TWI508314B - 發光光伏打發電機及用於光伏打發電機的波導 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光光伏打發電機及用於光伏打發電機之波導。
光伏打發電機係一種由光產生電之裝置。在以往數年中已持續努力增加光伏打發電機之效率。具有一太陽能電池陣列之傳統太陽能面板就當前商業上普遍應用這點而言已變為有效。然而，此等傳統面板卻具有自身之缺點。舉例而言，為最大化電力產率，其等應適以跟隨穿過天空之太陽而運動。此外，若入射光漫射(例如遇見陰天時)，則該等傳統面板無法更好地產生電。
在對克服與傳統面板相關之某些問題之努力下，近來之研究已實現研發可用於固定系統中並可當周邊環境光漫射時有效運作之光伏打發電機。已研發出之一類光伏打發電機係一發光光伏打發電機。此類裝置包括一光伏打電池及一相關發光部分。該裝置通常經配置以使得入射光射入至該發光部分中，入射光之至少一些被吸收，接著被射出並射至該光伏打電池，此處該光產生電。該發光發射通常以所有方向發射光，從而理想化合適發射器應圍繞該發光部分之諸側加以設置，以將射出光之損耗最小化，並將盡可能多之射出光引導至該光伏打電池。發光光伏打發電機儘管在理論上可行，卻仍須達到其等在商業上可用之一效率。吾人持續期望改良發光光伏打發電機之效率。
當前該領域內之研究業已集中於使用有機發光材料。此在2008年7月11日Science第321卷第5886號第226至228頁中Currie等人題為「High-Efficiency Organic Solar Concentrators for Photovoltaics」之報告中得以例證。此報告揭示用於以太陽能電池產生電之有機發光太陽能集中器。該等太陽能集中器包括其表面上具有一有機染料薄膜之一玻璃基板。可使用兩類有機染料：4(二氰基亞甲基)-2-第三丁基-6-(1,1,7,7-四甲基久咯呢定基-9-烯基)-4氫-吡喃(DCJTB)、一種螢光染料，及鉑四苯基四苯並卟啉[Pt(TPBP)]、一種磷光染料。
上文所提Currie等人之報告中所揭示之有機發光太陽能集中器與多數有機發光材料一樣，具有相當寬廣之發射光譜。以此類材料，該等集中器之發光部分外側上之諸反射器須能夠反射(若非全部則)大多數射出光。在該裝置之光入射之側上，該反射器必須容許一適當波長之入射光穿透至該發光材料，以使得此光可被吸收，但必須阻止來自該發光材料之射出光穿透該反射器，而代之以將其反射，從而使其可到達太陽能電池。此等反射器係被稱為光或波長濾光器。提供反射跨一較廣範圍波長之光濾光器可係昂貴的。
有機發光材料亦遭受過長時間內之劣化，尤其遭受入射UV光之損害。
可期望提供一種先前技術中所揭示之光伏打發電機之替代或改良之光伏打發電機。其可(例如)在效率及/或製造成本方面進行改良。
在一第一態樣中，本發明提供一種用於光伏打發電機之波導，該波導包括一透明基質，該透明基質具有(i)分散於其中之無機發光材料之顆粒及/或(ii)設置於其至少一側之無機發光材料。
在一第二態樣中，本發明提供一種光伏打發電機，其包括一光伏打電池及一波導，該波導包括具有如下之一透明基質：(i)分散於其中之無機發光材料之顆粒及/或(ii)設置於其至少一側處之無機發光材料，其中該波導係與該光伏打電池相關，以使得在使用過程中，自該發光材料射出之光之至少一些射入至該光伏打電池，以在該電池中產生一電壓。
已發現，無機發光材料係優於有機發光材料，因其等不易在長時間內退化。此外，當基於能量轉移及/或摻雜稀土或過渡金屬離子之無機材料時，該等無機發光材料容許在不招致發光之實質熱淬火下之一較大斯托克位移(Stokes Shift)。而且如下所述，本發明之某些實施例可與易於製造之干涉濾光器使用，在特定實施例中，介於激發波長與發射波長間之波長差係較大而發射線寬較小。如下所述，在一實施例中，耐光量子顆粒，諸如量子點、量子桿或內核/外殼系統可用於或作為無機發光材料。再吸收作用可藉使用具間接發射躍遷之量子顆粒，使用小及大量子顆粒來最小化。一旦能量自小量子顆粒轉移至大量子顆粒，則該等大量子顆粒係以較小數量存在，以阻止該等大量子顆粒所致之再吸收。
在一實施例中，無機發光材料具有50nm或更大之一吸收線寬、20nm或更小之一發射線寬及50nm或更大之一斯托克位移。
在一實施例中，無機發光材料具有100nm或更大之一吸收線寬、10nm或更小之一發射線寬及100nm或更大之一斯托克位移。
在一實施例中，波導進一步包括設置於透明基質之至少一側之一干涉濾光器，該干涉濾光器(i)容許電磁區域內將由無機發光材料吸收之光透射至波導中，並(ii)選擇性反射該電磁區域內自無機發光材料射出之光。
在一實施例中，該透明基質包括非結晶材料，且該無機發光材料包括結晶材料。
在一實施例中，該無機發光材料包括吸收300nm至1420nm區域中之光的一第一物種，及發射比該第一物種所吸收之光更大波長之光的一第二物種，且能量轉移發生於該第一物種與該第二物種之間，以使得該無機發光材料吸收300nm至1420nm區域中之光，並發射更大波長之光，且更大波長光具一適當能量以產生光伏打電池中之一電壓。吸收300nm至1420nm區域中之光的一物種即為吸收300nm至1420nm區域之至少部分中之光的一物種；其無須跨此整個範圍吸收光。該第一物種之最大吸收波長可處於300nm至1420nm區域內。
在一實施例中，該無機發光材料具有一較高波長吸收極限λa
，此λa
係對應於光伏打電池中能帶隙之20%或更大之一能量的一波長。
在一實施例中，該無機發光材料可包括吸收不同波長光之複數類第一物種，及發射某一波長光之單類第二物種，且該發光材料較佳係一線發射體。此已被發現具有如下優點：其致使該材料能夠具有一寬吸收範圍，卻大體上僅發射具窄能帶寬之一單一波長光。複數個不同無機發光材料可用於裝置中，其中該等不同材料具有彼此間不同之吸收波長，卻具有彼此相同或大體上相同(例如約20nm內)之一發射峰值，且該等無機發光材料較佳係線發射體。如下文解釋，此容許可選擇性僅反射待使用之射出波長的相對價廉之干涉濾光器，以節省光伏打裝置之製造成本。
在一實施例中，該無機發光材料包括無機磷光體。該無機發光材料可包括複數類無機磷光體。
在一實施例中，該無機磷光體包括含有第一物種及第二物種之無機主體材料，其中該第一物種係選自Ce3+
、Eu2+
或Yb2+
之一離子，且該第二物種係選自稀土離子及過渡金屬離子之一離子。
在一實施例中，該無機磷光體包括Gd3
Ga5
O12
；Ce、Cr。在一實施例中，該無機發光材料包括無機螢光材料。
在一實施例中，該無機螢光材料包括含有第一物種及第二物種之無機主體材料，該無機主體材料中該第一物種之濃度係大於該第二物種之濃度，且該第二物種係以0.5或更小之莫耳%存在於該無機主體材料中。
在一實施例中，該無機螢光材料包括CaAlSiN3
；Ce、Eu。
在一實施例中，如本文所述，該無機發光材料包括量子顆粒。在一實施例中，該第一物種及該第二物種獨立地包括可選自量子點、量子桿或量子內核/外殼顆粒之量子顆粒。
本發明提供一種用於一光伏打發電機之波導，以及如上文所述之一種光伏打發電機。
如本文所述，透明基質具有(i)分散於該透明基質中之包括無機發光材料之顆粒及/或(ii)設置於其至少一側處之無機發光材料。若該透明基質具有分散於其中之包括無機發光材料之顆粒及設置於其至少一側處之無機發光材料，則該等顆粒之無機發光材料及設置於該透明基質之至少一側處之該等材料可為相同或不同材料，並可如本文之所述。該等顆粒可包括無機發光材料，或由無機發光材料組成或基本上由無機發光材料組成。若該等顆粒係基本上由無機發光材料組成，則較佳小於5重量%、更佳小於2重量%、最佳小於1重量%之其他材料存在於該等顆粒中。
該無機發光材料較佳吸收一電磁頻譜區域中之光，視需要選自電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域中，並發射具一較大波長之光。該較大波長光具一適當能量以於光伏打電池中產生一電壓。該無機發光材料較佳吸收自300nm至1420nm之一區域中之光。較佳言之，最大吸收峰值係處於電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域內，較佳處於300nm至1420nm之一區域內。較佳言之，該吸收峰值之線寬係50nm或更大、較佳係100nm或更大、更佳係150nm或更大，最佳係200nm或更大。線寬即為當於25℃量測時，以nm單位計之吸收線之半高寬。該更大波長較佳對應於光伏打電池中帶隙能量之至少1.05倍之能量。較佳言之，不存在或大體上不存在無機發光材料之吸收光譜與發射光譜間之重疊。此已被發現可減少該無機發光材料所射出光子之再吸收。較佳言之，該無機發光材料中之斯托克位移係50nm或更大、較佳係80nm或更大、更佳係100nm或更大。
透明基質可係熟習技術者所熟知之任何材料，舉例而言，該透明基質可包括選自玻璃及透明聚合物之材料。該透明聚合物係可選自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，通常具有約1.49之折射率)及聚碳酸酯(通常具有約1.58之折射率)。該玻璃可選自任何已知透明無機無定形材料，包括(但不限於)含有二氧化矽之玻璃及選自鈉長石類型、冠狀類型及燧石類型之玻璃。不同玻璃具有不同折射率，且若需要，則玻璃可基於其折射率而選擇。舉例而言，鈉長石類型之玻璃可具有約1.52之折射率。冠狀類型之玻璃可具有約1.49至1.52之折射率。就密度及構成而定，如熟習技術者可瞭解，燧石類型之玻璃可具有約1.58至約1.89之折射率。
本文中之一種透明基質包括(但不限於)可至少透射電磁區域中發光材料吸收光之一部分中的光，及至少透射電磁區域中發光材料發射光之一部分中的光之材料。其可較佳地至少部分跨300nm至2000nm區域，視需要跨該整個區域而透射光。無機發光材料之折射率視需要係透明基質之折射率之93%至107%，視需要係該透明基質之折射率之95%至105%，視需要係該透明基質之折射率之98%至102%。本發明者業已發現，當該等發光顆粒之折射率係與該透明基質之折射率相同或大體上相同時效率得以改良。此避免在該等顆粒與該基質間之介面出光之散射。用於或作為具有一折射率範圍之透明基質的透明材料係廣為人知，且對一合適材料之選擇係由熟悉此項技術者所能及。
在一較佳實施例中，該透明基質包括或係一種非結晶材料，且該無機發光材料包括或係一種結晶材料。已發現，在已摻雜發光無機離子致使該等離子係處於一無定形環境內之玻璃中，其等通常不會呈現有效發光性。在本發明中，已發現無機結晶材料係為發光材料之首選，因其發光效率通常高於非結晶材料。包括非結晶材料例如含有玻璃或聚合物之無定形材料且其內可分散結晶材料顆粒的透明基質之一優點為：波導通常比透明結晶基質更有效製造，卻仍具高發光效率。
無機發光材料之顆粒可具立方對稱性。無機發光材料之顆粒可具任何適當大小。舉例而言，該等顆粒可具有自10nm至2mm之一體積平均直徑。當無機發光材料顆粒之折射率係與其等所分散之基質之折射率相同或大體上相同時，則該等顆粒之大小不受限。該基質內之該等無機顆粒可具有至多約100nm之一體積平均直徑，較佳為至多約50nm之一體積平均直徑。此當該等顆粒不具立方對稱性及/或不具有與透明基質相同或大體上相同之折射率時係為首選，因其減少光之散射。無機發光材料之顆粒之體積平均直徑可根據既定技術及熟習技術者所熟知之設備加以判定，例如使用電子顯微鏡技術或使用Malvern奈米篩選器工具(市面上有售)判定。
無機發光材料之顆粒可以適當方法分散於透明基質中。舉例而言，該方法可包括提供液態前軀體予該透明基質，將該等顆粒分散於該液態前軀體內並凝固該液態前軀體以形成該透明基質，無機發光材料之顆粒分散於其中。該液態前軀體可(例如)包括或係該固體透明基質材料之一種熔融形式，且無機發光材料之顆粒可分散於該熔融材料中，該熔融材料接著經凝固以形成透明基質，無機發光材料之顆粒分散於其中。該液態前軀體可包括含有該透明基質之材料及無機發光材料之顆粒的液態載體，且該液態載體可被移除以形成該透明基質，無機發光材料之顆粒分散於其中；該透明基質之材料及無機發光材料之顆粒可(例如)存在於該液態載體中作為溶液或懸浮液。或者，若該固體透明基質包括聚合物，則該液態前軀體可係含有未聚合或未完全聚合前軀體之聚合物及無機發光材料顆粒之液體，且該未聚合或未完全聚合前軀體可經聚合或進一步聚合以形成透明基質，無機發光材料之顆粒分散於其中。
在一實施例中，無機發光材料包括或係一線發射體。一線發射體即為以一極窄發射線寬發射之一物種。線發射體包括(但不限於)具有20nm或更小、較佳10nm或更小、最佳5nm或更小之一發射線寬。線寬即為當於25℃量測時，以nm單位計之發射線之半高寬。
視需要而言，該線發射體以一波長λ1
發射光，光伏打發電機進一步包括設置於透明基質一側上之一濾光器，光穿過該濾光器而進入該透明基質中，該濾光器選擇性反射以波長λ1
發射之光反射回至發光材料中及/或反射至光伏打電池，但較佳容許透射將會被該發光材料吸收之光波長之光穿過該濾光器。該波長濾光器較佳係一干涉濾光器。使用一線發射體容許使用相對價廉之干涉濾光器，以節省光伏打裝置之製造成本。
無機發光材料可包括無機螢光材料或無機磷光體，其中無機磷光體係為首選。此項技術中之無機磷光體，或所謂無機磷光性材料係為熟習技術者所熟知。其等包括吸收某一波長光之並經由一量子機制禁止電子躍遷(例如自旋或同位禁止躍遷)，以另一波長發射光之無機發光材料。磷光性材料中之發光持續性將通常約為1微秒或更小。然而，在某些材料中，其中發光係由所容許之光學躍遷所致，例如在摻雜Eu2+
及/或Yb2+
之多數材料中，發射亦可係緩慢。在某些磷光性材料中，發光可持續數秒甚至數分鐘。
磷光性材料優於諸多螢光材料，因其等相較於具可比吸收及發射光譜之螢光材料極少可能再吸收經該等磷光性材料發光所射出之光子。這將增加光伏打發電機之效率。
無機磷光體可係其中吸收及發射產生於該材料之相同離子上的無機材料。該無機磷光體可係含有及/或摻雜過渡金屬及/或稀土離子之無機材料。較佳言之，該等發生吸收及發射的過渡金屬離子係d3
離子，即其等週邊d軌道中具有3電子之離子。d3
離子之實例包括(但不限於)V2+
、Cr3+
、Mn4+
及Fe5+
。無機磷光體可包括已摻雜一種於其上發生吸收及發射的離子之無機主體材料，通常發射及吸收發生在一單一類型離子上。該等材料之實例包括(但不限於)Al2
O3
:Cr及Mg2
TiO4
:Mn，其中Al2
O3
及Mg2
TiO4
係主體材料且Cr3+
及Mn4+
係其上發生發射及吸收之離子。較佳言之，作用於此等發射離子上之晶體場並非極小，否則將遇到寬發射光譜。
視需要而言，當該等發射離子係處於一種主體材料中時，該等發射離子之Dq/B當C/B值係2.5時應至少為約2.1，其中Dq係該主體材料中該等發射離子之晶體場強度參數且B及C係Racah參數。主體材料內發射離子之Dq、B及C通常係文獻中常用，且可使用熟知技術量測。
已發現，諸如上文所提及之無機磷光體具有優點：儘管以跨一極窄範圍(即具有一窄線寬)之一較長波長發射光，其等卻能夠跨一相對較寬頻率範圍吸收光。此外，就該等d3
離子而言，吸收能帶可視摻雜其等之主體材料而變化，而發射能帶係極少取決於該主體材料。此容許熟習技術者相應調適裝置並依所需吸收範圍來選擇主體材料。該主體材料中過渡金屬離子及/或稀土離子的量(莫耳份數)通常約為0.1至10莫耳%。若摻雜離子至一種材料中以替代其他離子，則該等被替代離子之0.1至10莫耳%係過渡金屬離子及/或稀土離子。
無機發光材料可係其中吸收及發射發生於該材料之不同物種上之無機材料。該無機發光材料可包括吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光的一第一物種，及發射較該第一物種所吸收之光更大波長之光的一第二物種，且能量轉移發生於該第一物種與該第二物種間，以使得該材料吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光，並發射更大波長之光，且該更大波長光具一適當能量以產生光伏打電池中之一電壓。
無機發光材料可係其中吸收及發射發生於該材料之不同離子上之無機材料。該無機發光材料可包括一種無機主體材料，其中已摻雜第一離子(其上發生吸收)及第二離子(其上發生發射)。在此等材料中，自第一離子至第二離子之能量轉移將發生於該第一離子吸收入射光之後，以激發該第二離子至將容許其發射光之一狀態。該第一離子較佳係吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光的離子。該第一離子可選自Ce3+
、Eu2+
及Yb2+
。該第二離子可為選自Pr3+
、Er3+
、Nd3+
、Ho3+
、Yb3+
、Tm3+
、Sm3+
、Dy3+
、Mn2+
、Yb2+
及Eu2+
之稀土離子。該第二離子可係過渡金屬離子，但不限於選自V2+
、Cr3+
、Mn4+
及Fe5+
之d3
過渡金屬離子。
如上所述，該第二離子上之光發射可係一禁止躍遷；包括已摻雜第一離子(其上發生吸收)及第二離子(其上發生發射)之無機主體材料的無機發光材料可係無機磷光性材料。此等磷光性無機材料包括(但不限於)Gd3
Ga5
O12
；Ce、Cr，其中Gd3
Ga5
O12
係主體材料，陽離子形式之Ce係第一離子且陽離子形式之Cr係第二離子。此材料吸收300nm至500nm範圍中之光(Ce3+
之容許光學吸收)並發射730nm之光(經Cr3+
上之一躍遷，此躍遷係一量子機制禁止躍遷)。此等材料因射出光子之再吸收作用得以減少而係具優點。
無機磷光體中之第一及第二離子可以任何合適量存在，端視所期望之吸收及/或發射水準而定。該第一離子可以自0.5至5莫耳%之量存在於無機主體材料中。該第二離子可以自0.5至5莫耳%之量存在於無機主體材料中。
第二離子上之光發射可由一容許電子躍遷所致；包括已摻雜第一離子(其上發生吸收)及第二離子(其上發生發射)之無機主體材料的無機發光材料可係無機螢光材料。該第二離子可選自Eu2+
及Yb2+
。合適材料包括(但不限於)CaAlSiN3
；Ce、Eu，其中CaAlSiN3
係主體材料，Ce3+
係第一離子且Eu2+
係第二離子。此材料吸收藍綠光譜中之光並發射630nm至655nm範圍中之光。
無機螢光材料中之第一及第二離子可以任何合適量存在，端視所期望之吸收及/或發射水準而定。該第一離子可以自0.5至5莫耳%之量存在於無機主體材料中。該第二離子較佳以0.5或更小莫耳%、更佳0.2或更小莫耳%、最佳0.1或更小莫耳%之量存在於無機螢光材料中。該第二離子較佳以0.01或更小莫耳%之量存在於無機螢光材料中。本發明者業已發現，藉由將第二離子的量減少至上文已指示之數量而減少射出光子之吸收，繼而增加光伏打發電機之效率。
無機發光材料可包括含有具適當大小之顆粒以容許該等顆粒發螢光之半導體；此含有該等顆粒之半導體將於本文中被稱為量子顆粒。無機發光材料可包括量子點、量子桿及量子內核/外殼顆粒。量子點、量子桿及量子內核/外殼顆粒係含有具適當大小之顆粒以容許該等顆粒發螢光之半導體。量子點係具伸長形狀之顆粒。量子內核/外殼顆粒係包括其上具有進一步材料塗層之一半導體材料內核，該塗層可視需要塗覆該內核之整個表面；該進一步材料可係選自半導體及/或介電材料之一種材料。該等顆粒通常具1nm至50nm大小之一直徑。該等顆粒可發螢光之發射波長係視半導體材料之本質及該等顆粒之大小及形狀而定，且取決於包圍各顆粒之一外殼/塗層之存在。顆粒越大，則當發螢光時使該顆粒發射光之能量越小。無機發光材料較佳包括含有當發螢光時發射具有太陽能電池之能帶隙以上的光子能量之光之顆粒的半導體。已發現諸多物種，諸如量子點、量子桿及量子內核/外殼顆粒係具優點，因其等通常具有一較寬吸收光譜，卻具有一較窄發射光譜。
含有顆粒之半導體可包括含有選自下列一者或多者之半導體材料的顆粒：IV族元素半導體，諸如矽(Si)及鍺(Ge)；IV族化合物半導體，諸如鍺化矽(SiGe)；III-V族半導體，諸如銻化鋁(AlSb)，砷化鋁(AlAs)，磷化鋁(AlP)，磷化硼(BP)，砷化硼(BAs)，銻化鎵(GaSb)，砷化鎵(GaAs)，磷化鎵(GaP)，銻化銦(InSb)，砷化銦(InAs)，氮化銦(InN)，磷化銦(InP)；III-V三元化合物半導體合金，諸如砷化鋁鎵(AlGaAs，AlxGal-xAs)，砷化銦鎵(InGaAs，InxGal-xAs)，磷化銦鎵(InGaP)，砷化鋁銦(AlInAs)，銻化鋁銦(AlInSb)，氮化鎵砷(GaAsN)，磷化鎵砷(GaAsP)，磷化鋁鎵(AlGaP)，氮化銦鎵(InGaN)，銻化銦砷(InAsSb)，銻化銦鎵(InGaSb)；III-V四元化合物半導體合金，諸如銦磷化鋁鎵(AlGaInP，亦即InAlGaP，InGaAlP，AlInGaP)，砷磷化鋁鎵(AlGaAsP)，砷磷化銦鎵(InGaAsP)，砷磷化鋁銦(AlInAsP)，砷氮化鋁鎵(AlGaAsN)，砷氮化銦鎵(InGaAsN)，砷氮化銦鋁(InAlAsN)，銻氮化鎵砷(GaAsSbN)；III-V五元化合物半導體合金，諸如氮砷銻化鎵銦(GaInNAsSb)，砷銻磷化鎵銦(GaInAsSbP)；II-VI族半導體，諸如硒化鎘(CdSe)，硫化鎘(CdS)，碲化鎘(CdTe)，硒化鋅(ZnSe)，硫化鋅(ZnS)，碲化鋅(ZnTe)；II-VI三重合金半導體，諸如鋅碲化鎘(CdZnTe，CZT)，鎘碲化汞(HgCdTe)，鋅碲化汞(HgZnTe)，鋅硒化汞(HgZnSe)；I-VII族半導體，諸如氯化亞銅(CuCl)；IV-VI族半導體，諸如硒化鉛(PbSe)，硫化鉛(PbS)，碲化鉛(PbTe)，硫化錫(SnS)，碲化錫(SnTe)；IV-VI三重半導體，諸如碲化鉛錫(PbSnTe)，碲化鉈錫(Tl2
SnTe5
)，碲化鉈鍺(Tl2
GeTe5
)；V-VI族半導體，諸如碲化鉍(Bi2
Te3
)；II-V族半導體，諸如磷化鎘(Cd3
P2
)，砷化鎘(Cd3
As2
)，銻化鎘(Cd3
Sb2
)，磷化鋅(Zn3
P2
)，砷化鋅(Zn3
As2
)，銻化鋅(Zn3
Sb2
)；及包括碘化鉛(PbI2
)，硒化鎵(GaSe)，硫化錫(SnS)，硫化鉍(Bi2
S3
)；鎵硒化銅銦(CIGS)；矽化鉑(PtSi)，碘化鉍(BiI3
)，碘化汞(HgI2
)，溴化鉈(TlBr)，二氧化鈾(UO2
)及三氧化鈾(UO3
)之其他物質。
在一較佳實施例中，量子顆粒，諸如量子點、量子桿及量子內核/外殼顆粒包括具間接能帶隙之半導體材料，包括(但不限於)Si及GaP。已發現此等材料不太可能再吸收射出之光子。
含有具適當大小之顆粒以容許該等顆粒發螢光之半導體，諸如量子點、量子桿及量子內核/外殼顆粒可由熟習技術者所熟知之任何方法，包括(但不限於)濕式化學方法、(MO) CVD方法及雷射消融方法製成。
在另一較佳實施例中可使用量子內核/外殼顆粒。如上文提及，量子內核/外殼顆粒係包括其上具有進一步材料塗層之半導體材料之一內核，該塗層可視需要塗覆該內核之整個表面；該進一步材料可係選自半導體及/或介電材料之一種材料，且若該進一步材料包括一半導體材料，則其即為本文之描述。發射可經由涉及該內核中之一類電荷及該外殼中之另一類電荷的該內核與其塗層間之介面發生，其導致一更大斯托克位移。CdTe/CdSe量子內核/外殼顆粒呈現此效應。相應地，量子內核/外殼顆粒可包括此等顆粒：包括其上具有一CdSe塗層之一CdTe內核。
在一實施例中，量子內核/外殼顆粒可係長形，並可包括量子桿。CdSe/CdS量子桿顯示較球形系統更少之光譜重疊；此因減少再吸收損耗而有利。相應地，量子內核/外殼顆粒可包括長形顆粒，視需要包括量子桿，該等顆粒包括其上具有一CdS塗層之一CdSe內核。
無機發光材料可包括吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光的一第一物種，及發射較該第一物種吸收之光更大波長之光的一第二物種，且能量轉移發生於該第一物種與該第二物種間，以使得該材料吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光，並發射更大波長之光，且該更大波長光具一適當能量以產生光伏打電池中之一電壓，且該第一物種與該第二物種可獨立包括量子顆粒，且該等量子顆粒視需要選自量子點、量子桿及量子內核/外殼顆粒。
無機發光材料可包括吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光的一第一組量子顆粒，及發射較該第一組量子顆粒吸收之光更大波長之光的一第二組量子顆粒，且能量轉移發生於該第一組量子顆粒與該第二組量子顆粒間，以使得該材料吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光，並發射更大波長之光，且該更大波長光具一適當能量以產生光伏打電池中之一電壓。
無機發光材料可包括量子顆粒之一混合物，其可(例如)具有不同大小、形狀及/或包括不同材料。該無機發光材料可(例如)包括視需要選自量子點、量子桿及量子內核/外殼顆粒、具有較大及較小大小的量子顆粒之一混合物。舉例而言，該無機發光材料可包括以下或已自以下形成：吸收電磁頻譜之UV及/或可見及/或紅外光區域、視需要為300nm至1420nm區域中之光的一第一組適當大小之量子顆粒，及一第二組適當大小之量子顆粒，從而該第二組量子顆粒發射較該第一組量子顆粒吸收之光更大波長之光，且能量轉移發生於該第一組量子顆粒與該第二組量子顆粒間。較佳言之，該第一組量子顆粒將具有比該第二組量子顆粒更小之體積平均直徑，且該第一組量子顆粒將以較該第二組量子顆粒更大之比例存在於該無機發光材料中。包括該第一組及第二組量子顆粒之無機發光材料可具有50nm或更大、較佳為80nm或更大、更佳為100nm或更大之一斯托克位移。
在一較佳實施例中，該第二組量子顆粒具有等於或大於製成其等之半導體材料中之激勵波耳半徑(Bohr-radius of the exciton)的體積平均直徑，且該第一組量子顆粒具有小於製成其等之半導體材料中之激勵波耳半徑的體積平均直徑。顆粒大小及進而之體積平均直徑例如可使用XRD峰值寬、使用電子顯微鏡方法或使用Malvern奈米篩選器工具量測。半導體材料中之激勵波耳半徑視具體材料而定，並通常介於1nm與10nm間。其係由半導體中載荷子之有效質量及該半導體之介電常數決定。
發光材料中之體積比率(第二組量子顆粒體積：全部量子顆粒體積)係較佳為1:100或更小，更佳為1:200或更小。已發現，相對於吸收量子顆粒之較小量發射量子顆粒具有已發現射出光子之再吸收得以減少之優點。
在另一實施例中，可使用兩類或更多類量子點及/或量子桿及/或量子內核/外殼系統。產生欲由光伏打元件接收之輻射的該量子單元應以前文所指定之較小量存在。
量子顆粒可使用任何熟知技術而分散於透明基質中，諸如使用液態前軀體之前文所提及技術。在一較佳方法中，該液態前軀體可係含有未聚合或未完全聚合前軀體之聚合物及量子顆粒之液體，且該未聚合或未完全聚合前軀體可經聚合或進一步聚合以形成透明基質，量子顆粒分散於其中。舉例而言，該聚合物可包括PMMA，且液態前軀體包括溶劑、MMA及量子顆粒。
PMMA中之量子顆粒分散可按下列實現：在劇烈攪拌下，可將一合適量之量子顆粒膠狀溶液(奈米顆粒可視需要使用TOP/TOPO程序進行封端，溶劑視需要為甲苯)增添至蒸餾出之MMA(甲基丙烯酸甲酯)及合適基團指示劑(例如0.05至0.2重量%之偶氮二異丁腈(AIBN))中。接著可將該MMA/量子顆粒分散體例如在約90℃之恒溫水浴中加熱20分鐘，直至該分散體具有待澆鑄(預聚合)之合適黏度，且該分散體接著澆鑄至合適模具中。該等模具可例如在60℃之烤箱中進一步受熱用於後聚合，以形成PMMA中之量子顆粒分散。諸板可被平整化及拋光。
本發明者業已發現，光伏打發電機之效率將取決於諸因素的平衡，包括(但不限於)發光材料之吸收及發射波長、發生於該發光材料中之再吸收量及光伏打電池中之能帶隙。無機發光材料較佳發射具有至少為該光伏打電池中能帶隙之能量至少1.05倍的能量(處於最大發射強度)。為了最大化效率，該發光材料應較佳跨一較寬波長範圍吸收光。已發現其應吸收約300nm以上之波長光。由於陽光中之光子通量對於具有約1eV以上能量之光子(約1420nm)迅速減低，無機發光材料僅須吸收至多約1420nm之波長光。然而，為了最小化再吸收，吸收光譜與發射光譜間之重疊應盡可能小，該重疊部分通常對應於一較大斯托克位移。較佳言之，無機發光材料具有一λa
之高波長吸收極限，其中λa
係對應於光伏打電池中能帶隙能量之20%或更大之一能量的一波長(兩能量係按相同單位量測，諸如eV)。
下文表I顯示可用於光伏打電池之半導體材料之一範圍，其等之能帶隙(以nm為單位給出)、應連同該等半導體材料使用之發光材料之較佳吸收及發射範圍，及應連同該等半導體材料使用之較佳發射離子。
雖然具有高能帶隙之半導體材料通常將較具有低能帶隙者產生更高電壓，然其等具有此缺點：可用於相關發光材料之吸收光譜寬度係小於用於具有低能帶隙之半導體材料者之寬度。換言之，就具有高能帶隙之半導體材料而言，可用於發光材料中之吸收的電磁頻譜量將小於用於具有低能帶隙之半導體材料者，進而轉換成電之入射光子的百分率將變小，且效率將減低。在表I中可看出，CdTe及GaInP較所示之其他半導體材料具有一更大能帶隙(對應於較其他材料更短之能帶隙波長)，但可連同CdTe及GaInP使用之相關發光材料的吸收光譜寬度較其他半導體材料相對較小。本發明者已發現，光伏打電池中之材料之能帶隙較佳為至少750nm(或約為1.65eV之最大能帶隙能量)。相應地，光伏打電池較佳包括選自Ge、GaInAs、CuInSe2
、Si及GaAs之一種半導體材料。
上文表I顯示半導體材料與可增加一裝置效率之發射離子之組合，通常用於僅含有一類發光材料及/或發射物種之一波導。該波導及/或裝置可包括複數類發光材料及/或發射物種。
如上所述，本發明提供一種光伏打發電機，其包括一光伏打電池及一波導，該波導包括具有如下之一透明基質：(i)分散於其中之無機發光材料之顆粒及/或(ii)設置於其至少一側處之無機發光材料，其中該波導係與該光伏打電池相關，以使得在使用過程中，自該發光材料射出之光之至少一些射入至該光伏打電池，以在該電池中產生一電壓。
該波導及/或透明基質可具有複數個側。在一實施例中，一光伏打電池係設置於該波導之至少一側處。較佳言之，至少一光伏打電池係設置於該波導之兩側處。該透明基質可具有讓光穿過其而進入該透明基質中之一第一側及與該第一側相對置之一側，其中該透明基質之該/該等剩餘側被稱為橫向側。一個或多個光伏打電池較佳定位於該/該等橫向側上。
在一實施例中，一光濾光器係設置於該波導或透明基質之至少一側處。該光濾光器將較佳容許透射將由發光材料吸收之光，而將反射由該發光材料射出之光。一合適濾光器係一干涉濾光器。此等濾光器係為熟習技術者所熟知，並由具交替較大及較小折射率值的材料之數層組成。較佳干涉濾光器包括(但不限於)包含SiO2
(折射率=1.46)及TiO2
(折射率=2.42)或Ta2
O5
(折射率=2.17)之交替層的濾光器，或由具較低及較高折射率之交替有機層組成之濾光器。
較佳言之，既反射將被吸收光又反射射出光之反射材料係設置於除其上設置光伏打電池及讓光穿過其進入透明基質之側或部分側以外的波導之側或部分側。該反射材料可包括(例如)一白色反射材料及/或一反射鏡。該白色反射材料可包括例如含有TiO2
顆粒之一白色粒狀材料。合適材料係為熟習技術者所熟知。
在一實施例中，無機發光材料顆粒係分散於透明基質中，且該透明基質具有複數個側，其中設置於該基質之至少一側處的是一光伏打電池，設置於至少一側處的是一濾光器，剩餘側具有設置於其等上之既反射將由無機發光材料吸收之光又反射由該無機發光材料射出之光的反射材料。
在一實施例中，無機發光材料係設置於透明基質之一側處。包括該無機發光材料或由該無機發光材料組成或基本上組成之一層可係設置於透明基質之一側處。若該層基本上由無機發光材料組成，則較佳小於5重量%、更佳小於2重量%、最佳小於1重量%之其他材料存在於該層中。該無機發光材料可設置於該透明基質之一表面上，視需要作為一層或納入一層或薄膜內。其上設置有發光材料之該透明基質之該側係較佳與讓光穿過其進入波導之側相對置，且較佳一個或多個光伏打電池係設置於一個或多個橫向側上。該無機發光材料之該層較佳具一足夠厚度，以使得該發光材料中射出的光子至少有90%射回至該波導中。一反射材料可設置於該無機發光材料之外側上，以支援將射出光子射回至該波導中。
在一實施例中，光伏打發電機進一步包括一繞射元件，其將光分為不同波長。該繞射元件可與波導相關，以使得入射至該繞射元件上之光在進入波導前分為不同波長。此當使用多於一種光伏打電池時具有優點。以此方式，光之光子能量可最好適於所用之光伏打電池。具更高光子能量之光進而將造成由對應光伏打元件產生之更高電壓。
在一實施例中，該裝置可包括串聯太陽能電池系統，其中一系列不同太陽能電池係包括至該裝置中。該等不同太陽能電池較佳包括具不同能帶隙之材料。該等不同太陽能電池係較佳定位於該裝置之一橫向側上，以使得在光傳播方向上，即在遠離讓光穿過其進入波導之側之方向上，太陽能電池之能帶隙減小。
該波導及/或透明基質通常可具立方形狀。其可具有容許光進入之一表面，其上視需要具有一濾光器；與容許光進入之該表面相對置之一表面，其中剩餘側被稱為橫向側。容許光進入之該表面及其相對置表面間之距離係較佳小於任意兩相對置橫向側間之距離。一濾光器係較佳定位於容許光進入之表面上。較佳言之，一個或多個光伏打電池係定位於一個或多個橫向側上。既反射將被吸收光又反射射出光之反射材料係較佳定位於該波導之剩餘側上。
圖1a及圖1b顯示本發明之一種光伏打發電機1之一實施例。該實施例之波導之透明基質2具立方狀，並可認為其具有一頂表面、四橫向表面及一底表面。圖1a顯示該光伏打發電機1之俯視圖，且圖1b顯示該光伏打發電機1之側視圖。無機發光材料顆粒(未顯示)係分散於波導2之透明基質中。一干涉濾光器3(圖1a中未顯示，圖1b中顯示)係設置於該透明波導之頂表面上，且光伏打電池4係設置於該波導之兩相對置橫向表面上。白色反射材料5係設置於該波導之剩餘表面上。
圖2a及圖2b顯示本發明之一種光伏打發電機1之一實施例。該實施例之波導具立方狀，並可認為其具有一頂表面、四橫向表面及一底表面。圖2a顯示該光伏打發電機1之俯視圖，且圖2b顯示該光伏打發電機1之側視圖。一層無機發光材料6係設置於該波導之透明基質之底表面上。一干涉濾光器3(圖2a中未顯示，圖2b中顯示)係設置於該透明波導之頂表面上，且光伏打電池4係設置於該波導之兩相對置橫向表面上。白色反射材料5係設置於該波導之剩餘表面上。
圖3顯示本發明之一種串聯光伏打發電機1之一實施例。該實施例之發電機具立方狀，並可認為其具有一頂表面、四橫向表面及一底表面。且圖3顯示該光伏打發電機1之俯視圖。該發電機包括許多並聯光伏打電池4，且設置於每一對電池4間的是一透明基質2。在每一透明基質之底表面上的是一層無機發光材料(未顯示)。一干涉濾光器(未顯示)係設置於每一透明基質之頂表面上。白色反射材料係設置於該等透明基質之剩餘表面上。
1．．．光伏打發電機
2．．．透明基質
3．．．干涉濾光器
4．．．光伏打電池
5．．．白色反射材料
6．．．無機發光材料
圖1a及圖1b顯示本發明之一種光伏打發電機之一實施例，其中無機發光材料顆粒係分散於一透明基質中；
圖2a及圖2b顯示本發明之一種光伏打發電機之一實施例，其中包括無機發光材料之一層係設置於該透明基質之一側；及
圖3顯示本發明之一種串聯光伏打發電機之一實施例，該發電機包括複數個透明基質及相鄰並聯光伏打電池，包括無機發光材料之一層係設置於該等透明基質之一側。
圖式中之相同參考數字指稱相同或類似組件。
1．．．光伏打發電機
2．．．透明基質
4．．．光伏打電池
5．．．白色反射材料
Claims (14)
- 一種光伏打發電機(1)，其包括：一光伏打電池(4)；及一波導，該波導包括一透明基質(matrix，2)，該透明基質具有(i)分散於該透明基質中之一無機發光材料之顆粒及/或(ii)設置於該透明基質之至少一側之一無機發光材料(6)，其中該波導係與該光伏打電池(4)相關，使得在使用中，自該發光材料射出之光的至少一些射入至該光伏打電池(4)中，以在該電池中產生一電壓，其中該無機發光材料具有50nm或更大之一吸收線寬、20nm或更小之一發射線寬及50nm或更大之一斯托克位移(Stokes shift)。
- 如請求項1之光伏打發電機(1)，其中該無機發光材料具有100nm或更大之一吸收線寬、10nm或更小之一發射線寬及100nm或更大之一斯托克位移。
- 如請求項1或2之光伏打發電機(1)，其中該波導進一步包括設置於該透明基質之至少一側之一干涉濾光器(3)，該干涉濾光器(3)(i)容許電磁區域內將由該無機發光材料吸收之光透射至該波導中，並(ii)選擇性反射該電磁區域內自該無機發光材料射出之光。
- 如請求項1之光伏打發電機(1)，其中該透明基質(2)包括一非結晶材料，且該無機發光材料包括一結晶材料。
- 如請求項1之光伏打發電機(1)，其中該無機發光材料包括吸收在300nm至1420nm區域中之光的一第一物種， 及發射較該第一物種所吸收之光一更大波長之光的一第二物種，且能量轉移發生於該第一物種與該第二物種之間，使得該無機發光材料吸收在該300nm至1420nm區域中之光，且發射更大波長之光，且該更大波長之光具一適當能量，以在該光伏打電池中產生一電壓。
- 如請求項5之光伏打發電機(1)，其中該無機發光材料包括一無機磷光體。
- 如請求項6之光伏打發電機(1)，其中該無機磷光體包括含有第一物種及第二物種之一無機主體材料，其中該第一物種係選自Ce3+ 、Eu2+ 或Yb2+ 之一離子，且該第二物種係選自一稀土離子及一過渡金屬離子之一離子。
- 如請求項7之光伏打發電機(1)，其中該無機磷光體包括Gd3 Ga5 O12 ；Ce、Cr。
- 如請求項5之光伏打發電機(1)，其中該無機發光材料包括一無機螢光材料。
- 如請求項9之光伏打發電機(1)，其中該無機螢光材料包括含有第一物種及第二物種之一無機主體材料，該無機主體材料中之該第一物種之濃度係大於該第二物種之濃度，且該第二物種係以0.5或更小莫耳%存在於該無機主體材料中。
- 如請求項9之光伏打發電機(1)，其中該無機螢光材料包括CaAlSiN3 ；Ce、Eu。
- 如請求項5之光伏打發電機(1)，其中該第一物種及該第二物種獨立地包括選自量子點、量子桿或量子內核/外殼 顆粒之一物種。
- 一種用於一光伏打發電機(1)之波導，該波導包括一透明基質(2)，該透明基質具有(i)分散於該透明基質中之一無機發光材料之顆粒及/或(ii)設置於該透明基質之至少一側之一無機發光材料(6)，其中該無機發光材料具有50nm或更大之一吸收線寬、20nm或更小之一發射線寬及50nm或更大之一斯托克位移。
- 如請求項13之波導，其中該波導係如請求項2至12中任一項所界定。
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