DE2917143A1

DE2917143A1 - Lumineszierender verbundsonnenkollektor und -konzentrator

Info

Publication number: DE2917143A1
Application number: DE19792917143
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1978-05-03
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1979-11-08
Also published as: PT69555A; IL57022A0; BR7902698A; GR72466B; IN151418B; IT7948925A0; FR2425152B1; MX147853A; ES480135A1; AU509852B2; IL57022A; GB2023633A; GB2023633B; AU4652679A; JPS54146647A; IT1116575B; FR2425152A1

Description

Die Erfindung betrifft die Art der Belichtung von Halbleitern durch Sonnenlicht zur Umwandlung wenigstens eines Teils desselben in elektrische Energie. Derartige Einrichtungen zur Umwandlung von elektromagnetischer Energie in Elektrizität sind als photovoItaische Zellen oder Photozellen bekannt, und allgemein übliche Beispiele derartiger Photozellen sind gegeben durch Silizium- oder Galliumarsenid-Halbleiter mit P-N - Verbindungen« Xm allgemeinen ist auf jeder Seite des Halbleiters eine elektrische Leitung an die P-N -Verbindung gelegt,

Halbleiter-Photozellen sind sehr kostspielig; infolgedessen ist es allgemein üblich, das eine gegebene Halbleiter-Photozelle erreichende Sonnenlicht zu sammeln und zu konzentrieren, so daß keine so äußerst weiten Flächen aus Halbleitermaterial verwendet zu werden brauchen, wie ohne eine derartige Sammelanlage erforderlich wäre· Die üblichen Sammelanlagen waren bisher optische Systeme, in denen Linsensystome das Licht konzentrierten und es auf eine gegebene Photozelle fokussierten·

Bin solches Linsensystem war und ist jedoch relativ kostspielig und ist nicht brauchbar bei »erStreutem Licht an einem wolkigen Tag· Es ist jedoch kürzlich ein anderer Typ eines Kollektors und Eonzentrators für die auf einer Halbleiter-Photozelle auftreffende Strahlung konzipiert worden« Beispielsweise offenbaren Weber und Lambe in "Applied Optics", Band 15» Seiten 2299-23OO, vom Oktober 1976, ein System, durch welches ein großflächiges Stück Blattmaterial , wie beispielsweise starrer Kunststoff oder ein mit einem luraine·»zierenden Material dotiertes

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Glas der Sonnenstrahlung ausgesetzt wird. Das lumineszierende Medium hat im Idealfall eine starke Absorption gegenüber Sonnenstrahlen, insbesondere in dem sichtbaren Bereich, vo das Sonnenspektrum seine Spitze hat, und sendet eine elektromagnetische Strahlung von größerer Weilerilänge, die für die Erregung der Halbleiter-Photozelle geeignet ist« Ein großer Teil des von der lumineszierenden Spezies emittierten Lichtes wird effektiv in dem Sammler bei im wesentlichen totaler innerer Reflexion eingefangen, bis das Licht den Bereich erreicht, wo eine Photozelle, vie beispielsweise eine Silizium-Photozelle, optisch mit einem kleinen Bereich, beispielsweise einer Kante des Sammlers, verbunden ist· Auf diese Weise wird das Licht von der Sonne nicht nur in eine geeignetere Wellenlänge zur Erregung der Photozelle umgewandelt, sondern wird auch konzentriert, da das von dem großen Bereich des Sammlers empfangene Licht nur in den kleinen Bereich hinein entweicht, wo die Photozelle optisch mit dem Sammler verbunden ist·

Mit dem zuerst erwähnten Artikel sollte ein weiterer Artikel gelesen werden, und zwar von Levitt und Weber, der in Applied Optics, Band 16, Nr. 10 vom Oktober 1977, Seiten 2684-2689 erscheint.

Zu den weiteren Veröffentlichungen, die zum Verständnis des allgemeinen Rahmens der vorliegenden Erfindung beitragen, gehören Goetzberger, Applied Physics, 14, 123-139, 1977» Deutsche Patentanmeldung 2620115, bekanntgemacht am 10. November 1977 (gegenüber der vorliegenden Erfindung jedoch nicht vorveröffentlicht) und Deutsche Patentanmeldung 2554226. bekanntgemacht aic 8, Juli

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■ι.

1977» auf die in dex> vorgenannten Patentanmeldung Bezug genommen wird, und di· am Rande von gewissem Interesse ist·

Es behandeln außerdem zahlreiche Patente die Umwandlung von Sonnenenergie in unterschiedliche Wellenlängen durch lumineszierende oder fluoreszierende Schichten und auf eine Photozelle auftreffendes emittiertes Licht; Beispiele sind US-Patente 3.426.212 und 3,h8k.6o6_t welche Jedoch nicht die Idee der Konzentration des Lichtes von einem weiten Bereich und Sammlung desselben über einen sehr viel kleineren Bereich mittels optischer Verbindung mit einer Halbleiter-Photozelle von relativ kleinem Bereich beinhalten.

In der neueren Konstruktion nach dem Stand der Technik wie in der obenerwähnten Veröffentlichung von Weber und Larabe offenbart, in welcher ein sogenannter "lumineszierender Treibhauskollektor¹' beschrieben wird, muß da» lumineszierende Medium oder die Schicht aus praktischen Gründen selbsttragend sein. Die lumineszierende Schicht muß daher offenbar wenigstens einen halben Millimeter dick sein, wenn sie nur eine Größe von zehn Zentimeter je Seite hat, oder sie muß erheblich dicker sein, wenn sie eine Größe von beispielsweise Einern Meter je Seite hat.

Sie Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer lumineszierenden Kollektor-Konzentratorvorrichtung für Sonnenenergie von erhöhter Leistungsfähigkeit.

Insbesondere soll eine lumineszierende Sonneaenergiekollektor-

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» 12 -

konzentratorvorrichtung geschaffen werden, die an einem kleinen Bruchteil ihrer Oberfläche optisca mit einer Halbleiter-Photozelle verbunden ist.

Weitere Merkmale, sowie Vorzüge und Gesichtspunkte der Erfindung gehen aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und Ansprüchen hervor.

Gemäß der Erfindung vird eine sehr dünne, oder wenigstens eine relativ sehr dünne lumineszierende Schicht in gutem optischen Kontakt auf einer strahlungsleitendcn Unterstutzungeschicht gelagert ("in optischen Kontakt" bedeutet,daß an der Grenzfläche der Unterstützungsschicht unter der lumineszierenden Schicht eine Mindestreflexion vorhanden ist), vo die Unterstützungsschicht für ihren Bereich dick genug ist, selbsttragend ra sein« Somit ist die Unters tut zunge schicht im allgemeinen wenigstens einen halben Millimeter dick, üblicherweise dicker, und weist gegenüber der dünnen lumineszierenden Schicht ein Dickenverhältnis von mehr als 4s1, üblicherweise sehr viel höher, auf. Es ist allgemein zu bevorzugen, daß der Brechungsindex der lumineszierenden Schicht im wesentlichen der gleiche oder etwas geringer ist als der Brechungsindex der Unterstutzungsschicht, um die Reflexion an der Grenzfläche auf ein Minimum herabzusetzen, obwohl aus Gründen, die im folgenden noch zu erörtern sind, in bestimmten Fällen die umgekehrte Situation toleriert werden kann.

Zum besseren Verständnis der fundamentalen Grundsätze der Erfindung wird nunmehr auf die Figuren von 1 b·» s k Bezug genommen. Figur 1

9 0S ;j', β / η a 9 κ

ORDINAL INSPECTED

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zeigt eine hypothetische Darstellung der Absorptions- und Emissionsbänder einer gegebenen lumineszierenden Spezies Ton einer gegebenen Konzentration in der lumines zierenden ¥irtschicht. Figur 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht •iner einzelnen dicken ScMcIit, welche über ihren gesammten Bereich eine lumineszierende Spezies enthält· Figur 3 zeigt eine dünnere Schicht, die über ihren ganzen Bereich die gleiche lumineszierende Spezies bei einer höheren Konzentration enthält, während Figur k eine Verbundschicht gemäß der Erfindung zeigt, in welcher die lumineszierende Spezies in der unteren Schicht dieselbe Konzentration hat wie in Figur 3 und die obere Schicht die Stützschicht ist·

Die Grundsätze der Erfindung werden deutlicher ersichtlich bei einer Betrachtung dieser Zeichnungen· Zahlreiche lumineszierende Materialien wie fluoreszierende organische Farben weisen zwischen ihrem Absorptions- und Emissionsband eine gewisse Überlappung auf, wie in Figur 1 gezeigt· Bei der Art der Kollektor- oder Konzentratorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung würde ein großer Teil der in dem Bereich der Überlappung emittierten Energie wieder absorbiert werden und verloren gehen, was Fachleuten auf diesem Gebiet verstehen we^vlen. Diese Wirkung wird schwerwiegender bei zunehmender Konzentration der Farbe* Erstens würde der Wellenlängenbereich der Überlappung in dem Absorptions- und Emissionsspektrum nach Figur 1 erheblich größer sein. Ferner würde, da die Farbkonzentration in dem dünneren Film zur Erhaltung derselben Absorption erhöht wird, ein Verlust durch erneute Absorption aus diesem

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Grunde allein zunehmen. So ist bei Betrachtung der Figuren 2,

3 und 4 mit 1 ein dickes selbsttragendes lumineszierendes Material von einer Dicke t bezeichnet, bestehend aus einem festen Wirt, der eine lumineszierende Spezies in einer Konzentration C₁ enthält, 2 be^eitshnet ein riel dünneres lumineszierendes Material mit einer Dicke t_, bestehend aus demselben Virt, welcher die gleiche lumineszierende Spezies in der Konzentration c₂ enthält. In Fig· 4 befindet sich das lumineszierende Material 5» das identisch zu dem Material 2 nach Fig. 3 ist, in optischer Berührung mit einem dickeren, selbsttragenden Material

4 Ton hoher optischer Qualität, vetches in diesem Fall keine lumines zierende Spezies enthält, und wird von diesem Material gestützt. Das Bezugszeichen 6 zeigt in Jeder Figur einen einzelnen Strahl, der in jeder Figur innen über eine Strecke d^ oder d_ bei einem gegebenen Winkel oC total reflektiert wird. Damit die oberen Platten dieselbe Absorptionsleistung für das einfallende Sonnenlicht haben, mu/3 die Gleichung C₁ t.. = c„ t„ erfüllt sein, wo C₁ und C₂ die Farbkonzentrationen in den Platten 1,2 und 5 sind. Es ist außerdem leicht ersichtlich, daß, da t./t- = di/dp *^s*» ^{in der} gesamten innen reflektierten Lumineszenz bei Durchgang durch die Entfernungen I₁ I₂ und 1 quer über die Platten der Figuren 2, 3 bzw. 4 der gleiche Verlust durch erneute Absorption auftritt. Aus dem Obigen ist hiermit ersichtlich, daß die gleiche niedrige Resorption erreicht werden kann aus einer sehr dünnen Schicht des Virtmaterials, dotiert bei hoher Konzentration, welches auf einer dicken klaren Platte gelagert ist, vas mit der dicken Platte bei niedrigerer Konzentration erreicht werden kann. Natürlich zeigt Fig. 4 die idealisierte Situation,

• ··/* 5

ORIGINAL

in welcher der Brechungsindex von h derselbe ist wie der von 5. Venn der Index in den beide/i Materialien etwas unterschiedlich ist, dann tritt selbstverständlich in dem Winkel ein gewisser Wechsel auf, wenn der Strahl in Fig. k in h oder ggf· 5 eintritt, und somit weicht die Entfernung 1 in Fig. k etwas von 1 in Fig. 2 ab, jedoch sind das Prinzip und die Vorteile der Erfindungsstruktur dennoch zutreffend· Darüber hinaus sollte im Idealfall der Brechungsindex η der dünnen Schicht gleich dem Wert η der dicken Schicht oder kleiner als dieser sein, jedoch ist auch das umgekehrte Verhältnis möglich, wenn eine bestimmte Kombination der Unterlagenschicht und dünnen Schicht mit ihrer rumineszierenden Spezies hinsichtlich der Mengenleistung der Lichtumwandlung besonders vorteilhaft ist und daher ein gewisser Lichtverlust aufgrund der nachteiligen Beziehung der Indices in Kauf genommen werden kann«

Fig« 5 zeigt einen lumineεzierenden Sonnenkollektor gemäß der Erfindung. Fig. 6 zeigt einen lumineszierenden Sonnenkollektor mit einer Siliziumhalbleiter-Sonnenfotozelle, die eine Kante desselben bedeckt. An die Siliziumzelle sind elektrische Leitungen angeschlossen, die jedoch nicht gezeigt sind. Gleiche Teile tragen in den Figuren 5 und 6 gleiche Bezugszeichen·

In Fig. 5 enthält der Sonnenkollektor 10 eine dicke selbsttragende Schicht 12 aus einem Material, das in der Lage ist, eine elektromagnetische Strahlung zu leiten, und eine dünne Schicht 14 aus Kunststoff, Glas, einem Gel oder anderem geeigneten Wirtmaterial, welches wenigstens eine lumineszierende Spezies enthält, die in

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der Lage ist, das einfallende Sonnenlicht zu absorbieren und eine elektromagnetische Strcihlun* in einer anderen Wellenlänge, allgemein von einer längeren Wellenlänge , zu emittieren. Es sind drei Kanten des Kollektors versilbert oder anderweitig überzogen, um das Licht za reflektieren, während die Kante nicht überzogen ist. Xm Betrieb vird das von der Sonne auf die eine oder andere Seite des ausgedehnten Bereichs auftreffende Licht in der Schicht 14 absorbiert und erregt die lumineszierende Spezies, welche eine Strahlung bei gewünschten Wellenlängen emittiert, wie bereits im vorhergehenden in bezug auf Fig. h beschrieben.

Bin großer Teil der emittierten Strahlung wird durch den Prozeß der inneren totalen Reflexion und die Reflexion von den vorspiegelten Kanten vor und zurück reflektiert, bis das konzentrierte Licht das Fenster der Kante 16 erreicht, wo es entweicht und seiner Verwendung, beispielsweise in Fig. 6, zugeführt wird.

Fig· 6 ist identisch mit Fig. 51 abgesehen davon, daß die Kante (die in Fig. 5 mit 16 bezeichnet ist) eine Halbleiterfotozelle 18 aufweist, wie beispielsweise eine Siliciumzelle mit einer P-N-Verbindung, die optisch mit ihr gekoppelt ist. Dies kann durchgeführt werden beispielsweise durch Anordnung eines Antireflexionsüberzugs auf der Vorderseite der Siliciumzelle und Zwischenschaltung eines Ölfüns mit einem mittleren Brechungsindex (im allgemeinen 1,5) zwischen der Siliciumzelle und der Kante des lumineszierenden Sonnenkollektors oder Konzentrators·

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Während in Verbindung mit der Beschreibung der Figuren 5 und 6 •rläutert wurde, daß drei Kanten einen reflektierenden Überzug haben, brauchen doch im weitester. Bereich der Erfindung die Kanten nicht mit einem reflektierenden Überzug überzogen zu werden· Der Konzentrator arbeitet in perfekter Weise ohne einen derartigen Überzug, natürlich vird das konzentrierte Licht jedoch durch alle unverspiegelten Kanten emittiert. Wie aus dem folgenden ersichtlich, ist es möglich und in einigen Fällen definitiv in Betracht gezogen, daß die unterstützende Schicht gemäß der Erfindung nach den Figuren h_t 5 und 6 eine lumineszierende Spezies enthält» jedoch geht aus der Erläuterung des grundsätzlichen Vorteils der erfindungsgemäßen Konstruktion, wie in Verbindung mit den Figuren 1-4 erläutert hervor, daß (i) die dicke Stützschicht 1 hauptsächlich eine strahlungsleitende Schicht ist, insbesondere für die von der lumineszierenden Spezies in der dünnen lumineszierenden Schicht emittierte Strahlungsenergie und (2) in ihrer allgemein bevorzugten Ausführungsform gegenüber der Strahlungsenergie weniger absorbierend ist als die dünne Schicht, jedoch nicht immer. Beispielsweise kann die dicke Schicht 12 nach den Figuren 5 und 6 eine lumineszierende Spezies A enthalten, welche die von der lumineszierenden Spezies B in der dünnen Schicht i4 emittierten Wellenlängen absorbiert und von ihnen erregt wird, wobei die Spezies A dann noch längere Wellenlängen emittiert.

Bei einem Studium der vorliegenden Erfindung treten mehrere Vorteile der erfindungsgemäßen Struktur in Erscheinung. Einige von ihnen sind wie folgt:

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· Aus praktischen Gründen war vor Bekanntwerden der vorliegenden Erfindung eine bestimmte Torrn von Acrylharz oder Kunststoff, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, der einzig wirtschaftlich verwendbare Wirt für organische lumineszieren.de Materialien· Es war das einzige Material, das wetter- und UV-lichtbeständig war, die richtigen Übertragungseigenschaften hatte und mit den üblichen fluoreszierenden Materialien verträglich und zu einem genügend niedrigen Preis erhältlich war, um unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten praktisch verwendbar zu sein·

Zn der vorliegenden Erfindung hat die dünne lumineszierende Schicht vorzugsweise eine Dicke von nicht mehr als 0,25 mm, ungeachtet dessen, ob sie mehr als eine lumineszierende Spezies enthält oder nicht, und die Schicht 14 kann daher aus den exotischen (kostspieligen) Materialien ausgewählt werden, um sie den lumineszierenden Materialien am besten anzupassen. Bs ist somit hinreichend bekannt, daß das Wirtmaterial die Eigenschaften des lumineszierenden Materials, beispielsweise einer darin enthaltenen Farbe, synergistisch begünstigt oder verschiebt. Beispielsweise wird die Trennung der Spitzen der Absorptions- und Emissionsspektren durch die Eigenschaften des Lösungsmittels, beispielsweise die statische Dielektrizitätskonstante, beeinflußt.

2. Während die dicke oder unterstützende Schicht 12 noch ziemlich wenig kostspieliges Acrylharz hoher Qualität sein kann, ist es doch ein bedeutender Vorteil, daß die Unterstützungsschicht Glas mit seiner hohen optischen Qualität, seinen

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äußerst niedrigen Kosten und niedrigen Absorptionscharakteristika sein kann. Docl· können in dem Kollektor noch, wärmeempfindliche organische lumineszierende Materialien verwendet werden, aber in der dünnen Schicht, bestehend aus einem organischen Medium wie einem Kunststoff»

3. Die Möglichkeit der Verwendung von Glas als dicke Stützschicht gestattet ggf· eine Dotierung desselben mit einem Ion wie dem Uranylion oder Mn , welche in niedrigen Wellenlängen absorbieren und in den sichtbaren Wellenlängen, die von einer geeigneten Farbe oder einem Chelat wirksam absor-. biert werden, welches in der grundlegenden Plastikschicht die lumineszierende Spezies darstellt, emittieren. Oder es kann Ce in das Glas eingearbeitet werden, da es in dem UV-Bereich absorbiert und somit den Kunststoff und das organische lumineszierende Material in der Kunststoffschicht gegenüber einer Verschlechterung durch UV-Strahlung schützt. Darüber hinaus ist das Ce lumineszierend und emittiert in dem sichtbaren Spektrum und wird somit in Licht umgewandelt, welches zur Erregung der organischen lumineszierenden Farbe oder irgendeiner anderen lumineszierenden Spezies in der dünnen Kunststoffschicht benutzt werden kann.

k. Ein bemerkenswerter Vorteil besteht darin, daß bei Verwendung von zwei oder mehr lumineszierenden Spezies in der dünnen Kunststoffschicht in der in dem Papier von Swartz et al. in Optics Letters, Band 1, Nr. 2, August 1977 auf Seite 73-75

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offenbarten Velse diese bei einer ausreichend hohen Konzentration benutzt werden können, so daß eine strahlungslose (intermolekulare) Übertragung von Energie von der einen lumineszierenden Spezies zur nächsten entsteht* Eine derartige strahlungslose Übertragung ist in sehr viel höherem Maße energiewirksam. Siehe Th. Forster, Discus. Faraday Soc. 27, 7 (1959).

Be ist somit in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die dicke Stützschicht Glas und die dünne Schicht ein Kunststoff, welcher ein lumineszierendes Material enthält. In einer anderen verwandten Ausführungsform enthält die Glasschicht ein UY absorbierendes lumineszierendes Material, welches in dem sichtbaren Spektrum emittiert.

Als bei der vorliegenden Erfindung brauchbare lümineszierende Materialien seien beispielsweise fluoreszierende Chelate, fluoreszierende Farben, anorganische Jone und selbst fein verteilte feste Phosphorarten erwähnt, alle in einem geeigneten Wirt dispergiert, wie im vorhergehenden beschrieben.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform enthält die dünne Schicht des Strahlungssammelmediums ein warmhärtendes Polysiloxan aus einem trifunktionellen Silan, welches die lümineszierende Spezies darin dispergiert enthält.

Derartige Polysiloxanharze können abgeleitet werden beispielsweise durch Hydrolyse und Kondensation von Silanen

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der Formel:

OR

R₁-Si — OR

¹ \

OR

vo R ein niederes Alkylradikal mit 1-4 Kohlenstoffatomen, allgemein Methyl oder Ethyl ist und R₁ ein Alkylradikal mit 1-6 Kohlenstoffatomen, ein Alkenylradikal mit 2-6 Kohlenstoffatomen oder ein Arylradikal beispielsweise Phenyl ist« Gemischte Kondensationsprodukte von Silanen der obigen Formel bilden ebenfalls geeignete Polysiloxane· Weitere Einzelheiten hinsichtlich dor Polysiloxane sind aus den US-Patenten 3 395 117, 3 388 114 und 3 389 121 ersichtlich.

Die varmhärtenden Polysiloxane können, obwohl sie relativ kostspielig sind, als dünner Filaiwirt oder dünne Filmwirte in der obigen Struktur wirtschaftlich verwendet werden, da nur eine geringe Menge dieser Harze erforderlich ist. Es gibt für derartige Polysiloxane verschiedene Vorteile.

1· Sie sind verträglich mit den meisten Farben und metallorganischen Chelaten, sowie fein zerteilten anorganischen festen Phosphorarten·

2. Es ist festgestellt worden, daß sie äußerst gut mit dem Glas und den meisten Kunststoffen, die als dicker Film brauchbar sind, leicht verschmelzen, wie beispielsweise

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Polymethylmethacrylat, und daß sie darüber hinaus mit der Halbleiterfotozelle, beispielsweise einer Siliciurazelle verschmelzen«

3· Der Wert des Brechungsindex derartiger Harze ist von etwa: 1,45 bis etwa 1,55t ^was für die optische Verbindung mit den meisten Gläsern und Acryl-Kunststoffen, die für den dicken Film benutzt werden,und für die üblichen von der Silizium-Photozelle getragenen Antireflexionsüberzüge ideal ist. Γ

k. Sie haben ausgezeichnete Wettercharakteristika, d. h. sie unterliegen keiner Verwitterung, widerstehen chemischen Angriffen aus der Atmosphäre einschließlich Wasser und der üblichen Luftverunreiniger.

5· Sie sind äußerst abriebfest.

6« Sie sind gegenüber einer Verschlechterung durch ultraviolettes Sonnenlicht sehr widerstandsfähig·

7. Ein sehr wichtiger Punkt besteht darin, daß sie bei einer ausreichend niedrigen Temperatur in den War infest zustand abgebunden werden können, um eine Beschädigung selbst der am höchsten hitzeempfindlichen organischen lumineszierenden Spezies zu vermeiden, wie beispielsweise der Farben und Chelate.

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Die Bezeichnung warmhärtendes Polysiloxan eines trifunktionellen Silane schließt natürlich die Polymerisate ein, welche von den trifunktionellen bAlanen abgeleitet werden, welche einige difunktioneile oder selbst monofunktionelle Silane enthalten, solange derartige Polymerisate in genügendem Maße vernetzt sind, um warmgehärtet zu werden. Sehr geeignete warmhärtende Silikonharze sind in dem US-Patent 3.395.117 beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen wird.

In den folgenden Beispielen wurde die Farbe oder das Chelat gleichmäßig mit einer Lösung von 50 Vol. Prozent eines teilweise abgebundenen, jedoch weiter abbindefähigen Polysiloxanharzes, hergestellt gemäß der Beschreibung in Beispiel 1 des US-Patents 3·395·117 (durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen) in Butylalkohol vermischt. Die Überzüge auf dem Substrat, in jedem Falle Viereckformen von 1/8 Zoll Dicke und vier Zoll an jeder Seite aus einem klaren Polymethyl-Methacrylat wurden hergestellt, um eine endgültige abgebundene Sicke des dotierten Polysiloxanfilms von etwa 0,5 mil und mit einer Konzentration entsprechend der Angabe in den betreffenden Beispielen zu erzielen. Die Lösungen wurden auf eine Fläche der sauberen Polymethylmethacrylat-Platten aufgebracht und zum Ablaufen stehengelassen. Dieendgültige Abbindung wurde in einem Trockenofen durchgeführt, der für zwei Tage bei 60 Grad Celsius gehalten wurde.

Tabelle 1 zeigt die drei Testplatten, die verwendete lumineszierende Spezies und ihre Konzentration in dem dünnen Poly-

siloxanf ilm-überzug. ^O 9 8 4 5 / Π 8 9 S

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- 2k -

	TABELLE 1
Beispiel	Ltunine s zierende Spezies
1 (Eontrolle) 2 3	keine Rhodamin B Coumarin 1

Konzentrat io: Gevichtsproz

0,15 0,4

In den obigen Testbeispielen der solaren Konzentrationsmittel plus Kontrolle wurde eine Silizium-Halbleiterzelle mit einer P-N -Verbindung benutzt« Die Platten wurden auf nur einer Kante poliert, die anderen Kanten hatten keinen reflektierenden Überzug· Eine flache Oberfläche der Siliziumzelle wurde optisch mit einem Teil der polierten Kante verbunden. Diese Oberfläche der Zelle trug den üblichen Antireflektionsoxid-Überzug, und es wurd zwischen der Zelle und der Kante des lumineszierenden Sonnenkonzentrationsmittels ein Index-Öl von n_ von 1,^57 eingeschaltet. Die Siliziumzelle bedeckte in jedem Fall nur 8,5 cm der Länge der lumineszierenden solaren Konzentrationsplatte. Es wurde in jedem Beispiel dieselbe Zelle benutzt, so daß die Resultate vergleichbar sind. Die Zelle wurde über elektrische Leitungen mit Testinstrumenten verbunden, durch welche der Kurzschlußetrom gemessen wurde, wobei Sonnenlicht an einem hellen Tag auf die Acryl-Oberfläche des Konzentrators fiel. Die Sonnenzell« wurden gegenüber den direkten Strahlen der Sonne abgeschirmt. Die Ergebnisse in Milliampere sind in Tabelle 2 gezeigt, zusammen mit der Helligkeit des Sc;;nenlic°btes gemessen durch eine

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... /25

Li chtmes svorrichtung,

TABELLE 2	Kurzschlußstrom ίMilliampere)
Beleuchtung (BTü/hr/ft²)	17,7 51,9 23,1
300 250 300

Beispiel 1 2
3

Für Fachleute auf diesem Gebiet liegt auf der Hand, daß verschiedene Abwandlungen der Erfindung in Kenntnis der obigen Offenbarung und Diskussion vorgenommen oder von ihr abgeleitet werden können, ohne vom Gedanken und Bereich der Offenbarung oder vom Bereich der Ansprüche abzuweichen·

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Claims

Lumineszierender Verbundsonnenzellenkollektor und -Konzentrator »it einem Strahlungssammelmedium zur Aufnahme einfallender Sonnen· strahlung, welches venigstens eine lumineszierende Spezies enthält, die in der Lage ist, bei Erregung durch einfallende Sonnenstrahlung eine lumineszierende Strahlung zu emittieren, wobei dies Medium im Inneren gegenüber einem Hauptteil der emittierten lumineszierenden Strahlung total reflektierend ist, wahrend ein verhältnismäßig kleiner Oberflachenbereich dea Mediums optisch mit einer photovoltaischen Sonnenzelle gekoppelt ist, die auf die emittierte lumines zierende Strahlung einspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungs-Sammelmedium eine Yerbund-

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struktur mit einer wenigstens eine lumineszierend« Spezies enthaltenden dünnen Schicht ist, welche optisch mit eil er dicken Strahlungs-Leitschicht von wenigstens 0,5 mm Dicke verbunden ist, die (i) gegenüber einem Hauptte:'! der emittierten lvmineszierenden Strahlung im Inneren total reflektierend ist, (2) einen Brechungsindex in der Nähe desjenigen der dünnen Schicht hat, (3) gegenüber der emittierten lumineszierenden Stzählung weniger absorbierend ist als die genannte dünne Schicht und (4) ein Dickenverhältnis von mehr als 4:1 gegenüber der dünnen lumineszierenden Schicht aufweist«

2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ebenfalls eine lumineszierende Spezies enthält.

3« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht wenigstens zwei !«mineszierende Spezies enthält, von denen die erste ein Emissions-Spektrum hat, welches das Absorptions-Spektrum der anderen überlappt, und die beiden lumineszierenden Spezies eine ausreichend hohe Konzentration haben, so daß die größte Erregung der anderen Spezies durch die erste Spezies strahlungslos ist·

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ein Glas und die dünne Schicht ein Kunststoff ist, welcher wenigstens eine lumineszierende Spezies enthält.

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5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas eine lumineszierende Spezies enthält, welche ultraviolettes Licht absorbiert und Licht mit einer längeren Wellenlänge emittiert.

6« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungs-Sammelmedium eine Verbundstruktur mit einer wenigstens eine lumineszierende Spezies enthaltenden Schicht ist, welche optisch mit einer dicken Strahlungsleitschicht von wenigstens 0,5 mm Dicke verbunden ist, die (i) gegenüber einem Ήααρ^βϋ der emittierten lumineszierenden Strahlung innen total reflektiv ist, (2) einen Brechungsindex in der Nähe desjenigen der dünnen Schicht hat, (3) gegenüber der emittierten lumineszierenden Strahlung weniger absorbierend ist als die dünne Schicht und (4) ein Dickenverhältnis von mehr als 4x1 gegenüber der dünnen lumines zierenden Schicht hat·

7« Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ebenso eine lumineszierende Spezies enthält.

8« Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht wenigstens zwei lumineszierende Spezies enthält, von denen die erste ein Emissions-Spektrum hat, welches das Absorptions-Spektrum der anderen überlappt, und die beiden lumineszierenden Spezies eine ausreichend hohe Konzentration haben, so daß die Haupterregung der anderen Spezies durch die erste Spezies strahlungslos ist.

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9· Vorrichtung nach. Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ein Glo>s und die dünne Schicht ein Kunst» stoff mit wenigstens einer lumineszierenden Spezies ist.

10· Vorrichtung nach AnsprucL·. 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas eine lumines zierende Spezies enthält, velche ultraviolettes Licht absorbiert und Licht mit einer größeren Wellenlänge emittiert·

11« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungssammelmedium eine Verbundstruktur mit einer dünnen, wenigstens eine lumineszierende Spezies enthaltenden Schicht ist, die optisch mit einer dicken strahlungsleitenden Schicht von wenigstens 0,5 ■>■ Dicke verbunden ist, welche (1) gegenüber einem Hauptteil der emittierten lumineszierenden Strahlung im Innern total reflektierend ist, (2) einen Brechungsindex in der Nähe desjenigen der dünnen Schicht bat, und (3) ein Dickenverhältnis von mehr als 4:1 gegenüber der lumineszierenden Schicht aufweist·

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungssammelmfdium eine Verbundstruktur mit einer dünnen Schicht ist, welche wenigstens eine lumineszierende Spezies enthält und qpfcisch mit einer dicken strah.lun.gsleitenden Schicht von wenigstens 0,5 "¹^n Dicke verbunden ist, die (1) gegenüber einem Hauptteil der genannten emittierten lumineszierenden Strahlung im Innern total reflektierend ist, (2) einen Brechungsindex in der Nähe

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desjenigen der dünnen Schicht aufweist und (3) ein Dickenverhältnis von mehr als 4:1 gegenüber der dünnen lumineszierenden Schicht hat.

13· Vorrichtung nach Anspruch. t_r dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungssammelmedium eine Verbundstruktur mit einer dünnen Schicht aus einem warmhärtenden Polysiloxan aus einem trifunktionellen Silan mit wenigstens einer darin enthaltenen dispergierten lumineszierenden Spezies ist, und daß diese Schicht optisch mit einer dicken strahlungsleitenden Schicht Ton wenigstens 0,5 mm Dicke verbunden ist, welche (1) gegenüber einem Hauptteil der genannten emittierten lumineszierenden Strahlung im Timern total reflektierend ist, (2) einen Brechungsindex in der Nähe desjenigen der dünnen Schicht hat, (3) gegenüber der emittierten lumineszierenden Strahlung weniger absorbierend ist als die dünne Schicht und (4) ein Dickenverhältnis von mehr als 4:1 gegenüber der dünnen Schicht hat·

14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ebenso eine lumineszierende Spezies enthält.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht wenigstens zwei lumineszierende Spezies enthält, von denen die erste ein Emissionsspektrum hat, welches das Absorptionsspektrum der anderen überlappt, und die beiden lumineszierenden Spezies eine ausreichend hohe Konzentration haben, so daß die Haupterregung der anderen Spezies durch die erste Spezies strahlungslos ist.

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16. Vorrichtung nach Ansprach I3, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ein Glas ist.

17· Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas eine lumineszierende Spezies enthält, welche ultraviolette Licht absorbiert und Licht -ven längerer Wellenlänge emittiert«

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungs-Sammelmedium eine Verbundstruktur mit einer dünnen Schicht aus einem varmhärtenden Polysiloxan eines trifunktionellen Siloxane mit wenigstens einer darin dispergiert enthaltenen lumineszierenden Spezies ist, welche optisch mit einer dicken strahlungleitenden Schicht von wenigstens 0,5 mm Dicke verbunden ist, welche (i) gegenüber einem Hauptteil der emittierten lumineszierenden Strahlung im Innern total reflektierend ist, (2) einen Brechungsindex in der Nähe desjenigen der dünnen Schicht hat, (3) gegenüber der emittierten lumineszierenden Strahlung weniger absorbierend ist als die dünne Schicht und (4) gegenüber der dünnen Schicht ein Dickenverhältnis von ■ehr als ^t1 hat.

19· Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ebenfalls eine lumineszierende Spezies enthält.

20· Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht wenigstens zvsr.i lumix*aszierende Spezies enthält, von denen die erste ein Emissionsspektrum hat,

S0984R/nR95

welches das Absorptionsspektrum der anderen überlappt« wad die zwei lumineszierendem Spezies eine.ausreichend hohe Konzentration aufweisen, so daß die Haupterregung der anderen Spezies durch die erste Spezies strahlungslo· ist.

21» Torrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Schicht ein Glas ist und die dünne Schicht ein Kunststoff mit wenigstens einer lumineszierenden Spezies

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas eine lumineszierende Spezies enthält, welche ultraviolettes Licht absorbiert und Licht einer größeren Wellenlänge emittiert.

23« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungs-Sammelmedium eine Verbundstruktur mit einer dünnen Schicht eines warmhärtenden Polysiloxans eines trifunktionellen Silane mit wenigstens einer darin dispergiert enthaltenen lumineszierenden Spezies ist, welche optisch mit einer dicken strnhlungleitenden Schicht von wenigstens 0,5 mm Dicke verbunden ist, die (i) gegenüber einem Hauptteil der emittierten lumineszierenden Strahlung im Innern total reflektierend ist, (2) einen Brechungsindex in der Nähe desjenigen der dünnen Schicht hat und (3) ein Dickenverhältnis von mehr als kt1 mit Bezug auf die dünne Schicht aufweist.

9GSUUS/0R95 '

-β- 2917H3

24ο Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungs-Samaelmeuium eine Verbundstruktür nit einer dünnen Schicht eines varmhärvünden Polysiloxans eines trifunktionellen Silane ait wenigstens einer dispergiert darin enthaltenen luminesziarcnden Spezies ist, welche optisch mit einer dickeren strahlungsleitenden Schicht von wenigstens 0,5 um Dicke verbunden ist, die (i) gegenüber einem Hauptteil der emittierten lumineszierenden Strahlung im Innern total reflektierend ist, (2) einen Brechungsindex in der Hähe desjenigen der dünnen Schicht hat und (3) ein Dickenrerhältnis von mehr als 4t1 gegenüber der dünnen Schicht hat.

9 0 9 B Λ η / 0 B 9 S