[发明专利]无色发光太阳能集光器，具有扩展到近红外区的吸收的无重金属、基于至少三元硫属化合物的半导体纳米晶体

说明书

本发明涉及根据主权利要求的前序部分的太阳能集光器。

众所周知，发光太阳能集光器(LSC)包含形成集光器本体的玻璃或塑料波导，其涂覆或掺杂有高度发射性的元素或成分(通常称为荧光体)。直射和/或漫反射的太阳光被这些荧光体吸收并在较高波长下再发射。以这种方式产生的发光通过全内反射向波导的边缘传播，并且通过耦合到集光器本体周边的高效光伏电池转换成电能。

更具体地，发光太阳能集光器通常由具有大致片材状或平行六面体形状的本体(即上述波导)构成，其掺杂有有机荧光体或有机金属荧光体。荧光体吸收入射光，并通过荧光或磷光再次发射。发射的光被全内反射引导到波导的边缘，在那里它被沿着波导的侧面定位的光伏电池转换成电。通过适当选择波导中的荧光体的浓度及其光学性质，可提供具有期望的透明度的着色设备，并且可以以容易地结合到建筑体(例如以光伏窗户的形式)中的任何形状。

另外，这些设备或集光器可以通过将来自大面积的光集中在较小的面积上而使所用的光伏电池的数量最小化，从而使得使用非标准的光伏模块在财务上是可行的，否则这将是过度昂贵的。为了生产高效的太阳能集光器，荧光体必须是高度光稳定的，并且在可见光和近红外光谱区具有广泛的吸收光谱，高发光效率以及本征吸收光谱和光发射光谱之间最大的可能能量分离(由“斯托克斯偏移(Stokes shift)”表示)。最后提到的要求是制造大型集光器的基础，其中由给定荧光体发射的光在到达集光器本体的边缘之前必须覆盖较长的距离(其通常但不排它地具有层状或片材状的形状)。

有一种已知的使用有机荧光体的方法，它们是高度发光的，但是相对可光降解。它们的斯托克斯偏移通常是有限的，导致因荧光体所发射的光的再吸收而引起的显著的光损失。

已经尝试通过使用具有大的斯托克斯偏移的有机稀土配合物克服使用有机荧光体的这个缺点，然而，这些元件仅可以使用太阳光谱的一小部分和/或显示出非常低的发光效率。

当使用胶态纳米晶体(QD)作为并入到太阳能集光器的本体或波导中的发射体时，遇到类似的问题。在这种情况下，虽然这些纳米晶体具有高发射效率和大的光吸收系数，但它们通常在吸收光谱和发射光谱之间显示出很大的重叠，导致发射光的高度再吸收。这是构建大型太阳能集光器的障碍，将设备的尺寸限制在几平方厘米。

为了克服这个问题，已经尝试制造核-壳QD，其中核提供发射功能而壳负责吸收太阳辐射。该解决方案证明，对于用涂覆有形成纳米颗粒体积的超过90％的CdS厚壳的CdSe制成的QD，使得可以制造大型太阳能集光器，但是受限于固有限制，该固有限制阻碍了其在实际环境中的使用。这是因为使用的QD具有受限于壳材料(CdS)的能隙的吸收光谱，其落入绿色/黄色光谱区(约520nm)中，从而对最大可实现的效率设定了限制，并且需要集光器设备高度着色。这不可避免地影响了它们在现实世界中在真实建筑环境或其它用途中的可能应用。

此外，这些QD通常使用有毒材料如镉、碲、铅等。由于环保和公共卫生的原因，这可能会阻止其使用。

根据另一个实施方案，通过用过渡金属离子掺杂QD来消除自吸收，该过渡金属离子作为在主体半导体中光产生的激子的间隙内复合中心。

例如，已可使用掺杂有Mn的ZnSe制造具有上述类型QD的太阳能集光器。

然而，像基于核-壳QD的之前策略一样，使用Mn和其它过渡金属的这种掺杂在太阳光谱的覆盖率上也受到相当大的限制，这大大降低了可获得的最大效率。在这种具体情况下，当使用基于掺杂有Mn的ZnSe的QD的设备时，它固有地不可能在高于500nm波长下吸收部分太阳辐射，导致最终设备的高着色，对其效率以及其建筑并入的可能性具有负面影响。

本发明的目的是提供一种发光太阳能集光器(LSC)，其是对已知以及已经公开但仍处于设计阶段的解决方案(例如包含核-壳型QD的那些)的改进。

特别地，本发明的一个目的是提供可以具有高效率的太阳能集光器，也就是说具有非常低或至少可忽略的(或甚至零)的由再吸收引起的光学损耗的太阳能集光器。

另一个目的是提供无色的太阳能集光器或设备，换句话说，具有中性色(灰色等级，如同具有中性光密度的普通滤光片)的太阳能集光器或设备，因此不会引入明显的色度失真，因此其可以用作适用于建筑并入的元件，例如光伏窗户，或通常作为窗户或窗玻璃板或者固定结构或移动结构诸如车辆的透明元件。

另一个目的是提供一种具有扩展遍及可见光和近红外区的吸收光谱的太阳能集光器或设备，以便最大化可用于产生电能的太阳光的份数。