DE102011100745A1

DE102011100745A1 - Optisch teiltransparente Fluoreszenz-Solarkollektoren

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Publication number: DE102011100745A1
Application number: DE201110100745
Authority: DE
Inventors: Heinz Langhals; Volker Josel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Es wird ein System zur Gewinnung von Solarenergie mit Hilfe des Fluoreszenz-Solarkollektors beschrieben, bei dem im sichtbaren Bereich teilweise oder weitgehende Transparenz vorliegt.

Description

Stand der Technik
Die Gewinnung von Solarenergie erlangt ein zunehmendes Interesse in der Technik, insbesondere wegen der klimatischen Auswirkungen der Nutzung fossiler Energieträger und die Problematik durch die Strahlenbelastung bei der Nutzung von Kernenergie. In großem Maße werden heute Solarzellen aus mono- und polykristallinen Silicium eingesetzt, die viele Anforderungen bereits erfüllen. Diese Materialien sind praktisch undurchsichtig und können dort problemlos eingesetzt werden, wo Transparenz unerheblich ist, wie z. B. auf Hausdächern. Im Bereich von Fenstern ist eine solche mangelnde Transparenz nicht tolerabel. Besonders gravierend wird dies etwa bei Automobil-Dächern. Diese sind wegen ihrer Größe einerseits als Kollektorfläche interessant, andererseits bringt eine transparente oder teiltransparente Dachfläche bei Autos einen besonderen Fahrkomfort, so dass das Platzieren von undurchsichtigen Solarzellen dort eine Einschränkung darstellt. Ein transparentes oder teiltransparentes Autodach, das die Gewinnung von Solarenergie ermöglicht, brächte einen erheblichen Fortschritt.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein optisch vollständig oder teiltransparentes System zu entwickeln, mit dem Solarenergie gewonnen werden kann, Hierbei kommt einer möglichst ungehinderten Durchsichtigkeit im Sinne einer Transparenz mit der optischen Qualität, etwa die von Fensterscheiben, eine besondere Bedeutung zu.
Beschreibung
Eine Transparenz mit der optischen Qualität von Glasscheiben ist nur schwierig mit konventionellen Si-Solarkollektoren zu erreichen, weil dem neben der Intransparenz des Siliciums auch die für die Stromableitung notwendige Oberflächen-Kontaktierung entgegenwirkt; die Gap-Energie des kristallinen Siliciums liegt bei 1.12 eV und entspricht einer Wellenlänge von 1109 nm; man kann einen konstruktionsbedingten Konversionswirkungsgrad von eingestrahltem Licht zu elektrischer Energie von ca. 65% bei dieser Wellenlänge annehmen. 85% des Sonnenlichts (AM1-Spektrum [1]) ist kürzerwellig und damit energiereicher als der Gap-Energie des Si entspricht und kann daher umgewandelt werden. Berücksichtigt man dabei, dass jedes Lichtquant, egal, wie kurzwellig und damit energiereich es ist, maximal ein Ladungsträgerpaar erzeugen kann, dann resultiert ein maximaler technischer Wirkungsgrad von ca. 33% für intransparentes Material. Amorphes Silicium als kostengünstige Alternative zum kristallinen Silicium führt wegen seiner höheren Gap-Energie von 1.75 eV (710 nm) zu einem niedrigeren Wirkungsgrad, weil das langwellige Sonnenlicht weniger gut genutzt werden kann. (Die höhere Gap-Energie kann allerdings bei Verwendung von Fluoreszenz-Solarkollektoren, s. u., bei Kombinationen nützlich sein.)
Als Alternative zu einer Flächenbelegung mit Photovoltaik-Solarzellen kann das Licht mit dem Fluoreszenz-Solarkollektor [2] zunächst gesammelt und dann konzentriert Solarzellen zugeführt werden, die dann nur verhältnismäßig kleine Flächen in Anspruch zu nehmen brauchen. Hier erfolgt damit die Flächenbelegung kostengünstig mit transparentem, hoch lichtbrechendem Polymermaterial. Beispiele für solche Materialien sind PMMA (Plexiglas) oder Polycarbonat. Das letztere ist insbesondere wegen seines etwas höheren Brechungsindex interessant. Es können hier auch Materialien eingesetzt werden, die aus Kieselsäureestern oder Silikonestern durch Hydrolyse erhalten werden oder grundsätzlich auch Silikatglas.
Der Fluoreszenz-Solarkollektor besteht aus einer planparallelen Platte aus hoch lichtbrechendem Material, das homogen mit Fluoreszenzfarbstoffen eingefärbt ist; siehe 1. Licht kann aus allen Raumrichtungen unter Brechung in die Platte eindringen, wird von dem dort gelösten Farbstoff absorbiert und dann räumlich isotrop als Fluoreszenzlicht wieder abgestrahlt. Von dem Fluoreszenzlicht kann jedoch nur der kleine Anteil die Platte wieder verlassen, der steil jenseits des Grenzwinkels der Totalreflexion auf die Plattenoberfläche trifft. Der Hauptteil des Fluoreszenzlichts trifft flach auf die Oberfläche; wird durch Totalreflexion wieder zurückgeworfen, wandert derartig geführt durch das Plattenmaterial und kann dieses erst an der Kantenfläche wieder verlassen; dort kann es z. B. über eine angepasste Halbleiter-Photovoltaik-Zelle in elektrische Energie umgewandelt werden, die zweckmäßigerweise, aber nicht notwendigerweise, optisch an das Kollektormaterial angekoppelt wird. Da die Kantenfläche verhältnismäßig klein ist, resultiert ein Konzentrationseffekt für das Sonnenlicht vor seiner Konversion in elektrische Energie. Der besondere Vorteil des Fluoreszenz-Solarkollektors liegt in der Möglichkeit, auch diffuses Licht sammeln zu können und bietet hierin Vorteile gegenüber Spiegeln und Linsen, die mit ihrer geometrischen Optik nur gerichtete Strahlung konzentrieren können. Der Anteil von diffuser Lichtstrahlung ist insbesondere in den gemäßigten Breiten erheblich und macht die Verwendung des Fluoreszenz-Solarkollektors besonders dort interessant. Setzt man z. B. Polycarbonat als transparentes Trägermaterial ein, so kann man mit einem optischen Wirkungsgrad des Kollektors von 77% rechnen; siehe 2. Hierbei gehen ca. weitere 15% durch die erforderlichen hohen Stokes-Shift verloren, da möglichst wenig Fluoreszenzlicht von dem verwendeten Fluoreszenzfarbstoff reabsorbiert werden darf.
Ein weiterer Vorteil des Fluoreszenz-Solarkollektors besteht in der Möglichkeit, einen Plattenstapel zu verwenden und etwa mit der ersten Platte einen bestimmten Wellenlängenbereich des Sonnenlichts und mit der nächsten Platte den nächsten Spektralbereich zu absorbieren u. s. w..... Man kann damit diverse Bereiche nach Wellenlängen sortiert und seinem Energieinhalt angepasst nutzen. Dies hat Vorteile gegenüber der Nutzung mit einem einzelnen Halbleiter wie kristallines Silicium, denn die Lage dessen Gap-Energie stellt immer einen Kompromiss dar. Licht, dessen Wellenlänge größer ist als der Gap-Energie entspricht, kann von einer Halbleiter-Solarzelle nicht genutzt werden. Eine optimale Nutzung ist genau bei der Gap-Energie möglich, während bei kurwelligen, energiereichen Lichtquanten bezogen auf die Zahl der Quanten keine bessere elektrischen Ausbeute erzielt werden kann, als bei langwelligem und damit energieärmerem Licht, da jedes Lichtquant unabhängig einer etwaigen Überschussenergie maximal ein Lagerträgerpaar erzeugen kann. Ein guter Kompromiss kann mit monokristallinem Silicium erreicht werden, dessen Gap-Energie in Bezug auf das gesamte Sonnenlichtspektrum günstig liegt, während bei den kostengünstigeren Zellen aus amorphem Material wegen dessen höher liegender Gap-Energie die Nutzung des Sonnenlichts prinzipiell weniger effizient ist. Man hat versucht, die Problematik mit der Gap-Energie mit Tandemzellen abzumildern, deren Technologie allerdings ausgesprochen kompliziert ist. Demgegenüber können solche Probleme mit Hilfe von Plattenstapeln an Fluoreszenz-Solarkollektoren gelöst werden, indem jede Platte eines solchen Stapels jeweils einen bestimmten Bereich des Sonnenlichts absorbiert und dann als Fluoreszenzlicht auf die Kantenfläche konzentriert, an der er mit Hilfe von Solarzellen mit angepasster Gap-Energie effizient in elektrische Energie konvertiert werden kann. Wegen der jeweils auf den Lichtwellenlängenbereich abgestimmten Gap-Energie mit angepassten Solarzellen kann insgesamt grundsätzlich ein höherer Wirkungsgrad zu erzielt werden.
Setzt man einen Stapel von zwei Platten ein, dann kann man durch die Kombination von kristallinen und amorphen Silicium-Solarzellen bei einem sichtbar lichtintransparenten Plattensystem einen Wirkungsgrad von 31% bei ausgesprochen kostengünstigem Material für die Flächendeckung erreichen.
Von der Sonnenstrahlung liegt ein erheblicher Teil außerhalb des sichtbaren Bereichs; siehe 3 (AM1-Solarstrahlung und Empfindlichkeitscharakteristik des menschlichen Auges). Wenn man für den optischen Bereich transparente Kollektoren einsetzt, dann bleibt immer noch ein erheblicher Teil für die Nutzung mit Hilfe der Photovoltaik zur Verfügung.
Ist als Beispiel der Plattenstapel im UV- und NIR-Bereich intransparent aber im sichtbaren Bereich, also von ca. 400 bis 700 nm, zu 50% transparent und farblos, dann können bei der Kombination von Solarzellen aus kristallinem und amorphem Silicium noch 20% der Solarstrahlung als elektrische Energie genutzt werden; bei einer vereinfachten Anordnung mit nur kristallinen Si-Solarzellen sind dann immerhin noch 16% nutzbar.
Verlangt man bei dieser einfachen Anordnung völlige optische Transparenz im sichtbaren Bereich (ca. 400 bis 700 nm), also einen farblosen, komplett durchsichtigen Plattenstapel, kann man schließlich allein mit UV- und NIR-Licht und nur kristallinen Si-Solarzellen noch einen Wirkungsgrad von 11% erzielen.
Eine solche Anordnung hätte den Vorteil zum einen gegen UV-Strahlung zu schützen und zum anderen gegen IR-Strahlung und verhindert damit beispielsweise ein Aufheizen von z. B. Automobilen oder Gebäuden.
Eine partielle Lichtabsorption im sichtbaren Bereich kann zu einer Farbigkeit führen. Eine Farbtonkorrektur bei partieller Transparenz lässt sich unter Berücksichtigung der Empfindlichkeitscharakteristik des menschlichen Auges und der Normfarbwerttafel nach 4 erreichen. Eine kurzwellige und langwellige Absorption im sichtbaren Bereich ist so auszutarieren, dass die Farbkoordinaten des Unbuntpunkts resultieren oder eine erwünschte Farbtönung erzielt wird.
Bei einer derartigen Nutzung unter Verwendung von kristallinen Si-Solarzellen verbleibt noch der längerwellige IR-Anteil der Sonnenstrahlung, der 15% der Gesamtstahlung ausmacht. Dessen Nutzung kann noch ca. 6% elektrische Energie liefern. Zwar ist der Aufwand für eine solche Nutzung im Verhältnis zum kurzwelligen Bereich hoch, der langwelligen Bereichs kann aber dann von Interesse sein, wenn gegen Wärmestrahlung abgeschirmt werden soll, da dann der langwellige Bereich von den Kollektoren nicht mehr ungehindert durchgelassen wird. Diese Strahlung wird überwiegend als Fluoreszenzlicht auf die Kantenfläche konzentriert und kann von Halbleitern mit niedriger GAP-Energie, wie z. B. Germanium (0.67 eV entsprechend 1900 nm) für die Photovoltaik genutzt werden. Unter Vermeidung eines solchen Aufwands ist aber auch eine passive Lichtabsorption und Ableitung der dort entstandenen Wärme unter Verwendung von Lichtabsorbern in diesem Wellenlängenbereich von Interesse, die zu einem Kühleffekt führt, ohne hiermit die Transparenz des Kollektors im optischen Bereich zu beeinträchtigen.
Für die diversen Varianten von im sichtbaren Bereich transparenten Kollektoren werden Fluoreszenzfarbstoffe mit angepassten optischen Eigenschaften benötigt. Da die Fluoreszenzfarbstoffe intensiver Sonnenstrahlung ausgesetzt werden, sind besondere Anforderungen an deren Photostabilität zu stellen. Perylenderivate 1 sind hier besonders aussichtreiche Kandidaten, da sie zu den lichtesten Fluoreszenzfarbstoffen überhaupt gehören [3]. Die inhärente Schwerlöslichkeit der Perylentetracarbonsäurebisimide (1) stellt bei der Anwendung in Fluoreszenz-Solarkollektoren ein besonderes Hindernis dar, da hier eine Anwendung von Pigmenten problematisch ist, die als Feststoffe grundsätzlich Streuzentren für Licht darstellen. Solche Streuzentren führen zu massiven Verlusten des geführten Fluoreszenzlichts im Kollektormaterial.
Die Schwerlöslichkeit der Farbstoffe kann durch das Einführen von löslichkeitssteigernden Gruppen überwunden werden, für deren Verknüpfung sich die Stickstoffatome der Perylenbisimide eignen; herbei haben sich langkettig sec-Alkylgruppen wie in 1a besonders bewährt. Eine Alternative sind Arylgruppen, die mit tert-Butylgruppen substituiert sind, oder auch mit Isopropylgruppen. Bei den letzteren gibt es allerdings Wasserstoffatome in tertiärer Benzylposition, die grundsätzlich Angriffspunkte für freie Radikale darstellen (vgl den technischen Hock-Prozess, der von Isopropylbenzol ausgeht).
Die Lichtabsorption der für den Fluoreszenz-Solarkollektor eingesetzten Chromophore, insbesondere der Perylenchromophore ist den Erfordernissen entsprechend an diverse Spektralbereiche anzupassen. Hier sind vier Wege besonders aussichtsreich 1. Man kann die Lichtabsorption durch Substituenten, speziell Donorsubstituenten, in den Positionen 1, 6, 7 und 12 steuern. Hier konnte eine Verschiebung der Lichtabsorption und damit auch der Fluoreszenz bis in den NIR-Bereich erreicht werden. 2. Eine Abwandlung von Carbonsäureimid-Einheiten, insbesondere der Austausch von Carbonylgruppe gegen Ketimin-Gruppen [4] führt zu erheblichen Verschiebungen der Spektren. 3. Der Chromophor kann durch das formale Einschieben von weiteren Naphthalin-Einheiten in Richtung Terrylen- [5] oder Quaterrylentetracarbonsäurebisimide [6] verlängert werden; dies führt zu massiven bathochromen Verschiebungen. 4. Die Peryleneinheit kann lateral mit Carbocyclen [7] oder Heterocyclen erweitert werden. So kann man mit einer carbocyclischen Erweiterung in Richtung von Benzoperylenderivaten [8] die Absorption und Fluoreszenz hypsochrom verschieben, während beispielsweise das Ankondensieren von Imidazol-Einheiten [9] insbesondere in den Positionen 1 und 2 zu einer bathochromen Verschiebung der Absorption führt. Darüber hinaus kann man die genannten Methoden zur Beeinflussung der Spektren auch kombinieren, so dass vielfältige Variationsmöglichkeiten zur Verfügung stehen.
Der Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen ist dabei nicht auf Perylenderivate beschränkt, denn Prinzipiell können Farbstoffe aus jeden beliebigen Farbstoffklassen verwendet werden; sie müssen allerdings genügend lichtecht sein und mit hohen Quantenausbeuten fluoreszieren. Hier sind beispielsweise auch DPP-Derivate grundsätzlich von Interesse; von denen Substanzen wie 2 bekannt sind, die im NIR-Bereich absorbieren und nur verschwindend wenig im sichtbaren Bereich und dadurch gute Voraussetzungen für sichtbar transparente Fluoreszenz-Solarkollektoren bringen [10].
Beschränkt man sich bei der photovoltaische Wandlung des konzentrierten Fluoreszenzlichts auf kristalline Silicium-Solarzellen oder deren Kombination mit amorphem Silicium, dann liegen günstige Voraussetzungen vor, den langwelligen Teil des Sonnespektrums zu nutzen, und man kann entsprechend bathochrom absorbierende und fluoreszierende Farbstoffe einsetzen. Will man damit auch den kurzwelligen Anteil nutzen, so braucht man Farbstoffe mit einer weiteren, kurzwelligen Absorptionsbande im geeigneten Bereich, dies höheren Absorptions-Übergänge von Fluoreszenzfarbstoffen sind aber nur schwierig gezielt einzustellen. Man kann als Alternative zwei Fluoreszenzfarbstoffe im Polymermaterial lösen und dann Fluoreszenzlicht von zwei Farbstoffen in der Platte fuhren. Wegen spektraler Überlappung der beiden Fluoreszenzfarbstoffe wird es mehr oder weniger zu Reabsorption des kürzerwelligen Fluoreszenzlichts durch den längerwellig absorbierenden Farbstoff kommen; von den dann emittierten Fluoreszenzlicht geht allerdings wieder der Teil verloren, der steil auf die Plattenoberfläche trifft, diesseits des Grenzwinkels der Totalreflexion; es liegen also zweimal Verluste vor. Als Alternative können bichromophore Farbstoffe („dyads”) verwendet werden, bei denen ein Chromophor langwellig absorbiert und fluoresziert. Der damit verknüpfte zweite Chromophor absorbiert kurzwellig und überträgt die optische Anregungsenergie, z. B. nach dem Förster-Mechanismus (FREI) auf den längerwellig absorbieren, über dessen Fluoreszenz die Energie dann genutzt wird. Ist die Energieübertragung effizient, dann kann die Fluoreszenz des stärker bathochrom fluoreszierenden Farbstoffs die durch den kurzwellig absorbierenden Chromophor praktisch ohne Quanten-Verluste abstrahlen und es gibt nur einmal den Verlustkegel diesseits der Totalreflexion. Die Absorptionen beider Chromophore können den jeweiligen Erfordernissen der Lichtabsorption und der Fluoreszenz unabhängig voneinander angepasst werden.
Die Verwendung von Bichromophoren ist ebenfalls bei getönten Scheiben günstig, weil man dann viel mehr Variationsmöglichkeiten zur Anpassung als bei Verwendung eines monochromophoren Farbstoffs hat. Als Alternative kann man auch eine geeignete Tönung durch das Mischen von Farbstoffen erreichen, auch bei einer Rest-Anpassung bei Verwendung von Bichromophoren, die sich dann nur noch wenig auf die Lichtsammeleffizienz auswirkt.
Für die Fluoreszenz-Solarkollektoren kann man als einfachste Möglichkeit planare Platten und Plattenstapel verwenden. Hier kann man in an und für sich bekannter Weise gleichschenkelig rechtwinklige Dreiecke verwenden, bei denen die Photovoltaik-Solarzellen an den Hypotenusen angebracht werden. Die Katheten kann man zur Erhöhung der Lichtsammeleffizienz verspiegeln. Hierfür lassen sich die bekannten Metallspiegel einsetzten. Da jedoch die Strahlung an den Kanten nicht vollständig gerichtet ist, lassen sich ohne besondere Verluste auch diffuse Spiegel verwenden, indem auf die Kantenflächen Weißpigmente aufgebracht werden, wie z. B. Titandioxid. Die gleichschenklig rechtwinkligen Dreiecke kann man zu Bändern anordnen, indem man die Katheten gegeneinander legt. Dies bietet den Vorteil, dass man an den Hypotenusen streifenförmig die Photovoltaik-Zellen anbringen kann und dadurch eine günstige Geometrie für die Stromableitung erhält. Die Verwendung von beispielsweise Quadraten oder regelmäßigen Sechsecken ist eine Alternative; grundsätzlich kann man eine Vielzahl von Formen-Kombinationen verwenden, es sollte jedoch eine lückenlose Füllung der lichtsammelnden Fläche und eine gleichmäßige Ausleuchtung der Solarzellen erreicht werden. Man kann von einer günstigen Plattenstärke von 3...5 mm ausgehen. Diese Stärke ist so klein, dass es bei den angekoppelten Photovoltaik-Solarzellen nicht erforderlich ist, ein Kontaktierung auf dem optisch sammelnden Bereich vornehmen zu müssen, wie dies bei konventionellen Photovoltaik-Anordnungen erforderlich ist, sondern seitlich oberhalb und unterhalb der jeweiligen Platte. Dies ist besonders günstig, da jegliche Lichtverluste durch eine Abschattung bedingt durch eine solche Kontaktierung vermieden werden.
Eine ebene Platte bzw. ein Stapel aus ebenen Platten ist die günstigste Geometrie für die Sammlung von Solarenergie, weil dann die Verluste durch Lieht, das diesseits des Grenzwinkels der Totalreflexion auf die Plattenoberfläche trifft minimal sind. Im Gegensatz zu den spröden Silicium-Solarzellen ist eine nahezu beliebige Formgebung bei den Fluoreszenz-Solarkollektoren möglich, so dass diese an technische oder ästhetische Erfordernisse angepasst werden können, hier kann die Form etwa gekrümmten Karosserieteilen von Automobilen angepasst werden. Durch eine Krümmung wird der Verlust diesseits des Grenzwinkels der Totalreflexion zwar grundsätzlich größer, solange aber der Krümmungsradius groß gegen die Plattendicke ist, wird dies aber kaum merklich sein und kann daher grundsätzlich in Kauf genommen werden. Eie solche schwache Krümmung gegen eine Plattenstärke von 3...5 mm kann z. B. für die überwiegende Zahl von Karosserieteilen bei Automobilen als erfüllt angesehen werden; hierdurch kann die Verwendung von Fluoreszenz-Solarkollektoren etwa bei der ganz überwiegenden Zahl der Karosserieteilen von Automobilen erfolgen. Die hier geschilderten Zusammenhänge gelten auch für andere Dinge des täglichen Lebens und der Technik, etwa Dachziegel, bei denen zwar eine Formgebung erwüscht ist, aber nicht notwendigerweise eine sehr starke Krümmung, Bei geschwungenen, aber durchsichtigen Fassaden kann die freie Formgebung des Fluoreszenz-Solarkollektors ebenfalls ein besonderer Vorteil sein, da nun architektonisch viele neue Möglichkeiten gegenüber der konventionellen Verwendung von starren, planaren Si-Solarzellen gegeben sind.
Zusammenfassend kann man feststellen, dass optisch transparente oder teiltransparente Fluoreszenz-Solarkollektoren viele neue Möglichkeiten eröffnen die Gewinnung von Solarenergie mit dem Wunsch nach optischer Transparenz zu vereinbaren.

[1] R. Bolton, Solar Power and Fuels, Academic Press, New York 1977, 127.
[2] (a) H. Langhals, Nachr. Chem. Tech. Lab. 1980, 28, 716–718, Chem. Abstr. 1981, 95, R9B16q. (b) P. B. Mauer, G. D. Turechek, Research Disclosure 1977, RD 162062 19771010. (c) A. Goetzberger, W. Greubel, Appl. Phys. 1977, 14, 123–39. (d) A. Goetzberger, Appl. Phys. 1978, 16, 399–404. (e) A. Zastrow, Proc. SPIE-The Intern. Soc. Opt. Eng. 1994, 2255, 534–47. (f) A. Goetzberger, V. Wittwer, Solar Cells 1981, 4, 3–23. (g) G. Baur, A. Goetzberger, K. Heidler, H. Langhals, E. Sah, V. Wittwer, A. Zastrow, Forschungsber. – Bundesminist. Forsch. Technol., Technol. Forsch. Entwickl. 1982, BMFT-FB-T 82-081. (h) U. Rau, F. Einsele, G. C. Glaeser, Appl. Phys. Lett. 2005, 87), 171101/1-171101/3. (i) V. Wittwer, K. Heidler, A. Zastrow, A. Goetzberger, J. Lumines. 1981, 24–25, 873–876. (j) R. L. Garvin, Rev. Sci. Instr. 1960, 31, 1010,
[3] (a) Review: H. Langhals, Molecular devices. Chiral, bichromophoric silicones: Ordering principles in complex molecules in F. Ganachaud, S. Boileau, B. Boury (eds.), Silicon Based Polymers, p. 51–63, Springer, 2008, ISBN 978-1-4020-8527-7, e-ISBN 978-1-4020-8528-4. (b) H. Langhals, Helv. Chim. Acta. 2005, 88, 1309–1343. (c) H. Langhals, Heterocycles 1995, 40, 477–500.
[4] (a) H. Langhals, T. Pust, Eur. J. Org. Chem. 2010, 3140–3145. (b) H. Langhals, H. Bastani-Oskoui, J. Prakt. Chem. 1997, 339, 597–602. (c) I. Lukac, H. Langhals, Chem. Ber. 1983, 116, 3524–3528.
[5] (a) H. Langhals, A. Walter, E. Rosenbaum, L. B. -Å. Johansson, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, DOI: 10.1039/c1cp20467j. (b) H. Langhals, A. Hofer, Ger. Offen. DE 102011018815.0 (4.4.2011). (c) H. Langhals, S. Poxleitner, US Patent Appl. 11/848,490 (31.8.2007). H. Langhals, S. Poxleitner, Eur. J. Org. Chem. 2008, 797–800.
[6] (a) H. Langhals, J. Büttner, P. Blanke, Synthesis, 2005, 364–366. (b) H. Langhals, G. Schönmann, L. Feiler, Tetrahedron Lett. 1995, 36, 6423–6424.
[7] H. Langhals, G. Schönmann, K. Polborn, Chem. Eur. J. 2008, 14, 5290–5303.
[8] H. Langhals, S. Kirner, Eur. J. Org. Chem. 2000, 365–380.
[9] H. Langhals, S. Kinzel, A. Obermeier, Ger. Offen. DE 102008061452.1 (10.12.2008).
[10] G. M. Fischer, A. P. Ehlers, A. Zumbusch, E. Daltrozzo, Angew. Chem. 2007, 119, 3824–3827; Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 3750-3753.
Gegenstand der Erfindung

a) Fluoreszenz-Solarkollektoren, die im sichtbaren Bereich, bevorzugt zwischen 400 und 700 nm teilt- oder vollständig transparent sind, bevorzugt teiltransparent, stärker bevorzugt zu 25 bis 75 teiltransparent, am meisten Bevorzugt zu 50% transparent. Bevorzugt sind planare Kollektoren, es können aber auch gewölbte Kollektoren eingesetzt werden.
b) Fluoreszenz-Solarkollektoren, die im sichtbaren Bereich, bevorzugt zwischen 400 und 700 nm teilt- oder vollständig transparent sind, und aus einem Plattenstapel aus mehreren Platten bestehen, die unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe enthalten, wie beispielsweise zwei bis drei Platten, bevorzugt zwei Platten,
c) Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtkollektor-Material Polymehylmethacrylat (PMMA, Plexiglas), auch in Copolymerisation mit anderen Methacrylestern, Polycarbonat oder Silicate oder Silicone, die durch die Hydrolyse von Kieselsäureestern oder Alkoxysilanen erhalten worden sind, eingesetzt.
d) Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zur Nutzung des an den Kanten des Kollektors konzentrierte Lichts mit Hilfe der Photovoltaik unter Verwendung von kristallinem Silicium oder amorphem Silicium oder einer Kombination beider erfolgt.
e) Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zum Einfärben der Kollektorplatten Fluoreszenzfarbstoffe verwendet werden, die im sichtbaren Beeich nahezu kein Licht absorbieren, dafür aber Licht im NIR-Bereich. Zusätzlich kann Licht im UV-Bereich absorbiert werden.
f) Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zum Einfärben der Kollektorplatten Perylenfarbstoffe (Perylentetracarbonsäurebisimide oder Perylentetacarbonsäureester und andere Perylenester oder Perylenderivate), Terrylenfarbstoffe, Quaterrylenfarbstoffe und DPP-Farbstoffe Verwendung finden.
g) Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass in den Kollektorplatten bichromophore Farbstoffe („dyads”) Verwendung finden; hier können Kombinationen der Farbstoffe aus f) eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste
1. Funktionsprinzip des Fluoreszenz-Solarkollektors mit eingestrahltern Licht (hv) und Fluoreszenzlicht; n: Brechungsindex.
2. Eigenschaften des Fluoreszenz-Solarkollektors als Funktion des Brechungsindex des verwendeten Plattenmaterials. n: Wirkungsgrade, n_R: Anzahl der Reflexionen des geführten Fluoreszenzlichts als Funktion des zurückgelegten Wegs gemessen in Plattenstärken.
3. AM1-Sonnenspektrum (verrauschte Kurve) im Vergleich zur spektralen Empfindlichkeitscharakteristik des menschlichen Auges (gestrichelte Kurve) und im Vergleich zur Strahlungscharakteristik einer Wolfram-Halogenlampe (3200 K, graue Kurve).
4. Normfarbwerttafel (CIE 1924/1931) mit Wellenlängen spektraler Farben und Unbuntpunkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011018815 [0022]
US 11/848490 [0022]
DE 102008061452 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Bolton, Solar Power and Fuels, Academic Press, New York 1977, 127 [0022]
H. Langhals, Nachr. Chem. Tech. Lab. 1980, 28, 716–718, Chem. Abstr. 1981, 95, R9B16q [0022]
P. B. Mauer, G. D. Turechek, Research Disclosure 1977, RD 162062 19771010 [0022]
A. Goetzberger, W. Greubel, Appl. Phys. 1977, 14, 123–39 [0022]
A. Goetzberger, Appl. Phys. 1978, 16, 399–404 [0022]
A. Zastrow, Proc. SPIE-The Intern. Soc. Opt. Eng. 1994, 2255, 534–47 [0022]
A. Goetzberger, V. Wittwer, Solar Cells 1981, 4, 3–23 [0022]
G. Baur, A. Goetzberger, K. Heidler, H. Langhals, E. Sah, V. Wittwer, A. Zastrow, Forschungsber. – Bundesminist. Forsch. Technol., Technol. Forsch. Entwickl. 1982, BMFT-FB-T 82-081 [0022]
U. Rau, F. Einsele, G. C. Glaeser, Appl. Phys. Lett. 2005, 87), 171101/1-171101/3 [0022]
V. Wittwer, K. Heidler, A. Zastrow, A. Goetzberger, J. Lumines. 1981, 24–25, 873–876 [0022]
R. L. Garvin, Rev. Sci. Instr. 1960, 31, 1010 [0022]
Review: H. Langhals, Molecular devices. Chiral, bichromophoric silicones: Ordering principles in complex molecules in F. Ganachaud, S. Boileau, B. Boury (eds.), Silicon Based Polymers, p. 51–63, Springer, 2008, ISBN 978-1-4020-8527-7, e-ISBN 978-1-4020-8528-4 [0022]
H. Langhals, Helv. Chim. Acta. 2005, 88, 1309–1343 [0022]
H. Langhals, Heterocycles 1995, 40, 477–500 [0022]
H. Langhals, T. Pust, Eur. J. Org. Chem. 2010, 3140–3145 [0022]
H. Langhals, H. Bastani-Oskoui, J. Prakt. Chem. 1997, 339, 597–602 [0022]
I. Lukac, H. Langhals, Chem. Ber. 1983, 116, 3524–3528 [0022]
H. Langhals, A. Walter, E. Rosenbaum, L. B. -Å. Johansson, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, DOI: 10.1039/c1cp20467j [0022]
H. Langhals, J. Büttner, P. Blanke, Synthesis, 2005, 364–366 [0022]
H. Langhals, G. Schönmann, L. Feiler, Tetrahedron Lett. 1995, 36, 6423–6424 [0022]
H. Langhals, G. Schönmann, K. Polborn, Chem. Eur. J. 2008, 14, 5290–5303 [0022]
H. Langhals, S. Kirner, Eur. J. Org. Chem. 2000, 365–380 [0022]
G. M. Fischer, A. P. Ehlers, A. Zumbusch, E. Daltrozzo, Angew. Chem. 2007, 119, 3824–3827; Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 3750-3753 [0022]

Claims

Fluoreszenz-Solarkollektoren, die im sichtbaren Bereich, bevorzugt zwischen 400 und 700 nm teilt- oder vollständig transparent sind, bevorzugt teiltransparent, stärker bevorzugt zu 25 bis 75 teiltransparent, am meisten Bevorzugt zu 50% transparent. Bevorzugt sind planare Kollektoren, es können aber auch gewölbte Kollektoren eingesetzt werden.
Fluoreszenz-Solarkollektoren, die im sichtbaren Bereich, bevorzugt zwischen 400 und 700 nm teilt- oder vollständig transparent sind, und aus einem Plattenstapel aus mehreren Platten bestehen, die unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe enthalten, wie beispielsweise zwei bis drei Platten, bevorzugt zwei Platten.
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtkollektor-Material Polymehylmethacrylat (PMMA, Plexiglas), auch in Copolymerisation mit anderen Methacrylestern, Polycarbonat oder Silicate oder Silicone, die durch die Hydrolyse von Kieselsäureestern oder Alkoxysilanen erhalten worden sind, eingesetzt.
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zur Nutzung des an den Kanten des Kollektors konzentrierte Lichts mit Hilfe der Photovoltaik unter Verwendung von kristallinem Silicium oder amorphem Silicium oder einer Kombination beider erfolgt.
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zum Einfärben der Kollektorplatten Fluoreszenzfarbstoffe verwendet werden, die im sichtbaren Beeich nahezu kein Licht absorbieren, dafür aber Licht im NIR-Bereich. Zusätzlich kann Licht im UV-Bereich absorbiert werden.
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zum Einfärben der Kollektorplatten Perylenfarbstoffe (Perylentetracarbonsäurebisimide oder Perylentetacarbonsäureester und andere Perylenester oder Perylenderivate), Terrylenfarbstoffe, Quaterrylenfarbstoffe und DPP-Farbstoffe Verwendung finden.
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass in den Kollektorplatten bichromophore Farbstoffe („dyads”) Verwendung finden; hier können Kombinationen der Farbstoffe aus 6 eingesetzt werden.