[发明专利]用于农业应用的发光光学元件

说明书

提供了一种光学元件，所述光学元件包括设置在介质中的多个荧光团。所述荧光团具有大于50％的量子产率以及在小于400nm的波长下具有最大强度的吸收光谱，并且发射在400nm至1200nm范围内的波长下具有最大强度的光谱。所述光学元件在所述光谱的可见光区内是至少部分透明的。所述光学元件尤其可用作温室结构的窗户或其他光学部件。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2017年5月9日提交的美国临时申请号62/503,851的优先权权益，所述美国临时申请具有相同的发明人和相同的标题并且以引用的方式整体并入本文中。

技术领域

本公开总体上涉及下转换材料和装置，并且更具体地涉及农业应用中的荧光材料使用。

发明背景

发光太阳能聚光器(LSC)是使用发光材料来聚集太阳辐射的装置，通常用于发电的目的。图1中示出了用于该目的的这种装置的常见设置101。如其中所见，太阳能聚光器103用于在相对大的区域内收集太阳辐射109，并将其聚集到相对小的区域上(这里是光伏电池105的活性表面)。光伏电池105然后将辐射转换为电力以为终端用户装置供电。关于LSC的第一批报告中的一者可以在1979年提交的标题为“Luminescent Solar EnergyConcentrator Devices”的美国序列号06/001,585(Zewail等人)中找到，其中指出“斯涅尔定律规定，这种二次发射的大部分，通常是75％以大于临界角的入射角撞击衬底表面，使得这部分光随后通过内反射被捕获在衬底中，直到连续反射将其携带到板的边缘为止，在该处这部分光进入放置在板的边缘处的吸收器中。”

由于电力是温室经营者或室内植物种植者的最大支出之一，因此LSC有机会用于农业中。这种类型的方法在标题为“Luminescent Electricity-Generating Window forPlant Growth”并且在2012年提交的美国序列号14/372,389(Carter等人)中应用，其中指出“本领域需要可以对植物生长无害地发电的发光太阳能收集器。”用于为温室发电的另一种方法可以在2009年提交的标题为“Photovoltaic Greenhouse Structure”的美国12/505,523(Chuang等人)中找到，其中指出“没有被薄膜太阳能电池模块吸收的光自由地穿过薄膜太阳能电池模块并进入温室内部空间。”

再次参考图1，太阳能聚光器103本质上是包括嵌入在衬底中的发光材料的光波导。衬底通常是玻璃或具有光学品质的聚合物材料。当太阳辐射入射在发光材料上时，发光材料经历发光(并且最常见的是荧光)，并向波导中发射光。被捕获的光从那里被引导至光伏电池105。由于发光材料通过荧光发射的辐射通常是在与最初被发光材料吸收的辐射不同的波长下发射，因此太阳能聚光器103具有聚集和修改入射在其上的辐射的光谱足迹的作用。

已经试图使用荧光材料来增强植物生长。例如，标题为“Organic FluorescentColorants For Stimulating The Growth Of Plants”并且在1966年提交的美国3,352,058(Brant)指出，“如果正确选择染色剂以使得透射光主要由红波长和蓝波长组成而具有最少的绿波长，则通常会取得最佳结果。”这种方法是不足的，这是因为纯下转换膜将通过荧光损失从膜顶部返回(被引导以远离植物)的光的大约50％。此外，诸如Zewail、Brant和Carter采用的方法依赖于染料，其中蓝光大部分被透射，而在许多情形中，蓝光应该只是入射在植物上的光谱中的一小部分。例如，在2016年发表在PLOS ONE上的Snowden等人的标题为“Sensitivity of Seven Diverse Species to Blue and Green Light:Interactionswith Photon Flux”的论文中陈述道，“在较高的光合作用光子通量(500)下，将蓝光从11％递增到28％，番茄、黄瓜和辣椒的生长分别减少22％、26％和14％……”。此外，染料在阳光下极度不稳定。