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    本發明係關於聚光集中器，其中藉由將吸收器/發射器置於微腔或光子晶體內所獲得之定向發射可針對3D或2D集中分別藉由巨觀集中器定向及聚集至一點或線。本文所揭示之聚光集中器可提供高集中比而無需追蹤，且可減少與習知集中器相關之再吸收損失。本發明進一步係關於光伏打電池及/或光偵測器裝置，其包含聚光集中器。本文所揭示之裝置及方法亦可用於例如太陽能、熱及熱光伏打應用中。
    公开号:TW201314939A
    申请号:TW101117153
    申请日:2012-05-14
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Stephen R Forrest；Noel C Giebink
    申请人:Univ Michigan；
    IPC主号:H01L31-00
    专利说明:
    聚光及熱輻射集中器
    本發明基本上係關於聚光集中器。本發明進一步係關於包含微腔之聚光集中器，該微腔包含可以定向方式吸收及發射能量之光敏材料。亦揭示利用聚光集中器將能量聚集至光敏元件上來發電之方法。本文所揭示之聚光集中器可用於例如光伏打及熱光伏打應用及裝置中。 相關申請案之交叉參考
    本申請案主張2011年5月13日申請之美國臨時申請案第61/485,896號之優先權，該案係以引用全文之方式併入本文。 聯邦資助研究之敘述
    本發明係在美國空軍科學研究辦公室(U.S.Air Force Office of Scientific Research)授權之FA 9550-07-10364下由美國政府支持完成。政府擁有本發明之特定權利。 共同研究協議
    本發明由大學-公司共同研究協議之以下成員中之一或多者代表及/或聯合完成：密西根大學(University of Michigan)及全球光子能量公司(Global Photonic Energy Corporation)。該協議在本發明完成當日及之前有效，且本發明係作為協議範圍內所進行之活動之結果。
    光電子裝置係基於材料之光學及電子性質以電子方式製造或偵測電磁輻射或自環境電磁輻射發電。
    光敏光電子裝置將電磁輻射轉化為電。太陽能電池，亦稱為光伏打(PV)電池，係專門用於發電之一類光敏光電子裝置。PV裝置可自除太陽光外的其他光源發電，可用於驅動耗電負載以提供例如發光、加熱，或對電子電路或對諸如計算機、無線電、電腦或是遠端監視或通訊設備之裝置供電。此等發電應用通常亦涉及對電池或其他能量儲存裝置充電，以使操作在無法獲得太陽直接照射或其他光源時可繼續進行，或平衡PV裝置之電力輸出與指定應用需求。如本文中所使用，術語「電阻性負載」係指任何耗電或蓄電電路、裝置、設備或系統。
    另一類光敏光電子裝置係光導體電池。就其功能而言，信號偵測電路系統監視裝置之電阻以偵測因光吸收導致之變化。
    另一類光敏光電子裝置係光偵測器。於操作時，光偵測器係與測量當光偵測器曝露於電磁輻射時所產生之電流之電流偵測電路連用且可具有施加之偏電壓。如本文所描述之偵測電路可對光偵測器提供偏電壓及測量光偵測器對電磁輻射之電子反應。
    此三類光敏光電子裝置可根據是否存在如下文所定義之整流接面及亦根據該裝置是否利用外部施加電壓(亦稱為偏壓或偏電壓)操作進行特徵化。光導體電池不具有整流接面且一般利用偏壓操作。PV裝置具有至少一整流接面且不利用偏壓操作。光偵測器具有至少一整流接面且一般但不一定利用偏壓操作。一般而言，光伏打電池對電路、裝置或設備提供電力，但不提供控制偵測電路系統之信號或電流或來自偵測電路系統之資訊輸出。相對地，光偵測器或光導體提供控制偵測電路系統之信號或電流，或來自偵測電路系統之資訊輸出，但不對電路系統、裝置或設備供電。
    傳統上而言，光敏光電子裝置係由許多無機半導體(例如，晶形、多晶形及非晶形矽、砷化鎵、碲化鎘及其他半導體構成。本文中術語「半導體」表示當藉由熱或電磁激發誘發電荷載子時可導電之材料。術語「光導」一般係關於吸收電磁輻射能量並藉此轉化成電荷載子之激發能以使該等載子可在材料中傳導(即傳輸)電荷之過程。術語「光導體」及「光導材料」在本文中係指針對其等吸收電磁輻射之性質選擇以產生電荷載子之半導體材料。
    PV裝置可藉由其等將入射太陽能轉化成有用電力之效率特徵化。利用晶形或非晶形矽之裝置係主要的商業應用，且一部分已達成23%或更高之效率。然而，高效晶形裝置，尤其係具有大表面積之晶形裝置係製造困難且昂貴的，此係因本質上無法製造大型晶體而不形成顯著效率劣化缺陷。另一方面，高效率非晶形矽裝置仍存在穩定性問題。現時市售非晶形矽電池具有介於4與8%之間之穩定效率。最近研究已致力於使用有機光伏打電池來達成可接受光伏打轉化效率及經濟的製造成本。
    PV裝置可進行最優化以獲得在標準發光條件(即，標準測試條件，其係1000 W/m2，AM1.5頻譜照明)下之最大發電，最大光電流與光電壓乘積。此電池在標準照明條件下之能量轉化效率係視以下三個參數而定：(1)0偏壓下之電流，即短路電流ISC，安培；(2)在開路條件下之光電壓，即，開路電壓VOC，伏特；及(3)填充因子，ff。
    當PV裝置跨負載連接及受光線照射時產生光生電流。當在無限負載下經照射時，PV裝置產生其最大可行電壓，V開路或VOC。當電接觸短路下經照射時，PV裝置產生其最大可行電流，I短路或ISC。當實際上用於發電時，PV裝置連接至有限電阻性負載及功率輸出等於電流與電壓之乘積，I×V。PV裝置所產生之最大總功率本質上不可能超過ISC×VOC之乘積。當使負載值最優化以獲得最大功率提取時，電流及電壓之值各別為I最大及V最大。
    PV裝置之優值係填充因子，ff，定義為：ff={I最大V最大}/{ISCVOC} (1)其中ff總小於1，係因在實際使用中無法同時獲得ISC及VOC。然而，隨著ff趨近1，裝置之串聯或內電阻減小及因此ISC與VOC之乘積在最優條件下對負載之百分比增大。當Pinc係在裝置上之入射功率時，裝置之功率效率γP可藉由下式計算：γP=ff ＊(ISC ＊VOC)/Pinc
    當適當能量之電磁輻射在半導體有機材料(例如，有機分子晶體(OMC)材料)或聚合物上入射時，光子可經吸收以產生激發分子態。此以符號表示為S0+hv ΨS0 ＊。此處S0及S0 ＊各別表示基態及激發分子態。此能量吸收係與電子自HOMO能階(可為B-鍵)之束縛態躍遷至LUMO能階(可為B＊-鍵)，或等同地，電洞自LUMO能階躍遷至HOMO能階關聯。於有機薄膜光導體中，據信所產生之分子態一般係激發子，即，束縛態之電子-電洞對，其係以準粒子形式傳輸。激發子在成對重組前可具有可觀的壽命，其中成對重組係指原電子與電洞彼此重組而非與來自其他對之電洞或電子重組的過程。為了製造光電流，一般使電子-電洞對在兩異種金屬接觸有機薄膜之間之供體-受體界面處分離。若電荷不分離，則其等可在成對重組過程中重組(亦稱為淬熄)，其係藉由發射能量較入射光低之光的輻射方式，或藉由產生熱之非輻射方式。在光敏光電子裝置中，不適宜發生此等結果中之任一者。
    電場或接觸處之不均一性可導致激發子淬熄而非在供體-受體界面處解離，進而對電流無淨貢獻。因此，宜維持光生激發子遠離該等接觸。此做法具有限制激發子擴散至接面附近區域之作用以使相關電場以更大機率分離因接面附近之激發子解離而釋放之電荷載子。
    為了製造佔據大部分容積之內生電場，常見方法係並置具有適當選擇之導電性質之兩層材料，尤其係針對其等分子量子能態之分佈。此兩材料之界面稱為光伏打異質接面。於傳統半導體理論中，用於形成PV異質接面之材料一般係以n或p型表示。此處，n-型表示多數載子類型係電子。此情況可視為材料具有許多處於相對自由能態之電子。p-型表示多數載子類型係電洞。此等材料具有許多處於相對自由能態之電洞。背景(即非光生)多數載子濃度之類型主要係由非有意以缺陷或雜質摻雜決定。雜質之類型及濃度決定最高佔用分子軌道(HOMO)能階與最低未佔用分子軌道(LUMO)能階之間之能隙(稱為HOMO-LUMO能隙)內之費米(Fermi)能量或能階之值。費米能量將由能量值表示之分子量子能態之統計學佔用特徵化，就此而言，佔用概率等於1/2。接近LUMO能階之費米能量說明電子係主要載子。接近HOMO能階之費米能量說明電洞係主要載子。因此，費米能量係傳統半導體之主要特徵化性質且原型PV異質接面傳統上係p-n界面。
    術語「整流」表示(尤其)界面具有非對稱導電特性，即，該界面較佳以一個方向支援電子電荷傳輸。整流一般係與發生於適當選擇材料之間之異質接面處之內建電場有關。
    如本文中所使用，及熟習本項技術者所一般理解，若第一能階較靠近真空能階，則第一「最高佔用分子軌道」(HOMO)或「最低未佔用分子軌道」(LUMO)能階係「大於」或「高於」第二HOMO或LUMO能階。由於係以相對真空能階之負能量測量離子化電位(IP)，故較高HOMO能階對應於具有較小絕對值之IP(即，較小負值之IP)。類似地，較高LUMO能階係對應於具有較小絕對值之電子親和性(EA)(較小負值之EA)。於習知能階圖上，真空能階在頂部，材料之LUMO能階係高於相同材料之HOMO能階。「較高」HOMO或LUMO能階比「較低」HOMO或LUMO能階更靠近此圖之頂部。
    就有機材料而言，術語「供體」及「受體」係指兩種接觸但不同的有機材料之HOMO與LUMO能階之相對位置。此與此等術語在無機物方面中的含義不同，在無機物方面，「供體」及「受體」可係指可各別用於形成無機n-及p-型層之摻雜劑之類型。就有機物而言，若與另一種材料接觸之一種材料的LUMO能階較低，則該材料係受體。否則，其為供體。當不存在外部偏壓時，能量上有利於供體-受體接面處之電子遷移至受體材料中，及電洞遷移至供體材料中。
    有機半導體中之重要性質係載子遷移率。遷移率測量電荷載子回應電場可遷移通過導電材料之輕易程度。就有機光敏裝置而言，包含因高電子遷移率而優先由電子傳導之材料之層可稱為電子傳輸層，或ETL。包含因高電洞遷移率而優先由電洞傳導之材料之層稱為電洞傳輸層，或HTL。受體材料較佳(但不必)係ETL，及供體材料係HTL。
    習知無機半導體PV電池採用p-n接面建立內場。早期有機薄膜電池(如Tang,Appl.Phys Lett.48，183(1986)所提出者)含有類似於習知無機PV電池中所採用之異質接面。然而，現時認識到，除建立p-n型接面外，異質接面之能階偏移亦具有重要作用。
    據信由於有機材料中光生過程之基本屬性，有機D-A異質接面處之能階偏移對有機PV裝置之運作甚為重要。當有機材料發生光激發時，會產生局部弗侖克爾(Frenkel)或電荷-轉移激發子。就待發生之電偵測或電流產生而言，應使束縛激發子解離成其等構成性電子及電洞。此過程可藉由內建電場誘發，但在有機裝置中一般發現之電場(F~106 V/cm)處的效率甚低。於有機材料中之最有效的激發子解離發生在供體-受體(D-A)界面處。於此界面處，具有較低離子化電位之供體材料與具有高電子親和性之受體材料形成異質接面。取決於供體與受體材料之能階之排列，激發子解離可在此界面處變為能量上有利，形成在受體材料中之自由電子極化子及在供體材料中之自由電洞極化子。
    當與傳統矽型裝置對比時，有機PV電池具有許多潛在優點。有機PV電池重量輕，材料使用經濟且可佈置於諸如可撓性塑膠箔片之低成本基板上。然而，有機PV裝置一般具有相對低量子產率(所吸收之光子對所產生之載子對之比，或電磁輻射-電轉化效率)，為約1%或更小。據信，此結果部分係由於本質光導過程之第二級屬性引起。即，載子產生需求激發子產生、擴散及離子化或收集。效率γ係與此等過程中之各者相關。下標使用如下：P為功率效率，EXT為外部量子效率，A為光子吸收，ED為擴散，CC為收集，及INT為內部量子效率。使用此表示法：γP~γEXT=γA *γED *γCC
    γEXT=γA *γINT
    激發子之擴散長度(LD)(LD~50△)一般遠小於光吸收長度(~500△)，需要在使用具有多個或高摺疊界面之厚(因此具電阻性)電池或具有低光吸收效率之薄電池之間進行折衷。
    已採取提高效率之不同方法，包括使用經摻雜之有機單晶體、共軛聚合物摻合物及使用具有增大之激發子擴散長度之材料。由於引入供體/受體(DA)異質接面，有機PV電池之功率轉化效率已穩步提高。已報導纏繞或「塊體異質接面」結構之改良，其中DA界面係位於光吸收位置之激發子擴散長度(~10 nm)內。然而，此等非晶形摻合物之高串聯電阻限制活性層厚度，潛在地導致低填充因子及降低之光吸收，及進而導致低太陽能轉化效率。
    光伏打裝置之效率可藉由使用光集中器提高。光集中器一般使用反射鏡、反射透鏡及/或折射透鏡來將光能聚集於PV電池上。由於光學材料一般較PV電池中所使用之材料廉價，故集中器之使用可降低整體製造及維護成本，及亦可容許使用較少量特別高效但昂貴之PV電池材料。
    集中比(CR)係集中透鏡或鏡之面積對曝露於入射輻射之PV電池之面積之比：CR=AConc/APV。集中一般係由光學件之品質及集中器將太陽光聚集於PV電池表面上之能力限制。擴散或散射太陽光一般不如直射太陽光有用，係因擴散輻射係以各種角度到達集中器，其無法耦合至電池。集中器應指向太陽以將直射光最大程度地集中於PV電池上。習知光集中器具有數個缺點。例如，為了達成高太陽光集中比(CR>10)，光集中器常需求昂貴的追蹤系統以維持太陽光法向入射。此外，用於集中光之透鏡及/或鏡亦會產熱，且常需要冷卻以維持PV裝置之效率。冷卻要求會產生額外製造及維護成本，及非所希望的複雜性及/或後勤問題。
    已發展非追蹤集中器，包括發光集中器(LSC)，其藉由使用波導吸收及定向再發射能量。Currie等人(Science，2008，vol.321，pp.226-228)揭示有機太陽光集中器裝置，其包含佈置於與太陽能電池連接之高折射率玻璃基板上之有機染料。然而，LSC之效率受波導層中之再吸收及散射損失限制，其等可造成低集中比(CR<10)。習知LSC之實例顯示於圖1中。
    本技藝仍需求以相對低成本及無需冷卻達成高CR之非追蹤光集中器。為了解決上文提出之此及其他問題，本發明者已發現，可藉由(如)使用包圍微腔、光柵或光子晶體獲得高定向再發射能量及藉由聚光集中器(FLSC)聚集該高定向能量。
    因此，揭示一種用於聚集能量之聚光集中器(FLSC)。於一實施例中，包含微腔之FLSC包含：頂部半透明鏡；底部半透明鏡；及位於頂部與底部半透明鏡之間之光敏材料，其中該光敏材料自微腔吸收及以定向方式再發射能量，例如在該微腔中，再發射能量經聚集於至少一光敏元件上。
    於一實施例中，該微腔包含具有至少一焦點之形狀，如圓柱/球或橢圓形，及所發射之能量經聚集於位於該形狀內之至少一焦點處之至少一光敏元件上。
    於另一實施例中，該微腔係平坦的且FLSC進一步包含位於微腔與至少一光敏元件之間之菲涅耳(Fresnel)透鏡以將發射之能量聚集於該至少一光敏元件上。該FLSC可係非追蹤FLSC。
    將理解，該光敏材料可降頻轉化所吸收之能量，因此再發射之能量較吸收之能量低。
    於一實施例中，該光敏材料包含螢光染料或螢光染料之混合物。
    於一實施例中，頂部半透明鏡及底部半透明鏡包含分佈式布拉格(Bragg)反射器(DBR)。將理解，頂部DBR、底部DBR或兩者可彼此獨立地經調諧以吸收及發射特定能量波長或波長範圍。
    微腔之光敏材料可包含諸如光子晶體或金屬奈米粒子之各種材料。
    亦揭示一種發電方法，其利用如本文中所描述之聚光集中器(FLSC)將光能聚集於至少一光敏元件上。
    於一實施例中，該方法包含：˙將該FLSC曝露於光能以使能量進入該微腔通過頂部半透明鏡並為光敏材料吸收；˙經由底部半透明鏡發射能量；及˙將所發射之能量聚集於至少一光敏元件上。
    除上文所論述之主要內容外，本發明亦包含許多其他示例性特徵，如下文將詮釋之彼等內容。應理解，以上敘述及以下敘述僅係示例性。
    本發明係關於聚光集中器(FLSC)。本發明揭示之FLSC可用於各種不同的光伏打及熱光伏打裝置及應用中，如光伏打(PV)電池、太陽能電池、光伏打偵測器、熱光伏打電池，及電及/或熱之製造/產生。
    本發明揭示之FLSC之實施例可包含可修改或定向入射輻射之發射模式之微腔。
    於一些實施例中，微腔包含頂部半透明鏡、底部半透明鏡及位於該頂部與底部半透明鏡之間之至少一種光敏材料。如本文中所使用，術語「半透明」意指至少部分透光。根據本發明之半透明鏡可具有介於極弱與極強之間之反射率，其中反射率(R)定義為入射光對反射光之比：R=(Ri/Rref)。強反射鏡具有接近1之反射率值。半透明鏡可包含至少一種介電材料，如氧化矽(SiOx，玻璃)、氧化鈦(TiOx)、氮化矽(SiNx)、TeO2、LiF、其他無機介電材料、聚合物、蒸發小分子及其等組合。
    於本發明之一些實施例中，半透明鏡中之至少一者包含分佈式布拉格反射器(DBR)。DBR係可以交替順序包含不同光學材料層之光學結構。輻射在彼等材料間之界面處之建設性或破壞性干涉有助於DBR之特性反射率。圖2A及2B顯示根據本發明之DBR之實例。此等DBR之非限制性實例可經調諧以吸收及/或發射特定波長或波長範圍之光，如電磁頻譜中之紫外、可見及/或紅外區域波長。
    於本發明之一些實施例中，頂部及底部DBR可彼此獨立地經調諧，以吸收及/或發射介於350 nm至1.50 μm，如400 nm至1.30 μm，400 nm至1.25 μm，400 nm至1.20 μm，410 nm至1.30 μm，410 nm至1.25 μm或410 nm至1.20 μm之間之光波長。於至少一實施例中，頂部DBR可經調諧以吸收介於400 nm至1.20 μm之間之波長及發射介於410 nm至1.30 μm之間之波長。於至少一實施例中，底部DBR可經調諧以吸收介於400 nm至1.20 μm之間之波長及發射介於410 nm至1.30 μm之間之波長。於特定實施例中，頂部DBR及底部DBR同時經調諧以吸收400 nm至1.20 μm之間之波長及發射介於410 nm至1.30 μm之間之波長。應注意，熟習本項技術者可根據本發明列出其他範圍。
    於一些實施例中，光敏材料可吸收入射輻射及將所吸收之輻射降頻轉化為較低能量用於自微腔定向發射。如本文中所使用，「降頻轉化」或其任何形式係指將電磁能量轉化為較低能量或較長波長之能力。
    於其他實施例中，光敏材料可吸收入射輻射並將所吸收之輻射升頻轉化為較高能量用於自微腔定向發射。如本文中所使用，「升頻轉化」或其任何形式係指將電磁能量轉化為較高能量或較短波長之能力。例如，光敏材料可將可見光外之波長(例如，λ>700 nm)轉化為可見範圍內(約400 nmλ700 nm)。升頻轉化可以例如光子能量組合之方式發生。
    於本發明之一些實施例中，微腔包含光子晶體。該光子晶體可包含例如介電材料，其中晶體之晶格常數約為光波長。光子晶體一般係藉由光子能帶隙(PBG)特徵化，光子能帶隙容許指定波長或波長範圍透射而排除其他波長或波長範圍之透射。
    根據本發明之光子晶體可具有一維(1-D)、二維(2-D)及/或三維(3-D)結構形式，且可係天然及/或人造的。於一些實施例中，光子晶體包含介電材料，如氧化矽(SiOx，玻璃)、氧化鈦(TiOx)、氮化矽(SiNx)、其他無機介電材料、聚合物、及其等組合。
    光子晶體可進一步包含至少一種摻雜於光子晶體之晶格中之光敏材料。
    於其他實施例中，微腔包含頂部DBR、底部DBR及位於頂部與底部DBR之間之至少一種光敏材料，其中DBR中之至少一者包含光子晶體。
    本發明之光敏材料可具有螢光及/或磷光性質。於一些實施例中，光敏材料包含至少一種有機化合物，如花青染料、卟啉、卟吩、玫紅(rhodamine)、聯吡啶、苝、方酸菁(squarines)。於至少一實施例中，光敏材料包含有機染料，如螢光有機染料分子。於另一實施例中，光敏材料包含有機染料混合物，如包含至少一種螢光有機染料之有機染料混合物。非限制性實例包括4-(二氰基亞甲基)-2-第三丁基-6-(1,1,7,7-四甲基久洛啶-9-烯基)-4H-哌喃(DCJTB)、四苯基四苯并卟啉鉑(Pt(TPBP))、2,3,7,8,12,13,17,18-八乙基-21H,23H-卟吩鉑(II)(PtOEP)、2-甲基-6-[2-(2,3,6,7-四氫-1H,5H-苯并[ij]喹嗪-9-基)乙烯基]-4H-哌喃-4-亞基】丙烷-二腈(DCM2)。本技藝一般技術者將瞭解，其他螢光及/或磷光化合物亦可適宜用於本發明所揭示之聚光集中器。
    於一些實施例中，光敏材料包含至少一種無機化合物，如膠體量子點(PbS、PbSe、CdSe、Si)。亦涵蓋包含有機與無機化合物之混合物之光敏材料，如摻雜於無機基質中之稀土金屬離子。
    本發明所揭示之聚光集中器之微腔可係平坦的，例如，或可形成巨觀曲率。於至少一實施例中，該微腔包含具有至少1個焦點之形狀，如圓柱形/球形。參見例如圖4。於至少一實施例中，微腔包含具有至少2個焦點之形狀，如橢圓形。參見例如圖5。本發明之特定實施例中可包括平坦或形成巨觀曲率之微腔陣列。亦涵蓋微腔之組合。
    聚光集中器可進一步包含至少一菲涅耳透鏡。例如，菲涅耳透鏡可位於微腔與至少一光敏元件之間以將自微腔發射之能量聚集於該至少一光敏元件上。菲涅耳透鏡可包含硬及/或可撓材料，如各類塑膠材料。
    微腔可包含二維或三維金屬奈米粒子，光敏材料摻雜於該等奈米粒子之間。此等結構類似於光子晶體般作用，修改發射器之輻射衰減路徑及建立定向發射。奈米粒子可包含單種金屬或金屬合金。於一實施例中，奈米粒子可規則排列，如成行或列之陣列。
    於一實施例中，微腔可包含光柵。光柵可依一或二維圖案化及可具有多個週期。特定言之，準晶體圖案可用於增大傅立葉(Fourier)空間中光柵之方位角對稱性。
    於另一實施例中，聚光集中器包含消散耦合雙層，其包含一低折射率層及一發射層。本發明之發射層可具有螢光及/或磷光性質。於一些實施例中，發射層包含至少一種有機化合物，如花青染料、卟啉、卟吩、玫紅、聯吡啶、苝、方酸菁。於一實施例中，發射層包含有機染料，如螢光有機染料分子。於另一實施例中，光敏材料包含有機染料之混合物，如包含至少一種螢光有機染料之有機染料混合物。有機染料之非限制性實例包括4-(二氰基亞甲基)-2-第三丁基-6-(1,1,7,7-四甲基久洛啶-9-烯基)-4H-哌喃(DCJTB)、四苯基四苯并卟啉鉑(Pt(TPBP))、2,3,7,8,12,13,17,18-八乙基-21H,23H-卟吩鉑(II)(PtOEP)、2-甲基-6-[2-(2,3,6,7-四氫-1H,5H-苯并[ij]喹嗪-9-基)乙烯基-4H-哌喃-4-亞基]丙烷-二腈(DCM2)。於至少一實施例中，發射層包含諸如聚(9,9-二正辛基茀-交替-苯并噻二唑)(F8BT)之聚合物。低折射率層可藉由例如使用在Giebink等人(Applied Physics Letters，2011，vol.98，iss.8，art.081103)中所描述之犧牲成孔劑方法形成。
    建立定向發射之另一方法係使用具有介於1與100微米之間之尺寸之染料摻雜微球。可擷取射入回音廊模式中之光以產生高定向發射。
    聚光集中器可藉由將光能聚集於至少一光敏元件上而用於發電。光敏元件可包括例如光伏打電池，如太陽能電池，如有機太陽能電池。本發明之光伏打電池包括例如美國專利案第6,451,415號(「Organic Photosensitive Optoelectronic Device with an Exciton Blocking Layer」)、第6,657,378號(「Organic Photovoltaic Devices」)、美國專利案第7,179,543號(「Doping of Organic Opto-Electronic Devices to Extend Reliability」)，所有該等案係以引用之方式併入本文。
    於一些實施例中，於包含聚光集中器之微腔之至少一個焦點上佈置有至少一光敏元件。於一些實施例中，於該至少一個焦點上佈置有多個光敏元件，如光敏元件之陣列。於一些實施例中，例如，微腔包含具有一個焦點之球形/圓柱形，及定位在該至少一個焦點上之至少一光敏元件。於其他實施例中，微腔包含具有兩個焦點之橢圓形，其中至少一光敏元件定位於該兩個焦點中之一或兩者上。
    該至少一光敏元件可連接至少一光偵測器，如諧振光偵測器或光偵測器陣列。該光偵測器可包括例如有機光偵測器。
    本發明揭示之聚光集中器亦可用於熱應用。例如，藉由微腔或光子晶體定向之黑體發射可經聚集用於太陽能、熱或熱光伏打應用。
    亦揭示一種藉由本文中所描述之聚光集中器(FLSC)將光能聚集於至少一光敏元件來發電之方法。
    於一實施例中，該方法包含：˙將FLSC曝露於光能以使能量通過頂部半透明鏡進入微腔以為光敏材料所吸收；˙通過底部半透明鏡發射能量；及˙將所發射之能量聚集於至少一光敏元件上。
    於另一實施例中，本文中所描述之方法包含藉由光敏材料降頻轉化所吸收之能量以使再發射之能量較所吸收之能量低。
    本文中所描述之發電方法使用具有一個焦點之圓柱形/球形之FLSC，及至少一光敏元件係位於該焦點上。於另一實施例中，FLSC微腔呈具有兩個焦點之橢圓形，且至少一光敏元件位於各焦點上。
    於另一實施例中，本文中所描述之方法可包含將至少一諧振光偵測器連接至該至少一光敏元件。本文中所揭示之方法可進一步包含串聯堆疊及連接至至少一光敏元件之至少兩個諧振光偵測器。
    如上所述，所發射之能量可為熱能或太陽能，及光敏元件可包括太陽能電池。 實例
    本發明可藉由參照以下示例性實施例及工作實例之詳細論述而得以更輕易理解。將理解，熟習本項技術者在閱讀本說明書所揭示之論述及實例時將知曉其他實施例。 實例1
    圖4顯示針對圓柱形/球形聚光集中器模擬之微腔發射剖面圖。模擬係利用插圖中所顯示之微腔發射剖面圖實施，該微腔發射剖面圖係利用H.Benisty,J.Opt.Soc.Am.A,15,1192(1998)中所描述之傳遞矩陣及源項方法產生。發射剖面隨後向前傳播及計算在空間各點處之強度。如圖4中所示，1-D及2-D集中比為CR1D~6及CR2D~36。 實例2
    圖5顯示針對橢圓形聚光集中器模擬之微腔發射剖面圖。模擬係如實例1中所描述般實施。1-D及2-D集中比為CR1D~10及CR2D~100。 實例3
    圖6顯示根據本發明之微腔模擬。圖6顯示，一發射層由兩平坦分佈式布拉格發射器鏡夾持，該等分佈式布拉格反射器鏡係各別由具有低及高折射率n=1.5(SiO2)及n=2.2(TiO2)之四分之一波堆疊組成。或者，亦可將雙層消散耦合腔組態用於產生高定向發射。
    除非另外說明，否則在說明書及申請專利範圍中所使用之表示成分量、反應條件及類似者之量之所有數字理解為均藉由術語「約」修飾。因此，除非另外說明，否則以上說明書及附接申請專利範圍中所描述之數字參數係近似值，其可視本發明尋求獲得之所需性質變化。
    熟習本項技術者將藉由對本文中所揭示之說明書之考量及本發明之實施而知曉其他本發明實施例。說明書及實施例僅視為示例性內容，本發明之真實範圍及精神係由以下申請專利範圍指出。
    附圖併入及構成本說明書之一部分。
    圖1係習知光集中器之示意圖。
    圖2A及2B顯示包含分佈式布拉格反射器(DBR)之聚光集中器之示意圖。
    圖3係具有菲涅耳透鏡之平坦聚光集中器之示意圖。
    圖4係圓柱形/球形聚光集中器之示意圖。亦顯示針對圓柱形/球形聚光集中器所模擬之微腔發射剖面圖及焦點平面強度剖面圖。
    圖5係橢圓形聚光集中器之示意圖。亦顯示針對圓柱形/球形聚光集中器所模擬之微腔發射剖面圖及焦點平面強度剖面圖。
    圖6係具有菲涅耳透鏡之平坦聚光集中器之示意圖。亦顯示針對圓柱形/球形聚光集中器所模擬之微腔發射剖面圖。
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種用於聚集能量之聚光集中器(FLSC)，該FLSC包含微腔，該微腔包含：頂部半透明鏡；底部半透明鏡；及位於該頂部與底部半透明鏡之間之光敏材料；該光敏材料自該微腔吸收及以定向方式再發射能量。
    [2] 如請求項1之FLSC，其中該經再發射之能量係聚集於至少一光敏元件上。
    [3] 如請求項2之FLSC，其中該微腔包含具有至少一個焦點之形狀，及該經再發射之能量係經聚集於位於該至少一個焦點之該至少一光敏元件上。
    [4] 如請求項3之FLSC，其中該微腔具有圓柱形/球形或橢圓形。
    [5] 如請求項2之FLSC，其中該微腔係平坦的；該FLSC進一步包含位於該微腔與該至少一光敏元件之間之菲涅耳(Fresnel)透鏡，以將所發射之能量聚集於該至少一光敏元件上。
    [6] 如請求項1之FLSC，其中該光敏材料可降頻轉化所吸收之能量，以使再發射之能量較所吸收之能量低。
    [7] 如請求項1之FLSC，其中該光敏材料包含螢光染料。
    [8] 如請求項1之FLSC，其中該光敏材料包含螢光染料之混合物。
    [9] 如請求項1之FLSC，其中該頂部半透明鏡及該底部半透明鏡中之至少一者包含分佈式布拉格(Bragg)反射器(DBR)。
    [10] 如請求項9之FLSC，其中當該頂部及底部半透明鏡兩者均包含DBR時，該頂部DBR、該底部DBR或兩者彼此獨立地經調諧，以吸收及發射特定能量波長或波長範圍。
    [11] 如請求項10之FLSC，其中該頂部DBR係經調諧以吸收介於400 nm至1.2 μm之間之波長，及發射介於410 nm至1.3 μm之間之波長。
    [12] 如請求項10之FLSC，其中該底部DBR係經調諧以吸收介於400 nm至1.2 μm之間之波長，及發射介於410 nm至1.3 μm之間之波長。
    [13] 如請求項1之FLSC，其中該微腔包含光子晶體，其包含該光敏材料。
    [14] 如請求項1之FLSC，其中該微腔包含金屬奈米粒子，其包含該光敏材料。
    [15] 如請求項1之FLSC，其中該FLSC係非追蹤性。
    [16] 如請求項1之FLSC，其中該經吸收及再發射之能量包括熱能。
    [17] 一種發電之方法，其係藉由利用聚光集中器(FLSC)將光能聚集於至少一光敏元件上，該FLSC包含微腔，該微腔包含：頂部半透明鏡；底部半透明鏡；及位於該頂部半透明鏡與底部半透明鏡之間之光敏材料；該方法包含以下步驟：i)將該FLSC曝露於光能，以使能量經由該頂部半透明鏡進入該微腔而為該光敏材料所吸收；ii)經由該底部半透明鏡發射能量；及iii)將所發射之能量聚集於至少一光敏元件上。
    [18] 如請求項17之方法，其中將至少一諧振光偵測器連接至該至少一光敏元件。
    [19] 如請求項17之方法，其中該能量係太陽能及該光敏元件係太陽能電池。
    [20] 如請求項19之方法，其中該太陽能電池係有機太陽能電池及該光敏元件係有機光敏元件。
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