DE102008006955A1

DE102008006955A1 - Herstellung und Applikationen multifunktionaler optischer Module zur photovoltaischen Stromerzeugung und für Beleuchtungszwecke

Info

Publication number: DE102008006955A1
Application number: DE102008006955A
Authority: DE
Inventors: Tonino Greco; Andreas Dr. Büchtemann; Rudi Dr. Danz; Burkhard Dr. Elling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: WO2009095310A1; DE102008006955B4; EP2243171A1

Abstract

Optisches Modul, umfassend ein Substrat und eine auf dem Substrat aufgebrachte Polymerschicht, wobei Substrat und Polymerschicht im Spektralbereich von 250 bis 700 nm transparent sind und in der Polymerschicht - fluoreszierende Additive (A), die zumindest im Spektralbereich von 250 bis 400 nm (UV-Bereich) absorbieren, - fluoreszierende Additive (B), die zumindest im Spektralbereich von 400 bis 700 nm (sicht6barer Bereich) absorbieren, und - Additive (C), die zumindest im Spektralbereich von 700 bis 2000 nm (NIR-Bereich) absorbieren, verteilt sind und alle Additive einen mittleren Durchmesser von 200 nm nicht überschreiten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuwertiges optisches Modul, seine Herstellung wie Verwendung.
Zur photovoltaischen Stromerzeugung verwendet man Fluoreszenzkollektoren, die aus optisch transparenten und mit Fluoreszenzfarbstoffen dotierten Polymerplatten bestehen. Trifft Sonnenstrahlung auf die Großflächen der dotierten Polymerplatten, so werden die in den Polymerplatten befindlichen Fluoreszenzfarbstoffe elektronisch angeregt und emittieren Fluoreszenzstrahlung, die auf Grund von Totalreflexion zu den schmalen Kanten der dotierten Polymerplatten geleitet wird und dort konzentriert austritt (W. Stahl und A. Zastrow, „Fluoreszenzkollektoren", Physik in unserer Zeit, 16 (1985), 6, 167–179; U. Rau, F. Einsele, G. C. Glaeser, „Efficiency Limits Of Photovoltaic Fluoreszent Collectors", Applied Physical Letter, 87 (2005), 171101-171101-3.).
Ein aus einer dotierten Polymerplatte bestehender Fluoreszenzkollektor, der auch als Halb- oder Vollkreis gestaltet sein kann, wird zur photovoltaischen Stromerzeugung oder als Lichtdetektor verwendet, indem man auf die Kanten des Kollektors Solarzellen aufbringt, auf die die Fluoreszenzstrahlung auftrifft und in elektrischen Strom gewandelt wird ( US 4,193,819 ; DE 3832803 A1 .
Bei den Fluoreszenzkollektoren kommt es darauf an, dass möglichst die gesamte Strahlung absorbiert, mit hoher Effizienz emittiert und nur ein geringer Strahlungsanteil durch den Kollektor transmittiert wird. Die in den Fluoreszenzkollektoren enthaltenen Fluoreszenzmaterialien müssen eine hohe Photostabilität und Quanteneffizienz aufweisen, sowie in den Kollektormaterialien molekular gelöst oder nanoskalig verteilt sein, damit eine starke Fluoreszenz ohne optische Steuereffekte auftreten kann. Die zur photovoltaischen Stromerzeugung eingesetzten Fluoreszenzkollektoren haben im Allgemeinen den Nachteil, dass etwa nur ein Drittel der Solarstrahlung technisch genutzt wird, der größte Teil der Strahlung wird nicht absorbiert und geht daher bei der Anwendung verloren.
Die Patentschrift EP 1659347 A2 beschreibt Fluoreszenzkollektoren als solare Energiekonverter, die als Dachziegel und Fensterscheiben gestaltet oder als Fassaden für Gebäude vorgesehen sind. In diesem Dokument werden Farbstoffe und Quantenpunkte als Fluoreszenzpartikel ohne nähere Bezeichnung genannt. Damit kann der aufgezeigte Verwendungszweck des Patentes nicht realisiert und erfüllt werden. Die meisten Farbstoffe fluoreszieren nicht und können deshalb für den erfindungsgemäßen Gegenstand nicht verwendet werden. Von den fluoreszierenden Farbstoffen haben die meisten für eine Anwendung in Fluoreszenzkollektoren eine zu geringe Photostabilität und Quanteneffizienz. Quantenpunkte lassen sich nicht ohne Anwendung spezieller Herstellungstechnologien in Polycarbonaten, Polyacrylaten oder Polystyrol nanoskalig ohne nachteilige Streueffekte einbringen.
In EP 1659347 A2 ist weiterhin von Nachteil, dass bei dieser Vorrichtung die UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht zum Schutz der Polymersubstrate absorbiert und damit ein wesentlicher Energieanteil der Solarstrahlung nicht genutzt wird.
Statt Fluoreszenzplatten werden zur photovoltaischen Stromerzeugung bzw. Energiewandlung auch fluoreszierende Multischichten, die hinsichtlich des Absorptions- und Emissionsverhaltens unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe enthalten, vorgeschlagen ( EP 1659347 A2 ).
In einer weiteren Variante werden fluoreszierende Polymerschichten auf optisch transparente nicht dotierte Substrate aufgebracht. Nach Anregung der Fluoreszenzschicht mit einer Strahlungsquelle koppelt das erzeugte Fluoreszenzlicht in das Substrat ein und gelangt zu seinen Kanten, auf denen zum Strahlungsnachweis Detektoren angeordnet sind ( US 4,262,206 ). Der in US 4,262,206 beschriebene Fluoreszenzkonverter kann zwar für die Detektion diffuser und schwacher Strahlung eingesetzt werden, ist aber zur effizienten Energienutzung von Solarstrahlung nicht geeignet, da die Vorrichtung den größten Teil der Sonnenstrahlung nicht nutzen kann.
Im Gemüsebau verwendet man zur Abdeckung Polymerfolien, die mit einem roten oder blauen Fluoreszenzfarbstoff dotiert sind und auf Grund der Emission roter bzw. blauer Fluoreszenzstrahlung das Wachstum von Tomaten und anderen Gemüsepflanzen positiv beeinflussen, indem z. B. die Reifezeit der Früchte verkürzt und ihr Geschmack verbessert werden (F. Kaufmann, B. Baranow, R. Bochow, „Lumineszenzfolien zur Ernteverfrühung bei Kopfsalat", Gemüse 27 (1991), 96–98; B. von Elsner, „Farbfolien für den Gartenbau", Deutscher Gartenbau 25 (1991), 1544–1551; Y. et A. Zarka, „New PVC-fluorescent film for cladding greenhouses the results from three years trials", Plasticulture „n" 85 (1990/1) 6–16, T. A. O. Dougher, B. Bugbee, „Differences In The Response Of Wheat, Soybean And Lettuce To Reduced Blue Radiation", Photochemistry and Photobiology 73 (2001), 199–207). Die bisher angewendeten fluoreszierenden Gartenfolien haben den Nachteil, dass sie zwar einen mehr oder weniger großen spektralen Anteil der Solarstrahlung absorbieren und in Fluoreszenzstrahlung wandeln, der größte absorbierte Strahlungsanteil auf Grund von Totalreflexion aber in der Folie verbleibt und für das Wachstum der Pflanzen nicht zur Verfügung steht. Andererseits lassen die verwendeten fluoreszierenden Gartenfolien Infrarotstrahlung, die zu einer unerwünschten Erwärmung in den Gewächshäusern führt, in einem hohen Maße durch.
Zur autonomen Energieerzeugung werden Dünnschichtsolarzellen und elektrochrome Schichten auf Glassubstrate aufgebracht und zur Steuerung der elektrochromen Schichten elektrisch miteinander verbunden. Bei Lichteinfall wird ein photovoltaischer Strom erzeugt, der die elektrochromen Schichten schaltet und zu einer Transmissionsabnahme führt ( US 5,377,037 ). Die beanspruchte Lösung hat den Nachteil, dass die Dünnschichtsolarzelle zu ihrer Funktion eine optische Absorption im Spektralbereich der Solarzelle von mindestens 40% haben muss, die zu einer ungewünschten Minderung der gesamten Transmission des Systems führt. Die spektrale Transmission des Gesamtsystems ist durch die Dünnschichtsolarzelle festgelegt und kann nicht mehr beeinflusst werden. Das aufgezeigte Kontrollsystem ist deshalb eingeschränkt praktikabel.
Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein multifunktionales optisches Modul bereitzustellen, das es ermöglicht, Solarstrahlung effizient in elektrische Energie umzuwandeln und unerwünschte Überwärmung von Innenräumen zu vermeiden.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist es, dass das optische Modul die Solarenergie, wie UV-Licht und sichtbares Licht, in Fluoreszenzstrahlung umwandelt und Wärmestrahlung zumindest teilweise absorbiert.
Demnach stellt die vorliegende Erfindung ein optisches Modul bereit, welches ein Substrat und eine auf dem Substrat aufgebrachte Polymerschicht umfasst, wobei Substrat und Polymerschicht im Spektralbereich von 250 bis 700 nm transparent sind und in der Polymerschicht

a) fluoreszierende Additive (A), die zumindest im Spektralbereich von 250 bis 400 nm (UV-Bereich) absorbieren,
b) fluoreszierende Additive (B), die zumindest im Spektralbereich von 400 bis 700 nm (sichtbarer Bereich) absorbieren, und
c) Additive (C), die zumindest im Spektralbereich von 700 bis 2000 nm (NIR-Bereich) absorbieren,

Dabei sind vorzugsweise Substrat und Polymerschicht so gewählt, dass sie annähernd den gleichen Brechungsindex aufweisen, so dass die Polymerschicht und das Substrat eine optische Einheit bilden und für die Totalreflexion des Lichtes die angrenzenden Luftschichten bestimmend sind.
Weiter umfasst vorzugsweise das optische Modul zumindest eine Solarzelle, um die erzeugte Fluoreszenzstrahlung in elektrischen Strom umzuwandeln. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Solarzelle oder -zellen an den schmalen Kanten des Substrates angeordnet sind, wodurch die in der Polymerschicht durch Solarstrahlung erzeugte Fluoreszenzstrahlung optisch in das Substrat einkoppelt und infolge von Totalreflexion zu seinen Kanten geleitet wird und dort auf die Solarzellen auftrifft, die die Energie in elektrischen Strom umwandeln.
Eine besondere Ausführungsform ist in 1 wiedergegeben.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass solch ein optisches Modul besonders effizient Solarenergie in Fluoreszenzenergie umwandeln kann. Darüber hinaus wird Solarstrahlung, die vor allem Wärmeenergie erzeugen, wie nahes Infrarot, durch das optische Modul aufgefangen, so dass eine Überhitzung unter dem optischen Modul, wie in Innenräumen, verhindert werden kann. Dadurch können die erfindungsgemäßen optischen Module insbesondere in Gewächshäusern, Gebäuden oder Verkehrsmitteln eingesetzt werden.
Vorzugsweise soll das optische Modul Additive in der Menge und Art enthalten, dass das optische Modul

a) Strahlung im Spektralbereich von 250 bis 400 nm zu mindestens 90%, vorzugsweise zu mindestens 95%, insbesondere zu mindestens 99,5% und/oder
b) Strahlung im Spektralbereich von 400 bis 700 nm von 30 bis 80%, vorzugsweise von 35 bis 75% und insbesondere von 40 bis 70% und/oder
c) Strahlung im Spektralbereich von 700 bis 2000 nm zu mindestens 40%, vorzugsweise zu mindestens 50%,

Die Additive (A) bis (C) können organische Fluoreszenzfarbstoffe, Quantenpunkte, Nanophosphore und/oder anorganische Metalloxide sein.
Als organische Fluoreszenzfarbstoffe haben sich in der vorliegenden Erfindung insbesondere die Fluoreszenzfarbstoffe als geeignet herausgestellt, die aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Rhodaminen, Cyaninen, Cumarinen, Oxazinen, Perylenen, Naphthylimiden, Naphtyldiimiden, Stilbenen, Styrylen, Pyrromethenen und deren Mischungen ausgewählt sind. Vorzugsweise sind organische Fluoreszenzfarbstoffe bis zu 6.0 Gew.-%, noch mehr bevorzugt von 0.1 bis 5.5 Gew.-%, am meisten bevorzugt von 0.1 bis 5.0 Gew.-%, in der Polymerschicht enthalten.
Unter Quantenpunkten in der vorliegenden Erfindung werden ganz allgemein anorganische Nanopartikel verstanden, die Fluoreszenzeigenschaften aufweisen und nanoskalig sind.
Unter nanoskalig ist nach vorliegender Erfindung zu verstehen, dass die größte Dimension der diskreten Additive der Polymerschicht kleiner als 200 nm, bevorzugt 20 nm, ist. Dabei bezieht sich diese Größendefinition auf alle möglichen Partikelmorphologien, wie Primärpartikel sowie etwaige Aggregate oder Agglomerate. Jedoch ist es bevorzugt, dass die vorliegenden Additive Primärpartikel sind und keine Aggregate und/oder Agglomerate bilden.
Insbesondere werden unter Quantenpunkten nach vorliegender Erfindung fluoreszierende anorganische Nanoteilchen verstanden, die halbleitende Materialien sind und aus II–VI– oder III–V-Halbleitern bestehen und vorzugsweise eine Kernhüllenstruktur aufweisen. Dabei haben solche halbleitenden Materialien vorzugsweise einen anorganischen Kern von der Größe von vorzugsweise unter 10 nm. Darüber hinaus sind solche bevorzugten Halbleiternanoteilchen gekappt, d. h. mit einer organischen Hülle umgeben. Zur Hydrophobisierung der Quantenpunkte werden diese bevorzugt mit langkettigen Alkylaminen, Alkenylaminen, aromatischen Aminen, Thiolen, Carbonsäuren, Carbonsäureestern, Phosphorsäureestern, Phosphonsäureestern, Phosphanen und/oder Phosphanoxiden gekappt. Zur Hydrophilierung werden diese bevorzugt mit Mercaptocabonsäuren, Aminocarbonsäuren, Thioalkoholen, Aminoalkoholen, Aminoalkylsiloxanen, Thioalkylsiloxanen, Hydroxycarbonsäuren und/oder Carbonsäureestern gekappt.
Bevorzugte Quantenpunkte in der vorliegenden Erfindung sind halbleitende Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe und HgTe. Die Quantenpunkte können auch mit einem Dotierelement versehen sein, wobei in der folgenden Notation rechts vom Doppelpunkt ein oder mehrere Dotierelemente und links vom Doppelpunkt das Wirtsmaterial aufgeführt sind. Beispiele hierfür sind ZnO:M, ZnS:M, ZnSe:M, CdS:M, CdSe:M mit M = Ag, Cu, Al, Mn, Ln und in Kombination mit Ln = Lanthaniden (Bsp. ZnS:Mn, Eu). Vorzugsweise sind die Quantenpunkte bis zu 15 Gew.-%, noch mehr bevorzugt zu 0.5 bis 12.05 Gew.-%, am meisten bevorzugt zu 1.0 bis 10.0 Gew.-%, in der Polymerschicht enthalten.
Unter Nanophosphoren werden in vorliegender Anmeldung wiederum anorganische Nanoteilchen verstanden, die aus nicht leitenden oder halb-leitendenden Materialien bestehen und mit Ionen der Seltenen Erden dotiert sind. Vorzugsweise handelt es sich demnach um halbleitende Materialien. Prinzipiell können als Material für die dotierten Nanophosphoren folgende Verbindungen gewählt werden, wobei in der folgenden Schreibweise rechts vom Doppelpunkt ein oder mehrere Dotierelemente und links vom Doppelpunkt das Wirtsmaterial aufgeführt sind. Das Wirtsmaterial kann Verbindungen aus der Gruppe der Phosphate, Silikate, Germanate, Oxide, Sulfide, Oxysulfide, Selenide, Sulfoselenide, Vanadate, Niobate, Arsenate, Tantalate, Wolframate, Molybdate, Halogenate, Nitride, Borate, Aluminate, Gallate, und Halogenide sein. Besonders bevorzugt sind Nanophosphore, die auf Basis von Lanthanphosphat und/oder Yitrium-Vanadiumoxid hergestellt sind. Beispiele sind LiI:Eu; Al₂O₃:Eu; BaFCl:Sm; BaFBr:Eu; BaY₂F₈:Ln (Ln = Pr, Tm, Er, Ce), BaMgAl₁₆O₂₇:Eu; BaMgAl₁₄O₂₃:Eu; BaMgAl₁₀O₁₇:Eu;
BaMgAl₂O₄:Eu, Ce(Mg, Ba)Al₁₁O₁₉; MgAl₁₁O₁₉:Ce; (Mg, Ca)S:Eu; MgWO₄:Sm; CaS:Ln (Ln = Lanthanide); CaWO₄; Sm; CaSO₄:Ln (Ln = Lanthanide); SrS:Ln (Ln = Lanthanide), Sr₂P₂O₇:Eu; SrGa₂S₄:Ln (Ln = Lanthanide); YF₃:Ln (Ln = Lanthanide); Y₂O:Ln (Ln = Lanthanide); Y(P, V)O₄:Eu; YOCl:Yb, Er; LuVO₄:Eu; GdVO₄:Eu; Gd₂O₂S; Tb; GdMgB₅O₁₀:Ce, Tb; LaOBr:Tb; La₂O₂S:Tb; LaF₃:Nd, Ce; BaYb₂F₈:Eu; NaYF₄:Yb, Er; NaGd F₄:Yb, Er; NaLaF₄:Yb, Er; LaF₃:Yb, Er, Tm; BaYF₅:Yb, Er; Ga₂O₃:Dy; GaN:A (A = Pr, Tm, Er, Ce); Gd₃Ga₅O₁₂:Tb; LiLuF₄:A (A = Pr, Tm, Er, Ce);
CaSiO₃:Ln; CaS:Ln; CaO:Ln; ZnS:Ln; MgF₂:Ln mit Ln = Lanthanide
YVO₄:Ln; LnPO₄:Ce, Tb; Y₂O₃:Ln; Y₂O₂S:Ln; Y₂SiO₅:Ln mit Ln = Lanthanide.
Vorzugsweise haben die Nanophosphore einen anorganischen Kern, der von einer organischen Hülle umgeben ist. Darüber hinaus ist bevorzugt, dass Nanophosphore einen anorganischen Kern von vorzugsweise unter 10 nm haben. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Nanophosphore bis zu 15 Gew.-%, noch mehr bevorzugt zu 0.5 bis 12.0 Gew.-%, am meisten bevorzugt zu 1.0 bis 10.0 Gew.-%, in der Polymerschicht enthalten sind.
Es hat sich herausgestellt, dass die vorliegende Erfindung besonders gute Resultate erzielt, wenn die fluoreszierenden Additive (A) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus organischen Fluoreszenzfarbstoffen, Quantenpunkten, Nanophosphoren oder deren Mischungen. Es ist insbesondere bevorzugt, wenn die fluoreszierenden Additive Fluoreszenzfarbstoffe und/oder Quantenpunkte sind.
Handelt es sich bei den Additiven (A) zumindest teilweise um organische Fluoreszenzfarbstoffe so sind diese bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Cumarinen, Oxazinen, Rhodaminen, Perylenen, Naphthylimiden, Naphthyldiimiden, Stilbenen, Styrylen, Pyrromethenen und deren Mischungen. Insbesondere bevorzugt sind für fluoreszierende Additive (A) organische Fluoreszenzfarbstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Naphthylimiden und Naphthyldiimiden, Styrylen, und Stilbenen.
Stellen die fluoreszierenden Additive (A) auch Quantenpunkte dar, so sind diese ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnO, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe.
Besonders geeignet sind ZnO, ZnS, ZnSe und die dotierten Formen ebendieser mit ZnO:M, ZnS:M, ZnSe:M und M = Ag, Cu, Al, Mn, Ln und in Kombinatin mit Ln = Lanthaniden.
Denkbar ist auch, dass die Additive (A) zumindest teilweise Nanophosophore sind. Dabei ist bevorzugt, dass es sich um halbleitende Materialien auf Basis von Lanthanphosphat und/oder Ytrium-Vanadiumoxid handelt, wie zum Beispiel YVO₄:Eu, LaPO₄:Ce, Tb
Die fluoreszierenden Additive (B) sind vorzugsweise organische Fluoreszenzfarbstoffe und/oder Quantenpunkte.
Im Fall, dass zumindest teilweise die fluoreszierenden Additive (B) organische Fluoreszenzfarbstoffe sind, so werden diese bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Rhodaminen, Xanthenen, Oxazinen, Perylenen, Naphthylimiden und Naphthyldiimiden, Stilbenen, Cumarinen, Styrylen, Pyrromethenen und deren Mischungen ausgewählt.
Besonders geeignet sind hier die Rhodamine, Perylene, Oxazine, Xanthene, Cumarine und Pyrromethene.
Für den Fall, dass die fluoreszierenden Additive (B) zumindest teilweise Quantenpunkte sind, so ist bevorzugt, dass die Quantenpunkte halbleitende Materialien sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe. Besonders geeignet sind Kern-Hülle-Quantenpunkte bestehend aus CdS, CdSe, ZnS, ZnSe.
Des Weiteren kann das optische Modul Additive (C) umfassen, wobei es bevorzugt ist, dass diese Additive (C) zumindest teilweise Metalloxide darstellen. Bei diesen Nanopartikel-Metalloxiden handelt es sich weder um Quantenpunkte noch Nanophosphore. Bevorzugte Metalloxide sind Antimon- und/oder Zinn(IV)oxide, wie Indium-Zinnoxid und Antimon dotierte Zinnoxide, wie SbO₂, SnO₂, In₂O₃/SnO₂ und SnO₂:Sb. Bevorzugt sind in der Polymerschicht bis zu 35 Gew.-%, noch mehr bevorzugt 5.0 bis 30.0 Gew.-%, an Metalloxiden vorhanden.
Im Fall, dass die Additive (C) auch fluoreszierende Eigenschaften aufweisen sollen, so ist bevorzugt, dass zumindest teilweise die Additive (C) organische Fluoreszenzfarbstoffe, wie z. B. Cyanine sind.
Als Polymere, in denen die Additive (A) bis (C) verteilt sind, können alle transparenten Polymertypen Verwendung finden. Bevorzugt sind jedoch Polyacrylate, Polyurethane, Polystyrene, Silikon-Polymere, Polyvinylalkohole und -acetate, Polyvinylbutyrate sowie Cellulosederivate, Cycloolefin-Copolymere, Acrylnitril-Copolymere und Polylactide. Besonders bevorzugt sind Polyacrylate, Celluloseester und Celluloseether.
Das Dickeverhältnis von Substrat zur Polymerschicht sollte zumindest 1:10, bevorzugt 1:15, sein.
Die Solarzelle(n) sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monokristallinem Silizium, polykristallinem Silizium, amorphem Silizium, Gallium-Arsenid, Indiumphosphid-Verbindungen, Cadmium-Tellurid, Cadmium- Sulfid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Kupfer-Indium-Sulfid oder Mischverbindungen aus diesen Elementen. Auch können diese Solarzellen halbleitende Polymere und Farbstoffschichten umfassen, die den Anteil der Strahlung, der auf Grund des Fluoreszenzeffektes in der mehrfach dotierten Polymerbeschichtung und der Totalreflexion zu den schmalen Kanten der beschichteten Glas- und Kunststoffsubstrate geleitet wird, in elektrischen Strom wandeln. Dabei werden die Solarzellen so ausgewählt, dass die Maxima ihrer spektralen Empfindlichkeit mit den spektralen Maxima der Fluoreszenzstrahlung weitgehend zusammenfallen.
Wie eingangs erwähnt, ist es bevorzugt, dass die Additive einen mittleren Durchmesser von 200 nm, bevorzugt nicht 100 nm, noch mehr bevorzugt 20 nm nicht überschreiten. Das bedeutet, dass die Additive in der Polymerschicht verteilt, insbesondere homogen verteilt sind und dadurch die Polymerschicht nanoskalige Additive aufweist, die sich nicht in ihren Eigenschaften behindern. Um solch eine Feinverteilung zu erreichen, ist es bevorzugt, die Additive in den Monomeren der Polymerschicht bzw. in den Polymerlösungen zu lösen bzw. zu dispergieren.
Demnach wird das optische Modul, wie oben beschrieben, vorzugsweise hergestellt durch

a) Herstellen einer Lösung (D) durch Lösen der organischen Fluoreszenzfarbstoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen, in den Monomeren der Polymerschicht, und
b) Herstellen einer Dispersion (E) durch Dispergieren der anorganischen Stoffe wie Quantenpunkte, Nanophopshore und Metalloxide, die als Additive (A) bis (C) dienen, in den Monomer(en) der Polymerschicht,
c) Vermengen der Lösung (D) und der Dispersion (E) zu einer Mischung (F),
d) Zugabe eines UV-Initiators zur Mischung (F),
e) Herstellen eines Vorpolymerisats durch Bestrahlung der Mischung (F) mit UV-Licht, bevorzugt bei 360 nm,
f) Aufbringen des Vorpolymerisats auf einen Träger,
g) Durchpolymerisierung des Vorpolymerisats, bevorzugt durch thermische Polymerisation z. B. bei 60 C.

Alternativ können die optischen Module wie folgt hergestellt werden:

a) Herstellen einer Lösung (D) durch Lösen der organischen Fluoreszenzfarbstoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen, in den Monomer(en) der Polymerschicht, und
b) Zugabe eines UV-Initiators zur Lösung (D),
c) Herstellen eines Vorpolymerisats durch Bestrahlung der Lösung (D) mit UV-Licht,
d) Herstellen einer Dispersion (E) durch Dispergieren der anorganischen Stoffe, wie Quantenpunkte, Nanophosphore und Metalloxide, die als Additive (A) bis (C) dienen,
e) Vermengen der Lösung (D) und der Dispersion (E) zu einer Mischung (F),
f) Aufbringen der Mischung (F) auf einen Träger,
g) Durchpolymerisierung des Vorpolymerisats. Vorzugsweise durch thermische Polymerisation, z. B. bei 60 C. Vorzugsweise sind die Monomere destilliert.

Nach Herstellung der Polymerschicht auf dem Substrat werden Solarzellen vorzugsweise an den schmalen Kanten des Substrats angebracht.
Hierbei hat sich u. a. die Technologie als günstig herausgestellt, von zwei, vorzugsweise drei unterschiedlichen Monomeren, wie monomeren Acrylaten, auszugehen, die sowohl für die organischen Fluoreszenzfarbstoffe als auch für die verwendeten anorganischen Stoffe, wie Quantenpunkte, Nanophosphore und Metalloxide, als Lösungsmittel bzw. Dispersionsträger geeignet sind. Die Monomere setzen sich dabei insbesondere aus Methylmethacrylat (MMA), Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) und Laurylmethacrylat (LMA) zusammen. Bevorzugte Bereiche für eine Mischung mit drei Monomeren sind 40 bis 60 Gew.-% Methylmethacrylat, 20 bis 40% Gew.-% Hydroxyethylmethacrylat und 10 bis 30 Gew.-% Laurylmethacrylat. Die organischen Fluoreszenzmoleküle werden vorzugsweise in Methylmethacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Dimethylformamid, Methylethylketon oder Aceton vorgelöst. Die anorganischen Stoffe, wie Quantenpunkte, Nanophosphore und Metalloxide, werden bevorzugt in einem Monomeren-Gemisch aus Methylmethylacrylat, Hydroxylethylmethacrylat und Laurylmethacrylat dispergiert, wobei vorzugsweise die Dispergierung durch Ultraschall durchgeführt wird. Anschließend werden die gelösten organischen Fluoreszenzmoleküle und die dispergierten anorganischen Nanopartikel zur Monomer-Lösung zugesetzt. Durch Zugabe eines UV-Initiators, wie Irgacure 1700 (0,4 Gew.-%) und/oder eines thermischen Initiators, wie 2,2'-Azoisobutyronitril (0,04 Gew.-%), wird diese Mischung mit UV-Strahlung, z. B. bei einer Wellenlänge von 360 nm, oder thermisch bei 60°C polymerisiert.
Statt Laurylmethacrylat kann für das mehrkomponentige Monomerensystem auch Laurylacrylat und Styren verwendet werden.
Im Fall, dass das optische Modul Quantenpunkte als Additive umfasst, so sind die Monomere, insbesondere Methylmethacrylat und Hydroxyethylmethacrylat, zur Trennung von Verunreinigungen unter Vakuum zu destillieren. Anschließend werden die Monomere vorzugsweise unter Stickstoffatmosphäre bei vorzugsweise 95°C unter ständigem starken Rühren vorpolymerisiert. Wenn der Ansatz eine ausreichende Viskosität erreicht hat, wird die Reaktion unterbrochen. Dies kann z. B. durch schnelles Abkühlen in einem Eisbad geschehen. Die Quantenpunkte werden in einem apolaren Monomer, wie Styren, mittels Ultraschall dispergiert. Die Menge an apolarem Monomer beträgt bevorzugt etwa 10 Gew.-% bezogen auf den Anteil an den restlichen Monomeren, insbesondere bezogen auf Methylmethacrylat und Hydroxyethylmethacrylat. Die erhaltene Dispersion wird den vorpolymerisierten Monomeren, wie Methylmethacrylat und Hydroxyethylmethacrylat, unter kräftigem Rühren und Stickstoffatmosphäre zugesetzt. Um eine besonders gute homogene Verteilung der Quantenpunkte zu erreichen, wird die Lösung 5 bis 10 Minuten gerührt, (z. B. mit einem Teflonrührer) und mit einer Ultraschallsonde behandelt. Vorzugsweise wird die Mischung ca. 30 Sekunden der Ultraschallsonde ausgesetzt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass anschließend die Lösung bei etwa 200 mbar entgast wird und durch thermische Polymerisation vorzugsweise bei etwa 60°C auf dem Substrat durchpolymerisiert wird.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Technologie hat den Vorteil, dass optisch transparente und mit einer hohen Quanteneffizienz fluoreszierende, mehrfach dotierte Polymerschichten hergestellt werden können, die keine Streueffekte, aber eine hohe Photostabilität aufweisen und für den Einsatz in multifunktionalen Modulen zur Stromerzeugung und/oder für Beleuchtungszwecke geeignet sind. Besonders durch Anwendung der aufgezeigten Präparationstechnologien ist es möglich, fluoreszierende Polymerschichten herzustellen, die den Ansprüchen für einen Einsatz in den erfindungsgemäßen multifunktionalen Modulen gerecht werden.
Die Beschichtung der Glas- und Kunststoffsubstrate erfolgt vorzugsweise, indem die mehrfach dotierten Monomersysteme nach herkömmlichen Technologien, wie z. B. Sprüh-, Spritz- und Gießtechniken, Spin-coating, u. a., nach einer Vorpolymerisation auf die Substrate aufgebracht werden, Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur ausgetrieben und die Polymerisation bzw. Vernetzung durchgeführt wird. Zur Einstellung der für den Beschichtungsprozess notwendigen Viskosität und Stabilisierung der Lösung bzw. Dispersion wird den Monomeren vorzugsweise ein 1–10%iger Polymeranteil auf Basis von Polyacrylaten, Polycarbonaten etc. – bezogen auf das Monomersystem – hinzugefügt. Anschließend wird dem optischen Modul vorzugsweise an den schmalen Kanten zumindest eine Solarzelle angeordnet, indem diese mit einem UV-härtbaren optischen Spezialkleber aufgeklebt wird.
Zur Herstellung der multifunktionalen optischen Module für den Gartenbau wird beispielsweise von in Ethanol löslichen Polyacrylaten (10% Gew.-%) und den Monomeren MMA (40% Gew.-%), HEMA (30% Gew.-%) und LMA (20% Gew.-%) ausgegangen. Man stellt zunächst eine 10 Gew.-%ige Polyacrylat-Lösung in Ethanol her und geht von den Monomeren als Lösungsmittel aus. Als Additive verwendet man Nanophosphore, z. B. auf Basis von Lanthanphosphat und Yttrium-Vanadiumoxid, sowie Naphthalimide, die das UV-Licht stark absorbieren und im blauen, roten, gelben und grünen Spektralbereich Licht emittieren. Zur Absorption der für den Gartenbau ungewünschten NIR-Strahlung dienen Antimon- und Indium-Zinnoxid-Nanopartikel. Zur Lichtverstärkung im roten Spektralbereich wird die Polymerbeschichtung mit einem roten Perylen-Fluoreszenzfarbstoff Lumogen F RED 300, der UV-Licht und Strahlung im Wellenlängenbereich von 440 bis 550 nm absorbiert und oberhalb 600 nm rotes Licht emittiert, ergänzt. Die mehrfach dotierte Polymerbeschichtung wird vorzugsweise so gestaltet, dass die Gewichtsanteile der UV-absorbierenden Additive und des fluoreszierenden roten Perylenfarbstoffes – bezogen auf die Gewichtsanteile der Polyacrylate bzw. der MMA-, LMA- und HEMA-Monomere – 0,1 bis 10 Gew.-% und die NIR-absorbierenden Antimon-Indium-Zinnoxid-Nanopartikel 10 bis 30 Gew.-% betragen. Die Additive werden in geeigneten Lösungsmitteln, wie z. B. Alkohol, Methylethylketon, Dimethylformamid, Methylenchlorid, den entsprechenden Polyacrylat-Lösungen und MMA- bzw. HEMA- und LMA-Monomeren schrittweise zugegeben und zur nanoskaligen Verteilung der Nanopartikel mit Ultraschall behandelt. Anschließend werden die dotierten Lösungen durch Air-Brush- oder Gießtechniken auf die Glas- oder Kunststoffsubstrate der Dicke von z. B. 5 mm aufgebracht, die Monomere polymerisiert und die Lösungsmittel ausgetrieben. Auf diese Weise entstehen multifunktionale fluoreszierende und absorbierende Polymerbeschichtungen der Dicke von 10 bis 100 μm, die im UV die Strahlung total und im sichtbaren und NIR-Bereich mindestens 50% der Strahlung absorbieren und gleichzeitig starkes blaues, gelbes, rotes und grünes Fluoreszenzlicht erzeugen sowie eine hohe Photostabilität aufweisen.
Zur photovoltaischen Stromerzeugung der auf diese Weise hergestellten mehrfach dotierten Polymerbeschichtungen auf optisch transparenten Substraten werden auf den Kanten abwechselnd Solarzellen aus amorphem und monokristallinem Silizium aufgebracht. Die amorphen Solarzellen haben dabei eine höhere spektrale Stromempfindlichkeit für die zu den Substratkanten geleitete blaue Fluoreszenzstrahlung, während die kristallinen Solarzellen für rotes Licht empfindlicher sind. Mit der Fertigstellung der multifunktionalen Module steht ein großflächiges optisches Bauelement zur Verfügung, das zum einen blaue und rote Strahlung partiell durchlässt, die durch gezielte Anregung der Photosynthese das Wachstum von Pflanzen, Früchten, etc., positiv beeinflusst und gleichzeitig elektrischen Strom für Kleinverbraucher bereitstellt. Die bei den üblich verwendeten fluoreszierenden Gärtnerfolien infolge von Totalreflexion in der Folie verbleibende und damit vernichtete Strahlung wird bei der Erfindung zur Stromerzeugung genutzt. Durch gezielte elektrische Verschaltung der Solarzellen (hintereinander oder parallel) können dem jeweiligen elektrischen Verbraucher angepasste elektrische Ströme bzw. Spannungen angeboten werden. Vorteilhaft ist es dabei, die auf den Substratkanten angeordneten Solarzellen mit geeigneten Akkumulatoren, z. B. mit Lithiumionen- oder Metallhydrid-Akkumulatoren zu kombinieren, damit die photovoltaisch erzeugte Energie auch in strahlungsarmen Zeiten zur Verfügung steht. Die erfindungsgemäß erzeugte Energie kann im Gartenbau, z. B. zur autonomen Versorgung von Sensorsystemen/Notbeleuchtungen oder auch für Niederspannungsheizungen zur Verhinderung von Wasserdampf-Beschlag an Gewächshausverglasungen, Anwendung finden. In der Gewächshaus-Technik haben die erfindungsgemäßen multifunktionalen Module darüber hinaus den Vorteil, dass sie auf Grund der starken UV- und Infrarotabsorption der auf den Modulen befindlichen Beschichtungen die Pflanzen vor schädigendem UV-Licht schützen und eine unnötige Erwärmung in den Gewächshäusern vermeiden. Die durch den Fluoreszenzeffekt bewirkte spektrale Lichtkonversion von UV- in den sichtbaren Spektralbereich hat den weiteren Vorteil, dass ungewünschte UV-Strahlung in für das Pflanzenwachstum und für die Stromerzeugung nutzbare Strahlung gewandelt wird.
Bei der Verglasung von Gebäuden und/oder Verkehrsmitteln, z. B. Eisenbahnzügen, wird die Erfindung angewendet, indem die Polymerbeschichtungen durch gezielte Einstellung der Konzentration der Additive im sichtbaren Spektralbereich auf eine Transparenz von ca. 60 bis 70%, im UV- auf totale Absorption und im NIR-Bereich auf ca. 50% Absorption eingestellt werden. Auf diese Weise werden ca. 50 bis 60% der direkten und diffusen Strahlung für Beleuchtungszwecke und ca. 40 bis 50% durch das physikalische Prinzip der Fluoreszenz in längerwelliges Licht gewandelt und zu den auf den Substratkanten befindlichen Solarzellen geleitet, wo dort elektrische Energie erzeugt wird. Durch Dotierung der Polymerschichten mit mehreren unterschiedlichen Additiven wie Fluoreszenzfarbstoffen, Nanophosphoren und Indium- sowie Antimon-Zinnoxid-Nanopartikeln in unterschiedlichen Konzentrationen bezogen auf den Polymeranteil (z. B. 1.0 Gew.-%) Naphthalimid, 0.5 Gew.-% Pyrromethen 580 und 0.2 Gew.-% Perylen (Lumogen F RED 300), 5.0 Gew.-% Nanophosphore, 20 Gew.-% Antimon- und Indium-Zinnoxid) stellt man eine Polymerbeschichtung her, die semitransparent ist und stark fluoresziert. Bei großflächigen Anwendungen (Modulgröße größer als 1 m²) werden als Matrixmaterialien auf Grund ihrer guten Lichtleitungseigenschaften und Kompatibilität mit den Nanopartikeln und Fluoreszenzmolekülen bevorzugt Cellosederivate, wie z. B. Cellulosetriacetat, eingesetzt. Bei der Dotierung wird von 3 Gew.-%igen Cellulosetriacetat-Lösung in Dichlormethan/Acetessigsäureester (in einem Verhältnis von 95:5) ausgegangen, wobei das Kompositgemisch 15 Minuten mit einer Ultraschallsonotrode behandelt wird. Das Lösungsmittelgemisch ist erforderlich, um ebenmäßige Schichten zu erhalten. Anschließend wird die mehrfach dotierte Polymerbeschichtung auf ein Glassubstrat aufgebracht und getrocknet. Auf den Kanten des Substrates sind vorher Silizium-Solarzellen mit einem optischen Kleber aufgeklebt worden. Es entsteht damit eine getönte Scheibe, die eine für Beleuchtungszwecke genügend hohe Transparenz für sichtbares Licht hat und gleichzeitig photovoltaisch Strom erzeugt. In Verbindung mit an oder im Fensterrahmen angeordneten Akkumulatoren und geeigneten elektrischen Anschlüssen steht eine autonome, ohne elektrische Zuleitungen auskommende Strom- bzw. Spannungsquelle zur Verfügung, die z. B. zum Laden von Handys, zum Betrieb von Notebooks oder zum Betrieb weiterer elektrischer Kleingeräte (z. B. elektrische Zahnbürsten, etc.) geeignet ist. Die benötigten Ströme bzw. Spannungen für die Kleingeräte können über eine vorgegebene elektrische Verschaltung der Solarzellen definiert eingestellt werden.
In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung werden die erfindungsgemäßen optischen Module einer elektrochromen Zelle optisch vorgeschaltet und elektrisch miteinander verbunden. Damit ist es möglich, ein selbststeuerndes optisches Lichtfiltersystem für Beleuchtungs- und Display-Zwecke zu schaffen. Dabei ist es wichtig, die fluoreszierenden Beschichtungen der optischen Module so zu dotieren, dass sie im sichtbaren Spektralbereich 70 bis 80% der Strahlung durchlassen. Damit wird gewährleistet, dass das aus dem optischen Modul und der elektrochromen Zelle bestehende Lichtfilter-System im ungeschalteten Zustand genügend Licht durchlässt.
Bei kleiner Strahlungsintensität wird das durch das erfindungsgemäße optische Modul durchgelassene Licht auch von der elektrochromen Zelle durchgelassen und dient z. B. zur Beleuchtung eines Raumes. Erhöht sich die Strahlungsintensität, indem z. B. die Solarstrahlung stark zunimmt, dann tritt an den Solarzellen der erfindungsgemäßen optischen Module je nach elektrischer Beschaltung eine Erhöhung der photovoltaisch erzeugten Ströme bzw. Spannungen auf, die an der elektrochromen Zelle eine Abnahme der Lichtdurchlässigkeit hervorruft. Geht die Strahlungsintensität wieder zurück, nehmen Strom und Spannung an den Solarzellen wieder ab, und die elektrochrome Zelle wird wieder für Licht durchlässiger. Damit ist es möglich, ohne äußere Spannungsversorgung ein selbstregulierendes Lichtfiltersystem für intelligente Verglasungen für Fahrzeuge, Gebäude und Displays zu realisieren. Diese Lichtfiltersysteme können durch spezielle Auswahl der fluoreszierenden Beschichtungen auf den optischen Modulen so hergestellt werden, dass sie mit Vorteil für ihre Anwendungen spektral ansprechen. Nehmen z. B. der UV- und der blaue Anteil der einfallenden Strahlung stark zu, dann kommt es zu einer Fluoreszenzverstärkung, die über die Strom- und Spannungszunahme an den Solarzellen eine Ansteuerung der elektrochromen Zelle bewirkt.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Beispiele genauer beschrieben.
BEISPIELE
Beispiel 1
Zur Herstellung eines optischen Moduls mit Stromversorgungsfunktionen und für Beleuchtungszwecke wird von anorganischem Fensterglas ausgegangen. Auf das Glassubstrat mit den Abmessungen von 60 cm × 40 cm Flächenmaß und der Dicke von 4 mm wird die dotierte Polymerbeschichtung aufgebracht. Zur Dotierung werden zunächst die fluoreszierenden und absorbierenden Materialien Naphthaldiimid Lumogen F VIOLET 570(1.0 Gew.-%), Perylen-Gelb (Lumogen F YELLOW 083) (0.5 Gew.-%), Perylen-Rot Lumogen F RED 300 (0.1 Gew.-%), CdSe/ZnS-Core-Shell-Nanopartikel gekappt mit Hexadecylamin (2.0 Gew.-%), sowie Indium-Zinnoxid-Nanopartikel gekappt mit Octadecylamin ((90% In₂O₃, 10% SnO₂) 10 Gew.-%) ausgewählt und mit dem Photoinitiator Irgacure 1700 (0.04 Gew.-%) und thermischen Initiator Azobisisobutyronitril (AIBN) (0.4 Gew.-%) in den frisch destillierten Monomeren MMA, HEMA, LMA sowie Methylenchlorid via Ultraschall aufgelöst. Die Konzentrationen der Additive beziehen sich auf den Gewichtsanteil der Monomere MMA, HEMA und LMA, die mit einem Massenverhältnis von 5:3:2 eingesetzt werden. Nach anschließendem Entgasen und Austreiben des Methylenchlorids bei 200 mbar für 1 Stunde bei Raumtemperatur wird die Reaktionslösung unter starker Rühren mit einem KPG-Rührer bei 60°C für 15 min polymerisiert, bis sich ein leichtviskoses Präpolymerisat gebildet hat. Dieses wird im darauffolgendem Beschichtungsschritt in eine Air-Brush-Pistole gefüllt und mit Stickstoff auf das auf 50°C beheizte Glassubstrat gesprüht. Die Beschichtung auf der Glasplatte wird anschließend unter UV-A-Bestrahlung (360 nm) für 3 Stunden durchpolymerisiert und in einem Temperschritt 8 Stunden bei 60°C ausgehärtet. Auf diese Weise entstehen stark fluoreszierende, bräunlich getönte Beschichtungen, die UV-Licht vollständig, sichtbares Licht zu 40% und NIR-Strahlung zu 50% absorbieren. Das in den Beschichtungen entstehende Fluoreszenzlicht koppelt in die optisch transparenten Substrate ein und wird dort zu ihren Kanten geleitet, auf denen Solarzellen aus polykristallinem Silizium mit einem optisch transparenten Kleber aufgeklebt sind. Die Solarzellen haben eine Breite von 4 mm und eine Länge von 50 mm und liefern einzeln je nach Intensität der Solarstrahlung Ströme im Bereich von 40 bis 60 mA bei Spannungen von 400 bis 600 mV. Insgesamt werden 40 Solarzellen auf den Kanten angeordnet, die je nach Strom- und Spannungsbedarf, teils parallel, teils in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise steht ein Strom- bzw. Niedervolt-Generator zur Verfügung, mit dem Handys, Notebooks, elektrische Zahnbürsten, Haartrimmer, etc., elektrisch versorgt werden können. Günstigerweise wird das stromerzeugende Substrat mit geeigneten Akkumulatoren kombiniert. Neben der Energieversorgung lässt das beschichtete Substrat ausreichend sichtbares Licht für Beleuchtungszwecke durch und absorbiert stark Infrarot-Licht im NIR-Bereich und verhindert damit unerwünschte Erwärmungen in Räumen, die von den multifunktional beschichteten Substraten umgeben sind. Die auf diese Weise hergestellten Module werden in Fenstern und Türen sowie Fassaden von Gebäuden, in Verkehrsmitteln (Bahn, Bus, Automobilen, etc.) integriert und angewendet.
Beispiel 2
Bei der Verwendung von fluoreszierenden Nanophosphoren, Quantum-Dots sowie absorbierenden Indium- bzw. Antimon-Zinnoxid-Nanopartikeln für multifunktionale Beschichtungen eignen sich zur Schichtherstellung Nano-Dispersionen auf Basis von Silizium- und Titandioxiden als Beschichtungsmatrix. Dabei werden die Nanophosphore YVO₄:Eu; LaPO₄:Ce, Tb; gekappt mit Trioctylphosphanoxid, Core-Shell-Quantum-Dots (CdSe/ZnS gekappt mit Oleylamin) und Indium- bzw. Antimon-Zinnoxid-Nanopartikel (SnO₂:Sb, In₂O₃/SnO₂ gekappt mit Tris(2-ethylhexyl)phosphan in Ethanol mit Ultraschall 30 min dispergiert und zusammen mit den fertigen alkoholischen Silizium- und Titandioxid-Solen zu Dispersionen verarbeitet und über Sol-Gel-Verfahren mit anschließender thermischer Aushärtung zwischen 100 und 250°C multifunktionale Beschichtungen auf den Glassubstraten hergestellt. Auf diese Weise entstehen multifunktionale Systeme sowohl mit stromerzeugenden als auch Beleuchtungsfunktionen.
Beispiel 3
Bei der elektrischen Versorgung von Hörbrillen werden fluoreszierende Beschichtungen auf Brillengläser (Dicke 2 bis 3 mm) aufgebracht, die vorzugsweise UV- und kurzwelliges sichtbares Licht absorbieren und stark fluoreszieren. Als Fluoreszenzstoffe eignen sich hierzu u. a. Naphthaldiimide und Pyrromethene, mit Konzentrationen zwischen 0,1 und 1 Gew.-%, bezogen auf die Polymermatrix. Mit Naphthaldiimiden erhält man transparente, mit Pyrromethenen orange getönte Brillengläser. Als Polymermatrix wird Cellulosetriacetat verwendet. Hierbei wird die gewünschte Menge an Farbstoff in Dichlormethan gelöst und mit einer Cellulosetriacetat-Lösung (2.5 Gew.-% in 90 Gew.-% Dichlormethan und 10 Gew.-% Methanol) vermischt. Nach Auftragen der Farbstoff-Polymer-Lösung via Air-Brush-Verfahren und Trocknung bei Raumtemperatur für 24 Stunden und anschließendem Tempern bei 50°C für 2 Stunden erhält man beschichtete, an den Kanten stark fluoreszierende Brillengläser. Die Schichtdicke liegt je nach Sprühdauer zwischen 10 und 100 μm. Auf diese Weise entstehen leicht getönte Brillengläser, die mit bis zu 70% Transmission noch genügend Licht durchlassen. Auf die Kanten der Brillengläser werden Solarzellen-Chips aus Galliumarsenid und Indiumphosphid mit einem Wirkungsgrad von 40% und in den Abmessungen von 2 × 2 mm² unter Verwendung eines optischen Klebers aufgeklebt. Die durch die Solarzellen erzeugte Leistung von ca. 1 bis 5 mW wird geeigneten Miniatur-Akkumulatoren zugeleitet und dient damit der elektrischen Versorgung der elektrischen Bauelemente der Hörbrille oder auch für Heizzwecke zur Vermeidung von Wasserdampfbeschlag an den Brillengläsern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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- DE 3832803 A1 [0003]
- EP 1659347 A2 [0005, 0006, 0007]
- US 4262206 [0008, 0008]
- US 5377037 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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- F. Kaufmann, B. Baranow, R. Bochow, „Lumineszenzfolien zur Ernteverfrühung bei Kopfsalat”, Gemüse 27 (1991), 96–98 [0009]
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- Y. et A. Zarka, „New PVC-fluorescent film for cladding greenhouses the results from three years trials”, Plasticulture „n” 85 (1990/1) 6–16 [0009]
- T. A. O. Dougher, B. Bugbee, „Differences In The Response Of Wheat, Soybean And Lettuce To Reduced Blue Radiation”, Photochemistry and Photobiology 73 (2001), 199–207 [0009]

Claims

Optisches Modul, umfassend ein Substrat und eine auf dem Substrat aufgebrachte Polymerschicht, wobei Substrat und Polymerschicht im Spektralbereich von 250 bis 700 nm transparent sind und in der Polymerschicht (a) fluoreszierende Additive (A), die zumindest im Spektralbereich von 250 bis 400 nm (UV-Bereich) absorbieren (b) fluoreszierende Additive (B), die zumindest im Spektralbereich von 400 bis 700 nm (sichtbarer-Bereich) absorbieren, und (c) Additive (C), die zumindest im Spektralbereich von 700 bis 2000 nm (NIR-Bereich) absorbieren, verteilt sind und alle Additive einen mittleren Durchmesser von 200 nm nicht überschreiten.
Optisches Modul nach Anspruch 1, worin das optische Modul (a) Strahlung im Spektralbereich von 250 bis 400 nm zu mindestens 90% und/oder (b) Strahlung im Spektralbereich von 400 bis 700 nm zu mindestens 30 bis 80% und/oder (c) Strahlung im Spektralbereich von 700 bis 2000 nm zu mindestens 40% absorbiert.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, worin die fluoreszierenden Additive (A) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus organischen Fluoreszenzfarbstoffen, Quantenpunkten, Nanophosphoren und deren Mischungen.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, worin die fluoreszierenden Additive (B) organische Fluoreszenzfarbstoffe und/oder Quantenpunkte sind.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, worin die Additive (C) organische Fluoreszenzfarbstoffe und/oder Metalloxide sind.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, worin die organischen Fluoreszenzfarbstoffe ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Cyaninen, Cumarinen, Oxazinen, Rhodaminen, Perylenen, Naphthalimiden, Naphthaldiimiden, Stilbenen, Styrylen, Pyrromethenen und deren Mischungen.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, worin die Quantenpunkte halbleitende Materialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe ZnS, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, worin die Nanophosphore halbleitende oder nicht-leitende Materialien auf Basis von zumindest einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphaten, Silikaten, Germanaten, Oxiden, Sulfiden, Oxysulfiden, Seleniden, Sulfoseleniden, Vanadaten, Niobaten, Arsenaten, Tantalaten, Wolframaten, Molybdaten, Halogenaten, Nitriden, Boraten, Aluminaten, Gallaten, und Halogeniden.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, worin die Quantenpunkte und/oder die Nanophosphore mittels organischer Schichten gekappt sind.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, worin fluoreszierende Additive (A) zumindest teilweise organische Fluoreszenzfarbstoffe sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Oxazinen, Rhodaminen, Perylenen, Naphthalimiden, Naphthaldiimiden, Stilbenen, Cumarinen, Styrylen, Pyrromethenen und deren Mischungen.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, worin die fluoreszierende Additive (B) zumindest teilweise organische Fluoreszenzfarbstoffe sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Oxazinen, Rhodaminen, Perylenen, Naphthalimiden, Naphthaldiimiden, Stilbenen, Cumarinen, Styrylen, Pyrromethenen und deren Mischungen.
Optisches Modul nach einen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, worin die Additive (C) zumindest teilweise Cyanine sind.
Optisches Modul nach einen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, worin die fluoreszierenden Additive (A) zumindest teilweise Quantenpunkte auf Basis halbleitender Materialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnO:Ag, ZnO:Cu, ZnO:Al, ZnO:Mn, ZnO:Cu, ZnS:Ag, ZnS:Cu, ZnS:Al, ZnS:Mn, ZnS:Cu, ZnSe:Ag; ZnSe:Cu, ZnSe:Al, ZnSe:Mn, ZnSe:Cu, CdS:Ag, Cds:Cu, CdS:Al, Cds:Mn, CdS:Cu, CdSe:Ag, CdSe:Cu, CdSe:Al, CdSe:Mn und CdSe:Cu.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, worin die fluoreszierenden Additive (B) zumindest teilweise Quantenpunkte auf Basis halbleitender Materialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe und HgTe.
Optisches Modul nach einen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, worin die fluoreszierenden Additive (A) zumindest teilweise Nanophosphore sind, worin die Nanosphosphore halbleitende oder nichtleitende Materialien auf Basis von zumindest einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphaten, Silikaten, Germanaten, Oxiden, Sulfiden, Oxysulfiden, Seleniden, Sulfoseleniden, Vanadaten, Niobaten, Arsenaten, Tantalaten, Wolframaten, Molybdaten, Halogenaten, Nitriden, Boraten, Aluminaten, Gallaten, und Halogeniden.
Optisches Modul nach einen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, worin die Additive (C) zumindest teilweise Metalloxide sind, worin die Metalloxide Antimon- und/oder Zinnoxide sind.
Optisches Modul nach einen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, worin das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylaten, Polyurethanen, Polystyrenen, Silikonpolymeren, Polyvinylalkoholen, Polyvinylacetaten, Polyvinylbutyraten, Cellulosederivaten, Cycloolefin-Copolymeren, Acrylnitril-Copolymeren und Polylactiden.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, worin das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend Polyacrylaten, Celluloseestern und Celluloseethern.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, worin das Dickeverhältnis von Substrat:Polymerschicht zumindest 1:10 ist.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, worin das Modul zusätzlich zumindest eine Solarzelle aufweist, die die Fluoreszenzstrahlung der Additive in elektrischen Strom wandelt.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Moduls nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfassend die Schritte (a) Herstellen einer Lösung (D) durch Lösen der organischen Stoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen, in dem (den) Monomer(en) der Polymerschicht und (b) Herstellen einer Dispersion (E) durch Dispergieren der anorganischen Stoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen, in dem (den) Monomer(en) der Polymerschicht (c) Vermengen der Lösung (D) und der Dispersion (E) zu einer Mischung (F) (d) Zugabe eines UV-Initiators zur Mischung (F) (e) Herstellen eines Vorpolymerisats durch Bestrahlung der Mischung (F) mit UV-Licht (f) Aufbringen des Vorpolymerisats auf einen Träger (g) Durchpolymersierung des Vorpolymerisats.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Moduls nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfassend die Schritte (a) Herstellen einer Lösung (D) durch Lösen der organischen Stoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen, in dem (den) Monomer(en) der Polymerschicht und (b) Zugabe eines UV-Initiators zur Lösung (D) (c) Herstellen eines Vorpolymerisats durch Bestrahlung der Lösung (D) mit UV-Licht (d) Herstellen einer Dispersion (E) durch Dispergieren der anorganischen Stoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen (e) Vermengen der Lösung (D) und der Dispersion (E) zu einer Mischung (F) (f) Aufbringen der Mischung (F) auf einen Träger (g) Durchpolymersierung des Vorpolymerisats.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Moduls nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfassend die Schritte (a) Herstellen einer Lösung (D) durch Lösen der organischen Stoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen, in der (den) Polymerlösung(en) (b) Herstellen einer Dispersion (E) durch Dispergieren der anorganischen Stoffe, die als Additive (A) bis (C) dienen, in der (den) Polymerlösung(en) (c) Vermengen der Lösung (D) und der Dispersion (E) zu einer Mischung (F) (d) Aufbringen der Polymer-Additiv-Lösung/Dispersion auf einen Träger (e) Austreibung der Lösungsmittel und Trocknung der Polymerschicht.
Verfahren nach einen der Ansprüche 21 bis 23, worin das (die) Monomer(e) destilliert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24 umfassend den zusätzlichen Schritt, dass die Solarzelle(n) angebracht werden.
Verwendung eines Moduls nach einen der Ansprüche 1 bis 20 zum Erzeugen vom elektrischen Strom.
Verwendung nach Anspruch 26, worin das Modul zusätzlich zum Schutz vor UV und Infrarotstrahlung eingesetzt wird.