DE2737847A1 - Solar energy electric or thermal energy converter - has stacked concentrators with fluorescence centres and solar cells each converting part of incident light - Google Patents
Solar energy electric or thermal energy converter - has stacked concentrators with fluorescence centres and solar cells each converting part of incident lightInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung mit Lumineszenz-Lichtkonzentratoren zurDevice with luminescence light concentrators for
Umwandlung von Solarenergie Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische oder Wärme-Energie. Sie bezieht sich weiterhin auf Lichtkonzentratoren, die aus dünnen Schichten von transparenten festen oder flüssigen Stoffen mit eingelagerten Fluoreszenzzentren bestehen und die in Verbindung mit Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dienen.Conversion of Solar Energy The invention relates to devices for converting light energy into electrical or thermal energy. She relates continued to rely on light concentrators, which are made up of thin layers of transparent solid or liquid substances with embedded fluorescence centers and which are in Connection with solar cells to convert solar energy into electrical energy to serve.
Stand der Technik In jüngster Zeit sind einige Patentanmeldungen und ein Zeitschriften-Artikel über eine neue Form von Lichtkonzentratoren für die Solarenergie-Nutzung aufgetaucht, die hier aufgezählt werden: /1/ W.H. Weber und J. Lambe Applied Optics, Vol. 15, No. lo, Oktober 1976 /2/ Research Disclosure Nr. 29, Jan. 1975 Seiten 20 und 21 sowie unsere folgenden deutschen Patentanmeldungen /3/ Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie P 2629 641.3 - 13 /4/ Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie P 2629 641.3 - 13 /5/ Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie P 2628 281.7 - 33 Diese Darstellungen gehen alle von folgendem Prinzip der Lichtkonzentration aus: Das Sonnenlicht wird in einer an sich transparenten Schicht aufgefangen, die Fluoreszenzzentren enthält. Die Fluoreszenzzentren absorbieren die Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich, wandeln sie in längerwellige Strahlung um, und reemittieren sie. Da die Strahlung nach allen Richtungen reemittiert wird, bleibt ein sehr großer Teil dieser Strahlung aufgrund der Totalflexion in der Schicht und wird in der Schichtebene fortgeleitet. Wenn der Fluoreszenzfarbstoff so ausgewählt wird, daß Absorptions- und Emissionsbande möglichst geringe Überlappung haben, dann ist die Absorptionslänge des Fluoreszenzlichtes sehr groß, d.h. große Konzentratorflächen sind möglich. Der Konzentrator kann aus Kunststoff oder Glas bestehen, in dem die Fluoreszenzmoleküle gelöst sind, oder auch aus einer flüssigen Lösung, die zwischen zwei transparenten Platten enthalten ist. In Fig. 1 ist gezeigt, wie ein Lichtstrahl L auf ein Fluoreszenzmolekül des Konzentrators C trifft, nach der Absorption wellenlängenverschoben emittiert wird und durch Totalreflexion an den Rand des Konzentrators gelangt. Dort trifft er, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer optischen Kontaktsubstanz K (wie z.B.Background Art Recently, some patent applications and a magazine article about a new form of light concentrator for solar energy use emerged, which are listed here: / 1 / W.H. Weber and J. Lambe Applied Optics, Vol. 15, No. lo, October 1976/2 / Research Disclosure No. 29, Jan. 1975 pp. 20 and 21 as well as our following German patent applications / 3 / device for conversion from solar energy to electrical energy P 2629 641.3 - 13 / 4 / device for converting light energy into thermal energy P 2629 641.3 - 13/5 / device for converting solar energy into electrical energy P 2628 281.7 - 33 This Representations are all based on the following principle of light concentration: sunlight is captured in an inherently transparent layer, the fluorescence centers contains. The fluorescence centers absorb the radiation in a certain wavelength range, convert them into longer-wave radiation and re-emit them. Because the radiation is re-emitted in all directions, a very large part of this radiation remains due to total reflection in the slice and is transmitted in the slice plane. When the fluorescent dye is selected so that absorption and emission bands have as little overlap as possible, then this is the absorption length of the fluorescent light very large, i.e. large concentrator areas are possible. The concentrator can go out Plastic or glass are made in which the fluorescent molecules are dissolved, or also from a liquid solution contained between two transparent plates is. In Fig. 1 it is shown how a light beam L onto a fluorescent molecule of the Concentrator C hits, after the absorption is emitted with a wavelength shift and comes to the edge of the concentrator by total internal reflection. There he meets preferably with the interposition of an optical contact substance K (e.g.
hochviskose Silikonöle) auf eine Solarzelle S.highly viscous silicone oils) on a solar cell S.
In der Veröffentlichung von Weber und Lambe /1/ wird nur eine Ein-Schicht-Anordnung, kombiniert mit einer Solarzelle, angegeben, bei der das im sichtbaren Bereich absorbierte Sonnenlicht in Fluoreszenzlicht im Infraroten umgesetzt und konzentriert wird. Wegen dieser Art der Umsetzung der Solarenergie nennen diese Autoren ihre Anordnung "Gewächshaus-Lumineszenzkollektor", Auch bei der Anordnung, die in /2/ beschrieben ist, handelt es sich bezüglich der Führung des Fluoreszenzlichtes und der Solarzellen-Bestückung um eine Ein-Sc"#icht-Anordnung: Es werden dort zwar verschiedene Farbstoffe in übereinander angeordneten Schichten verwendet, aber die verschiedenen Schichten sind dort ausdrücklich immer optisch miteinander verbunden, so daß nicht spektral verschiedene Fluoreszenzbänder in optisch völlig getrennten Schichten geführt und unterschiedlichen spektral angepaßten Solarzellen zugeführt werden, wie dies in Mehrschichtsystemen geschieht, wie sie von uns in den Anmeldungen /3/, /4/ und /5/ vorgeschlagen wurden. In diesen Anmeldungen wurden ausführlich die Nachteile der Ein-Schicht-Systeme erläutert und Vorteile und mehrere neue Möglichkeiten beschrieben, die sich mit Mehrschicht-Systemen - kombiniert mit Solarzellen von unterschiedlichem Bandabstand - ergeben.In the publication by Weber and Lambe / 1 / only a one-layer arrangement is used, combined with a solar cell, in which the absorbed in the visible range Sunlight is converted into fluorescent light in the infrared and concentrated. Because this type of conversion of solar energy these authors call their arrangement "greenhouse luminescence collector", The arrangement described in / 2 / is also related to FIG Guiding the fluorescent light and the solar cell assembly around a one-light arrangement: It is true that there are different dyes in layers one on top of the other used, but the different layers are always there expressly optical interconnected so that not spectrally different fluorescence bands in optically completely separate layers and different spectrally matched solar cells as it happens in multi-layer systems, as it is done by us in the registrations / 3 /, / 4 / and / 5 / were proposed. In these registrations were the disadvantages of the single-layer systems explained in detail and advantages and several described new possibilities that deal with multi-layer systems - combined with Solar cells of different band gaps - result.
Der prinzipielle Aufbau eines Mehrschicht-Fluoreszenz-Kollektors ist in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2a zeigt einen Stapel von drei Kollektoren C1-C3 mit drei Solarzellen in inSerie. Die tbsorptions- und Emissionsspektren (letztere schraffiert) der Fluoreszenz-Moleküle in den Kollektoren sind in Fig. 2b skizziert. Da jeder Kollektor voll transparent für den nicht absorbierten Teil des Spektrums ist, ergibt sich auf diese Weise eine nahezu vollständige Trennung des Sonnenspektrums. Die Solarzellen besitzen Bandabstände, die an das zugehörige Emissionsband des Kollektors angepaßt sind.The basic structure of a multilayer fluorescence collector is shown in FIG. Fig. 2a shows a stack of three collectors C1-C3 with three solar cells in series. The absorption and emission spectra (the latter hatched) of the fluorescent molecules in the Collectors are sketched in Fig. 2b. Because each collector is fully transparent to the unabsorbed part of the spectrum is, in this way there is an almost complete separation of the solar spectrum. The solar cells have band gaps that correspond to the associated emission band of the collector are adapted.
In der vorliegenden Zusatz-Anmeldung soll eine Reihe von besonderen, vorteilhaften Ausführungsformen von Lichtkonzentratoren von der Art wie in unseren zitierten Anmeldungen angegeben werden.In the present additional application a number of special, advantageous embodiments of light concentrators of the type as in ours cited applications.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 Querschnitt durch einen Kollektor C. L ist der einfallende Lichtstrahl, K ist eine optische Kontaktsubstanz, S eine Solarzelle.Brief Description of the Drawings Fig. 1 Cross section through a Collector C. L is the incident light beam, K is an optical contact substance, Sa solar cell.
Fig. 2a) Querschnitt durch einen Stapel von Kollektoren C1-C3, S1-S3 = angepaßte Solarzellen.Fig. 2a) Cross section through a stack of collectors C1-C3, S1-S3 = adapted solar cells.
Fig. 2b) Emissions- und Absorptionsspektren der Farbstoffmoleküle, mit denen C1-C3 dotiert sind. Emission erfolgt bei ) 3.Fig. 2b) Emission and absorption spectra of the dye molecules, with which C1-C3 are doped. Issue takes place at) 3.
Fig. 3a) Querschnitt durch einen Kollektor, bestehend aus zwei Schichten C1, C2, wobei C1 und C2 Flüssigkeiten sind, die durch dünne Folien zusammengehalten werden. LS sind Luftzwischenräume zwischen C1 und C2, S1 und S2 sind Solarzellen. TP: Trägerplatte, DP: Deckplatte, SP: Seitenplatte.Fig. 3a) Cross section through a collector consisting of two layers C1, C2, where C1 and C2 are liquids held together by thin films will. LS are air gaps between C1 and C2, S1 and S2 are solar cells. TP: carrier plate, DP: cover plate, SP: side plate.
Fig. 3b) Querschnitt durch einen Folienbeuteleinsatz, bestehend aus drei Lichtkammern LS, zwei Kollektorschichten C1 und C2 sowie Spiegelschichten Sp.Fig. 3b) Cross section through a foil bag insert, consisting of three light chambers LS, two collector layers C1 and C2 and mirror layers Sp.
(Die Spiegel Sp können auch Bestandteil des Behälters SP sein.) Fig. 4 Absorptions- und Emissionsspektren eines Zweischicht-Kollektors mit besonders hohem Wirkungsgrad. A 1und 3 sind Emissionsbanden der unteren Schicht undr #4 Emissionsbanden der oberen Schicht. (The mirrors Sp can also be part of the container SP.) 4 absorption and emission spectra of a two-layer collector with special high efficiency. A 1 and 3 are lower layer emission bands, and r # 4 are emission bands the upper layer.
Fig. 5a) Quadratischer Zwischenschichtkollektor (Aufsicht) mit Absorptions- und Emissionseigenschaften nach Fig. 4. Sp sind Spiegel, S1 ist eine Solarzelle, angepaßt auf Wellenlänge 21 S2: Solarzelle, angepaßt auf 3. IF1 ist ein Interferenzfilter, das bei hohe Durchlässigkeit und bei 3 hohes Reflexionsvermögen hat. Für 1F2 gilt Entsprechendes.Fig. 5a) Square interlayer collector (top view) with absorption and emission properties according to Fig. 4. Sp are mirrors, S1 is a solar cell, adapted to wavelength 21 S2: solar cell, adapted to 3.IF1 is an interference filter, which has high transmittance and high reflectivity at 3. The following applies to 1F2 Corresponding.
Fig. Sb) Dreieckiger Zweischichtkollektor Fig. 6a) Querschnitt durch einen Zweischichtkollektor mit totaler Reemission in die obere Schicht C1, C2 = untere Schicht, Sp = Spiegel.Fig. 5b) Triangular two-layer collector Fig. 6a) Cross section through a two-layer collector with total re-emission in the upper layer C1, C2 = lower layer, Sp = mirror.
Fig. 6b) Andere Ausführung des gleichen Prinzips. C1 = obere Schicht, C2 = untere Schicht mit Lichtstreuzentren. F = Fluoreszenzfarbstoff, Sp = Spiegel.Fig. 6b) Another embodiment of the same principle. C1 = upper layer, C2 = lower layer with light scattering centers. F = fluorescent dye, Sp = mirror.
Fig. 7a) Querschnitt durch die Randzone eines Kollektors mit erhöhter Konzentration. C ist ein transparentes Medium mit Brechungsindex nl. KA ist ein Keilansatz mit Brechungsindex n2 > nl. Sp ist eine Verspiegelung, S eine Solarzelle.Fig. 7a) Cross section through the edge zone of a collector with increased Concentration. C is a transparent medium with a refractive index nl. KA is a Wedge approach with refractive index n2> nl. Sp is a mirror coating, S is a solar cell.
Fig. 7b) Querschnitt durch Kollektor mit erhöhter Konzentration. KA hat konvexe Grenzfläche.Fig. 7b) Cross section through collector with increased concentration. KA has convex interface.
Fig. 8 Perspektivische Darstellung einer Kombination Kollektor, Keilansatz, Solarzellen.Fig. 8 Perspective representation of a combination collector, wedge attachment, Solar cells.
5 = Solarzellen, Sp = Verspiegelung. 5 = solar cells, Sp = mirror coating.
n Fig. 9a) Querschnitt durch einen Kollektor mit verminderter Selbstabsorption. FS ist eine dünne Schicht mit fluoreszierenden Molekülen zwischen transparenten Platten, deren Brechungsindexverlauf in Fig. 9b) gegeben ist. n Fig. 9a) Cross section through a collector with reduced self-absorption. FS is a thin layer with fluorescent molecules between transparent ones Plates whose refractive index curve is given in Fig. 9b).
Fig. 9b) Verlauf des Brechungsindex n in z-Richtung.9b) Course of the refractive index n in the z-direction.
Fig. lo Querschnitt durch einen Kollektor-Konzentrator mit zweifacher Fluoreszenzumsetzung. C1 ist ein Kollektor mit Brechungsindex n1#1.5, C2 eine Schicht mit Brechungsindex n#2 2. S1, S2 sind Solarzellen.Fig. Lo cross section through a collector concentrator with twofold Fluorescence conversion. C1 is a collector with refractive index n1 # 1.5, C2 is a layer with refractive index n # 2 2. S1, S2 are solar cells.
Fig. 11 Querschnitt durch einen Dreischichtkollektor C1-C3 mit Interferenzfilter IF über C3.11 cross section through a three-layer collector C1-C3 with an interference filter IF over C3.
Fig. 12 Querschnitt durch einen Kollektor C mit eingebauten Fluoreszenzmolekülen.12 cross section through a collector C with built-in fluorescent molecules.
Fig. 13 Absorptions- und Emissionsspektrum eines idealen Fluoreszenzfarbstoffs.13 absorption and emission spectrum of an ideal fluorescent dye.
Fig. 3a stellt im Querschnitt einen Zwei-Schicht-Kollektor dar, bei dem die Kollektorschichten nicht wie bisher vorgeschlagen aus festen Platten mit eingelagerten Fluoreszenzstoffen bzw. selbsttragenden Küvetten, gefüllt mit fluoreszierenden Lösungen, bestehen, sondern aus flachen Folienbeuteln mit übereinanderliegenden Kammern, die abwechselnd mit Gas (Luft) bzw. fluoreszierenden Lösungen gefüllt sind.Fig. 3a shows in cross section a two-layer collector at which the collector layers are not made of solid plates as previously proposed stored fluorescent substances or self-supporting cuvettes, filled with fluorescent Solutions, consist of flat foil bags with one on top of the other Chambers that are alternately filled with gas (air) and fluorescent solutions.
Die mat fluoreszierenden Lösungen gefüllten Schichten C1 und C2 stellen dabei die lichtsammelnden ud -führenden Schichten dar. Die Folienschichtdicke würde etwa zwischen 30 und 150 /um liegen. Der in Fig. 3b gezeigte Folienbeuteleinsatz, der aus den Kollektorschichten C1 und C2 sowie aus den drei Luftkammern LS, sowie den Spiegelschichten Sp besteht, wird leicht zwischen eine untere Trägerplatte TP und eine transparente Deckplatte unter Zuhilfenahme von seitlichen Stützplatten gepreßt, so daß die Begrenzungsschichten der lichtführenden Schichten C1 und C2 planparallel werden und rechtwinklige Schmalseiten aufweisen. In Fig. 3a stellen S1 und S2 Solarzellen dar, die an die Lichtaustrittsflächen der Kollektoren C1 und C2 angepreßt sind. Die Luftschichten LS sorgen dafür, daß die Totalreflexion in den Kollektorschichten C1 und C2 nicht beeinträchtigt werden kann.Layers C1 and C2 filled with the mat fluorescent solutions the light-collecting and -guiding layers. The film thickness would between about 30 and 150 / µm. The foil bag insert shown in Fig. 3b, from the collector layers C1 and C2 and from the three air chambers LS, as well as consists of the mirror layers Sp, is easily between a lower support plate TP and a transparent cover plate with the help of side support plates pressed so that the confinement layers of the light guiding layers C1 and C2 be plane-parallel and have right-angled narrow sides. Set in Fig. 3a S1 and S2 represent solar cells that are attached to the light exit surfaces of the collectors C1 and C2 are pressed on. The air layers LS ensure that the total reflection in the collector layers C1 and C2 cannot be affected.
Die transparente Deckplatte DP muß selbst kein Licht leiten und kann deshalb aus billigstem Glas oder Kunststoff bestehen. Der Folienbeuteleinsatz kann z.B. in einem Stück. in Folienschweißtechnik hergestellt werden. Gegenüber den bisher vorgeschlagenen Kollektoren aus festen Platten oder Küvetten sinken die Anforderungen an die Lichtdurchlässigkeit des Folienmaterials sehr stark, da das Licht jetzt im Folienmaterial nur noch sehr kleine Wege zurückzulegen braucht. Das ist besonders im nahen Infrarot wichtig, wo im sichtbaren hochtransparente Kunststoffe wie Plexiglas und andere relativ stark absorbieren. Flüssigkeiten, die im sichtbaren und nahen Infrarot hochtransparent sind, lassen sich jedoch einfacher und billiger herstellen. Weitere wichtige Vorteile neben der außerordentlich billigen Herstellung der Kollektoren sind, daß sich hohe Lichtkonzentrationsverhältnisse erzielen lassen, da die Schichtdicken der Kollektorschichten C1 und C2 sehr klein gemacht werden können und daß die Foliensäcke bei Ausbleichen der Farbstoffe einfach ausgetauscht werden können.The transparent cover plate DP does not itself have to and cannot conduct light therefore consist of the cheapest glass or plastic. The foil bag insert can e.g. in one piece. are manufactured using foil welding technology. Compared to before proposed collectors from solid Plates or cuvettes sink the requirements for the transparency of the film material are very high, since the light now only needs to travel very short distances in the film material. This is particularly important in the near infrared, where highly transparent plastics are visible like plexiglass and others absorb relatively strongly. Liquids that are in the visible and near infrared are highly transparent, but can be made easier and cheaper produce. Other important advantages besides the extremely cheap production of the collectors are that high light concentration ratios can be achieved, since the layer thicknesses of the collector layers C1 and C2 are made very small can and that the plastic bags simply replaced when the dyes fade can be.
Hoher Wirkungsgrad läßt sich mit folgendem Zwei-Schichtkollektor erreichen, dessen den zwei Schichten zugeordnete Absorptions- und Emissionsbänder in Fig. 4 skizziert sind.High efficiency can be achieved with the following two-layer collector, its absorption and emission bands associated with the two layers in FIG. 4 are sketched.
Jeder Kollektor enthält zwei Fluoreszenzsubstanzen. Entsprechend sind in Fig. 4 in der oberen Schicht zwei Emissions bänder )2 und# 44 gezeigt, durch Schraffierung gekennzeichnet und jeweils daneben unschraffiert die Absorptionsbänder. In der unteren Schicht sind ebenfalls zwei Emissionsbänder, nämlich >1und 23und die zugehörigen 1 3 Absorptionsbänder. Die Absorptionsbänder beider Schichten zusammen überdecken lückenlos das Spektrum. Die Emissionsbänder liegen jeweils dort, wo in der jeweils anderen Schicht ein Absorptionsband liegt. Ein besonderer Vorteil dieser Art von Zuordnung der Spektren der beiden Schichten besteht darin, daß der Anteil des Fluoreszenzlichtes, der sonst verlorengeht, weil er nicht totalreflektiert wird, wesentlich reduziert werden kann. Wenn man unter die beiden Kollektorschichten einen Spiegel anordnet, wie in Fig. 4 angedeutet, so kann diese Art von Verlusten durch Nicht-Totalreflexion für die untere Schicht sogar auf Null gedruckt werden.Each collector contains two fluorescent substances. Are accordingly in Fig. 4 in the upper layer two emission bands) 2 and # 44 shown by Marked hatching and in each case next to it unshaded the absorption bands. In the lower layer there are also two emission bands, namely> 1 and 23 and the associated 1 3 absorption bands. The absorption bands of both layers together completely cover the spectrum. The emission bands are where in the other layer has an absorption band. A particular advantage this Kind of assignment of the spectra of the two layers consists in the fact that the proportion the fluorescent light, which is otherwise lost because it is not totally reflected, can be reduced significantly. If you put one under the two collector layers Arranges mirror, as indicated in Fig. 4, so this type of loss can through Non-total reflection for the lower layer can even be printed to zero.
Will man in dieser Anordnung, bei der jeweils zwei Fluoreszenzbänder in einer Kollektorschicht geführt werden, di-Umwandlung von Licht in elektrische Energie optimal gestalten, so muß man die beiden Fluoreszenzbänder am Rand der Kollektoren trennen und zwei verschiedenen Solarzellen mit angepaßtem Bandabstand zuführen. Dazu wird vorgeschlagen, gemäß Fig. 5, in der unter a) eine quadratische und unter b) eine dreieckige Kollektorschicht C in Draufsicht gezeigt ist, im Fall a) an den zwei benachbarten Rändern, an denen die unterschiedlichen Solarzellen 5 und S2 sitzen, jeweils unmittelbar vor der Solarzelle ein Interferenzfilter IF1 bzw. IF2 aus dielektrischen Vielfachschichten anzubringen (z.B. durch Aufdampfen), wobei jeweils ein Interferenzfilter nur für ein Fluoreszenzband durchlässig ist. Diese Lösung bietet sich an, weil die Interferenzfilter völlig verlustfrei sind, weil an das spektrale Trennvermögen der Filter gemäß Fig. 4 nur geringe Anforderungen gestellt werden (die auszusqrtierenden Fluoreszenzbänder sind von Natur aus schon sehr weit voneinander getrennt) und dementsprechend können die Durchlaßkurven der Interferenzfilter viel breiter als die Fluoreszenzbänder gemacht werden. Damit kann dann auch die Bedingung erfüllt werden, daß die Interferenzfilter für einen relativ großen Einfallswinkelbereich die nötige Filterwirkung zeigen. In Fig. 5 ist auch noch skizziert, daß die Ränder des Kollektors, die keine Solarzellen tragen, metallische Spiegelschichten Sp aufweisen.If you want in this arrangement, each with two fluorescent bands are guided in a collector layer, di-conversion of light into electrical The two fluorescent bands at the edge of the collectors have to be designed to optimize energy Separate and feed two different solar cells with an adapted band gap. For this purpose, it is proposed, according to FIG. 5, in which under a) a square and under b) a triangular collector layer C is shown in plan view, in case a) on the two adjacent edges on which the different solar cells 5 and S2 are located, in each case immediately in front of the solar cell an interference filter IF1 or IF2 made of dielectric Apply multiple layers (e.g. by vapor deposition), each with an interference filter is only permeable to a fluorescent band. This solution is recommended because the Interference filters are completely lossless because of the spectral separating power of the Filter according to FIG. 4 only low requirements are made (the Fluorescence bands are naturally very far separated from each other) and accordingly the transmission curves of the interference filters can be much wider than that Fluorescent bands be made. The condition that the interference filter show the necessary filter effect for a relatively large angle of incidence range. In Fig. 5 it is also sketched that the edges of the collector, which are not solar cells wear metallic mirror layers Sp.
Der Zwei-Schicht-Kollektor mit Spiegel (Fig. 4) kann zu einer sehr einfachen Anordnung modifiziert werden. Wenn man den oben aufgezeigten Umstand betrachtet, daß der untere Kollektor in der Anordnung mit unterlegtem Spiegel nach Fig. 4 prinzipiell verlustlos ist, so ergibt sich für manche Anwendungen eine Vereinfachung, wenn man die im unteren Kollektor absorbierte Strahlung in den oberen Kollektor reemittiert. Fig. 6a und 6b zeigen zwei Wege, dies zu bewirken. In Fig. 6a hat C2 eine solche Struktur, daß eine Lichtfortleitung längs der Schicht verhindert wird. So wird Licht - z.B. Licht, das bei 2 in C2 absorbiert wird - reemittiert bei 3 und in C1 absorbiert.The two-layer collector with mirror (Fig. 4) can become a very simple arrangement can be modified. Considering the above circumstance, that the lower collector in the arrangement with an underlying mirror according to FIG. 4 in principle is lossless, there is a simplification for some applications if one the radiation absorbed in the lower collector is re-emitted into the upper collector. Figures 6a and 6b show two ways of doing this. In Fig. 6a, C2 has one Structure that prevents light from propagating along the layer. This is how light becomes - e.g. light that is absorbed at 2 in C2 - re-emitted at 3 and absorbed in C1.
Es gehen keine Lichtquanten der Schicht C2 verloren, sondern die Photonen erleiden nur eine Degradation ihrer Energie. In Fig. 6b ist eine andere Möglichkeit gezeigt zur Konzentrierung der gesamten Strahlung in C1. C2 besteht aus einer lichtstreuenden Schicht, die mit einem Spiegel Sp hinterlegt ist. Auf der Oberseite von C2 befindet sich ein Überzug aus Fluoreszenzfarbe, welcher ganz ähnliche Eigenschaften aufweist wie die normalerweise in C2 gelösten Farbstoffe. Die Vorteile dieser zwei Modifikationen sind: Alle gesammelte Energie kann in C1 abgeführt werden (höhere Lichtkonzentration), C2 kann aus Material von niedriger Qualität bestehen als das von C1, weil die Lichtwege sehr kurz sind. Das gilt auch für die Eigenschaften der Fluoreszenzstoffe in C2, in dem Absorptions- und Emissispektren sich etwas überlappen dürfen.No light quanta from layer C2 are lost, but the photons only suffer a degradation of their energy. Another possibility is shown in Fig. 6b shown for the concentration of all radiation in C1. C2 consists of a light scattering Layer backed with a mirror Sp. Located on top of C2 a coating of fluorescent paint, which has very similar properties like the dyes normally dissolved in C2. The advantages of these two modifications are: All collected energy can be dissipated in C1 become (higher Light concentration), C2 may be made of lower quality material than that from C1 because the light paths are very short. This also applies to the properties of the Fluorescent substances in C2, in which the absorption and emission spectra overlap somewhat to be allowed to.
Fig. 7 zeigt im Querschnitt Kollektoren C, die einen Brechungsindex nl besitzen. An die Schmalseiten der Kollektoren sind keilförmige Lichtbündelungs-Ansätze KA aus transparentem Material vom Brechungsindex n2 optisch angeschlossen, wobei in der Ausführungsform in der rechten Bildha#lfte der Keilansatz KA nicht eben ist wie links im Bild, sondern eine zylindrisch gewölbte Fläche mit Linsenwirkung besitzt.Fig. 7 shows in cross section collectors C, which have a refractive index nl own. There are wedge-shaped light bundling approaches on the narrow sides of the collectors KA made of transparent material with a refractive index n2 optically connected, where In the embodiment in the right half of the picture, the wedge attachment KA is not flat as in the picture on the left, but has a cylindrically curved surface with a lens effect.
Die konisch zulaufenden Begrenzungen von KA sind metallisch verspiegelt. Am schmaleren Keilende sind die Solarzellen S angebracht. Der Brechungsindex n2 ist größer als nl, beispielsweise nl = 1,5 und n2 = 1,9. Durch diese Keilansätze wird Licht, das im Kollektor C nach rechts läuft, gebündelt auf die reduzierte Solarzellenfläche; die Konzentration der Strahlung wird erhöht. Allerdings sind dieser Art von nachträglicher Bündelung enge Grenzen gesetzt, dadurchdaß bei zu starker Verjüngung des Keils die einfallenden Strahlen schließlich ihre Ausbreitungsrichtung umkehren, ohne jemals die Solarzelle zu erreichen. Das Konzentrationsverhältnis kann mit solchen Hilfsmitteln, die rein geometrisch optisch wirken, knapp verdoppelt werden.The conical borders of KA are metallically mirrored. The solar cells S are attached to the narrower end of the wedge. The refractive index n2 is greater than nl, for example nl = 1.5 and n2 = 1.9. Through these wedge approaches light that runs to the right in collector C is focused on the reduced solar cell surface; the concentration of the radiation is increased. However, these are kind of an afterthought Bundling set narrow limits, as a result of the fact that if the wedge is tapered too much, the incident rays eventually reverse their direction of propagation without ever to reach the solar cell. The concentration ratio can be adjusted with such tools, which appear purely geometrically optically, are almost doubled.
Eine Nutzanwendung kann die eben beschriebene Konzentration durch Keilansätze bei folgendem Problem finden: In Fig. 8 ist perspektivisch durch Stricheln eine dreieckige Kollektorplatte, ein rechtwinkliges Dreieck bildend, mit verspiegelten Schmalseiten, gekennzeichnet mit Sp, dargestellt. Die Vorteile dieser Art der Kollektorform wurden in unseren früheren Anmeldungen erklärt.A practical application can achieve the concentration just described Find wedge approaches with the following problem: In Fig. 8 is perspective by dashed lines a triangular collector plate, forming a right triangle, with mirrored narrow sides, marked with Sp, shown. The advantages this type of collector shape was explained in our previous registrations.
Die Leuchtdichte des an der Hypothenuse des Dreieckskollektors austretenden Fluoreszenzlichtes ist jedoch, wie man leicht sehen kann, nicht konstant, sondern nimmt von der Mitte der Hypothenuse zu den Ecken des Dreiecks hin ab.The luminance of the emanating from the hypotenuse of the triangular collector However, as one can easily see, fluorescent light is not constant, but rather decreases from the center of the hypotenuse to the corners of the triangle.
Sie variiert maximal etwa um einen Faktor 2. In Fig. 8 ist weiterhin mit durchgezogenen Strichen ein Keilansatz gezeigt, bei dem im Unterschied zu Fig. 7 jetzt der Keilwinkel längs der Hypothenuse so variiert, daß das Konzentrationsverhältnis von der Mitte der Hypothenuse zu den Ecken des Dreiecks hin so ansteigt, daß die Bestrahlungsstärke der am schmaleren Ende des Keilansatzes angebrachten Solarzellen S örtlich konstant ist. Das ist die Voraussetzung dafür, daß alle Solarzellen S1 bis 5 dieselbe elektrische Spannung erzeugen.It varies by a maximum of about a factor of 2. In FIG. 8 is still with solid lines a wedge approach is shown, in which, in contrast to Fig. 7 now the wedge angle varies along the hypotenuse so that the concentration ratio from the center of the hypotenuse to the corners of the triangle so increases that the Irradiance of the solar cells attached to the narrow end of the wedge attachment S is spatially constant. This is the prerequisite for the fact that all solar cells S1 to 5 generate the same electrical voltage.
n Weisen nun die einzelnen Solarzellen S1 bis 5 die gleiche n Fläche auf, wie in Fig. 8 angedeutet, so erzeugen alle Solarzellen S1 bis 5 gleichen Photostrom, können also als n elektrisch gleiche Stromquellen wahlweise parallel, seriell oder kombiniert geschaltet werden und zwar so, daß wegen der angepaßten Innenwiderstände der Solarzellen die elektrische Nutzleistung ihren Maximalwert erreicht. n If the individual solar cells S1 to 5 now have the same n area on, as indicated in Fig. 8, all solar cells S1 to 5 generate the same photocurrent, can therefore as n electrically identical current sources either in parallel, in series or be switched combined in such a way that because of the matched internal resistances of the solar cells, the useful electrical power reaches its maximum value.
Es wurde mehrfach ausgeführt, daß die Selbstabsorption des Fluoreszenzlichtes im Kollektor, hervorgerufen durch Überlappung von Absorptions- und Emissionsspektrum eines Fluoreszenzstoffes, eine für den Wirkungsgrad des Kollektors außerordentlich wichtige Rolle spielt. In Fig. 9 soll nun ein Ausführungsbeispiel eines Kollektors erläutert werden, mit dem sich auch bei Vorhandensein einer nicht vernachlässigbaren Überlappung der Spektren eines Farbstoffes, hoher Wirkungsgrad erzielen läßt. Das Ziel dieser Methode ist es, die Laufstrecken im fluoreszierenden Medium so weit wie möglich zu reduzieren. Dies läßt sich nach Fig. 9a erreichen, indem eine dünne Fluoreszenzschicht FS (eine flüssige oder feste Farbstofflösung) zwischen zwei transparente Platten gebettet wird, die einen von der Mittelschicht (Z = 0) nach außen in Z-Richtung abnehmenden Brechungsindexverlauf aufweisen. Ein solcher Brechungsindexverlauf n (Z) ist in Fig. 9b skizziert. Außerhalb der Sandwich-Anordnung hat man den Brechungsindex n = 1 der umgebenden Luft. Wie in Fig. 9a durch die gekrümmten Linien dargestellt, kann das Fluoreszenzlicht auf kurzem Wege die Schicht FS verlassen. Es werden wegen des Brechungsindex-Gradienten die Strahlen schließlich in parallelen Ebenen geführt, sie passieren später nicht mehr die Mittelschicht FS, in der sie Selbstabsorption erfahren würden. Dieses Breohungeindeirprofil erhält man naob prinzipiell bekannten Dosierungsiaßnaben.It has been stated several times that the self-absorption of fluorescent light in the collector, caused by the overlap of the absorption and emission spectrum a fluorescent substance, one extraordinary for the efficiency of the collector important Role play. An exemplary embodiment of a collector will now be explained in FIG with which, even if there is a non-negligible overlap the spectra of a dye, high efficiency can be achieved. The goal of this Method is to run the distances in the fluorescent medium as much as possible to reduce. This can be achieved according to FIG. 9a by adding a thin fluorescent layer FS (a liquid or solid dye solution) between two transparent plates is embedded, the one from the middle layer (Z = 0) outwards in the Z-direction show decreasing refractive index curve. Such a refractive index curve n (Z) is sketched in Fig. 9b. Outside the sandwich arrangement one has the refractive index n = 1 of the surrounding air. As shown in Fig. 9a by the curved lines, the fluorescent light can leave the layer FS over a short distance. It will be because of the refractive index gradient finally guided the rays in parallel planes, They later no longer pass through the middle class FS, in which they self-absorption would experience. This Breohungeindeirprofil is obtained naob in principle known Dosage Hubs.
Eine andere Methode, die Selbstabsorption zu überspielen, wird in Fig. lo dargestellt. Es sind im Querschnitt dickere Kollektorplatten C1 gezeigt, mit dem niedrigeren Brechungsindex beispielsweise n = 1,5, die über eine optische Kontaktierungsschic;t einer zweiten dünneren Kollektorplatte C2 in Serie geschaltet ist. Die Plattenebene von C2 ist um 900 gegen die Plattenebene von C1 gedreht. C2 weist einen höheren Brechungsindex, beispielsweise n2 = 2, auf.Another method of covering up self-absorption is in Fig. Lo shown. Collector plates C1 with a thicker cross-section are shown, with the lower refractive index, for example, n = 1.5, which has an optical Contacting layer of a second, thinner collector plate C2 connected in series is. The plane of the plate of C2 is rotated by 900 in relation to the plane of the plate of C1. C2 has a higher refractive index, for example n2 = 2.
C1 enthält einen ersten Fluoreszenzfarbstoff, der möglichst einen großen Teil der Solarstrahlung absorbiert, C2 enthält einen zweiten Fluoreszenzfarbstoff, der das Fluoreszenzlicht aus C1 absorbiert, in Fluoreszenzlicht umsetzt und konzentriert an Solarzellen S1 und S2 am Rand von C2 abgibt. Die Schichtdicke von C1 ist relativ dick z.B. 1 cm, so daß die Farbstoffkonzentration klein gemacht werden kann. In C1 müssen lange Lichtwege zurückgelegt werden, aber wegen der niedrigen Farbstoffkonzentration bleiben die Selbstabsorptionsverluste klein. Die Schichtdicke von C2 ist klein, z.B. 1 mm, so daß man hohe Farbstoffkonzentration braucht. Da die Lichtwege in C2 sehr klein sind, fällt - trotz hoher Konzentration - dort die Selbstsbsorption ebenfalls nicht ins Gewicht. Der hohe Brechungsindex von C2 ist nötig, damit auch in C2 das Fluoreszenzlicht durch Totalreflexion eingefangen und geführt wird. Es ist noch hinzuzufügen, daß es bei diesem zweistufigen Fluoreszenzkollektor zur Minimierung der Lichtwege ebenfalls von Vorteil ist, sowohl C1 als auch C2 aus aneinandergereihten Dreieckskollektoren zusammenzusetzen.C1 contains a first fluorescent dye, if possible one absorbs a large part of the solar radiation, C2 contains a second fluorescent dye, which absorbs the fluorescent light from C1, converts it into fluorescent light and concentrates it gives off to solar cells S1 and S2 at the edge of C2. The layer thickness of C1 is relative thick, e.g., 1 cm, so that the dye concentration can be made small. In C1 has to travel long light paths, but because of the low dye concentration the self-absorption losses remain small. The layer thickness of C2 is small, e.g. 1 mm, so that a high concentration of dye is required. Since the light paths in C2 are very small, self-sorption also falls there - despite the high concentration does not matter. The high refractive index of C2 is necessary so that also in C2 Fluorescent light is captured and guided by total reflection. It is still add that it is minimized with this two-stage fluorescence collector the light paths is also beneficial, both C1 and C2 from lined up Assemble triangular collectors.
In Fig. 11 ist eine weitere Alternative zur Überwindung der Selbstabsorptionsverluste dargestellt. In einem mehrstufigen Kollektor, z.B. mit Spektren nach Fig. 2b, wird ein großer Teil der in der ersten Stufe reabsorbierten Lichtquanten aus dem Kollektor herausgestreut. Das so gestreute Licht liegt dann aber auf der Absorptionsbande der nächsten Stufe und wird so wieder eingefangen. Der gleiche Vorgang erfolgt in den folgenden Stufen, so daß schließlich ein großer Teil der Energie in der letzten, z.B. in der dritten Stufe gesammelt wird. Um nun diese Energie voll zu gewinnen, kann man die letzte Stufe mit einem Interferenzfilter IF abdecken. der für den größten Teil der Absorptionswellenlänge in dieser Stufe durchlässig ist, aber im Überlappungsbereich der Spektren reflektiert. So wird das reabsorbierte Licht so lange reflektiert, bis es schließlich in eine Richtung und in einem Wellenlängenbereich gelangt, der in C3 geführt wird.In Fig. 11 is another alternative for overcoming the self-absorption losses shown. In a multi-stage collector, e.g. with spectra according to Fig. 2b, a large part of the light quanta reabsorbed in the first stage from the collector scattered out. The light scattered in this way then lies on the absorption band the next stage and is captured again. The same process takes place in the following stages, so that finally a large part of the energy in the last, e.g. in the third Level is collected. To now this energy to gain fully, one can cover the last stage with an interference filter IF. which is transparent to most of the absorption wavelength at this stage but is reflected in the overlap area of the spectra. So the reabsorbed Light reflects until it finally goes in one direction and in one wavelength range which is carried out in C3.
Eine andere Möglichkeit, die Selbstabsorptionsverluste in Fluoreszenzkollektoren zu vermeiden, ist in Fig. 12 angegeben. Hier ist wieder im Querschnitt eine Kollektorplatte C gezeigt, auf die von oben her Sonnenlicht fällt.Another possibility, the self-absorption losses in fluorescence collectors to avoid is indicated in FIG. Here is a collector plate again in cross section C shown on which sunlight falls from above.
Die Fluoreszenz-Moleküle in C, die durch zigarrenförmige Gebilde angedeutet sind, seien durch bekannte Methoden mit ihren Molekülachsen parallel zueinander ausqerichtet.The fluorescent molecules in C, indicated by cigar-shaped structures are, by known methods, with their molecular axes parallel to each other aligned.
Bei den gezeichneten Molekülen links deutet ein Doppelpfeil die Polarisationsrichtung des Elektronenübergangs des Fluoreszenzmoleküls bei Licht-Absorption an. Sind die Fluoreszenzmoleküle so ausgesucht, daß der Elektronenübergang, der bei der Licht-Emission stattfindet, näherungsweise um 900 gegenüber dem der Absorption gedreht ist, wie in Fig. 12 bei den Molekülen in der rechten Hälfte gezeichnet, so kann das Fluoreszenzlicht nicht wieder - bzw. nur geringfügig - in anderen gleichen Fluoreszenz-Molekülen absorbiert werden wegen der verschiedenen Polarisation der Übergänge, und zwar unabhängig davon, ob sich Emissions-und Absorptionsband des Fluoreszenzmoleküls überlappen oder nicht. Starke Reduktion der Selbstabsorption resultiert.For the molecules drawn on the left, a double arrow indicates the direction of polarization of the electron transfer of the fluorescent molecule upon light absorption. Are the Fluorescent molecules are selected in such a way that the electron transition takes place when light is emitted takes place, approximately by 900 compared to which the absorption is rotated, like drawn in Fig. 12 for the molecules in the right half, the fluorescent light not again - or only slightly - in other identical fluorescent molecules are absorbed because of the different polarization of the transitions, independently whether the emission and absorption bands of the fluorescent molecule overlap or not. The result is a strong reduction in self-absorption.
Außerdem würde auch der Anteil des nicht totalreflektierten Lichtes stark gemindert, da ein Dipol nicht in Richtung seiner Achse abstrahlt, wie ebenfalls in Fig. 12 rechts außen angedeutet.In addition, the proportion of the light that is not totally reflected would also be greatly reduced, since a dipole does not radiate in the direction of its axis, as also in Fig. 12 indicated on the right outside.
Die in den Kollektoren verwendeten Fluoreszenzfarbstoffe müssen bestimmte Bedingungen erfüllen. Der Energieverlust durch Fluoreszenz (Stokes-Verlust) soll möglichst klein gehalten werden. Diese Bedingung wird erfüllt durch eine möglichst schmale Emissionsbande, die möglichst nah an der langwelligen Absorptionskante liegt. In Fig. 13 ist gezeigt, daß die Energielücke E einer Halbleitersolarzelle höchstens bei der der Wellenlänge h(E) entsprechenden Energie liegen darf, d.h. der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad wird durch die vorhin erwähnten Parameter bestimmt.The fluorescent dyes used in the collectors must be specific Satisfy conditions. The loss of energy due to fluorescence (Stokes loss) is supposed to be kept as small as possible. This condition is met by a possible narrow emission band that is as close as possible to the long-wave absorption edge. In Fig. 13 it is shown that the energy gap E of a semiconductor solar cell is at most at which the energy corresponding to the wavelength h (E) may lie, i.e. the photoelectric Conversion efficiency is determined by the parameters mentioned earlier.
Das Gleiche gilt für den thermischen Umwandlungswirkungsgrad, der durch a a bestimmt wird. Ein Beispiel für 2 Fluoreszenzfarbstoffe, die diese Bedingungen erfüllen, sind die Chelate der seltenen Erden.The same goes for the thermal conversion efficiency, the is determined by a a. An example of 2 fluorescent dyes that meet these conditions meet are the rare earth chelates.
L e e r s e i t eL e r s e i t e
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