[發明專利]受激發射發光光導太陽能聚光器

有效

• 申請號: 201080016658.1
• 申請日: 2010-03-12
• 公開（公告）號: CN102396081A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 約翰·保羅·摩根;菲利普·M·張;斯蒂芬·H·S·米爾斯科格
• 申請（專利權）人: 摩根陽光公司
• 主分類號: H01L31/055
• 分類號: H01L31/055;G02B6/10;H01S3/091
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 嚴芬;宋志強

相關申請的交叉引用

本申請要求2009年3月12日遞交的、名稱為“Stimulated?Emission?Luminescent?Light-Guide?Solar?Concentrators(受激發射發光光導太陽能聚光器)”的加拿大專利申請No.2,658,193以及2010年1月26日遞交的、名稱為“Stimulated?Emission?Luminescent?Light-Guide?Solar?Concentrators(受激發射發光光導太陽能聚光器)”的美國臨時專利申請No.61/298,460的優先權。這兩個文件的全部內容通過引用合并于此。

技術領域

本發明涉及發光太陽能聚光器。

背景技術

太陽能的收集是利用將太陽光轉換為電力的多重不同技術的領域。迄今為止，還沒有技術已變得便宜到足以代替傳統的發電裝置，結果，太陽能仍然是全球能源需求的邊際貢獻者。太陽能系統中主要的成本驅動是高成本的光伏(PV)單元，其是將光轉換為電力的半導體結。

為降低太陽能所產生的電力的成本而研究的諸多途徑之一稱作“聚光光伏”或CPV。CPV的基本思想是使用某些種類的光學鏡，通常是費涅爾透鏡或其它聚焦光學鏡，以將太陽光聚集到很小且高效的PV單元上。所采用的PV單元是具有堆疊且串聯電連接的多個結的化合物半導體單元。用于CPV的最典型的傳統單元是使用均串聯布置的磷化銦鎵、砷化銦鎵和鍺單元的三結單元。這些單元中的每一個將太陽光譜的一部分轉換為電力。這些系統具有極大的生產力，但是它們的主要缺點在于，為使它們的光學鏡起作用，需要跟蹤器始終將其面向太陽。對跟蹤器的這種需要使這些系統適用于在地面上安裝有大型后安裝跟蹤器的太陽能發電場。然而，對于意在用于建筑物集成和屋頂安裝的系統(其代表太陽能市場的絕大部分)來說，跟蹤器不切實際。CPV系統使用高達2000個太陽的高陽光聚光度，這意味著與傳統的非聚光PV系統相比，僅需要很小量的光伏材料。

聚光的另一種方法是使用發光太陽能聚光器。這些器件由或者包含發光粒子層或者在整個玻璃中充滿發光粒子的玻璃片組成。發光粒子吸收寬頻帶的光，并且通過窄帶發出較低頻率的光。發光粒子的示例是有機染料、激光染料和納米晶體。

在這些發光粒子發光時，所發射的光以隨機方向行進。由于該光從玻璃內部在各個方向上均勻地發射，因此所發射的照射到玻璃片底面的頂部且相對于玻璃片表面法線的入射角大于全內反射的臨界角的任意輻射，會被全內反射捕獲在玻璃片內部。(如果玻璃具有1.5的指數，并且周圍介質是空氣，則臨界角大約為41.8度。)事實上，不會被捕獲在玻璃內的唯一的光是在以玻璃頂面和底面的法線為中心的兩個發射錐面之一內發射的且底角為83.6度的任意光。

因此，被捕獲的光在玻璃內以各個方向行進到玻璃的四個邊緣，在這里被光伏單元收集用于產生能量。由于所發射的光的頻率相對較窄，因此假設單結單元具有正確的帶隙，則在這種情況下可以以非常有效的方式使用單結單元。原則上，除了以下兩個基本限制之外，以此方式可以實現無限的聚光度：玻璃內的吸收以及發光粒子的再吸收。第一個，玻璃自身內的吸收，限制了實際的光學路徑長度，因此限制了玻璃片的尺寸以及聚光度。再吸收和發射也限制了實際的聚光度。迄今為止，采用這種方式的最佳預測聚光度大約是150個太陽。這遠低于以上所述的由CPV可實現的聚光度。因此，通過不具有跟蹤器所實現的發光聚光系統中的成本節省，被需要增加若干倍的光伏單元材料的額外成本大大地抵消。所以，迄今為止，發光聚光系統沒有得到廣泛的商業使用，并且考慮到以上所述的這一技術所固有的優點，可期望對該技術的改進。

發明內容

因此，本發明的目的在于提供一種與現有技術的至少一些發光太陽能聚光器相比有所改進的發光太陽能聚光器。

因此，一方面，如這里所體現并寬泛描述的那樣，本發明提供一種受激發射發光光導太陽能聚光器。所述聚光器包括具有多個發光粒子的發光層。所述發光粒子能夠通過吸收至少第一吸收頻率的太陽光而被激發。一旦被激發，所述發光粒子就能夠受激發射出至少第一發射頻率的發光。所述聚光器還包括光源，用于產生至少第一發射頻率的用于激勵已吸收太陽光的被激發發光粒子中至少之一的泵浦光，使得在以第一行進方向行進的泵浦光激勵已吸收第一吸收頻率的太陽光的發光粒子中至少之一時，所述發光粒子中至少之一在所述泵浦光的第一行進方向上發射所述至少第一發射頻率的發光，以增強所述泵浦光的強度。所述聚光器還包括與所述發光層相鄰并光學耦合的第一光導。所述第一光導用于經由全內反射輔助將增強的泵浦光引導至光收集區域。