JP2017516316A - 透明エネルギー取り込み装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年3月20日に出願された、米国特許出願第14/220,850号に対する優先権を主張する。上記の出願の全開示が本明細書に参照によって組み込まれる。
本願は一般に、統合された太陽光窓のための太陽光集光器、特に、透明太陽光集光器に関する。
本技術に基づいて、透明発光型太陽光集光器(TLSC)が提供される。システムは、太陽光電池アレイと、導波路と、導波路リダイレクト物質とを備える。様々な実施形態において、導波路リダイレクト物質は太陽光電池アレイと連結されている。導波路リダイレクト物質は太陽光電池アレイに組み込まれてもよい。いくつかの実施形態において、導波路リダイレクト物質は太陽光電池アレイと並列されてもよい。導波路リダイレクト物質は散乱ナノ粒子を備えていてもよい。システムは複数のアレイを備えていてもよい。
ここに示された図面は、選択された実施形態の図解のみを目的としており、全ての実行可能性を図解しておらず、本開示の範囲を限定しようとするものではない。
下記の技術の説明は、本質的に、一つ以上の発明の主題、製造物、および使用の、単なる例示に過ぎず、本適用例またはそこから発表される特許に対して優先権の主張をされ得るものとしての、本適用例またはそのような他の適用例において、主張された何れかの特定の発明の範囲、適用例、および使用を限定しようとするものではない。
〔実験〕
有機塩溶液の準備。ヨウ化2−[7−(1,3−ジヒドロ−1,3,3−トリメチル−2H−インドール−2−イリデン)−1,3,5へプタトリエンチン]−1,3,3−トリメチル−3H−インドリウム(HITCI)(エキシトン)および塩化1−(6−(2,5−ジオキソピロリジン−1−イルオキシ)−6−オキソヘキシル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチルインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−3H−インドリウム(CY)は、さらなる精製なく受け入れられるものとして特徴づけられている。光学的特徴のための溶液は、4mg/ml以上の様々な濃度において、ジクロロメタン中にそれぞれの化合物が直接溶解されることによって作成される。
2つの有望なシアニン誘導体、ヨウ化2−[7−(1,3−ジヒドロ−1,3,3−トリメチル−2H−インドール−2−イリデン)−1,3,5へプタトリエンチン]−1,3,3−トリメチル−3H−インドリウム(HITCI)(エキシトン)および塩化1−(6−(2,5−ジオキソピロリジン−1−イルオキシ)−6−オキソヘキシル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチルインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−3H−インドリウム(CY)が解析され、システムはストークスシフトの影響を調査するために使用される。CYおよびHITCI分子構造は、図7Bに示されている。発光団の吸収および放射スペクトルは図8Aに示されている。吸収スペクトルは、小さな可視光吸収とともに、CYに対しては742nm、HITCIに対しては733nmにおいて最高値をとり、NIR放射は、CYおよびHITCIそれぞれに対して、772nmおよび753nmにおいて最高値をとる。吸収と放射との間の波長の差として規定されるストークスシフトは、CYに対しては30nm、HITCIに対しては20nmである。2つの物質のストークスシフトは、組み立てられたLSCの性能の違いの実証を助け、広範囲の拡張性を予言する重要なパラメータでもある。
発光光物理学
発光団に対する個々の非照射状態は、照射率よりも大きく、中程度に低い量子収量を導く。これは実証された多くのNIR蛍光体に対して真実であり、医学の適用例および発光ダイオードの両方に対して、この波長範囲におけるQYを改善する重大な努力がなされ続けている。ここで、高い濃度における分子−分子間の相互作用によって引き起こされる励起状態(非照射)の緩和による濃度の上昇に伴って、量子収量は減少し、これらの相互作用は希薄な溶液中でさえも存在し続ける。したがって、ベア−ランバートの法則を受けて、設計された集光器は、高い量子収量および高い吸収効率の両方を維持するための、希薄濃度のより厚い層を活用する。この基準は、760nmにおけるCyに対して、高い量子収量および1.45×108Lmol−1m−1のモル吸収係数のための、5mg/Lの設計濃度と共に開始した場合に活用され、ほぼ完全なNIR吸収に対する1.0mmの最適な厚みを導く。また、再吸収損失の低減は希薄濃度のより厚い層を活用することにより実現する。
透明LSCの効率は、太陽光スペクトル吸収効率、発光団光ルミネセンス効率導波(捕捉)効率、移送(再吸収)効率、および太陽光電池素子効率によって支配される。光学的効率は、導波効率、移送効率、および発光効率を備える。発光団光ルミネセンス効率は、高い量子収量の色素の実装またはより高い量子収量を得るための色素重合体相互作用の最適化によって改善されてもよい。太陽光スペクトル吸収効率は、色素濃度の向上または混合濃度の向上によって改善されてもよい。しかし、量子収量と濃度との間にはトレードオフが存在する。太陽光電池素子効率は、より高効率の太陽光電池素子の活用によって向上されてもよい。LSCの単色放射性質のため、単一の接合PVのみがそれぞれ個別のLSCの周囲に取り付けられ、直接的にPV効率よりも低くシステム全体の効率を制限する。補完的な透明LSCが、これらそれぞれの頂部に異なる/吸収範囲とともに積層される可能性もあり、それぞれのLSCはそれらの理想的なPVと個別に連結されている。高価でない高いバンドギャップの素子(GaAsおよびGaInP)が使用可能になれば、特にここで実証されているLSCに対して、Siと比較して30%を超えるηLSCに対する効率を向上することができる。しかし、コストおよび有用性の考慮に対しては、14〜16%のソーラー効率を有する、AM1.5Gを伴うより低いコストのSiPVが、ここで記載された原理の証明の実証として使用される。
結論として、選択的にNIR光子を収集する、蛍光有機塩を備えた新たな透明発光型太陽光集光装置は、設計され構成されている。0.4%±0.03%の効率とともに結合された、可視波長域において86%±1%の色づけされない透過率を有し、赤外光における光子束の大きな一部分に起因する、10%よりも高い効率の可能性を有する、第1の可視光透過NIR収集TLSCがここに実証されている。実験およびモデル化は、より大きなストークスシフトの近赤外発光団、発光団ホスト相互作用の最適化、および組み込まれた分割PVの構造の較正が、広い領域にわたって再吸収損失を低減し、システム効率を向上させることが可能であることを示す。これらの透明NIRLSCは、高い欠陥許容と処理可能性とに対する途方もなく大きい可能性を有する、透明光収集システムへの全く新しい経路を提供する。
Claims (20)
- a.ガラス、プラスチック、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、ポリ−(メタクリル酸エチル)(PEMA)、または(ポリ)−メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸メチル(PBMMA)を備えた基板と、
b.ゲルマニウム(Ge)、非晶質ゲルマニウム(a−Ge)、ガリウム(Ga)、ヒ化ガリウム(GaAs)、珪素(Si)、非晶質珪素(a−Si)、珪素−ゲルマニウム(SiGe)、非晶質珪素−ゲルマニウム(a−SiGe)、リン化ガリウムインジウム(GaInP)、セレン化銅インジウム、硫化銅インジウム、セレン化銅インジウムガリウム、硫化銅インジウムガリウム、テルル化カドミウム(CdTe)、ペロブスカイト(PV)、またはこれらの化合物の内、少なくとも一つを備えた太陽光電池アレイと、
c.約650nmよりも長い波長の光を吸収および放射する導波路リダイレクト物質とを備え、
前記太陽光電池アレイと、前記導波路リダイレクト物質とは、前記基板の中に組み込まれることを特徴とするエネルギー収集システム。 - 上記ペロブスカイトは、CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3、およびCH3NH3PbBr3、またはこれらの化合物であることを特徴とする請求項1に記載のエネルギー収集システム。
- 前記基板の第1表面と連結された、肉眼視で透明な鏡をさらに備え、前記鏡は可視光を透過させ、約650nmよりも長い波長の光を反射することを特徴とする請求項1に記載のエネルギー収集システム。
- 前記システムは約650nmよりも長い波長の電磁波長帯の、近赤外(NIR)領域における光を選択的に収集することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは可視波長帯において、吸収のピークを持たないことを特徴とする請求項4に記載のシステム。
- 前記システムは約450nmよりも短い波長の電磁波長帯の、紫外(UV)領域における光をさらに収集することを特徴とする請求項3に記載のシステム。
- 前記導波路リダイレクト物質は、散乱ナノ粒子、発光団、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記導波路リダイレクト物質は、ヨウ化3,3’−ジエチルチア炭素シアニン(DTCI);ヨウ化2−[7−(1,3−ジヒドロ−1,3,3−トリメチル−2H−インドール−2−イリデン)−1,3,5へプタトリエンチン]−1,3,3−トリメチル−3H−インドリウム(HITCI);2−[2−[3−[1,3−ジヒドロ−1,1ジメチル−3−(3−スルホプロピル)−2H−ベンゼインドール−2−イリデン]−2−[4−(エトキシルカルボニル)−1ピペラジニル]−1−シクロペンテン−1−イル]エテニル]−1,1−ジメチル−3−(3−スルホプロピル)−1Hベンゼインドリウムヒロドキシド]分子内塩n,n−ジエチルエタナミン(1:1)混合物(IR144);ヨウ化2−[2−[2−クロロ−3−[(1,3−ジヒドロ−3,3ジメチル−1−プロピル−2H−インドール−2イリデン)エチリデン]−1−シクロヘキセン−1−イル]エテニル]−3,3−ジメチル−1−プロピルインドリウム(IR780);塩化アルミニウム2,3−ナフサロシアニン(AlNc);二塩化珪素2,3−ナフサロシアニン(SiNc);2−[2−[3−[(1,3−ジヒドロ−3,3−ジメチル−1−プロピル−2H−インドール−2−イリデン)エチリデン]−2−(フェニルチオ)−1−シクロヘキセン−1−イル]エテニル]−3,3−ジメチル−1−プロピルインドリウム過塩素酸塩(IR792);5,5’−ジクロロ−11−ジフェニルアミノ−3,3’−ジメチル−10,12−エチレンチアトリカーボシアニン過塩素酸塩(IR140);亜鉛2,11,20,29−テトラ−第3−ブチル−2,3−ナフサロシアニン(ZnNc);塩化3−(6−(2,5−ジオキソピロリジン−1−イルオキシ)−6−オキソヘキシル)−1,1−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,1,3−トリメチル−1H−ベンゾ[ゼ]インドール−2(3H)−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−1H−ベンゾ[ゼ]インドリウム(Cy7.5NHSエステル);1−(6−((2,5−ジオキソピロリジン−1−イル)オキシ)−6−オキソヘキシル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチル−5−スルホナトインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エン−1−イル)ビニル)−3H−インドール−1−イウム−5−硫化物(硫化−Cy7NHSエステル);塩化1−(6−(2,5−ジオキソピロリジン−1−イルオキシ)−6−オキソヘキシル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチルインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−3H−インドリウム(Cy7NHSエステル、“CY”);塩化3−(6−(3−アジドプロピルアミノ)−6−オキソヘキシル)−1,1−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチル−1H−ベンゾ[ゼ]インドール−2(3H)−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−1H−ベンゾ[ゼ]インドリウム(Cy7.5アジド);塩化1−(5−カルボキシペンチル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチルインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−3H−インドリウム(Cy7アジド);塩化1,1−ジメチル−3−(6−オキソ−6−(プロプ−2−イニルアミノ)ヘキシル)−2−((1E,3E,5E,)−5−(1,1,3−トリメチル−1H−ベンゾ[ゼ]インドール−2(3H)イリデン)ペンタ−1,3−ジエニル)−1H−ベンゾ[ゼ]インドリウム(Cy5.5アルキン);塩化1−(6−(2−(2,5−ジオキソ−2,5−ジヒドロ−1H−ピロール−1−イル)エチルアミノ)−6−オキソヘキシル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチルインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−3H−インドリウム(Cy7マレイミド);塩化3−(6−(2−(2,5−ジオキソ−2,5−ジヒドロ−1H−ピロール−1−イル)エチルアミノ)−6−オキソヘキシル)−1,1−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,1,3−トリメチル−1H−ベンゾ[ゼ]インドール−2(3H)−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−1H−ベンゾ[ゼ]インドリウム(Cy7.5マレイミド);塩化1−(5−カルボキシペンチル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチルインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−3H−インドリウム(Cy7カルボキシ酸);1−ブチル−2−(2−[3−[2−(1−ブチル−3,3−ジメチル−1,3−ジヒドロ−インドール−2−イリデン)−エチリデン]−2−ジフェニルアミノ−シクロペント−1−エニル]−ビニル)−3,3−ジメチル−3H−インドリウムヘキサフルオロリン酸塩;1−ブチル−2−(2−[3−[2−(1−ブチル−3,3−ジメチル−1,3−ジヒドロ−インドール−2−イリデン)−エチリデン]−2−フェニル−シクロペント−1−エニル]−ビニル)−3,3−ジメチル−3H−インドリウムヘキサフルオロリン酸塩;ヨウ化3−エチル−2−[3−[3−(3−エチル−3H−ベンゾチアゾル−2−イリデン)−プロペニル]−5,5−ジメチル−シクロヘックス−2−エニリデンメチル]−3H−ベンゾチアゾル−3−イウム;1−ブチル−2−(2−[3−[2−(1−ブチル−3,3−ジメチル−1,3−ジヒドロ−インドール−2−イリデン)−エチリデン]−2−フェニル−シクロヘックス−1−エニル]−ビニル)−3,3−ジメチル−3H−インドリウムヘキサフルオロリン酸塩;1−ブチル−2−(2−[3−[2−(1−ブチル−3,3−ジメチル−1,3−ジヒドロ−インドール−2−イリデン)−エチリデン]−2−フェニル−シクロヘックス−1−エニル]−ビニル)−3,3−ジメチル−3H−インドリウムヘキサフルオロリン酸塩;ヨウ化3−エチル−2−[7−(3−エチル−3H−ベンゾチアゾル−2−イリデン)−ヘプタ−1,3,5−トリエニル]−ベンゾチアゾリウム;1−ブチル−2−[7−(1−ブチル−3,3−ジメチル−1,3−ジヒドロ−インドール−2−イリデン)−ヘプタ−1,3,5−トリエニル]−3,3−ジメチル−3H−インドリウムヘキサフルオロリン酸塩;2−[3−クロロ−5−[1,1−ジメチル−3−(3−メチル−ブチル)−1,3−ジヒドロ−ベンゾ[ゼ]インドール−2−イリデン]−ペンタ−1,3−ジエニル]−1,1−ジメチル−3−(3−エチル−ブチル)−1H−ベンゾ[ゼ]インドリウムヘキサフルオロリン酸塩;2−[5−[1,1−ジメチル−3−(3−メチル−ブチル)−1,3−ジヒドロ−ベンゾ[ゼ]インドール−2−イリデン]−ペンタ−1,3−ジエニル]−1,1−ジメチル−3−(3−エチル−ブチル)−1H−ベンゾ[ゼ]インドリウムヘキサフルオロリン酸塩;3,3−ジメチル−2−[2−[2−クロロ−3−[2−[1,3−ジヒドロ−3,3−ジメチル−5−スルフォ−1−(4−スルフォブチル)−2H−インドール−2−イリデン]−エチリデン]−1−シクロヘキセン−1−イル]−エテニル]−5−スルフォ−1−(4−スルフォブチル)−3H−インドリウムヒドロキシド分子内塩3ナトリウム塩;2−[2−(3−[2−[3,3−ジメチル−5−スルフォ−1−(4−スルフォブチル)−1,3−ジヒドロ−インドール−2−イリデン]−エチリデン]−2−フェニル−シクロヘックス−1−エニル)−ビニル]−3,3−ジメチル−5−スルフォ−1−(4−スルフォブチル)−3H−インドリウムヒドロキシド分子内塩3ナトリウム塩;2−[5−[1,1−ジメチル−3−(4−スルフォブチル)−1,3−ジヒドロ−ベンゾ[ゼ]インドール−2−イリデン]−ペンタ−1,3−ジエニル]−1,1−ジメチル−3−(4−スルフォブチル)−1H−ベンゾ[ゼ]インドリウムヒドロキシド分子内塩3ナトリウム塩;2−(8−ヒドロキシ−1,1,7,7−テトラメチル−1,2,3,5,6,7−ヘキサヒドロピリド[3,2,1−イジ]キノリン−9−イル)−4−(8−ヒドロキシ−1,1,7,7−テトラメチル−2,3,6,7−テトラヒドロ−1H−ピリド[3,2,1−イジ]キノリニウム−9(5H)−イリデン)−3−オキソシクロブト−1−エノレート(スクアリリウム);およびこれらの化合物および混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載のエネルギー収集システム。
- 上記システムは約90%よりも大きい演色評価数を有し、効率は約0.25%から約10%であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載のエネルギー収集システム。
- 請求項1に記載のエネルギー収集システムの、建築物の窓ガラスに一体化されたエネルギー収集システムとしての使用。
- 請求項1に記載のエネルギー収集システムの、建築物、乗り物または装置の羽目板に積み重ねられたエネルギー収集システムとしての使用。
- 請求項1に記載のエネルギー収集システムの、テレビモニタ、コンピュータモニタ、携帯機器、または電光掲示板の表示装置に一体化されたエネルギー収集システムとしての使用。
- ポリ−(メタクリル酸エチル)(PEMA)、アセトニトリル、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、(ポリ)−メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸メチル(PBMMA)またはこれらの化合物の溶液を含む、導波路リダイレクト物質の混合と、
ゲルマニウム(Ge)、非晶質ゲルマニウム(a−Ge)、ガリウム(Ga)、ヒ化ガリウム(GaAs)、珪素(Si)、非晶質珪素(a−Si)、珪素−ゲルマニウム(SiGe)、非晶質珪素−ゲルマニウム(a−SiGe)、リン化ガリウムインジウム(GaInP)、セレン化銅インジウム、硫化銅インジウム、セレン化銅インジウムガリウム、硫化銅インジウムガリウム、テルル化カドミウム(CdTe)、ペロブスカイト(PV)またはこれらの化合物の内、少なくとも一つを備えた太陽光電池アレイの、前記溶液の中への設置と、
前記導波路リダイレクト物質および前記太陽光電池を含む固体基質の生成のための乾燥と、
電子ビーム揮発、パルスレーザ蒸着、プラズマ励起スパッタリング、熱蒸着、化学気相蒸着、または溶液蒸着による、固体基質の表面への反射被覆の生成とを含むことを特徴とする透明エネルギー収集装置の作成方法。 - 前記導波路リダイレクト物質は、ヨウ化2−[7−(1,3−ジヒドロ−1,3,3−トリメチル−2H−インドール−2−イリデン)−1,3,5へプタトリエンチン]−1,3,3−トリメチル−3H−インドリウム(HITCI);塩化1−(6−(2,5−ジオキソピロリジン−1−イルオキシ)−6−オキソヘキシル)−3,3−ジメチル−2−((E)−2−((E)−3−((E)−2−(1,3,3−トリメチルインドリン−2−イリデン)エチリデン)シクロヘックス−1−エニル)ビニル)−3H−インドリウム(CY);またはこれらの化合物であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 反射被覆の生成は、TiO2、SiO2、Al2O3、またはこれらの化合物の層を含む反射被覆の生成を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 反射被覆の生成は、パルスレーザ蒸着による固体基質の表面への反射被覆の生成を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 反射被覆の生成は、プラズマ励起スパッタリングによる固体基質の表面への反射被覆の生成を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 反射被覆の生成は、熱蒸着による固体基質の表面への反射被覆の生成を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 反射被覆の生成は、化学気相蒸着による固体基質の表面への反射被覆の生成を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 反射被覆の生成は、溶液蒸着による固体基質の表面への反射被覆の生成を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
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