纳米晶体和缺陷结合以提供光致发光材料。例如，半导体纳米晶体可以吸收光子并将其能量传递给缺陷，然后它能够以不同于吸收波长的波长发出光。在理想情况下，光致发光纳米颗粒应使入射辐射(如太阳能辐照)的吸收和发射最大化，应具有尽可能接近100％的光致发光QY，且应具有最小化的发射光的散射和再吸收。
据认为，本发明的光致发光纳米颗粒的一个有益方面是在光致发光纳米颗粒吸收和发射光的波长之间的宽的光谱间隙，其导致极少乃至没有自吸收。光致发光纳米颗粒的另一优点是它们在缺陷处的快速的能量区域化(localization)，其可超过降低光致发光QY或使材料劣化的其它俘获、光化学或非辐射衰减过程。光致发光纳米颗粒的其它益处包括相对于有机发光体优异的环境寿命，这是因为它们抵抗光化学漂白；在其制备中采用丰富、低成本的原料；它们与宽范围的溶剂、波导基质材料和加工方法的兼容性；与包括其它特定纳米颗粒的发光体相比，减小的光散射，且在很多情况下不存在有毒元素或其它可能有害的化合物。光致发光纳米颗粒可以吸收宽光谱范围的光。此外，可以通过纳米颗粒的组成、结构或尺寸调节吸收范围和发射光谱。
定义
在本说明书中不同位置处，以基团或范围公开本公开的化合物的取代基。特别打算本公开包括这样的基团和范围的成员的每一和每个单独的子组合。例如，术语"C1－6烷基"特别打算单独公开甲基、乙基、C3烷基、C4烷基、C5烷基、和C6烷基。
进一步理解，出于清楚起见而在单独实施方案的上下文中描述的本公开的某些特征，也可以以单个实施方案的结合提供。
相反，出于简要起见而在单一实施方案的上下文中描述的本公开的各种特征，也可以单独或以任何合适的子组合提供。
如本文所用的"光致发光"是指吸收光子后来自材料光发射，并包括荧光和磷光。
如本文所用的"纳米晶体"是指具有小于或等于约100nm的其最大尺寸的晶体，且由晶态排布的原子构成。
如本文所用的"纳米颗粒"是指具有小于或等于约100nm的其最大尺寸的颗粒。
如本文所用的"半导体"是指具有与在地表处的太阳辐射的光谱重叠的带隙能量的材料。通常，半导体具有的带隙介于金属和绝缘体的带隙之间，尽管应理解，在绝缘体和宽带隙半导体之间没有严格的区分。
如本文所用的"缺陷"或"掺杂剂"是指结晶学缺陷，其中在晶态材料中因添加或排除离子、杂质原子、或小的离子或原子团而偏离完美的原子或分子排列。缺陷可以以空位，间隙缺陷或杂质的形式存在于单一晶格位置。在一些实施方案中，晶格具有形成分离相(即析出相)的小原子团。
缺陷可以与半导体纳米晶体相关。当缺陷为原子或原子团时，"相关"是指并入半导体纳米晶体，吸附在半导体纳米晶体的表面，或以其他方式与半导体纳米晶体的表面相关(例如离子结合，共价结合)的原子或原子团。当缺陷是晶格空位时，"相关"是指存在于半导体纳米晶体的表面之内或之上的晶格空位。
如本文所用的"原子团"是指原子的聚集体，所述聚集体具有小于或等于1nm的最大尺寸。
如本文所采用的，当与较长波长的光(其是"红"、"较红"，或"红移")相比时，认为较短波长的光为"蓝"、"较蓝"、或"蓝移"，即使从技术角度讲，相比的特定波长不是蓝色或红色的。
如本文所用的"异质结构"是指包括在两种晶态材料之间具有界面的至少两种晶态材料的颗粒。
如本文所用的"合金"是指包括至少两种不同材料(例如半导体材料)的单相混合物或单相固溶体。
本文所用的术语"钝化"是指减少或消除有害的表面阱状态，并保护免受腐蚀事件例如氧化的保护材料涂层或分子层。
如本文所用的"芯-壳"是指洋葱状结构，其中纳米晶体或纳米颗粒具有被一个或多个同心壳层包围的中心芯。
如本文所用的"异价(aliovalent)"取代是其中替代晶体晶格中的原始原子的原子具有与被替代的原子不同的氧化态。
如本文所用的"等价"取代取代是其中替代晶体晶格中的原始原子的原子具有与被替代的原子相同的氧化态。
如本文所用的"封端分子"或"表面封端分子"是指在纳米颗粒的表面上具有通过官能团共价或非共价结合(例如离子结合、通过氢键或范德华相互作用结合)到纳米颗粒的官能团的分子。
如本文所用的"平均最大尺寸"是指通过测量纳米颗粒或纳米晶体的集合中每个纳米颗粒或纳米晶体的最大尺寸(沿任何给定方向)，并在所测得的纳米颗粒或纳米晶体中求平均所获得的纳米颗粒或纳米晶体的平均最大长度。可以通过各种技术包括透射电子显微镜或扫描电子显微镜来测量该尺寸，并且用于这种测定的纳米颗粒或纳米晶体的集合一般包括至少100个纳米晶体。
如本文所用的"表面粗糙度"是指在100μm2的面积上在表面上的高度的平均根方差。
如本文所用的"光量子效率"(OQE)是指由在LSC中的光致发光物质(例如纳米颗粒)吸收的入射光子分数，其从所述聚光体的边缘发射。
如本文所用的"光致发光量子产率"或"量子产率"(QY)是指发射的光子数量与吸收光子数量之比。
如本文所用的"低聚物"或"聚合物"是指具有3－10，000结构单元的分子。
如本文所用的术语"共聚物"是指作为两个或更多个以上不同单体的聚合结果的聚合物。可以单独控制在共聚物中的各结构单元的数量和性质。所述结构单元可以以纯随机、交替随机、规律交替或随机嵌段配置而布置，除非另外明确说明。例如，纯随机配置可以是：x-x-y-z-x-y-y-z-y-z-z-z或y-z-x-y-z-y-z-x-x...。交替随机的配置可以是：x-y-x-z-y-x-y-z-y-x-z...，和规律配置可以是：x-y-z-x-y-z-x-y-z...。规律嵌段配置具有以下总体结构：...x-x－x－y－y－y－z－z－z－x－x-x...，而随机嵌段配置具有以下总体结构：...x-x－x－z－z－x-x－y－y－y-y－z－z－z－x－x－z－z－z…。
如本文所用的术语低聚物或聚合物的"结构单元"是指在低聚物或聚合物中的原子或原子团，包括部分链连同其附属的原子或原子团，如果有的话。所述结构单元可以意指重复单元。所述结构单元也可以意指低聚物或聚合物链上的端基。例如，聚乙二醇的结构单元可以是对应于重复单元的-CH2CH2O-，或对应于端基的-CH2CH2OH-。
如本文所用的术语"重复单元"对应于最小结构单元，它的重复构成规则的高分子(或低聚物分子或嵌段)。
如本文所用的术语"端基"是指仅具有一个到低聚物或聚合物链的连接的结构单元，其位于低聚物或聚合物端部。例如，一旦单体单元已聚合，端基可以衍生自低聚物或聚合物端部处的单体单元。作为另一实例，端基就可以是用于合成聚合物的引发剂的一部分。
如本文所用的术语"取代的"或"取代"是指用H之外的取代基取代氢原子。例如，"N-取代的哌啶-4-基"是指用非氢取代基例如烷基取代的来自哌啶基的NH的H原子。
如本文所用的术语"烷基"是指直链或支链的完全饱和的(无双键或三键)的烃(仅有碳和氢)基团。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基和己基。如本文所用的"烷基"包括"亚烷基"基团，其是指具有两个而不是一个用于结合其他基团的开放键的直链或支链的完全饱和的烃基。亚烷基基团的例子包括但不限于亚甲基、-CH2-、亚乙基、-CH2CH2-、亚丙基、-CH2CH2CH2-、n-亚丁基、-CH2CH2CH2CH2-、叔-丁烯、和-CH2CH2CH(CH3)-。本公开的烷基可任选被一个或多个氟基所取代。
如本文所用的"烯基"指具有一个或多个双碳-碳结合的烷基。烯基的实例包括乙烯基、丙烯基等。术语"亚烯基(alkenylenyl)"是指二价的连接烯基。
如本文所用的"卤烷基"指具有一个或多个卤素取代基的烷基。卤烷基的实例包括CF3、C2F5、CHF2、CCl3、CHC12、C2Cl5等。
如本文所用的术语"芳基"是指单环或多环(例如具有2、3或4的稠环)芳烃，如苯基、萘基、蒽基、菲基、茚满基和茚基。在一些实施方案中，芳基具有6-20个碳原子。
如本文所用的术语"卤"或"卤素"包括氟、氯、溴和碘。
如本文所用的"杂芳基"是指具有至少一个杂原子环成员例如硫、氧或氮的芳族杂环。杂芳基包括单环和多环(例如具有2、3或4个稠环)的体系。杂芳基的实例包括但不限于吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、哒嗪基、三嗪基、呋喃基、喹啉基、异喹啉基、噻吩基、咪唑基、噻唑基、吲哚基、吡咯基、噁唑基、苯并呋喃基、苯并噻吩基、苯并噻唑基、异噁唑基、吡唑基、三唑基、四唑基、吲唑基、1、2、4-噻二唑基、异噻唑基、苯并噻吩基、嘌呤基、咔唑基、苯并咪唑基、二氢吲哚基等。在一些实施方案中，杂芳基具有1至20个碳原子，和在其它实施方案中具有约3-约20个碳原子。在一些实施方案中，杂芳基包含3至约14，3至约7或者5-6个成环原子。在一些实施方案中，杂芳基具有1到约4，1到约3，或1到2个杂原子。
如本文所用的"杂环烷基(heterocycloalkyl)"是指非芳族杂环，包括环化的烷基、烯基、炔基，其中一个或多个成环碳原子被杂原子如氧、氮或硫原子取代。杂环烷基可以是单环或多环的(例如具有2、3、4或更多个稠合环，或具有2-环、3-环、4-环螺系统(例如，具有8-20个成环原子)。杂环烷基包括单环和多环基团。示例性"杂环烷基"基团包括吗啉基、硫代吗啉基、哌嗪基、四氢呋喃基、四氢噻吩基、2，3-二氢苯并呋喃基、1、3-苯并二噁烷、苯并-1，4-二噁烷、哌啶基、吡咯烷基、异噁唑烷基、异噻唑烷基、吡唑烷基、噁唑烷基、噻唑烷基、咪唑烷基等。杂环烷基的成环碳原子和杂原子可任选被氧或硫所取代。该杂环烷基定义中还包括具有一个或多个稠合到(即与其共有键的)非芳族杂环的芳环的部分，所述非芳族杂环例如萘二甲酰亚胺基(phthalimidyl)、萘二甲酰亚胺基(naphthalimidyl)和杂环如二氢吲哚(indolene)和异吲哚烯基的苯衍生物。在一些实施方案中，杂环烷基具有1到约20个碳原子，和在其它实施方案中为约3-约20个碳原子。在一些实施方案中，杂环烷基含有3-约14，3至约7或者5-6个成环原子。在一些实施方案中，杂环烷基具有1-约4，1-约3，或1-2个杂原子。在一些实施方案中，杂环烷基含有0至3个双键。在一些实施方案中，所述杂环烷基含有0-2个三键。
本文所用的所有技术和科学术语具有如本领域技术人员通常理解的相同含义，除非另有定义。虽然可以在本公开的实施或测试中使用与本文描述的方法和材料相似或等同的那些，但下文描述了合适的方法和材料。通过引用将本文提到的所有出版物，专利申请，专利和其它参考文献均以全文并入本文。在有冲突的情况下，以本说明书(包括定义)为准。另外，这些材料，方法和实例仅用于说明性目的，而不打算为限制性的。
光致发光纳米颗粒
在一方面，本公开内容描述了包括悬于波导材料中或施加到波导材料表面上的光致发光纳米颗粒的LSC。光致发光纳米颗粒包括半导体纳米晶体和一个或多个缺陷。缺陷和半导体纳米晶体一起产生光致发光效果。缺陷为原子、原子团、晶格空位、或其组合。作为实例，给定的半导体纳米晶体可包括一种类型的缺陷，例如原子、原子团、或晶格空位。作为另一实例，给定的半导体纳米晶体可包括两种或更多种类型的缺陷。
在一些实施方案中，缺陷是原子。
在一些实施方式中，缺陷为原子团。
在一些实施方案中，缺陷为晶格空位。
在一些实施方案中，缺陷包括原子和原子团。
在一些实施方案中，缺陷包括原子和晶格空位。
在一些实施方案中，缺陷包括原子团和晶格空位。
在一些实施方案中，缺陷包括原子、原子团和晶格空位。
缺陷可以以任何方式与半导体纳米晶体相关。当缺陷为原子或原子团时，缺陷可进入半导体纳米晶体内，吸附到半导体纳米晶体的表面上或以其他方式与半导体纳米晶体的表面相关(例如离子结合，共价结合)。当缺陷是晶格空位时，缺陷可存在于半导体纳米晶体的表面之内或之上。
在图2中显示了示例性的LSC50。LSC50包括波导层53，该波导层53在波导材料中52具有多个光致发光纳米颗粒54。如图2所示，在某些实施方案中，光致发光纳米颗粒54是“主体”波导材料52中的“客体”(即"主－客"系统)。在其它实施方案中，由具有连接(例如共轭)至波导材料52的光致发光纳米颗粒54的单一材料形成整个波导层53。
光致发光纳米颗粒54吸收入射光56和光致发光发射的光58。入射光56具有波长λ1，和发射的光58具有长于λ1的波长λ2。
如本文所用的，对于平面型波导，平坦表面(例如表面60)有时被称为波导或设备的"主表面"。典型的平面波导具有两个主表面(例如顶和底表面)。平面波导在边缘处具有次要表面。在基于平面波导的典型LSC中，通过与LSC平面波导的边缘光学连通的PV收集来自发光体的光。
在图2示出的示例性LSC中，入射光56通过主表面60进入波导层53。在通过磷光或荧光的光转化后，发射的光58通过全内反射而基本捕获在波导层53中。一部分发射光58行进通过波导层53到波导层53的边缘62，在那里它得到了光转化设备64的利用。
光致发光纳米颗粒的特征在于在产生于在缺陷处的快速非辐射能量局部化的吸收和光致发光最大值之间的非常大的能量偏移。在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒可以遵从如图3A中所提供的光吸收和发射能量图来发光。参见图3A，由半导体纳米晶体吸收的光子hν可以产生激子，其能量被快速和有效地传递到激发态的缺陷。在能量转移后，然后受激发的缺陷可辐射地驰豫到基态。缺陷可在发射波长具有为相关的半导体纳米晶体的小于约10-3的吸收横截面(如约10－4倍、约10－5倍或约10-6或更小)，同时还具有来自能量低于半导体纳米晶体的带隙的激发态的高效率发光。在一些实施方案中，缺陷的激发态能够以近完全或完全的方式辐射地弛豫，在环境温度下具有小到可忽略不计的非辐射性衰减。
再次参考图3A，与半导体纳米晶体的最低激发状态相比，发光性激发态能量可以充分更低，使得在接近环境温度的温度下转移回到纳米晶体的热激活能量可以忽略不计。这可以帮助实现可忽略不计的热激活的非辐射衰减，使很高的QY成为可能。
例如，参照图3B，显示了在290K和77K下示例性光致发光纳米颗粒(Mn:Zn1－xCdxSe/ZnS)的时间－分辨光致发光衰减曲线。在290K和77K下，可以通过几乎相同的衰减曲线看到可忽略的热激活的非辐射衰减。纳米颗粒具有100％的光致发光QY。
光致发光纳米颗粒可以是一致性(monolithic)纳米晶体。在本文中，术语"一致性"涉及由一种类型的材料构成的晶体。例如，参考附图4A，光致发光纳米颗粒100(例如Zn1－x-yCdxMnySe)是一致性的，且具有一种材料102。一致性光致发光纳米颗粒包含两种或更多种元素，且也可包含掺杂剂。
在其它实施方案中，光致发光纳米颗粒包括芯和一个或多个壳层，如图4B和4C所示。可结合任何数量的壳层。参见图4B和4C，芯112或122和第一壳层114或124(最靠近芯)组成是分别不同的。后续的壳层可为与芯相同或不同的材料。如图4B所示，在某些实施方案中，两个壳层114和118具有相同的组成，且被具有不同组成的至少一个壳层116所分隔。芯-壳半导体纳米晶体的实例包括ZnSe/ZnS。芯壳半导体纳米晶体的另一实例包括ZnSe/ZnS/CdS/ZnS，其中每个"/"表示形成半导体晶体的材料的梯度合金或异质结构，且第一化合物表示芯。例如，ZnSe/ZnS/CdS/ZnS代表具有ZnSe芯的纳米颗粒，该ZnSe芯覆盖有第一ZnS层、第二CdS层、和第三ZnS层。
光致发光纳米颗粒的半导体纳米晶体，无论是一致性还是具有芯-壳形结构，都可以包括各种半导体材料。例如，半导体纳米晶体可以包括II-VI族半导体材料(如CdSe、CdS、CdTe、ZnSe、ZnS、ZnTe、其合金、和其异质结构)；半导体III-V族材料(如InN、InP、AlGaAs、InGaAs、其合金、和其异质结构)；I-VI族半导体材料(如CuS、Ag2S、其合金、和其异质结构)；和/或化合物半导体材料(如CuInSe2、CuInS2和In2S3、其合金、和其异质结构)。在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒包括CdSe、CdS、CdTe、ZnSe、ZnS、ZnTe、InN、InP、AlGaAs、InGaAs、CuS、Ag2S、CuInSe2、CuInS2、In2S3、GaP、InP、GaN、A1N、GaAs、PbS、PbSe、PbTe、CuCl、Cu2S、Cu2Se、Cu2ZnSnS4、Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnSnTe4、CuInTe2、Si、Ge、Y2O3、Y2S3、Y2Se3、NaYF4、NaYS2、LaF3、YF3、ZnO、TiO2、La2O2S、Y2O2S、Gd2O2S、Zn3N2、Zn3P2和/或其合金或异质结构。可以单独使用或以任何组合使用半导体材料。
光致发光纳米颗粒具有与半导体纳米晶体紧密接触的少量缺陷。缺陷可以以任何氧化态包括原子或原子团。例如，原子或原子团可以包括发射性过渡金属元素(如Mn、Co、Cr、V、Fe、Ni和/或Cu)，施主-受主发光的活化元素(例如Ag、Au、Al、Bi、Sb、Cl、Br和/或I)，和/或某些镧系元素(如Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb)。在一些实施方案中，原子或原子团可包括Mn、Co、Cu、Pt、Ru、V、Cr、Ag、Au、Al、Bi、Sb、Cl、Br、I、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和/或Yb。例如，原子或原子团可包括Mn2+、Yb3+、Nd3+、Cu+、Cl-、Ag+、Er3+、Eu2+、和/或Cr3+。
在一些实施方式中，缺陷为Mn。
在一些实施方案中，缺陷为Cu。
在一些实施方案中，缺陷是镧系元素。据认为，镧系元素可以具有尖锐的发射光谱,在某些情况下，该发射光谱可以延伸到近-红外。例如，Yb3+在980nm下进行有效发光，使其良好匹配SiPV的峰响应度(responsivity)。
原子或原子团可位于给定半导体晶体的晶体结构中的规则晶格位点(即替位缺陷)。在一些实施方案中，可以在所替代的原子晶格位点处或附近发现原子或原子团。在一些实施方案中，缺陷可以是间隙缺陷，其中原子占据晶体结构中通常不是原子的位点。原子或原子团的取代可为同价或异价的。
不希望受理论限制，当缺陷为原子或原子团时，据认为一种或多种机制有助于降低自吸收。例如，光诱导的从纳米晶体基态到激发的发射态的电子迁移在光致发光纳米颗粒(例如Mn掺杂的ZnSe(Mn:ZnSe))中可为禁戒旋转的。作为另一个实例，低浓度的发射性物质可以导致减少的自吸收(例如Cu掺杂的CdSe(Cu：CdSe))。作为另一实例，发射性物质的大的激发态的成核再组织可以减少自吸收(如Cu掺杂的CdSe(Cu：CdSe))。在一些实施方案中，从纳米晶体基态到激发的发射态的光诱导的电子迁移的第一阶奇偶校验禁戒性可以限制其自吸收(例如Yb掺杂的PbS(Yb：PbS))。其它的机制也可促进减少的自吸收。
在一些实施方案中，缺陷是晶格空位。晶格空位可包括原子空位，其中半导体晶体的结晶学晶格缺失原子(即肖特基缺陷)。例如，在CdSe晶体中，原子空位可以是Cd和/或Se在它们的相应晶格位点的不存在。在一些实施方案中，晶格空位是氧空位、硒空位、硫空位、磷空位、或碲空位。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Mn掺杂的ZnSe/ZnS/CdS/ZnS(Mn:ZnSe/ZnS/CdS/ZnS)、Cu-掺杂的InP/ZnS(Cu:InP/ZnS)、Zn1-x-yCdxMnySe/ZnS、Yb-掺杂的Si/SiO2(Yb:Si/SiO2)、Yb-掺杂的NaYF4/CdSe/ZnSe(Yb:NaYF4/CdSe/ZnSe)、CuxZnyInzSe2-δ、和/或Yb-掺杂的CdTe/ZnS(Yb:CdTe/ZnS)。在一些实施方案中，当光致发光纳米颗粒是Zn1-x-yCdxMnySe/ZnS时，x和y可具有使1-x-y>x+y和x>y的值。例如，在Zn1-x-yCdxMnySe/ZnS中，x可为约0.1且y可为约0.01。在一些实施方案中，当光致发光纳米颗粒是CuxZnyInzSe2-δ时，y：z的比率可为约0(例如从约0.1、从约0.2、从约0.3、从或约0.4)至约0.5(例如至约0.4、至约0.3、至约0.2、或至约0.1)，且x/(y+z)可为约0.05)。如本文所采用的，当式包括分号“；”时，应理解分号之前的元素表示掺杂剂，而分号之后的元素代表半导体晶体。"/"表示形成半导体晶体的材料的梯度合金或异质结构。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Mn-掺杂的ZnSe。Mn-掺杂的ZnSe光致发光纳米颗粒可以任选地在光致发光纳米颗粒的表面上包括一个或多个层(例如钝化层、宽间隙的纳米晶体层、封端分子层、和/或无机分子层)，例如ZnS层。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Mn-掺杂的ZnSe/ZnS。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Mn掺杂的CdZnSe。Mn掺杂的ZnSe/ZnS光致发光纳米颗粒可以任选地在光致发光纳米颗粒的表面上包括一个或多个层(例如钝化层、宽间隙的纳米晶体层、封端分子层、和/或无机分子层)，例如ZnS层。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Mn-掺杂的CdZnSe/CdS。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Cu掺杂的CdSe。Cu掺杂的CdSe光致发光纳米颗粒可以任选地在光致发光纳米颗粒的表面上包括一个或多个层(例如钝化层、宽间隙的纳米晶体层、封端分子层、和/或无机分子层)，例如CdS层。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Cu掺杂的CdSe/CdS。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒是Zn1－x-yCdxMnySe，其中x和y具有使得1-x-y>x+y和x>y的值。例如在Zn1-x-yCdxMnySe中，x可为约0.1且y可为约0.01。Zn1-x-yCdxMnySe光致发光纳米颗粒可以任选地在光致发光纳米颗粒的表面上包括一个或多个层(例如钝化层、宽间隙的纳米晶体层、封端分子层、和/或无机分子层)。
在一些实施方案中，相对于半导体纳米晶体的成分(即形成半导体纳米晶体的原子)，缺陷以10％以下(例如8％以下，6％以下，4％以下，2％或更少，或1％以下)和/或0.05％以上(例如1％以上，2％以上，4％以上，6％以上，或8％以上)的摩尔分数存在。例如，在半导体纳米晶体中，可以以约1％的阳离子摩尔比存在阳离子缺陷。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒在纳米晶体的表面上包括钝化层。钝化层可以包括各种材料，例如CdSe、CdS、CdTe、ZnSe、ZnS、ZnTe、InN、InP、AlGaAs、InGaAs、CuS、Ag2S、CuInSe2、CuInS2、In2S3、GaP、InP、GaN、AlN、GaAs、PbS、PbSe、PbTe、CuCl、Cu2S、Cu2Se,Cu2ZnSnS4、Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnSnTe4、CuInTe2、Si、Ge、Y2O3、Y2S3、Y2Se3、NaYF4、NaYS2、LaF3、YF3、ZnO、TiO2、La2O2S、Y2O2S、Gd2O2S、Zn3N2、Zn3P2、和/或其合金。例如，CdS钝化层可存在于CdSe纳米晶体的表面上，GaP钝化层可存在于InP纳米晶体的表面上，CdS和ZnSe合金可存在于CdSe纳米晶体的表面上。给定的表面层可以是合适的钝化层，如果它能够从可直接或间接地减少纳米晶体的光致发光QY的外部物质或表面隔离光致发光纳米颗粒。有效的纳米颗粒钝化层的通常标准包括抵抗氧化更稳健(robust)、具有比纳米晶体更宽的带隙、和/或不具有低下(low－lying)的电子态的材料。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒进一步包括宽带隙的纳米晶体，其具有大于目标入射光子能量的能隙。宽带隙纳米晶体可与不同组成的半导体形成异质结构，以提供目标入射光子的吸收。例如，宽带隙纳米晶体可包括NaYF4、Gd2O2S、Y2S3和/或CePO4。宽间隙的纳米晶体可以包括掺杂剂例如Yb，其相对于宽带隙半导体纳米晶体可以以10％以下(例如8％以下，6％以下，4％以下，2％以下，或1％以下)和/或0.05％以上(例如1％以上，2％以上，4％以上，6％以上，或8％以上)的摩尔分数存在。例如，相对于宽带隙纳米晶体的成分(即形成宽间隙纳米晶体的原子)，阳离子掺杂剂可以以1％的阳离子摩尔分数存在。
在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒还在表面上包括封端分子(即封端表面的分子)。多个封端分子可以在光致发光纳米颗粒上形成连续或不连续层。例如，封端分子可以是胺、铵、羧酸盐和/或酯、膦酸盐和/或酯、膦、氧化膦、低聚膦、硅烷、硫醇、二硫醇、二硫化物、含N杂芳基、和/或含N杂环烷基、其每一个独立地被C4－20烷基、C4－20烯基、芳基及其任何组合所取代。在一些实施方案中，取代的封端分子在波导基质提供增加的溶解度。在一些实施方案中，封端分子是十二烷基胺、三辛基胺、油酰、三辛基磷酸盐和/或酯、三辛基膦氧化物、三辛基膦、吡啶、乙酸盐和/或酯、硬脂酸盐和/或酯、肉豆蔻酸盐和/或酯、和/或油酸盐和/或酯。在一些实施方案中，封端分子包括反应性官能团，如烯烃、硅烷、丙烯酸盐和/或酯、和/或环氧化物，其中反应性官能基团可以与聚合物例如聚硅烷、聚丙烯酸酯聚合物、聚烯烃、和/或全氟聚醚形成共价键。
在光致发光纳米颗粒表面上的封端分子可为低聚物或聚合物。例如，封端分子可以包括低聚物，其包括位于低聚物的端基处的官能团，和/或低聚物的重复单元上的侧链。官能团可包括膦、氧化膦、膦酸根、氧化膦、吡啶、胺、酰胺、羧酸和/或羧酸根、乙酸根、硬脂酸根、肉豆蔻酸根、和/或油酸根。膦、氧化膦、膦酸根、氧化膦、吡啶、胺、酰胺、羧酸根，和羧酸中的每者可以是独立地被C4－20烷基、C4－20烯基、芳基、或其任何组合所任选取代。在光致发光纳米晶体的表面上的低聚物或聚合物可以包括聚硅烷、聚烷基膦、和/或聚芳基膦、其可以包括侧基例如烷基膦、芳基膦、烷基氧化膦、芳基氧化膦、膦酸盐和/或酯、吡啶、胺、酰胺、羧酸、羧酸盐和/或酯、和/或硫醇。
在某些实施方案中，在光致发光纳米颗粒的表面上，一个或多个封端分子可以用无机分子例如BF4 -、S2–、HS–、Se2 –、HSe–、Te2–、HTe–、TeS3 2–、OH–、和NH2 –、In2Se4 2-、SnTe4 4-、AsS3 3-、Sn2S6 4-、SCN-和/或其相关无机分子所取代。在一些实施方案中，相关的无机分子包括Sn2Se6 4-、In2S4 2-、Ge2Se4 2-、SnSe4 2-等。据认为，各种不同的无机小分子封端剂可用于替代封端分子。适用于替代封端分子的无机小分子记载于NagA.,etal.,Metal-freeInorganicLigandsforColloidalNanocrystals：S2－,HS–,Se2–,HSe–,Te2–,HTe–,TeS3 2–,OH–,andNH2 –asSurfaceLigands,J.Am.Chem.Soc.2011,133,10612.KovalenkoM.V.etal.,ColloidalNanocrystalswithMolecularMetalChalcogenideSurfaceLigands,Science2009,324,1417-1420,RosenE.L.etal.,ExceptionallyMildReactiveStrippingofNativeLigandsfromNanocrystalSurfacesbyUsingMeerwein'sSalt,AngewandteChemie,InternationalEdition,2012,51,684-689中，通过引用将每一篇都以全文并入本文。无机小分子封端剂可以用来向极性溶剂中的光致发光纳米颗粒提供溶解性，且使光致发光纳米颗粒更适于纳入到氧化物或其它无机波导中。
光致发光纳米颗粒可以具有约100nm以下，约50nm以下，约10nm以下，约5nm以下，或约2nm以下的最大尺寸。在一些实施方案中，光致发光纳米颗粒具有5nm以下的最大尺寸。在其他实施方案中，光致发光纳米颗粒具有约1nm-约100nm(例如约1nm至约75nm，约1nm至约50nm，约1nm至约20nm，约1nm至约10nm，约1nm至约5nm，约5nm到约75nm，约5nm到约50nm，约5nm到约25nm，约5nm-约20nm，或约5nm至约10nm)的平均最大尺寸。可例如通过透射电子显微镜或扫描电子显微镜，或通过x射线衍射线的展宽(例如对于小的纳米颗粒)来确定光致发光纳米颗粒的尺寸。不希望受理论的束缚，当光致发光纳米颗粒的折射指数不同于其中光子传播的材料的折射指数时，认为随着通过包含光致发光纳米颗粒的给定材料的光子光程增加，光散射过程可以以增加的概率发生。具有较小的最大尺寸的光致发光纳米颗粒可以减少光散射。如本文所用的，当描述尺寸，测量等时，术语"约"表示±5％的可能差别。
当光致发光纳米颗粒为芯/壳组合物时，芯可以具有约100nm以下，约50nm以下，约10nm以下，约5nm以下，或约2nm以下的最大尺寸。在一些实施方案中，芯具有5nm以下的最大尺寸。在其他实施方案中，芯具有约1nm-约100nm的平均最大尺寸。在一些实施方案中，每个壳可以具有约0.2nm到约25nm(如约0.2nm-15nm，约0.2nm-约10nm，约5nm-约25nm，约5nm-约15nm，约0.5nm-约15nm，约10nm-约15nm)的平均厚度。可以例如使用电子显微术通过测量壳生长前后的颗粒尺寸来确定壳厚度。
在一些实施方案中，组合的芯和壳的尺寸使得总的最大纳米颗粒尺寸对于具有减小(例如避免)的光子散射足够小。例如，对于在聚合物基质中的掺杂半导体纳米颗粒，组合的芯和壳的尺寸可以是10纳米以下。
半导体材料和掺杂剂还描述在2012年5月14日提交的美国专利申请公开号2013/0140506中，通过引用将其以全文并入本文。
光学特征和优点
不希望受理论的束缚，认为可以通过改变纳米晶体的尺寸，和/或通过合金化替代半导体纳米晶体的特定元素和/或制成芯-壳结构来调节半导体纳米晶体的带隙。例如，Mn:ZnSe光致发光纳米颗粒可以具有通过从ZnSe纳米晶体(其带隙依赖于尺寸)的能量转移产生的发射激发态。其它半导体材料可以具有不同的带隙。例如，通过芯/壳生长或合金化(形成Zn1－xCdxSe纳米晶体)用Cd取代ZnSe纳米晶体中的一些或全部Zn，纳米晶体的能隙可被缩小从而吸收显著更多的太阳光谱(附图中5)，同时仍允许在半导体纳米晶体主体吸收和Mn2+发光之间的基本零重叠。在一些实施方案中，相对于光波长，光致发光纳米颗粒可以保持为小的(图6)的，可为可溶液加工的，和可与聚合物或玻璃基质的形成兼容。
在某些实施方案中，在给定的光致发光纳米颗粒的发射和吸收光谱之间没有或几乎没有重叠。例如，给定光致发光纳米颗粒的发射光谱和最低吸收带的重叠不大于它们的积分归一化区域的25％(例如不大于20％，不大于15％，不大于10％，不大于5％，不大于2％)。在其它实施方案中，在吸收消光系数超过1000M-1cm-1(纳米晶体摩尔浓度)的任何波长下，光致发光纳米颗粒的吸收波长范围和发射波长范围不重叠。
在一些实施方案中，在等于纳米颗粒的带隙能量的能量下，光致发光纳米颗粒的吸收系数是在等于最大发射的能量下的吸收系数的至少500倍(例如至少750倍，至少1000倍，至少1500倍，或至少2000倍)，使得光致发光纳米颗粒是入射光子的良好吸收体，但在发射波长不具有显著的吸收性。
所述光致发光纳米颗粒相对于包括其他类型的光致发光纳米颗粒的其他LSC发光体，可以减少来自吸收和散射的光子损失。如下文实施方案2中所论述的那样，当与已知的芯-壳发光纳米颗粒相比时，本公开的光致发光纳米颗粒显示出较小的波导损失。
包括光致发光纳米颗粒的材料(例如LSC)可以具有90％以上(95％以上或97％以上)的光学透射率，低于纳米颗粒的带隙能量。取决于光致发光纳米颗粒的应用，可适用透明度范围和发射范围的不同组合。例如，如果光致发光纳米颗粒要用于全透明窗中，包括纳米颗粒的材料可以在400nm-800nm具有90％以上的光学透射率。如果光致发光纳米颗粒要用于部分透明的窗中，包括纳米颗粒的材料可以在400nm-800nm具有10％以上(例如25％以上，50％以上，或75％以上)的光学透射率。如果光致发光纳米颗粒要用于非窗应用，包括纳米颗粒的材料在高于带隙的能量下可显示出小于10％的光学透射率。
在一些实施方案中，包括光致发光纳米颗粒的材料在高于纳米颗粒带隙的能量下具有10％以下的光学透射率。这样的材料可用于其中比在大于带隙的能量下提供部分透明度更优选最大限度地吸收太阳辐射的应用。例如，相比通过提供部分透明度，施加于屋顶的LSC可因最大限度的吸收的太阳辐射而提供更大的益处。在另一个实例中，在大于纳米颗粒的带隙能量的能量下，具有10％以下的透射率的LSC可用于过滤UV阳光子，和/或获取最大量的太阳能。
光致发光纳米颗粒可具有大于50％(例如大于75％，或等于100％)的QY。
本公开的光致发光纳米颗粒对于纳入到用于LSC应用的波导基质是良好适用的。例如，具有高QY和极少乃至没有自吸收的光致发光纳米颗粒发光，其允许制成非常大的高效LSC。这对于减少使用LSC的太阳能发电的成本可以是重要的。
本公开的光致发光纳米颗粒的另一优点是由光致发光纳米颗粒吸收的光的波长范围(color)可以通过控制其尺寸，结构以及化学组成从紫外调节到近红外。这使得有利地匹配于太阳光谱成为可能，由此增加或优化可采集的阳光部分。作为实例，纳入仅选择性地吸收UV或红外光的光致发光纳米颗粒的LSC将会是光学透明的，但仍可以用于发电。作为另一实例，在单个LSC中使用两种或更多种不同类型的光致发光纳米颗粒，可制造实现了颜色平衡吸收的装置，使得装置可具有任何所需的颜色，包括均匀的灰色。因此，基于光致发光纳米颗粒的LSC适合用作窗涂层或用于建筑物外表面，屋顶等的通用建筑材料。在图7中示出了本公开的光致发光纳米颗粒的几个代表性实例的最小化吸收和最大化发射能量，其显示可获得宽范围的吸收和发射能量。参见图7，Cu+掺杂的CdSe或InP纳米晶体显示出施主/受主复合发光，其从半导体吸收边缘红移。Yb3+掺杂的PbS显示出尖锐的敏化Yb3+f-f发光。这些以及相关的掺杂纳米晶体可以通过采集较宽部分的太阳光谱和提供与Si光伏器件的更好发光匹配来改善LSC性能，同时保持通过Mn2+掺杂的ZnSe纳米晶体显示的小的再吸收损失。
在一些实施方案中，可以将多个LSC层(每个包含不同的光致发光纳米颗粒并连接到具有与纳米颗粒的发射匹配的带隙的光伏电池(PV))进行堆叠，以提高总体太阳能转化效率，类似于多结PV。
光致发光纳米颗粒的另一个优点是，纳米颗粒比绝大多数有机发光体更光化学稳定。这对于生产可在室外工作多年的装置是重要的，其是大多数应用中所要求的。
光致发光纳米颗粒的又一个优点是，纳米颗粒可以在许多溶剂中是可加工的，且可通过多种方法加工，从而允许易于以高的光致发光纳米颗粒浓度集成到塑料或玻璃波导基质中，并允许通过可变规模的基于溶液的方法包括喷涂、超声喷涂、旋涂、浸涂、浸渍、辊加工、和喷墨打印而与基质材料共同沉积。
将光致发光纳米颗粒集成到波导材料中
光致发光纳米颗粒可以纳入到用于LSC应用的波导材料中。例如，LSC可以以小于10％(例如小于8％，小于6％，小于4％，小于2％，或小于1％)和/或大于0.01％(大于1％，大于4％，大于6％，或大于8％)的纳米晶体与波导材料的重量比包括光致发光纳米颗粒。
波导基质可以是聚丙烯酸盐和/或酯、聚碳酸盐和/或酯、环状全氟化聚醚、聚有机硅、聚硅氧烷、聚丙烯酸烷基酯、环烯烃(例如ZeonexCOPTM(NipponZeon)和TopasCOCTM(CelaneseAG))、其交联的衍生物、和/或其共聚物，其中每者独立地被C1－18烷基、C1－18烯基、芳基及其任何组合所任选取代。在一些实施方案中、波导材料为聚(甲基丙烯酸甲盐和/或酯)或聚(甲基丙烯酸十二烷基盐和/或酯)、及其交联的衍生物。在一些实施方案中、波导材料是聚(甲基丙烯酸十二烷基盐和/或酯-共-乙二醇二甲基丙烯酸盐和/或酯)。波导基质可以是透明的。
在一些实施方案中，波导材料可以是无机玻璃，多晶固体或或非晶固体。无机玻璃的代表性例子是多晶固体或非晶固体，包括铟锡氧化物、SiO2、ZrO2、HfO2、ZnO、TiO2、氟硅酸盐、硼硅酸盐、磷硅酸盐、氟锆酸盐(例如ZBLAN(ZrF4－BaF2-LaF3－AlF3-NaF))、有机改性的硅酸盐(例如氧化硅-聚乙烯氨酯复合物、氧化硅-聚甲基丙烯酸甲酯复合物、和glymo-3-环氧丙氧基丙基·三甲氧基硅烷)。例如，波导材料可以是无机玻璃，如铟锡氧化物。
波导材料可具有2nm以下(例如1nm以下，0.5nm以下，或0.2nm以下)的表面粗糙度。不希望受理论束缚，认为具有平滑表面的波导材料可使光散射事件最小化。
当将光致发光纳米颗粒纳入到波导材料中时，得到的LSC可以在超过20的几何增益下具有至多约75％的OQE。例如，LSC的OQE可以大于25％(例如大于50％，大于70％)。
可通过波导的衰减系数α总结在LSC中因波导材料的吸收，波导缺陷的散射，波导表面处的粗糙度和类似的非理想性引起的光学损耗效应。不同的波导的材料可具有不同的衰减系数，而且为了使OQE最大化，α应该尽可能小。参照图8，对于一组有代表性的波导材料，在y轴上示出了在每侧上测量为1m见方的LSC的相对OQE，和x轴显示一般适用于每种材料的α范围。在一些实施方案中，在对应于多个光致发光纳米颗粒的峰发射的波长下，具有多个光致发光纳米颗粒的LSC可以具有小于0.05dB/cm(小于0.03dB/cm，小于0.01dB/cm)的衰减系数。
在一些实施方案中，除了使因波导材料的吸收、波导缺陷的散射，波导表面处的粗糙度和类似的非理想性引起的波导损耗最小化，在选择波导材料时还可以有其它考虑，例如成本或环境寿命。如上文所述的光致发光纳米颗粒与宽范围的波导材料兼容性可使选择非常适合于LSC的特定LSC应用的波导材料成为可能。作为实例，再次参照附图8，大的LSC可以受益于更高度透明的波导材料如聚硅氧烷，而较不透明的(但也较不昂贵)的波导材料如聚(甲基丙烯酸甲酯)可用于小的LSC。
LSC的构造
LSC可以是单层或多层的装置。例如在2011年3月4日提交的美国专利申请公开号2011/0253198中描述了LSC中的波导材料的配置，通过引用以其全文并入本文。
现在参考图9，显示了多层LSC装置150，其中将多个波导层155、160、165和170布置于堆跺体中。宽光谱波长λL的光照射到装置上，发光体层155、160、165和170吸收和发光从而将光导入PV175以产生电流。在所示实施方案中的入射光λL具有至少波长λL1的光，但可以是包含任何数量波长的光的更宽光源(如白色光源)。然而，为了简明起见，图9中所示的装置150中主要描述了关于波长λL1的光输入的装置。
从"最蓝"(155)"到"最红"(170)排列装置150的层155、160、165和170，但将认识到，这些术语并不是层的吸收或发射的实际颜色的指示，而是仅指示了"最蓝"是最短波长的光(例如发射的光)，和"最红"是具有最长发射波长的光。层155、160、165和170中的每一个都包括一种或多种任何类型的发光体，条件是层155、160、165和170中的至少一个包括光致发光纳米颗粒。
图9中的装置150的层开始于最靠近光源的层(它是层155，最蓝层)。在层155中的发光体(例如光致发光纳米颗粒)在波长λa1下具有吸收率和在波长λe1下具有发光发射。
装置150的层160相对于层165和170为"较蓝的"。层160的发光体(例如光致发光纳米颗粒)在波长λa2下具有吸收率和在波长λe2下具有发光发射。
装置150的层165是其中发光体比蓝色层155和160"较红"的层。层165的发光体(例如光致发光纳米颗粒)在波长λa3下具有吸收率和在波长λe3下具有发光发射。
装置150的层170包括具有任何装置150的任何层的最红发射的发光体(例如光致发光纳米颗粒)。
根据至少下列示例性的操作描述，该装置150采集进入光λL的能量。起初，波长λL1的光照射到了最蓝的各向同性层155上。最蓝层155的吸收λa1与入射光λL1的波长重叠，因而使发光体发光和发射波长λe1的光。在所有方向中发射λe1的光，包括到达PV175的一些光、将会向光源发回的一些光，和在较蓝层160的方向发射的一些光。
穿过最蓝层155到蓝层160的波长λe1的光照射到在较蓝层160中的发光体上。较蓝层160的发光体的吸收波长λa2与λe1重叠，再次在所有方向上引发在λe2的发光。
穿过较蓝层160到较红层165的波长λe2的光在波长λa3下被吸收，其与λe2重叠。在较红层165中的发光体在所有方向在波长λe3下发光。
穿入最红层170的从较红层165发出的波长λe3的光在波长λe4下被层170中的发光体吸收，其与λe3重叠。然后，发光体在波长λa4下发光。
在一些实施方案中，在最红层170中的发光体根据它们的发射和吸收偶极子而取向，如2011年3月4日提交的美国专利申请公开号2011/0253198中所述，通过引用以其全文引入本文。在这种实施方案中，在波长λe4的光在该层的平面内优先发射，并因此朝向或远离PV175传播。值得注意的是，在波长λe4下不朝向层165或远离该装置的方向中发射光(朝向图9中所示的装置的"底部")。因此，取向的最红层170可充当用于在装置150中在底部边缘容纳光阻挡体。
如果光λL的来源为较宽波长的光源(例如白光)，那么应理解，层160、165和170中的发光体不只需要采集直接来自在能量级联中在它们前面的层的光，而且还可吸收和发光基于在吸收波长下直接照射在发光体上的光。用层160、165和170中的虚线箭头在图9中显示了该效果，其中波长λL2的光可以任选地照射到较蓝层160中的发光体上；波长λL3的光可任选照射在层165中的较红发光体上，和波长λL4的光可入射在最红层170中的最红发光体上。
在一些实施方案中，不是具有包括层170中的发光体的波导层，而是层170可以是具有的折射指数小于层160的折射指数的包覆层。因而，LSC可以具有一个或多个与LSC的波导材料的外层光学连通的包覆层。包覆层可以具有折射率小于波导材料的折射指数，使得包覆层使光因全内反射而受限在波导材料内。
在一些实施方案中，不是具有邻接波导层的155、160、165和170的单一PV，而是层155、160、165和170中的一个或多个可以分别与单独的PV光学连通，其可具有与其连合的层的峰发射匹配的带隙。
尽管图9描述了具有其中各层包括单个发光体的多层发光体的LSC装置，但应理解，单一波导层可以包括多个发光体。
现在参考图10，说明了"包装的"LSC装置200，其中多个各向同性层210、211和215形成包括发光层的芯216。芯216在上端和下端被最红层205和206约束。装置的底部层是配置成反射至少最红波长的反射镜219。在优选实施方案中，反射镜219反射可能潜在照射于反射镜219上的所有波长。
在另一个实施方案中，反射镜219可以是反射镜或散射面。
在示例性的装置设计中，反射镜219优选通过空气间隙或低指数层(未示出)与层206分离。与层206直接接触可能减少层206中的波导的全内反射效率。
装置的顶部层是封装层217，其可以用于保护装置200免于环境条件，例如水分、氧、及其他损失效应。封装层217也可以是配置为允许照射到在装置200上的最大量光进入其内包含的发光体的减反射层。含发光体的层205、206和216都邻接PV220用于将发射的光转化为电流。
在图10中所示的装置200中，最蓝层215在装置的中间，接着向外移动是较红层210、211，和最后受到最红层205和206的约束。可以理解，装置200的类似命名、但不同编号的部分可以相同或不同。即，较红层210和211可以相同或不同，最红层205和206也是如此。
如上对于图9所述那样，当最红层170包括取向的发光体时，装置150中的层170可以对在装置150内容纳的光产生边界，从而使装置150采集且由PV175转变成电流的能量约束最大化。在一些实施方案中，在图10所示的装置200中对该概念进行扩展，
其中约束该装置200的顶部和底部200的最红层205和206可以包括取向的发光体，从而在装置的上表面和下表面产生限制，由此使保留在装置内光能的量最大化。
在某些实施方案中，具有最长发射波长(例如"最红")的发光体层包括取向的发光体。
在一些实施方案中，不是具有邻接波导层205,206、210、211和215的单一PV，而是层205、206、210、211和215中的一个或多个可以分别与单独的PV光学连通，其可具有与其连合的层的峰发射匹配的带隙。
在一些实施方案中，不是封装层217和反射镜219，而是层217和219中的一个或两个可以是折射指数小于相邻层(即层205和/或206)的折射指数的包覆层。。
使用本领域的技术人员已知和公开在本文中的方法完成多层LSC的制备。例如，可使用已知方法(例如旋涂、滴涂、蒸发、气相沉积、等等)制造包括光致发光纳米颗粒的层。可以用液晶，挤出或公开于2011年3月4日提交的美国专利申请公开号2011/0253198中的其它方法制备各层包括取向发光体的层，通过引入以其全文将该专利公开并入本文。
衬底可用来支撑自支撑的一个层(或多个层)。作为补充或替代，可以以两个或更多个部分制作多层LSC，并接合(例如结合)以形成成品装置。含发光体的波导的"堆跺体"边缘连合于PV电池以形成用于发电的完整的多层LSC系统。
虽然以上描述了PV，但可以理解，作为补充或替代，LSC可与一种或多种其它光利用装置例如太阳能加热器、聚光太阳能热电系统、照明装置、和/或光化学反应器光学连通。
LSC的使用
不希望受理论的束缚，认为对于本公开的LSC而言，超过100X的理论浓度因子是可能的，因为最大光学增益受限于光致发光纳米颗粒的斯托克斯(Stokes)位移，而不是光聚焦。
LSC可制成多种颜色，并且甚至可以是光学透明的，使LSC可用作太阳能窗或其它建筑物中集成的建筑元件。LSC可配置成用于各种潜在的应用，从消费电子产品到实用级别的太阳能场部署。由于LSC的材料和安装成本低于传统的光伏板，因此使用LSC产生的太阳能电力具有显著比其它形式的太阳能发电廉价的潜力。
作为一个实例，LSC可用于窗应用。如上所述，光致发光纳米颗粒(及所得的LCS)的光学透射率可根据应用而调节。包括光致发光纳米颗粒的LSC可以在大于850nm的波长处具有峰发射以减少可见的"辉光"。在一些实施方案中，对于窗和其它应用，作为补充或替代，通过在包覆层中并入吸收性非发射物质例如有机染料(其吸收范围可与光致发光纳米晶体的发射范围重叠)来减少(或消除)可见辉光。含染料的包覆层可通过低折射指数层与波导层分离，由此吸收离开波导层的逃逸锥的光。
在一些实施方案中，对于LSC与硅光伏器件的最佳连接，最大发射波长是900-1100nm。通常，当光致发光纳米晶体的最大发射的能量略低于光伏器件的带隙时，实现了与光伏装置的最佳连接。
在一些实施方案中，LSC形成装置的涂层或者是它的一部分。
在一些实施方案中，LCS形成自由聚合物膜或者是它的一部分。
在一些实施方案中，LCS形成电子显示器或触摸屏的一部分。
包括下列实施例用于说明而不是限制性目的，所描述的实施方案。
实施例
实施例1.代表性光致发光的制备和表征
纳米颗粒
在该实施例中，描述了本公开的代表性光致发光纳米颗粒的制备，表征和用途。
包含光致发光纳米颗粒的LSC的制造和表征
基于具有不同结构和组成的光致发光纳米颗粒的几个代表性实施例制备和表征了LSC。通过在270℃下在N2气体压力下，且还在MnCl2存在下，在十六烷基胺中热分解四聚物(Me4N)2[Zn4(SePh)10]30-60分钟生长Mn:ZnSe/ZnS芯-壳光致发光纳米颗粒。然后，在230℃下在N2气体压力下，通过在十八烯和油胺溶液中连续缓慢添加油酸锌和三辛基膦硫化物5-25分钟，用ZnS壳涂覆所得的纳米晶体。将颗粒悬浮在甲苯并使用乙醇和甲醇反复洗涤。
以类似的方式制备Mn:ZnSe/ZnS/CdS/ZnS多壳光致发光纳米颗粒，但不同的是在添加第一ZnS壳后连续添加CdS和ZnS壳。通过连续缓慢添加油酸镉和三辛基膦硫化物或油酸锌和三辛基膦硫化物沉积这些壳。将颗粒悬浮在甲苯中，并用乙醇和甲醇反复洗涤。使用Zn1－x－yCdxMnySe(x和y具有使1-x-y>x+y和x>y的值)。在此，x为约0.1和y为约0.01。通过在270℃下在N2气体压力下，且还在CdCl2和MnCl2存在下，在十六烷基胺中热分解四聚物(Me4N)2[Zn4(SePh)10]30-60分钟生长光致发光纳米颗粒。将颗粒悬浮在甲苯并使用乙醇和甲醇反复洗涤。
通过在十六烷中溶解醋酸镉和油酸并在N2气下脱气制备Cu掺杂的CdSe光致发光纳米颗粒。相对于氮气正压，向此混合物中加入硬脂酸铜，并对溶液再次脱气。在加热至180℃后，将TOP中的硒粉末快速注入到镉溶液中，使纳米颗粒生长，然后冷却该反应。通过用乙醇：丙酮洗涤，离心和在甲苯中再分散来对纳米颗粒纯化。在另一种合成中，向十八烯中添加SeO2、肉豆蔻酸镉和CuCl，脱气，并加热至250℃，其中逐滴加入油酸酸并在纳米颗粒形成后冷却该反应。通过用乙醇：丙酮洗涤，离心和在甲苯中再分散来对纳米颗粒纯化。
使用这些光致发光纳米颗粒制备两组LSC装置，一组基于含光致发光纳米颗粒的聚合物膜，另一组采用含光致发光纳米颗粒的液体填充的平面太阳能电池。现在将描述来自这些装置的结果。
LSC聚合物膜
通过在包含约1重量％的Irgacure651光引发剂的甲基丙烯酸月桂酯中分散光致发光纳米颗粒的甲苯溶液制备聚合物装置。将几滴将所得混合物放置在干净的硼硅酸盐玻璃盖玻片上，然后用第二盖玻片覆盖，和将得到的玻璃/溶液/玻璃对样品进行光聚合以形成固体膜。样品的测量尺寸为2.5×7.5×0.16cm，当照亮整个LSC时，导致几何增益(定义为面到边的面积比)，G＝20。用400nm的单色光均匀照亮LSC，并且来自中心在一个边缘的长度l＝0.7cm的孔径的发射被积分球所收集，通过单色仪，被光电倍增管检测到。使保持装置的边缘变黑。
测定了光学量子效率(OQE)，其定义为到达装置边缘的所吸收光子的分数。为了计算，需要说明对所测量的边缘发射强度的两个校正：(1)收集来自整个周边的仅一部分的光；和(2)使用实验布置探测到达装置边缘的仅特定部分的光子(一些光子在位于边缘逃逸锥之外的方向中传播，因此一旦到达边缘就被反射回波导中)。在实际应用中，LSC通常会具有一个或多个周边安装的PV，其折射指数超过LSC基质(例如Si或GaInP)的折射指数；在这样的条件下到达边缘的所有光子理论上可被捕获。采用这些校正，使用Erickson,C.S.etal.,Zero-ReabsorptionDoped-NanocrystalLuminescentSolarConcentrators,ACSNano2014,8,3461中描述的程序计算效率，通过引用将其以全文并入本文。
在一些测量中，使用可移动的掩模照亮该装置的连续的较大的面积，使OQE的确定作为几何增益的函数成为可能。图11示出了用于进行这些测量的实验装置。
在图12A-12C中示出了来自从三种光致发光纳米颗粒制备的三种聚合物膜装置的代表性吸收和发射光谱。在每种情况下，吸收由半导体纳米晶体(敏化剂)支配，发射由掺杂剂(活化剂，Mn2+或Cu+)支配。在一种情况下(Cu:CdSe/CdS，图12C)，可以观察到一些激发发射。在该情况下，这导致与吸收光谱的一些重叠，产生一些自吸收。在另外两种情况下(即，分别为Mn:ZnSe/ZnS和Mn:CdZnSe/CdS，图12A和12B)，显示了基本零再吸收。表1中列出了这些装置的光学量子效率。在为10的几何增益下，一些其他的类似制备的装置(数据未示出)显示出至多68％的光学量子效率，在最高报道值中，并且接近约75％的理论最大值，对应于具有定向各向同性发光体发射的理想装置，单一光致发光QY和没有自吸收。这种特别高水平的性能可归因于用于制备它的所纳入的光致发光纳米颗粒的高QY，测定其为97％。这说明了QY对于LSC性能的重要性，其应尽可能的高。从光致发光纳米颗粒制备的具有较低QY(例如基于Mn:ZnSe/ZnS的填充有液体的LSC装置，其具有50％的所纳入的光致发光纳米颗粒的测得QY)的装置表现得不如基于具有更高QY的光致发光纳米颗粒的类似装置有效率。
表1
图13A-13C示出了这些装置的OQE随几何增益的变化。参考图13A至13C，观察到OQE随几何增益增加而逐渐减小。从降低速率，根据在EricksonC.S.etal.,Zero-ReabsorptionDoped-NanocrystalLuminescentSolarConcentrators",ACSNano2014,8,3461(通过引用以其全文并入本文)中描述的程序计算衰减系数α，其结果列于表1中。
图14A-14C对于这些LSC示出了通过边缘孔径收集的发射光谱与几何增益的函数关系。将光谱归一化以展示出1的峰值，使峰位置和形状的比较成为可能。可以看出，对于纳入Mn:CdZnSe/ZnS(图14A)和Mn:ZnSe/ZnS(图14B)的LSC，峰位置和形状都不随增加的几何增益而变化。这些光谱几乎是不可区分的，即不随距离改变。相对于其中自吸收导致边缘发射的光随离开边缘的激发距离而渐进式红移的LSC中所通常观察到的，这种行为是引人注目的。图14C中所示的纳入Cu:CdSe/CdS光致发光纳米颗粒的LSC的归一化的发射光谱显示出两个发射特征：中心在约580nm的发射特征归因于带边缘发射，而中心在约700nm的第二较宽和较强的发射特征归因于Cu掺杂剂的发光。由于带边缘特征部分地与Cu:CdSe/CdS吸收重叠，发射随增加的几何增益而逐渐变得更加衰减。然而，大部分发射的光子与来自掺杂剂的发射相关。这些基本不经历自吸收，如随着增加的几何增益在发射带的形状或位置方面没有任何显著变化所证明的那样。
液体填充的LSC
从由间隔物分隔且填充有分散于甲苯中的光致发光纳米颗粒的溶液的两个矩形玻璃盖玻片构建液体填充的LSC。单元(cell)的形状为矩形的，测量为2.5cm×7.5cm×0.065厘米，和含光致发光纳米颗粒的液体层的厚度为0.033cm。在填充后，使用光学粘结剂围绕其周边密封所述单元，使除了用于测量边缘发射的部分的全部周边变黑。
通过用位于离收集边缘的距离为d的点激发源照亮LSC来测量边缘发射。离开收集边缘的光被捕获在积分球内，并在被光电倍增管检测到之前穿过单色仪。OQE计算为其中Nem为从边缘孔隙收集的光子数，是由样品吸收的光子数(P和λ为激发源的功率和波长，A为通过紫外-可见光谱测量的在激发波长下的LSC吸光度，h是普朗克常数，c是光速)。常数a是在边缘逃逸锥传播的到达周边的光子的分数的倒数。其值通过发射蒙特卡罗(MonteCarlo)模拟，采用McDowallS.etal.、Appl.Opt.2013、52、1230-1239模型的修改版本(在此通过引用以其全文并入本文)计算，产生了α＝1/0.43＝2.33。常数gg校正对于从周边的小部分ll收集的光。它使用近似计算以考虑点照亮。用两种光致发光纳米颗粒制备装置：(a)Mn掺杂的芯-壳ZnSe/ZnS和b)合金化的Zn1-x-yCdxMnySe。
表2
LSC的基础 装置配置 OQE
Mn:ZnSe/ZnS 液体填充 51％
Zn1-x-yCdxMnySe 液体填充 22％
在图15A(Mn：ZnSe/ZnS)和图15B(Zn1-x-yCdxMnySe)中显示了来自两个装置的代表性的吸收和发射光谱。如同在基于聚合物的装置的情形中那样，吸收受半导体纳米晶体的敏化剂支配，和发射受Mn活化剂支配。两个装置的平均光学量子效率列于表2中。
为了说明几乎全部缺失发光体的自吸收的效果，图16A(Zn1-x-yCdxMnySe)和16B(Mn：ZnSe/ZnS)显示了对于离收集点从约5mm至约45毫米(步长约8毫米)的5个不同的激发距离从装置边缘收集的归一化的发射光谱。对于每个装置，光谱几乎是不可区分的，即随距离几乎不变。如上所述，相对于其中自吸收导致边缘发射的光随离开边缘的激发距离而渐进式红移的LSC中所通常观察到的，这种行为是引人注目的。
进一步说明基于光致发光纳米颗粒的LSC的性能益处，图17示出了相同的两个装置的OQE，确定为激发距离的函数。效率保持随距离基本不变，相对于基于其中OQE随离开边缘的激发距离近似指数减小的其它发光体类型的LSC中所观察到的行为，再次是引人注目的。这表明可以制成很大面积的装置，而不显著劣化性能。
实施例2：本公开的光致发光纳米颗粒与已知的光致发光纳米颗粒 的比较
本实施例评价了本公开的光致发光纳米颗粒相对于包括其他类型的光致发光纳米颗粒的其他LSC发光体，是否可以减小来自自吸收和散射的损耗。
参照图18，对于两种纳入不同类型的光致发光纳米颗粒的LSC，评价了在线性、棒状LSC中测量的归一化的波导光致发光强度与激发和收集位置之间的距离的函数关系。第一LSC包括如实施例1中所述那样合成的Mn:Zn1-xCdxSe/ZnS(其中x值约为0.1)光致发光纳米颗粒。第二LSC包括CdSe/CdS纳米颗粒，其是"巨大"壳芯-壳半导体纳米晶体的例子，一种已知具有小的自吸收的光致发光纳米颗粒，如Chen，O.etal.,Nat.Mater.2013,12,445－451中所述那样制备。两种纳米颗粒波导在所述纳米晶体的带隙能量下在1mm路径长度内具有为1的光密度。对于所公开的光致发光纳米颗粒，数据显示出显著更小的波导损耗。
尽管说明和描述了示例性的实施例，但应理解，可进行多种改变而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (41)

  1. 主张专有权或特权的本发明的实施方案的定义如下：
    1.发光太阳能聚光体，包括：
    (a)多个光致发光纳米颗粒，每个包括：
    (i)半导体纳米晶体；和
    (ii)纳米晶体缺陷，其中所述纳米晶体缺陷和半导体纳米晶体组合从而产生光致发光效应，且其中所述缺陷选自原子、原子团、晶格空位及其任何组合；和
    (b)波导材料，其具有悬于其中或涂覆到波导材料的表面的多个光致发光纳米颗粒。
  2. 2.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述纳米晶体缺陷位于半导体纳米晶体的表面之内或之上。
  3. 3.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中光致发光纳米颗粒包含选自如下的材料：CdSe、CdS、CdTe、ZnSe、ZnS、ZnTe、InN、InP、AlGaAs、InGaAs、CuS、Ag2S、CuInSe2、CuInS2、In2S3、GaP、InP、GaN、AlN、GaAs、PbS、PbSe、PbTe、CuCl、Cu2S、Cu2Se、Cu2ZnSnS4、Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnSnTe4、CuInTe2、Si、Ge、Y2O3、Y2S3、Y2Se3、NaYF4、NaYS2、LaF3、YF3、ZnO、TiO2、La2O2S、Y2O2S、Gd2O2S、Zn3N2、Zn3P2、其合金、其异质结构、及其任何组合。
  4. 4.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中每个光致发光纳米颗粒还在表面上包含钝化层。
  5. 5.如权利要求4所述的发光太阳能聚光体，其中钝化层包含选自如下的钝化材料：CdSe、CdS、CdTe、ZnSe、ZnS、ZnTe、InN、InP、AlGaAs、InGaAs、CuS、Ag2S、CuInSe2、CuInS2、In2S3、GaP、InP、GaN、AlN、GaAs、PbS、PbSe、PbTe、CuCl、Cu2S、Cu2Se,Cu2ZnSnS4、Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnSnTe4、CuInTe2、Si、Ge、Y2O3、Y2S3、Y2Se3、NaYF4、NaYS2、LaF3、YF3、ZnO、TiO2、La2O2S、Y2O2S、Gd2O2S、Zn3N2、Zn3P2、其合金、及其任何组合。
  6. 6.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中每个光致发光纳米颗粒还在表面上包含封端分子。
  7. 7.如权利要求6所述的发光太阳聚光体，其中所述封端分子选自胺、羧酸盐和/或酯、膦酸盐和/或酯、膦、氧化膦、低聚膦、硫醇、二硫醇、二硫化物、含N的杂环、及其任何组合。
  8. 8.如权利要求6所述的发光太阳能聚光体，其中所述封端分子选自十二烷胺、三辛胺、油胺、三辛基磷酸盐和/或酯、三辛基氧化膦、三辛基膦、吡啶、乙酸盐和/或酯、硬脂酸盐和/或酯、肉豆蔻酸盐和/或酯、和油酸盐和/或酯。
  9. 9.如权利要求6所述的发光太阳能聚光体，其中所述封端分子包含选自烯烃、硅烷、丙烯酸根、环氧化物、或其任何组合的反应性官能团。
  10. 10.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中每个光致发光纳米颗粒进一步在光致发光纳米颗粒的表面上包含选自如下的无机分子：BF4 -、S2–、HS–、Se2–、HSe–、Te2–、HTe–、TeS3 2–、OH–、和NH2 –、In2Se4 2-、SnTe4 4-、AsS3 3-、Sn2S6 4-、SCN-，及其相关的无机分子。
  11. 11.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中每个光致发光纳米颗粒还在光致发光纳米颗粒的表面上包含含有侧链的聚合物分子，该侧链包含选自膦、氧化膦、膦酸盐和/或酯、膦氧化物、吡啶、胺、酰胺、羧酸、羧酸盐和/或酯、硫醇、及其任何组合的部分。
  12. 12.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中每个光致发光纳米颗粒包含芯-壳结构。
  13. 13.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中所述原子或原子团选自Mn、Co、Cu、Pt、Ru、V、Cr、Ag、Au、Al、Bi、Sb、Cl、Br、或I、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、和Yb。
  14. 14.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中所述原子或原子团包含Mn。
  15. 15.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述晶格空位是原子空位。
  16. 16.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中所述缺陷以10％或更少的摩尔分数存在。
  17. 17.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述缺陷以约1％的摩尔分数存在。
  18. 18.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中所述缺陷为原子、原子团或晶格空位中的一种。
  19. 19.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述缺陷是原子、原子团和晶格空位中的两种或更多种。
  20. 20.如权利要求1的发光太阳能聚光体，其中每个光致发光纳米颗粒进一步包含选自如下的宽带隙纳米晶体：NaYF4、Gd2O2S、NaYS2、Y2S3、和CePO4。
  21. 21.如权利要求20所述的发光太阳能聚光体，其中宽间隙纳米晶体包含掺杂剂。
  22. 22.如权利要求21所述的发光太阳聚光体，其中所述掺杂剂包含Yb。
  23. 23.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中所述光致发光纳米颗粒选自Mn掺杂的ZnSe/ZnS/CdS/ZnS、Cu掺杂的InP/ZnS、Zn1-x-yCdxMnySe/ZnS、Yb掺杂的Si/SiO2、Yb掺杂的NaYF4/CdSe/ZnSe,CuxZnyInzSe2-δ、和Yb掺杂的CdTe/ZnS。
  24. 24.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述光致发光纳米颗粒具有10nm或更小的平均最大尺寸。
  25. 25.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述光致发光纳米颗粒在低于纳米颗粒的带隙能量下具有90％以上的光学透射率。
  26. 26.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述光致发光纳米颗粒在高于纳米颗粒的带隙能量下具有10％以下的光学透射率。
  27. 27.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述光致发光纳米颗粒在等于所纳米颗粒带隙能量的能量下的吸收系数超过在等于最大发射的能量下的吸收系数的至少500倍。
  28. 28.如权利要求1所述的发光太阳聚光体，其中所述光致发光纳米颗粒具有吸收光谱和发射光谱，且所述发射光谱和最低吸收带在其积分归一化区域中重叠不大于25％。
  29. 29.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中所述波导材料选自聚丙烯酸盐和/或酯、聚碳酸盐和/或酯、无机玻璃、多晶固体、非晶固体、环状全氟化聚醚、聚有机硅、聚硅氧烷、聚丙烯酸烷基酯、环状烯烃。
  30. 30.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中波导材料是聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸十二烷基酯)、或其交联的衍生物。
  31. 31.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中波导材料具有2nm或更小的表面粗糙度。
  32. 32.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，包含小于10％的光致发光纳米颗粒与波导材料的重量比。
  33. 33.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，其中所述发光太阳能聚光体在超过20的几何增益下具有至多约75％的光学量子效率。
  34. 34.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，在对应于所述多个光致发光纳米颗粒的峰发射的波长下具有小于0.05dB/cm的衰减系数。
  35. 35.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，还包括与波导材料光学连通的至少一个包覆层，其中所述包覆层具有低于所述波导的折射指数的折射指数。
  36. 36.如权利要求1所述的发光太阳能聚光体，还包括与波导材料光学连通的光利用装置，其中所述光利用装置选自光伏电池、太阳能加热器、聚光太阳能热发电系统、照明装置和光化学反应器。
  37. 37.窗板，包含如权利要求1所述的发光太阳能聚光体。
  38. 38.涂层，包含如权利要求1所述的发光太阳能聚光体。
  39. 39.独立式的聚合物膜，包含在如权利要求1所述的发光太阳能聚光体。
  40. 40.电子显示器，包含如权利要求1所述的发光太阳能聚光体。
  41. 41.触摸屏，包含如权利要求1所述的发光太阳能聚光体。
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