本申請要求提交于2014年3月20日的美國專利申請?zhí)枮?4/220,850的優(yōu)先權(quán)。以上申請的全文通過參見的方式納入本文。

背景技術(shù)：

本發(fā)明總體涉及太陽能收集器，并且尤其涉及用于集成太陽能窗的透明太陽能收集器。

將太陽能收集系統(tǒng)集成入建筑環(huán)境是一種轉(zhuǎn)型路徑，來捕獲大面積太陽能，降低有效太陽能電池安裝成本，以及提高建筑效能。然而基于成本、建筑阻抗和最重要的美學(xué)因素而導(dǎo)致的，與在建筑物上及其周圍安裝傳統(tǒng)太陽能模塊有關(guān)的困難，使得在建筑外殼中大量采用太陽能收集系統(tǒng)受到嚴(yán)重阻礙。

已經(jīng)熟知發(fā)光太陽能收集器(LSCs)的概念，并且借助磷光和熒光發(fā)光體效率的最新進(jìn)步，LSC系統(tǒng)效率已經(jīng)增至7.1％。盡管光線的光學(xué)漏斗效應(yīng)限制了總體系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率至小于百分之十(沒有LSC堆垛)，它可以大幅減少所需的昂貴太陽能電池的面積，驅(qū)動(dòng)降低總體安裝成本以及增加發(fā)電量對太陽能電池表面積的比值。由于分別被計(jì)入模塊和系統(tǒng)平衡成本的玻璃和房地產(chǎn)的高成本，這種LSCs很少在太陽能發(fā)電站實(shí)踐中被采用，而不管增加的性能和模塊成本降低的潛能。此外，有被表明的在將LSCs用于建筑窗戶的興趣。然而到目前，這些系統(tǒng)被限制在可見光譜的吸收和發(fā)射(光暈)，阻礙了這種裝置在窗戶中的大量采用。一般地，窗戶的目的是提供具有視野的自然光照；即大多數(shù)人不希望在強(qiáng)烈著色的玻璃后工作。因而高標(biāo)準(zhǔn)的無色透明對于普遍采用而言是理想的。

LSCs的性能可以通過部件效率來理解：發(fā)光體光致發(fā)光效率(量子產(chǎn)量)，太陽能光譜吸收效率，波導(dǎo)(捕獲)效率，太陽能電池效率，以及傳輸(再吸收)效率。最高性能的LSCs利用磷光有機(jī)分子或多種熒光基團(tuán)的混合(例如量子點(diǎn)或有機(jī)染料)，用于減少再吸收(斯托克位移)損失和增強(qiáng)整個(gè)光譜的總體吸收效率。報(bào)道的最高效率(6-7％)是相對小的板(<0.1m²)，因?yàn)楦蟮腖SCs尺寸經(jīng)受顯著的再吸收損失，其限制效率至<5％。

很早就公認(rèn)LSCs最主要受再吸收損失限制，尤其對于更大板的尺寸。實(shí)際上，很多關(guān)于LSCs的研究關(guān)注在減少這些再吸收損失，通過利用有機(jī)磷光體增加斯托克位移，多種染料優(yōu)化來人工增加斯托克位移或共振位移來減少再吸收損失只適用于少于幾個(gè)微米厚的純?nèi)玖媳∧印?/p>

之前的建造透明太陽能收集建筑的努力集中在：(1)半透明薄膜光伏，其通常具有嚴(yán)重著色或受限的傳播或具有在效率和透明度之間固有的抵消，(2)結(jié)合著色的載色體的LSCs，其吸收或發(fā)出可見光，或(3)使用依賴波長的光學(xué)器件的光學(xué)系統(tǒng)，其只收集直接光線并且需要太陽能跟蹤。由于美學(xué)性能，龐大性，或大幅受限的透明度，所有這些方法在用于窗戶中的潛力受到了嚴(yán)重限制。這些方法經(jīng)受了電力轉(zhuǎn)換效率(“PCE”)和可見透明度(“VT”)之間的固有抵消，因?yàn)閮蓚€(gè)參數(shù)在傳統(tǒng)的裝置中不能同時(shí)優(yōu)化。建筑應(yīng)用另外以在可見光譜內(nèi)具有最高吸收的有機(jī)光伏(PVs)而受阻，其導(dǎo)致低顯色指數(shù)(“CRI”)，高顏色著色以及低自然光照質(zhì)量。相反地，期望獲得可見的透明的、UV/NIR選擇性太陽能收集器來避免阻礙建筑應(yīng)用的美學(xué)抵消(低VT或CRI)，并且提供大面積規(guī)?；那逦窂健?/p>

圖1示出在傳統(tǒng)構(gòu)造中的發(fā)光太陽能收集器(LSC)100的截面圖，該SC 100包括一第一無機(jī)太陽能電池105和一第二無機(jī)太陽能電池或一反射膜110，一基體115和一波導(dǎo)轉(zhuǎn)向材料120。該波導(dǎo)轉(zhuǎn)向材料120可以是一NIR發(fā)光染料或散射粒子。長括號125代表入射太陽能通量，短括號130代表NIR光，塊箭頭135代表可見光。箭頭140代表波導(dǎo)NIR光。負(fù)向影響LSC 100的效率的因素包括，低發(fā)光體光致發(fā)光效應(yīng)(量子產(chǎn)量)，低太陽能光譜吸收效率，低波導(dǎo)(捕獲)效率，低太陽能電池效率，以及低輸送(再吸收)效率。

各種傳統(tǒng)的裝置采用了一發(fā)光的太陽能收集器，其具有在其中完全分散的發(fā)光體或散射劑。例如美國專利包括：標(biāo)題為“發(fā)光太陽能收集器”的No.4,155,371，其在1979年5月22日授予Wohlmut等人；標(biāo)題為“發(fā)光太陽能收集器”的No.4,159,212，其在1979年6月26日授予Yerkes等人；標(biāo)題為“發(fā)光太陽能收集器”的No.4,357,486，其在1982年11月2日授予Blieden等人；標(biāo)題為“包括具有特殊預(yù)傾角的對齊聚合物的發(fā)光體”的No.2009/0027872，其在2009年1月29日被Debije等人公開；以及標(biāo)題為“集成太陽能電池納米陣列和光收集裝置”的No.2010/0288352，其在2010年11月18日被Ji等人公開。所有這些參考文獻(xiàn)以參見的形式納入本文。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

按照本技術(shù)，公開了一種透明發(fā)光太陽能收集器(TLSC)。該系統(tǒng)包括一太陽能光伏陣列，一波導(dǎo)體，以及一波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料。在各個(gè)實(shí)施例中，該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料聯(lián)結(jié)到該太陽能光伏陣列。該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料可以嵌入太陽能光伏陣列。在一些實(shí)施例中，該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料與至少一個(gè)太陽能光伏陣列并置。該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料可以包括散射納米顆粒。該系統(tǒng)可以包括多個(gè)陣列。

在一方面，一發(fā)光體太陽能收集器(LSC)選擇性地吸收具有大于約652nm波長的NIR光。一發(fā)光體太陽能收集器的另一方面采用嵌入聚合物基質(zhì)的散射納米晶團(tuán)簇。

本裝置和方法相對于傳統(tǒng)的裝置具有優(yōu)勢。例如本發(fā)光太陽能收集器對人眼是高度透明的，由此使它非常適合用于建筑結(jié)構(gòu)、溫室、車輛、飛機(jī)、船舶等的視野窗戶。另外，本裝置的發(fā)光體和主體組成方面取得了大于約10-25％的量子產(chǎn)量。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本低成本的太陽能收集器在可見光譜中是高度透明的，并且可以整合到建筑物表層的窗戶和照明系統(tǒng)中。分子染料的激發(fā)特征和結(jié)構(gòu)性吸收會產(chǎn)生近紅外(“NIR”)LSC結(jié)構(gòu)，其選擇性地收集NIR光，這是通過將更深NIR發(fā)光體發(fā)射波傳導(dǎo)至高效率分段太陽能電池陣列，其嵌入波導(dǎo)體中，由此減少任何視覺沖擊，并且最小化所需的昂貴太陽能材料的量，同時(shí)擴(kuò)展進(jìn)入NIR的光子收集范圍。能夠收集大部分近紅外光子的特定發(fā)光體非常適合這些透明系統(tǒng)。發(fā)光體花菁、花菁鹽和方酸鹽的混合物特別適合具有高透明度和最小染色的TLSCs。相應(yīng)地，為了廣泛布置窗戶，這種裝置優(yōu)化了透明太陽能收集器，其系統(tǒng)效率大于約0.1-5％，平均可見透射率大于約70％，以及顯色指數(shù)大于約85。這些SCs從直射光和非直射光中產(chǎn)生電力，并且增加了通過太陽能收集的低光效率，同時(shí)保持窗戶玻璃的美觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由。

附圖說明

此處描述的附圖僅僅是用于說明所選的實(shí)施例，不是所有可能的實(shí)施方式，并且不是意在限制本申請公開的范圍。

圖1是傳統(tǒng)的發(fā)光或散射太陽能收集器的示意圖；

圖2是示出圍繞一波士頓，MA的建筑物的太陽能通量的示意圖；

圖3A至3D示出一第一太陽能收集器的示意圖；

圖4A至4D示出一第二太陽能收集器的示意圖；

圖5是具有反射鏡的太陽能收集器的示意圖；以及

圖6A-6J是示出各種發(fā)光體的吸收和發(fā)光光譜的示意圖；

圖7A至7C示出：(7A)透明發(fā)光太陽能收集器；(7B)CY和HITC結(jié)構(gòu)，以及(7C)一透明LSC系統(tǒng)的照片，其結(jié)合CY染料高亮了在可見光譜之外的吸收和發(fā)光二者的需要；

圖8A至8B示出：(8A)吸收NIR的發(fā)光體CY和HITCI的標(biāo)準(zhǔn)化的吸收(圓)和發(fā)光(方)光譜，以及(8B)示出測量的量子產(chǎn)量(QY)以及在二氯甲烷中CY和HITCI的吸收以作為濃度的函數(shù)；實(shí)線擬合至用于QY的方程1和用于吸收的Beer-Lambert法則；

圖9A-9D示出：(9A)光強(qiáng)度與Voc，F(xiàn)F，電力效率和CY裝置的反應(yīng)性的依賴關(guān)系，(9B)作為用于具有兩個(gè)發(fā)光體的全組裝LSC系統(tǒng)的伏特的函數(shù)的當(dāng)前密度，(9C)LSC系統(tǒng)的EQE，作為從0.02m到0.07m在10mm步長下測量的波長的函數(shù))，以及(9D)計(jì)算的EQE，作為具有如圓圈所示的測量的EQE的CY LSC長度的函數(shù)；以及

圖10示出了對CY LSC光學(xué)效率的計(jì)算，該CY LSC光學(xué)效率作為具有模擬的斯托克位移的函數(shù)的LSC長度的函數(shù)，其中CY和HITCI分別是20nm和30nm的斯托克位移的參考值。

在整個(gè)說明書附圖的幾個(gè)視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。

具體實(shí)施方式

下面對技術(shù)的描述僅僅是示例性地展示一個(gè)或多個(gè)發(fā)明的主題名稱，制造和應(yīng)用的本質(zhì)，不是意在限制本申請要求的任何特定發(fā)明或可能要求本申請的優(yōu)先權(quán)而提交的其他申請，或由此而授權(quán)的專利的范圍，應(yīng)用或使用。

說明書和特定的實(shí)施例，雖然指出了技術(shù)的實(shí)施方式，但僅僅意在說明性的目的，不是意在限制技術(shù)的范圍。另外，多個(gè)具有提及的技術(shù)特征的實(shí)施例的引用不是意在排除具有附加技術(shù)特征的實(shí)施例，或其他具有被提及的技術(shù)特征的不同組合的實(shí)施例。提供特定的例子是用于說明怎樣制造和使用本技術(shù)的組成和該技術(shù)的方法，并且除非以其他方式明顯地指出，都不是意在陳述作為該技術(shù)所給出的實(shí)施例已經(jīng)或尚未被制造或測試。

本裝置和方法的實(shí)施例意在一改進(jìn)的光收集系統(tǒng)，其在頂和/或底表面(而不是波導(dǎo)體的邊緣)結(jié)合一分段的太陽能陣列。該包括一發(fā)光太陽能收集器(LSC)的系統(tǒng)，可以選擇性地收集波長位于電磁波譜的近紅外(NIR)區(qū)域的光。相應(yīng)地，通過選擇性地收集NIR光，該發(fā)光太陽能收集器可以對人眼是透明的，或基本透明的。

目前的LSC可以用來產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)，比如太陽能塔，方尖碑，以及窗戶來增強(qiáng)太陽能收集。這些結(jié)構(gòu)比起相同面積的太陽能追蹤單元，可以收集明顯更多通量。類似地，建筑物可以作為優(yōu)異的太陽能收集器，在每個(gè)面上全天候地有效地收集太陽光。例如，在圖2中估算了在波士頓的一豎直建筑物的全部四個(gè)面而來的總太陽能通量(每天9.3kW-hr/vertical-m²)，其顯著地多于用于太陽能追蹤單元的量，甚至，在相同面積上(每天6.0kW-hr/horizontal-m²)。如果我們考慮到用在建筑物上的總體豎直面積，該通量甚至更多；同時(shí)朝南的豎直窗戶會給出最高的太陽能通量(和由此導(dǎo)致的電力輸出)，東西朝向的窗戶在全天擴(kuò)大了有用的電力生產(chǎn)。

在美國大約所有建筑物電能的17％用于照明。激勵(lì)使用太陽能窗戶可以鼓勵(lì)建筑師應(yīng)用更多窗戶空間，增加自然光照，并且減少照明成本。再現(xiàn)太陽能光譜是大多數(shù)人工照明應(yīng)用的目標(biāo)。每個(gè)太陽能窗戶都會對傳輸?shù)墓庾V賦予小改動(dòng)。這樣，顯色指數(shù)(“CRI”)用于估算，其通過用太陽能光譜(例如AM1.5G)包卷傳輸光譜。顯色框架對定義經(jīng)傳輸?shù)墓庾V的可見部分以及可以用來發(fā)電的部分有用。例如1931CIE坐標(biāo)點(diǎn)在大約660nm和440nm結(jié)束，這些界限以上或以下分別具有很小的明視響應(yīng)，定義可利用的有效光譜范圍為小于或等于440nm和大于或等于660nm。盡管在從380-440nm和660-720nm的范圍有一些響應(yīng)，這些響應(yīng)是特別受限制的(<2％的峰值響應(yīng))，因此這些波長不會對整體的顏色感知有重大貢獻(xiàn)。

如此處用的，CRI是可感知的可見光的范圍。CRI后續(xù)用于確定用于可見透明的太陽能電池的熱動(dòng)力效率界限。特別地，CRI是用于評估光照系統(tǒng)的質(zhì)量的量化度量，并且可以用于評估窗戶的等級或可感知的著色度?；诶硐雮鬏斍€(階梯函數(shù))計(jì)算CRIs，其結(jié)合了國際照明委員會(CIE)1976三維統(tǒng)一顏色空間(CIELUV)，CIE 1974測試顏色樣品，以及彩色適應(yīng)校正(非普朗克軌跡)，在需要地時(shí)候，按照：

$GRI=\frac{1}{8}\underset{i=1}{\overset{8}{\&Sigma;}}\left(100-4.6\sqrt{{\left({\mathrm{\&Delta;L}}_i^{*}\right)}^2+{\left({\mathrm{\&Delta;u}}_i^{*}\right)}^2+{\left({\mathrm{\&Delta;v}}_i^{*}\right)}^2}\right)$

其中和是亮度(L^*)和色彩坐標(biāo)(u^*，v^*)在每個(gè)顏色之間的差值，i(總共8個(gè))“發(fā)光”，具有固定參考太陽能光譜(AM1.5G)和傳輸源(T(λ)·AM1.5(λ))。可見光透射比的加權(quán)平均值(VT)按照下式計(jì)算：

$VT=\frac{\&Integral;T\left(\mathrm{\&lambda;}\right)P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}}{\&Integral;P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}}$

其中λ是波長，T是傳輸光譜，P是人眼的明視響應(yīng)，S是太陽能通量，積分在完全包含P(例如300-900nm)的一足夠的波長范圍內(nèi)實(shí)施，這樣它相應(yīng)地獨(dú)立于任何被定義的可見波長范圍。CRI和平均VT詳細(xì)描述在Lunt，“可見透明光伏的理論限制”，應(yīng)用物理，101,043902(2012)，其全文以參見的形式納入本文。

建筑物電力的很大部分(大約15％)用于空調(diào)。電能轉(zhuǎn)換為熱能的效率很高(接近100％)，但是冷卻效率很低。當(dāng)前用作太陽能窗戶的LSCs可以大幅降低來自紅外通量的不需要的太陽能加熱，這是通過利用這些能量來發(fā)電以及從透明的，NIR選擇鏡反射其余部分來實(shí)現(xiàn)。利用這種不需要的資源來發(fā)電的額外好處可以補(bǔ)充或取代現(xiàn)有的低太陽能熱量獲取效率(SHGC)的涂層技術(shù)。這種熱量反射可以功能性地加強(qiáng)來自直接發(fā)電的有效LEC至50-100％。

太陽能光子通量的很大部分是在電磁光譜的NIR區(qū)域(約74％)。這種限制通過放置高度分段、50-100微米寬、商業(yè)可得的太陽能電池陣列來克服并且：(1)用并聯(lián)或串聯(lián)的方式安裝電線，或(2)作為網(wǎng)格和遍布LSC波導(dǎo)體嵌入的激光圖樣，其允許使用更小的斯托克位移的NIR熒光體。

參考圖3，一太陽能收集器(SC)300的第一個(gè)實(shí)施例在第一個(gè)情況圖3A中示出。第二個(gè)情況圖3B包括一分段的無機(jī)太陽能光伏陣列305，其放置在一波導(dǎo)體310的頂部，中部或底部。在各個(gè)實(shí)施例中，該太陽能陣列305是一網(wǎng)格，包括電線，微米線，納米線，帶狀物，銀，球體，點(diǎn)，或以上的組合，或在波導(dǎo)體內(nèi)部設(shè)置或放置在波導(dǎo)體表面上的類似物。可以利用多個(gè)光伏陣列305來減少熱損失。成本和可得性會最終驅(qū)動(dòng)電池設(shè)計(jì)。在一些實(shí)施例中，SC 300包括在該波導(dǎo)體310的邊緣設(shè)置的一太陽能電池。作為非限制的例子，GaAs電池可以增大太陽能電池效率(η_SC)，相對于Si只有超過30％，但是這些電池的估算成本是Si的兩倍多或三倍。對于可獲得的最便宜的15-20％Si模塊，NIR LSC(發(fā)光900nm)材料組件的單色光效率傳輸η_PV＝22-24％。相應(yīng)地，設(shè)想LSC系統(tǒng)可以有效地與Si結(jié)合，因?yàn)楸阋说母邘峨姵?例如GaAs和GaInP)變得可獲得。該太陽能陣列305或太陽能電池可以包括現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何材料。太陽能陣列和太陽能電池材料的非限制例子包括鍺(Ge)；非晶鍺(a-Ge)；鎵(Ga)；砷化鎵(GaAs)；硅(Si)；非晶硅(a-Si)；鍺化硅(SiGe)；非晶鍺化硅(a-SiGe)；磷化鎵銦(GaInP)；硒化銅銦，硫化銅銦，或上述的組合(CIS)；硒化銅銦鎵，硫化銅銦鎵，或上述組合(CIGS)；碲化鎘(CdTe)；鈣鈦礦(PV)，例如CH₃NH₃PbI₃,CH₃NH₃PbCl₃以及CH₃NH₃PbBr₃；以及上述組合。

再次參考圖3，該波導(dǎo)體310包括一透明或基本透明的基體315，例如玻璃，塑料，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，聚-(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)，或(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)，在此處形成一波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料320，例如通過涂覆或噴射在該基體315上或者在間隔的基體315堆垛之間鋪設(shè)著色薄片作為層狀物。在一些實(shí)施例中，該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料320嵌入該基體315中。該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料320可以是一可見透明的NIR發(fā)光染料或散射顆粒。該發(fā)光染料或散射顆?？梢允乔度朐谝换|(zhì)中的納米晶體簇。因?yàn)椴Ａ諏?dǎo)致?lián)p失，優(yōu)選高透明低鐵玻璃，例如低鐵玻璃，以及來自圣戈班(巴黎，法國)的透明玻璃以及來自肖特(美因茨，德國)的33硼硅酸鹽玻璃。這些玻璃作為商用選擇的基體，優(yōu)于其他聚合物基波導(dǎo)體，其很少用作窗戶中基體部件，并且這些玻璃比起PMMA展示出特別低的吸收系數(shù)。有利地，太陽能電池鄰近染料允許利用一具有更小的斯托克位移的染料，同時(shí)仍然減少熱損失并且提高總體系統(tǒng)效率。

如在圖3C中所示，在各個(gè)實(shí)施例中，該太陽能陣列305可以嵌入該基體315。該太陽能電池305可以在一第一位置325嵌入，鄰近該SC 300的一第一表面340?；蛘咴撎柲荜嚵?05可以在一第二位置330嵌入，在該SC 300的中間區(qū)域。同樣該太陽能陣列305可以在一第三位置335嵌入，鄰近該SC 300的一第二表面345。該中間區(qū)域300位于該第一表面340和該第二表面345之間。另外，該SC 300可以包括多個(gè)太陽能光伏陣列305，位于該基體315中的不同位置。該太陽能陣列305也可以在或鄰近該第一表面340或該第二表面345的之一或二者。在一個(gè)實(shí)施例中，該SC 300包括在該波導(dǎo)體310的一側(cè)的一太陽能電池，其鄰近該第一表面340和該第二表面345。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖3D所示，一太陽能電池陣列350具有厚度355，其與該SC 300的整體厚度360基本一致。

如在圖4中所示的一太陽能收集器400的一第二實(shí)施例，與第一實(shí)施例(圖3)基本類似，在圖4A中的第一情況和在圖4B中的第二情況示出。然而串聯(lián)的一太陽能光伏陣列405可以包括加合物410，例如球或點(diǎn)。例如該太陽能陣列405可以包括Si球太陽能陣列，其通過細(xì)線電連接器連接。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該太陽能陣列405包括連接在一起而形成網(wǎng)格的球。有利地，利用球形或多邊形太陽能陣列405進(jìn)一步增加系統(tǒng)效率，因?yàn)槊總€(gè)電池都可以在多個(gè)角度直接和間接地捕獲陽光。如在圖4C和4D所示，該太陽能陣列405可以位于該基體315中的不同位置，位于或者鄰近該SC 400的表面，或者該太陽能陣列405可以具有厚度455，其大約等于該SC 400的總體厚度460。在一些實(shí)施例中，該SC 400可以包括多個(gè)太陽能光伏陣列電池405，位于該基體315內(nèi)的不同位置。在其他實(shí)施例中，該SC 400包括位于該波導(dǎo)體310邊緣的一太陽能電池，其靠近表面。該太陽能陣列405或太陽能電池可以由現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何材料來做，如上面討論的。

借助將分段的太陽能電池陣列放置在該波導(dǎo)體的頂部或底部，可以在發(fā)出的光光學(xué)損失之前捕獲它，這種損失是由于染料再吸收導(dǎo)致。另外，該太陽能陣列可以嵌入該波導(dǎo)體。這種再吸收的損失特別有利于具有小斯托克位移的熒光材料。取決于該些太陽能電池陣列在該波導(dǎo)中的位置，該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料可以嵌入太陽能光伏陣列或與之并列。使用具有小斯托克位移的染料作為波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料實(shí)現(xiàn)了對具有大的開路電壓V_∝的太陽能電池的使用。這些染料減小了熱學(xué)損失并且提高了總體系統(tǒng)效率。并且通過將陣列放置在波導(dǎo)體的頂部或底部，可以捕獲一部分向前發(fā)出的光，其進(jìn)一步減少了光學(xué)損失，并且它增強(qiáng)了空間分段的太陽能電池的效率，這是借助利用電池之間更大部分的NIR光。這種放置產(chǎn)生了一種結(jié)構(gòu)，其比用于透明發(fā)電窗戶的薄膜透明光伏更簡單。另外，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)可以導(dǎo)致更長的窗戶壽命。

如在圖5中所示，一太陽能收集器(SC)500可以包括一第一波長依賴鏡505。該第一波長依賴鏡505可以具有對NIR光的反射性，對應(yīng)于圖中550所示的一波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料的僅僅一個(gè)發(fā)光光譜。因此，該第一波長依賴鏡505對于可見光510是透明的，但是在圖中550所示的一發(fā)光范圍內(nèi)反射NIR光515。該第一波長依賴鏡505可以功能性地聯(lián)結(jié)到該SC 500的一第一表面520，其包括一波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料，例如發(fā)光體。另外，該第一波長依賴鏡505可以功能性地聯(lián)結(jié)到該SC 500的一第二表面525，或聯(lián)結(jié)到兩個(gè)表面520，525。在其他實(shí)施例中，該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料在該第二表面525上或嵌入該波導(dǎo)體。

進(jìn)一步參考圖5，該SC 500可以包括一第二波長依賴鏡530。該第二波長依賴鏡530可以具有對NIR光的反射性，對應(yīng)于在圖中的560所示的一波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料的吸收和發(fā)光波譜。該第二波長依賴鏡530對可見光510是透明的，但是在圖中560所示的發(fā)光范圍內(nèi)反射NIR光515。該第二波長依賴鏡可以功能性地聯(lián)結(jié)到該SC 500的該第一表面520，聯(lián)結(jié)到該SC 500的該第二表面525，或聯(lián)結(jié)到兩個(gè)表面520，525。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該第一波長依賴鏡功能性地聯(lián)結(jié)到該SC 500的該第一表面520，并且該第二波長依賴鏡功能性地聯(lián)結(jié)到該SC 500的該第二表面。如上面描述的，一光伏陣列可以位于該第一表面520、該第二表面525或在該波導(dǎo)體內(nèi)。在各個(gè)實(shí)施例中，該SC 500包括位于該第一表面520、該第二表面525中的任一個(gè)，或者位于該波導(dǎo)體內(nèi)的多個(gè)太陽能陣列。在又一個(gè)其他實(shí)施例中，該SC 500包括一位于該SC 500邊緣的太陽能電池，其鄰近該第一和該第二表面520，525。

可見透明、選擇性NIR鏡505，530在透明光伏(TPVs)中的結(jié)合將電力轉(zhuǎn)化效率顯著地提高了50-100％。類似地，這些鏡面的結(jié)合在小片尺寸上提高光學(xué)效率達(dá)20％，同時(shí)在給定的光學(xué)密度的情況下使所需染料量下降了一半。對于尺寸大于約0.5m²的LSC，這些鏡面有助于緩解任何可能降低系統(tǒng)效率的表面或主體散射缺陷。這些鏡面可以是涂層，其提高收集器吸收或增加波傳導(dǎo)。此外，這些涂層非常類似于已經(jīng)普遍應(yīng)用了的低電泳涂層，并且可以補(bǔ)充或替代它們的排熱功能?？梢越柚娮邮舭l(fā)、脈沖激光沉淀、等離子增強(qiáng)濺射、熱沉積、化學(xué)氣相沉積或溶液沉積來生長TiO₂、SiO₂和Al₂O₃層的交替層組合，來優(yōu)化整體顏色效果和性能。

散射顆粒可以是金屬氧化物團(tuán)簇、金屬納米簇，或二者皆可。該金屬氧化物團(tuán)簇包括金屬氧化物。金屬氧化物的非限制例子包括TiO₂、SiO₂、ZnO以及Al₂O₃。金屬納米簇包括適合散射NIR光的金屬。適合散射NIR光的金屬的非限制性例子包括Ag、Au、Al、Cu以及Pt。散射顆?？梢跃哂薪y(tǒng)一的尺寸，或者不同的尺寸，從而導(dǎo)致一顆粒尺寸分布。

熒光或磷光染料包括發(fā)光體，其作為波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料。如本文所用的，發(fā)光體”指無機(jī)或有機(jī)化合物，其發(fā)出冷光，其中該冷光是熒光或磷光。利用在電磁波譜的NIR區(qū)域中的光的發(fā)光體非常適合本透明系統(tǒng)。單個(gè)發(fā)光體的性能通過化學(xué)劑的組合、凈化、構(gòu)建、主客體相互反應(yīng)以及利用透明NIR鏡設(shè)計(jì)進(jìn)行光子管理，以及制造來提高。優(yōu)選地，該些發(fā)光體吸收波長大于約650nm的NIR光。人眼在光的波長為650nm時(shí)開始對顏色感知(總體顯色)失去敏感度，如Lunt在“可見透明光伏的理論限制”，《應(yīng)用物理》，101，043902(2012)中證實(shí)的，其全文以參見的形式納入本文。更優(yōu)選地，該些發(fā)光體吸收波長大于約700nm的NIR光，或波長大于約800nm的NIR光。在各個(gè)實(shí)施例中，該波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料是可見透明的、吸收NIR的，以及發(fā)出NIR的發(fā)光體。

花菁染料、花菁鹽，和萘花菁衍生物是優(yōu)選的NIR熒光體。歷史上在染料激光中使用的已知染料的衍生物已經(jīng)表現(xiàn)出最高的相對穩(wěn)定性，其包括萘花菁衍生物(即類似于波長選擇性分子，我們之前在透明太陽能電池中說明了)以及具有不同陰離子取代性的三碳菁鹽。

可以通過定制三碳菁的烯烴長度(二、三、四等)來改變電子能帶間隙(發(fā)光區(qū)域)。對于一個(gè)給定的能帶，這些材料的量子產(chǎn)量可以直接通過陰離子修飾(Cl^-、I^-、ClO₄^-等)來定制。酞花菁、卟啉、萘花菁的擴(kuò)展共軛分子衍生物，碳納米管，以及小間隙聚合物可以用來覆蓋具有高量子產(chǎn)量的NIR光譜的很大部分。

優(yōu)選的發(fā)光體包括碘化-3,3’-二乙基噻碳菁(DTCI)；2-[7-(1,3-二氫-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亞基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)；2-[2-[3-[[1,3-二氫-1,1二甲基-3-(3-磺丙基)-2H-苯并[e]吲哚-2-亞基)-2-[4-(乙氧基羰基)-1-哌嗪基]-1-環(huán)戊烯-1-基]乙烯基]-1,1-二甲基-3-(3-磺丙基)-1H苯并[e]吲哚氫氧化物，內(nèi)鹽，和具有N,N-二乙基乙胺(1:1)(IR144)的化合物；2-[2-[2-氯-3-[(1,3-二氫-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亞基)亞乙基]-1-環(huán)己烯-1-基]乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙基吲哚碘化物(IR780)；氯化2,3-萘酞菁鋁(AINc)；氯化2,3-萘酞菁硅(SiNc)；2-[2-[3-[(1,3-二氫-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亞基)亞乙基]-2-(苯硫基)-1-環(huán)己烯-1-基]乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙基吲哚高氯酸鹽(IR792)；5,5’-二氯-11-二苯胺基-3,3’-二乙基-10,12-乙烯基硫代三碳菁高氯酸鹽(IR140)；2,11,20,29-四-叔丁基-2,3-萘酞菁鋅(ZnNc)；3-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亞基)亞乙基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy7.5NHS酯)；1-(6-((2,5-二氧代吡咯烷-1-基)氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基-5-磺酸基吲哚-2-亞基)亞乙基)環(huán)己-1-烯-1-基)乙烯基)-3H-吲哚-1-鎓-5-磺酸鹽(sulfo-Cy7NHS酯)；1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亞基)亞乙基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy7NHS酯；“CY”)；3-(6-(3-疊氮丙基氨基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亞基)乙亞基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]-吲哚氯化物(Cy 7.5疊氮化物)；1-(5-羧戊基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亞基)乙亞基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7疊氮化物)；1,1-二甲基-3-(6-氧代-6-(丙-2-烯基氨基)己基)-2-((1E,3E,5E)-5-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亞基)庚-1,3-二烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy5.5炔烴)；1-(6-(2-(2,5-二氧代-2,5-二氫-1H-吡咯-1-基)乙氨基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亞基)乙亞基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7馬來酰亞胺)；3-(6-(2-(2,5-二氧代-2,5-二氫-1H-吡咯-1-基)乙氨基)-6-氧代己基)-1,1-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-2(3H)-亞基)乙亞基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基)-1H-苯并[e]吲哚氯化物(Cy 7.5馬來酰亞胺)；1-(5-羧戊基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亞基)乙亞基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基)-3H-吲哚氯化物(Cy 7羧酸)；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氫-吲哚-2-亞基)-乙亞基]-2-二苯基氨基-環(huán)戊-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸鹽；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氫-吲哚-2-亞基)-乙亞基]-2-苯基-環(huán)戊-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸鹽；3-乙基-2-[3-[3-(3-乙基-3H-苯并噻唑-2-亞基)-丙烯基]-5,5-二甲基-環(huán)己-2-烯亞基甲基]-苯并噻唑-3-鎓碘化物；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氫吲哚-2-亞基)-乙亞基]-2-苯基-環(huán)己-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸鹽；1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氫-吲哚-2-亞基)-乙亞基]-2-苯基-環(huán)己-1-烯基]-乙烯基)-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸鹽；3-乙基-2-[7-(3-乙基-3H-苯并噻唑-2-亞基)-庚-1,3,5-三烯基]-苯并噻唑碘化物；1-丁基-2-[7-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氫-吲哚-2亞基)-庚-1,3,5-三烯基]-3,3-二甲基-3H-吲哚六氟磷酸鹽；2-[3-氯-5-[1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1,3-二氫-苯并[e]吲哚-2-亞基]-戊-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1H-苯并[e]吲哚六氟磷酸鹽；2-[5-[1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1,3-二氫-苯并[e]吲哚-2-亞基)-戊-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(3-甲基-丁基)-1H-苯并[e]吲哚六氟磷酸鹽；3,3-二甲基-2-[2-[2-氯-3-[2-[1,3-二氫-3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-2H-吲哚-2-亞基]-乙亞基]-環(huán)己烯-1-基]-乙烯基]-5-磺-1-(4-磺丁基)-3H-吲哚氫氧化物，內(nèi)鹽，三鈉鹽；2-[2-(3-[2-[3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-1,3-二氫-吲哚-2-亞基]-乙亞基]-2-苯基-環(huán)己烯-1-烯基)-乙烯基]-3,3-二甲基-5-磺-1-(4-磺丁基)-3H-吲哚氫氧化物，內(nèi)鹽，三鈉鹽；2-[5-[1,1-二甲基-3-(4-磺丁基)-1,3-二氫-苯并[e]吲哚-2-亞基]-庚-1,3-二烯基]-1,1-二甲基-3-(4-磺丁基)-1H-苯并[e]吲哚氫氧化物，內(nèi)鹽，鈉鹽；2-(8-氫氧基-1,1,7,7-四甲基-1,2,3,5,6,7-六氫吡啶并[3,2,1-ij]-喹啉-9-基)-4-(8-氫氧基-1,1,7,7-四甲基-2,3,6,7-四氫-1H-吡啶并[3,2,1-ij]-喹啉鎓-9(5H)-亞基)-3-氧代環(huán)丁烯-1-烯醇化物(squarylium)；及其組合物和混合物。圖6A-6J分別顯示了DTCI、HITC、IR144、IR170、AINc、SiNc、IR792、IR140、ZnNc和CY各自的吸收光譜和發(fā)射光譜。所有的光譜均有波長大于約650nm的發(fā)射峰和吸收峰。

如上述，單個(gè)發(fā)光體的性能通過化學(xué)劑的組合、凈化、構(gòu)建、主客體相互反應(yīng)以及利用透明NIR鏡設(shè)計(jì)進(jìn)行光子管理，以及制造來提高。同樣，當(dāng)三碳菁作為發(fā)光體時(shí)，可以調(diào)整取代烯烴的長度來改變發(fā)光范圍。或者，可以修飾陰離子來改善發(fā)光范圍。通過這些修飾，量子效率可以提高約50％或更多。在各種實(shí)施例中，量子產(chǎn)量大于約10-25％。優(yōu)選地，量子產(chǎn)量大于60％，或大于70％，或大于約80％。最佳地，量子產(chǎn)量大于約90％。

發(fā)光體主體有利于：(1)物理地分離分子來增加量子產(chǎn)量，(2)通過極性相互作用，與分子進(jìn)行直接地和電子地互相作用，來增加或減少量子產(chǎn)量，以及(3)封裝發(fā)色團(tuán)來作為空氣或潮濕阻隔物，并增加壽命。例如PMMA衍生物可以增加一些來自溶劑的分子的量子產(chǎn)量至兩倍，同時(shí)在超過三個(gè)月的時(shí)間里，在空氣中量子產(chǎn)量的減少是微乎其微的。另外，發(fā)光體可以容易且直接地固定到胺類聚合物，例如聚(4-乙烯嘧啶)，和從胺類聚合物合成或者通過直接聚合而得到的具有銨鹽支鏈的聚合物。

這個(gè)系統(tǒng)為可再生、低碳太陽能發(fā)展提供了一個(gè)新的能量路徑，其在提高建筑物效率的同時(shí)，可以克服許多社會和經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與傳統(tǒng)的PV技術(shù)有關(guān)。這可以利用國內(nèi)豐富的材料獲得，包括碳基分子、由Br、Cl、C、Mo、N、O、Si、W組成的納米團(tuán)簇，酞酸和萘酸，以及三碳菁的衍生物(重要的工業(yè)金屬)并且沒有稀土、放射性或貴金屬(即Pt，Ir等)。

發(fā)光體太陽能收集器的效率可以定義為：

${\mathrm{\&eta;}}_{LSC}={\mathrm{\&eta;}}_{PV}^{*}\&CenterDot;(1-R)\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{abs}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{PL}{\mathrm{\&eta;}}_{trap}(1-{\mathrm{\&eta;}}_{RA})}{1-{\mathrm{\&eta;}}_{RA}{\mathrm{\&eta;}}_{PL}{\mathrm{\&eta;}}_{trap}}$

其中R是正面反射，η_abs是發(fā)光體的太陽能光譜吸收效率，η_PL是發(fā)光體的發(fā)光效率，η_trap是光的波導(dǎo)效率，以及η_RA是再吸收概率。光捕獲效率為通過太陽能光譜吸收效率和在發(fā)光體波長處的量子效率被標(biāo)準(zhǔn)化的PV效率(報(bào)道為AM1.5G)為：

${\mathrm{\&eta;}}_{PV}^{*}=\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{PV}\left(AM1.5G\right)}{{\mathrm{\&eta;}}_A\left(AM1.5G\right)}\right)\&CenterDot;\frac{\&Integral;{\mathrm{\&eta;}}_{EQE}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)PL\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}}{\&Integral;PL\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}}$

其中η_EQE是外部量子效率，PL是發(fā)光體發(fā)光光譜。熱力學(xué)限制η_PV只導(dǎo)致Voc和FF損失。由于η_PV的光依賴性，這個(gè)校正會依賴收集器的空間獲得。為了簡化，假設(shè)波導(dǎo)光通量保持在接近1-sun。

再吸收和向前發(fā)光損失可以估算為：

${\mathrm{\&eta;}}_{RA}=\frac{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}d\mathrm{\&lambda;}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&theta;}}_{crit}}^{\mathrm{\&pi;}/2}d\mathrm{\&theta;}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}/4}^{-\mathrm{\&pi;}/4}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)PL\left(\mathrm{\&lambda;}\right)(1-\exp \&lsqb;-\mathrm{\&epsiv;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)C\frac{Lt}{2t_0\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\cos \left(\mathrm{\&phi;}\right)}\&rsqb;)d\mathrm{\&phi;}}{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}d\mathrm{\&lambda;}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&theta;}}_{crit}}^{\mathrm{\&pi;}/2}d\mathrm{\&theta;}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}/4}^{-\mathrm{\&pi;}/4}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)PL\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&phi;}}$

其中臨界角(發(fā)光錐)為θ_crit＝sin^-1(1/n_wave)，ε是摩爾吸收率，C是濃度，L是板長度，θ是相對于LSC平面法向的方位角，以及φ是法向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。在中等的磷光體載荷，UV LSC可以保持超過10m的效率，其比大多數(shù)一般的窗戶大。相反，對于NIR發(fā)光體，效率開始“倒退”至只有1-10cm，確定了理想的被嵌入的太陽能電池的間隙。

利用本NLSCs可以克服NIR收集器的短斯托克位移，這是通過在整個(gè)波導(dǎo)體層植入太陽能電池，可以同時(shí)減少總體的光學(xué)損失，增加太陽能吸收效率，并且也增加了成本。另外，NIR LSC發(fā)光體與分段PVs的結(jié)合將輸出效率增加三倍多，相對于單獨(dú)的分段PVs來說是一個(gè)高水平透明度的范圍。盡管如此，NIR的設(shè)計(jì)用作需要高效率和高CRI的應(yīng)用的平臺。最終，這些電池會隨同嵌入的太陽能電池“網(wǎng)格”或薄晶片植入，以結(jié)合高性能和理想的美學(xué)質(zhì)量。

該些能量收集裝置對于人眼是透明或基本透明的。該些裝置的顯色指數(shù)(CRI)可以為大約80或者更高。例如，CRI可以為大約80，大約85，大約90，大約95，大約99或大約100。該些裝置的平均可見光透射比大于約60％。在各個(gè)實(shí)施例中，平均可見光透射比大于約70％，大于約75％，大于約80％，大于約85％，或大于約90％。該些能量收集裝置的效率可以大于約0.25％，大于約0.5％，大于約0.75％，大于約1.0％，大于約5％，或者大于約10％。在不同的實(shí)施方式中，該效率范圍為約0.25％至約10％。因此，該效率可以為大約0.25％，大約0.5％，大約0.75％，大約1.0％，大約2.0％，大約3.0％，大約4.0％，大約5.0％，大約6.0％，大約7.0％，大約8.0％，大約9.0％，或者大約10.0％。在一些環(huán)境下，該效率可以減少以提供一更透明的裝置。因此，在一些實(shí)施例中，該效率受美學(xué)限制。

本技術(shù)包括制備透明能量收集裝置的方法。將含有一波導(dǎo)體轉(zhuǎn)向材料，例如散射納米顆粒，發(fā)光體或上述組合的溶液與一基體溶液混合，來形成一工作溶液。該基體溶液包括聚-(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)，一氰化甲烷溶液，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，或(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)，或上述的組合，其中該基體溶液在一種溶劑中。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該基體溶液含有PEMA，氰化甲烷，和PMMA，三者的比例為1:2:1。該工作溶液可以在模具中滴鑄?？蛇x地，一個(gè)或多個(gè)光伏太陽能電池可以放置在該工作溶液中或在該工作溶液的表面。該工作溶液在流動(dòng)的氮?dú)庵懈稍飵讉€(gè)小時(shí)，從而形成一固體基質(zhì)。如果該一個(gè)或多個(gè)光伏太陽能電池沒有放置在該工作溶液中，一個(gè)這樣的太陽能電池可以通過近乎指數(shù)化匹配的環(huán)氧樹脂來附著于該基質(zhì)的表面。通過TiO₂、SiO₂和Al₂O₃的交替層組合，將反射性的涂層(鏡子)結(jié)合到裝置中，來優(yōu)化總體的顏色效果和性能。

利用這種技術(shù)，通過圍繞這些輸出參數(shù)的較大輸入可變空間(例如染料濃度，波導(dǎo)體厚度，鏡面集成，窗戶尺寸等)快速調(diào)整面板特征。作為結(jié)果，產(chǎn)品性能可以定制或客制化，以達(dá)到光學(xué)性能、發(fā)電量和安裝成本的必要組合，來滿足打算將能量收集結(jié)合入建筑物表層的建筑設(shè)計(jì)師的不同要求。另外，這個(gè)系統(tǒng)可以無縫對接到建筑物電力系統(tǒng)。產(chǎn)生的電力可以本地存儲作為直流電力或轉(zhuǎn)換成交流電(AC)來補(bǔ)充建筑物輸電網(wǎng)，可以在應(yīng)用的時(shí)刻在建筑物的周長區(qū)域內(nèi)供應(yīng)很大部分的電力需求。

如上所述，本技術(shù)提供一光收集系統(tǒng)，其可以整合到建筑物窗戶玻璃。但是該光收集系統(tǒng)也可以在側(cè)面鋪設(shè)。因?yàn)樵摴馐占到y(tǒng)是透明的，看著該側(cè)面的人眼不能看到它，不管該側(cè)面是在房子上，交通工具上，或一裝置上。該光收集系統(tǒng)還可以整合入電視監(jiān)控器、電腦監(jiān)控器、移動(dòng)通信設(shè)備，比如手機(jī)和多媒體播放器的顯示器中，以及招牌，比如電子廣告牌中。該光收集系統(tǒng)的透明特性允許它整合入幾乎任何裝置，交通工具或建筑物，由此能夠從收集來自太陽的能量中受益。

通過下面非限制例子進(jìn)一步說明本技術(shù)的實(shí)施例。

實(shí)施例1

NIR收集TLSC

實(shí)驗(yàn)

制備有機(jī)鹽溶液：2-[7-(1,3-二氫-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亞基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)(激子)和1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3三甲基吲哚啉-2-亞基)亞乙基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基-3H-吲哚氯化物(CY)在接收后未經(jīng)進(jìn)一步純化即進(jìn)行表征。用于光學(xué)表征的溶液通過直接將各化合物以直至4mg/mL的多個(gè)濃度值溶于二氯甲烷來制備。

光學(xué)表征：溶液和薄膜二者的鏡面透射比利用雙束Lambda 800 UV/VIS光譜儀在透射模式下測量，不用對比樣品。測量各種染料的發(fā)光光譜和量子產(chǎn)量，利用在730nm(HITCI)和700nm(CY)激勵(lì)的PTI QuantaMaster 40熒光譜儀；利用校正集成球附件來測量量子產(chǎn)量。

模塊制造：將5mg/ml CY的二氯甲烷溶液與(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚-甲基丙烯酸甲酯(PBMMA)(Sigma-Aldrich)在體積比1:1下混合，得到在聚合物復(fù)合薄膜中的目標(biāo)染料濃度(2mg/mL)。為了制備發(fā)光太陽能電池(LSCs)，這種混合物滴鑄在2cm×2cm×0.1cm(用于效率測量)或者7cm×7cm×0.1cm(用于EQE測量)的方形石英或玻璃基體(包括四條邊)中，并可以將每層干燥2小時(shí)，重復(fù)3次，得到大約1mm的層厚度。一用激光切割的，具有在1sun下15±1％的效率的2cm×0.1cm Si電池(Narec Solar)，在具有或不具有指數(shù)化匹配的環(huán)氧樹脂的情況下附連到該波導(dǎo)體的邊緣。對于EQE測量，其他三個(gè)邊粘有黑色導(dǎo)電膠帶，以阻止邊緣反射并且簡化幾何空間構(gòu)造。對于電力效率測量，兩個(gè)電池邊緣安裝在正交的邊上并且并聯(lián)。剩下兩條邊用增強(qiáng)鏡面反射器(Vikuiti，3M)覆蓋。遮住圍繞LSC邊緣的細(xì)邊界區(qū)域，以避免任何對LSC的直接照射。由于太陽能模擬器(67005Xe arc lamp，Newport)的照射區(qū)域，用于電力效率測量的板長度限制在大約小于0.05m，并且對于EQE測量，小于大約0.2m。

模塊測試：通過從一單個(gè)邊緣安裝的Si PV處引導(dǎo)一來自光纖的單色激發(fā)光束以不同的間隔(d)垂直指向該LSC，實(shí)現(xiàn)對位置依賴的EQE的測量。測量的量子效率由因子g＝π/tan^-1(L/2d)校正，這導(dǎo)致在每個(gè)點(diǎn)間隔上，與該太陽能電池對向的角度不同，其中L是LSC的邊緣長度。該外部量子效率(EQE)利用Newport校正的Si探測器來測量。電流密度對伏特(J-V)的測量是在模擬AM1.5太陽照明下實(shí)施，其對于太陽光譜的不匹配進(jìn)行了校正。

光學(xué)建模：在發(fā)光體波長下，通過太陽光譜吸收效率和量子效率標(biāo)準(zhǔn)化PV效率(報(bào)道為AM1.5G)。利用發(fā)光體發(fā)光光譜、摩爾吸收率、濃度、LSC長度、LSC系統(tǒng)光學(xué)效率來估算再吸收和向前發(fā)光損失，EQE作為板尺寸和在固定的混合厚度下的發(fā)光體濃度的函數(shù)，在Matlab中量化估算。

結(jié)果

分析了兩個(gè)有前途的花菁衍生物，2-[7-(1,3-二氫-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亞基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物(HITCI)(激子)和1-(6-(2,5-二氧代吡咯烷-1-基氧基)-6-氧代己基)-3,3-二甲基-2-((E)-2-((E)-3-((E)-2-(1,3,3三甲基吲哚啉-2-亞基)亞乙基)環(huán)己-1-烯基)乙烯基-3H-吲哚氯化物(CY)，并且該系統(tǒng)用于探索斯托克位移的影響。CY和HITCI分子結(jié)構(gòu)在圖7B中示出。發(fā)光體的吸收和發(fā)射光譜在圖8A中示出。對于CY的吸收光譜峰值在742nm，對于HITCI是733nm且?guī)в猩倭靠梢姽馕?，對于CY和HITCI的NIR發(fā)射峰值分別在772和753nm。該斯托克位移，定義為吸收峰值和發(fā)射峰值的波長差，對于CY是30nm，對于HITCI是20nm。兩種材料的斯托克位移幫助演示了在組裝LSC性能中的差異，并且對于預(yù)測大面積的規(guī)?；彩且粋€(gè)重要參數(shù)。

探索發(fā)光體量子產(chǎn)量(QY)對濃度的依賴性，以理解這些發(fā)光體的光子物理行為。在二氯甲烷中測量的CY和HITCI的QY和吸收在圖8B中示出，其作為染料濃度的函數(shù)。圖8B的QY數(shù)據(jù)擬合到一個(gè)模型，其具有濃度依賴的非輻射率，并且計(jì)算分離的團(tuán)簇的固有非輻射率k_nRO，發(fā)光率k_R，以及濃度淬滅度量常數(shù)a之間的關(guān)系。對于CY，k_nRO/k_R＝5.8，a/k_R＝2.5ml/mg，而對于HITCI，k_nRO/k_R＝2.5，a/k_R＝2.2ml/mg。CY和HITCI的臨界濃度，這里定義為QY最高值一半時(shí)的濃度，分別為2mg/L和1mg/L。圖7C示出結(jié)合了該CY發(fā)光體的該透明LSC波導(dǎo)體。不同板尺寸的整體LSC系統(tǒng)的光譜分解的EQE在圖3(c)中示出，其在大約760nm處顯示出峰值，與在圖9C中的吸收光譜和計(jì)算的EQE匹配。在圖9B中示出了2cm×2cm×0.1cm的、用于兩邊安裝的Si太陽能PVs的LSC系統(tǒng)的電流電壓特征(詳見實(shí)驗(yàn)部分)；圖9A示出所測量的對組裝CY LSC的強(qiáng)度依賴性，其大體依賴于邊緣安裝的Si電池的強(qiáng)度依賴性。總體系統(tǒng)在1.0±0.1sun下測量的短路電流密度(J_SC)是1.2±0.1mAcm^-2，具有開路電壓(V_OC)0.50±0.01V和填充因子0.64±0.02，導(dǎo)致CY發(fā)光體的效率為0.38±0.05％。由EQE和AM1.5G太陽能光譜的乘積的積分計(jì)算而得的短路電流密度為1.0±0.1mAcm^-2，其在測量的光子流的誤差范圍內(nèi)。對于LSC系統(tǒng)，相應(yīng)的平均可見透射比和顯色指數(shù)分別為86％±1％和94，相比單獨(dú)的玻璃基體為90％±1％和100，并且相對于僅UV的TLSCs在美學(xué)質(zhì)量上稍好。

圖10示出了CY LSC光學(xué)效率的面積放大的計(jì)算，其具有作為LSC長度的函數(shù)的模型化斯托克位移。當(dāng)斯托克位移(S)低于30nm時(shí)，臨界板長度為大約1-2cm，同時(shí)對于S>100nm，增加S可以大幅增加臨界板長度至>1m。在圖10中示出的信息用于設(shè)計(jì)材料以提高可規(guī)模性。

討論

發(fā)光體光子物理學(xué)

發(fā)光體的單獨(dú)非輻射模式大于輻射率，導(dǎo)致相對低的量子產(chǎn)量。對于許多演示的NIR熒光體來說是真實(shí)的，并且對于醫(yī)療和發(fā)光二極管的應(yīng)用，一直非常努力在這個(gè)光譜范圍內(nèi)提高QY。這里，量子產(chǎn)量隨著濃度的增加而減少，這是基于由在更高濃度下顆粒-顆粒相互作用引起的激發(fā)態(tài)(非輻射)淬滅；這些相互作用甚至持續(xù)到稀溶液。相應(yīng)地，這里設(shè)計(jì)的收集器利用稀釋濃度的更濃的層來保持高量子產(chǎn)量和高吸收效率，遵從Beer-Lambert定律。當(dāng)為了高量子產(chǎn)量以及在760nm下對Cy的摩爾吸收系數(shù)為1.45×10⁸Lmol^-1m^-1而以一設(shè)計(jì)濃度5mg/L開始時(shí)，使用該標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致接近完全NIR吸收的最佳厚度為1.0mm。同時(shí)通過利用稀釋濃度的更濃的層實(shí)現(xiàn)了再吸收損失的減少。

LSC設(shè)計(jì)

透明LSCs的效率受以下支配：太陽能光譜吸收效率、發(fā)光體光致發(fā)光效率、波導(dǎo)(捕獲)效率、傳輸(再吸收)效率以及太陽能電池效率。光學(xué)效率包括波導(dǎo)效率、傳輸效率、和發(fā)光效率。發(fā)光體光致發(fā)光效率的提高可以采用量子產(chǎn)量更高的染料或優(yōu)化染料-聚合物相互作用來得到更高的量子產(chǎn)量。太陽能光譜吸收效率可以通過增加染料濃度或者通過增加混合物厚度來提高。然而在量子產(chǎn)量和濃度之間存在抵消。太陽能電池效率可以通過利用具有更高效率的太陽能電池來增強(qiáng)?；贚SC的單色光發(fā)射本質(zhì)，圍繞每個(gè)單個(gè)LSC只能附連單個(gè)PVs接點(diǎn)，這直接限制了系統(tǒng)總體效率至低于PV效率。也可以堆疊互補(bǔ)的透明LSCs，其在互相之間的頂部具有不同的/吸收范圍，由此每個(gè)LSC單獨(dú)聯(lián)結(jié)與它們的理想PV。如果更便宜的更高能帶電池(GaAs和GaInP)變得能夠獲得，可以將η_LSC的效率相比于Si提高至超過30％，特別對于此處演示的LSCs。然而基于成本和可獲得性的考慮，具有太陽能效率為14-16％的更低成本的具有AM1.5G的Si PVs用于本文所述的證明原則的演示。

再吸收損失限制了此處制造的LSCs的性能，這是基于染料的相對低斯托克位移。實(shí)際上，早就認(rèn)識到，LSC的性能常常再重吸收限制，特別對于具有適度S的染料和大板尺寸。在圖10中計(jì)算后的光學(xué)效率示出斯托克位移從30nm到80nm的增加可以提高臨界長度，此處臨界長度定義為光學(xué)效率是最大值的一半時(shí)LSC的長度，從3cm至30cm，其中30cm的LSC長度適于許多LSC應(yīng)用。為了完全最大化這些裝置的大面積規(guī)?；?，優(yōu)選具有更大的斯托克位移的高量子產(chǎn)量分子的設(shè)計(jì)。然而考慮最佳斯托克位移時(shí)需平衡。要求在發(fā)光體發(fā)射峰值處具有高量子效率，但也必須考慮最大化能帶間隙來最小化PV電壓損失，限制了PVs。對于Si PVs，最大斯托克位移限制在小于約200nm，同時(shí)期望收集NIR光譜的200-300nm片段。對于GaAs這個(gè)最大S更加受限。

獲得更好的可規(guī)?；囊粋€(gè)方法是將量子產(chǎn)量提高到接近100％，這是通過優(yōu)化發(fā)光體-主體相互作用和分子設(shè)計(jì)。對于具有接近100％QY的材料，每個(gè)再吸收事件都導(dǎo)致另一個(gè)再發(fā)射事件，由此減少傳輸損失。然而應(yīng)當(dāng)注意的是，每個(gè)吸收/再發(fā)射事件都看起來是額外的散射，因?yàn)檩椛浒l(fā)射是典型的各向同性，因此會最終對于大板長度導(dǎo)致更大的前/后側(cè)損失。另一個(gè)重要的提高低斯托克位移的材料可規(guī)模化的方法是在整個(gè)LSC波導(dǎo)體嵌入高度分段的太陽能電池微陣列作為網(wǎng)格，以此本質(zhì)上產(chǎn)生一系列“微LSCs”，從而減少再吸收損失和來自分段PV的額外貢獻(xiàn)?？紤]到這些方法，并且通過將這些LSCs與UV-TLSCs結(jié)合，容易得到大于1％的效率，而且接近10％的效率是可能的。

結(jié)論

作為結(jié)論，設(shè)計(jì)并制造了新型透明發(fā)光太陽能收集裝置，其包括選擇性收集NIR光子的熒光有機(jī)鹽。本文演示了一第一個(gè)可見透明的NIR收集TLSC，具有在可見光譜中86％±1％的無色透明度，結(jié)合了0.4％±0.03％的效率，并且由于大部分光子通量在近紅外，潛在效率可達(dá)10％。實(shí)驗(yàn)和模型示出，開發(fā)更大的斯托克位移的近紅外發(fā)光體，優(yōu)化發(fā)光體-主體相互作用以及制造嵌入的分段PV結(jié)構(gòu)，可以減少再吸收損失和增加大面積系統(tǒng)效率。這些透明NIR LSCs提供了透明光收集系統(tǒng)的全新的路徑，其具有高缺陷容忍和可操作性的巨大潛力。