JP2015513212A - 太陽光捕集効率を向上させるためのガラスプレート上の波長変換層 - Google Patents
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Abstract
Description
本特許出願は、2012年2月1日に出願された米国特許仮出願第61/593,683号の優先権の恩典を主張するものである。前述の出願は、あらゆる目的のために参照により全面的に援用されている
一部の実施形態は、下記の構造の一方を有する発色団を提供する:
からなる群より選択される。
からなる群より選択される。
一部の実施形態は、下記の構造の一方を有する発色団を提供する:
一部の実施形態は、下記の構造のうちの一方を有する発色団を提供する:
からなる群より選択される。
一部の実施形態は、下記の構造を有する発色団を提供する:
一部の実施形態は、次の一般式(V−a)または一般式(V−b)によって表されるペリレンジエステル誘導体を提供する:
幾つかの実施形態では、少なくとも1つの発色団と光学的に透明なポリマーマトリックスとを含有する波長変換層100をガラスプレート上に作製する。前記波長変換層を、(i)ポリマー粉末を溶剤、例えば、テトラクロロエチレン(TCE)、シクロペンタノン、ジオキサンなどに所定の比率で溶解してポリマー溶液を調製する工程;(ii)前記ポリマー溶液と発色団を所定の重量率で混合して発色団含有ポリマー溶液を得ることによって、ポリマー混合物を含有する発色団溶液を調製する工程、(iii)前記発色団含有ポリマー溶液をガラスプレート上に直接キャストし、その後、その基板を2時間、室温から100℃まで加熱処理し、130℃で一晩のさらなる真空加熱により残存溶剤を完全に除去することによって発色団/ポリマーフィルムを形成する工程により作製し、および(iv)前記発色団/ポリマー溶液の濃度および蒸発速度を変えることによって層厚を0.1μm〜1mmに制御することができる。
幾つかの実施形態では、少なくとも1つの発色団と光学的に透明なポリマーマトリックスとを含有する波長変換層100をガラスプレート上に作製する。前記波長変換層を、(i)ポリマー粉末またはペレットと発色団粉末を所定の比率でミキサーにより一定の温度で混合する工程;(ii)前記混合物を1〜8時間の間の時間、一定の温度で脱気する工程;(iii)押出機を使用して層を形成する工程によって作製し;(v)前記押出機がその層厚を1μm〜1mmに制御する。
前記ダウンシフト発色団化合物は、米国特許仮出願第61/430,053号、同第61/485,093号、同第61/539,392号、および同第61/567,534号明細書に記載されている方法に従って合成することができる。
幾つかの実施形態では、少なくとも1つの発色団と光学的に透明なポリマーマトリックスとを含有する波長変換層100をガラスプレート上に作製する。前記波長変換層を、(i)ポリマー粉末をシクロペンタノンに溶解して20重量%ポリビニルブチラール(PVB)(Aldrich、受け取ったまま使用)ポリマー溶液を調製する工程;(ii)前記PVBポリマー溶液と合成された発色団を0.3重量%の重量比(発色団/PVB)で混合して発色団含有ポリマー溶液を得ることによって、PVBマトリックスを含有する発色団溶液を調製する工程、(iii)前記発色団含有ポリマー溶液をガラスプレート上の直接キャストし、その後、その基板を2時間、室温から100℃まで加熱処理し、130℃で一晩のさらなる真空加熱により残存溶剤を完全に除去することによって発色団/ポリマーフィルムを形成する工程、および(iv)使用前に、水中で前記発色団/ポリマーフィルムを剥がし、その後、自立ポリマー層を乾燥させる工程によって作製する。前記フィルムを乾燥させた後、それをホットプレスして、〜250μm厚の波長変換層にする。
次に、幾つかの実施形態では、図7に示す構造に類似して波長変換層を前面として有するように、ラミネータを使用して、ガラスプレート上の波長変換フィルムを含む前記構造体を真空下、130℃で商用結晶シリコン太陽電池上にラミネートする。
太陽電池光電変換効率をNewport 400Wフルスペクトル・ソーラー・シミュレータ・システムによって測定した。光の強度を2cm×2cm校正済み基準単結晶シリコン太陽電池によってワン・サン(AM1.5G)に調整した。その後、その結晶シリコン太陽電池のI−V特性評価を同じ照射下で行った。その効率を、前記シミュレータにインストールされているNewportソフトウェアプログラムによって計算する。その電池のスタンドアロン効率の判定後、ガラスプレート上の波長変換層を含む前記構造体での前記電池の向上を測定する。前記結晶シリコン太陽電池の光入射アクティブウインドウの同じ形状およびサイズに前記構造体を切断し、上で説明した方法を用いて前記結晶シリコン太陽電池の光入射側ガラス基板に適用した。
実施例2は、下で詳述するように乾式加工処理法を用いて波長変換層を作製したことを除き、実施例1工程a〜dに与えたのと同じ手順に従った。
幾つかの実施形態では、少なくとも1つの発色団と光学的に透明なポリマーマトリックスとを含有する波長変換層100を、乾式加工処理法を用いてガラスプレート上に作製する。
Claims (50)
- 波長変換デバイスであって、
ガラスプレートと、
前記ガラスプレート上の第一の波長変換層と
を含み、前記波長変換層が、少なくとも1つの発色団とポリマーマトリックスとを含有するものである、波長変換デバイス。 - 前記ポリマーマトリックスが、光学的に透明である、請求項1に記載の波長変換デバイス。
- 前記ポリマーマトリックスが、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、エチレン酢酸ビニル、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリイミド、非晶質ポリカーボネート、ポリスチレン、シロキサンゾル−ゲル、ポリウレタン、ポリアクリレート、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される物質から形成される、請求項1または2に記載の波長変換デバイス。
- 前記ポリマーマトリックスが、ホストポリマー、コポリマー、ホストポリマーとコポリマー、多数のポリマー、多数のポリマーと多数のコポリマー、および多数のコポリマーからなる群より選択される、少なくとも1つのポリマーを含有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記ポリマーマトリックスが、約1.4から約1.7の間の屈折率を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記少なくとも1つの発色団が、前記第一の波長変換層のポリマーマトリックス中に約0.01重量%から約3重量%の間の量で存在する、請求項1から5のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記少なくとも1つの発色団が、前記第一の波長変換層のポリマーマトリックス中に約0.05重量%から約2重量%の間の量で存在する、請求項1から5のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記少なくとも1つの発色団が、前記第一の波長変換層のポリマーマトリックス中に約0.1重量%から約1重量%の間の量で存在する、請求項1から5のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記第一の波長変換層が、2つ以上の発色団を含有する、請求項1から8のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記少なくとも1つの発色団が、上方変換発色団である、請求項1から9のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記少なくとも1つの発色団が、ダウンシフト発色団である、請求項1から9のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 第二の波長変換層をさらに含む、請求項1から11のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記第二の波長変換層が、前記第一の波長変換層中の前記少なくとも1つの発色団と同じであるまたは異なる少なくとも1つの発色団を含有する、請求項12に記載の波長変換デバイス。
- 前記第一の波長変換層中の前記少なくとも1つの発色団が、有機色素である、請求項1から13のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記第一の波長変換層中の前記少なくとも1つの発色団が、ペリレン色素、ベンゾトリアゾール色素、およびベンゾチアジアゾール色素からなる群より選択される、請求項1から14のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記第一の波長変換層中の前記少なくとも1つの発色団が、式(I−a)または(I−b):
iは、0から100の範囲の整数であり;
A0およびAiは、場合により置換されているアルキル、場合により置換されているアルケニル(alkyenyl)、場合により置換されているヘテロアルキル、場合により置換されているアリール、場合により置換されているヘテロアリール、場合により置換されているアミノ、場合により置換されているアミド、場合により置換されているシクロアミド、場合により置換されているシクロイミド、場合により置換されているアルコキシ、および場合により置換されているカルボキシ、および場合により置換されているカルボニルからなる群より各々独立して選択され;
A2は、場合により置換されているアルキレン、場合により置換されているアルケニレン、場合により置換されているアリーレン、場合により置換されているヘテロアリーレン、ケトン、エステル、および
からなる群より選択され;
D1およびD2は、水素、場合により置換されているアルコキシ、場合により置換されているアリールオキシ、場合により置換されているアシルオキシ、場合により置換されているアルキル、場合により置換されているアリール、場合により置換されているヘテロアリール、場合により置換されているアミノ、アミド、シクロアミド、およびシクロイミドからなる群より独立して選択されるが、ただし、D1およびD2が両方とも水素でないことを条件とし;ならびに
Liは、場合により置換されているアルキレン、場合により置換されているアルケニレン、場合により置換されているアルキニレン、場合により置換されているアリーレン、および場合により置換されているヘテロアリーレンからなる群より独立して選択される)
によって表される、請求項1から16のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。 - 前記第一の波長変換層中の前記少なくとも1つの発色団が、式(II−a)または(II−b):
iは、0から100の範囲の整数であり;
Arは、場合により置換されているアリール、または場合により置換されているヘテロアリールであり;
R4は、
R1は、H、アルキル、アルケニル、アリール、ヘテロアリール、アラルキルおよびアルカリールからなる群より各々独立して選択され;
R3は、場合により置換されているアルキル、場合により置換されているアルケニル、場合により置換されているアリール、および場合により置換されているヘテロアリールからなる群より各々独立して選択され;またはR1およびR3は、環を形成するように互いに接続されていてもよく;
R2は、場合により置換されているアルキレン、場合により置換されているアルケニレン、場合により置換されているアリーレン、場合により置換されているヘテロアリーレンからなる群より選択され;
D1およびD2は、水素、場合により置換されているアルコキシ、場合により置換されているアリールオキシ、場合により置換されているアシルオキシ、場合により置換されているアルキル、場合により置換されているアリール、場合により置換されているヘテロアリール、場合により置換されているアミノ、アミド、環状アミド、および環状イミドからなる群より各々独立して選択されるが、ただし、D1およびD2が両方とも水素でないことを条件とし;ならびに
Liは、場合により置換されているアルキレン、場合により置換されているアルケニレン、場合により置換されているアルキニレン、場合により置換されているアリーレン、場合により置換されているヘテロアリーレンからなる群より独立して選択される)
によって表される、請求項1から16のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。 - 前記第一の波長変換層中の前記少なくとも1つの発色団が、式(III−a)または(III−b):
iは、0から100の範囲の整数であり;
A0およびAiは、場合により置換されているアルキル、場合により置換されているアルケニル、場合により置換されているヘテロアルキル、場合により置換されているアミド、場合により置換されているアルコキシ、場合により置換されているカルボニル、および場合により置換されているカルボキシからなる群より各々独立して選択され;
各R5は、場合により置換されているアルコキシ、場合により置換されているアリールオキシ、場合により置換されているアシルオキシ、およびアミノからなる群より独立して選択され;
A2は、場合により置換されているアルキレン、場合により置換されているアルケニレン、場合により置換されているアリーレン、場合により置換されているヘテロアリーレン、ケトン、エステル、および
からなる群より選択され;ならびに
Liは、場合により置換されているアルキレン、場合により置換されているアルケニレン、場合により置換されているアルキニレン、場合により置換されているアリーレン、場合により置換されているヘテロアリーレンからなる群より独立して選択される)
によって表される、請求項1から17のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。 - 前記第一の波長変換層中の前記少なくとも1つの発色団が、式(IV):
iは、0から100の範囲の整数であり;
ZおよびZiは、−O−、−S−、−Se−、−Te−、−NR6−、−CR6=CR6−、および−CR6=N−からなる群より各々独立して選択され、前記R6は、水素、場合により置換されているC1−C6アルキル、または場合により置換されているC1−C10アリールであり;ならびに
D1およびD2は、場合により置換されているアルコキシ、場合により置換されているアリールオキシ、場合により置換されているアシルオキシ、場合により置換されているアルキル、場合により置換されているアリール、場合により置換されているヘテロアリール、場合により置換されているアミノ、アミド、環状アミド、および環状イミドからなる群より独立して選択され;
jは、0、1または2であり、およびkは、0、1または2であり;
Y1およびY2は、場合により置換されているアリール、場合により置換されているアルキル、場合により置換されているシクロアルキル、場合により置換されているアルコキシ、および場合により置換されているアミノからなる群より独立して選択され;ならびに
Liは、場合により置換されているアルキレン、場合により置換されているアルケニレン、場合により置換されているアルキニレン、場合により置換されているアリーレン、場合により置換されているヘテロアリーレンからなる群より独立して選択される)
によって表される、請求項1から16のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。 - 前記第一の波長変換層が、1つ以上の増感剤をさらに含有する、請求項1から20のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記1つ以上の増感剤が、ナノ粒子、ナノ金属、ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、フラーレン、場合により置換されているフラーレン、場合により置換されているフタロシアニン、場合により置換されているペリレン、場合により置換されているポルフィリン、場合により置換されているテリレン、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項21に記載の波長変換デバイス。
- 前記1つ以上の増感剤が、場合により置換されているC60、場合により置換されているC70、場合により置換されているC84、場合により置換されている単層カーボンナノチューブ、および場合により置換されている多層カーボンナノチューブからなる群より選択される、請求項22に記載の組成物。
- 前記1つ以上の増感剤が、フラーレンであり、該フラーレンが、[6,6]−フェニル−C61−酪酸メチルエステル、[6,6]−フェニル−C71−酪酸メチルエステル、および[6,6]−フェニル−C85−酪酸メチルエステルからなる群より選択される、請求項23に記載の組成物。
- 前記増感剤を、前記組成物の総重量に基づき約0.01重量%から約5重量%の範囲の量で含有する、請求項21から24のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記第一の波長変換層が、1つ以上の可塑剤をさらに含有する、請求項1から25のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記可塑剤が、N−アルキルカルバゾール誘導体およびトリフェニルアミン誘導体からなる群より選択される、請求項26に記載の波長変換デバイス。
- 前記第一の波長変換層が、UV安定剤、酸化防止剤またはUV吸収剤をさらに含有する、請求項1から27のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- ガラスシート、除去可能なライナー、縁止めテープ、枠材、ポリマー材料、および接着層からなる群より各々選択される1つ以上の追加の層をさらに含む、請求項1から28のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記ガラスプレートと前記第一の波長変換層の間に接着層をさらに含む、請求項1から29のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記接着層が、アクリル樹脂、エチレン酢酸ビニル、またはポリウレタンを含有する、請求項30に記載の波長変換デバイス。
- 前記接着層の厚みが、約1μmと約100μmの間である、請求項30または31に記載の波長変換デバイス。
- 前記接着層の屈折率が、約1.4から約1.7の範囲である、請求項30から32のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記接着層の屈折率が、約1.45から約1.55の範囲である、請求項33に記載の波長変換デバイス。
- UV吸収剤を含有する追加のポリマー層をさらに含む、請求項1から34のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記第一の波長変換層の厚みが、約10μmと約2mmの間である、請求項1から35のいずれかに記載の波長変換デバイス。
- 前記ガラスプレートが、低鉄ガラス、ホウケイ酸ガラス、またはソーダ石灰ガラスから選択される材料を含有する、請求項1から36のいずれかに記載の波長変換デバイス。
- 前記ガラスプレートが、UV吸収剤をさらに含有する、請求項1から37のいずれかに記載の波長変換デバイス。
- 前記ガラスプレートの厚みが、約50μmと約5mmの間である、請求項1から38のいずれかに記載の波長変換デバイス。
- 少なくとも1つの除去可能なライナーをさらに含む、請求項1から39のいずれかに記載の波長変換デバイス。
- 前記除去可能なライナーが、前記第一の波長変換層、前記ガラスプレート、または両方に付着している、請求項40に記載の波長変換デバイス。
- 前記除去可能なライナーが、プラスチックフィルムを含む、請求項40または41に記載の波長変換デバイス。
- 前記除去可能なライナーが、フルオロポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリブテン、ポリブタジエン、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、塩化ビニルコポリマー、ポリブチレンテレフタレート(polybutalene terephtalate)、ポリウレタン、エチレン−酢酸ビニル、グラシン紙、コート紙、ラミネート紙、布地、不織布シート、および金属箔からなる群より選択される、請求項40から42のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 前記除去可能なライナーの厚みが、約10μmと約100μmの間である、請求項40から43のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
- 請求項1から44のいずれかに記載の波長変換デバイスを形成する方法であって、
溶剤に溶解されたポリマー材料と少なくとも1つの発色団とを含有する溶液を配合する工程;
前記溶液をガラスプレートに直接スピンコーティングして波長変換層を得る工程;および
前記波長変換デバイスをオーブンで乾燥させることにより前記波長変換層から前記溶剤を除去する工程
を含む方法。 - 請求項1から44のいずれかに記載の波長変換デバイスを形成する方法であって、
粉末ポリマー材料と1つ以上の発色団を混合して混合物を形成する工程;
押出機を使用して前記混合物を加熱して波長変換層を形成する工程;および
ラミネータを使用して前記波長変換層をガラスプレートに直接適用する工程
を含む方法。 - 太陽電池、ソーラーパネルまたは光起電力デバイスの性能を改善する方法であって、
請求項1から44のいずれかに記載の波長変換デバイスを前記太陽電池、ソーラーパネルまたは光起電力デバイスの光入射面に直接適用する工程
を含む方法。 - 前記ソーラーパネルまたは太陽電池が、シリコン系デバイス、III−VもしくはII−VI PN接合デバイス、銅−インジウム−ガリウム−セレン(CIGS)薄膜デバイス、有機増感剤デバイス、有機薄膜デバイス、および硫化カドミウム/テルル化カドミウム(CdS/CdTe)薄膜デバイスからなる群より選択される少なくとも1つのデバイスを含有する、請求項47に記載の方法。
- 前記太陽電池、ソーラーパネルまたは光起電力デバイスの光入射面が、ガラスまたはポリマーを含有する、請求項47から48のいずれかに記載の方法。
- 接着層を使用して、前記ガラスプレートを太陽電池、ソーラーパネルまたは光起電力デバイスの光入射面に接着させる、請求項46から49のいずれかに記載の方法。
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