DE112010001875T5

DE112010001875T5 - Vorrichtung und Verfahren zur Wandlung auftreffender Strahlung in elektrische Energie mittels Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentrators

Info

Publication number: DE112010001875T5
Application number: DE112010001875T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-01
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2012-10-11
Also published as: WO2010127348A2; CN102460725A; WO2010127348A9; WO2010127348A3; US20120031466A1

Abstract

Offengelegt werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wandlung auftreffender Strahlung in elektrische Energie mittels eines Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentrators. Eine Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung beinhaltet einen Wellenleiter. Der Wellenleiter hat ein Wellenleitermedium. Ein Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ist in Kontakt mit dem Wellenleitermedium. Der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ist konfiguriert, ein auftreffendes Photon zu absorbieren. Der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ist auch konfiguriert, ein emittiertes Photon zu emittieren. Das emittierte Photon hat eine höhere Energie als das auftreffende Photon. Eine photovoltaische Vorrichtung absorbiert das emittierte Photon und erzeugt Elektrizität.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der U. S. Provisional Application No. 61/174,494, eingereicht am 1. Mai 2009, deren Offenlegungen hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich zum Gegenstand dieser Offenlegung gemacht werden.
FELD DER ERFINDUNG
Diese Beschreibung bezieht sich allgemein auf einen Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentrator und eine mit dem Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentrator verbundene photovoltaische Vorrichtung.
HINTERGRUND
Lichtkonzentratoren können die Kosten von Elektrizität aus photovoltaischen Zellen (PV-Zellen) erheblich senken. Konventionelle Lichtkonzentrationsvorrichtungen und -verfahren verwenden die direkte Komponente von Strahlung und benötigen daher ineffiziente Verfahren wie beispielsweise Solarnachführung.
Eine Lichtkonzentrationsvorrichtung zur Konzentration von Sonnenlicht mittels eines Fluoreszenzkollektors ist bekannt. Der Fluoreszenzkollektor wandelt hochfrequentes ultraviolettes Licht (UV-Licht) durch Rotverschiebung des Lichts (oder über Stokes-Verschiebung) in das sichtbare Lichtspektrum zur Nutzung durch photovoltaische Zellen (PV-Zellen) um. Der Fluoreszenzkollektor kann eine transparente, mit organischen Farbstoffen und/oder anorganischen Verbindungen dotierte Folie beinhalten. Der Fluoreszenzkollektor ist so konfiguriert, dass Sonnenlicht von den Farbstoffen oder Verbindungen absorbiert wird, woraufhin ein Photon isotropisch wieder ausgestrahlt wird. Das wieder ausgestrahlte Photon wird sodann in der Folie des Fluoreszenzkollektors durch interne Reflexion gefangen, woraufhin das gefangene Photon am Rand der Folie durch eine PV-Zelle mit einem Band-Gap knapp unterhalb der Lumineszenzenergie konvertiert werden kann. Im Fluoreszenzkollektor wird überschüssige Photonenenergie jedoch durch die Lumineszenz-Rotverschiebung (oder Stokes-Verschiebung) im Kollektor und nicht in der PV-Zelle abgeführt.
Da konventionelle Konzentratoren nur auf das UV-Spektrum zugreifen können, nutzen konventionelle Konzentratoren lediglich einen begrenzten Teil des gesamten Solarspektrums. Entsprechend kann ein großer Teil des Solarspektrums nicht von konventionellen Konzentratoren zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden. Zusätzlich beschränkend für konventionelle Konzentratoren ist die Tatsache, dass die Atmosphäre einen signifikanten Teil des von der Sonne kommenden UV-Lichts ausfiltert.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführung eines Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentrators beinhaltet einen Wellenleiter, der ein Wellenleitermedium hat. Die Ausführung beinhaltet auch einen Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem Wellenleitermedium. Der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ist konfiguriert, ein auftreffendes Photon zu absorbieren. Der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ist auch konfiguriert, ein emittiertes Photon zu emittieren. Das emittierte Photon hat eine höhere Energie als das auftreffende Photon.
In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor konfiguriert, ein zweites auftreffendes Photon nach der Absorption des auftretenden Photons zu absorbieren und dann das emittierte Photon zu emittieren, wobei das emittierte Photon eine höhere Energie als das zweite auftreffende Photon hat.
In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor konfiguriert, das eine Wellenlänge im Infrarotbereich aufweisende auftreffende Photon zu absorbieren und dann das eine Wellenlänge im sichtbaren und/oder nahen Infrarotbereich aufweisende emittierte Photon zu emittieren.
In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in das Wellenleitermedium eingebettet. In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor auf einer Oberfläche des Wellenleitermediums vorhanden. In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor als Schicht, als Film oder als Folie auf einer Oberfläche des Wellenleiters und/oder einer Oberfläche des Wellenleitermediums vorhanden. In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist das Wellenleitermedium eine Flüssigkeit, und der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ist in der Flüssigkeit suspendiert.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung hat der Wellenleiter axial eine stabförmige Gestalt und einen geometrischen Querschnitt.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist das Wellenleitermedium bei einer Wellenlänge des emittierten Photons transparent. Das Wellenleitermedium ist ein aus der Gruppe, die aus einem amorphen Siliziumdioxid, einem Siliziumdioxid, einem klaren Kunststoff, einem Glas, einem organischen Glas, einem mit einem Halbleiter der Gruppe II bis VI dotierten Glas und Akrylkunststoff besteht, ausgewähltes Medium.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein H-Aggregat. Ein H-Aggregat wird hierin zur Beschreibung eines Farbstoffs, der eine Verschiebung nach Blau oder eine hypsochrome Verschiebung zeigt, verwendet. In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Seltene-Erden-Ion. Seltene-Erden-Ion wird hierin verwendet, ein Seltene-Erden-Ionen-Nanokristall zu beinhalten. In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Seltene-Erden-Ion-Nanokristall. Beispiele für Seltene-Erden-Ionen-Nanokristalle sind unter anderen, jedoch nicht ausschließlich, Neodym (Nd³⁺), Ytterbium (Yb³⁺), Erbium (Er³⁺), Thulium (Tm³⁺), Holmium (Ho³⁺, Praseodym (Pr³⁺), Cer (Ce³⁺, Yttrium (Y³⁺), Samarium (Sm³⁺), Europium (Eu³⁺), Gadolinium (Gd³⁺), Terbium (Tb³⁺), Dysprosium (Dy³⁺) und Lutetium (Lu³⁺). In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Lanthanidchelat. In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein NaYF₄-Nanokristall.
In einer anderen Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung weiterhin eine auf einer Seite des Wellenleiters vorgesehene Antireflexionsbeschichtung und einen auf der Antireflexionsbeschichtung vorgesehenen Konus auf, wobei ein Brechungsindex des Konus höher als ein Brechungsindex des Wellenleitermediums ist.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung weist der Konus eine zum Wellenleiter hin ausgerichtete Empfangsfläche zum Empfangen des emittierten Photons und eine Ausgangsfläche zur Ausgabe des emittierten Photons auf, wobei die Ausgangsfläche kleiner als die Empfangsfläche ist.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist der Konus ein nanokristalliner Diamant. In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung hat der Konus einen Brechungsindex im Bereich von 2,0 bis 2,6 einschließlich.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist auf einer zweiten Seite des Wellenleiters eine reflektierende Oberfläche zum Reflektieren des emittierten Photons in Richtung auf den Konus hin vorgesehen. In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist auf multiplen Seiten des Wellenleiters eine reflektierende Oberfläche zum Reflektieren des emittierten Photons in Richtung auf den Konus hin vorgesehen.
In einer Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung weiterhin eine direkt mit dem Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung auf, wobei ein Brechungsindex der photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des Konus ist. In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung ist die photovoltaische Vorrichtung eine Quantenpunkt-Photovoltaikvorrichtung, eine Quantentopf-Photovoltaikvorrichtung, eine AlGaAs/GaAs-Quantentopf-Photovoltaikvorrichtung, eine Direct-Band-Gap-Photovoltaikvorrichtung, eine siliziumbasierte Photovoltaikvorrichtung oder eine Gruppe-III-V-Direct-Band-Gap-Photovoltaikvorrichtung. In einer Ausführung hat der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Absorptionsspektrum und ein Emissionsspektrum, die einander nicht überschneiden. In einer Ausführung hat der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Absorptionsspektrum und ein Emissionsspektrum, die einander überschneiden.
In einer Ausführung hat der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor weiterhin einen zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein zweites auftreffendes Photon absorbiert und ein zweites emittiertes Photon emittiert. Dieses zweite emittierte Photon hat eine höhere Energie als das zweite auftreffende Photon, und das zweite auftreffende Photon hat eine höhere Energie als das auftreffende Photon.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung hat der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein erstes Absorptionsspektrum und ein erstes Emissionsspektrum, wobei sich das erste Absorptionsspektrum und das erste Emissionsspektrum nicht wesentlich überschneiden. Der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor hat ein zweites Absorptionsspektrum und ein zweites Emissionsspektrum, wobei sich das zweite Absorptionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum nicht wesentlich überschneiden.
In einer Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung überschneiden sich das erste Absorptionsspektrum und das zweite Absorptionsspektrum nicht wesentlich. In einer Ausführung überschneiden sich das erste Emissionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum. In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung überschneiden sich das erste Emissionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum wesentlich.
In einer Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung einen ersten Wellenleiter und einen zweiten, unter dem ersten Wellenleiter vorgesehenen Wellenleiter auf. Der erste Wellenleiter weist ein erstes Wellenleitermedium und einen ersten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem ersten Wellenleitermedium auf, wobei der erste Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein erstes Absorptionsspektrum und ein erstes Emissionsspektrum hat und wobei sich das erste Absorptionsspektrum und das erste Emissionsspektrum nicht überschneiden. Der zweite Wellenleiter weist ein zweites Wellenleitermedium und einen zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem zweiten Wellenleitermedium auf, wobei der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein zweites Absorptionsspektrum und ein zweites Emissionsspektrum hat, wobei sich das zweite Absorptionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum nicht überschneiden und wobei sich das erste Absorptionsspektrum und das zweite Absorptionsspektrum nicht wesentlich überschneiden. In einer Ausführung ist ein Konus zwischen dem ersten Wellenleiter und dem zweiten Wellenleiter vorgesehen, wobei ein Brechungsindex des Konus höher als ein Brechungsindex des ersten Wellenleiters ist.
In einer anderen Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung weiterhin eine mit dem ersten Wellenleiter und dem zweiten Wellenleiter verbundene photovoltaische Vorrichtung auf, wobei sich das erste Emissionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum überschneiden und wobei sich das erste Emissionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum mit einer Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung zum Umwandeln von Strahlung in elektrische Energie überschneiden.
In einer Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung einen ersten mit dem ersten Wellenleiter verbundenen Konus auf, wobei ein Brechungsindex des ersten Konus höher als ein Brechungsindex des ersten Wellenleiters ist, und einen zweiten mit dem zweiten Wellenleiter verbundenen Konus, wobei ein Brechungsindex des zweiten Konus höher als ein Brechungsindex des zweiten Wellenleiters ist.
In einer Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung eine erste, mit dem ersten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung und eine zweite, mit dem zweiten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung auf. Das erste Emissionsspektrum überschneidet sich mit einer ersten Absorptionswellenlänge der ersten photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie. Das zweite Emissionsspektrum überschneidet sich mit einer zweiten Absorptionswellenlänge der zweiten photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie.
In einer Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung eine dritte, mit dem dritten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung auf. Das dritte Emissionsspektrum überschneidet sich mit einer dritten Absorptionswellenlänge der dritten photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie.
In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung überschneidet sich das erste Emissionsspektrum mit einer Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie.
In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung überschneidet sich das zweite Emissionsspektrum mit einer Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie.
In einer anderen Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung weiterhin einen dritten, unter dem zweiten Wellenleiter vorgesehenen Wellenleiter auf. Der dritte Wellenleiter weist ein drittes Wellenleitermedium und einen dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem dritten Wellenleitermedium auf, wobei der dritte Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein drittes Absorptionsspektrum und ein drittes Emissionsspektrum hat, wobei sich das dritte Absorptionsspektrum und das dritte Emissionsspektrum nicht wesentlich überschneiden, wobei sich das dritte Absorptionsspektrum und das erste Absorptionsspektrum nicht wesentlich überschneiden und wobei sich das dritte Absorptionsspektrum und das zweite Absorptionsspektrum nicht wesentlich überschneiden. Ein erster Konus ist mit dem ersten Wellenleiter verbunden, wobei ein Brechungsindex des ersten Konus höher als ein Brechungsindex des ersten Wellenleiters ist. Ein zweiter Konus ist mit dem zweiten Wellenleiter verbunden, wobei ein Brechungsindex des zweiten Konus höher als ein Brechungsindex des zweiten Wellenleiters ist. Ein dritter Konus ist mit dem dritten Wellenleiter verbundenen, wobei ein Brechungsindex des dritten Konus höher als ein Brechungsindex des dritten Wellenleiters ist.
In einer anderen Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung weiterhin eine erste mit dem ersten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung, eine zweite mit dem zweiten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung und eine dritte mit dem dritten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung auf, wobei ein Brechungsindex der ersten photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des ersten Konus, der Brechungsindex der zweiten photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des zweiten Konus und der Brechungsindex der dritten photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des dritten Konus ist.
In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung überschneidet sich das erste Emissionsspektrum mit einer Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie, das zweite Emissionsspektrum mit der Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie und das dritte Emissionsspektrum mit der Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie.
In einer anderen Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung haben der erste Wellenleiter, der zweite Wellenleiter und der dritte Wellenleiter jeweils axial eine stabförmige Gestalt und einen geometrischen Querschnitt.
In einer anderen Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung eine Vielzahl zusammen angeordneter Wellenleiter auf, wobei jeder der Vielzahl der Wellenleiter axial eine stabförmige Gestalt und einen geometrischen Querschnitt hat. Jeder der Vielzahl der Wellenleiter weist ein Wellenleitermedium und ein Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem Wellenleitermedium auf, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor konfiguriert ist, ein auftreffendes Photon zu absorbieren und dann ein emittiertes Photon zu emittieren, und das emittierte Photon hat eine höhere Energie als das auftreffende Photon. Die Ausführung beinhaltet eine zwischen der Vielzahl von Wellenleitern und einer photovoltaischen Vorrichtung vorgesehene Antireflexionsbeschichtung. Die photovoltaische Vorrichtung ist auf einer Endseite der Vielzahl von Wellenleitern zum Empfangen des emittierten Photons vorgesehen, wobei sich ein Emissionsspektrum des Aufwärtskonvertierungs-Chromophors mit einer Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie überschneidet.
In einer anderen Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung eine zweite, an einer zweiten Endseite der Vielzahl von Wellenleitern vorgesehene photovoltaische Vorrichtung auf, wobei sich das Emissionsspektrum des Aufwärtskonvertierungs-Chromophors mit einer Absorptionswellenlänge der zweiten photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie überschneidet.
In einer anderen Ausführung wird ein Verfahren zur Umwandlung auftreffender Strahlung in elektrische Energie bereitgestellt. Die Ausführung beinhaltet die Absorption der auftreffenden Strahlung mit einem Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, die Emission eines emittierten Photons vom Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei das emittierte Photon eine höhere Energie als die auftreffende Strahlung hat, die Lenkung des emittierten Photons vom Aufwärtskonvertierungs-Chromophor zu einer photovoltaischen Vorrichtung mittels eines Wellenleiters und die Absorption des emittierten Photons durch die photovoltaische Vorrichtung sowie die Umwandlung des Photons in elektrische Energie.
In einer anderen Ausführung beinhaltet das Verfahren die Absorption einer zweiten auftreffenden Strahlung mit einem zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei die zweite auftreffende Strahlung eine höhere Energie als die auftreffende Strahlung hat, die Emission eines zweiten emittierten Photons vom zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei das zweite emittierte Photon eine höhere Energie als die zweite auftreffende Strahlung hat, die Lenkung des zweiten emittierten Photons vom zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor zur photovoltaischen Vorrichtung mittels eines zweiten Wellenleiters und die Absorption des zweiten emittierten Photons durch die photovoltaische Vorrichtung sowie die Umwandlung des zweiten emittierten Photons in elektrische Energie.
In einer anderen Ausführung beinhaltet das Verfahren weiterhin die Absorption einer dritten auftreffenden Strahlung mit einem dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei die dritte auftreffende Strahlung eine höhere Energie als die auftreffende Strahlung hat, die Emission eines dritten emittierten Photons vom dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei das dritte emittierte Photon eine höhere Energie als die dritte auftreffende Strahlung hat, die Lenkung des dritten emittierten Photons vom dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor zu einer dritten photovoltaischen Vorrichtung mittels eines dritten Wellenleiters und die Absorption des dritten emittierten Photons durch die dritte photovoltaische Vorrichtung sowie die Umwandlung des dritten emittierten Photons in elektrische Energie.
In einer anderen Ausführung haben das emittierte Photon und das zweite emittierte Photon dieselbe Energie. In einer anderen Ausführung hat das zweite emittierte Photon eine höhere Energie als das emittierte Photon.
In einer Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung einen ersten Wellenleiter einschließlich eines ersten Wellenleitermediums und eine auf einer Oberfläche des ersten Wellenleiters vorgesehene Chromophorschicht auf, wobei die Chromophorschicht eine Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren in Kontakt mit dem ersten Wellenleitermedium aufweist. Ein zweiter Wellenleiter ist oberhalb der Chromophorschicht vorgesehen, wobei der zweite Wellenleiter ein zweites Wellenleitermedium beinhaltet und die Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren in Kontakt mit dem zweiten Wellenleitermedium ist. Eine photovoltaische Vorrichtung ist an einer Endseite des ersten Wellenleiters und des zweiten Wellenleiters vorgesehen. Der erste Wellenleiter ist konfiguriert, ein von einem der Vielzahl der Aufwärskonvertierungs-Chromophoren emittiertes und in den ersten Wellenleiter eintretendes Photon zu einer photovoltaischen Vorrichtung zu leiten. Der zweite Wellenleiter ist konfiguriert, das von einem der Vielzahl der Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren emittierte und in den zweiten Wellenleiter eintretende Photon zur photovoltaischen Vorrichtung zu leiten. In einer Ausführung sind das erste und/oder das zweite Wellenleitermedium eine Flüssigkeit. In einer Ausführung haben der erste und/oder der zweite Wellenleiter axial eine stabförmige Gestalt und einen geometrischen Querschnitt. In einer Ausführung sind das erste und/oder das zweite Wellenleitermedium ein aus der Gruppe, die aus einem amorphen Siliziumdioxid, einem Siliziumdioxid, einem klaren Kunststoff, einer klaren Flüssigkeit, einem Glas, einem organischen Glas, einem mit einem Halbleiter der Gruppe II bis VI dotierten Glas und Akrylkunststoff besteht, ausgewähltes Medium. In einer Ausführung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein H-Aggregat. In einer Ausführung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Seltene-Erden-Ion. In einer Ausführung ist auf einer Seite des ersten und/oder des zweiten Wellenleiters eine Antireflexionsbeschichtung vorgesehen. Die Antireflexionsbeschichtung kann zwischen dem Wellenleiter und der Chromophorschicht vorgesehen sein. Ein Konus kann auf einer Seite des Wellenleiters vorgesehen sein, wobei die Antireflexionsbeschichtung dazwischen vorgesehen ist. In einer Ausführung ist ein Brechungsindex des Konus höher als ein Brechungsindex des ersten und/oder des zweiten Wellenleitermediums. Der Konus kann eine zum ersten und/oder zum zweiten Wellenleiter hin ausgerichtete Empfangsfläche zum Empfangen des emittierten Photons und eine Ausgangsfläche zur Ausgabe des emittierten Photons aufweisen, wobei die Ausgangsfläche kleiner als die Empfangsfläche ist. Der Konus kann ein nanokristalliner Diamant sein. Der Konus kann einen Brechungsindex im Bereich von 2,0 bis 2,6 einschließlich haben. In einer Ausführung ist die photovoltaische Vorrichtung direkt mit dem Konus verbunden, wobei ein Brechungsindex der photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des Konus ist.
In einer Ausführung überschneiden sich das Absorptionsspektrum und das Emissionsspektrum eines oder mehrerer der Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren. In einer Ausführung überschneiden sich das Absorptionsspektrum und das Emissionsspektrum eines der Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren wesentlich. In einer Ausführung überschneiden sich das Absorptionsspektrum und das Emissionsspektrum eines oder mehrerer der Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren vollständig. Das emittierte Photon kann im Wellenleiter gefangen werden, in den das emittierte Photon eintritt, sodass die Wahrscheinlichkeit einer erneuten Absorption des emittierten Photons durch den Aufwärtskonvertierungs-Chromophor statistisch gering und/oder statistisch nicht existent ist. Das Einfangen des emittierten Photons im Wellenleiter wird durch eine Konfiguration des Wellenleiters erreicht, die das emittierte Photon im Wellenleiter zur photovoltaischen Vorrichtung hin lenkt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
2 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
3 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
4 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
5 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
6 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
7 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
8 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
9 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
10 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
11 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
12 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Wellenleiters für eine Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Wellenleiters für eine Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
Die 15(a) bis (h) zeigen Querschnittsansichten von Ausführungen von Wellenleitern für eine Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
16 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung sowie deren Absorptions- und Emissionsspektren.
17 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung sowie deren Absorptions- und Emissionsspektren.
18 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zur Umwandlung auftreffender Strahlung in elektrische Energie beinhaltet die Absorption der auftreffenden Strahlung mit einem Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, die Emission eines emittierten Photons vom Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei das emittierte Photon eine höhere Energie als die auftreffende Strahlung hat, die Lenkung des emittierten Photons vom Aufwärtskonvertierungs-Chromophor zu einer photovoltaischen Vorrichtung mittels eines Wellenleiters und die Absorption des emittierten Photons durch die photovoltaische Vorrichtung sowie die Umwandlung des Photons in elektrische Energie. Das Verfahren kann auch die Absorption einer zweiten auftreffenden Strahlung mit einem zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor beinhalten, wobei die zweite auftreffende Strahlung eine höhere Energie als die auftreffende Strahlung hat, die Emission eines zweiten emittierten Photons vom zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei das zweite emittierte Photon eine höhere Energie als die zweite auftreffende Strahlung hat, die Lenkung des zweiten emittierten Photons vom zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor zur photovoltaischen Vorrichtung mittels eines zweiten Wellenleiters und die Absorption des zweiten emittierten Photons durch die photovoltaische Vorrichtung sowie die Umwandlung des zweiten emittierten Photons in elektrische Energie. Das Verfahren kann auch die Absorption einer dritten auftreffenden Strahlung mit einem dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor beinhalten, wobei die dritte auftreffende Strahlung eine höhere Energie als die auftreffende Strahlung hat, die Emission eines dritten emittierten Photons vom dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor, wobei das dritte emittierte Photon eine höhere Energie als die dritte auftreffende Strahlung hat, die Lenkung des dritten emittierten Photons vom dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor zu einer dritten photovoltaischen Vorrichtung mittels eines dritten Wellenleiters sowie die Absorption des dritten emittierten Photons durch die dritte photovoltaische Vorrichtung und die Umwandlung des dritten emittierten Photons in elektrische Energie. Diese Ausführungen können mittels der in den Figuren dargestellten und hierin beschriebenen Ausführung von Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtungen ausgeführt werden.
1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 10, das einen Wellenleiter 100 beinhaltet. Der Wellenleiter 100 weist ein Wellenleitermedium 102 auf. Ein Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 104 ist in Kontakt mit dem Wellenleitermedium 102. Der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 ist konfiguriert, ein auftreffendes Photon 106 zu absorbieren. Der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 ist konfiguriert, ein emittiertes Photon 108 zu emittieren. 1 zeigt das vom Wellenleiter 100 zur photovoltaischen Vorrichtung 110 hin emittierte Photon 108 zur Umwandlung des emittierten Photons 108 in elektrische Energie. Ein Konus kann an der Schnittstelle zwischen dem Wellenleitermedium 102 und der photovoltaischen Vorrichtung 110 vorgesehen sein. Eine reflektierende Oberfläche 112 kann auf einer Seite des Wellenleiters zur Reflexion des emittierten Photons vorgesehen sein.
In einer Ausführung ist das Wellenleitermedium 102 bei einer Wellenlänge des emittierten Photons 108 transparent. Das Wellenleitermedium 102 kann Glas und/oder Siliziumoxid sein. Glas und Siliziumoxid sind bei den durch das Wellenleitermedium 102 fließenden Photolumineszenz-Wellenlängen transparent. Das Wellenleitermedium 102 kann ein Produkt eines Sol-Gel-Prozesses sein. Der Sol-Gel-Prozess entwickelt das Sol zu einem gelartigen Netzwerk und erzeugt ein Sol-Gel-Medium, das sowohl eine flüssige als auch eine feste Phase enthält. Die feste Phase kann ein Kolloid bilden. Die Morphologie der festen Phase kann von diskreten kolloidalen Partikeln bis hin zu kontinuierlichen kettenartigen Polymernetzwerken reichen. Ein Beispiel für ein Sol-Gel-Medium ist amorphes Siliziumdioxid. Das Sol-Gel-Medium hat vorteilhafterweise einen Brechungsindex, der angepasst werden kann, um zum Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 zu passen. Beispiele für Materialien für das Wellenleitermedium 102 sind, jedoch nicht ausschließlich, ein amorphes Siliziumdioxid, ein klarer Kunststoff, eine klare Flüssigkeit, Siliziumdioxid, ein Glas, ein organisches Glas, ein mit einem Halbleiter der Gruppe II bis VI dotiertes Glas oder Akrylkunststoff. Beispiele für Halbleiter der Gruppe II bis VI sind unter anderem, jedoch nicht ausschließlich, MgO, MgS, MgSe, MgTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe und HgTe. Akrylplastik hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und der in Kontakt mit dem Akrylkunststoff befindliche oder in den Akrylkunststoff eingebettete Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 hätte ein verringertes Risiko von Wärmeschäden. Das Wellenleitermedium 102 kann eine feste Phase, eine flüssige Phase, eine Glasphase oder eine Kombination von diesen sein.
Wenn der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 104 das auftreffende Photon 106 absorbiert, gewinnt der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 104 an Energie und nimmt einen erregten Zustand an. Der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 104 kann durch Verlust von Energie aus dem erregten Zustand auf einen niedrigeren energetischen Zustand, beispielsweise einen Grundzustand, entspannen. Eine Form, Energie zu verlieren, erfolgt durch Emission eines emittierten Photons 108.
Beispiele für das Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 sind unter anderem, jedoch nicht ausschließlich, ein H-Aggregat, ein Seltene-Erden-Ion, ein Seltene-Erden-Ionen-Nanokristall, ein Lanthanidchelat und/oder ein NaYF₄-Nanokristall. Weitere Beispiele für das Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 sind unter anderen, jedoch nicht ausschließlich, ein Nanokristall einschließlich Neodym (Nd³⁺), Ytterbium (Yb³⁺), Erbium (Er³⁺), Thulium (Tm³⁺), Holmium (Ho³⁺), Praseodym (Pr³⁺), Cer (Ce³⁺), Yttrium (Y³⁺), Samarium (Sm³⁺), Europium (Eu³⁺), Gadolinium (Gd³⁺), Terbium (Tb³⁺), Dysprosium (Dy³⁺) und/oder Lutetium (Lu³⁺). Das emittierte Photon 108 hat eine höhere Energie als das auftreffende Photon 106. Diese Energiedifferenz wird als Anti-Stokes-Shift bezeichnet. Die zusätzliche Energie kann von der Abgabe thermaler Photonen in ein Kristallgitter stammen. Die zusätzliche Energie kann daher stammen, dass der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 mehr als ein auftreffendes Photon 106 absorbiert, wobei jedes absorbierte auftreffende Photon 106 eine niedrigere Energie als das emittierte Photon 108 hat. In einem Zwei-Photonen-Prozess absorbiert der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 104 zwei niedrigenergetische auftreffende Photonen 106 und emittiert ein einzelnes hochenergetisches emittiertes Photon 108. Der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ist daher konfiguriert, ein zweites auftreffendes Photon nach der Absorption des auftreffenden Photons zu absorbieren und dann das emittierte Photon zu emittieren, wobei das emittierte Photon eine höhere Energie als das zweite auftreffende Photon hat.
Ein signifikanter Teil des Solarspektrums ist im Infrarotbereich oder hat eine Wellenlänge von 700 nm bis 3000 nm. Ein Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104, konfiguriert, mindestens einen Teil dieses Spektrums einzufangen und die Energie des eingefangenen Photons in eine für photovoltaische Vorrichtungen nutzbare Wellenlänge wie beispielsweise eine Wellenlänge im sichtbaren Spektrum hochzukonvertieren, erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung gegenüber Vorrichtungen, die das ultraviolette Spektrum in das sichtbare und/oder nahe Infrarotspektrum herunterkonvertieren. In einer Ausführung ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104 konfiguriert, das eine Wellenlänge im Infrarotbereich aufweisende auftreffende Photon 106 zu absorbieren und dann das eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich aufweisende emittierte Photon 108 zu emittieren. Der Infrarotbereich umfasst den nahen Infrarotbereich (NIR), den kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR), den mittleren Infrarotbereich (MWIR), den langwelligen Infrarotbereich (LWIR) und den fernen Infrarotbereich (FIR). In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 700 nm bis 1.000 μm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 700 nm bis 1400 nm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 700 nm bis 3000 nm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1400 nm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 3000 nm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 1400 nm bis 3000 nm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 3 μm bis 8 μm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 8 μm bis 15 μm einschließlich. In einer Ausführung ist der Infrarotbereich der Wellenlängenbereich von 15 μm bis 1.000 μm einschließlich.
Beispiele für die photovoltaische Vorrichtung 110 sind unter anderem, jedoch nicht ausschließlich, eine photovoltaische Zelle, eine Quantenpunkt-Photovoltaikvorrichtung (QD-Photovoltaikvorrichtung), eine Quantentopf-Photovoltaikvorrichtung, eine AlGaAs/GaAs-Quantentopf-Photovoltaikvorrichtung, eine Direct-Band-Gap-Photovoltaikvorrichtung, eine siliziumbasierte Photovoltaikvorrichtung und/oder eine Gruppe-III-V-Direct-Band-Gap-Photovoltaikvorrichtung.
2 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 12, die der in 1 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 10 ähnlich ist. 2 zeigt die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 12 einschließlich eines Wellenleiters 200 und eines Wellenleitermedius 202. Ein erster Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 204 und ein zweiter Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 206 sind mit dem Wellenleitermedium 202 in Kontakt. Der erste und der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 204, 206 sind jeweils konfiguriert, erste und zweite auftreffende Photonen 208 bzw. 210 zu absorbieren. Der erste und zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 204, 206 sind jeweils konfiguriert, erste und zweite emittierte Photonen 212 bzw. 214 zu emittieren. Das erste und zweite emittierte Photon 212, 214 haben im Wesentlichen gleiche Energien zur Absorption durch die photovoltaische Vorrichtung 216. Das erste und zweite emittierte Photon 212, 214 haben jeweils Wellenlängen, die innerhalb des Absorptionsspektralbereichs der photovoltaischen Vorrichtung 216 sind. 2 zeigt das erste und zweite emittierte Photon 212, 214, die durch den Wellenleiter 200 für die photovoltaische Vorrichtung 216 auf eine photovoltaische Vorrichtung 216 hin gelenkt werden, damit es das erste und zweite emittierte Photon 212, 214 in elektrische Energie umwandelt. Ein Konus kann an der Schnittstelle zwischen dem Wellenleitermedium 202 und der photovoltaischen Vorrichtung 216 vorgesehen sein.
In einer Ausführung hat das zweite emittierte Photon 214 eine höhere Energie als das zweite auftreffende Photon 210. In einer Ausführung hat das zweite auftreffende Photon 210 eine höhere Energie als das erste auftreffende Photon 208. In einer anderen Ausführung haben das erste emittierte Photon 212 und das zweite emittierte Photon 214 dieselbe Energie.
3 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 14, die der in 1 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 10 ähnlich ist. In 3 werden dieselben Kennzeichnungen zur Kennzeichnung von Strukturen, die den in 1 dargestellten ähnlich sind, verwendet. 1 zeigt den in das Wellenleitermedium 102 eingebetteten und mit dem Wellenleitermedium 102 in Kontakt befindlichen Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104. 3 zeigt den auf einer Oberfläche des Wellenleitermediums 102 vorgesehenen und mit dem Wellenleitermedium 102 in Kontakt befindlichen Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104.
Wenn das Wellenleitermedium eine Flüssigkeit ist, ist der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in der Flüssigkeit suspendiert. 1 bis 3 können auch verstanden werden, im Wellenleitermedium suspendierte Aufwärtskonvertierungs-Chromophore zu zeigen, wobei das Wellenleitermedium eine Flüssigkeit ist.
4 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 16, die der in 3 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 14 ähnlich ist. In 4 werden dieselben Kennzeichnungen zur Kennzeichnung von Strukturen, die den in 3 dargestellten ähnlich sind, verwendet. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 16 beinhaltet einen Wellenleiter 100. 4 zeigt den als Film oder als Schicht 105 oder als Folie auf einer Oberfläche des Wellenleitermediums 102 vorgesehenen und mit dem Wellenleitermedium 102 in Kontakt befindlichen Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 104. Beispielsweise ist die Schicht 105 eine eine Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren 104 aufweisende Schicht, die auf eine Oberfläche des Sol-Gel-Mediums 102 aufgebracht ist.
5 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 17. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 17 beinhaltet eine Vielzahl von Wellenleitern 300. 5 zeigt drei Wellenleiter 300, wobei die drei Wellenleiter 300 übereinander angeordnet sind, wobei der zweite Wellenleiter unter dem ersten Wellenleiter und der dritte Wellenleiter unter dem ersten Wellenleiter angeordnet sind. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 17 kann mehr oder weniger Wellenleiter aufweisen. Jeder der Vielzahl von Wellenleitern 300 beinhaltet ein Wellenleitermedium 302, 303, 304. Das Wellenleitermedium 302, 303, 304 kann dasselbe Material sein. Das Wellenleitermedium 302, 303, 304 kann aus voneinander verschiedenem Material sein. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophore 305, 306, 307 sind jeweils in Kontakt mit ihren jeweiligen Wellenleitermedien 302, 303, 304. Die Aufwärtskonvertierungs-Chromophore 305, 306, 307 sind jeweils konfiguriert, ein auftreffendes Photon 308, 309 bzw. 310 zu absorbieren. Die Aufwärtskonvertierungs-Chromophore 305, 306, 307 sind jeweils konfiguriert, ein emittiertes Photon 311, 312 bzw. 313 zu emittieren. 5 zeigt jedes der emittierten Photonen 311, 312, 313, das durch die Vielzahl von Wellenleitern 300 auf die photovoltaischen Vorrichtungen 320, 321, 322 hin gelenkt wird. Die photovoltaischen Vorrichtungen 320, 321, 322 wandeln die emittierten Photonen 311, 312, 313 in elektrische Energie um. Einer oder mehrere Konen können an den Schnittstellen zwischen jedem und/oder allen der Wellenleitermedien 302, 303, 304 und den photovoltaischen Vorrichtungen 320, 321, 322 vorgesehen sein. Einer oder mehrere Konen können an den Schnittstellen zwischen den Wellenleitermedien 302, 303, 304 vorgesehen sein. Eine reflektierende Oberfläche 330 kann an einer oder mehreren Seiten der Vielzahl von Wellenleitern 300 vorgesehen sein, um die emittierten Photonen 311, 312, 313 zu reflektieren.
6 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 18, die der in 5 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 17 ähnlich ist. In 6 werden dieselben Kennzeichnungen zur Kennzeichnung von Strukturen, die den in 5 dargestellten ähnlich sind, verwendet. 6 zeigt eine Ausführung der Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 18, die eine einzelne photovoltaische Vorrichtung 323 statt multipler photovoltaischer Vorrichtungen 320, 321, 322 (wie in 5 dargestellt) hat. 6 zeigt jedes der emittierten Photonen 311, 312, 313, das durch die Vielzahl von Wellenleitern 300 auf die photovoltaische Vorrichtung 323 hin gelenkt wird. Einer oder mehrere Konen können an den Schnittstellen zwischen jedem und/oder allen der Wellenleitermedien 302, 303, 304 und der photovoltaischen Vorrichtung 323 vorgesehen sein.
7 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 19. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 19 beinhaltet eine Vielzahl von Wellenleitern 400. 7 zeigt zwei Wellenleiter 400, wobei die beiden Wellenleiter 400 übereinander angeordnet sind, wobei der zweite Wellenleiter unter dem ersten Wellenleiter ist. Wenn gesagt wird, dass ein Wellenleiter „unter” einem anderen Wellenleiter ist, beschreibt der Ausdruck „unter” eine von einer Quelle eines auftreffenden Photons aus gesehen unterhalb befindliche Position, sodass das auftreffende Photon den ersten Wellenleiter durchqueren muss, bevor das auftreffende Photon in den unter dem ersten Wellenleiter befindlichen Wellenleiter eintritt. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 19 kann eine größere Zahl zusammen angeordneter Wellenleiter aufweisen. Jeder der Vielzahl von Wellenleitern 400 beinhaltet ein Wellenleitermedium 402, 403. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophore 405, 406 sind jeweils in Kontakt mit ihren jeweiligen Wellenleitermedien 402, 403. Die Aufwärtskonvertierungs-Chromophore 405, 406 sind jeweils konfiguriert, ein auftreffendes Photon 408 bzw. 409 zu absorbieren. Die Aufwärtskonvertierungs-Chromophore 405, 406 sind jeweils konfiguriert, ein emittiertes Photon 411 bzw. 412 zu emittieren. 7 zeigt jedes der emittierten Photonen 411, 412, das durch die Vielzahl von Wellenleitern 400 auf die photovoltaischen Vorrichtungen 420, 421, 422, 423 hin gelenkt wird. Zwei der photovoltaischen Vorrichtungen 420, 422 sind an gegenüber befindlichen Endseiten desselben Wellenleiters 400 vorgesehen. Zwei der photovoltaischen Vorrichtungen 421, 423 sind an gegenüber befindlichen Endseiten desselben Wellenleiters 400 vorgesehen. Die photovoltaischen Vorrichtungen 420, 421, 422, 423 wandeln die emittierten Photonen 411, 412 in elektrische Energie um. Einer oder mehrere Konen können an den Schnittstellen zwischen jedem und/oder allen der Wellenleitermedien 402, 403 und den photovoltaischen Vorrichtungen 420, 421, 422, 423 vorgesehen sein. Eine reflektierende Oberfläche 440 kann an einer oder mehreren Seiten der Vielzahl von Wellenleitern 400 vorgesehen sein, um die emittierten Photonen 411, 412 zu den photovoltaischen Vorrichtungen 420, 421, 422, 423 hin zu reflektieren.
8 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 20, die der in 7 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 19 ähnlich ist. In 8 werden dieselben Kennzeichnungen zur Kennzeichnung von Strukturen, die den in 7 dargestellten ähnlich sind, verwendet. 8 zeigt eine einzelne an einer Endseite der Vielzahl von Wellenleitern 400 vorgesehene photovoltaische Vorrichtung 425 statt der multiplen photovoltaischen Vorrichtungen 422, 423 (wie in 7 dargestellt). Die photovoltaischen Vorrichtungen 420, 421 sind auf der entgegengesetzten Endseite von der einzelnen photovoltaischen Vorrichtung 425 fortzeigend vorgesehen.
9 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 21, die der in 8 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 20 ähnlich ist. In 9 werden dieselben Kennzeichnungen zur Kennzeichnung von Strukturen, die den in 8 dargestellten ähnlich sind, verwendet. 9 zeigt eine einzelne an einer Endseite der Vielzahl von Wellenleitern 400 vorgesehene photovoltaische Vorrichtung 426 statt der multiplen photovoltaischen Vorrichtungen 420, 421 (wie in den 7 und 8 dargestellt). Die photovoltaischen Vorrichtungen 425, 426 sind an gegenüber befindlichen Endseiten der Vielzahl von Wellenleitern 400 vorgesehen.
10 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 22, die der in 1 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 10 ähnlich ist. In 10 werden dieselben Kennzeichnungen zur Kennzeichnung von Strukturen, die den in 1 dargestellten ähnlich sind, verwendet. 10 zeigt das vom Wellenleiter 100 zur photovoltaischen Vorrichtung 110 bin emittierte Photon 108. Die in 10 dargestellte Ausführung weist Schnittstellenelemente zwischen dem Wellenleiter 100 und der photovoltaischen Vorrichtung 110 auf. 10 zeigt einen auf einer Antireflexionsbeschichtung 501 an einer Endseite des Wellenleiters 100 vorgesehenen Konus 500. Die Antireflexionsbeschichtung 501 ist auf einer Seite des Wellenleiters an der Schnittstelle zwischen dem Konus 500 und dem Wellenleiter 100 und/oder dem Wellenleitermedium 102 vorgesehen. Alternativ kann der Konus 500 vorgesehen sein, direkt in Kontakt mit dem Wellenleiter 100 und/oder dem Wellenleitermedium 102 zu sein.
Der Brechungsindex des Konus 500 ist höher als ein Brechungsindex des Wellenleitermediums 102. Die photovoltaische Vorrichtung 110 ist vorgesehen, Lumineszenz von der Seite des Konus 500 zu empfangen. Die photovoltaische Vorrichtung 110 kann direkt mit dem Konus 500 verbunden sein. Alternativ kann die photovoltaische Vorrichtung 110 mit dem Konus 500 verbunden sein, wobei eine Antireflexionsbeschichtung zwischen der photovoltaischen Vorrichtung 110 und dem Konus 500 vorgesehen ist.
Die Lumineszenz trifft auf die Ausgangsfläche des Wellenleiters 100 in allen Winkeln auf und kann daher im Wellenleitermedium 102 mit demselben Brechungsindex nicht weiter konzentriert werden. Durch Hinzufügen eines Konus 500 aus einem transparenten Medium mit einem höheren Brechungsindex als dem des Wellenleitermediums 102 ist jedoch eine weitere Konzentration der Lumineszenz auf etwa das 5-Fache möglich, wodurch eine Überschneidung verschiedener Einheiten zur Vermeidung von Verschattungsverlusten erleichtert wird.
Der Konus 500 hat eine Ausgangsfläche 502 für die Ausgabe des emittierten Photons in Richtung auf die photovoltaische Vorrichtung 110 hin sowie eine Empfangsfläche 503 zum Wellenleiter hin zum Empfang des emittierten Photons 108. In einer Ausführung hat der Konus 500 eine Ausgangsfläche 502, die kleiner als die Empfangsfläche 503 ist. Der Konus 500 kann ein nanokristalliner Diamant sein. Der Konus 500 kann aus einem einen Brechungsindex im Bereich von 2,0 bis 2,6 einschließlich aufweisenden Material sein. Eine reflektierende Oberfläche 112 kann auf einer zweiten Seite des Wellenleiters 100 zur Reflexion des emittierten Photons 108 zum Konus 500 hin vorgesehen sein. In einer anderen Ausführung weist die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 22 weiterhin eine direkt mit dem Konus 500 verbundenes photovoltaische Vorrichtung 110 auf, wobei ein Brechungsindex der photovoltaischen Vorrichtung 110 höher als der Brechungsindex des Konus 500 ist.
11 zeigt eine Seitenansicht einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 23, wobei der in 10 dargestellte Wellenleiter 100 auf einem anderen Wellenleiter 512 angeordnet ist, wodurch eine Vielzahl von Wellenleitern 520 gebildet wird. Der zweite Wellenleiter 512 ist unter dem ersten Wellenleiter 100. Der zweite Wellenleiter weist einen zweiten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophor 504 in Kontakt mit dem zweiten Wellenleitermedium 513 auf. Der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 504 ist konfiguriert, ein zweites auftreffendes Photon 506 zu absorbieren. Der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 504 ist konfiguriert, ein zweites emittiertes Photon 508 zu emittieren. 11 zeigt das vom Wellenleiter 520 durch die Vielzahl von Wellenleitern 520 zur zweiten photovoltaischen Vorrichtung 510 hin geleitete emittierte zweite Photon 508 zur Umwandlung des emittierten Photons 508 in elektrische Energie. 11 zeigt einen auf einer Endseite des zweiten Wellenleiters 512 vorgesehenen Konus 511. Die Antireflexionsbeschichtung kann auf einer Seite des Wellenleiters an der Schnittstelle zwischen dem Konus 511 und dem zweiten Wellenleiter 512 und/oder dem Wellenleitermedium 513 vorgesehen sein. Alternativ kann der Konus 511 vorgesehen sein, direkt in Kontakt mit dem zweiten Wellenleiter 512 und/oder dem Wellenleitermedium 513 zu sein. 11 zeigt die auf dem zweiten Konus 511 auf einer Oberfläche vom zweiten Wellenleiter 512 fortzeigende vorgesehene zweite photovoltaische Vorrichtung 510. Ein Konus 514 ist an der Schnittstelle zwischen den Wellenleitermedien 102, 513 vorgesehen.
Der Brechungsindex des ersten Konus 500 ist höher als ein Brechungsindex des ersten Wellenleiters 100, der Brechungsindex des zweiten Konus 511 ist höher als ein Brechungsindex des zweiten Wellenleiters 512, und eine photovoltaische Vorrichtung ist mit dem ersten Konus und dem zweiten Konus verbunden. Ein Brechungsindex der ersten photovoltaischen Vorrichtung 110 ist höher als der Brechungsindex des ersten Konus 500. Der Brechungsindex der zweiten photovoltaischen Vorrichtung 570 ist höher als der Brechungsindex des zweiten Konus 511.
12 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 24, die der in 6 dargestellten Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 18 ähnlich ist. In 12 werden dieselben Kennzeichnungen zur Kennzeichnung von Strukturen, die den in 6 dargestellten ähnlich sind, verwendet. 12 zeigt jedes der emittierten Photonen 311, 312, 313, das durch die Vielzahl von Wellenleitern 300 auf die photovoltaische Vorrichtung 323 hin gelenkt wird. 12 zeigt einen an den Schnittstellen zwischen der Vielzahl von Wellenleitern 300 und der photovoltaischen Vorrichtung 323 vorgesehenen Konus 600. 12 zeigt einen auf einer Antireflexionsbeschichtung 601 an einer Endseite der Vielzahl von Wellenleitern 300 vorgesehenen Konus 600. Die Antireflexionsbeschichtung 601 ist auf einer Seite der Vielzahl von Wellenleitern 300 an der Schnittstelle zwischen dem Konus 600 und der Vielzahl von Wellenleitern 300 und/oder den Wellenleitermedien 302, 303, 304 vorgesehen. Alternativ kann der Konus 600 vorgesehen sein, direkt in Kontakt mit der Vielzahl von Wellenleitern 300 und/oder den Wellenleitermedien 302, 303, 304 zu sein. Eine Antireflexionsbeschichtung kann zwischen dem Konus 323 und dem Konus 600, dazwischen 602, vorgesehen sein.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Wellenleiters 700 mit einer axial stabförmigen Gestalt und einem geometrischen Querschnitt.
14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung eines Wellenleiters 702 mit einer axial stabförmigen Gestalt und einem geometrischen Querschnitt. In einer Ausführung ist das Verhältnis von Höhe zu Breite 1:1000. In einer Ausführung ist das Verhältnis von Höhe zu Breite 1:> 1000.
Die 15(a) bis (h) zeigen Beispiele für Querschnittsansichten für einen Wellenleiter. Ein geometrischer Querschnitt ermöglicht ein effizientes Übereinanderanordnen der Wellenleiter. 15(a) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Parallelogramms. 15(b) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Dreiecks. 15(c) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Kreuzes. 15(d) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Kreises. 15(e) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Rechtecks. 15(f) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Quadrats. 15(g) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Sechsecks. 15(h) zeigt einen geometrischen Querschnitt in Form eines Achtecks.
16 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 18, 24 (6 und 12) sowie deren Absorptions- und Emissionsspektren. Die Spektralkurve 800 zeigt die Wellenlänge (λ) gegenüber der Intensität eines jeden der Wellenleiter. Die Spektralkurve 800 zeigt das erste Absorptionsspektrum 802 und das erste Emissionsspektrum 804 des ersten Aufwärtskonvertierungs-Chromophors 305, das zweite Absorptionsspektrum 806 und das zweite Emissionsspektrum 808 des zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophors 306 sowie das dritte Absorptionsspektrum 810 und das dritte Emissionsspektrum 812 des dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophors 307.
Auftreffendes Licht zunehmender Wellenlängen 802, 806, 810 wird von den jeweiligen Wellenleitern aufgenommen. Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Chromophore 304, 305, 306 sind eingestellt, Wellenlänge auftreffender Strahlung 802, 806, 810 zu absorbieren und Photonen 311, 312, 313 bei den jeweiligen blauverschobenen Wellenlängen 804, 808, 812 zu emittieren. Diese blauverschobene Strahlung 804, 808, 812 wird intern innerhalb der jeweiligen Wellenleiter reflektiert und zur photovoltaischen Vorrichtung 323 hin geleitet.
Eine wesentliche Überschneidung ist als Überschneidung von zwei Spektren um 50% oder mehr definiert. Keine wesentliche Überschneidung ist als Überschneidung von zwei Spektren um weniger als 50% definiert. Keine Überschneidung ist als Überschneidung von zwei Spektren um weniger als 90% definiert.
16 zeigt, dass sich das erste Absorptionsspektrum 802 und das erste Emissionsspektrum 804 nicht wesentlich überschneiden, dass sich das zweite Absorptionsspektrum 806 und das zweite Emissionsspektrum 808 nicht wesentlich überschneiden und dass sich das dritte Absorptionsspektrum 810 und das dritte Emissionsspektrum 812 nicht wesentlich überschneiden.
16 zeigt, dass sich das erste Absorptionsspektrum 802 und das erste Emissionsspektrum 804 nicht überschneiden, dass sich das zweite Absorptionsspektrum 806 und das zweite Emissionsspektrum 808 nicht überschneiden und dass sich das dritte Absorptionsspektrum 810 und das dritte Emissionsspektrum 812 nicht überschneiden.
16 zeigt, dass sich das erste Absorptionsspektrum 802 und das zweite Absorptionsspektrum 806 nicht wesentlich überschneiden und dass sich das zweite Absorptionsspektrum 806 und das dritte Absorptionsspektrum 810 nicht wesentlich überschneiden. 16 zeigt, dass sich das erste Absorptionsspektrum 802 und das dritte Absorptionsspektrum 810 nicht überschneiden.
16 zeigt, dass sich das erste Emissionsspektrum 804 und das zweite Emissionsspektrum 808 wesentlich überschneiden, dass sich das zweite Emissionsspektrum 808 und das dritte Emissionsspektrum 812 wesentlich überschneiden und dass sich das erste Emissionsspektrum 804 und das dritte Emissionsspektrum 812 wesentlich überschneiden. Das erste, zweite und dritte Emissionsspektrum 804, 808, 812 überschneiden sich mit einer Absorptionswellenlänge der photovoltaischen Vorrichtung 323 zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie.
17 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 17 (5) sowie deren Absorptions- und Emissionsspektren. Die Spektralkurve 900 zeigt die Wellenlänge (λ) gegenüber der Intensität eines jeden der Wellenleiter. Die Spektralkurve 900 zeigt das erste Absorptionsspektrum 902 und das erste Emissionsspektrum 904 des ersten Aufwärtskonvertierungs-Chromophors 305, das zweite Absorptionsspektrum 906 und das zweite Emissionsspektrum 908 des zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophors 306 sowie das dritte Absorptionsspektrum 910 und das dritte Emissionsspektrum 912 des dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophors 307. Das erste Absorptionsspektrum 902 und das erste Emissionsspektrum 904 überschneiden sich nicht wesentlich, das zweite Absorptionsspektrum 906 und das zweite Emissionsspektrum 908 überschneiden sich nicht wesentlich, und das dritte Absorptionsspektrum 910 und das dritte Emissionsspektrum 912 überschneiden sich nicht wesentlich. Das erste Absorptionsspektrum 902 und das erste Emissionsspektrum 904 überschneiden sich nicht, das zweite Absorptionsspektrum 906 und das zweite Emissionsspektrum 908 überschneiden sich nicht, und das dritte Absorptionsspektrum 910 und das dritte Emissionsspektrum 912 überschneiden sich nicht. Das erste Absorptionsspektrum 902 und das zweite Absorptionsspektrum 906 überschneiden sich nicht wesentlich, und das zweite Absorptionsspektrum 906 und das dritte Absorptionsspektrum 910 überschneiden sich nicht wesentlich. 16 zeigt, dass sich das erste Absorptionsspektrum 902 und das dritte Absorptionsspektrum 910 nicht überschneiden. Das erste Emissionsspektrum 904 und das erste Emissionsspektrum 908 überschneiden sich nicht wesentlich, das zweite Emissionsspektrum 908 und das dritte Emissionsspektrum 912 überschneiden sich nicht wesentlich, und das erste Emissionsspektrum 904 und das dritte Emissionsspektrum 912 überschneiden sich nicht wesentlich. Das erste, zweite und dritte Emissionsspektrum 904, 908, 912 überschneiden sich jeweils mit einer Absorptionswellenlänge ihrer jeweiligen photovoltaischen Vorrichtungen 320, 321, 322 zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie. Niedrigere Wellenleiterschichten der Vorrichtung 17 absorbieren und emittieren sequenziell längere Lichtwellenlängen. Höhere Wellenleiterschichten absorbieren Strahlung, sodass diese Strahlungswellenlängen von den unteren Schichten nicht signifikant gesehen werden. Die von den Chromophoren der oberen Schichten absorbierten Lichtwellenlängen werden somit effektiv gegenüber den unteren Schichten „abgeblockt”. Die Chromophor-Strahlungsemission wird auf den effizientesten Teil des Energieumwandlungsspektrums des entsprechenden Typs der photovoltaischen Vorrichtung eingestellt. Das überlagerte Spektrum 920 zeigt, wie die Vorrichtung 17 ein effizientes Energieumwandlungssystem effektiv erzeugen kann.
18 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung einer Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 25. Die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung 25 weist einen ersten Wellenleiter 930 einschließlich eines ersten Wellenleitermediums 932, eine auf einer Oberfläche des ersten Wellenleiters 930 vorgesehene Chromophorschicht 934 auf, wobei die Chromophorschicht 934 eine Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren 936, 938 in Kontakt mit dem ersten Wellenleitermedium 932 aufweist. Ein zweiter Wellenleiter 940 ist oberhalb der Chromophorschicht 934 vorgesehen, wobei der zweite Wellenleiter 940 ein zweites Wellenleitermedium 942 beinhaltet und die Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren 936, 938 in Kontakt mit dem zweiten Wellenleitermedium 942 ist. Eine photovoltaische Vorrichtung 944 ist an einer Endseite des ersten Wellenleiters 930 und des zweiten Wellenleiters 940 vorgesehen. 18 zeigt einen zwischen der photovoltaischen Vorrichtung 944 und dem ersten und zweiten Wellenleiter 930, 940 vorgesehenen Konus 946. Der erste Wellenleiter 930 ist konfiguriert, ein von einem der Vielzahl der Aufwärtskonvertierungs-Chromophore 938 emittiertes und in den ersten Wellenleiter 930 eintretendes Photon 948 zu einer photovoltaischen Vorrichtung 944 hin zu leiten. Der zweite Wellenleiter 940 ist konfiguriert, ein von einem der Vielzahl der Aufwärtskonvertierungs-Chromophore 936 emittiertes und in den zweiten Wellenleiter 940 eintretendes Photon 950 zur photovoltaischen Vorrichtung 944 hin zu leiten. Eine Antireflexionsbeschichtung kann auf einer Seite des ersten und/oder des zweiten Wellenleiters 930, 940 vorgesehen sein. Die Antireflexionsbeschichtung kann zwischen dem ersten Wellenleiter 930 und der Chromophorschicht 934 vorgesehen sein. Die Antireflexionsbeschichtung kann zwischen dem zweiten Wellenleiter 940 und der Chromophorschicht 934 vorgesehen sein. Das Absorptionsspektrum und das Emissionsspektrum der Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophore 936, 938 können sich überschneiden, sich wesentlich überschneiden und/oder sich vollständig überschneiden. Das emittierte Photon 948, 950 kann im Wellenleiter 930, 940 gefangen werden, in den das emittierte Photon 948, 950 eintritt, sodass die Wahrscheinlichkeit einer erneuten Absorption durch den Aufwärtskonvertierungs-Chromophor 936, 938 statistisch gering und/oder statistisch nicht existent ist. Das Einfangen des emittierten Photons 948, 950 im Wellenleiter 930, 940 wird durch eine Konfiguration des Wellenleiters 930, 940 erreicht, die das emittierte Photon 948, 950 im Wellenleiter 930, 940 zur photovoltaischen Vorrichtung 944 hin lenkt. Beispiele für die Konfiguration sind unter anderem, jedoch nicht ausschließlich, eine Geometrie des Wellenleiters 930, 940 mit einem Verhältnis von Höhe zu Länge des Wellenleiters von 1:1000, der Typ des Wellenleitermediums 932, 942, die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Wellenleitermedium 932, 942 und der Chromophorschicht 934, die zwischen dem Wellenleiter 930, 940 und der Chromophorschicht 934 vorgesehene Antireflexionsbeschichtung und/oder eine Kombination von diesen.
Bevorzugte Ausführungen wurden beschrieben. Dem technisch Versierten erschließt sich, das verschiedene Modifizierungen und Ersetzungen möglich sind, ohne vom beanspruchten und offengelegten Umfang der Erfindung einschließlich des kompletten Spektrums von Äquivalenten der Erfindung abzuweichen.

Claims

Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung, umfassend: einen Wellenleiter einschließlich eines Wellenleitermediums und einen Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem Wellenleitermedium, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor konfiguriert ist, ein auftreffendes Photon zu absorbieren, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor konfiguriert ist, ein emittiertes Photon zu emittieren, wobei das emittierte Photon eine höhere Energie als das auftreffende Photon hat, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Absorptionsspektrum und ein Emissionsspektrum hat, die einander nicht überschneiden.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in das Wellenleitermedium eingebettet ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor auf einer Oberfläche des Wellenleitermediums vorhanden ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor als eine Schicht auf einer Oberfläche des Wellenleitermediums vorhanden ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Wellenleitermedium eine Flüssigkeit ist und wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in der Flüssigkeit suspendiert ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Wellenleiter axial eine stabförmige Gestalt und einen geometrischen Querschnitt hat.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Wellenleitermedium ein aus der Gruppe, die aus einem amorphen Siliziumdioxid, einem Siliziumdioxid, einem klaren Kunststoff, einer klaren Flüssigkeit, einem Glas, einem organischen Glas, einem mit einem Halbleiter der Gruppe II bis VI dotierten Glas und Akrylkunststoff besteht, ausgewähltes Medium ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein H-Aggregat ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein Seltene-Erden-Ion ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Antireflexionsbeschichtung auf einer Seite des Wellenleiters vorgesehen ist und wobei ein Konus auf der Antireflexionsbeschichtung vorgesehen ist, wobei ein Brechungsindex des Konus höher als ein Brechungsindex des Wellenleitermediums ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Konus eine zum Wellenleiter hin ausgerichtete Empfangsfläche zum Empfangen des emittierten Photons und eine Ausgangsfläche zur Ausgabe des emittierten Photons hat, wobei die Ausgangsfläche kleiner als die Empfangsfläche ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Konus ein nanokristalliner Diamant ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Konus einen Brechungsindex im Bereich von 2,0 bis 2,6 einschließlich hat.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 10, weiterhin eine direkt mit dem Konus verbundenes photovoltaische Vorrichtung aufweisend, wobei ein Brechungsindex der photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des Konus ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin einen zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor aufweisend, wobei der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein zweites auftreffendes Photon absorbiert und ein zweites emittiertes Photon emittiert, wobei das zweite emittierte Photon eine höhere Energie als das zweite auftreffende Photon hat, wobei das zweite auftreffende Photon eine höhere Energie als das auftreffende Photon hat, wobei der Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein erstes Absorptionsspektrum und ein erstes Emissionsspektrum hat, wobei sich das erste Absorptionsspektrum und das erste Emissionsspektrum nicht wesentlich überschneiden, wobei der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein zweites Absorptionsspektrum und ein zweites Emissionsspektrum hat und wobei sich das zweite Absorptionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum nicht wesentlich überschneiden.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei sich das erste Absorptionsspektrum und das zweite Absorptionsspektrum nicht wesentlich überschneiden.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei sich das erste Emissionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum überschneiden.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung, umfassend: einen ersten Wellenleiter einschließlich: ein erstes Wellenleitermedium und einen ersten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem ersten Wellenleitermedium, wobei der erste Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein erstes Absorptionsspektrum und ein erstes Emissionsspektrum hat, wobei sich das erste Absorptionsspektrum und das erste Emissionsspektrum nicht überschneiden, einen zweiten, unter dem ersten Wellenleiter vorgesehenen Wellenleiter, wobei der zweite Wellenleiter umfasst: ein zweites Wellenleitermedium und einen zweiten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem zweiten Wellenleitermedium, wobei der zweite Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein zweites Absorptionsspektrum und ein zweites Emissionsspektrum hat, wobei sich das zweite Absorptionsspektrum und das zweite Emissionsspektrum nicht überschneiden und wobei sich das erste Absorptionsspektrum und das zweite Absorptionsspektrum nicht wesentlich überschneiden.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 18, weiterhin einen zwischen dem ersten Wellenleiter und dem zweiten Wellenleiter vorgesehenen Konus aufweisend, wobei ein Brechungsindex des Konus höher als ein Brechungsindex des ersten Wellenleiters ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 18, weiterhin aufweisend: einen dritten, unter dem zweiten Wellenleiter vorgesehenen Wellenleiter, wobei der dritte Wellenleiter umfasst: ein drittes Wellenleitermedium und einen dritten Aufwärtskonvertierungs-Chromophor in Kontakt mit dem dritten Wellenleitermedium, wobei der dritte Aufwärtskonvertierungs-Chromophor ein drittes Absorptionsspektrum und ein drittes Emissionsspektrum hat, wobei sich das dritte Absorptionsspektrum und das dritte Emissionsspektrum nicht wesentlich überschneiden, wobei sich das dritte Absorptionsspektrum und das erste Absorptionsspektrum nicht wesentlich überschneiden und wobei sich das dritte Absorptionsspektrum und das zweite Absorptionsspektrum nicht wesentlich überschneiden; einen mit dem ersten Wellenleiter verbundenen ersten Konus, wobei ein Brechungsindex des ersten Konus höher als ein Brechungsindex des ersten Wellenleiters ist; einen mit dem zweiten Wellenleiter verbundenen zweiten Konus, wobei ein Brechungsindex des zweiten Konus höher als ein Brechungsindex des zweiten Wellenleiters ist; einen mit dem dritten Wellenleiter verbundenen dritten Konus, wobei ein Brechungsindex des dritten Konus höher als ein Brechungsindex des dritten Wellenleiters ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 20, weiterhin aufweisend: eine erste, mit dem ersten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung, eine zweite, mit dem zweiten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung und eine dritte, mit dem dritten Konus verbundene photovoltaische Vorrichtung, wobei ein Brechungsindex der ersten photovoltaischen Vorrichtung höher als ein Brechungsindex des ersten Konus ist, wobei ein Brechungsindex der zweiten photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des zweiten Konus ist und wobei der Brechungsindex der dritten photovoltaischen Vorrichtung höher als der Brechungsindex des dritten Konus ist.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 21, wobei sich das erste Emissionsspektrum mit einer Absorptionswellenlänge der ersten photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie überschneidet, wobei sich das zweite Emissionsspektrum mit der Absorptionswellenlänge der zweiten photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie überschneidet und wobei sich das dritte Emissionsspektrum mit der Absorptionswellenlänge der dritten photovoltaischen Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie überschneidet.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung gemäß Anspruch 21, wobei der erste Wellenleiter, der zweite Wellenleiter und der dritte Wellenleiter jeweils axial eine stabförmige Gestalt und einen geometrischen Querschnitt haben.
Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenz-Solarkonzentratorvorrichtung, umfassend: einen ersten Wellenleiter einschließlich eines ersten Wellenleitermediums; eine auf einer Oberfläche des ersten Wellenleiters vorgesehene Chromophorschicht, wobei die Chromophorschicht eine Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren in Kontakt mit dem ersten Wellenleitermedium aufweist; einen zweiten, oberhalb der Chromophorschicht vorgesehenen Wellenleiter, wobei der zweite Wellenleiter ein zweites Wellenleitermedium beinhaltet und die Vielzahl von Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren in Kontakt mit dem zweiten Wellenleitermedium ist; eine an einer Endseite des ersten Wellenleiters und des zweiten Wellenleiters vorgesehene photovoltaische Vorrichtung, wobei der erste Wellenleiter konfiguriert ist, ein von einem der Vielzahl der Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren emittiertes und in den ersten Wellenleiter eintretendes Photon zu einer photovoltaischen Vorrichtung zu leiten, wobei der zweite Wellenleiter konfiguriert ist, das von einem der Vielzahl der Aufwärtskonvertierungs-Chromophoren emittierte und in den zweiten Wellenleiter eintretende Photon zur photovoltaischen Vorrichtung zu leiten.