光收集器設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了片狀光收集器設(shè)備，其包括光接收側(cè)和光出射側(cè)，以及包括有機染料的光導(dǎo)材料的多個彎曲結(jié)構(gòu)，所述有機染料被配置成吸收至少部分的光源光并且將吸收的光的至少一部分轉(zhuǎn)換成可見波長范圍中的經(jīng)轉(zhuǎn)換的光。每個彎曲結(jié)構(gòu)具有在光接收側(cè)的凸起彎曲部分、在光出射側(cè)的凹入部分和在光出射側(cè)的光出射邊緣部分。每個彎曲結(jié)構(gòu)具有被配置成促進內(nèi)耦合的光和可見的經(jīng)轉(zhuǎn)換的光在光出射邊緣部分的方向上的輸運的曲率和光導(dǎo)厚度，以提供從光出射邊緣部分逸出的設(shè)備光。
【專利說明】光收集器設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光收集器設(shè)備。本發(fā)明還涉及太陽能設(shè)備、溫室或照明單元，其包括這 樣的光收集器設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 光內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域中是已知的。例如，W02009115574描述了包括具有兩個主 表面?zhèn)鹊耐该髌臏厥?，其包含透明片?nèi)的發(fā)光染料，其特征在于在兩個主表面?zhèn)鹊闹辽?一個上存在幾何光學(xué)元件的陣列。特別地，光致發(fā)光染料包含在與透明片接觸的分離層內(nèi)。
[0003] 另外，發(fā)光太陽能集中器在本領(lǐng)域中是已知的。例如，W02012023094描述了諸如 例如使用其波導(dǎo)的后側(cè)上的散射或者反射層的太陽能集中器之類的光電設(shè)備。散射或者反 射層還合并了用于吸收和發(fā)射的發(fā)光或者磷光材料。散射或者反射層中的附加的吸收和發(fā) 射功能性允許入射光的較為動態(tài)的使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 重要的方面是光如何能夠以高效的方式被引導(dǎo)朝向植物(例如，在溫室中）并且具 有優(yōu)化的光譜。像是棱鏡、透鏡或者散射微結(jié)構(gòu)那樣的結(jié)構(gòu)的使用在本領(lǐng)域中是已知的。該 結(jié)構(gòu)的確進行工作來提取光，但是不能足夠有效地將光引導(dǎo)朝向植物。此外，提供有(這樣 的）微結(jié)構(gòu)的箔對于該應(yīng)用而言可能變得過于昂貴。
[0005] 另外，可應(yīng)用包含熒光染料和光散射(顆粒)添加劑的聚合基質(zhì)。然而，似乎在一些 系統(tǒng)中超過50%的光被引導(dǎo)朝向溫室的外部，并且沒有被植物有效地使用。
[0006] 因此，本發(fā)明的一個方面是提供可替換的光收集器設(shè)備，其優(yōu)選地另外至少部分 地消除上述缺陷中的一個或多個。
[0007] 因此，在第一方面中，本發(fā)明提供了包括片狀光接收側(cè)和光出射側(cè)的光收集器設(shè) 備(在本文中也被指示為"設(shè)備")，光收集器設(shè)備包括光導(dǎo)材料的多個彎曲結(jié)構(gòu)(在本文中 也被指示為"結(jié)構(gòu)")，其中光導(dǎo)材料包括被配置成吸收光源光的至少一部分并且將所吸收 的光的至少一部分轉(zhuǎn)換成可見波長范圍中的經(jīng)轉(zhuǎn)換的光的有機染料，其中每個彎曲結(jié)構(gòu)具 有被配置成從所述光源接收光并且被配置成將光源光耦合到彎曲結(jié)構(gòu)中的在光接收側(cè)的 凸起彎曲部分、在光出射側(cè)的凹入部分和在光出射側(cè)的光出射邊緣部分，其中每個彎曲結(jié) 構(gòu)具有被配置成促進內(nèi)耦合的光和可見波長范圍中的經(jīng)轉(zhuǎn)換的光在光出射邊緣部分的方 向上的輸運的曲率和光導(dǎo)厚度，以提供從光出射邊緣部分逸出的設(shè)備光。
[0008] 利用這樣的光收集器設(shè)備，（太陽）光可以高效地耦合到彎曲結(jié)構(gòu)中，在彎曲結(jié)構(gòu) 內(nèi)被有機染料至少部分地轉(zhuǎn)換成另一波長的光，并且在光出射邊緣部分處耦合離開光收集 器設(shè)備。由此，提供了收集的(太陽）光和/或收集的經(jīng)轉(zhuǎn)換的(太陽）光。注意，光源不是 光收集器設(shè)備的(多個）基本實施例的一部分。
[0009] 光收集器設(shè)備被特別地設(shè)計成以高效的方式收集太陽的光，并且將收集的光在光 出射側(cè)處耦合出（作為冷光和可選的其余太陽光)，所述收集的光至少部分地被有機染料轉(zhuǎn) 換成冷光。因此，在實施例中，光收集器用于集中（太陽）光，并且至少部分地將該集中的太 陽光轉(zhuǎn)換成冷光(通過利用染料對至少部分的太陽光的轉(zhuǎn)換)。由于全內(nèi)反射（TIR)，內(nèi)耦合 的光和冷光可以遷移至邊緣部分并且從光出射部分(或者光出射邊緣部分)逸出。為了抵消 光導(dǎo)的TIR屬性中的減小，有機染料基本上不作為微顆粒存在，而是優(yōu)選地呈分子分布，因 而抵消光的全向散射。另外，染料具有本質(zhì)上不與所述染料的發(fā)射光譜重疊的吸收和/或 激發(fā)光譜，因而抵消經(jīng)轉(zhuǎn)換的光的全向再發(fā)射。所述全向散射和全向再發(fā)射二者都導(dǎo)致光 導(dǎo)材料的TIR屬性中的不合期望的減小，并且因此導(dǎo)致不太高效的太陽光收集器設(shè)備。 [0010] 光收集器設(shè)備包括多個彎曲結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，這些可包括半球結(jié)構(gòu)，像是圓 頂那樣，在其它實施例中，這些可以包括漏斗狀結(jié)構(gòu)或者球冠。凸起部分被配置在光接收 偵k因此，光接收側(cè)包括多個凸起彎曲結(jié)構(gòu)。凹入部分在光收集器設(shè)備的"背側(cè)"（光出射 側(cè))。彎曲結(jié)構(gòu)的邊緣被用作外耦合或者光出射邊緣部分(在光出射側(cè))。因此，彎曲結(jié)構(gòu)的 至少一部分邊緣被配置成允許內(nèi)耦合的光在光收集器設(shè)備的光出射側(cè)從彎曲結(jié)構(gòu)的光出 射邊緣部分逸出。
[0011] 注意，在光收集器設(shè)備（自身）的實施例中，除了可選的涂層，在凸起彎曲部分的上 游不存在物理結(jié)構(gòu)。正是有利的彎曲結(jié)構(gòu)提供高效的內(nèi)耦合。
[0012] 術(shù)語"上游"和"下游"涉及項或者特征相對于來自光生成裝置(在此特別地為太 陽或者光源）的光的傳播的布置，其中相對于來自光生成裝置的光線內(nèi)的第一位置，更接近 光生成裝置的光線中的第二位置是"上游"，并且更遠(yuǎn)離光生成裝置的光線內(nèi)的第三位置是 "下游"。這樣，一個人也可以將光接收側(cè)指示為上游側(cè)或者上游面，并且將光出射側(cè)指示為 下游側(cè)或者下游面。
[0013] -般地，彎曲結(jié)構(gòu)將被布置在規(guī)則圖案中，像是以立方體或者六邊形對稱。特別 地，彎曲結(jié)構(gòu)、特別是凸起部分可以被配置在緊密堆積中，諸如六邊形緊密堆積或者立方體 緊密堆積。因此，半球結(jié)構(gòu)或者漏斗狀結(jié)構(gòu)等可以被布置在諸如之前所定義的緊密堆積中。 因此，光收集器設(shè)備可以包括類似彎曲結(jié)構(gòu)的六邊形緊密堆積或者立方體緊密堆積。
[0014] 可選地，存在不同類型的結(jié)構(gòu)的堆積或者特別是緊密堆積。例如，可以應(yīng)用彼此交 替的多個半球彎曲結(jié)構(gòu)和漏斗狀彎曲結(jié)構(gòu)的組合。這些可以被堆積(在相應(yīng)彎曲結(jié)構(gòu)的兩 個子格中)，可選地堆積在緊密堆積中。
[0015] 注意，凸起彎曲部分可以因而造成突出類型的結(jié)構(gòu)(相對于光收集器設(shè)備的平面 突出），諸如半球狀結(jié)構(gòu)，但是在實施例中還可以造成凹陷類型結(jié)構(gòu)，諸如漏斗狀結(jié)構(gòu)。
[0016] 彎曲結(jié)構(gòu)包括透明材料，特別地本質(zhì)上包括透明材料，甚至更特別地由透明材料 制成，所述透明材料被配置成至少允許可見光，但是特別地還允許紫外（=uv)和/或紅外 (=IR)的部分傳播通過光導(dǎo)材料。用于光導(dǎo)材料的另一詞語是"波導(dǎo)材料"。光導(dǎo)或者波導(dǎo)材 料可以包括選自于包括透射性有機材料支持的組中的一種或多種材料，諸如選自于包括PE (聚乙烯)、PP (聚丙烯)、PEN (聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC (聚碳酸酯)、聚丙烯酸甲酯（PMA)、 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)(樹脂玻璃或者塑膠玻璃)、乙酸丁酸纖維素（CAB)、硅樹脂、聚氯 乙烯（PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET)、（PETG)(乙二醇改性聚對苯二甲酸乙二醇酯)、 PDMS (聚二甲基硅氧烷）和C0C (環(huán)烯共聚物）的組。然而在另一實施例中，光導(dǎo)或者波導(dǎo) 材料可以包括無機材料。優(yōu)選的無機材料選自于包括玻璃、(熔融)石英、透射性陶瓷材料和 硅樹脂的組。還可以應(yīng)用包括無機和有機部分二者的混合材料。PMMA、PC或者玻璃作為用 于波導(dǎo)的材料是特別優(yōu)選的。
[0017] 因此，彎曲結(jié)構(gòu)特別地是特別地具有使得存在凸起部分和凹入部分的曲率的彎曲 光導(dǎo)。因此，彎曲結(jié)構(gòu)并不特別地包括圓形光纖。
[0018] 特別地，染料作為波導(dǎo)材料中的微顆?；旧鲜遣豢捎玫?，而是優(yōu)選地呈分子分 布。這樣，基本上沒有晶粒邊界可以被發(fā)現(xiàn)，鑒于散射，這是有利的。當(dāng)將染料嵌入在有機 材料(諸如上文指示的透明有機材料中的一個或多個）中時，可以特別地獲得染料的分子分 布。
[0019] 有機染料特別地被配置成吸收至少部分的內(nèi)耦合的光源光并且將它轉(zhuǎn)換成另一 波長的光。一般地，這將(也)是可見光。然而，染料可以被選取成提供帶有特定功能的波長 區(qū)域中的光。例如，對于園藝應(yīng)用，特定顏色對植物可以具有特定效應(yīng)等。
[0020] 在實施例中，染料還可以被配置成將UV光轉(zhuǎn)換成可見光。取決于光源光的類型 (參見下文)，有機發(fā)光材料可以例如包括綠光和紅光發(fā)射材料的組合，或者黃光和紅光發(fā) 射發(fā)光材料的組合等。然而，還可以應(yīng)用將UV或者可見光轉(zhuǎn)換到IR中的染料，這取決于(期 望的）應(yīng)用。例如，在一些園藝應(yīng)用中，還可能期望IR成分。
[0021] 另外，如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是清楚的，術(shù)語"染料"還可以涉及多種染料，其中 的兩種或更多種在不同波長范圍中進行吸收和/或發(fā)射。這樣，可以創(chuàng)建優(yōu)化的吸收和/ 或發(fā)射光譜。在特定實施例中，彎曲結(jié)構(gòu)的總數(shù)目的兩個或更多子集分別包括兩種或者更 多不同的染料。
[0022] 存在這樣的有機發(fā)光材料或者染料的幾乎無限的分類。相關(guān)的示例是二萘嵌苯 (諸如，在來自德國路德維希港BASF公司的其商標(biāo)名稱Lumogen之下已知的染料：Lumogen F240 澄、Lumogen F300 紅 Lumogen F305 紅、Lumogen F083 黃、Lumogen F170 黃、Lumogen F850綠)，來自印度孟買Neelikon食用染料與化工有限公司的黃172,以及從許多貿(mào)易者可 得到的諸如香豆素(例如，香豆素 6、香豆素 7、香豆素 30、香豆素 153、堿性黃51)、萘二甲酰 亞胺(例如溶劑黃11、溶劑黃116)、弗盧羅7GA、吡啶(例如，吡啶1)、吡咯亞甲基(諸如吡咯 亞甲基546、批咯亞甲基567)、突光素鈉、若丹明（例如，若丹明110、若丹明B、若丹明6G、若 丹明3B、若丹明101、磺基若丹明101、磺基若丹明640、堿性紫11、堿性紅2)、花青(例如，酞 菁、DCM)、芪(例如，Bis-MSB、DPS)之類的染料?？梢允褂萌舾善渌娜玖希T如酸性染料、 堿性染料、直接染料和分散染料，只要它們顯示出用于預(yù)期使用的足夠高的熒光量子產(chǎn)率。 可以應(yīng)用的特別感興趣的有機材料包括例如用于綠色冷光的BASF Lumogen 850、用于黃色 冷光的BASF Lumogen R)83或者F170、用于橙色冷光的BASF Lumogen F 240以及用于紅色 冷光的BASF Lumogen F 300或者F305?？蛇x地，染料包括具有長衰減時間（諸如，數(shù)小時） 的磷光燃料，其可以應(yīng)用于缺乏(充足）日光期間的照明。
[0023] 在本文中的術(shù)語白光對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。它特別地涉及具有在大約 2000和20000K之間、特別地為2700-20000K的相關(guān)色溫的光，其用于特別地在大約2700K 和6500K的范圍中的一般照明，和用于特別地在大約7000K和20000K的范圍中的背光照明 目的，并且特別地在從BBL (黑體軌跡）大約15 SDCM (顏色匹配標(biāo)準(zhǔn)偏差）內(nèi)，特別地在從 BBL大約10 SDCM內(nèi)，甚至更特別地在從BBL大約5 SDCM內(nèi)。
[0024] 術(shù)語"紫光"或者"紫光發(fā)射"特別地涉及具有在大約380_440nm范圍中的波長的 光。術(shù)語"藍(lán)光"或者"藍(lán)光發(fā)射"特別地涉及具有在大約440-490nm范圍中的波長的光(包 括一些紫色和青色調(diào))。術(shù)語"綠光"或者"綠光發(fā)射"特別地涉及具有在大約490-560nm 范圍中的波長的光。術(shù)語"黃光"或者"黃光發(fā)射"特別地涉及具有在大約560-590nm范圍 中的波長的光。術(shù)語"橙光"或者"橙光發(fā)射"特別地涉及具有在大約590-620范圍中的 波長的光。術(shù)語"紅光"或者"紅光發(fā)射"特別地涉及具有在大約620-750nm范圍中、特別 是620-650nm的波長的光。術(shù)語"可見"、"可見光"或者"可見光發(fā)射"指的是具有在大約 380-750nm范圍中的波長的光。術(shù)語"IR"（紅外）可以特別地涉及大約750-3000nm，特別 是在大約750-1100nm范圍中。
[0025] 當(dāng)使用（一個或多個）（用于接收光收集器的收集的光的)太陽能電池時，（多種)染 料可以被優(yōu)化以提供特別適配于(多個）太陽能電池的波長相關(guān)靈敏性的冷光光譜。
[0026] 如以上所指示的，光源不是本發(fā)明的基本實施例的一部分。特別地，光收集器設(shè)備 用于收集(并且至少部分地轉(zhuǎn)換）太陽光。因此，在實施例中，術(shù)語"光源"可以涉及太陽。 然而，可選地，一個或多個人造光源可以用于收集光(并且從其轉(zhuǎn)換光)。
[0027] 在實施例中（同樣參見下文)，太陽光被收集，并且光收集器設(shè)備被用作照明單元。 在該實施例中，可選地，一個或多個人造光源還可以集成在照明單元中。用光收集器設(shè)備可 以可選地收集那些人造光源的光，但是在另一實施例中人造光源可以用作在沒有收集和/ 或轉(zhuǎn)換的光的情況下的輔助光源。這樣的實施例的組合也是可能的。
[0028] 將彎曲結(jié)構(gòu)的曲率和光導(dǎo)厚度特別地選取成具有良好的光內(nèi)耦合和全內(nèi)反射。在 內(nèi)反射和通過染料的轉(zhuǎn)換的意義上說，看起來凹入的(帶有與凹入部分接觸的空氣或另一 氣體)并帶有作為光接收表面的凸起部分并且相對薄的彎曲結(jié)構(gòu)具有良好的屬性。特別地， 光導(dǎo)厚度選自于〇. 5-50_的范圍，甚至更特別地選自于0. 5-10_的范圍，諸如1-5_。
[0029] 透明系統(tǒng)中的光轉(zhuǎn)換的方面(例如，溶解在PMMA或者PET中的發(fā)光染料；同樣參見 上文）是觀察到材料中生成的(各向同性的）光發(fā)射被俘獲了相當(dāng)大的部分。在矩形發(fā)光聚 合物的情況中，生成的光的總量中的有用分?jǐn)?shù)為（同樣參見圖la):

【權(quán)利要求】
1. 一種包括光接收側(cè)（1010)和光出射側(cè)（1020)的片狀光收集器設(shè)備（100)，所述光收 集器設(shè)備（100)包括光導(dǎo)材料（20)的多個彎曲結(jié)構(gòu)（10)，其中光導(dǎo)材料（20)包括用于吸收 光源光的至少一部分并且用于將所吸收的光的至少一部分轉(zhuǎn)換成可見的和IR波長范圍中 的經(jīng)轉(zhuǎn)換的光的有機光轉(zhuǎn)換染料，其中每個彎曲結(jié)構(gòu)（10)具有用于從所述光源接收光并且 用于將光源光耦合到彎曲結(jié)構(gòu)（10)中的在光接收側(cè)（1010)的凸起彎曲部分（11)、在光出 射側(cè)（1020)的凹入部分（12)和在光出射側(cè)（1020)的光出射邊緣部分（13)，其中每個彎曲 結(jié)構(gòu)（10)具有用于促進內(nèi)耦合的光和經(jīng)轉(zhuǎn)換的光在光出射邊緣部分（13)的方向上的輸運 的曲率和光導(dǎo)厚度（d)，以提供從光出射邊緣部分（13)逸出的設(shè)備光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的光收集器設(shè)備（100)，其中凸起彎曲部分（11)的至少20%的表面 區(qū)域具有局部曲率0.2 <威<5,其中K是描述局部曲率的凸起彎曲部分的截面平面中的擬 合圓的局部曲率，并且其中R是地平面的半徑。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，其中每個彎曲結(jié)構(gòu)（10)具有 地平面半徑（R)，其中彎曲結(jié)構(gòu)（10)具有球冠形狀，其中具有所述地平面半徑（R)的凸起彎 曲部分（11)具有彎曲結(jié)構(gòu)表面面積（S)，其中凸起彎曲部分的曲率在范圍2.5 < S/R2 < 30中具有歸一化面積，并且具有選自于0. 5-50mm范圍的光導(dǎo)厚度（d)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2-3中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，其中光導(dǎo)厚度（d)和地平面半 徑的比（d/R)為0.001彡d/R彡0.25。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，具有選自于0. 25-100mm 范圍的地平面半徑（R)，并且其中具有所述地平面半徑（R)的凸起彎曲部分（11)具有在 10mm2-0. 3m2范圍中的彎曲結(jié)構(gòu)表面面積（S)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，其中彎曲結(jié)構(gòu)（10)具有2D彎 曲漏斗（1052)片段的形狀，帶有在光接收側(cè)（1010)的較大的第一開口（ 1551)和在光出射 側(cè)（1020)的較小的第二開口（1552)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，其中彎曲結(jié)構(gòu)（10)具有2D彎 曲凹陷片段的形狀，帶有在光接收側(cè)（1010)的較大的第一開口（1551)和包括在光出射側(cè) (1020)的光出射邊緣部分（13)的封閉的延伸端（1553)。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，其中彎曲結(jié)構(gòu)（10)具有中空 的球冠片段的形狀，帶有在光接收側(cè)（1010)的凸起彎曲部分（11)和在光出射側(cè)（1020)的 凹入部分（1020)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，包括類似彎曲結(jié)構(gòu)（10)的六 邊形緊密堆積或者立方體緊密堆積。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，其中彎曲結(jié)構(gòu)（10)具有凸 起槽（1054)片段的形狀，帶有在光接收側(cè)（1010)的凸起部分（11)和在出射側(cè)（1020)的凹 入部分（12)。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，其中彎曲結(jié)構(gòu)（10)的總數(shù) 目的兩個或者更多子集分別包括兩種或更多種染料。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的光收集器設(shè)備（100)，包括第一彎曲結(jié)構(gòu)（10a) 和第二彎曲結(jié)構(gòu)（10b)，第一彎曲結(jié)構(gòu)（10a)包圍第二彎曲結(jié)構(gòu)（10b)，其中第一彎曲結(jié)構(gòu) (l〇a)的波導(dǎo)材料（20)中的染料不同于第二彎曲結(jié)構(gòu)（10b)的波導(dǎo)材料（20)中的染料。
13. -種包括根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任一項的光收集器設(shè)備（100)和太陽能電池 (300)的太陽能設(shè)備（2200)，其中太陽能電池 （300)被配置成接收從光出射邊緣部分（13) 逸出的光。
14. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任一項的光收集器設(shè)備（100)的溫室（2300)，其 中收集器設(shè)備（100 )被配置成經(jīng)由光出射邊緣部分（13 )將光提供到溫室（2300 )中。
15. -種照明單元（2100)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任一項的光收集器設(shè)備（100)、 多個光源（2110)和可選地漫射器板，其中光源（2110)被配置成向光接收側(cè)（1010)提供光 源光（2111)，并且其中可選的漫射器板被配置在多個光源（2110)和光收集器設(shè)備（100)之 間。
【文檔編號】A01G9/24GK104302986SQ201380023994
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月7日
【發(fā)明者】E.P.布內(nèi)坎普, R.G.尼坎普 申請人:皇家飛利浦有限公司