DE3035481A1

DE3035481A1 - Verfahren zum ansammeln und speichern von lichtenergie sowie zum freigeben derselben zur verwendung

Info

Publication number: DE3035481A1
Application number: DE19803035481
Authority: DE
Inventors: Masahide Tokyo Kamiyama; Toshio Tachikawa Tokyo Sugita
Original assignee: KAMIYAMA MASAHIDA
Current assignee: KAMIYAMA MASAHIDA
Priority date: 1979-09-21
Filing date: 1980-09-19
Publication date: 1981-05-14
Also published as: GB2063904B; JPS5645501A; US4507561A; US4458154A; GB2063904A; DE3035481C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das es gestattet, Lichtenergie innerhalb eines weiten Bereichs zu verwenden, und zwar umfaßt dieses Verfahren eine Reihe von Prozessen bzw. Verfahrensschritten, die aus dem Ansammeln und Speichern von Lichtenergie in einem Material bzw. Medium und aus dem Freigeben derselben aus diesem Material bzw. Medium in einem gewünschten Augenblick bestehen.

Wenn gewisse Materialien mit Licht bestrahlt werden, dann werden Eigenzustände der Atome, die diese Materialien bilden, durch Absorbieren von Lichtenergie und dadurch, daß Übergänge von einem niedrigen Energiezustand (E ) zu hohen Energiezuständen (beispielsweise E₁) stattfinden, angeregt (siehe Fig. 1). Wenn sich dagegen Atome in angeregten Zuständen (E₁, E₂, E_, ) befinden, verursachen Wechselwirkungen mit anderen Atomen übergänge aus den angeregten Zuständen in stabilere Energiezustände, und die Energie unterschiede (Δε , ΔE₂, ΔE₃, ) zwischen diesen

Zuständen werden als Licht emittiert, das verschiedene

Frequenzen (\L, \)_, \) , ) hat. Dieser Vorgang kann

wie folgt ausgedrückt werden:

Δ E₁ = h O₁,

Wenn es nun möglich wäre, die vorerwähnten angeregten Zustände so, wie sie sind, festzuhalten (d. h. die Übergän-

ge von den Zuständen E₁, E₂, E₃ hoher Energie zu

den stabileren Zuständen zum Zwecke des Festhaltens der angeregten Zustände unmöglich zu machen) sowie weiterhin die vorerwähnte Anregungsenergie in einem gewünschten Augenblick freizugeben (d. h. die Übergänge zu ermöglichen), dann wäre es möglich, Lichtenergie in einem Material bzw.

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Medium anzusammeln und zu speichern und diese Lichtenergie aus dem Material bzw. Medium freizulassen, wenn sie zur Verwendung benötigt wird.

Es wurde nun aufgrund der Ergebnisse von Untersuchungen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, gefunden, daß es dann, wenn Zustände, die durch Hinzufügung, Absorption und dergleichen zu bzw. an bzw. von verschiedenen Arten von Atomen oder Molekülen gebildet werden, als Speichermedium bzw. des Speichermediums angewandt werden, möglich ist, über die Erregung von Eigenzuständen von lichtabsorbierendem Material hinaus in dem Speichermedium Lichtenergie anzusammeln und zu speichern und sie, wie erwähnt, in einem gewünschten Augenblick aus diesem Material freizugeben, indem man die Temperatur des lichtabsorbierenden Mediums bzw. Materials, die Menge des von dem Medium bzw. Material absorbierten Gases, das angelegte elektrische Feld, usw., kontrolliert bzw. steuert.

In dem Fall, in welchem Lichtenergie in einem gewünschten Augenblick als Licht freigegeben wird, ist es möglich, wiedergewonnenes Licht zu erhalten, das in einem vorbestimmten Wellenläncfenbereich liegt, indem man die Art der Atome oder Moleküle, die dem lichtabsorbierenden Material hinzugefügt werden, entsprechend auswählt.

Wenn man ein lichtabsorbierendes Material auswählt, das sichtbares Licht emittiert, kann man regeneriertes Licht zur Beleuchtung oder in anderer Weise verwenden. Mittels eines geeigneten photoelektrischen Wandlers kann regeneriertes Licht auch für die Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Darüber hinaus ist es, wenn man lichtabsorbi.erendes Material verwendet, das eine große Fläche hat, möglich, während einer langen Zeitdauer bzw.. für eine lange Zeitdauer und in kontinuierlicher Weise Lichtenergie

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anzusammeln und zu speichern und dieselbe in einem gewünschten Augenblick von diesem Material abzugeben.

Infolgedessen ermöglicht es die Erfindung, aufgrund der Erregung von Materialien zu Zuständen hoher Energie Lichtenergie in einem liichtabsorbierenden Material anzusammeln und die höheren Energiezustände festzuhalten, so daß die absorbierte Lichtenergie während einer gewünschten Zeitdauer gespeichert wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß Lichtenergie, die auf diese Weise gespeichert worden ist, mittels einer Auslösung, wie beispielsweise durch Kontrolle bzw. Steuerung der Erwärmung, des Drucks, des elektrischen Feldes usw. in einem gewünschten Augenblick freigegeben wird. Auf diese Weise ermöglicht es die Erfindung, Sonnenlicht oder andere Lichtenergien mittels solcher technischer Vorgänge bzw. mittels entsprechender technischer Anordnungen, Einrichtungen o.dgl. in weitem Umfange anzuwenden.

Mit der Erfindung wird daher eine Reihe von Prozessen bzw. Verfahrensschritten zur Verfügung gestellt, die es ermöglichen, Lichtenergie durch Bestrahlen eines lichtabsorbierenden Materials anzusammeln, sie darin zu speichern, und die auf diese Weise gespeicherte Lichtenergie in einem gewünschten Augenblick freizugeben.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand einiger besonders bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Energieniveaudarstellung zur Erläuterung der grundsätzlichen Konzeption bzw. des Prinzips der Erfindung; und

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung

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eines Beispiels der Verwendung von Lichtenergie gemäß der vorliegenden Erfindung.

Gemäß der Erfindung können als Iichtabsorbierendes Material Phosphore verwendet werden, die eines der Carbonate, Sulfate, Silikate, Sulfide, Oxide und Halogenide von einem der Elemente sein können, welche in der Spalte A der nachstehenden Tabelle 1 angegeben ist. Die Spalte B der Tabelle 1 enthält jeweils Beispiele der vorerwähnten Carbonate, Sulfate, etc.

TABELLE 1

A	>	Carbonate	i^ca	B	CO₃	Mg	co₃
Calcium (Ca)			i\| Sr	CO₃	Ba	co₃
Beryllium (Be)		Sulfate	lca	Mg(CO₃) ₂	Pb	2 ^C12 ^C03
Magnesium (Mg)			rca LBa	so₄	Sr	so₄
Strontium (Sr)		^Silikate	Γ LZn	so₄	Na	2^SO4
Barium (Ba)			Ca	Si O₃	Li	Al SiO₃
Lithium (Li)		Sulfide	Al	2^SiO4	Al	2^Si °4
Natrium (Na)	Oxide	Ca	S	Zn	S
Zink CZn)	Halogenide	2°3	Be	Al₂Si₄O₁₈
Aluminium CAl)		^F2	Li	^F2
Blei (Pb) ,

Als lichtabsorbierendes Material kann einer der in der Tabelle 1 angegebenen Phosphore verwendet werden/ zu dem eine kleine Menge von einem der Elemente, das in der Spalte A der nachstehenden Tabelle 2 angegeben ist, als Aktivator hinzugefügt ist. In der Spalte B der Tabelle 2 sind einige Beispiele dieser aktivierten Phosphore angegeben.

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TABELLE

A	CaCO₃;	B	Sr
Strontium (Sr)	CaCO₃;	Mg
Magnesium (Mg)	CaCO₃;	Sn
Zinn (Sn)	CaCO₃;	Bi, CaS; Bi
Wismuth (Bi)	CaS;	B + Cu
Bor (B)	CaCO₃;	Mn, CaSO.; Mn
Mangan (Mn)	CaCO ;	Mn + Pb, NaCl; Mn + Pb
Blei (Pb)	Al₂O₃;	Cr, Be₃Al₂Si₄O₁₈; Cr
Chrom (Cr)	ZnS;	Cu
Kupfer (Cu)	CaCO₃;	La
Lanthan (La)	CaCO₃;	Nd
Neodym (Nd)	CaF₂ ;	Eu
Europium (Eu)	CaCO₃;	Sm
Samarium (Sm)	CaSO₄;	Tm
Thulium (Tm)	CaF₂;	Y
Yttrium (Y)	MgSiO₄;	Tb
Terbium (Tb)

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Die Ausführungsform 1 ist ein Beispiel einer Reihe von Prozessen bzw. Verfahrensschritten, die in der Ansammlung und Speicherung von sichtbarem Licht sowie in dessen Wiedergewinnung in einem gewünschten Augenblick mittels Temperaturkontrolle bzw. -steuerung, d. h. mittels eines thermischen Vorgangs, bestehen.

Es wurden Sulfide und Silikate von Zn hergestellt, denen eine kleine Menge von einem metallischen Element, wie

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beispielsweise Cu, Mn₇ B, Bi, etc. zugefügt wurde. Aus diesen Materialien wurden zum Ansammeln und Speichern von Lichtenergie in einem Wellenlängenbereich von 18oo bis 7ooo A⁵ dünne Filme und feine Teilchen ausgebildet, diese Lichtenergie wurde ihnen bei einer Temperatur unter -5o°C zugeführt. In einem gewünschten Augenblick nach der Bestrahlung mittels Lichtenergie konnte die auf diese Weise gespeicherte Lichtenergie als sichtbares Licht wiedergewonnen werden, indem die Temperatur der dünnen Filme und feinen Teilchen des vorerwähnten Materials auf eine Temperatur erhöht wurde, die gleich der Raumtemperatur oder höher als diese war. Die Wellenlänge dieses wiedergewonnenen Lichts wurde gemessen, und es wurde gefunden, daß sie 526o S. betrug.

Die Ergebnisse, die mit Calciumsulfid erzielt wurden, dem eine kleine Menge eines der vorerwähnten Elemente zugefügt worden war, waren gleichartig wie die vorstehend beschriebenen Ergebnisse. Es wurde Lichtenergie bei -5o°C angesammelt und gespeichert; das zur Bestrahlung verwendete Licht war Sonnenlicht; das Licht wurde durch Erhöhung der Temperatur auf Raumtemperatur wiedergewonnen; und die Wellenlänge des wiedergewonnenen Lichts betrug 4800 S.

Die Ergebnisse von Untersuchungen, die gleichartig bzw. ähnlich wie die oben beschriebenen Untersuchungen waren, sind in der nachstehenden Tabelle 3 zusammengefaßt, in der in der Spalte A die verwendeten Phosphore angegeben sind; in der Spalte B ist der Zustand angegeben, bei dem die Lichtenergie gespeichert und wiedergewonnen wurde; die Spalte C enthält den Wellenlängenbereich des wiedergewonnenen Lichts; und in der Spalte D ist die Wellenlänge angegeben, die die Spitze des wiedergewonnenen Lichtspektrums hat.

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TABELLE 3

A Phosphore	B Temperatur (⁰C)	* R,T. ■► R.T.	Emission; C Bereich	sspektren D max. Spitze
Zn₂ SiO₄ ZnS ·; Cu	-5o -5o	-» Ho	48co"-7ooo (S) 44oo~68oo	52oo .-(S) 53oo
CaSO.; Mn	R.T.	-> 22o	45oo " 6000	5ooo
CaSO₄; Tm	R.T.	·* 2oo ·* 26o		452o
Mg₂Si₄; Tb CaF₂	R.T. R.T.	35oo~5ooo	55oo 38oo

R. T. = Raumtemperatur

2o

2£5L?._d.§£_E_rf indung

Die Ausführungsform 2 ist ein Beispiel von Anwendungen der Erfindung, bei denen lichtabsorbierendes Material, das Sulfid oder Silikat war, wie vorher erwähnt, auf ein aus Papier hergestelltes Band aufgebracht und Sonnenlichtenergie gespeichert sowie nach einer langzeitigen Speicherung wiedergewonnen wurde, und zwar unter Benutzung einer .Einrichtung und eines Verfahrens, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind.

Die dargestellte- Einrichtung A besteht aus einer ersten und zweiten Kammer B₁ bzw. B₀, die durch eine isolierende Wand voneinander isoliert sind. Jede der Kammern hat ein Fenster

mern eintritt.

Rollen, von denen je eine in den Kammern sehen ist. Die Enden eines langen Bandes P sind jeweils

W₁ bzw. W„, durch das Sonnenlicht L in die Kam- und R sind sich drehende Wellen für

und B_ vorge

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- 1ο -

an den Wellen befestigt.Dieses Band P läuft von einer der Wellen (beispielsweise R ) um Stifte a.. und a„ sowie vor den Fenstern W₁ und W vorbei zu der anderen Welle (beispielsweise R_). Das Band P durchquert die isolierende Wand zwischen den Kammern durch einen Schlitz S, so daß sich die Bedingungen bzw. Zustände in den verschiedenen Kammern nicht gegenseitig beeinflussen.

Beispielsweise ist in der ersten Kammer B₁ der vorstehend beschriebenen Einrichtung A eine Temperatur eingestellt, die gleich oder kleiner als -5o°C ist, während in der zweiten Kammer B„ eine Temperatur eingestellt ist, die gleich oder höher als Raumtemperatur ist. Zunächst wird

das Band P auf die Welle R„ in der zweiten Kammer B_ aufgewickelt (Fig. 2).

Ausgehend von diesem Zustand wird das Band P auf die Welle R₁ in der ersten Kammer B₁ aufgewickelt, während es durch das Fenster W₁ der ersten Kammer B mit Sonnenlicht bestrahlt wird. Das auf das Band P aufgebrachte lichtabsorbierende Material, das dem Sonnenlicht L ausgesetzt wird, absorbiert und speichert es. Die Sonnenlichtenergxe bleibt so lange in dem lichtabsorbierenden Material absorbiert, solange das Band P auf einer Temperatur unter -5o°C in der ersten Kammer B₁ gehalten wird (wie in Fig. 3 angedeutet) .

Danach wird das Band P in einem gewünschten Augenblick in die zweite Kammer B„ bewegt. Die Sonnenlichtenergxe, die in der ersten Kammer gespeichert worden ist, wird in der zweiten Kammer als sichtbares Licht abgegeben; hierbei dient der oben erwähnte Temperaturzustand als Auslöser. Das wiedergewonnene Licht wurde durch das Fenster W- beobachtet. In dem Fall, in dem das Band mit einem Material gemäß der Ausfuhrungsform 1 als lichtabsorbierendes Mate-

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rial verwendet wird, ist die Wellenlänge des kontinuierlich regenerierten Lichts L_n gleich 5260 8.

Vfeiter wurde ein photoelektrischer Wandler C vor dem Fenster W„, durch das Lichtenergie abgegeben wird, angeordnet und mittels des wiedergewonnenen Lichts L_n bestrahlt. Auf diese Weise konnte bestätigt werden, daß ein elektrischer Strom, der gleich

_q
oder größer als 1o A ist, bei einer Bandgeschwindigkeit

2
von 1 cm /min erzeugt wird.

Die Ausführungsform 3 ist ein Beispiel einer Reihe von Pro zessen bzw. Verfahrensschritten, die aus dem Sammeln und Speichern von Lichtenergie und deren Wiedergewinnung in einem gewünschten Augenblick mittels Druckkontrolle bzw. -Steuerung, d. h. durch Druckvorgänge bzw. Druckbetätigung , bestehen.

Wenn ein dünner Film oder Pulver aus Oxidhalbleiter ZnO in einem Behälter angeordnet wird, der bei normalem Druck und bei normaler Temperatur mit Sauerstoff gefüllt ist, so daß Sauerstoff an diesem Oxidhalbleiter absorbiert wird, werden negative Sauerstoffionen auf der Oberfläche von ZnO erzeugt. Durch Bestrahlung mittels ultraviolettem Licht oder Sonnenlicht wird Sauerstoff von der Oberfläche desorbiert. Das geschieht deswegen, weil die Sauerstoffionen durch Löcher von Elektronen-Loch-Paaren, die infolge von Diffusion an der Oberfläche von ZnO ankommen, neutralisiert werden. Nach einer Unterbrechung der Lichtbestrahlung wird, wenn Sauerstoffgas unter Io Torr in einem gewünschten Augenblick in den Behälter eingeleitet wird, eine Emission von Licht im Wellenlängenbereich von 4ooo bis 6000 8 von der Oberfläche des ZnO bewirkt.

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Auf diese Weise werden in dem Fall,- in dem ein Halbleiterkörper in einem Behälter angeordnet wird, der mit einem gewissen Gas gefüllt ist, so daß das Gas auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers absorbiert wird, auf der Oberfläche negative oder positive Ionen erzeugt. Wenn diese Oberfläche mit Licht bestrahlt wird, werden Elektronen-Loch-Paare in dem Halbleiterkörper gebildet. Wenn die Ionen auf der Oberfläche negativ sind, kommen Löcher, und wenn die Ionen auf der Oberfläche positiv sind, kommen Elektronen infolge von Diffusion auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers an und neutralisieren Ionen, die auf der Oberfläche vorhanden sind. Demgemäß wird das Gas von der Oberfläche desorbiert und kehrt zur Gasphase zurück. Wenn die Bestrahlung durch Licht gestoppt wird, dann wird wieder Gas in Form von Ionen auf der Oberfläche absorbiert und emittiert Licht. Infolgedessen ist es möglich, dadurch eine Lichtemission zu erzielen, daß man Gas, das mittels Bestrahlung durch Licht desorbiert worden ist, sammelt und nach dem Stoppen der Bestrahlung mittels Licht das Gas in dem Zustand hält, in dem es nicht auf der Oberfläche absorbiert ist; und danach bewirkt man in einem gewünschten Augenblick eine Absorption, während bzw. indem man den Druck des Gases entsprechend steuert. Das bedeutet, daß es möglich ist, Lichtenergie durch Drucksteuerung zu speichern und wiederzugewinnen.

In diesem Falle kann der als lichtabsorbierendes Material verwendete Halbleiter entweder ein Halbleiter einer einfachen Substanz, wie beispielsweise Si, sein, oder es kann sich um Oxidhalbleiter, wie beispielsweise ZnO, NiO, Cr_0 , MgO, CaO, wie auch um solche Halbleiter, wie CdS, CdSe etc. handeln. Als Gas kann 0_, CO, NO, S0_, H_, Aceton (CH₃COCH₃) usw. verwendet werden. Es ist möglich, Lichtenergie zu speichern und in einem gewünschten Augenblick wiederzugewinnen, indem man einen der vorstehenden

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Halbleiter und eines der vorstehenden Gase miteinander kombiniert und den Druck des eingeführten Gases von 1o Torr bis 1oo Torr variiert, und indem man Licht aus dem Bereich von Ultraviolett bis Infrarot zur Bestrahlung verwendet.

Es ist auch möglich, Lichtenergie zu speichern und in einem gewünschten Augenblick wiederzugewinnen sowie Ergebnisse zu erzielen, die nahezu identisch mit denjenigen sind, welche unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Einrichtung erhalten wurden, indem man anstelle des in der Ausführungsform 3 gesteuerten Drucks die elektrische Feldstärke steuert.

Wie oben erwähnt, ist es gemäß der Erfindung möglich, Lichtenergie durch Anregung eines lichtabsorbierenden Materials zu angeregten Energiezuständen anzusammeln und zu speichern, das lichtabsorbierende Material durch Steuerung entweder der Temperatur, des Drucks oder der elektrischen j Feldstärke oder gegebenenfalls einer Kombination von zwei ' oder drei dieser Größen auf den angeregten Energiezuständen zu halten und die absorbierte Lichtenergie im gewünschten Augenblick wieder freizusetzen. Die Erfindung ermöglicht es, die Vorgänge des Ansammeins und Speicherns von Lichtenergie zum Zwecke ihrer Freisetzung zur Verwendung willkürlich zu steuern und trägt infolgedessen zu einer Verwendung von Lichtenergie in einem weiten Umfange bei.

Kurz zusammengefaßt wird aufgrund der Erfindung ein lichtabsorbierendes Material mittels Licht im Bereich von Ultraviolett bis Infrarot bestrahlt, und die absorbierte Lichtenergie bewirkt, daß das Material in einen angeregten Energiezustand angehoben bzw. übergeführt wird. Der angeregte Zustand wird dann dadurch festgehalten, daß man eine der folgenden Eigenschaften bzw. Zustandsgrößen

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des Materials auf einem vorbestimmten Wert hält, nämlich die Temperatur des Materials, den Druck des Materials und das an das Material angelegte elektrische Feld. Die auf diese Weise gespeicherte Lichtenergie kann dadurch zur Verwendung freigesetzt werden, daß man den Wert der Zustandsgröße bzw. der Eigenschaft von dem vorbestimmten Wert abweichend macht.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Ansammeln und Speichern von Lichtenergie sowie zum Freigeben derselben zur Verwendung, in dem ein lichtabsorbierendes Material mittels Licht aus dem Bereich von Ultraviolett bis Infrarot bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet , daß man die Zustände hoher Energie des lichtabsorbierenden Materials, die durch Bestrahlung mittels Licht erzeugt worden sind, dadurch festhält, daß man die Temperatur des Materials, den Druck von dasselbe umgebendem Gas und eine auf dasselbe angewandte elektrische Feldstärke auf einem vorbestimmten Wert hält; und daß man die von dem Material auf diese Weise absorbierte Lichtenergie dadurch freigibt, daß der vorbestimmte Wert in einem gewünschten Augenblick zu einem anderen Wert verändert wird.

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2. Verfahren zum Ansammeln und Speichern von Lichtenergie sowie zum Freigeben derselben zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Iichtabsorbierende Material ein aus der aus CaCO-, MgCO₃, CaMg (CO₃)₂, SrCO₃, BaCO₃, Pb₃Cl₂CO₃, CaSO₄,

SrSO., BaSO₄, Na₃SO₄, CaSiO-, LiAlSiO₃, Zn₃SiO₄, Al₃SiO₄, CaS, ZnS, Al₃O₃, BeAl Si₄O _g, CaF₃ und LiF₃ bestehenden Gruppe ausgewählter Phosphor ist bzw. ein Phosphor aus einer oder mehreren der vorgenannten Verbindungen. 1o
3. Verfahren zum Ansammeln und Speichern von Lichtenergie sowie zum Freigeben derselben zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das lichtabsorbierende Material ein Phosphor ist, der eine kleine Menge eines Elements als Aktivator enthält, das aus der aus Sr, Mg, Sn, Bi, B, Mn, Pb, Cr, Cu, La, Nd, Eu, Sm, Tm, Y und Tb bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
4. Verfahren zum Ansammeln und Speichern von Lichtenergie sowie zum Freigeben derselben zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das lichtabsorbierende Material ein Halbleiter ist, das aus der aus Si, ZnO, NiO, Cr Ο,, MgO, CaO, CdS und CdSe bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

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