DE3035481C2

DE3035481C2 - Vorrichtung zum Sammeln und Speichern von Lichtenergie und zum Freigeben derselben

Info

Publication number: DE3035481C2
Application number: DE3035481A
Authority: DE
Inventors: Masahide Tokyo Kamiyama; Toshio Tachikawa Tokyo Sugita
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-09-21
Filing date: 1980-09-19
Publication date: 1983-07-14
Also published as: GB2063904A; GB2063904B; JPS5645501A; DE3035481A1; US4507561A; US4458154A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Sammeln und Speichern von Lichtenergie und zum Freigeben derselben, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher beschrieben ist Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-PS 6 81 674 bekannt.

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 (Ea) zu hohen Energiezuständen (beispielsweise E\) stattfinden, angeregt (siehe Fig. 1). Wenn sich dagegen Atome in angeregten Zuständen (Eu Ei, Ej, ,..) befinden, verursachen Wechselwirkungen mit anderen Atomen Übergänge aus den angeregten Zuständen in stabilere Energiezustände, und die Energieunterschiede (ΔΕ\, Δ Ει, ΔΕ* ...) zwischen diesen Zuständen werden als Licht emittiert, das verschiedene Frequenzen (vu Vi, V₃,...) hat. Dieser Vorgang kann wie folgt ausgedrückt werden:

Δ E\ = hV], Δ Ei - hvi, Δ E₃ =Vh₃,...

Durch Einstellung der Temperatur des Materials, des Druckes des umgebenden Gases oder der einwirkenden elektrischen Feldstärke auf einen vorbestimmten Wert kann eine Speicherung der Lichtenergie vorgenommen werden. Diese Energie kann dann freigesetzt werden, wenn der vorbestimmte Wert in einem gewünschten Augenblick zu einem anderen Wert verändert wird (Fritz Bandow: Lumineszenz, Stuttgart, 1950, Seiten 140 bis 160, insbesondere Seite 145, Absatz 2, und Seite 157,

to Absatz 2).

Bei der aus der DE-PS 6 81 674 bekannten Vorrichtung ist das endlos ausgebildete Band zwischen den beiden Rollen hinter einem in der Wand der Kammer angeordneten Fenster vorbeigeführt Der auf der dem Fenster abgewandten Seite liegende Teil des Bandes ist über eine Glastrommel geführt, innerhalb der eine Lichtquelle angeordnet ist Bei Bewegung des Bandes wird das darauf angeordnete Speichermaterial von der Lichtquelle bestrahlt, speichert die Lichtenergie und gibt sie bei seiner Bewegung hinter dem in der Vorderwand der Kammer angeordneten Fenster nach außen ab.

Die bekannte Vorrichtung ist als Lichtquelle für Räume, zum Beispiel Dunkelkammern gedacht, wo eine direkte Beleuchtung durch die Lichtquelle selbst zu hell wäre. Dabei reicht es aus, die Lichtquelle nur kurzzeitig auf dem Band zu speichern, um sie unmittelbar danach wieder abzugebea. Die bekannte Vorrichtung versagt jedoch, wenn das Licht für längere Zeit auf dem Band gespeichert werden soll. Dies liegt insbesondere daran, daß das lichtabsorbierende Material die Lichtenergie bei gleichen Umgebungsbedingungen aufnehmen und wieder abgeben muß. Dabei ist die mögliche Speicherdauer und der Wirkungsgrad äußerst gering.

J5 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Sammeln und Speichern und zum Abgeben von Lichtenergie zu schaffen, die eine möglichst langzeitige Speicherung der Lichtenergie und eine möglichst wirksame Speicherung und Abgabe und

damit eine möglichst hohe Lichtsusbeute gewährleistet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, ausgehend von

der gattungsgemäßen Vorrichtung, durch die im

Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die

Kammer durch eine isolierende Trennwand in zwei Einzelkammem unterteilt ist, kann das Speichermedium in der einen Kammer auf einem Druck, einer Temperatur oder einer elektrischen Feldstärke gehalten werden, die sich für die Speicherung besonders gut eignen, während die Bedingungen der zweiten Kammer so eingestellt werden, daß die Lichtenergie möglichst wirksam abgegeben werden kann.

Besonders bevorzugte lichtabsorbierende Materialien sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Derartige Materialien sind z. B. aus Atomkernenergie, Bd. 5, 1960, Nr. 12, Seiten 453 bis 455; J. of the Electromechanical Society, Bd. 110, 1963, Nr. 4, Seiten 340, 341, und Zeitschrift für angewandte Physik, Bd. 24, 1968, Nr. 4, Seiten 173 bis 180, bekannt.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 im Diagramm die bereits erwähnte Energieniveaudarstellung und Fig.2 und 3 schematische Darstellungen einer Vorrichtung zum Sammeln und Speichern von Lichtenergie und zum Freigeben derselben.

Als lichtabsorbierendes Material können Leuchtstoffe 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 isU Die Spalte B

Tabelle I

der Tabelle 1 enthält jeweils Beispiele der vorerwähnten Carbonate, Sulfate usw.

A	Carbonate	B	MgCO₃ BaCO₃ Pb₂ Cl₂ CO₃
Calcium (Ca) Beryllium (Be) Magnesium (Mg)	Sulfate i	CaCO₃ SrCO₃ Ca Mg(CO₃)₂	SrSO₄ Na₂SO₄
Strontium (Sr) Barium (Ba)	Silikate	Ca SO₄ Ba SO₄	Li Al SiO₃ Al₂Si O₄
Lithium (Li) Natrium (TJa)	Sulfide	Ca Si O₃ Zn₂SI O₄	ZnS
Zink (Zn)	Oxide	CaS	Be Al₂Si₄O₁₈
Aluminium (Al)	Halogenide	Al₂O₃	LiF₂
Blei (Pb)	CaF₂

Als lichtabsorbierendes Material kann einer der in der Tabelle 1 angegebenen Leuchtstoffe verwendet werden, zu dem eine kleine Menge von einem der Elemente, das in der Spalte A der nachstehenden Tabelle 2 angegeben

Tabelle 2

ist, als Aktivator hinzugefügt ist In der Spalte B der Tabelle 2 sind einige Beispiele dieser aktivierten Leuchtstoffe angegeben.

Strontium (Sr)
Magnesium (Mg)
Zinn (Sn)
Wismuth (Bi)

Ba.- (B)
Mangan (Mn)
Blei (Pb).
Chrom (Cr)

Kupfer (Cu)
Lanthan (La)
Neodym (Nd)
Europium (EuI

Samarium (Sm)
Thulium (Tm)
Yttrium (Y)
Terbium (Tb)

Ausführungsform 1

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 Men^r, von einem metallischen CaCO₃; Sr
CaCO₃; Mg
CaCO₃; Sn
CaCO₃; Bi, CaS; Bi

CaS; B + Cu
CaCO₃; Mn, CaSO₄; Mn
CaCO₃; Mn + Pb, NaCl; Mn + Pb Al₂O₃; Cr, Be₃AI₂Si₄O₁₈; Cr

ZnS; Cu
CaCO₃; La
CaCO₃; Nd
CaF₂; Eu

CaCO₃; Sm
CaSO₄; Tm
CaF₂; Tr
MgSiO₄; Tb

Element, wie beispielsweise Cu, Mn, B, Bi usw. zugefügt wurde. Aus diesen Materialien wurden zum Ansammeln und Speichern von L^htenergie in einem Wellenlängehbereich von 180 bis 700 nm dünne Filme und feine Teilchen ausgebildet; diese Lichtenergie wurde ihnen bei einer Temperatur unter -50⁰C zugefühn. In einem gewünschten Augenblick nach der Bestrahlung mittels Lichtenergie konnte die auf diese Weise gespeicherte Lichtenergie als sich wares 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 526 nm 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 -50⁰C angesammelt und gespeichert; das zur Bestrahlung verwendete Licht war Sonnenlicht; das Licht wurde durch Erhöhung der Temperatur auf Raumtemperatur wiedergewonnen; die Wellenlänge des wiedergewonnenen Lichts betrug 480 nm.

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 Leuchtstoffe 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 Spicze des wiedergewonnenen Lichtspektrums hai.

Tabelle 3	B	Emissionsspektren	/) ni.i\ Spitze
Λ	Temperatur	C Bereich	(nnii
Leuchtstoffe	(⁰C)	(nm)	520
	- 50 - RT.	480 - 700	530
Zn, SiO₁	-50 -R.T.	440-680	500
ZnS'; Cu	R.T. · 110	450-600	452
CaSO₄; Mn	R.T. - 220		550
CaSO,; Tm	R.T. - 200		380
Mg,Si₄: Tb	R.T. - 260	3 50 -500
CaF,

R.T. = Raumtemperatur

Ausführungsform 2

Die Ausführungsform 2 ist ein Beispiel von Anwendungen, 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 Vorrichtung, wie sie in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist.

Die dargestellte Einrichtung A besteht aus einer ersten und zweiten Kammer B\ bzw. B₂, die durch eine isolierende Wand voneinander isoliert sind. Jede der Kammern hat ein Fenster Wi bzw. W₂, durch das Sonnenlicht L, in die Kammern eintritt. /?i und R₂ sind drehbare Rollen, von denen je eine in den Kammern B\ und S₂ vorgesehen ist. Die Enden eines langen Bandes P sind jeweils an den Wellen befestigt. Dieses Band fläuft von einer der Rollen (beispielsweise R\) um Stifte a, und 32 sowie vor den Fenstern Wi und W₂ vorbei zu der anderen Rolle (beispielsweise R₂). 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 B-, der vorstehend beschriebenen Einrichtung A eine Temperatur eingestellt, die gleich oder kleiner als — 50⁰C ist, während in der zweiten Kammer A₂ eine Temperatur eingestellt ist, die gleich oder höher als Zimmertemperatur ist Zunächst wird das Band fauf die Rolle /?₂ in der zweiten Kammer B₂ aufgewickelt (F i g. 2).

Ausgehend von diesem Zustand wird das Band Pauf die Rolle /?. in der ersten Kammer B_x aufgewickelt, während es durch das Fenster Wr 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 Sonnenlichtenergie bleibt so lange in dem lichtabsorbierenden Material absorbiert, solange das Band Pauf einer Temperatur unter -50° C in der ersten Kammer B\ gehalten wird (wie in F i g. 3 angedeutet).

Danach wird das Band P in einem gewünschten Augenblick in die zweite Kammer B₂ bewegt. Die Sonnenlichtenergie, 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 wird durch das Fenster W₂ beobachtet; seine Wellenlänge ist abhängig vom gewählten lichtabsorbierenden Material.

Ein photoelektrischer Wandler C wurde vor dem Fenster W₂, durch das Lichtenergie abgegeben wird, angeordnet und mittels des wiedergewonnenen Lichts Lr bestrahlt. Auf diese Weise konnte bestätigt werden,

so daß ein elektrischer Strom, der gleich oder größer als 10-⁹A ist, bei einer Bandgeschwindigkeit von 1 cmVmin erzeugt wird.

Ausführungsform 3

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

bo 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

ο". 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 13,3 mbar in einem gewünschten Augenblick in den Behälter eingeleitet wird, eine Emission von Licht im Welleilängenbereich von 400 bis 600 nm von der Oberfläche des ZnO bewirkt.

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 adsorbiert 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 Diffusionen 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; 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 wir Tzugewinr.en.

in diesem Falle kann der als lichtabsorbierendes Material verwendete Halbleiter entweder ein Halbleiter

ίο einer -nfach- Substanz, wie beispielsweise Si. sein, oder es kann ait.. i.i.i Oxidhalbleiter, wie beispielsweise ZnO. NiO. Cr>O), MgO, CaO. wie auch um solche Halbleiter wie ¹^dS, CdSe usw. handeln. Als Gas kann Ο,. CO. NO. SO₂. H₂, Aceton (CH)COCHi) usw.

i) verwendet werden. Es ist möglich, Lichtenergie zu speichern und in einem gewünschten Augenblick wiederzugewinnen, indem man einen der vorstehenden Halbleiter und eines der vorstehenden Gase miteinander kombiniert und den Druck des eingeführten Gases von 1,3 · 10-⁸ bar bis 0,1 J bar 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 F i g. 3 gezeigten Einrichtung erhalten wurden, indem man anstelle des in der Ausführungsform 3 gesteuerten Drucks die elektrische Feldstärke steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Sammeln und Speichern von Lichtenergie und zum Freigeben derselben, mit einem zwischen zwei Rollen (Ru Ri) beweglichen, in einer Kammer angeordneten Band (P) mit zumindest einer Schicht aus lichtabsorbierendem Speichermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch eine isolierende, mit einem Durchgangsschlitz (S) für das Band (P) versehene Wand in zwei Einzelkammern (B\, Bi) unterteilt ist, die je eine Rolle (R_x, A₂) mit einem daran befestigten Ende des Bandes (P) aufnehmen, und daß in jeder Einzelkammer (Bu B₂) ein für ultraviolettes bis infrarotes Licht durchlässiges Fenster angeordnet ist, hinter denen das Band (P) vorbeigeführt ist, wobei die Einzelkammem (By, B₂) auf unterschiedlichen Temperaturen, Drücken oder elektrischen Feldstärken gehalten sind, bei denen das Speichermaterial die Lichtenergie speichert bzw. freigibt

2. Vorrichtung zum Sammeln und Speichern von Lichtenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtabsorbierende Speichermaterial mindestens ein aus der aus CaCO₃, MgCO* CaMg(COj)₂, SrCO₃, BaCO₃, Pb₂Q₂CO₃, CaSO₄, SrSO₄, BaSO₄, NaSO₄, CaSiO₃, LiAlSiO₃, Zn₂SiO₄, AI₂SiO₄, CaS, ZnS, AI₂O₃, BeAl₂Si₄Oi₈. CaF₂ und LiF₂ bestehenden Gruppe ausgewählten Leuchtstoff ist

3. Vorrichtung zum Sammeln und Speichern von Lichtenergie nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das lichtabsorbierende Speichermaterial ein Leuchtstofl 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 bestehende Gruppe ausgewählt ist

4. Vorrichtung zum Sammeln und Speichern von Lichtenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtabsorbierende Speichermaterial ein Halbleiter ist, das aus der aus Si, ZnO, NiO, Cr₂O₃, MgO, CaO, CdS und CdSe bestehenden Gruppe ausgewählt ist