CN110915001B - 用于农业应用的发光光学元件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学元件，所述光学元件包括设置在介质中的多个荧光团。所述荧光团具有大于50％的量子产率以及在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，并且发射在400nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱。所述光学元件在所述光谱的可见光区内是至少部分透明的。所述光学元件尤其可用作温室结构的窗户或其他光学部件。

Description

用于农业应用的发光光学元件
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2017年5月9日提交的美国临时申请号62/503,851的优先权权益，所述美国临时申请具有相同的发明人和相同的标题并且以引用的方式整体并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及下转换材料和装置，并且更具体地涉及农业应用中的荧光材料使用。
发明背景
发光太阳能聚光器(LSC)是使用发光材料来聚集太阳辐射的装置，通常用于发电的目的。图1中示出了用于该目的的这种装置的常见设置101。如其中所见，太阳能聚光器103用于在相对大的区域内收集太阳辐射109，并将其聚集到相对小的区域上(这里是光伏电池105的活性表面)。光伏电池105然后将辐射转换为电力以为终端用户装置供电。关于LSC的第一批报告中的一者可以在1979年提交的标题为“Luminescent Solar EnergyConcentrator Devices”的美国序列号06/001,585(Zewail等人)中找到，其中指出“斯涅尔定律规定，这种二次发射的大部分，通常是75％以大于临界角的入射角撞击衬底表面，使得这部分光随后通过内反射被捕获在衬底中，直到连续反射将其携带到板的边缘为止，在该处这部分光进入放置在板的边缘处的吸收器中。”
由于电力是温室经营者或室内植物种植者的最大支出之一，因此LSC有机会用于农业中。这种类型的方法在标题为“Luminescent Electricity-Generating Window forPlant Growth”并且在2012年提交的美国序列号14/372,389(Carter等人)中应用，其中指出“本领域需要可以对植物生长无害地发电的发光太阳能收集器。”用于为温室发电的另一种方法可以在2009年提交的标题为“Photovoltaic Greenhouse Structure”的美国12/505,523(Chuang等人)中找到，其中指出“没有被薄膜太阳能电池模块吸收的光自由地穿过薄膜太阳能电池模块并进入温室内部空间。”
再次参考图1，太阳能聚光器103本质上是包括嵌入在衬底中的发光材料的光波导。衬底通常是玻璃或具有光学品质的聚合物材料。当太阳辐射入射在发光材料上时，发光材料经历发光(并且最常见的是荧光)，并向波导中发射光。被捕获的光从那里被引导至光伏电池105。由于发光材料通过荧光发射的辐射通常是在与最初被发光材料吸收的辐射不同的波长下发射，因此太阳能聚光器103具有聚集和修改入射在其上的辐射的光谱足迹的作用。
已经试图使用荧光材料来增强植物生长。例如，标题为“Organic FluorescentColorants For Stimulating The Growth Of Plants”并且在1966年提交的美国3,352,058(Brant)指出，“如果正确选择染色剂以使得透射光主要由红波长和蓝波长组成而具有最少的绿波长，则通常会取得最佳结果。”这种方法是不足的，这是因为纯下转换膜将通过荧光损失从膜顶部返回(被引导以远离植物)的光的大约50％。此外，诸如Zewail、Brant和Carter采用的方法依赖于染料，其中蓝光大部分被透射，而在许多情形中，蓝光应该只是入射在植物上的光谱中的一小部分。例如，在2016年发表在PLOS ONE上的Snowden等人的标题为“Sensitivity of Seven Diverse Species to Blue and Green Light:Interactionswith Photon Flux”的论文中陈述道，“在较高的光合作用光子通量(500)下，将蓝光从11％递增到28％，番茄、黄瓜和辣椒的生长分别减少22％、26％和14％……”。此外，染料在阳光下极度不稳定。
已经试图在没有波导的情况下而是改为依靠散射来修改阳光的方向以增强植物生长。例如，2011年提交的标题为“Light Scattering Coating For GreenhouseApplications,And/Or Coated Article Including The Same”的美国序列号13/064,600(Krasnov)陈述道：“(a)入射在其上的波长大于或等于约800nm的光相对于衬底的主表面主要散射到小于30度的角度，并且(b)入射在其上的波长小于或等于约700nm的光相对于衬底的主表面主要散射到大于20度的角度。”该方法由于散射而在穿过膜时遭遇衰减，这降低了入射在植物上的有用的光的量，并且还缺乏将光子从光谱的一个范围移位到另一个更有用的范围的波长转换能力。
附图说明
图1是将发光太阳能聚光器与光伏电池结合使用以用于发电目的的图示。
图2是根据本文中的教导的配备有发光聚光器的温室的图示。
图3是根据本文中的教导的配备有发光聚光器与光提取光学器件组合的温室的图示。
图4是配备有用于屋顶和/或侧面结构元件的弯曲发光聚光器的温室的图示。
图5是配备有发光聚光器与并入到发光聚光器中的光提取元件组合的温室的图示。
图6是配备有发光聚光器的温室的图示，该发光聚光器放置在温室的地板上以将光从下方发射回植物上。
图7是配备有发光聚光器与至少一个反射光学元件、至少一个光提取光学元件、光纤和光发射器组合的温室的图示，所述至少一个反射光学元件、至少一个光提取光学元件、光纤和光发射器可以放置在温室内的最佳位置以更好地照射植物。
图8是放置到配备有发光聚光器的容器中的植物的图示。
图9是CuInS2/ZnS量子点的典型吸收和光致发光光谱的图。这些QD基本上不含有毒元素而且被认为没有致癌性。QD的发射量子产率可以>90％。这些QD具有在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱。
图10是由CuInS2、CuInSe2、ZnS、ZnSe和其组合组成的量子点的不同大小和组成引起的光致发光光谱的图。这些材料可达到的峰值发射为400nm-1200nm。
图11是摘自2015年出版的书“Plant physiology and development”第六版的图，该图示出了吸收阳光的植物中的各种色素。如其中所见，这些色素几乎覆盖了从400-1200nm的所有波长。
发明内容
一方面，提供一种光学元件，所述光学元件包括设置在介质中的多个荧光团；其中所述荧光团具有大于50％的量子产率，其中所述荧光团具有大于50％的量子产率，其中所述荧光团具有在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，其中所述荧光团发射在400nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱，并且其中所述介质在所述光谱的可见光区内是部分透明的。
在另一方面，提供一种用于修改入射在植物上的太阳辐射的波长的方法。所述方法包括：提供光学元件，所述光学元件具有其中设置有多个荧光团的实心的、部分透明的介质，其中所述荧光团具有大于50％的量子产率并且发射在大于550nm的波长下具有最大强度的光谱；以及将所述光学元件设置在所述植物与太阳辐射源之间的光路径上。
在又一方面，提供一种结构，所述结构包括：屋顶、墙壁、支撑所述屋顶或所述墙壁的结构元件以及波导，所述波导设置在所述结构元件中并将入射在其上的光引导至所述建筑物的内部，其中所述波导具有设置在其中的多个荧光团，其中所述荧光团具有大于50％的量子产率，其中所述荧光团具有在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，并且其中所述荧光团发射在400nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱。
在再一方面，提供一种光学元件，所述光学元件包括：反射衬底；聚合物涂层，所述聚合物涂层设置在所述衬底上；以及多个荧光团，所述多个荧光团设置在所述聚合物涂层中；其中所述荧光团具有大于50％的量子产率，其中所述荧光团在用阳光激发后发射在光谱的可见光区中具有最大强度的光谱，并且其中所述介质在所述光谱的所述可见光区内是半透明的。
具体实施方式
1.定义和缩写
提供对术语和缩写的以下解释以更好地描述本公开并指导本领域技术人员实践本公开。如本文中所用，除非上下文另外明白地指出，否则“包含”意指包括并且单数形式“一个”或“一种”或“所述”包括复数指代物。除非上下文另外明白地指出，否则术语“或”是指所陈述的替代元素中的单个元素或两个或更多个元素的组合。
除非另外解释，否则本文中使用的所有技术和科学术语都具有与本公开所属领域的技术人员通常所理解的相同的含义。本文中描述了用于实践或测试本文中描述的组成、系统和方法的合适的方法和组成。然而，应理解，与本文中描述的方法和材料相似或等效的其他方法和材料可以用于实践或测试这些组成、系统和方法。因此，本文中公开的组成、材料、方法和实例仅仅是说明性的，而不意图为限制性的。根据以下具体实施方式和所附权利要求书，本公开的其他特征对于本领域技术人员来说将为显而易见的。
除非另外指示，否则在说明书或权利要求书中使用的表示组分数量、百分比、温度、时间等的所有数字应理解为由术语“约”修饰。除非另外指示，否则说明书或权利要求书中使用的诸如“胶体的”、“连续的”、“晶体的”等非数值性质应理解为被术语“基本上”修饰，意指在很大程度上。因此，除非另外隐含地或明确地指示，否则所阐述的数值参数和/或非数值性质是近似值，其可能取决于寻求的期望性质、标准测试条件或方法下的检测限制、加工方法的限制，和/或参数或性质的本质。当直接且明确地将实施方案与所讨论的现有技术进行区分时，除非陈述单词“约”，否则实施方案编号不是近似值。
致癌物：已显示直接或间接导致任何哺乳动物发生癌症的材料。
光致发光(PL)：吸收光后发射光(电磁辐射、光子)。它是一种发光(光发射)形式，并且由光激发(光子的激发)引发。
有毒的：指由于磷或重金属(诸如镉、铅或汞)的存在而可能损害活的生物体的材料。
量子点(QD)：由于量子限制而表现出大小相依的电子和光学性质的纳米级粒子。本文中公开的量子点优选地具有至少一个小于约50纳米的尺寸。公开的量子点可以是胶体量子点，即，当分散在液体介质中时可以保持悬浮的量子点。可以用于本文中描述的组成、系统和方法中的量子点中的一些由具有式MX的二元半导体材料制成，其中M是金属，并且X通常是选自硫、硒、碲、氮、磷、砷、锑或其混合物。可以用于本文中描述的组成、系统和方法中的示例性二元量子点包括CdS、CdSe、CdTe、PbS、PbSe、PbTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、InP、InAs、Cu2S和In2S3。可以用于本文中描述的组成、系统和方法中的其他量子点是三元、四元和/或合金化量子点，包括但不限于ZnSSe、ZnSeTe、ZnSTe、CdSSe、CdSeTe、HgSSe、HgSeTe、HgSTe、ZnCdS、ZnCdSe、ZnCdTe、ZnHgS、ZnHgSe、ZnHgTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、ZnCdSSe、ZnHgSSe、ZnCdSeTe、ZnHgSeTe、CdHgSSe、CdHgSeTe、CuInS2、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInZnS2、CuZnSnSe2、CuIn(Se,S)2、CuInZn(Se,S)2和AgIn(Se,S)2量子点，但使用无毒量子点是优选的。所公开的量子点的实施方案可以具有单一材料，或者可以包括内芯和外壳(例如，通过任何合适的方法，诸如阳离子交换形成的薄外壳/层)。量子点还可以包括结合到量子点表面的多个配体。
量子产率(QY)：荧光团的发射光子数与吸收光子数的比。
荧光团：吸收第一光谱的光并发射第二光谱的光的材料。
斯托克斯位移：吸收肩的位置或局部吸收最大值与发射光谱最大值之间的能量差。
发射光谱：电磁光谱中光致发光材料(响应于光源的激发)表现出光致发光的那些部分，其振幅至少为峰值PL发射的1％。
发光聚光器(LC)：用于将电磁辐射的光谱和光子通量转换为具有较高光子通量的新的较窄光谱的装置。LC的工作原理是通过吸收来收集大范围内的辐射，通过PL将其转换为新光谱，然后通过全内反射将生成的辐射引导至相对小的输出目标中。
光子通量：每单位时间通过单位面积的光子数，通常以每秒每平方米的计数来度量。
聚合物：由许多重复的亚基组成的大分子或巨分子。聚合物的范围从常见的合成塑料(诸如聚苯乙烯或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA))到天然生物聚合物(诸如对于生物结构和功能为基本的DNA和蛋白质)。天然和合成的聚合物都是通过许多小分子(称为单体)的聚合而产生的。示例性聚合物包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚苯乙烯、离子塑料、硅酮、环氧树脂和指甲油。
自吸收：来自多个荧光团的发射光被相同的多个荧光团吸收的百分比。
2.概述
温室是农业的重要部分。除了延长生长季节外，温室还为植物生长提供高度可控的环境，限制对害虫的暴露，并为种植高价值植物提供额外的安全性。因此，植物可以在处于优化条件下的温室中生长，并且对杀虫剂的依赖性比田间植物低得多。出于这个原因，温室的使用在有机食品行业中变得尤为普遍。
尽管传统温室具有许多优点，但它们并未充分使用入射在其上的太阳辐射。具体地说，入射辐射中的大部分UV部分不是植物生长所需的。确实，一些温室配备有UV反射膜或在温室片材中嵌入有UV吸收添加剂，这是因为UV辐射趋向于使温室中常用的各种塑料降级。
此外，许多温室向温室内的植物提供的入射的太阳辐射的分布不均匀。例如，在一天中的不同时间，可用于植物的入射阳光可能被其他植物或被温室结构本身遮挡。此外，在常规温室中，一天中太阳的不断变化的位置导致温室内部不同部分的照射不均匀。
现已发现，利用本文中公开的装置、结构和方法可以克服前述问题中的一些或全部。在优选实施方案中，这些装置、结构和方法使用太阳能聚光器来聚集入射的太阳辐射、对其光谱进行修改和将其重新分布到温室内的植物(而不是以其常规角色，在常规角色中它们与光伏电池结合使用来发电)。
在该应用中，可以根据需要修改或调整太阳能聚光器的光谱足迹，以实现有利于植物生长的光谱输出。具体地说，可以有利地选择或修改太阳能聚光器中的发光材料，以吸收植物使用的光谱区之外的辐射，并发射(例如，通过荧光)有利于植物生长的波长下的辐射。因此，例如，可以有利地选择或修改太阳能聚光器中的发光材料，以吸收光谱的紫外线区中的辐射，并发射在最适于农业目的的可见光波长下的辐射。应了解，入射的太阳辐射的这种再使用具有增加温室内用于光合作用的波长的通量的作用，所述波长对植物的生长最有益。
另外，太阳能聚光器可以配备有具有任何期望尺寸的波导。因此，这些装置的使用相对于内部光照增加相当大的灵活性。具体地说，波导的发射部分可以放置在温室内部的它们将提供最佳照明的任何地方。
在优选的实施方式中，发光材料包括设置在衬底内或衬底上的多个荧光团(诸如，CuInZnSeS量子点)。荧光团具有大于50％的量子产率以及在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，并且发射在400nm至1200nm的范围内的波长下具有最大强度的光谱。
3.具体实施方式
图2示出了根据本文中的教导的结构的第一特定的非限制性实施方案。如其中所见，所示结构201配备有一系列透明或部分透明的面板203或窗户，所述面板或窗户在示出的特定实施方案中形成温室的壁和/或天花板。面板203由一系列支柱或其他合适的结构元件205支撑。结构的细节和面板的总体布置没有示出，但是可以是温室领域已知的各种结构和布置中的任何一种。
所示结构201中的面板203中的每一者包括设置在透明衬底上(或在一些实施方案中，设置在透明介质中)的合适的荧光团。合适的衬底包括各种塑料和玻璃。面板通常被构造成使得它们充当入射在其上的太阳辐射的太阳能聚光器。
在使用中，太阳辐射209入射在所述面板203上，并被引导通过其波导(通常引导至面板的边缘)。波导中的荧光团被激发并经历荧光。如上所述，荧光团优选地吸收在光谱的可见光区之外(并且更优选地，在光谱的UV区中)的光，并发射在光谱的可见光区中的光，因此增加波导中的光的可见波长的通量。
然后利用合适的提取器207(诸如设置在波导表面上并与其进行光通信的漫透射膜)从波导中提取光。发射光211被引导至温室内部，在温室内部所述光入射在驻留在其中的植物213或植被上。
应了解，使用根据本文中的教导的太阳能聚光器允许以受控的方式改变入射阳光的方向并对其光谱进行修改，使得可以更均匀地照射温室的内部。此外，太阳能聚光器通过荧光现象允许UV光谱的一部分转换为可见波长，从而增加这些波长的通量并且因此允许更加有力的植物生长。
图3示出了根据本文中的教导的结构的第二特定的非限制性实施方案。如其中所见，所示结构301配备有一系列透明或部分透明的面板303或窗户，所述面板或窗户在示出的特定实施方案中形成温室的壁和/或天花板。结构的细节和面板的总体布置没有示出，但是可以是温室领域已知的各种结构和布置中的任何一种。
所示结构301中的面板303中的每一者包括设置在透明衬底上(或在一些实施方案中，设置在透明介质中)的合适的荧光团。合适的衬底包括各种塑料和玻璃。面板通常被构造成使得它们充当入射在其上的太阳辐射的太阳能聚光器。
在使用中，太阳辐射309入射在所述面板303上，并被引导通过其波导(通常引导至面板的边缘)。波导中的荧光团被激发并经历荧光。如上所述，荧光团优选地吸收在光谱的可见光区之外(并且更优选地，在光谱的UV区中)的光，并发射在光谱的可见光区中的光，因此增加波导中的光的可见波长的通量。
然后利用合适的提取器307从波导中提取光，所述提取器在该特定实施方案中是柔性光纤波导。光提取器307然后可以放置在温室内部的最佳位置，在所述位置来自光提取器307的发射光311入射在驻留在其中的植物313或植被上。
图4示出了根据本文中的教导的结构的第三特定的非限制性实施方案。如其中所见，所示结构401配备有一系列弯曲的透明或部分透明的面板403或窗户，所述面板或窗户在示出的特定实施方案中形成温室的壁和/或天花板。结构的细节和面板的总体布置没有示出，但是可以是温室领域已知的各种结构和布置中的任何一种。
所示结构401中的弯曲面板403中的每一者包括设置在透明衬底上(或在一些实施方案中，设置在透明介质中)的合适的荧光团。合适的衬底包括各种塑料和玻璃。面板通常被构造成使得它们充当入射在其上的太阳辐射的太阳能聚光器。
在使用中，太阳辐射409入射在所述弯曲面板403上，并被引导通过其波导(通常引导至面板的边缘)。波导中的荧光团被激发并经历荧光。如上所述，荧光团优选地吸收在光谱的可见光区之外(并且更优选地，在光谱的UV区中)的光，并发射在光谱的可见光区中的光，因此增加波导中的光的可见波长的通量。然后从弯曲面板403的端部发射波导光405并且发射光411入射在驻留在其中的植物413或植被上。在该实施方案的一些变型中，弯曲面板可以被保护膜或面板覆盖，在该应用中所述保护膜或面板优选地对于感兴趣的波长基本上是透明的。
图5示出了根据本文中的教导的结构的第四特定的非限制性实施方案。如其中所见，所示结构501配备有一系列透明或部分透明的面板503或窗户，所述面板或窗户在示出的特定实施方案中形成温室的壁和/或天花板。结构的细节和面板的总体布置没有示出，但是可以是温室领域已知的各种结构和布置中的任何一种。
所示结构501中的面板503中的每一者包括设置在透明衬底上(或在一些实施方案中，设置在透明介质中)的合适的荧光团。合适的衬底包括各种塑料和玻璃。面板通常被构造成使得它们充当入射在其上的太阳辐射的太阳能聚光器。
在使用中，太阳辐射509入射在所述面板503上，并被引导通过其波导(通常引导至面板的边缘)。波导中的荧光团被激发并经历荧光。如上所述，荧光团优选地吸收在光谱的可见光区之外(并且更优选地，在光谱的UV区中)的光，并发射在光谱的可见光区中的光，因此增加波导中的光的可见波长的通量。
然后利用合适的提取器507从波导中提取波导光505，在该特定实施方案中，所述提取器被并入到所述面板503中。光提取器507然后允许发射光511入射在驻留在其中的植物513或植被上。
图6示出了根据本文中的教导的结构的第五特定的非限制性实施方案。如其中所见，所示结构601配备有一系列透明或部分透明的面板603或窗户，所述面板或窗户在示出的特定实施方案中形成温室的壁和/或天花板。结构的细节和面板的总体布置没有示出，但是可以是温室领域已知的各种结构和布置中的任何一种。
在该特定实施方案中，发光聚光器615位于驻留在结构内的植物613或其他植被下方。此外，在该特定实施方案中，所示发光聚光器615包括设置在透明衬底上(或在一些实施方案中，设置在透明介质中)的合适的荧光团。合适的衬底包括各种塑料和玻璃。面板通常被构造成使得它们充当入射在其上的太阳辐射的太阳能聚光器。
在使用中，太阳辐射609入射在温室中的所述植物613上，并且未被植物吸收的任何太阳辐射609入射在位于植物下方的所述发光聚光器615上并被引导通过其波导。波导中的荧光团被激发并经历荧光。如上所述，荧光团优选地吸收在光谱的可见光区之外(并且更优选地，在光谱的UV区中)的光，并发射在光谱的可见光区中的光，因此增加波导中的光的可见波长的通量。
然后利用合适的提取器607从波导中提取波导光605，在该特定实施方案中，所述提取器被并入到发光聚光器615中。光提取器607然后允许发射光611从下方入射在驻留在其中的植物613或植被上，从而使温室内的植物613对光的吸收最大化。
图7示出了根据本文中的教导的结构的第六特定的非限制性实施方案。如其中所见，所示结构701配备有一系列透明或部分透明的面板703或窗户，所述面板或窗户在示出的特定实施方案中形成温室的壁和/或天花板。结构的细节和面板的总体布置没有示出，但是可以是温室领域已知的各种结构和布置中的任何一种。
所示结构701中的面板703中的每一者包括设置在透明衬底上(或在一些实施方案中，设置在透明介质中)的合适的荧光团。合适的衬底包括各种塑料和玻璃。面板通常被构造成使得它们充当入射在其上的太阳辐射的太阳能聚光器。
在使用中，太阳辐射709入射在所述面板703上，并被引导通过其波导而到达反射光学器件715。波导中的荧光团被激发并经历荧光。如上所述，荧光团优选地吸收在光谱的可见光区之外(并且更优选地，在光谱的UV区中)的光，并发射在光谱的可见光区中的光，因此增加波导中的光的可见波长的通量。
波导光705然后从反射光学器件715反射并利用合适的光提取器707从波导中被提取。所述光提取器707然后将波导光705引导至另一波导中，所述另一波导在该特定实例中是柔性光纤717。波导光705然后被引导至便携式光发射器719，所述光发射器可以最佳地放置在温室中以将发射光711递送到驻留在其中的植物713或植被。
图8示出了根据本文中的教导的发光聚光器的特定的非限制性实施方案。如其中所见，植物813放置在包括发光聚光器815的容器中。
在使用中，太阳辐射809入射在所述植物813上，并且未被植物吸收的任何太阳辐射809入射在所述发光聚光器815上。发光聚光器815中的荧光团被激发并经历荧光。如上所述，荧光团优选地吸收在光谱的可见光区之外(并且更优选地，在光谱的UV区中)的光，并发射在光谱的可见光区中的光，因此增加发光聚光器815中的光的可见波长的通量。
发光聚光器815然后允许发射光811从下方入射在驻留在其中的植物813或植被上，从而使植物813对光的吸收最大化。
环境线索是植物生长的重要特性，并且是确定植物何时经历重要的物理变化(诸如开花或结果)的重要因素。这类环境线索通常包括环境的温度、植物接收光的小时数以及植物所暴露的光的光谱。光介导的发育过程被称为光形态建成，并且可以被视为植物对光信号的响应。例如，许多植物使用光谱的红光部分(600-700nm)与光谱的远红光部分(700-800nm)之间的光强度比来触发植物产生果实或花朵。
图9是CuInZnSeS量子点的典型的吸收901和光致发光903光谱，CuInZnSeS量子点是本文中公开的装置和方法中的优选荧光团。这些量子点基本上不含有毒元素而且被认为没有致癌性。此外，这些量子点的发射量子产率超过70％。
如图9中所见，可以使CuInZnSeS量子点在其吸收901与光致发光903峰值之间具有最小重叠902。结果，这些量子点由于荧光而发射的辐射中很少经历随后的重新吸收。此外，可以制造CuInZnSeS量子点，其具有在可见光区之外(通常在UV区内)的吸收峰值，并且具有在可见光区内的发射光谱。因此，这些量子点所经历的光致发光过程具有将入射的UV辐射的一部分转换为可见波长的作用，因此使其适用于农业应用。或者，这些量子点可以某一方式合成，该方式致使其部分地吸收光的可见波长，并将吸收的辐射的一部分转换为远红发光。因此，此类量子点可以用于触发或以其他方式促进植物的物理变化，诸如开花或结果。
通过适当地选择发光材料和/或这些材料的尺寸，可以根据需要修改或调节用于本文中公开的装置、结构和方法中的太阳能聚光器的光致发光光谱。例如，图10是由CuInZnSeS量子点的不同大小和组成引起的光致发光的图。如其中所见，这些量子点具有跨越400-1200nm的光谱范围的许多不同的发射波长。通过混合量子点的不同组合，可以容易地修改光谱的形状并将其调节为特定植物的理想光谱。可以基于所选择的量子点的大小和组成来调节光谱的形状，包括峰值的数量、波谷的数量、光谱的斜率和其他光谱特征。
QD混合物优选地具有大于50％的发射量子产率。应了解，可以使用量子点和其他发光材料的各种混合物来实现本文中公开的太阳能聚光器的光谱输出，所述光谱输出最有利于植物生长。还应了解，可以使用该方法来实现最有利于特定作物的生长的光谱输出。
图11是(摘自书“Plant Physiology and Development”(第六版，2015年出版)的图，该图示出了吸收阳光的植物中的各种色素。如其中所见，这些色素几乎覆盖了400-1200nm的所有波长。因此，尽管用于优化植物生长的一些现有技术方法不重视光的某些波长(诸如绿波长)，但该图强调了所有可见波长对有力的植物生长的重要性。尽管如此，但因此应了解，尽管光的所有可见波长可能在植物生长中起重要作用，但是有力的植物生长所需的特定波长的相对量(或通量)可能发生变化，并且可以用作确定本文中公开的类型的太阳能聚光器的最佳光谱输出的考虑因素。还应了解，最佳光谱输出可以根据将与太阳能聚光器结合使用的特定植物而变化。
各种发光材料可以用于本文中公开的装置、结构和方法中。如前所述，一类这种材料是通常称为量子点(QD)的胶体半导体纳米晶体。这些材料的优点在于，它们提供各种大小可调的光学性质(包括大小可调的光致发光)，并且可以便宜地从液体进行加工。QD在吸收宽光谱并且接着将该能量转换为由其大小决定的单色的发射光方面非常有效。通过调节制造条件以实现不同的大小、形状、组成和/或异质结构，可以将光学性质(诸如吸收和发射光谱、PL寿命和斯托克斯位移)编程到这些材料中。
各种类型的发光聚光器可以用于本文中描述的装置、结构和方法中。这些包括而不限于标题为“Laminated Glass Luminescent Concentrator”的共同转让的美国序列号62/341,238(McDaniel)中描述的发光聚光器，所述美国序列号在2016年5月25日提交并且以引用的方式整体并入本文中。
5.附加评论
可以在本文中描述的组成、装置和方法中进行或使用各种修改、替代、组合和参数范围。
例如，在一些实施方案中，发光材料的光致发光可以在400nm至1200nm范围内，更优选地在500nm至900nm范围内，并且最优选地在550nm至750nm范围内的波长下具有最大强度。
在一些实施方案中，发光材料的光致发光可以通过至少30％、至少50％、至少70％或至少80％的量子产率来表征。
各种光学元件可以用于本文中描述的装置和方法的光路径上。例如，在一些实施方案中，可以将光谱选择光学元件放置在被照射物品与入射阳光之间的光路径上。这类光学元件可以包括例如选自由滤光器、量子点膜和有色玻璃组成的组的一种或多种元件。这种类型的光谱选择光学元件可以仅允许光谱的给定部分通过。
在一些实施方案中，两种或更多种不同类型的量子点可以用于本文中描述的系统、方法和组成中。这些量子点在组成上可以是不同的。例如，本文中使用的发光材料可以包括基于第一化学性质的第一类型的量子点，以及基于不同于第一化学性质的第二化学性质的第二类型的量子点。因此，例如，第一类型的量子点可以包括CuInS2，而第二类型的量子点可以包括AgInSe2。类似地，本文中描述的发光材料可以包括基于量子点的第一组尺寸(或尺寸分布)的第一类型的量子点，以及基于量子点的第二组尺寸(或尺寸分布)的第二类型的量子点，量子点的第二组尺寸(或尺寸分布)不同于量子点的第一组尺寸(或尺寸分布)。因此，例如，第一类型的量子点可以包括具有第一直径(例如10nm)的大致球形的量子点，并且第二类型的量子点可以包括具有第二直径(例如30nm)的大致球形的量子点。
本文中经常参考本文中公开的装置、结构和方法一般来说在农业应用中，具体地说在温室中的使用而对其进行了描述。然而，本领域技术人员应了解，这些装置、结构和方法也可以用于各种其他应用中，包括例如一般的室内光照应用。
具有各种光学性质的荧光团可以用于本文中公开的装置和方法中。优选地，这些荧光团是量子点。这些荧光团通常具有至少20％，优选地至少40％，更优选地大于50％，甚至更优选地至少60％，并且最优选地至少75％的量子产率。
用于本文中公开的装置和方法中的荧光团优选地具有在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，并发射在400nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱。在一些实施方案中，这些荧光团可以发射在大于550nm的波长下具有最大强度的光谱。包括这些荧光团的光学元件优选地在600nm至1200nm范围内的波长下具有大于75％的透明度。这些荧光团优选地具有低的自吸收，使得它们的光致发光在至少1mm的距离内，优选地在至少1cm的距离内，更优选地在至少1m的距离内，甚至更优选地在至少2m的距离内，并且最优选地在至少10m的距离内被嵌入在所述介质中的所述荧光团在整个发射光谱上吸收少于50％。这些荧光团还优选地具有大于100meV的斯托克斯位移。
在本文中公开的光学元件中，荧光团可以设置在介质内。介质可以包括各种材料，但使用允许荧光团的光致发光的透射的聚合物材料是特别优选的。用于介质的优选的聚合物材料包括选自由以下各项组成的组的那些材料：乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、热塑性聚氨酯、氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、环烯烃聚合物、纤维素、离子塑料、环氧树脂、聚碳酸酯和硅酮。在一些实施方案中，介质可以在选自由阻湿膜、阻氧膜或玻璃组成的组的薄片之间制备或布置在所述薄片之间。介质或光学元件作为整体可以通过各种工艺形成，包括挤出工艺。
本文中公开的光学元件可以包括各种其他材料或装置，或者可以结合各种其他材料或装置使用。例如，本文中公开的光学元件可以包括镜面反射或漫反射或透射的各种材料和各种类型的镜子、反射器、漫射器和光波导，或者可以结合镜面反射或漫反射或透射的各种材料和各种类型的镜子、反射器、漫射器和光波导使用。合适的波导可以包括但不限于选自由光缆、光子晶体光纤、柔性波导塑料、镜腔和等离激元腔组成的组的那些波导。
本文中公开的光学元件可以结合各种结构使用。这些包括但不限于各种建筑物(包括住宅和办公楼)、各种结构(包括温室)及其各种部件，包括屋顶、墙壁、窗户和窗框。
本文中公开的装置中使用的介质可以被制造成各种形状和几何形状。因此，例如，介质可以被制造为具有一个或多个弯曲区段，具有拥有选自由凹形、凸形和圆柱形组成的组的至少一种形状的至少一个区段，或具有拥有选自由穹顶形和球形组成的组的至少一种形状的至少一个区段。
本发明的以上描述是说明性的，而不意图是限制性的。因此应了解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施方案进行各种添加、替代和修改。因此，本发明的范围应参考所附权利要求书来解释。
而且，特别预期在不脱离本公开的范围的情况下，可以以不同的组合或子组合来布置所附权利要求书中描述的特征。例如，预期在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在两个或更多个权利要求中阐述的特征组合成单个权利要求，而不管所得特征组合是否在所附权利要求书或本公开中的其他地方明确地公开。

Claims (24)

1.一种与温室组合的光学元件，所述光学元件形成所述温室的壁或天花板，所述光学元件包括：
多个荧光团，所述多个荧光团设置在介质中；
其中所述荧光团具有大于50％的量子产率，其中所述荧光团具有在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，其中所述荧光团发射在400nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱，其中所述介质在实现发射光谱的所述最大强度的所述波长下为至少部分透明的，并且其中所述光学元件未光学地联接到光伏电池；
其中所述荧光团是包括选自由以下各项组成的组的材料的量子点：CuInS2、CuInSe2、ZnS、ZnSe，和以上各项的合金；并且
其中被嵌入在所述介质中的所述荧光团具有光致发光，并且其中通过所述介质传播的少于50％的所述光致发光在至少1mm的传播距离上被所述荧光团自吸收。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述荧光团发射在550nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件在600nm至1200nm范围内的波长下具有大于75％的透明度。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述荧光团的斯托克斯位移大于100meV。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述介质是允许所述光致发光透射的聚合物。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述介质选自由以下各项组成的组：乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、热塑性聚氨酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、环烯烃聚合物、纤维素、离子塑料、环氧树脂、聚碳酸酯和硅酮。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述介质被布置在选自由阻湿膜、阻氧膜或玻璃组成的组的薄片之间。
8.根据权利要求1所述的光学元件，所述光学元件通过挤出工艺而构造。
9.根据权利要求1所述的光学元件，所述光学元件与选自由镜子和漫射器组成的组的至少一个元件组合。
10.根据权利要求1所述的光学元件，所述光学元件与至少一个光波导组合。
11.根据权利要求10所述的光学元件，其中所述光波导选自由光缆、光子晶体光纤、柔性波导塑料、镜腔和等离激元腔组成的组。
12.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述介质具有至少一个区段，所述至少一个区段具有选自由凹形、凸形和圆柱形组成的组的至少一种形状。
13.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述介质具有至少一个区段，所述至少一个区段具有选自由穹顶形和球形组成的组的至少一种形状。
14.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述荧光团的量子产率为至少60％。
15.根据权利要求1所述的光学元件，所述光学元件与选自由窗框和建筑物组成的组的元件组合。
16.至少两个根据权利要求1所述的光学元件的组合，其中每个光学元件具有吸收光谱的不同部分的不同的荧光团。
17.至少两个根据权利要求1所述的光学元件的组合，其中每个光学元件具有发射不同光谱的不同的荧光团。
18.根据权利要求1所述的光学元件，其中少于50％的所述光致发光在至少1cm的距离上被所述荧光团吸收。
19.根据权利要求1所述的光学元件，其中少于50％的所述光致发光在至少1m的距离上被所述荧光团吸收。
20.根据权利要求1所述的光学元件，其中少于50％的所述光致发光在至少10m的距离上被所述荧光团吸收。
21.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述荧光团是包括选自由以下各项组成的组的材料的量子点：CuInS2、CuInSe2，和以上各项的合金。
22.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述温室包括多个由结构元件支撑的面板，并且其中所述多个面板的每个都包括所述光学元件的实例。
23.根据权利要求22所述的光学元件，其中每个所述面板被配备有波导，入射在所述面板上的光被引导通过所述波导，其中每个波导具有设置在其中的多个荧光团，并且其中每个波导被配备有提取器，所述提取器将来自所述波导的光提取到所述温室的内部。
24.一种与温室组合的光学元件，所述光学元件形成所述温室的壁或天花板，所述光学元件包括：
多个荧光团，所述多个荧光团设置在介质中；
其中所述荧光团具有大于50％的量子产率，其中所述荧光团具有在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，其中所述荧光团发射在400nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱，其中所述介质在实现发射光谱的所述最大强度的所述波长下为至少部分透明的，并且其中所述光学元件未光学地联接到光伏电池；并且
其中所述荧光团是包括选自由以下各项组成的组的材料的量子点：
CuInS2、CuInSe2，和以上各项的合金。
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