CN106133921B - 透明能量收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透明发光太阳能收集器。该透明发光太阳能收集器具有嵌入波导基质的发光体，该发光体选择性吸收和发射近红外光，该近红外光到达边缘安装或嵌入的太阳能光伏阵列。

Description

透明能量收集装置
相关申请交叉引用
本申请要求提交于2014年3月20日的美国专利申请号为14/220,850的优先权。以上申请的全文通过参见的方式纳入本文。
背景技术
本发明总体涉及太阳能收集器，并且尤其涉及用于集成太阳能窗的透明太阳能收集器。
将太阳能收集系统集成入建筑环境是一种转型路径，来捕获大面积太阳能，降低有效太阳能电池安装成本，以及提高建筑效能。然而基于成本、建筑阻抗和最重要的美学因素而导致的，与在建筑物上及其周围安装传统太阳能模块有关的困难，使得在建筑外壳中大量采用太阳能收集系统受到严重阻碍。
已经熟知发光太阳能收集器(LSCs)的概念，并且借助磷光和荧光发光体效率的最新进步，LSC系统效率已经增至7.1％。尽管光线的光学漏斗效应限制了总体系统转换效率至小于百分之十(没有LSC堆垛)，它可以大幅减少所需的昂贵太阳能电池的面积，驱动降低总体安装成本以及增加发电量对太阳能电池表面积的比值。由于分别被计入模块和系统平衡成本的玻璃和房地产的高成本，这种LSCs很少在太阳能发电站实践中被采用，而不管增加的性能和模块成本降低的潜能。此外，有被表明的在将LSCs用于建筑窗户的兴趣。然而到目前，这些系统被限制在可见光谱的吸收和发射(光晕)，阻碍了这种装置在窗户中的大量采用。一般地，窗户的目的是提供具有视野的自然光照；即大多数人不希望在强烈着色的玻璃后工作。因而高标准的无色透明对于普遍采用而言是理想的。
LSCs的性能可以通过部件效率来理解：发光体光致发光效率(量子产量)，太阳能光谱吸收效率，波导(捕获)效率，太阳能电池效率，以及传输(再吸收)效率。最高性能的LSCs利用磷光有机分子或多种荧光基团的混合(例如量子点或有机染料)，用于减少再吸收(斯托克位移)损失和增强整个光谱的总体吸收效率。报道的最高效率(6-7％)是相对小的板(<0.1m2)，因为更大的LSCs尺寸经受显著的再吸收损失，其限制效率至<5％。
很早就公认LSCs最主要受再吸收损失限制，尤其对于更大板的尺寸。实际上，很多关于LSCs的研究关注在减少这些再吸收损失，通过利用有机磷光体增加斯托克位移，多种染料优化来人工增加斯托克位移或共振位移来减少再吸收损失只适用于少于几个微米厚的纯染料薄膜层。
之前的建造透明太阳能收集建筑的努力集中在：(1)半透明薄膜光伏，其通常具有严重着色或受限的传播或具有在效率和透明度之间固有的抵消，(2)结合着色的载色体的LSCs，其吸收或发出可见光，或(3)使用依赖波长的光学器件的光学系统，其只收集直接光线并且需要太阳能跟踪。由于美学性能，庞大性，或大幅受限的透明度，所有这些方法在用于窗户中的潜力受到了严重限制。这些方法经受了电力转换效率(“PCE”)和可见透明度(“VT”)之间的固有抵消，因为两个参数在传统的装置中不能同时优化。建筑应用另外以在可见光谱内具有最高吸收的有机光伏(PVs)而受阻，其导致低显色指数(“CRI”)，高颜色着色以及低自然光照质量。相反地，期望获得可见的透明的、UV/NIR选择性太阳能收集器来避免阻碍建筑应用的美学抵消(低VT或CRI)，并且提供大面积规模化的清晰路径。
图1示出在传统构造中的发光太阳能收集器(LSC)100的截面图，该SC 100包括一第一无机太阳能电池105和一第二无机太阳能电池或一反射膜110，一基体115和一波导转向材料120。该波导转向材料120可以是一NIR发光染料或散射粒子。长括号125代表入射太阳能通量，短括号130代表NIR光，块箭头135代表可见光。箭头140代表波导NIR光。负向影响LSC 100的效率的因素包括，低发光体光致发光效应(量子产量)，低太阳能光谱吸收效率，低波导(捕获)效率，低太阳能电池效率，以及低输送(再吸收)效率。
各种传统的装置采用了一发光的太阳能收集器，其具有在其中完全分散的发光体或散射剂。例如美国专利包括：标题为“发光太阳能收集器”的No.4,155,371，其在1979年5月22日授予Wohlmut等人；标题为“发光太阳能收集器”的No.4,159,212，其在1979年6月26日授予Yerkes等人；标题为“发光太阳能收集器”的No.4,357,486，其在1982年11月2日授予Blieden等人；标题为“包括具有特殊预倾角的对齐聚合物的发光体”的No.2009/0027872，其在2009年1月29日被Debije等人公开；以及标题为“集成太阳能电池纳米阵列和光收集装置”的No.2010/0288352，其在2010年11月18日被Ji等人公开。所有这些参考文献以参见的形式纳入本文。
发明内容
按照本技术，公开了一种透明发光太阳能收集器(TLSC)。该系统包括一太阳能光伏阵列，一波导体，以及一波导转向材料。在各个实施例中，该波导转向材料联结到该太阳能光伏阵列。该波导转向材料可以嵌入太阳能光伏阵列。在一些实施例中，该波导转向材料与至少一个太阳能光伏阵列并置。该波导转向材料可以包括散射纳米颗粒。该系统可以包括多个阵列。
在一方面，一发光体太阳能收集器(LSC)选择性地吸收具有大于约652nm波长的NIR光。一发光体太阳能收集器的另一方面采用嵌入聚合物基质的散射纳米晶团簇。
本装置和方法相对于传统的装置具有优势。例如本发光太阳能收集器对人眼是高度透明的，由此使它非常适合用于建筑结构、温室、车辆、飞机、船舶等的视野窗户。另外，本装置的发光体和主体组成方面取得了大于约10-25％的量子产量。
为了克服现有技术的缺陷，本低成本的太阳能收集器在可见光谱中是高度透明的，并且可以整合到建筑物表层的窗户和照明系统中。分子染料的激发特征和结构性吸收会产生近红外(“NIR”)LSC结构，其选择性地收集NIR光，这是通过将更深NIR发光体发射波传导至高效率分段太阳能电池阵列，其嵌入波导体中，由此减少任何视觉冲击，并且最小化所需的昂贵太阳能材料的量，同时扩展进入NIR的光子收集范围。能够收集大部分近红外光子的特定发光体非常适合这些透明系统。发光体花菁、花菁盐和方酸盐的混合物特别适合具有高透明度和最小染色的TLSCs。相应地，为了广泛布置窗户，这种装置优化了透明太阳能收集器，其系统效率大于约0.1-5％，平均可见透射率大于约70％，以及显色指数大于约85。这些SCs从直射光和非直射光中产生电力，并且增加了通过太阳能收集的低光效率，同时保持窗户玻璃的美观和结构设计的自由。
附图说明
此处描述的附图仅仅是用于说明所选的实施例，不是所有可能的实施方式，并且不是意在限制本申请公开的范围。
图1是传统的发光或散射太阳能收集器的示意图；
图2是示出围绕一波士顿，MA的建筑物的太阳能通量的示意图；
图3A至3D示出一第一太阳能收集器的示意图；
图4A至4D示出一第二太阳能收集器的示意图；
图5是具有反射镜的太阳能收集器的示意图；以及
图6A-6J是示出各种发光体的吸收和发光光谱的示意图；
图7A至7C示出：(7A)透明发光太阳能收集器；(7B)CY和HITC结构，以及(7C)一透明LSC系统的照片，其结合CY染料高亮了在可见光谱之外的吸收和发光二者的需要；
图8A至8B示出：(8A)吸收NIR的发光体CY和HITCI的标准化的吸收(圆)和发光(方)光谱，以及(8B)示出测量的量子产量(QY)以及在二氯甲烷中CY和HITCI的吸收以作为浓度的函数；实线拟合至用于QY的方程1和用于吸收的Beer-Lambert法则；
图9A-9D示出：(9A)光强度与Voc，FF，电力效率和CY装置的反应性的依赖关系，(9B)作为用于具有两个发光体的全组装LSC系统的伏特的函数的当前密度，(9C)LSC系统的EQE，作为从0.02m到0.07m在10mm步长下测量的波长的函数)，以及(9D)计算的EQE，作为具有如圆圈所示的测量的EQE的CY LSC长度的函数；以及
图10示出了对CY LSC光学效率的计算，该CY LSC光学效率作为具有模拟的斯托克位移的函数的LSC长度的函数，其中CY和HITCI分别是20nm和30nm的斯托克位移的参考值。
在整个说明书附图的几个视图中，相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
下面对技术的描述仅仅是示例性地展示一个或多个发明的主题名称，制造和应用的本质，不是意在限制本申请要求的任何特定发明或可能要求本申请的优先权而提交的其他申请，或由此而授权的专利的范围，应用或使用。
说明书和特定的实施例，虽然指出了技术的实施方式，但仅仅意在说明性的目的，不是意在限制技术的范围。另外，多个具有提及的技术特征的实施例的引用不是意在排除具有附加技术特征的实施例，或其他具有被提及的技术特征的不同组合的实施例。提供特定的例子是用于说明怎样制造和使用本技术的组成和该技术的方法，并且除非以其他方式明显地指出，都不是意在陈述作为该技术所给出的实施例已经或尚未被制造或测试。
本装置和方法的实施例意在一改进的光收集系统，其在顶和/或底表面(而不是波导体的边缘)结合一分段的太阳能阵列。该包括一发光太阳能收集器(LSC)的系统，可以选择性地收集波长位于电磁波谱的近红外(NIR)区域的光。相应地，通过选择性地收集NIR光，该发光太阳能收集器可以对人眼是透明的，或基本透明的。所述系统选择性地收集在电磁波谱的近红外(NIR)区域具有大于650nm波长的光。所述系统在可见光谱中没有峰值吸收。所述系统额外地收集在电磁波谱的紫外(UV)区域具有小于450nm波长的光。
目前的LSC可以用来产生三维结构，比如太阳能塔，方尖碑，以及窗户来增强太阳能收集。这些结构比起相同面积的太阳能追踪单元，可以收集明显更多通量。类似地，建筑物可以作为优异的太阳能收集器，在每个面上全天候地有效地收集太阳光。例如，在图2中估算了在波士顿的一竖直建筑物的全部四个面而来的总太阳能通量(每天9.3kW-hr/vertical-m2)，其显著地多于用于太阳能追踪单元的量，甚至，在相同面积上(每天6.0kW-hr/horizontal-m2)。如果我们考虑到用在建筑物上的总体竖直面积，该通量甚至更多；同时朝南的竖直窗户会给出最高的太阳能通量(和由此导致的电力输出)，东西朝向的窗户在全天扩大了有用的电力生产。
在美国大约所有建筑物电能的17％用于照明。激励使用太阳能窗户可以鼓励建筑师应用更多窗户空间，增加自然光照，并且减少照明成本。再现太阳能光谱是大多数人工照明应用的目标。每个太阳能窗户都会对传输的光谱赋予小改动。这样，显色指数(“CRI”)用于估算，其通过用太阳能光谱(例如AM1.5G)包卷传输光谱。显色框架对定义经传输的光谱的可见部分以及可以用来发电的部分有用。例如1931CIE坐标点在大约660nm和440nm结束，这些界限以上或以下分别具有很小的明视响应，定义可利用的有效光谱范围为小于或等于440nm和大于或等于660nm。尽管在从380-440nm和660-720nm的范围有一些响应，这些响应是特别受限制的(<2％的峰值响应)，因此这些波长不会对整体的颜色感知有重大贡献。
如此处用的，CRI是可感知的可见光的范围。CRI后续用于确定用于可见透明的太阳能电池的热动力效率界限。特别地，CRI是用于评估光照系统的质量的量化度量，并且可以用于评估窗户的等级或可感知的着色度。基于理想传输曲线(阶梯函数)计算CRIs，其结合了国际照明委员会(CIE)1976三维统一颜色空间(CIELUV)，CIE 1974测试颜色样品，以及彩色适应校正(非普朗克轨迹)，在需要地时候，按照：
其中和是亮度(L*)和色彩坐标(u*，v*)在每个颜色之间的差值，i(总共8个)“发光”，具有固定参考太阳能光谱(AM1.5G)和传输源(T(λ)·AM1.5(λ))。可见光透射比的加权平均值(VT)按照下式计算：
其中λ是波长，T是传输光谱，P是人眼的明视响应，S是太阳能通量，积分在完全包含P(例如300-900nm)的一足够的波长范围内实施，这样它相应地独立于任何被定义的可见波长范围。CRI和平均VT详细描述在Lunt，“可见透明光伏的理论限制”，应用物理，101,043902(2012)，其全文以参见的形式纳入本文。
建筑物电力的很大部分(大约15％)用于空调。电能转换为热能的效率很高(接近100％)，但是冷却效率很低。当前用作太阳能窗户的LSCs可以大幅降低来自红外通量的不需要的太阳能加热，这是通过利用这些能量来发电以及从透明的，NIR选择镜反射其余部分来实现。利用这种不需要的资源来发电的额外好处可以补充或取代现有的低太阳能热量获取效率(SHGC)的涂层技术。这种热量反射可以功能性地加强来自直接发电的有效LEC至50-100％。
太阳能光子通量的很大部分是在电磁光谱的NIR区域(约74％)。这种限制通过放置高度分段、50-100微米宽、商业可得的太阳能电池阵列来克服并且：(1)用并联或串联的方式安装电线，或(2)作为网格和遍布LSC波导体嵌入的激光图样，其允许使用更小的斯托克位移的NIR荧光体。
参考图3，一太阳能收集器(SC)300的第一个实施例在第一个情况图3A中示出。第二个情况图3B包括一分段的无机太阳能光伏阵列305，其放置在一波导体310的顶部，中部或底部。在各个实施例中，该太阳能阵列305是一网格，包括电线，微米线，纳米线，带状物，银，球体，点，或以上的组合，或在波导体内部设置或放置在波导体表面上的类似物。可以利用多个光伏阵列305来减少热损失。成本和可得性会最终驱动电池设计。在一些实施例中，SC 300包括在该波导体310的边缘设置的一太阳能电池。作为非限制的例子，GaAs电池可以增大太阳能电池效率(ηSC)，相对于Si只有超过30％，但是这些电池的估算成本是Si的两倍多或三倍。对于可获得的最便宜的15-20％Si模块，NIR LSC(发光900nm)材料组件的单色光效率传输ηPV＝22-24％。相应地，设想LSC系统可以有效地与Si结合，因为便宜的高带隙电池(例如GaAs和GaInP)变得可获得。该太阳能阵列305或太阳能电池可以包括现有技术中已知的任何材料。太阳能阵列和太阳能电池材料的非限制例子包括锗(Ge)；非晶锗(a-Ge)；镓(Ga)；砷化镓(GaAs)；硅(Si)；非晶硅(a-Si)；锗化硅(SiGe)；非晶锗化硅(a-SiGe)；磷化镓铟(GaInP)；硒化铜铟，硫化铜铟，或上述的组合(CIS)；硒化铜铟镓，硫化铜铟镓，或上述的组合(CIGS)；碲化镉(CdTe)；钙钛矿(PV)，例如CH3NH3PbI3,CH3NH3PbCl3以及CH3NH3PbBr3；以及上述的组合。
再次参考图3，该波导体310包括一透明或基本透明的基体315，例如玻璃，塑料，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，聚-(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)，或(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)，在此处形成一波导转向材料320，例如通过涂覆或喷射在该基体315上或者在间隔的基体315堆垛之间铺设着色薄片作为层状物。在一些实施例中，该波导转向材料320嵌入该基体315中。该波导转向材料320可以是一可见透明的NIR发光染料或散射颗粒。该发光染料或散射颗粒可以是嵌入在一基质中的纳米晶体簇。因为玻璃吸收导致损失，优选高透明低铁玻璃，例如低铁玻璃，以及来自圣戈班(巴黎，法国)的透明玻璃以及来自肖特(美因茨，德国)的33硼硅酸盐玻璃。这些玻璃作为商用选择的基体，优于其他聚合物基波导体，其很少用作窗户中基体部件，并且这些玻璃比起PMMA展示出特别低的吸收系数。有利地，太阳能电池邻近染料允许利用一具有更小的斯托克位移的染料，同时仍然减少热损失并且提高总体系统效率。
如在图3C中所示，在各个实施例中，该太阳能阵列305可以嵌入该基体315。该太阳能电池305可以在一第一位置325嵌入，邻近该SC 300的一第一表面340。或者该太阳能阵列305可以在一第二位置330嵌入，在该SC 300的中间区域。同样该太阳能阵列305可以在一第三位置335嵌入，邻近该SC 300的一第二表面345。该中间区域300位于该第一表面340和该第二表面345之间。另外，该SC 300可以包括多个太阳能光伏阵列305，位于该基体315中的不同位置。该太阳能阵列305也可以在或邻近该第一表面340或该第二表面345的之一或二者。在一个实施例中，该SC 300包括在该波导体310的一侧的一太阳能电池，其邻近该第一表面340和该第二表面345。在另一个实施例中，如图3D所示，一太阳能电池阵列350具有厚度355，其与该SC 300的整体厚度360基本一致。
如在图4中所示的一太阳能收集器400的一第二实施例，与第一实施例(图3)基本类似，在图4A中的第一情况和在图4B中的第二情况示出。然而串联的一太阳能光伏阵列405可以包括加合物410，例如球或点。例如该太阳能阵列405可以包括Si球太阳能阵列，其通过细线电连接器连接。在优选的实施例中，该太阳能阵列405包括连接在一起而形成网格的球。有利地，利用球形或多边形太阳能阵列405进一步增加系统效率，因为每个电池都可以在多个角度直接和间接地捕获阳光。如在图4C和4D所示，该太阳能阵列405可以位于该基体315中的不同位置，位于或者邻近该SC 400的表面，或者该太阳能阵列405可以具有厚度455，其大约等于该SC 400的总体厚度460。在一些实施例中，该SC 400可以包括多个太阳能光伏阵列电池405，位于该基体315内的不同位置。在其他实施例中，该SC 400包括位于该波导体310边缘的一太阳能电池，其靠近表面。该太阳能阵列405或太阳能电池可以由现有技术中已知的任何材料来做，如上面讨论的。
借助将分段的太阳能电池阵列放置在该波导体的顶部或底部，可以在发出的光光学损失之前捕获它，这种损失是由于染料再吸收导致。另外，该太阳能阵列可以嵌入该波导体。这种再吸收的损失特别有利于具有小斯托克位移的荧光材料。取决于该些太阳能电池阵列在该波导中的位置，该波导转向材料可以嵌入太阳能光伏阵列或与之并列。使用具有小斯托克位移的染料作为波导转向材料实现了对具有大的开路电压V∝的太阳能电池的使用。这些染料减小了热学损失并且提高了总体系统效率。并且通过将阵列放置在波导体的顶部或底部，可以捕获一部分向前发出的光，其进一步减少了光学损失，并且它增强了空间分段的太阳能电池的效率，这是借助利用电池之间更大部分的NIR光。这种放置产生了一种结构，其比用于透明发电窗户的薄膜透明光伏更简单。另外，这种结构同时可以导致更长的窗户寿命。
如在图5中所示，一太阳能收集器(SC)500可以包括一第一波长依赖镜505。该第一波长依赖镜505可以具有对NIR光的反射性，对应于图中550所示的一波导转向材料的仅仅一个发光光谱。因此，该第一波长依赖镜505对于可见光510是透明的，但是在图中550所示的一发光范围内反射NIR光515。该第一波长依赖镜505可以功能性地联结到该SC 500的一第一表面520，其包括一波导转向材料，例如发光体。另外，该第一波长依赖镜505可以功能性地联结到该SC 500的一第二表面525，或联结到两个表面520，525。在其他实施例中，该波导转向材料在该第二表面525上或嵌入该波导体。
进一步参考图5，该SC 500可以包括一第二波长依赖镜530。该第二波长依赖镜530可以具有对NIR光的反射性，对应于在图中的560所示的一波导转向材料的吸收和发光波谱。该第二波长依赖镜530对可见光510是透明的，但是在图中560所示的发光范围内反射NIR光515。该第二波长依赖镜可以功能性地联结到该SC 500的该第一表面520，联结到该SC500的该第二表面525，或联结到两个表面520，525。在优选的实施例中，该第一波长依赖镜功能性地联结到该SC 500的该第一表面520，并且该第二波长依赖镜功能性地联结到该SC500的该第二表面。如上面描述的，一光伏阵列可以位于该第一表面520、该第二表面525或在该波导体内。在各个实施例中，该SC 500包括位于该第一表面520、该第二表面525中的任一个，或者位于该波导体内的多个太阳能阵列。在又一个其他实施例中，该SC 500包括一位于该SC 500边缘的太阳能电池，其邻近该第一和该第二表面520，525。
可见透明、选择性NIR镜505，530在透明光伏(TPVs)中的结合将电力转化效率显著地提高了50-100％。类似地，这些镜面的结合在小片尺寸上提高光学效率达20％，同时在给定的光学密度的情况下使所需染料量下降了一半。对于尺寸大于约0.5m2的LSC，这些镜面有助于缓解任何可能降低系统效率的表面或主体散射缺陷。这些镜面可以是涂层，其提高收集器吸收或增加波传导。此外，这些涂层非常类似于已经普遍应用了的低电泳涂层，并且可以补充或替代它们的排热功能。可以借助电子束蒸发、脉冲激光沉淀、等离子增强溅射、热沉积、化学气相沉积或溶液沉积来生长TiO2、SiO2和Al2O3层的交替层组合，来优化整体颜色效果和性能。
散射颗粒可以是金属氧化物团簇、金属纳米簇，或二者皆可。该金属氧化物团簇包括金属氧化物。金属氧化物的非限制例子包括TiO2、SiO2、ZnO以及Al2O3。金属纳米簇包括适合散射NIR光的金属。适合散射NIR光的金属的非限制性例子包括Ag、Au、Al、Cu以及Pt。散射颗粒可以具有统一的尺寸，或者不同的尺寸，从而导致一颗粒尺寸分布。
荧光或磷光染料包括发光体，其作为波导转向材料。如本文所用的，发光体”指无机或有机化合物，其发出冷光，其中该冷光是荧光或磷光。利用在电磁波谱的NIR区域中的光的发光体非常适合本透明系统。单个发光体的性能通过化学剂的组合、净化、构建、主客体相互反应以及利用透明NIR镜设计进行光子管理，以及制造来提高。优选地，该些发光体吸收波长大于约650nm的NIR光。人眼在光的波长为650nm时开始对颜色感知(总体显色)失去敏感度，如Lunt在“可见透明光伏的理论限制”，《应用物理》，101，043902(2012)中证实的，其全文以参见的形式纳入本文。更优选地，该些发光体吸收波长大于约700nm的NIR光，或波长大于约800nm的NIR光。在各个实施例中，该波导转向材料是可见透明的、吸收NIR的，以及发出NIR的发光体。
花菁染料、花菁盐，和萘花菁衍生物是优选的NIR荧光体。历史上在染料激光中使用的已知染料的衍生物已经表现出最高的相对稳定性，其包括萘花菁衍生物(即类似于波长选择性分子，我们之前在透明太阳能电池中说明了)以及具有不同阴离子取代性的三碳菁盐。
可以通过定制三碳菁的烯烃长度(二、三、四等)来改变电子能带间隙(发光区域)。对于一个给定的能带，这些材料的量子产量可以直接通过阴离子修饰(Cl-、I-、ClO4 -等)来定制。酞花菁、卟啉、萘花菁的扩展共轭分子衍生物，碳纳米管，以及小间隙聚合物可以用来覆盖具有高量子产量的NIR光谱的很大部分。
优选的发光体包括碘化-3,3’-二乙基噻碳菁(DTCI)；2-[7-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)；2-[2-[3-[[1,3-二氢-1,1二甲基-3-(3-磺丙基)-2H-苯并[e]吲哚-2-亚基)-2-[4-(乙氧基羰基)-1-哌嗪基]-1-环戊烯-1-基]乙烯基]-1,1-二甲基-3-(3-磺丙基)-1H苯并[e]吲哚氢氧化物，内盐，和具有N,N-二乙基乙胺(1:1)(IR144)的化合物；2-[2-[2-氯-3-[(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙基吲哚碘化物(IR780)；氯化2,3-萘酞菁铝(AINc)；氯化2,3-萘酞菁硅(SiNc)；2-[2-[3-[(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-2-(苯硫基)-1-环己烯-1-基]乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙基吲哚高氯酸盐(IR792)；5,5’-二氯-11-二苯胺基-3,3’-二乙基-10,12-乙烯基硫代三碳菁高氯酸盐(IR140)；2,11,20,29-四-叔丁基-2,3-萘酞菁锌(ZnNc)；3-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亚基)亚乙基)环己-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy7.5NHS酯)；1-(6-((2,5-二氧代吡咯烷-1-基)氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基-5-磺酸基吲哚-2-亚基)亚乙基)环己-1-烯-1-基)乙烯基)-3H-吲哚-1-鎓-5-磺酸盐(sulfo-Cy7NHS酯)；1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)亚乙基)环己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy7NHS酯；“CY”)；3-(6-(3-叠氮丙基氨基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亚基)乙亚基)环己-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]-吲哚氯化物(Cy 7.5叠氮化物)；1-(5-羧戊基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)乙亚基)环己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7叠氮化物)；1,1-二甲基-3-(6-氧代-6-(丙-2-烯基氨基)己基)-2-((1E,3E,5E)-5-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亚基)庚-1,3-二烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy5.5炔烃)；1-(6-(2-(2,5-二氧代-2,5-二氢-1H-吡咯-1-基)乙氨基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)乙亚基)环己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy7马来酰亚胺)；3-(6-(2-(2,5-二氧代-2,5-二氢-1H-吡咯-1-基)乙氨基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亚基)乙亚基)环己-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy 7.5马来酰亚胺)；1-(5-羧戊基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)乙亚基)环己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7羧酸)；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-二苯基氨基-环戊-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-苯基-环戊-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；3-乙基-2-[3-[3-(3-乙基-3H-苯并噻唑-2-亚基)-丙烯基]-5,5-二甲基-环己-2-烯亚基甲基]-苯并噻唑-3-鎓碘化物；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-苯基-环己-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-苯基-环己-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；3-乙基-2-[7-(3-乙基-3H-苯并噻唑-2-亚基)-庚-1,3,5-三烯基]-苯并噻唑碘化物；1-丁基-2-[7-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2亚基)-庚-1,3,5-三烯基]-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；2-[3-氯-5-[1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1,3-二氢-苯并[e]吲哚-2-亚基]-戊-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1H-苯并[e]吲哚六氟磷酸盐；2-[5-[1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1,3-二氢-苯并[e]吲哚-2-亚基)-戊-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1H-苯并[e]吲哚六氟磷酸盐；3,3-二甲基-2-[2-[2-氯-3-[2-[1,3-二氢-3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-2H-吲哚-2-亚基]-乙亚基]-环己烯-1-基]-乙烯基]-5-磺-1-(4-磺丁基)-3H-吲哚的氢氧化物，的内盐，的三钠盐；2-[2-(3-[2-[3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-1,3-二氢-吲哚-2-亚基]-乙亚基]-2-苯基-环己烯-1-烯基)-乙烯基]-3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-3H-吲哚的氢氧化物，的内盐，的三钠盐；2-[5-[1,1-二甲基-3-(4-磺丁基)-1,3-二氢-苯并[e]吲哚-2-亚基]-庚-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(4-磺丁基)-1H-苯并[e]吲哚的氢氧化物，的内盐，的钠盐；2-(8-氢氧基-1,1,7,7-四甲基-1,2,3,5,6,7-六氢吡啶并[3,2,1-ij]-喹啉-9-基)-4-(8-氢氧基-1,1,7,7-四甲基-2,3,6,7-四氢-1H-吡啶并[3,2,1-ij]-喹啉鎓-9(5H)-亚基)-3-氧代环丁烯-1-烯醇化物(squarylium)；及其组合物和混合物。图6A-6J分别显示了DTCI、HITC、IR144、IR170、AINc、SiNc、IR792、IR140、ZnNc和CY各自的吸收光谱和发射光谱。所有的光谱均有波长大于约650nm的发射峰和吸收峰。
如上述，单个发光体的性能通过化学剂的组合、净化、构建、主客体相互反应以及利用透明NIR镜设计进行光子管理，以及制造来提高。同样，当三碳菁作为发光体时，可以调整取代烯烃的长度来改变发光范围。或者，可以修饰阴离子来改善发光范围。通过这些修饰，量子效率可以提高约50％或更多。在各种实施例中，量子产量大于约10-25％。优选地，量子产量大于60％，或大于70％，或大于约80％。最佳地，量子产量大于约90％。
发光体主体有利于：(1)物理地分离分子来增加量子产量，(2)通过极性相互作用，与分子进行直接地和电子地互相作用，来增加或减少量子产量，以及(3)封装发色团来作为空气或潮湿阻隔物，并增加寿命。例如PMMA衍生物可以增加一些来自溶剂的分子的量子产量至两倍，同时在超过三个月的时间里，在空气中量子产量的减少是微乎其微的。另外，发光体可以容易且直接地固定到胺类聚合物，例如聚(4-乙烯嘧啶)，和从胺类聚合物合成或者通过直接聚合而得到的具有铵盐支链的聚合物。
这个系统为可再生、低碳太阳能发展提供了一个新的能量路径，其在提高建筑物效率的同时，可以克服许多社会和经济的挑战，这些挑战与传统的PV技术有关。这可以利用国内丰富的材料获得，包括碳基分子、由Br、Cl、C、Mo、N、O、Si、W组成的纳米团簇，酞酸和萘酸，以及三碳菁的衍生物(重要的工业金属)并且没有稀土、放射性或贵金属(即Pt，Ir等)。
发光体太阳能收集器的效率可以定义为：
其中R是正面反射，ηabs是发光体的太阳能光谱吸收效率，ηPL是发光体的发光效率，ηtrap是光的波导效率，以及ηRA是再吸收概率。光捕获效率为通过太阳能光谱吸收效率和在发光体波长处的量子效率被标准化的PV效率(报道为AM1.5G)为：
其中ηEQE是外部量子效率，PL是发光体发光光谱。热力学限制ηPV只导致Voc和FF损失。由于ηPV的光依赖性，这个校正会依赖收集器的空间获得。为了简化，假设波导光通量保持在接近1-sun。
再吸收和向前发光损失可以估算为：
其中临界角(发光锥)为θcrit＝sin-1(1/nwave)，ε是摩尔吸收率，C是浓度，L是板长度，θ是相对于LSC平面法向的方位角，以及φ是法向旋转坐标系。在中等的磷光体载荷，UVLSC可以保持超过10m的效率，其比大多数一般的窗户大。相反，对于NIR发光体，效率开始“倒退”至只有1-10cm，确定了理想的被嵌入的太阳能电池的间隙。
利用本NLSCs可以克服NIR收集器的短斯托克位移，这是通过在整个波导体层植入太阳能电池，可以同时减少总体的光学损失，增加太阳能吸收效率，并且也增加了成本。另外，NIR LSC发光体与分段PVs的结合将输出效率增加三倍多，相对于单独的分段PVs来说是一个高水平透明度的范围。尽管如此，NIR的设计用作需要高效率和高CRI的应用的平台。最终，这些电池会随同嵌入的太阳能电池“网格”或薄晶片植入，以结合高性能和理想的美学质量。
该些能量收集装置对于人眼是透明或基本透明的。该些装置的显色指数(CRI)可以为大约80或者更高。例如，CRI可以为大约80，大约85，大约90，大约95，大约99或大约100。该些装置的平均可见光透射比大于约60％。在各个实施例中，平均可见光透射比大于约70％，大于约75％，大于约80％，大于约85％，或大于约90％。该些能量收集装置的效率可以大于约0.25％，大于约0.5％，大于约0.75％，大于约1.0％，大于约5％，或者大于约10％。在不同的实施方式中，该效率范围为约0.25％至约10％。因此，该效率可以为大约0.25％，大约0.5％，大约0.75％，大约1.0％，大约2.0％，大约3.0％，大约4.0％，大约5.0％，大约6.0％，大约7.0％，大约8.0％，大约9.0％，或者大约10.0％。在一些环境下，该效率可以减少以提供一更透明的装置。因此，在一些实施例中，该效率受美学限制。
本技术包括制备透明能量收集装置的方法。将含有一波导转向材料，例如散射纳米颗粒，发光体或上述的组合的溶液与一基体溶液混合，来形成一工作溶液。该基体溶液包括聚-(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)，一氰化甲烷溶液，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，或(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)，或上述的组合，其中该基体溶液在一种溶剂中。在优选的实施例中，该基体溶液含有PEMA，氰化甲烷，和PMMA，三者的比例为1:2:1。该工作溶液可以在模具中滴铸。可选地，一个或多个光伏太阳能电池可以放置在该工作溶液中或在该工作溶液的表面。该工作溶液在流动的氮气中干燥几个小时，从而形成一固体基质。如果该一个或多个光伏太阳能电池没有放置在该工作溶液中，一个这样的太阳能电池可以通过近乎指数化匹配的环氧树脂来附着于该基质的表面。通过TiO2、SiO2和Al2O3的交替层组合，将反射性的涂层(镜子)结合到装置中，来优化总体的颜色效果和性能。
利用这种技术，通过围绕这些输出参数的较大输入可变空间(例如染料浓度，波导体厚度，镜面集成，窗户尺寸等)快速调整面板特征。作为结果，产品性能可以定制或客制化，以达到光学性能、发电量和安装成本的必要组合，来满足打算将能量收集结合入建筑物表层的建筑设计师的不同要求。另外，这个系统可以无缝对接到建筑物电力系统。产生的电力可以本地存储作为直流电力或转换成交流电(AC)来补充建筑物输电网，可以在应用的时刻在建筑物的周长区域内供应很大部分的电力需求。
如上所述，本技术提供一光收集系统，其可以整合到建筑物窗户玻璃。但是该光收集系统也可以在侧面铺设。因为该光收集系统是透明的，看着该侧面的人眼不能看到它，不管该侧面是在房子上，交通工具上，或一装置上。该光收集系统还可以整合入电视监控器、电脑监控器、移动通信设备，比如手机和多媒体播放器的显示器中，以及招牌，比如电子广告牌中。该光收集系统的透明特性允许它整合入几乎任何装置，交通工具或建筑物，由此能够从收集来自太阳的能量中受益。
通过下面非限制例子进一步说明本技术的实施例。
实施例1
NIR收集TLSC
实验
制备有机盐溶液：2-[7-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)(激子)和1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3三甲基吲哚啉-2-亚基)亚乙基)环己-1-烯基)乙烯基-3H-吲哚氯化物(CY)在接收后未经进一步纯化即进行表征。用于光学表征的溶液通过直接将各化合物以直至4mg/mL的多个浓度值溶于二氯甲烷来制备。
光学表征：溶液和薄膜二者的镜面透射比利用双束Lambda 800UV/VIS光谱仪在透射模式下测量，不用对比样品。测量各种染料的发光光谱和量子产量，利用在730nm(HITCI)和700nm(CY)激励的PTI QuantaMaster 40荧光谱仪；利用校正集成球附件来测量量子产量。
模块制造：将5mg/ml CY的二氯甲烷溶液与(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)(Sigma-Aldrich)在体积比1:1下混合，得到在聚合物复合薄膜中的目标染料浓度(2mg/mL)。为了制备发光太阳能电池(LSCs)，这种混合物滴铸在2cm×2cm×0.1cm(用于效率测量)或者7cm×7cm×0.1cm(用于EQE测量)的方形石英或玻璃基体(包括四条边)中，并可以将每层干燥2小时，重复3次，得到大约1mm的层厚度。一用激光切割的，具有在1sun下15±1％的效率的2cm×0.1cm Si电池(Narec Solar)，在具有或不具有指数化匹配的环氧树脂的情况下附连到该波导体的边缘。对于EQE测量，其他三个边粘有黑色导电胶带，以阻止边缘反射并且简化几何空间构造。对于电力效率测量，两个电池边缘安装在正交的边上并且并联。剩下两条边用增强镜面反射器(Vikuiti，3M)覆盖。遮住围绕LSC边缘的细边界区域，以避免任何对LSC的直接照射。由于太阳能模拟器(67005 Xe arc lamp，Newport)的照射区域，用于电力效率测量的板长度限制在大约小于0.05m，并且对于EQE测量，小于大约0.2m。
模块测试：通过从一单个边缘安装的Si PV处引导一来自光纤的单色激发光束以不同的间隔(d)垂直指向该LSC，实现对位置依赖的EQE的测量。测量的量子效率由因子g＝π/tan-1(L/2d)校正，这导致在每个点间隔上，与该太阳能电池对向的角度不同，其中L是LSC的边缘长度。该外部量子效率(EQE)利用Newport校正的Si探测器来测量。电流密度对伏特(J-V)的测量是在模拟AM1.5太阳照明下实施，其对于太阳光谱的不匹配进行了校正。
光学建模：在发光体波长下，通过太阳光谱吸收效率和量子效率标准化PV效率(报道为AM1.5G)。利用发光体发光光谱、摩尔吸收率、浓度、LSC长度、LSC系统光学效率来估算再吸收和向前发光损失，EQE作为板尺寸和在固定的混合厚度下的发光体浓度的函数，在Matlab中量化估算。
结果
分析了两个有前途的花菁衍生物，2-[7-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)(激子)和1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3三甲基吲哚啉-2-亚基)亚乙基)环己-1-烯基)乙烯基-3H-吲哚氯化物(CY)，并且该系统用于探索斯托克位移的影响。CY和HITCI分子结构在图7B中示出。发光体的吸收和发射光谱在图8A中示出。对于CY的吸收光谱峰值在742nm，对于HITCI是733nm且带有少量可见光吸收，对于CY和HITCI的NIR发射峰值分别在772和753nm。该斯托克位移，定义为吸收峰值和发射峰值的波长差，对于CY是30nm，对于HITCI是20nm。两种材料的斯托克位移帮助演示了在组装LSC性能中的差异，并且对于预测大面积的规模化也是一个重要参数。
探索发光体量子产量(QY)对浓度的依赖性，以理解这些发光体的光子物理行为。在二氯甲烷中测量的CY和HITCI的QY和吸收在图8B中示出，其作为染料浓度的函数。图8B的QY数据拟合到一个模型，其具有浓度依赖的非辐射率，并且计算分离的团簇的固有非辐射率knRO，发光率kR，以及浓度淬灭度量常数a之间的关系。对于CY，knRO/kR＝5.8，a/kR＝2.5ml/mg，而对于HITCI，knRO/kR＝2.5，a/kR＝2.2ml/mg。CY和HITCI的临界浓度，这里定义为QY最高值一半时的浓度，分别为2mg/L和1mg/L。图7C示出结合了该CY发光体的该透明LSC波导体。不同板尺寸的整体LSC系统的光谱分解的EQE在图3(c)中示出，其在大约760nm处显示出峰值，与在图9C中的吸收光谱和计算的EQE匹配。在图9B中示出了2cm×2cm×0.1cm的、用于两边安装的Si太阳能PVs的LSC系统的电流电压特征(详见实验部分)；图9A示出所测量的对组装CY LSC的强度依赖性，其大体依赖于边缘安装的Si电池的强度依赖性。总体系统在1.0±0.1sun下测量的短路电流密度(JSC)是1.2±0.1mAcm-2，具有开路电压(VOC)0.50±0.01V和填充因子0.64±0.02，导致CY发光体的效率为0.38±0.05％。由EQE和AM1.5G太阳能光谱的乘积的积分计算而得的短路电流密度为1.0±0.1mAcm-2，其在测量的光子流的误差范围内。对于LSC系统，相应的平均可见透射比和显色指数分别为86％±1％和94，相比单独的玻璃基体为90％±1％和100，并且相对于仅UV的TLSCs在美学质量上稍好。
图10示出了CY LSC光学效率的面积放大的计算，其具有作为LSC长度的函数的模型化斯托克位移。当斯托克位移(S)低于30nm时，临界板长度为大约1-2cm，同时对于S>100nm，增加S可以大幅增加临界板长度至>1m。在图10中示出的信息用于设计材料以提高可规模性。
讨论
发光体光子物理学
发光体的单独非辐射模式大于辐射率，导致相对低的量子产量。对于许多演示的NIR荧光体来说是真实的，并且对于医疗和发光二极管的应用，一直非常努力在这个光谱范围内提高QY。这里，量子产量随着浓度的增加而减少，这是基于由在更高浓度下颗粒-颗粒相互作用引起的激发态(非辐射)淬灭；这些相互作用甚至持续到稀溶液。相应地，这里设计的收集器利用稀释浓度的更浓的层来保持高量子产量和高吸收效率，遵从Beer-Lambert定律。当为了高量子产量以及在760nm下对Cy的摩尔吸收系数为1.45×108Lmol-1m-1而以一设计浓度5mg/L开始时，使用该标准，导致接近完全NIR吸收的最佳厚度为1.0mm。同时通过利用稀释浓度的更浓的层实现了再吸收损失的减少。
LSC设计
透明LSCs的效率受以下支配：太阳能光谱吸收效率、发光体光致发光效率、波导(捕获)效率、传输(再吸收)效率以及太阳能电池效率。光学效率包括波导效率、传输效率、和发光效率。发光体光致发光效率的提高可以采用量子产量更高的染料或优化染料-聚合物相互作用来得到更高的量子产量。太阳能光谱吸收效率可以通过增加染料浓度或者通过增加混合物厚度来提高。然而在量子产量和浓度之间存在抵消。太阳能电池效率可以通过利用具有更高效率的太阳能电池来增强。基于LSC的单色光发射本质，围绕每个单个LSC只能附连单个PVs接点，这直接限制了系统总体效率至低于PV效率。也可以堆叠互补的透明LSCs，其在互相之间的顶部具有不同的/吸收范围，由此每个LSC单独联结与它们的理想PV。如果更便宜的更高能带电池(GaAs和GaInP)变得能够获得，可以将ηLSC的效率相比于Si提高至超过30％，特别对于此处演示的LSCs。然而基于成本和可获得性的考虑，具有太阳能效率为14-16％的更低成本的具有AM1.5G的Si PVs用于本文所述的证明原则的演示。
再吸收损失限制了此处制造的LSCs的性能，这是基于染料的相对低斯托克位移。实际上，早就认识到，LSC的性能常常再重吸收限制，特别对于具有适度S的染料和大板尺寸。在图10中计算后的光学效率示出斯托克位移从30nm到80nm的增加可以提高临界长度，此处临界长度定义为光学效率是最大值的一半时LSC的长度，从3cm至30cm，其中30cm的LSC长度适于许多LSC应用。为了完全最大化这些装置的大面积规模化，优选具有更大的斯托克位移的高量子产量分子的设计。然而考虑最佳斯托克位移时需平衡。要求在发光体发射峰值处具有高量子效率，但也必须考虑最大化能带间隙来最小化PV电压损失，限制了PVs。对于Si PVs，最大斯托克位移限制在小于约200nm，同时期望收集NIR光谱的200-300nm片段。对于GaAs这个最大S更加受限。
获得更好的可规模化的一个方法是将量子产量提高到接近100％，这是通过优化发光体-主体相互作用和分子设计。对于具有接近100％QY的材料，每个再吸收事件都导致另一个再发射事件，由此减少传输损失。然而应当注意的是，每个吸收/再发射事件都看起来是额外的散射，因为辐射发射是典型的各向同性，因此会最终对于大板长度导致更大的前/后侧损失。另一个重要的提高低斯托克位移的材料可规模化的方法是在整个LSC波导体嵌入高度分段的太阳能电池微阵列作为网格，以此本质上产生一系列“微LSCs”，从而减少再吸收损失和来自分段PV的额外贡献。考虑到这些方法，并且通过将这些LSCs与UV-TLSCs结合，容易得到大于1％的效率，而且接近10％的效率是可能的。
结论
作为结论，设计并制造了新型透明发光太阳能收集装置，其包括选择性收集NIR光子的荧光有机盐。本文演示了一第一个可见透明的NIR收集TLSC，具有在可见光谱中86％±1％的无色透明度，结合了0.4％±0.03％的效率，并且由于大部分光子通量在近红外，潜在效率可达10％。实验和模型示出，开发更大的斯托克位移的近红外发光体，优化发光体-主体相互作用以及制造嵌入的分段PV结构，可以减少再吸收损失和增加大面积系统效率。这些透明NIR LSCs提供了透明光收集系统的全新的路径，其具有高缺陷容忍和可操作性的巨大潜力。

Claims (21)

1.一种可见透明能量收集系统，包括：
a.一透明基体，其包括玻璃、塑料、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚-(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)，或(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)；
b.一太阳能光伏阵列，其包括至少下述之一：锗(Ge)；非晶锗(a-Ge)；镓(Ga)；砷化镓(GaAs)；硅(Si)；非晶硅(a-Si)；锗化硅(SiGe)；非晶锗化硅(a-SiGe)；磷化镓铟(GaInP)；硒化铜铟，硫化铜铟；硒化铜铟镓，硫化铜铟镓；碲化镉(CdTe)；钙钛矿PV)；或上述的组合；以及
c.一波导转向材料，其吸收和发射具有大于650nm波长的光，波导转向材料是可见透明并且产生发光的量子产量大于10％；
其中所述太阳能光伏阵列和所述波导转向材料嵌入所述基体内。
2.如权利要求1所述的能量收集系统，其特征在于，所述钙钛矿是CH3NH3PbI3,CH3NH3PbCl3以及CH3NH3PbBr3，或上述的组合。
3.如权利要求1所述的能量收集系统，其特征在于，其还包括联结到所述基体的一第一表面的一可见透明镜，其中所述镜对于可见光是透明的并且反射具有大于650nm波长的光。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统选择性地收集在电磁波谱的近红外(NIR)区域具有大于650nm波长的光。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统在可见光谱中没有峰值吸收。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统额外地收集在电磁波谱的紫外(UV)区域具有小于450nm波长的光。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述波导转向材料是光散射颗粒，发光体或上述组合。
8.如上述权利要求任意一项所述的能量收集系统，其特征在于，所述波导转向材料选自碘化-3,3’-二乙基噻碳菁(DTCI)；2-[7-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)；2-[2-[2-氯-3-[(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙基吲哚碘化物(IR780)；氯化2,3-萘酞菁铝(AINc)；氯化2,3-萘酞菁硅(SiNc)；2-[2-[3-[(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-2-(苯硫基)-1-环己烯-1-基]乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙基吲哚高氯酸盐(IR792)；2,11,20,29-四-叔丁基-2,3-萘酞菁锌(ZnNc)；3-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亚基)亚乙基)环己烯-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy7.5NHS酯)；1-(6-((2,5-二氧代吡咯烷-1-基)氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基-5-磺酸基吲哚-2-亚基)亚乙基)环己烯-1-烯-1-基)乙烯基)-3H-吲哚-1-鎓-5-磺酸盐(sulfo-Cy7NHS酯)；1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)亚乙基)环己烯-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy7NHS酯；“CY”)；3-(6-(3-叠氮丙基氨基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亚基)乙亚基)环己烯-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]-吲哚氯化物(Cy 7.5叠氮化物)；1-(5-羧戊基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)乙亚基)环己烯-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7叠氮化物)；1,1-二甲基-3-(6-氧代-6-(丙-2-烯基氨基)己基)-2-((1E,3E,5E)-5-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亚基)庚-1,3-二烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy5.5炔烃)；1-(6-(2-(2,5-二氧代-2,5-二氢-1H-吡咯-1-基)乙氨基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)乙亚基)环己烯-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7马来酰亚胺)；3-(6-(2-(2,5-二氧代-2,5-二氢-1H-吡咯-1-基)乙氨基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并吲哚-2(3H)-亚基)乙亚基)环己烯-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy 7.5马来酰亚胺)；1-(5-羧戊基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)乙亚基)环己烯-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7羧酸)；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-二苯基氨基-环戊烯-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-苯基-环戊烯-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；3-乙基-2-[3-[3-(3-乙基-3H-苯并噻唑-2-亚基)-丙烯基]-5,5-二甲基-环己烯-2-烯亚基甲基]-苯并噻唑-3-鎓碘化物；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-苯基-环己烯-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢吲哚-2-亚基)-乙亚基]-2-苯基-环己烯-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；3-乙基-2-[7-(3-乙基-3H-苯并噻唑-2-亚基)-庚-1,3,5-三烯基]-苯并噻唑碘化物；1-丁基-2-[7-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2-亚基)-庚-1,3,5-三烯基]-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸盐；2-[3-氯-5-[1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1,3-二氢-苯并[e]吲哚-2-亚基]-戊-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1H-苯并[e]吲哚六氟磷酸盐；2-[5-(1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1,3-二氢-苯并[e]吲哚-2-亚基)-戊-1,3-二烯基-1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1H-苯并[e]吲哚六氟磷酸盐；3,3-二甲基-2-[2-[2-氯-3-[2-[1,3-二氢-3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-2H-吲哚-2-亚基]-乙亚基]—环己烯-1-基]-乙烯基]-5-磺-1-(4-磺丁基)-3H-吲哚的氢氧化物、的内盐、的三钠盐；2-[2-(3-[2-[3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-1,3-二氢-吲哚-2-亚基]-乙亚基]-2-苯基-环己烯-1-烯基)-乙烯基]-3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-3H-吲哚的氢氧化物、的内盐、的三钠盐；2-[5-[1,1-二甲基-3-(4-磺丁基)-1,3-二氢-苯并[e]吲哚-2-亚基]-庚-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(4-磺丁基)-1H-苯并[e]吲哚的氢氧化物、的内盐、的钠盐；2-(8-氢氧基-1,1,7,7-四甲基-1,2,3,5,6,7-六氢吡啶并[3,2,1-ij]-喹啉-9-基)-4-(8-氢氧基-1,1,7,7-四甲基-2,3,6,7-四氢-1H-吡啶并[3,2,1-ij]-喹啉鎓-9(5H)-亚基)-3-氧代环丁烯-1-烯醇化物(squarylium)；及其组合物和混合物。
9.如上述权利要求1-7中任意一项所述的能量收集系统，其特征在于，所述系统具有大于90％的显色指数以及从0.25％到10％的效率。
10.如上述权利要求8所述的能量收集系统，其特征在于，所述系统具有大于90％的显色指数以及从0.25％到10％的效率。
11.一种如权利要求1所述的能量收集系统的应用，其作为能量收集系统整合入建筑物的窗户玻璃。
12.一种如权利要求1所述的能量收集系统的应用，其作为能量收集系统铺设在建筑物，车辆或装置的侧壁。
13.一种如权利要求1所述的能量收集系统的应用，其作为能量收集系统整合入电视监控器、电脑监控器、移动通信装置或电子广告牌的屏幕。
14.一种制备透明能量收集装置的方法，所述方法包括：
将一波导转向材料与下述溶液混合：(聚)-甲基丙烯酸乙酯(PEMA)，氰化甲烷，(聚)甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)，或上述的组合物；波导转向材料是可见透明并且产生发光的量子产量大于10％；
将一光伏太阳能阵列放入溶液，其中所述阵列包括下述至少一个：锗(Ge)；非晶锗(a-Ge)；镓(Ga)；砷化镓(GaAs)；硅(Si)；非晶硅(a-Si)；锗化硅(SiGe)；非晶锗化硅(a-SiGe)；磷化镓铟(GaInP)；硒化铜铟，硫化铜铟；硒化铜铟镓，硫化铜铟镓；碲化镉(CdTe)；钙钛矿(PV)；或上述的组合；
干燥所述溶液以产生固体基质，所述固体基体包括所述波导转向材料和所述光伏太阳能电池；以及
在所述固体基质的表面生成一反射涂层，其借助电子束蒸发、脉冲激光沉积、等离子增强溅射、热沉淀、化学气相沉淀或溶液沉淀。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述波导转向材料为2-[7-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)和1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3三甲基吲哚啉-2-亚基)亚乙基)环己烯-1-烯基)乙烯基-3H-吲哚氯化物(CY)；或上述的组合。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，生成一反射涂层包括生成包含TiO2、SiO2、Al2O3或者上述组合物的层的反射涂层。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，生成一反射涂层包括通过脉冲激光沉积在所述固体基质的一表面生成一反射涂层。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，生成一反射涂层包括通过等离子增强溅射在所述固体基质的表面生成一反射涂层。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，生成反射涂层包括通过热沉积在所述固体基质的表面生成一反射涂层。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，生成反射涂层包括通过化学气相沉积在所述固体基质的表面生成一反射涂层。
21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，生成反射涂层包括通过溶液沉积在所述固体基质的表面生成一反射涂层。
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