使用上转换光致发光太阳聚光器将入射辐射转换为电能的 器件和方法 相关申请
本申请主张 2009 年 5 月 1 日提交的美国临时申请第 61/174,494 号的优先权。该 临时申请的全部公开内容以引用的方式并入本案中。
技术领域 本发明涉及上转换光致发光太阳聚光器以及连接至该上转换光致发光太阳聚光 器的光伏器件。
背景技术
聚光器可以相当程度地降低来自光伏 (photovoltaic， PV) 电池的电的成本。常见 的聚光器件和技术利用直接辐射分量， 因此需要使用一些效率低的方法， 例如太阳跟踪。使用荧光收集器来聚集太阳光的聚光器件是已知的。荧光收集器使用红移 (red-shifting)( 或通过斯托克位移 (stokes shift)) 将高频紫外线 (UV) 转换成可见光 范围以供光伏电池使用。荧光收集器可包括掺杂有机染料和 / 或无机化合物的透明板。 荧光收集器构造成使得太阳光被染料或化合物吸收后， 光子被全向再辐射 (re-radiated isotropically)。再辐射光子然后利用内反射被局限于荧光收集器的板内， 其中被局限的 光子可在板的边缘利用带隙能刚好低于该荧光能量的光伏电池转换为电能。然而， 在荧光 收集器中， 多余的光子能量由于荧光红移 ( 或斯托克位移 ) 被耗散在收集器中而不是在光 伏电池中。
由于常规聚光器只能使用 UV 光谱， 因此常规聚光器仅使用总太阳光谱的有限部 分。那么， 大部分太阳光谱无法被常规聚光器使用于发电。常规聚光器的进一步限制是大 气层将太阳光中相当部分的紫外线过滤掉了。 发明内容 上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例包括具有波导介质的波导。 该实施例还 包括与波导介质接触的上转换发光基团。所述上转换发光基团构造成用以吸收入射光子。 所述上转换发光基团也构造成用以发射被发射光子。 所述被发射光子的能量比所述入射光 子的能量高。
在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中， 上转换发光基团构造成在吸收所 述入射光子之后再吸收第二入射光子， 然后发射所述被发射光子， 其中所述被发射光子的 能量高于所述第二入射光子的能量。
在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中， 上转换发光基团构造成用以吸收 波长在红外范围内的入射光子， 然后发射波长在可见和 / 或近红外范围内的被发射光子。
在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中， 所述上转换发光基团被植入所述 波导介质内。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中， 所述上转换发光基团设置在
所述波导介质的表面上。在上转换光致发光太阳聚光器的另一实施例中， 所述上转换发光 基团作为一个层、 膜或板设置在所述波导介质的表面上。在上转换光致发光太阳聚光器的 另一实施例中， 所述波导介质是液体， 所述上转换发光基团悬浮在所述液体中。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述波导在轴向上呈棒状并具有 几何横截面。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述波导介质选自非晶质氧化 硅、 氧化硅、 透明塑料、 透明液体、 玻璃、 有机玻璃、 掺杂 II-VI 族半导体的玻璃以及亚克力 塑料构成的群组中的一种。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述上转换发光基团是 H 聚集 体。在此使用的 H 聚集体是指显示向蓝移或显示蓝移 (hypsochromic shift) 的染料。在 上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 上转换发光基团是稀土离子。在此使用的稀 土离子包括稀土离子纳米晶。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 上转换发光 3+ 基团是稀土离子纳米晶。稀土离子纳米晶的例子包括 ( 但不限于 ) 钕 (Nd )、 镱 (Yb3+)、 铒 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ (Er )、 铥 (Tm )、 钬 (Ho )、 镨 (Pr )、 铈 (Ce )、 钇 (Y )、 钐 (Sm )、 铕 (Eu )、 钆 (Gd )、 铽 3+ 3+ 3+ (Tb )、 镝 (Dy ) 和镥 (Lu )。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 上转换发光 基团是镧系元素螫合物 (lanthanide chelate)。 在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施 例中， 上转换发光基团是 NaYF4 纳米晶。
在另一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括设在波导一侧上的抗反射 涂层以及设在抗反射涂层上的光锥 (taper)。 其中， 所述光锥的折射率高于所述波导介质的 折射率。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述光锥具有接收面和输出面， 所述接收面朝向所述波导， 用以接收所述被发射光子， 所述输出面用以输出所述被发射光 子。其中， 所述输出面小于所述接收面。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述光锥是纳米金刚石。在上转 换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述光锥的折射率在是 2.0 至 2.6 的范围内， 包括 2.0 和 2.6。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 波导的第二侧上设有反射面用以 朝向光锥反射被发射光子。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 波导的多个侧 上设置反射面用以朝向光锥反射被发射光子。
在一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括直接连接至所述光锥的光伏 器件， 其中所述光伏器件的折射率高于所述光锥的折射率。在上转换光致发光太阳聚光器 的一个实施例中， 光伏器件是量子点 (quantum dot)、 量子井 (quantum well) 光伏器件、 AlGaAs/GaAs 量子井光伏器件、 直接带隙 (direct band gap) 光伏器件、 硅基光伏器件或 III-V 族直接带隙光伏器件。 在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 上转换发光基 团具有重叠的吸收光谱和发射光谱。
在一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括第二上转换发光基团， 其中 所述第二上转换发光基团吸收第二入射光子并发射第二被发射光子。 所述第二被发射光子 的能量高于所述第二入射光子的能量， 且所述第二入射光子的能量高于所述入射光子的能 量。在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述上转换发光基团具有第一吸 收光谱和第一发射光谱， 其中所述第一吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠。所述第二 上转换发光基团具有第二吸收光谱和第二发射光谱， 其中所述第二吸收光谱和第二发射光 谱基本上不重叠。
在上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例中， 所述第一吸收光谱和第二吸收光 谱基本上不重叠。在一个实施例中， 所述第一发射光谱和第二发射光谱重叠。在上转换光 致发光太阳聚光器的另一个实施例中， 所述第一发射光谱和第二发射光谱基本上重叠。
在一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器包括第一波导和设置在第一波导下 方的第二波导。 第一波导包括第一波导介质和与所述第一波导介质接触的第一上转换发光 基团， 其中所述第一上转换发光基团具有第一吸收光谱和第一发射光谱， 且所述第一吸收 光谱和第一发射光谱不重叠。第二波导包括第二波导介质以及与所述第二波导介质接触 的第二上转换发光基团， 其中第二上转换发光基团具有第二吸收光谱和第二发射光谱， 所 述第二吸收光谱和第二发射光谱不重叠， 且所述第一吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重 叠。 在一个实施例中， 所述第一波导和第二波导之间设置有光锥， 其中所述光锥的折射率高 于所述第一波导的折射率。 在另一实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至第一波导和第二波导 的光伏器件， 其中所述第一发射光谱和第二发射光谱相互重叠， 第一发射光谱和第二发射 光谱与所述光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转换为电能。
在一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至所述第一波导的第一 光锥和连接至所述第二波导的第二光锥， 其中所述第一光锥的折射率高于所述第一波导的 折射率， 所述第二光锥的折射率高于所述第二波导的折射率。
在一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器包括连接至所述第一光锥的第一光 伏器件和连接至所述第二光锥的第二光伏器件。 所述第一发射光谱与所述第一光伏器件的 第一吸收波长重叠以将辐射转化为电能。 所述第二发射光谱与所述第二光伏器件的第二吸 收波长重叠以将辐射转化为电能。
在一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至所述第三光锥的第三 光伏器件。 所述第三发射光谱与所述第三光伏器件的第三吸收波长重叠以将辐射转化为电 能。
在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中， 所述第一发射光谱与所述光伏 器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。
在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中， 所述第二发射光谱与所述光伏 器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。
在另一实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括设置在所述第二波导下方的 第三波导。 第三波导包括第三波导介质以及与所述第三波导介质接触的第三上转换发光基 团， 其中所述第三上转换发光基团具有第三吸收光谱和第三发射光谱， 所述第三吸收光谱 和第三发射光谱基本上不重叠， 所述第三吸收光谱和第一吸收光谱基本上不重叠， 且所述 第三吸收光谱和第二吸收光谱基本上不重叠。第一光锥连接至所述第一波导， 其中所述第 一光锥的折射率高于所述第一波导的折射率。第二光锥连接至所述第二波导， 其中所述第 二光锥的折射率高于所述第二波导的折射率。第三光锥连接至所述第三波导， 其中所述第
三光锥的折射率高于所述第三波导的折射率。
在另一实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器还包括连接至所述第一光锥的第一 光伏器件、 连接至所述第二光锥的第二光伏器件以及连接至所述第三光锥的第三光伏器 件， 其中， 所述第一光伏器件的折射率高于所述第一光锥的折射率， 所述第二光伏器件的折 射率高于所述第二光锥的折射率， 且所述第三光伏器件的折射率高于所述第三光锥的折射 率。
在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中， 所述第一发射光谱与所述第一 光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转化为电能， 所述第二发射光谱与所述第二光伏器件的 吸收波长重叠以将辐射转化为电能， 所述第三发射光谱与所述第三光伏器件的吸收波长重 叠以将辐射转化为电能。
在上转换光致发光太阳聚光器的另一个实施例中， 每一所述第一波导、 第二波导 和第三波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。
在另一实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器包括叠置在一起的多个波导， 其中 每个波导在轴向上呈棒状并具有几何横截面。 每个波导具有波导介质以及与波导介质接触 的上转换发光基团。上转换发光基团构造成用以吸收入射光子然后发射被发射光子， 所述 被发射光子的能量高于入射光子的能量。 该实施例包括设置在多个波导与光伏器件之间的 抗反射涂层。光伏器件设置在多个波导的一个端侧以接收被发射光子， 其中上转换发光基 团的发射光谱与光伏器件的吸收波长重叠以将辐射转换为电能。 在另一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器包括设置在多个波导第二端侧的 第二光伏器件， 其中上转换发光基团的发射光谱与第二光伏器件的吸收波长重叠以将辐射 转换为电能。
在另一个实施例中， 提供了一种将入射辐射转换为电能的方法。 该实施例包括 ： 利 用上转换发光基团吸收入射辐射 ； 从所述发光基团发射被发射光子， 其中所述被发射光子 的能量高于所述入射辐射的能量 ； 利用波导将来自所述上转换发光基团的被发射光子引导 至光伏器件 ； 以及所述光伏器件吸收被发射光子并将其转换为电能。
在另一个实施例中， 该方法还包括 ： 利用第二上转换发光基团吸收第二入射辐射， 其中所述第二入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量 ； 从所述第二发光基团发射第二被 发射光子， 其中所述第二被发射光子的能量高于所述第二入射辐射的能量 ； 利用第二波导 将来自所述第二上转换发光基团的第二被发射光子引导至光伏器件 ； 以及所述光伏器件吸 收第二被发射光子并将其转换为电能。
在另一实施例中， 该方法还包括 ： 利用第三上转换发光基团吸收第三入射辐射， 其 中所述第三入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量 ； 从所述第三发光基团发射第三被发 射光子， 其中所述第三被发射光子的能量高于所述第三入射辐射的能量 ； 利用第三波导将 来自所述第三上转换发光基团的第三被发射光子引导至第三光伏器件 ； 以及所述第三光伏 器件吸收第三被发射光子并将其转换为电能。
在另一个实施例中， 被发射光子和第二被发射光子具有相同的能量。在另一个实 施例中， 第二被发射光子的能量高于被发射光子的能量。
在一个实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器包括具有第一波导介质的第一波导 以及设置在第一波导的表面上的发光基团层， 其中所述发光基团层包括与所述第一波导介
质接触的多个上转换发光基团。第二波导设置在所述发光基团层上方， 其中所述第二波导 具有第二波导介质， 所述多个上转换发光基团与所述第二波导介质接触。光伏器件设在所 述第一波导和第二波导的端侧。 所述第一波导构造成用以将从多个上转换发光基团其中之 一进入所述第二波导的被发射光子朝向所述光伏器件引导。 所述第二波导构造成用以将从 多个上转换发光基团其中之一进入所述第二波导的被发射光子朝向所述光伏器件引导。 在 一个实施例中， 第一和 / 或第二波导介质是液体。在一个实施例中， 第一和 / 或第二波导在 轴向上呈棒状并具有几何横截面。在一个实施例中， 第一和 / 或第二波导介质为选自非晶 质氧化硅、 氧化硅、 透明塑料、 透明液体、 玻璃、 有机玻璃、 掺杂 II-VI 族半导体的玻璃以及 亚克力塑料构成的群组中的一种。 在一个实施例中， 上转换发光基团是 H 聚集体。 在一个实 施例中， 上转换发光基团是稀土离子。在一个实施例中， 第一和 / 或第二波导的一侧设有抗 反射涂层。抗反射涂层可设置在波导与发光基团层之间。在一个实施例中， 光锥可设置在 波导的一侧， 并让抗反射涂层设置在光锥与波导之间。 在一个实施例中， 光锥的折射率高于 第一和 / 或第二波导介质的折射率。 光锥可具有接收面和输出面， 其中接收面朝向第一和 / 或第二波导用以接收被发射光子， 输出面用以输出被发射光子， 其中接收面大于输出面。 光 锥可以是纳米金刚石。光锥的折射率可在 2.0 至 2.6 的范围内， 包括 2.0 和 2.6。在一个实 施例中， 光伏器件可直接连接至光锥， 其中光伏器件的折射率高于光锥的折射率。 在另一实施例中， 多个上转换发光基团中的其中一个或多个发光基团的吸收光谱 和发射光谱重叠。在一个实施例中， 多个上转换发光基团中的其中一个发光基团的吸收光 谱和发射光谱基本上重叠。在一个实施例中， 多个上转换发光基团中的其中一个或多个发 光基团的吸收光谱和发射光谱完全重叠。被发射光子可被局限于其进入的波导中， 使得其 被上转换发光基团再次吸收的可能性在统计上较低和 / 或在统计上不存在。将被发射光子 局限在波导内， 这是靠波导的将被发射光子朝向光伏器件引导的这种构造来达成的。
从下列详细的描述中， 本实用新型的其它特征和形式将变得更加明显。
附图简要说明
图 1 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 2 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 3 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 4 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 5 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 6 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 7 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 8 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 9 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 10 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 11 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 12 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。
图 13 是上转换光致发光太阳聚光器的波导的一个实施例的立体图。
图 14 是上转换光致发光太阳聚光器的波导的一个实施例的立体图。
图 15(a)-(h) 是上转换光致发光太阳聚光器的多个波导的实施例的横截面示意
图。
图 16 例示上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图及其吸收和发射光 图 17 例示上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图及其吸收和发射光 图 18 是上转换光致发光太阳聚光器的一个实施例的侧视图。谱。
谱。
具体实施方式
一种将入射辐射转化为电能的方法， 包括 ： 利用上转换发光基团吸收入射辐射 ； 从所述发光基团发射被发射光子， 其中所述被发射光子的能量高于所述入射辐射的能量 ； 利用波导将来自所述上转换发光基团的被发射光子引导至光伏器件 ； 以及所述光伏器件吸 收被发射光子并将其转换为电能。该方法还可包括 ： 利用第二上转换发光基团吸收第二入 射辐射， 其中所述第二入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量 ； 从所述第二发光基团发 射第二被发射光子， 其中所述第二被发射光子的能量高于所述第二入射辐射的能量 ； 利用 第二波导将来自所述第二上转换发光基团的第二被发射光子引导至光伏器件 ； 以及所述光 伏器件吸收第二被发射光子并将其转换为电能。该方法还可包括利用 ： 第三上转换发光基 团吸收第三入射辐射， 其中所述第三入射辐射的能量高于所述入射辐射的能量 ； 从所述第 三发光基团发射第三被发射光子， 其中所述第三被发射光子的能量高于所述第三入射辐射 的能量 ； 利用第三波导将来自所述第三上转换发光基团的第三被发射光子引导至第三光伏 器件 ； 以及所述第三光伏器件吸收第三被发射光子并将其转换为电能。
这些实施例可以利用图中所示以及在此描述的上转换光致发光太阳聚光器的实 施例来实施。
图 1 是上转换光致发光太阳聚光器 10 的一个实施例的侧视图， 其中聚光器 10 包 括波导 100。波导 100 具有波导介质 102。上转换光致发光基团 (chromophore)104 与波 导介质 102 接触。上转换发光基团 104 构造成用以吸收入射光子 (incident photon)106。 上转换发光基团 104 构造成用以发射被发射光子 (emitted photon)108。图 1 例示该被发 射光子 108 被波导 100 引导至光伏器件 110 以将被发射光子 108 转化为电能。在波导介质 102 与光伏器件 110 之间的界面处可设置有光锥 (taper)。 在波导的一侧可设置反射面 112 用以反射被发射光子。
在一个实施例中， 波导介质 102 对被发射光子 108 的波长是透明的。 波导介质 102 可以是玻璃和 / 或氧化硅。玻璃和氧化硅对通过波导的光致发光波长是透明的。波导介质 102 可以是由溶胶 - 凝胶工艺 (sol-gel process) 制成的产品。该溶胶 - 凝胶工艺是将溶 胶变成凝胶状网络， 从而形成同时包含液相和固相的溶胶 - 凝胶介质。其中， 固相可能形成 一种胶体。该固相的形态可能是从离散胶状颗粒到连续链式聚合物网络之间的任何形态。 溶胶 - 凝胶介质的一个例子是非晶质氧化硅。溶胶 - 凝胶介质的折射率最好可调整至与上 转换发光基团 104 相匹配。波导介质 102 的材料的例子包括 ( 但不限于 ) 非晶质氧化硅、 透明塑料、 透明液体、 氧化硅、 玻璃、 有机玻璃、 参杂 II-VI 族半导体的玻璃或亚克力塑料。 II-VI 族半导体的例子包括 ( 但不限于 ) 氧化镁 (MgO)、 硫化镁 (MgS)、 硒化镁 (MgSe)、 碲化 镁 (MgTe)、 氧化锌 (ZnO)、 硫化锌 (ZnS)、 硒化锌 (ZnSe)、 碲化锌 (ZnTe)、 硫化镉 (CdS)、 硒化镉 (CdSe)、 碲化镉 (CdTe)、 硫化汞 (HgS)、 硒化汞 (HgSe) 以及碲化汞 (HgTe)。亚克力塑料 具有相对低的溶点， 与亚克力塑料接触或植入亚克力塑料中的上转换发光基团 104 的热损 害的风险将会降低。波导介质 102 可以是固相、 液相、 玻璃相或其组合。
当上转换光致发光基团 104 吸收入射光子 106 时， 该上转换光致发光基团 104 获 得能量并进入激发态。该上转换光致发光基团 104 可以通过减少能量而从激发态弛豫至低 能态， 例如基态。减少能量的一种方式是通过发射被发射光子 108。
上转换发光基团 104 的例子包括 ( 但不限于 )H 聚集体 (H-aggregate)、 稀土离子 (rare-earth ion)、 稀土离子纳米晶、 镧系元素螫合物 (lanthanide chelate) 和 / 或 NaYF4 纳米晶。 更多上转换发光基团 104 的例子包括 ( 但不限于 ) 纳米晶， 包括钕 (Nd3+)、 镱 (Yb3+)、 铒 (Er3+)、 铥 (Tm3+)、 钬 (Ho3+)、 镨 (Pr3+)、 铈 (Ce3+)、 钇 (Y3+)、 钐 (Sm3+)、 铕 (Eu3+)、 钆 (Gd3+)、 铽 (Tb3+)、 镝 (Dy3+) 和 / 或镥 (Lu3+)。被发射光子 108 的能量比入射光子 106 高。这种能量 差被称为反斯托克位移 (anti-Stokes shift)。这些额外的能量可能来自于晶格内热光子 的耗散。 这些额外的能量也可能来自于上转换发光基团 104 吸收一个以上的入射光子 104， 每个被吸收的入射光子 106 的能量比被发射光子 108 低。在双光子过程中， 上转换光致发 光基团 104 吸收两个低能入射光子 106 并发射单一高能被发射光子 108。因此， 上转换发 光基团构造成用以在吸收入射光之之后再吸收一个第二入射光子， 然后发射所述被发射光 子， 其中所述被发射光子的能量比第二入射光子高。 太阳光谱有相当的一部分是在红外范围， 或者说波长从 700 纳米至 3000 纳米。上 转换发光基团 104 构造成用以捕获至少一部分该光谱并将被捕获的光子的能量转换为光 伏器件可用的波长 ( 例如可见光谱的波长 )。相比将紫外光谱下转换至可见和 / 或近红外 光谱的器件而言， 上转换发光基团 104 提升了器件整体效率。在一个实施例中， 上转换发光 基团 104 构造成用以吸收波长在红外范围的入射光子 106， 然后发射波长在可见范围的被 发射光子 108。红外范围包括近红外 (NIR)、 短波红外 (SWIR)、 中波红外 (MWIR)、 长波红外 (LWIR) 和远红外 (FIR)。在一个实施例中， 红外范围包括从 700 纳米到 1000 纳米的波长范 围。 在一个实施例中， 红外范围包括从 700 纳米到 1400 纳米的波长范围。 在一个实施例中， 红外范围包括从 700 纳米到 3000 纳米的波长范围。 在一个实施例中， 红外范围包括从 1000 纳米到 1400 纳米的波长范围， 包括 1000 和 1400 纳米。在一个实施例中， 红外范围包括从 1000 纳米到 3000 纳米的波长范围， 包括 1000 和 3000 纳米。在一个实施例中， 红外范围包 括从 1400 纳米到 3000 纳米的波长范围， 包括 1400 和 3000 纳米。在一个实施例中， 红外范 围包括从 3 微米到 8 微米的波长范围， 包括 3 和 8 微米。在一个实施例中， 红外范围包括从 8 微米到 15 微米的波长范围， 包括 8 和 15 微米。在一个实施例中， 红外范围包括从 15 微米 到 1000 微米的波长范围， 包括 15 和 1000 微米。
光伏器件 110 的例子包括 ( 但不限于 ) 光伏电池、 量子点 (quantum dot， QD)、 量子 井 (quantum well) 光伏器件、 AlGaAs/GaAs 量子井光伏器件、 直接带隙 (direct band gap) 光伏器件、 硅基光伏器件和 / 或 III-V 族直接带隙光伏器件。
图 2 是上转换光致发光太阳聚光器 12 的一个实施例的侧视图， 其与图 1 所示的上 转换光致发光太阳聚光器 10 类似。图 2 所示的上转换光致发光太阳聚光器 12 包括波导 200 和波导介质 202。第一上转换光致发光基团 204 和第二上转换光致发光基团 206 与波 导介质 202 接触。第一和第二上转换发光基团 204、 206 分别构造成用以吸收第一和第二入
射光子 208、 210。第一和第二上转换发光基团 204、 206 分别构造成用以发射第一和第二被 发射光子 212、 214。第一和第二被发射光子 212、 214 的能量与被光伏器件 216 吸收的能量 实质上相等。每一第一和第二被发射光子 212、 214 的波长位于光伏器件 216 的吸收光谱范 围内。图 2 例示第一和第二被发射光子 212、 214 被波导 200 引导至光伏器件 216， 以将第一 和第二被发射光子 212、 214 转化为电能。波导介质 202 与光伏器件 216 之间的界面处可设 置光锥。
在一个实施例中， 第二被发射光子 214 的能量比第二入射光子 210 高。在一个实 施例中， 第二入射光子 210 的能量比第一入射光子高 208。在另一个实施例中， 第一被发射 光子 212 和第二被发射光子 214 具有相等的能量。
图 3 是上转换光致发光太阳聚光器 14 的一个实施例的侧视图， 其与图 1 所示的上 转换光致发光太阳聚光器 10 类似。在图 3 中， 与图 1 中的结构类似的结构采用相同标号。 图 1 所示的上转换发光基团 104 是植入波导介质 102 中并与波导介质 102 接触。图 3 所示 的上转换发光基团 104 是设置在波导 102 的表面上并与波导介质 102 接触。
当波导介质为一种液体时， 上转换发光基团悬浮在该液体中。图 1-3 也可被理解 为其描绘了上转换发光基团悬浮在波导介质中， 其中该波导介质为一种液体。 图 4 是上转换光致发光太阳聚光器 16 的一个实施例的侧视图， 其与图 3 所示的上 转换光致发光太阳聚光器 14 类似。在图 4 中， 与图 3 中结构类似的结构采用相同标号。上 转换光致发光太阳聚光器 16 包括波导 100。图 4 所示的上转换发光基团 104 为设置于波导 介质 102 的表面上并与波导介质 102 接触的薄膜或层 105 或板。例如， 层 105 是一个具有 多个上转换发光基团 104 的层， 其涂在溶胶 - 凝胶介质 102 的表面上。
图 5 是上转换光致发光太阳聚光器 17 的一个实施例的侧视图。上转换光致发光 太阳聚光器 17 包括多个波导 300。图 5 例示了三个波导 300， 其中这三个波导 300 叠置在 一起， 第二波导叠置在第一波导下方， 第三波导叠置在第二波导下方。上转换光致发光太 阳聚光器 17 可具有更多或更少的波导。上述多个波导 300 中的每一个包括波导介质 302、 303、 304。波导介质 302、 303、 304 的材料可以相同。波导介质 302、 303、 304 的材料也可以 相互不同。每个上转换光致发光基团 305、 306、 307 都与其对应的波导介质 302、 303、 304 接 触。上转换发光基团 305、 306、 307 分别被构造成用以吸收入射光子 308、 309、 310。上转换 发光基团 305、 306、 307 分别被构造成用以发射被发射光子 311、 312、 313。图 5 例示这些被 发射光子 311、 312、 313 分别被这些波导 300 引导至光伏器件 320、 321、 322。这些光伏器件 320、 321、 322 将被发射光子 311、 312、 313 转化为电能。每个和 / 或所有波导介质 302、 303、 304 与光伏器件 320、 321、 322 之间的界面处可设置一个或多个光锥。 波导介质 302、 303、 304 之间的界面处可设置一个或多个光锥。上述多个波导 300 的一侧或多侧上可设置反射表面 330 以反射被发射光子 311、 312、 313。
图 6 是上转换光致发光太阳聚光器 18 的一个实施例的侧视图， 其与图 5 所示的上 转换光致发光太阳聚光器 17 类似。在图 6 中， 与图 5 中结构类似的结构采用相同标号。在 图 6 所示的实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器 18 包括单一光伏器件 323， 而不是多个光 伏器件 320、 321、 322( 如图 5 所示 )。如图 6 所示， 每个被发射光子 311、 312、 313 被多个波 导 300 引导至该光伏器件 323。在每个和 / 或所有波导介质 302、 303、 304 与光伏器件 323 之间的界面处可设置一个或多个光锥。
图 7 是上转换光致发光太阳聚光器 19 的一个实施例的侧视图。 上转换光致发光太 阳聚光器 19 包括多个波导 400。图 7 例示了两个波导 400， 其中这两个波导 400 叠置在一 起， 第二波导位于第一波导下方。 当描述一个波导位于另一个波导下方时， 术语 “下方” 是指 沿一个始于入射光子源的方向上的下方， 使得该入射光子在进入位于第一波导下方的第二 波导之前必须穿过该第一波导。上转换光致发光太阳聚光器 19 可以包括更多的波导叠置 在一起。上述多个波导 400 分别具有波导介质 402、 403。上转换光致发光基团 405、 406 分 别与它们对应的波导介质 402、 403 接触。上转换发光基团 405、 406 分别构造成用以吸收入 射光子 408、 409。上转换发光基团 405、 406 分别构造成用以发射被发射光子 411、 412。图 7 例示每个被发射光子 411、 412 被多个波导 400 引导至光伏器件 420、 421、 422、 423。两个 光伏器件 420、 422 设置在同一个波导 400 的相反两端侧， 另两个光伏器件 421、 423 设置在 同一个波导 400 的相反两端侧。光伏器件 420、 421、 422、 423 将被发射光子 411、 412 转化为 电能。上述多个波导 400 的一侧或多侧可设置反射面 440 以将被发射光子 411、 412 朝向光 伏器件 420、 421、 422、 423 反射。
图 8 是上转换光致发光太阳聚光器 20 的一个实施例的侧视图， 其与图 7 所示的上 转换光致发光太阳聚光器 19 类似。在图 8 中， 与图 7 中结构类似的结构采用相同标号。在 图 8 中， 上述多个波导 400 的一个端侧设置单一光伏器件 425， 而不是多个光伏器件 422、 423( 如图 7 所示 )。光伏器件 420、 421 设置在远离该单一光伏器件 425 的相反端侧。 图 9 是上转换光致发光太阳聚光器 21 的一个实施例的侧视图， 其与图 8 所示的上 转换光致发光太阳聚光器 20 类似。在图 9 中， 与图 8 中结构类似的结构采用相同标号。在 图 9 中， 上述多个波导 400 的一个端侧设置单一光伏器件 426， 而不是多个光伏器件 420、 421( 如图 7 和 8 所示 )。光伏器件 425、 426 设置在上述多个波导 400 的相反两端侧。
图 10 是上转换光致发光太阳聚光器 22 的一个实施例的侧视图， 其与图 1 所示的 上转换光致发光太阳聚光器 10 类似。在图 10 中， 与图 1 中结构类似的结构采用相同标号。 图 10 例示被发射光子 108 被波导 100 朝向光伏器件 110 引导。图 10 所示的实施例包括位 于波导 100 与光伏器件 110 之间的界面元件。图 10 例示了一个光锥 500， 其设置在位于波 导 100 端侧上的抗反射涂层 501 上。抗反射涂层 501 设置在波导的一侧上， 该侧位于光锥 500 与波导 100 和 / 或波导介质 102 之间的界面处。作为另一种方式， 光锥 500 也可以设置 成与波导 100 和 / 或波导介质 102 直接接触。
光锥 500 的折射率高于波导 102 的折射率。光伏器件 110 接收来自光锥 500 一侧 的荧光。光伏器件 110 可以直接连接至光锥 500。作为另一种方式， 光伏器件 110 也可以利 用位于光伏器件 110 与光锥 500 之间的抗反射涂层连接至光锥 500。
荧光从所有角度落到波导 100 的出光面， 因此无法在具有相同折射率的波导介质 102 中被进一步聚集。然而， 通过设置折射率比波导 102 高的透明介质光锥 500， 则有可能 将荧光的聚集度进一步提升大约 5 倍， 这有利于不同单元的重叠以避免阴影损失 (shading loss)。
光锥 500 具有输出面 502 和接收面 503， 输出面 502 用以朝向光伏器件 110 输出被 发射光子， 接收面 503 面向波导用以接收被发射光子 108。在一个实施例中， 光锥 500 的输 出面 502 小于接收面 503。光锥 500 可以是纳米金刚石。光锥 500 的材料的折射率可以是 在 2.0 至 2.6 的范围内， 包括 2.0 和 2.6。波导 100 的第二侧可是设置有反射面 112 用以朝
向光锥 500 反射被发射光子 108。在另一实施例中， 上转换光致发光太阳聚光器 22 也包括 与光锥 500 直接连接的光伏器件 110， 其中该光伏器件 110 的折射率大于光锥 500 的折射 率。
图 11 是上转换光致发光太阳聚光器 23 的一个实施例的侧视图， 其中图 10 所示的 波导 100 叠置在另一个波导 512 上以形成多个波导 520。第二波导 512 位于第一波导 100 下方。第二波导 512 包括第二上转换光致发光基团 504， 其与第二波导介质 513 接触。第二 上转换发光基团 504 构造成用以吸收第二入射光子 506。第二上转换发光基团 504 构造成 用以发射第二被发射光子 508。图 11 例示第二被发射光子 508 被多个波导 520 朝向第二光 伏器件 510 引导， 以将被发射光子 508 转化成电能。图 11 例示设置在第二波导 512 的一个 端侧的第二光锥 511。抗反射涂层可设置在波导的一侧， 该侧位于光锥 511 与第二波导 512 和 / 或波导介质 513 之间的界面处。或者， 光锥 511 可设置成与第二波导 512 和 / 或波导 介质 513 直接接触。图 11 例示第二光伏器件 510 设置在第二光锥 511 的远离波导 512 的 一个面上。光锥 514 设置在波导介质 102、 513 之间的界面处。
第一光锥 500 的折射率大于第一波导 100 的折射率， 第二光锥 511 的折射率大于 第二波导 512 的折射率， 且第一光锥和第二光锥上连接有光伏器件。第一光伏器件 110 的 折射率大于第一光锥 500 的折射率， 且第二光伏器件 510 的折射率大于第二光锥 511 的折 射率。
图 12 是上转换光致发光太阳聚光器 24 的一个实施例的侧视图， 其与图 6 所示的 上转换光致发光太阳聚光器 18 类似。在图 12 中， 与图 6 中结构类似的结构采用相同标号。 图 12 例示每个被发射光子 311、 312、 313 被多个波导 300 朝向光伏器件 323 引导。图 12 例 示光锥 600 被设置在多个波导 300 与光伏器件 323 之间的界面处。图 12 例示光锥 600 设 置在多个波导的一个端侧。抗反射涂层 601 设置在多个波导 300 的一侧上， 该侧位于光锥 600 与多个波导 300 和 / 或波导介质 302、 303、 304 之间的界面处。作为另一种方式， 光锥 600 也可以设置成与多个波导 300 和 / 或波导介质 302、 303、 304 直接接触。光伏器件 323 与光锥 600 之间也可设置抗反射涂层 602。
图 13 是波导 700 的一个实施例的立体图， 其中波导 700 在轴向上呈棒状， 并具有 几何横截面。
图 14 是波导 702 的另一个实施例的立体图， 其中波导 702 在轴向上呈棒状， 并具 有几何横截面。在一个实施例中， 高宽比为 1/1000。在一个实施例中， 高宽比小于 1/1000。
图 15(a)-(h) 绘出波导的横截面的例子。几何横截面让这些波导可有效地叠置。 图 15(a) 绘出平行四边形的几何横截面。图 15(b) 绘出三角形的几何横截面。图 15(c) 绘 出十字形的几何横截面。图 15(d) 绘出圆形的几何横截面。图 15(e) 绘出矩形的几何横截 面。图 15(f) 绘出方形的几何横截面。图 15(g) 绘出六边形的几何横截面。图 15(h) 绘出 八边形的几何横截面。
图 16 是上转换光致发光太阳聚光器 18、 24( 图 6 和图 12) 的实施例的侧视图及其 吸收和发射光谱曲线。光谱曲线 800 例示在每个波长下的波长 (λ) 对强度的曲线图。光 谱曲线 800 绘出第一上转换发光基团 305 的第一吸收光谱 802 和第一发射光谱 804、 第二上 转换发光基团 306 的第二吸收光谱 806 和第二发射光谱 808 以及第三上转换发光基团 307 的第三吸收光谱 810 和第三发射光谱 812。波长 802、 806、 810 渐增的入射光被对应的波导接收。上转换光致发光基团 305、 306、 307 调变以吸收入射辐射的波长 802、 806、 810 并发射分别具有蓝移 (blue-shifted) 波 长 804、 808、 812 的被发射光子 311、 312、 313。这种蓝移辐射 804、 808、 812 在对应的波导中 内反射并被引导至光伏器件 323。
基本上重叠的定义是当两个光谱的的重叠等于或超过 50％， 基本上不重叠的定义 是当两个光谱的重叠少于 50％。不重叠的定义是当两个光谱的重叠少于 10％。
图 16 例示第一吸收光谱 802 和第一发射光谱 804 基本上不重叠， 第二吸收光谱 806 和第二发射光谱 808 基本上不重叠， 第三吸收光谱 810 和第三发射光谱 812 基本上不重 叠。
图 16 例示第一吸收光谱 802 和第一发射光谱 804 不重叠， 第二吸收光谱 806 和第 二发射光谱 808 不重叠， 第三吸收光谱 810 和第三发射光谱 812 不重叠。
图 16 例示第一吸收光谱 802 和第二吸收光谱 806 基本上不重叠， 第二吸收光谱 806 和第三吸收光谱 810 基本上不重叠。图 16 例示第一吸收光谱 802 和第三吸收光谱 810 不重叠。
图 16 例示第一发射光谱 804 和第二发射光谱 808 基本上重叠， 第二发射光谱 808 和第三发射光谱 812 基本上重叠， 第一发射光谱 804 和第三发射光谱 812 基本上重叠。第 一、 第二和第三发射光谱 804、 808、 812 与光伏器件 323 的吸收波长重叠以将辐射转化为电 能。
图 17 是上转换光致发光太阳聚光器 17( 图 5) 的实施例的侧视图及其吸收和发射 光谱曲线图。光谱曲线 900 例示在每个波长下的波长 (λ) 对强度的曲线图。光谱曲线 900 例示第一上转换发光基团 305 的第一吸收光谱 902 和第一发射光谱 904、 第二上转换发光 基团 306 的第二吸收光谱 906 和第二发射光谱 908 以及第三上转换发光基团 307 的第三吸 收光谱 910 和第三发射光谱 912。第一吸收光谱 902 和第一发射光谱 904 基本上不重叠， 第二吸收光谱 906 和第二发射光谱 908 基本上不重叠， 第三吸收光谱 910 和第三发射光谱 912 基本上不重叠。第一吸收光谱 902 和第一发射光谱 904 不重叠， 第二吸收光谱 906 和 第二发射光谱 908 不重叠， 第三吸收光谱 910 和第三发射光谱 912 不重叠。第一吸收光谱 902 和第二吸收光谱 906 基本上不重叠， 第二吸收光谱 906 和第三吸收光谱 910 基本上不重 叠。图 17 例示第一吸收光谱 902 和第三吸收光谱 910 不重叠。第一发射光谱 904 和第二 发射光谱 908 基本上不重叠， 第二发射光谱 908 和第三发射光谱 912 基本上不重叠， 第一发 射光谱 904 和第三发射光谱 912 基本上不重叠。每个第一、 第二和第三发射光谱 904、 908、 912 与它们对应的光伏器件 320、 321、 322 的吸收波长重叠以将辐射转化为电能。 器件 17 的 较低层的波导依序吸收并发射波长更长的光。较高层的波导吸收辐射， 使得这些辐射波长 不会明显进入较低层的波导。因此， 较高层的发光基团吸收的光波长被有效地 “阻挡” 进入 较低层的发光基团。 发光基团辐射的发射被调变至对应类型的光伏器件的能量转换光谱的 最高效部位。重叠光谱 920 例示了器件 17 如何能够有效地形成高效的能量转换系统。
图 18 是上转换光致发光太阳聚光器 25 的一个实施例的侧视图。上转换光致发光 太阳聚光器 25 包括第一波导 930 以及发光基团层 934。第一波导 930 具有第一波导介质 932。发光基团层 934 设置在第一波导 930 的表面上。发光基团层 934 包括与第一波导介 质 932 接触的多个上转换发光基团 936、 938。第二波导 940 设置在发光基团层 942 上方， 其中第二波导 940 具有第二波导介质 942， 且上述多个上转换发光基团 936、 938 与第二波导介 质 942 接触。光伏器件 944 设置在第一波导 930 和第二波导 940 的一个端侧。图 18 例示 光锥 946 设置在光伏器件 944 与第一和第二波导 930、 934 之间。第一波导 930 构造成用以 将从多个上转换发光基团 938 其中之一进入第一波导 930 的被发射光子 948 朝向光伏器件 944 引导。第二波导 940 构造成用以将从多个上转换发光基团 936 其中之一进入第二波导 940 的被发射光子 950 朝向光伏器件 944 引导。第一和 / 或第二波导 930、 940 的一侧上可 设置抗反射涂层。该抗反射涂层可设置在第一波导 930 与发光基团层 934 之间。该抗反射 涂层可设置在第二波导 940 和发光基团层 934 之间。上述多个上转换发光基团 936、 938 的 吸收光谱和发射光谱可重叠、 基本上重叠和 / 或完全重叠。被发射光子 948、 950 可被局限 在其进入的波导 930、 940 中， 使得其被上转换发光基团 936、 938 再次吸收的可能性在统计 上较低和 / 或在统计上不存在。将被发射光子 948、 950 局限在波导 930、 940 内， 这是靠波 导 930、 940 的构造来达成的， 其朝向光伏器件 944 引导波导 930、 940 内的被发射光子 948、 950。
这种构造的例子包括 ( 但不限于 ) 波导 930、 940 的几何形状 (1 ∶ 1000 的高宽 比 )、 波导介质 932、 942 的种类、 波导介质 932、 942 与发光基团层 934 之间的折射率差异、 设 置在波导 930、 940 与发光基团层 934 之间的抗反射涂层和 / 或上述构造的组合。 虽然在此描述了本发明的优选实施方式， 但本领域技术人员将可认识到， 在不脱 离本发明的范围内， 可以作各种变更或替换。 本发明的范围应以所附的权利要求为准， 并包 括其等同范围。