高性能的近红外采集透明发光太阳能聚光器

高性能的近红外采集透明发光太阳能聚光器
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年1月20日提交的申请号为62/963,455的美国临时申请的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。政府支持
2.本发明是在国家科学基金会授予的1702591的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
3.本公开涉及透明发光太阳能聚光器。


背景技术：

4.本节提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
5.将太阳能采集系统结合到建筑中，包括建筑围护结构、车窗和面板以及电子显示器，提供了一种利用可再生太阳能的实用方法。在建筑中广泛采用太阳能采集系统；然而，由于成本、建筑阻抗以及最重要的美学因素，在建筑上和建筑周围安装传统太阳能模块的困难严重阻碍了太阳能采集系统的应用。
6.包括透明lscs(tlscs)在内的发光太阳能聚光器(“lscs”)的概念是已知的，并且随着磷光和荧光发光体效率的最新进展，lsc系统的效率已提高到7.1％。虽然光的光学漏斗将整个系统的转换效率限制在10％以下(无lsc堆叠)，但它可以显著减少所需的昂贵太阳能电池的面积，从而降低整体安装成本，并提高发电量与太阳能电池表面积的比率。由于玻璃和房地产的高成本分别影响了组件和系统成本的平衡，因此此类lscs很少在太阳能发电厂的实践中采用，尽管其性能和低组件成本的潜力不断提高。此外，人们对将lscs用作建筑物和车辆的窗户以及电子设备的显示器已经表现出兴趣。迄今为止；然而，其中许多系统仅限于光谱可见部分的吸收和发射(发光)，阻碍了此类设备的广泛采用。例如，窗户的目的是提供自然光和视野，大多数人不喜欢在有色玻璃后面工作。因此，需要高水平的无色透明度的普遍采用。
7.lscs的性能可以通过组件效率来理解：发光体光致发光效率(量子产率)、太阳光谱吸收效率、波导(俘获)效率、太阳能电池效率和传输(再吸收)效率。最高性能的lscs利用磷光有机分子或多种荧光团的混合物(如量子点或有机染料)，以减少再吸收(斯托克斯位移)损失并提高整个光谱的整体吸收效率。报导的一些最高效率(6-7％)是针对相对较小的板(小于0.1m2)，因为较大的lscs尺寸会遭受大量的再吸收损失，从而将效率限制在5％以下。
8.人们早已认识到lscs最受再吸收损失的限制，特别是对于较大的板尺寸。事实上，lsc的研究集中在通过增加有机磷光体的斯托克斯位移来减少这些再吸收损失，通过多种染料优化以人为地增加斯托克斯位移或共振位移，仅适用于厚度小于几微米的纯膜染料层。
9.先前构建透明太阳能采集架构的努力集中在(1)通常具有严重着色，或有限透射，或在效率和透明度之间具有内在权衡的半透明薄膜光伏，(2)包含在可见光中吸收或发射的有色发色团的lscs，(3)使用仅收集直射光并需要太阳跟踪的波长相关光学器件的光学系统，或(4)具有不可接受的雾度水平。由于美学特性、体积庞大或相当有限的透明度，所有这些方法在窗户应用中的潜力都受到严重限制。这些方法在功率转换效率(pce)和可见透明度(vt)之间存在内在权衡，因为这两个参数不能在常规设备中同时优化。典型的有机光伏(pv)在可见光谱内具有峰值吸收，进一步阻碍了建筑的采用，导致显色指数(cri)差、着色高和自然照明质量差。因此，仍然需要开发提供自然、无色光的高效、高性能的tlscs。


技术实现要素：

10.本节提供了本公开的一般概述，而不是对其全部范围或所有特征的全面公开。
11.本技术提供了高性能的近红外采集透明发光太阳能聚光器。
12.在各个方面，本技术提供了一种透明发光太阳能聚光器(tlsc)，其包括发光体和引导从发光体发射的光的波导，其中，tlsc具有大于或等于约1的光利用效率(lue)。
13.在一个方面，在垂直入射到波导时，tlsc具有大于或等于约50％的平均可见光透射率(avt)和大于或等于约80的显色指数(cri)。
14.在一个方面，tlsc具有大于或等于约1％的功率转换效率(pce)和小于或等于约25的|b
*
|值。
15.在一个方面，tlsc具有大于或等于约60％的平均可见光透射率(avt)。
16.在一个方面，发光体被嵌入波导内，直接被设置在波导上，或被提供在设置在波导上的膜中。
17.在一个方面，tlsc还包括光伏组件，其可操作地耦合到波导。
18.在一个方面，发光体具有大于或等于约650nm的最强的最大吸光度和最强的峰值发射。
19.在一个方面，tlsc具有小于或等于约10％的雾度。
20.在一个方面，发光体是非富勒烯受体、硼-二吡咯亚甲基(bodipy)或它们的组合。
21.在一个方面，发光体是非富勒烯受体，非富勒烯受体为2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2
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[0022]
在一个方面，tlsc进一步包括第二发光体和第二波导，第二波导引导从第二发光体发射的光，其中第二波导定位成与波导相邻，使得波导接收通过第二波导传输的光，并且其中波导和第二波导由填充有空气或填充有可视透明材料的间隙隔开。
[0023]
在一个方面，可视透明材料具有小于或等于约1.3的折射率(n)。
[0024]
在一个方面，第二发光体具有大于或等于约50％的量子产率(qy)。
[0025]
在一个方面，第二发光体具有小于或等于约450nm的最强的最大吸光度和大于或等于约650nm的最强的峰值发射。
[0026]
在一个方面，第二发光体包括纳米团簇。
[0027]
在一个方面，波导和第二波导被配置为使得入射光首先穿过第二波导，然后穿过第一波导。
[0028]
在各个方面，本技术还提供了一种透明发光太阳能聚光器(tlsc)，包括发光体和引导从发光体发射的光的波导，其中，tlsc具有大于或等于约1％的功率转换效率(pce)和具有小于或等于约25的|b
*
|值。
[0029]
在一个方面，在垂直入射到波导时，tlsc具有大于或等于约50％的平均可见光透射率和大于或等于约80的显色指数(cri)。
[0030]
在一个方面，tlsc具有大于或等于约1的光利用效率(lue)。
[0031]
在一个方面，tlsc具有大于或等于约50％的平均可见光透射率(avt)。
[0032]
在一个方面，发光体被嵌入波导内，直接被设置在波导上，或被提供在设置在波导上的膜中。
[0033]
在一个方面，tlsc进一步包括光伏组件，其可操作地耦合到波导。
[0034]
在一个方面，发光体在大于或等于约650nm处具有最大吸光度和最强峰值发射。
[0035]
在一个方面，tlsc具有小于或等于约10％的雾度。
[0036]
在一个方面，发光体为非富勒烯受体、硼-二吡咯亚甲基(bodipy)或它们的组合。
[0037]
在一个方面，发光体为非富勒烯受体，非富勒烯受体为coi8dfic、3,9-双(2-亚甲基-(3-(1,1-二氰基亚甲基)-茚满酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩)(itic)、2,2'-[[4,4,9,9-四(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩并-2,7-二基]双[[4-[(2-乙基己基)氧基]-5,2-噻吩二基]亚甲基(5,6-二氟-3-氧代-1h-茚-2,1(3h)-二亚甲基)]]双[丙二腈](ieico-4f)、或它们的组合。
[0038]
在一个方面，tlsc进一步包括第二发光体以及第二波导，第二波导引导从第二发光体发射的光，其中，第二波导定位成与波导相邻，使得波导接收通过第二波导传输的光，并且其中波导和第二波导由填充有空气或填充有可视透明材料的间隙隔开。
[0039]
在一个方面，可视透明材料具有小于或等于约1.3的折射率(n)。
[0040]
在一个方面，第二发光体具有大于或等于约50％的量子产率(qy)。
[0041]
在一个方面，第二发光体在小于或等于约450nm处具有最强的最大吸光度和大于或等于约650nm处具有最强的峰值发射。
[0042]
在一个方面，第二发光体包括纳米团簇。
[0043]
在一个方面，波导和第二波导被配置为使得入射光首先穿过第二波导，然后穿过第一波导。
[0044]
在各个方面，本技术还提供了一种透明发光太阳能聚光器(tlsc)，包括发光体，该发光体包括聚噻吩，其同时具有在大于或等于约650nm处的最强的最大吸光度和最强的峰值发射，以及引导从发光体发射的光的波导。
[0045]
在一个方面，在垂直入射到波导时，tlsc具有大于或等于约1的光利用效率(lue)、大于或等于约50％的平均可见光透射率(avt)和大于或等于约80的显色指数(cri)。
[0046]
在一个方面，tlsc具有大于或等于约1％的功率转换效率(pce)和小于或等于约25的|b
*
|值。
[0047]
在一个方面，发光体被嵌入波导内，直接被设置在波导上，或被提供在设置在波导上的膜中。
[0048]
在一个方面，tlsc进一步包括光伏组件，其可操作地耦合到波导。
[0049]
在一个方面，tlsc具有小于或等于约10％的雾度。
[0050]
在一个方面，聚噻吩为2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2
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[0051]
在一个方面，tlsc还包括包含硼-二吡咯亚甲基(bodipy)的第二发光体，其在大于或等于约650nm处同时具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射，其中，波导引导从发光体和第二发光体发射的光。
[0052]
在一个方面，tlsc进一步包括第二发光体和第二波导，该第二波导引导从第二发光体发射的光，其中第二波导定位成与波导相邻，使得波导接收通过第二波导传输的光，并且其中波导和第二波导由空气层或包括可视透明材料的层隔开。
[0053]
在一个方面，可视透明材料具有小于或等于约1.3的折射率(n)。
[0054]
在一个方面，第二发光体具有大于或等于约50％的量子产率(qy)。
[0055]
在一个方面，第二发光体在小于或等于约450nm处具有最强的最大吸光度和在大于或等于约650nm处具有最强的峰值发射。
[0056]
在一个方面，第二发光体包括纳米团簇。
[0057]
在一个方面，波导和第二波导被配置为使得入射光首先穿过第二波导，然后穿过第一波导。
[0058]
在一个方面，tlsc进一步包括包含硼-二吡咯亚甲基(bodipy)的第三发光体，其在大于或等于约650nm处同时具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射，其中，波导引导从发光体和第三发光体发射的光。
[0059]
在某些方面，本技术提供了一种透明发光太阳能聚光器(tlsc)，包括发光体，该发光体包含硼-二吡咯亚甲基(bodipy)，其在大于或等于约650nm处具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射，以及引导从发光体发射的光的波导。
[0060]
在一个方面，在垂直入射到波导时，tlsc具有大于或等于约1的光利用效率(lue)、大于或等于约50％的平均可见光透射率(avt)和大于或等于约80的显色指数(cri)。
[0061]
在一个方面，tlsc具有大于或等于约1％的功率转换效率(pce)和小于或等于约25的|b
*
|值。
[0062]
在一个方面，发光体被嵌入波导内，直接被设置在波导上，或被提供在设置在波导上的膜中。
[0063]
在一个方面，tlsc进一步包括光伏组件，其可操作地耦合到波导。
[0064]
在一个方面，tlsc具有小于或等于约10％的雾度。
[0065]
在一个方面，tlsc进一步包括第二发光体，该第二发光体包含聚噻吩，其在大于或等于约650nm处同时具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射，其中，聚噻吩为2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2
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[0066]
在一个方面，tlsc进一步包括第二发光体和第二波导，该第二波导引导从第二发光体发射的光，其中第二波导定位成与波导相邻，使得波导接收通过第二波导传输的光，并且其中波导和第二波导由空气层或包含可视透明材料的层隔开。
[0067]
在一个方面，可视透明材料具有小于或等于约1.3的折射率(n)。
[0068]
在一个方面，第二发光体具有大于或等于约50％的量子产率(qy)。
[0069]
在一个方面，第二发光体在小于或等于约450nm处具有最强的最大吸光度和在大于或等于约650nm处具有最强的峰值发射。
[0070]
在一个方面，第二发光体包括纳米团簇。
[0071]
在一个方面，波导和第二波导被配置为使得入射光首先穿过第二波导，然后穿过第一波导。
[0072]
在一个方面，tlsc进一步包括第三发光体，该第三发光体包含聚噻吩，其在大于或等于约650nm处同时具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射，其中，聚噻吩为2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2
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[0073]
在各个方面，本技术提供了一种透明发光太阳能聚光器(tlsc)，包括第一波导，其引导从第一发光体发射的光，第一波导具有第一光接收表面和相对的第一光透射表面；以及第二波导，其引导从第二发光体发射的光，第二波导具有第二光接收表面和相对的第二光透射表面，其中第一波导和第二波导由具有小于或等于约1.3的折射率(n)的透明材料或空气层隔开，并且其中第一发光体或第二发光体中的一个在小于或等于约450nm处具有最强的最大吸光度和在大于或等于约650nm处具有最强的峰值发射，且第一发光体或第二发光体中的另一个在大于或等于约650nm处具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射。
[0074]
在一个方面，第一波导的第一光接收表面被配置为接收入射光，并且第一发光体在小于或等于约450nm处具有最大吸光度和在大于或等于约650nm处具有最强峰值发射。
[0075]
在一个方面，第一发光体具有大于或等于约50％的量子产率(qy)。
[0076]
在一个方面，第一发光体在小于或等于约450nm处具有最强的最大吸光度和在大于或等于约650nm处具有最强的峰值发射。
[0077]
在一个方面，第一发光体包括纳米团簇。
[0078]
在一个方面，第二发光体包括聚噻吩、硼-二吡咯亚甲基(bodipy)或它们的组合，其在大于或等于约650nm处具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射。
[0079]
在一个方面，第二发光体包含聚噻吩，聚噻吩为2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2
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[0080]
在一个方面，tlsc具有大于或等于约1的光利用效率(lue)。
[0081]
在一个方面，tlsc具有大于或等于约1％的功率转换效率(pce)。
[0082]
在一个方面，tlsc具有小于或等于约25的|b
*
|值。
[0083]
在一个方面，tlsc具有小于或等于约10％的雾度。
[0084]
在一个方面，tlsc具有大于或等于约50％的平均可见光透射率(avt)。
[0085]
在一个方面，在垂直入射到波导时，tlsc具有大于或等于约80的显色指数(cri)。
[0086]
在一个方面，tlsc还包括光伏电池，其可操作地耦合到第一波导的第一边缘和第二波导的第二边缘。
[0087]
在一个方面，第一发光体被嵌入第一波导内，直接被设置在第一波导上，或被提供在设置在第一波导上的膜中；以及第二发光体被嵌入第二波导内，直接被设置在第二波导上，或被提供在设置在第二波导上的膜中。
[0088]
进一步的应用领域将从本文提供的说明书中变得显而易见。本概述中的描述和具体示例仅用于示意性说明，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
[0089]
本文描述的附图仅用于示意性说明所选实施方案，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
[0090]
图1a是根据本技术的各个方面的tlsc的示意图。
[0091]
图1b是根据本技术的各个方面的光与图1a的tlsc相互作用的示意图。
[0092]
图2a是根据本技术的各个方面的发光体被嵌入波导内的tlsc的示意图。
[0093]
图2b是根据本技术的各个方面的tlsc的示意图，其中发光体直接被设置在波导的表面上。
[0094]
图2c是根据本技术的各个方面的tlsc的示意图，其中包含发光体的膜直接被设置
在波导的表面上。
[0095]
图3a是根据本技术的各个方面的tlsc的示意图，其中光伏电池被设置在波导的边缘上，边缘可以是矩形的、弯曲的或斜切的。
[0096]
图3b是tlsc的示意图，其中光伏电池被设置在波导的表面上。根据本技术的各个方面，可选的附加光伏电池被设置在波导的第二表面和波导的边缘中的至少一个上。
[0097]
图3c是tlsc的示意图，其中光伏电池被设置在波导的第一表面上，并且波长特定反射镜被设置在波导的边缘上。根据本技术的各个方面，可选的波长相关反射镜被设置在波导的第二表面上。
[0098]
图3d是包括波导和发光体的tlsc的示意图。根据本技术的各个方面，光伏电池被设置在波导的第一表面上，并且波长特定反射镜被设置在波导的边缘上。
[0099]
图3e是包括波导和发光体的tlsc的示意图。根据本技术的各个方面，光伏阵列被设置在波导的表面处或附近。
[0100]
图3f是包括波导和发光体的tlsc的示意图。根据本技术的各个方面，光伏阵列被嵌入波导内。
[0101]
图4是根据本技术的各个方面的包括波长相关反射镜的示例性tlsc的示意图。
[0102]
图5a是根据本技术的各个方面的透明双频带装置的示意图。
[0103]
图5b是图5a的透明双频带装置沿着线5b/5c截取的视图。根据本技术的各个方面，透明双频带装置包括分隔两个波导的空气层。
[0104]
图5c是图5a的透明双频带装置沿着线5b/5c截取的视图。根据本技术的各个方面，透明双频带装置包括一层，该层包含分隔两个波导的透明材料。
[0105]
图6a-6c显示了近红外(nir)采集波长选择性透明发光太阳能聚光器(tlsc)的工作原理的示意图，其中发射的更深的nir光致发光通过全内反射被波导到边缘安装的光伏电池，当可见光通过时(图6a)，coi8dfic的分子结构(图6b)，以及显示coi8dfic在氯苯溶液中(实线)和聚合物基质中(虚线)的归一化吸收(蓝色)和发射光谱(红色)的图像(图6c)。
[0106]
图7a-7b显示了coi8dfic的合成反应(图7a)和itic的分子结构(图7b)。
[0107]
图8a-8b显示了嵌入两种不同聚合物基质中的coi8dfic的归一化吸收(蓝色)和发射(红色)光谱的图像：shandon(实线)和eukitt(虚线)(图8a)以及溶液、聚合物基质膜、纯膜和颗粒聚集体中的coi8dfic的归一化吸收比较(图8b)。
[0108]
图9a-9c显示了具有不同浓度(图例50mgl-1
至300mgl-1
表示溶液浓度)的coi8dfic的tlscs的电流密度-电压(j-v)特性的图像，其中所有扫描均在am 1.5g照明下测量，并且所有tlscs边缘安装有si pvs(图9a)，具有不同浓度的coi8dfic的tlscs的平均eqe
lsc
(λ)光谱，其中相应的集成j
sc
与从图9a所示的j-v特性图中提取的j
sc
匹配良好(图9b)，以及具有不同浓度的coi8dfic的tlscs的归一化位置随eqe
lsc
峰值变化的关系(图9c)。
[0109]
图10a-10c显示了具有cy7-nhs的tlscs的绝对吸收和eqe
lsc
光谱的图像(图10a)、具有150mgl-1
的coi8dfic的tlscs的绝对吸收和eqe
lsc
光谱的图像(图10b)，以及使用gaas作为边缘安装的pv的达到实际极限的tlscs的图像(图10c)。
[0110]
图11a-11b显示了具有不同边缘安装pvs和g因子的tlsc的eqe
lsc
和平均集成j
sc
比较的图像，其中发光体是cy7-nhs(图11a)和coi8dfic(图11b)。
[0111]
图12a-12f显示了tlsc装置的在cy7-nhs的每个波长(图12a)和不同浓度的
coi8dfic(图12b-12f)的测量的透射率(t(λ))、反射率(r(λ))、吸收率(a(λ)＝1-t(λ)-r(λ))，eqe
lsc
(λ)光谱和光子平衡检查(eqe
lsc
(λ) t(λ) r(λ)≤1)。
[0112]
图13a-13d显示了“150mgl-1”tlsc装置的在每个波长处测量的透射率(t(λ))、反射率(r(λ))、吸收率(a(λ)＝1-t(λ)-r(λ))，eqe
lsc
(λ)光谱和光子平衡检查(eqe
lsc
(λ) t(λ) r(λ)≤1)(图13a)；cielab颜色空间中coi8dfic tlscs的颜色坐标(a
*
,b
*
)，其中“300mgl-1”被强烈着色，相应的coi8dfic tlscs(边缘安装有si或gaas pv)与平均可见光透射率(avt)的关系(图13b)；边缘安装有gaas pv的“150mgl-1”和“300mgl-1”tlscs的电流密度与电压的(j-v)特性，其中插入图显示了相同两个边缘安装有gaas pv的tlscs的平均eqe
lsc
(λ)光谱，其中相应的集成j
sc
与从j-v特性图中提取的j
sc
匹配良好(图13c)；以及所有tlsc装置的照片(图13d)。
[0113]
图14a-14d显示了ieico-4f的分子结构(图14a)，显示了嵌入聚合物基质(eukitt)中的coi8dfic(实线)和ieico-4f(虚线)的归一化吸收(蓝色)和发射(红色)光谱的图像(图14b)，显示了具有coi8dfic和ieico-4f作为发光体的tlsc的eqe
lsc
和与平均集成j
sc
比较的图像(图14c)，以及显示了具有ieico-4f的tlsc的光子平衡的图像(图14d)。
[0114]
图15显示了合成bodipy的反应。
[0115]
图16a-16d显示了双频带选择性采集透明发光太阳能聚光器(tlsc)的结构和工作原理的示意图，其中uv成分和nir成分由空气间隙隔开，该空气间隙能够在每个波导内实现全内反射，并且隔离每个发光体的发射(图16a)；cs2mo6i8(cf3cf2coo)6纳米团簇的分子结构、归一化吸收和发射光谱(图16b)；coi8dfic的分子结构、归一化吸收和发射光谱(图156c)；以及bodipy在聚合物基质中的分子结构、归一化吸收和发射光谱(图16d)。
[0116]
图17a-17f显示了仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy的tlscs的电流密度与电压(j-v)特性的图像，其中所有扫描均在am 1.5g照明下测量并且所有tlscs边缘安装有gaas pv电池(图17a)；仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy的tlscs的平均eqe
lsc
(λ)光谱，其中相应的集成短路电流密度(jsinct)与从图17a中所示的j-v特性图中提取的j
sc
匹配良好(图17b)；nc coi8dfic的tlsc的绝对位置与eqe
lsc
光谱的关系(图167c)；nc bodipy的tlsc的绝对位置与eqe
lsc
光谱的关系(图17d)；nc coi8dfic的tlsc的归一化位置与eqe
lsc
峰值的关系(图17e)；和nc bodipy的tlsc的归一化位置与eqe
lsc
峰值的关系(图17f)。
[0117]
图18a-18b显示了仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy的tlsc的透射光谱(t(λ))以及用于比较的人眼的归一化明视响应(v(λ))(图18a)和在cielab颜色空间中的仅nc组、nc coi8dfic组和nc bodipy组tlscs的(a
*
,b
*
)坐标，其中在每组中，nc浓度(1、2、5、10和20mg/ml)是唯一的变量(图18b)。仅coi8dfic和仅bodipy tlscs的(a
*
,b
*
)也包括在内作为参考。插入图显示了nc浓度为10mg/ml的仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy tlscs的照片。
[0118]
图19a-19b显示了仅nc组、nc coi8dfic组、nc bodipy组、仅coi8dfic和仅bodipy tlscs的功率转换效率(pce)相对平均可见光透射率(avt)的图像，其中黑线是具有部分可见光透射率的非波长选择性pv的shockley-queisser(sq)pce限制，该线右侧的区域表示仅能通过波长选择性方法实现目标的pce和avt组合(图19a)，以及仅nc组、nc coi8dfic组、nc bodipy组、仅coi8dfic和仅bodipy tlscs的光利用效率(lue＝pce
×
avt)相对avt的图像，其中黑线是具有部分可见透射率的非波长选择性pv的shockley-queisser(sq)lue限制，并且该线右侧的区域表示仅能通过波长选择性方法实现目标的lue和avt组合(图19b)。
[0119]
图2000a-2000c显示了仅包括纳米团簇的装置的光子平衡(包括t、r、a和eqe)的图像(图20a)；包括纳米团簇和coi8dfic的双频带装置(图20b)；以及包括纳米团簇和bodipy的双频带装置(图120c)。
[0120]
图21a-21c显示了双频带tlscs的光稳定性研究：在恒定照明下，仅nc(图21a)、nc coi8dfic(图21b)和nc bodipy(图21c)的吸收光谱的归一化峰值、eqe
lsc
和iqe
lsc
根据时间变化的图像。
[0121]
对应的附图标记在附图的几个视图中指示对应的部件、组件和组成。
具体实施方式
详细说明
[0122]
提供了示例性实施方案以便本公开将是全面的，并且向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如特定组合物、组件、装置和方法的示例，以提供对本公开实施方案的全面理解。对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式体现，并且两者都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，未详细描述公知工艺、公知器件结构和公知技术。
[0123]
本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施方案，并不旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一”、“一”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文另有明确说明。术语“包括”、“包括”、“包含”和“具有”是包容性的，因此指定了指定特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或添加。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语可以替代地被理解为更具限制性和限制性的术语，例如“由
……
组成”或“基本上由
……
组成”。因此，对于列举组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任何给定实施方案，本公开还具体包括由或基本上由这些列举的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施方案。在“由
……
组成”的情况下，替代实施方案不包括任何额外的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本上由
……
组成”的情况下，任何实质上影响基本和新颖特性的附加组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤被排除在该实施方案之外，但任何实质上不影响基本和新颖特性的组合物、材料，组件、元件，特征、整数，和/或工艺步骤可以包括在实施方案中。
[0124]
本文描述的任何方法步骤、工艺和操作不应被解释为必然要求其按照所讨论或说明的特定顺序进行，除非明确规定为执行顺序。还应理解，除非另有说明，否则可采用附加或替代步骤。
[0125]
当组件、元件或层被称为“在
……
上”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，它可以直接在
……
上、接合、连接或耦合到其他组件、元件或层，或中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在
……
上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”其他元件或层时，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词应以类似的方式解释(例如，“在
……
之间”与“直接在
……
之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0126]
尽管本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、组件、区域、
层和/或部件，但除非另有说明，否则这些步骤、元件、组件、区域、层和/或部件不应受这些术语的限制。这些术语可以仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或部件与另一步骤、元件、组件、区域、层或部件区分开。除非上下文明确指出，否则此处使用的术语如“第一”、“第二”和其他数字术语并不意味着序列或顺序。因此，在不脱离示例性实施方案的教导的情况下，下文讨论的第一步骤、元件、组件、区域、层或部件可以被称为第二步骤、元件、组件、区域、层或部件。
[0127]
为了便于描述，本文可以使用空间或时间上的相对术语，例如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“下方”、“以下”、“更低”、“以上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与另一个元件或者特征的关系，如图所示。除了图中描绘的取向之外，空间上或时间上相对的术语还可旨在包括装置或系统在使用或操作中的不同取向。
[0128]
在整个本公开中，数值代表对范围的近似测量或限制，以涵盖与给定值的微小偏差，以及具有大约所提到的值的实施方案以及具有确切所提到的值的实施方案。除了在详细说明结尾处提供的工作示例之外，本说明书(包括所附权利要求)中的参数的所有数值(例如，数量或条件)，应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰，无论“约”是否实际出现在数值之前。“约”表示数值允许有一些轻微的不精确性(通过某种方法接近数值的准确性；近似或合理接近数值；几乎)。如果“约”提供的不精确性在本领域中没有以这种普通含义理解，那么本文所用的“约”至少表明测量和使用这些参数的普通方法可能产生的变化。例如，“约”可包括小于或等于5％、可选地小于或等于4％、可选地小于或等于3％、可选地小于或等于2％、可选地小于或等于1％、可选地小于或等于0.5％的变化，并且在某些方面，可选地小于或等于0.1％。
[0129]
此外，范围的公开包括对整个范围内的所有值和进一步划分的范围的公开，包括为范围给出的端点和子范围。
[0130]
现在将参照附图更全面地描述示例性实施方案。
[0131]
本技术提供了高效、高性能的tlscs，它们提供了自然的、无色的光。tlscs包括波导，其可操作地耦合到发光体，发光体选择性地吸收和发射可见光谱之外的光。这些发光体包括非富勒烯受体，例如噻吩和硼-二吡咯亚甲基(bodipy)。tlscs表现出大于或等于约50％的平均可见光透射率(avt)，在垂直于波导(即90
°
)入射下，显色指数(cri)大于或等于约80，|b*|值小于25，并且光利用效率(lue)大于或等于约1。
[0132]
参考图1a，本技术提供了包括波导12的tlsc 10。波导12包括接收光(例如入射光)的第一表面14和透射光的相对的第二表面16。波导12还包括边缘18。波导12包括可见透明材料，其可以是玻璃、低铁玻璃(例如来自saint gobain(法国巴黎)的低铁玻璃和透明玻璃，以及来自schott(德国美因茨)的33的硼硅酸盐玻璃)、塑料、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、聚-(甲基丙烯酸乙酯)(pema)、(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共聚甲基丙烯酸甲酯(pbmma)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺例如聚酰亚胺膜(杜邦,威尔明顿)，以及它们的组合，作为非限制性示例。
[0133]
波导12与发光体26接触(下文将更详细地描述)。图1b示出了tlsc 10，其在波导12的第一表面14上接收入射可见(vis)光20和入射近红外(nir)光22。发光体26吸收至少一部分nir光22。然而，发光体26基本上不吸收穿过波导12的第二表面16的可见光20。吸收的nir
光22激发发光体26，发光体26发射不同nir波长的nir光24，其由波导12引导到边缘18。因此，tlsc采集nir光22，并且波导12引导从发光体26发射的nir光24。发射的nir光24被引导到光伏pv电池或pv阵列以发电，这将在下面更详细地讨论。
[0134]
图2a示出了包括图1a-1b的波导12以及发光体26的tlsc 10a。此处，发光体26嵌入波导12内。例如，在制造过程中，将发光体26分散在波导前体组合物中。当波导前体组合物固化或固化以形成波导12时，发光体26保持嵌入在波导12的内部矩阵中。
[0135]
图2b示出了tlsc 10b，其中发光体26直接设置在波导12的第一表面14上。例如，在波导形成之后，可以将包含溶剂和发光体26的溶液进行流延、沉积(例如，真空沉积)、移液、喷涂或倾倒到第一表面14上。在例如通过蒸发去除溶剂后，仅发光体保留在第一表面14上。虽然发光体26显示为直接设置在第一表面14上。应当理解的是，发光体26可以替代地直接设置在第二表面16上或同时设置在第一表面14和第二表面16上。
[0136]
图2c示出了包括膜28的tlsc 10c，膜28包括发光体26，其中膜28直接设置在波导12的第一表面14上(其在图2c中不再可见)。膜28可以形成在波导12上，或者膜28可以单独形成然后设置在波导12的第一表面14上。膜包括可见透明材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚(丙烯酸正丁酯)/聚(甲基丙烯酸甲酯-共-甲基丙烯酸)、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、4,4'-双(n-咔唑基)-1,1'-联苯、sio2、安装介质如eukitt和shandon，以及它们的组合，作为非限制性示例。尽管膜28显示为直接设置在第一表面14上，但应当理解的是，膜28可以替代地直接设置在第二表面16上或同时设置在第一表面14和第二表面16上。在一些方面，膜28通过粘合剂耦合到波导，粘合剂可以是具有低折射率的粘合剂。
[0137]
如上所述，发光体26采集(即，吸收)具有在太阳光谱的nir和ir区域中的至少一个区域中的波长的光。如本文所用，uv光具有约300nm至约450nm的波长，vis光具有约450nm至约650nm的波长，nir光具有约650nm至约1500nm的波长，ir光具有约1500nm至约1mm的波长。发光体26在大于或等于约650nm的波长处具有最强的最大吸光度。许多发光体具有可能在光谱的不同区域中的多个最大吸光度。因此，“最强的最大吸光度”是具有最大峰的吸光度最大值。因此，发光体26在光谱的nir区域或光谱的红外(ir)区域具有最强的最大吸光度。发光体26在大于或等于约650nm的波长处具有光的最强的峰值发射。类似地，许多发光体具有可能在光谱的不同区域中的多个发射最大值。因此，“最强的峰值发射”是具有最大峰的发射最大值。发光体26在光谱的nir区域或光谱的ir区域中具有最强的峰值发射。
[0138]
在一些方面，发光体26在光谱的nir和ir区域中，具有大于或等于约650nm处的最强的最大吸光度，在光谱的可见光区域中的波长中，发光体26吸收了总光的小于或等于约50％、小于或等于约30％、小于或等于约20％、小于或等于约10％、或小于或等于约5％。换言之，在接触发光体的总vis入射光中，总vis入射光的小于或等于约50％、小于或等于约30％、小于或等于约20％、小于或等于约10％、或小于或等于约5％被发光体26吸收。相反地，接触波导12和发光体26的总可见光的大于或等于约50％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％、大于或等于约95％完全透射通过波导12而不被散射。因此，tlsc 10(以及tlsc 10a、10b和10c)是可见透明的并且基本上没有雾度。如本文所用，术语“基本上没有雾度”是指装置具有小于或等于约20％的雾度，如下文更详细的讨论。如本文所用，术语“透明”或“可见透明”是指平均可见光透射率(avt)大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、或大于或等于约90％。术语“不透明”或“明显不透明”是指具有通过眼睛对镜面透射的10％或更低的明视反应加权的平均可见透明度的装置。具有10％到50％之间的avt(由眼睛的明视反应加权)的装置是“半透明的”。因此，具有发光体26的tlscs 10、10a、10b、10c是可见透明的，其在nir/ir中具有最强峰值吸收和在nir/ir中具有最强峰值发射。
[0139]
发光体26具有小于或等于约50、小于或等于约20、小于或等于约10、或小于或等于约5的光学积分(oi)。oi将发光体的再吸收特性量化为：其中，a(λ)是发光体/主体复合膜单程绝对吸收光谱(a(λ)
–1–
r(λ)
–
t((λ))和pl
*
(λ)dλ是主体材料中发光体的归一化发射光谱。oi取决于发光体层的厚度以及主体材料(而不是溶液)中吸收光谱和发射光谱之间的重叠程度。因此，oi的减小对应于吸收光谱和发射光谱之间重叠的减小。通过减少吸收光谱和发射光谱之间的重叠，减少了由于再吸收引起的效率损失。
[0140]
发光体26具有大于或等于约10nm或大于或等于约30nm的斯托克斯位移，包括约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约75nm、约100nm、约125nm、约150nm或更大的斯托克斯位移。
[0141]
在本技术的一些方面，发光体26是非富勒烯受体(电子受体)，例如噻吩、聚噻吩或它们的组合。噻吩和聚噻吩的非限制性示例包括2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2
″″
,3
″″
:4
″′
,5
″′
]噻吩并[2
″′
,3
″′
:4
″
,5
″
]吡喃并[2
″
,3
″
:4',5']噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[3,2-b]吡喃-2,9-二基]双[亚甲基(5,6-二氟)(coi8dfic)、3,9-双(2-亚甲基-(3-(1,1-二氰基亚甲基)-茚满酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩)(itic)、2,2'-[[4,4,9,9-四(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩并-2,7-二基]双[[4-[(2-乙基己基)氧基]-5,2-噻吩二基]亚甲基(5,6-二氟-3-氧代-1h-茚-2,1(3h)-二亚甲基)]]双[丙二腈](ieico-4f)，它们的衍生物(其每个分子量变化不超过约50％且保留每个噻吩骨架)，及它们的组合。
[0142]
在其他方面，发光体26是具有以下结构的硼-二吡咯亚甲基(bodipy)。
[0143]
发光体26还可以是保留以下bodipy主链的bodipy衍生物，例如bod-66、keio flours(kfl)、低聚噻吩基-bodipy(oligothienyl-bodipy)、氟化硼络合二吡咯甲川(4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene)、“之字形”边缘融合的bodipy(“zig-zag”edge-fused bodipy)、氮杂-bodipy(aza-bodipy)、[a]-融合的bodipy([a]-fused bodipy)、[b]-融合的bodipy([b]-fused bodipy)及它们的组合，作为非限制性示例。这些化合物可以任选地与bodipy组合使用。
[0144]
发光体26可以是噻吩、聚噻吩和bodipy的任何组合。例如，tlsc 10可以包括第一发光体和第二发光体，其中第一发光体是噻吩或聚噻吩，以及第二发光体是bodipy。
[0145]
在一些方面，在光谱的uv区域中，发光体26是具有小于或等于约450nm的最强的最大吸光度的发光纳米团簇，在光谱的可见光区域中的波长中，发光体26吸收了总光的小于或等于约50％、小于或等于约30％、小于或等于约20％、小于或等于约10％、大于或等于约10％、或小于或等于约5％。换言之，在接触发光体的总vis入射光中，总vis入射光的小于或等于约50％、小于或等于约30％、小于或等于约20％、小于或等于约10％，或小于或等于约5％被发光体26吸收。相反地，接触波导12和发光体26的总可见光的大于或等于约50％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％、大于或等于约95％完全透射通过波导12。发光体26在光谱的近红外区域或光谱的红外区域具有最强的峰值发射。因此，具有发光纳米团簇的tlsc 10、10a、10b、10c是可见透明的并且基本上没有雾度。如本文所用，术语“基本上没有雾度”是指装置具有小于或等于约20％的雾度，如下文更详细地讨论。
[0146]
发光纳米团簇可以是六核簇、八面体簇、四面体簇、chevral簇、边缘封端卤化物簇(edge-capped halide clusters)、金属簇或硫族化物簇。六核簇可以包括磷光金属卤化物纳米簇或磷光金属卤化物纳米簇盐。作为非限制性示例，金属卤化物或金属卤化物盐可以是m6x
12
、m6x
12
·
nr、a2m6x
14
、a2m6x
14
·
nr、em6x
14
、em6x
14
·
nr、m6x8l6、a2m6x8l6、m6x
14
、m6x
14
·
nr、a4m6x
18
、或a4m6x
18
·
nr，其中，m代表金属，x代表卤素，a和e分别代表末端1 和2 阳离子，r代表第一配体，l代表第二配体，例如丙酸盐或五氟丙酸盐，n是介于0和m x之间的值。m是mo、w、cr、mn、tc、re、cu、ti、v、ta、nb、sn、zn、zr或ga；x是f、cl、br、i、at、或它们的混合物；a是h

、h3o

、k

、na

、li

、rb

、cu

、cs

、铵、丁基铵、四丁基铵(tba)或nr'
4
，其中，r'独立地选自烷基或芳基，其中，r'任选地被卤素、硝基、氰基、羟基、羟烷基、卤代烷基、卤代烷氧基、氨基、叠氮基、羧基、氨基甲酰基、巯基、氨磺酰基、c
1-10
烷基、c
2-10
烯基、c
2-10
炔基、c
1-10
烷氧基、c
1-10
烷氧烷基、c
1-10
烷酰基、c
1-10
烷酰基氧基、n-(c
1-10
烷基)氨基、n,n-(c
1-10
烷基)2氨基、c
1-10
烷酰氨基、n-(c
1-10
烷基)氨基甲酰基、n,n-(c
1-10
烷基)2氨基甲酰基、c
1-10
烷基-s(o)a(其中，a为0、1或2)、c
1-10
烷氧基羰基、n-(c
1-10
烷基)氨磺酰基、n,n-(c
1-10
烷基)2氨磺酰基、h2ns(o)2nh-、n-(c
1-10
烷基)nhs(o)2nh-、n,n-(c
1-10
烷基)2ns(o)2nh-、芳基、芳氧基、芳硫基、杂芳基、杂芳氧基、环烷基、环烷氧基、杂环基、杂环基(c＝o)-、杂环氧基和杂环硫基中的一个或多个取代，其中，这些选择是非限制性的；l为f、cl、br、i、at、s、丙酸盐、五氟丙酸盐或它们的混合物，e为be
2
、mg
2
、ca
2
、sr
2
、cu
2
、ni
2
、ti
2
、ba
2
或它们的混合物；r是h2o、ch3cn或任何其它溶剂化物。
[0147]
金属卤化物簇，例如磷光金属(ii)卤化物簇，可以通过配体交换反应由母体盐化合物改性。母体离子通常通过还原m(v)x5合成，或直接以m(ii)x2的形式获得。对于钼基簇，母体化合物通过转化为hcl盐进行纯化，hcl盐通过真空热处理返回至m(ii)x2或m(ii)x
12
。配体交换可以在索氏(soxhlet)提取器中进行，或在存在游离阳离子的酸性溶液中直接反应，分别形成各种络合物或盐。此处合成的选定范围的金属卤化物络合物(水合物和盐)的
性质表现出约1％至大于约70％的量子产率。许多基于胺和硫醇的配体可以通过硫醇盐和胺的配位在末端卤化物周围被取代。m、x和l在mx2.l2、amx2.l2、m6x
12
.l2、a2m6x
14
和a2m6x
14
.l2中有所不同，包括m＝w、mo，x＝cl、br、i，以及l＝cl、ch3cn、苯硫醇、乙硫醇、h2o(水合物)、hcl、乙腈(can)，以及a＝k、na、四丁基铵(tba)和其他铵盐。此外，胺和铵盐可以很容易地锚定到聚合物链主链上，以增强颗粒分离和增加量子产率。示例性磷光纳米团簇包括k2mo6cl
14
、tba2mo6cl
14
、(h3o)2mo6cl
14
及它们的组合。
[0148]
图1的tlsc 10还包括光伏(pv)组件，例如pv电池或pv阵列。图3a和3b示出了与图1a和图1b中的tlsc 10具有相同的组件的tlsc 10’，10’*。然而，太阳能聚光器10’包括设置在波导12的其中之一边缘18上的pv电池30，并且tlsc 10’*包括设置在波导12的第一表面14上的pv电池30，以及pv电池30任选地设置在边缘18和/或第二表面16上，使得pv电池30可操作地耦合到波导12。“可操作地耦合”是指波导12内从发光体26发射的nir或ir辐射可以转移到pv电池30。在各个方面，图3a的tlsc 10’包括波导12的至少一个边缘18上的pv电池30。在图3b中，pv电池30位于波导12的第一和/或第二表面14、16上的边缘18处或附近，边缘18可以是例如矩形、弯曲或斜切的。“在边缘18处或附近”是指pv电池30邻接边缘18，或在邻接边缘18的约10cm内、约5cm内或约2.5cm内。在pv电池30被设置在波导12的表面14、16上的方面，波导表面14、16可以在pv电池30的位置处被粗糙化，或者pv电池30可以被嵌入在波导12中，以通过减少pv-波导界面处的全内反射来确保pv电池30可操作地耦合到波导12。
[0149]
图3c和3d示出了具有与图1a和1b中的太阳能聚光器10相同的组件的tlscs 10’**、10’***。然而，图3c和3d的tlscs 10’**,10’***包括至少一个波长相关反射镜32和至少一个pv电池30。更具体地，在图3c中，tlsc 10’**包括位于波导12的第一表面14上的边缘18处或附近的pv电池30和边缘18上的波长相关反射镜32。可选的第二波长相关反射镜32设置在波导12的第二表面16上的边缘18处或附近。在图3d中，tlsc 10’***包括设置在波导12的第二表面14上的边缘18处或附近的pv电池30和设置在边缘18上的波长相关反射镜32。下面参考图4更详细地提供波长相关反射镜的描述。
[0150]
图3e和3f示出了具有与图1a和图1b中的太阳能聚光器10相同的组件tlsc 10”,10
”’
。然而，tlsc 10”、10
”’
具有可操作地耦合到波导12的分段pv阵列34。在图3e中，pv阵列34设置在波导12的表面14上。如图3f所示，pv阵列34设置在波导12的中心区域36内，例如在波导12内部矩阵的主体中。pv阵列34可以被提供为波导12上的涂层或喷涂在波导12上，或者通过在交替堆叠之间层叠染色片作为层，共同形成波导12。尽管pv阵列34可能不是可见透明的，但其尺寸足够小，使得pv阵列34基本上不影响太阳能聚光器10的透明特性。例如，在各种实施方案中，pv阵列34占据波导12的小于或等于约20％、小于或等于约15％、小于或等于约10％、小于或等于约5％、小于或等于约2.5％。换句话说，pv阵列34阻挡与太阳能聚光器10接触的小于约20％、小于或等于约15％、小于或等于约10％、小于或等于约5％、小于或等于约2.5％的光。在一些实施方案中，pv阵列34可以作为细线或点为人类观察者所略微可见，或者pv阵列34是微观的并且为人类观察者所不可见。
[0151]
在各个方面，pv阵列22是网状物，包括布置在波导16的表面24内或放置在波导16的表面24上的线、微线、纳米线、带状物、条状物、球、点、它们的组合等(图2f)。可以使用多于一个pv阵列22来减少热损失。图2b的pv电池18，以及图2f和图2g的pv阵列22可以包括本领域已知的任何材料。太阳能阵列和太阳能电池材料的非限制性示例包括锗(ge)；非晶锗
(a-ge)；镓(ga)；砷化镓(gaas)；氮化镓(gan)、氮化镓铟(in
x
ga
1-x
n，0《x《1)、硅(si)；非晶硅(a-si)；硅锗(sige)；非晶硅锗(a-sige)；磷化铟镓(gainp)；硒化铜铟、硫化铜铟或它们的组合(cis)；铜铟镓硒、铜铟镓硫化物或它们的组合(cigs)；碲化镉(cdte)；钙钛矿(pv)，例如ch3nh3pbi3，ch3nh3pbcl3和ch3nh3pbbr3；以及它们的组合。
[0152]
在一些方面，关于图3e和图3f的tlscs 10”、10
”’
所示的pv阵列34是串联连接的，并且可能包括加合物，例如球或点。例如，pv阵列34可以包括通过细线电连接而连接的硅球太阳能阵列。在一个实施方案中，pv阵列34包括连接在一起的球以形成网状物。有利地，使用球形或多面pv阵列34进一步提高了系统效率，因为每个电池都可以在多个角度捕获直接和间接阳光。pv阵列34可以位于波导12内的不同位置，在表面14、16处或附近，或者pv阵列34可以具有与波导12的总厚度大致相同的厚度。在一些方面，tlsc 10”、10
”’
可以包括位于波导12内不同位置的多个pv阵列34。
[0153]
通过将分段的pv阵列34定位在波导12的第一或第二表面14、16处，可以在由于染料再吸收而导致光学损失之前捕获发出的光。或者，pv阵列34可以嵌入波导12内。这种再吸收损失对于具有小斯托克斯位移的荧光材料特别有利。根据pv阵列34在波导12中的位置，发光体26可以嵌入到pv阵列34中或并置在pv阵列34中。此外，通过将pv阵列34定位在波导12的第一或第二表面14、16处，可以捕获一部分前向发射的光，这通过利用电池之间更多部分的nir光进一步减少了光学损失并提高了空间分段pv阵列34的效率。
[0154]
如图4所示，tlsc 50可以包括第一波长相关反射镜52。第一波长相关反射镜52可以具有如图表80所示的仅对应于发光体的发射光谱的nir光反射率。因此，第一波长相关反射镜52对可见光54是透明的，但在图表80所示的发射范围内反射nir光56。第一波长相关反射镜52可以功能性地耦合到tlsc 50的第一表面58，其包括如上所述的发光体。或者，第一波长相关反射镜52可以功能性地耦合到tlsc 50的第二表面60，或者耦合到两个表面58、60。在其他方面，发光体位于第二表面60上或嵌入波导内。
[0155]
进一步参考图3，tlsc 50可以包括第二波长相关反射镜62。第二波长相关反射镜62可以具有与图表90所示的改性发光体的吸收光谱和发射光谱相对应的nir光反射率。第二波长相关反射镜62对可见光54是透明的，但在图表90所示的发射范围内反射nir光56。第二波长相关反射镜62可以功能性地耦合到tlsc 50的第一表面58、tlsc 50的第二表面60或两个表面58、60。在一个实施方案中，第一波长相关反射镜52功能性地耦合到tlsc 50的第一表面58，并且第二波长相关反射镜62功能性地耦合到tlsc 50的第二表面60。如上所述，光伏阵列可以位于第一表面58、第二表面60或波导内。在各种实施方案中，tlsc 50包括位于第一表面58、第二表面60中的任意一处或位于第一和第二表面58、60之间的波导内的多个太阳能阵列。在其他一些实施方案中，tlsc 50包括太阳能电池，其位于与第一和第二表面58、60相邻的tlsc 50的边缘处。
[0156]
在透明光伏(tpv)中结合可见透明的选择性nir波长相关反射镜52、62可将功率转换效率显著提高50-100％。类似地，这些反射镜52、62的结合将低板尺寸下的光学效率提高了约20％以上，同时对于给定的光学密度将所需的改性发光体的量减少了约一半。对于大于约0.5m2的太阳能收集器尺寸，这些反射镜52、62有助于减轻可能降低系统效率的任何表面和体散射缺陷。反射镜52、62可以是改善收集器吸收和增加波导的涂层。此外，这些涂层与已经普遍使用的低辐射涂层非常相似，可以补充或替代其大部分散热功能。tio2、sio2和
al2o3的交替层组合可以通过电子束蒸发、脉冲激光沉积、等离子体增强溅射、热沉积、化学气相沉积或溶液沉积来生长，以优化整体颜色影响和性能。可以理解的是，以上关于图4的讨论适用于图1a-1b、2a-2b和3a-3f中的tlscs。
[0157]
参考图5a，本技术还提供了一种透明的双频带装置100。双频带装置100包括上文参照图1a-1b、2a-2b、3a-3f和图4讨论的所有排列的波导12。然而，如上所述，发光体26在大于或等于约650nm处具有最强的最大吸光度和最强的峰值发射，以及大于或等于约15％、大于或等于约20％、或大于或等于25％的量子产率。发光体26不是如上所述的uv采集发光纳米团簇。因此，发光体为噻吩、聚噻吩、bodipy、卟啉、酞菁或它们的组合。透明双频带装置100还包括第二发光体102和引导从第二发光体102发射的光的第二波导104。第二发光体102如上所述是在小于或等于约450nm处具有最强的最大吸光度和在大于或等于约650nm处具有最强的峰值发射的光发射器。作为非限制性示例，第二发光体102可以是上述发光纳米团簇中的至少一种。此外，第二发光体具有大于或等于约20％、大于或等于约30％、大于或等于约40％、或大于或等于约50％的量子产率(qy)。
[0158]
第二波导104具有第三表面106和相对的第四表面108以及边缘110(在图5a中仅四个边缘中的一个110是可见的)。第三表面106接收入射光并且第四表面108透射光。波导12、104彼此相邻布置，使得波导12的第一表面14接收通过第二波导104的第四表面108传输的光。此外，第二波导104不与波导12直接物理接触。相反，波导12、104以在波导12和第二波导104之间限定间隙(或间隔)112的方式布置。间隙112确保在每个波导12、104中引导的发射光不会转移到相对的波导12、104中。例如，间隙112防止发光体26可能吸收从第二发光体102发射的nir光。间隙112的宽度，即波导12的第一表面14和第二波导的第四表面108之间的距离，为wg，其大于或等于约1nm、至小于或等于约10mm或甚至更宽。示例性宽度wg包括约10nm、约100nm、约500nm、约1μm、约1μm、约1μm、约1μm、约100μm、约250μm、约500μm、约750μm、约1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm和10mm。
[0159]
透明双频带装置100还包括至少一个pv电池114。每个pv电池114耦合到波导12、104的对应边缘18、110。换句话说，单个和整体的pv电池114耦合到波导12的边缘18和第二波导104的边缘110。因此，透明双频带装置100是单电池装置(与双电池、多电池或多功能装置相反，每个波导具有单独的pv电池)。在一些方面，将在uv中具有最强的最大吸光度和在nir和/或ir中具有最强的峰值发射的发光体与在uv中具有最强的最大吸光度和在uv中具有最强的峰值发射的第二发光体一起使用。在其他方面，将在uv中具有最强的最大吸光度和在nir和/或ir中具有最强峰值发射的发光体与在nir中具有最强的最大吸光度和在nir和/或ir中具有最强峰值发射的第二发光体一起使用，其中发光体的最强的峰值发射不同于第二发光体的最强的最大吸光度和最强峰值发射。通过这些方面，可以将相同的pv电池耦合到两个波导或将不同的pv电池耦合到每个波导，其中，每个pv电池具有接近uv吸收器/发射器和nir吸收器/发射器的发射边缘的不同带隙，以减少热化损失。
[0160]
图5b是图5a的透明双频带装置100沿着线5b/5c截取的视图。更具体地，图5b示出了透明双频带装置100a，其中间隙112a填充有空气。因此，间隙112a是气隙或包含空气的层。这里，最后一个pv电池114可以维持装置架构。然而，透明双频带装置100a任选地包括将波导12与第二波导104分开的间隔件116。
[0161]
图5c是图5a的透明双频带装置100沿着线5b/5c截取的视图。更具体地，图5b示出
了透明双频带装置100a，其中间隙112b是包括可视透明材料的层。可视透明材料的折射率(n)小于或等于约1.45或小于或等于约1.3。因此，折射率(n)大于或等于约1至小于或等于约1.45、或大于或等于约1至小于或等于约1.3。折射率(n)可以是约1、约1.05、约1.1、约1.15、约1.2、约1.25、约1.3、约1.35、约1.4或约1.45。
[0162]
如上所述，本文所述的所有装置的avt均大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、或大于或等于约90％。本技术的装置所展示的示例性avt包括约50％、约55％、约60％、约65％、约70％、约80％、约85％、约90％和约95％。
[0163]
本文所述的所有装置的显色指数(cri)均大于或等于约80、大于或等于约85、或大于或等于约90。本技术的装置所展示的示例性cri包括约80、约85、约90和约95。本文提供的透射率(avt)和清晰度值是在垂直于波导的(即90
°
)入射下。
[0164]
本文描述的所有装置都具有由国际照明委员会(cie)定义的l
*a*b*
颜色空间，即cielab颜色空间，它基本上是白色的。更具体地，这些装置展现的|a
*
|和|b
*
|值小于或等于约25、小于或等于约20、小于或等于约15、小于或等于约10、以及小于或等于约5，以及l
*
值大于或等于约10、大于或等于约25、大于或等于约50、大于或等于约75、或大于或等于约95，包括l
*
值为约100、约95、约90、约85、约80、约75、约70、约65、约60、约55、约50、约45、约40、约35、约30、约25、约20、约15和约10。更具体地，这些装置表现出小于或等于约25、小于或等于约20、小于或等于约15、小于或等于约10、或小于或等于约5的sqrt(|a
*
|2 |b
*
|2)值。
[0165]
本文所述的所有装置都具有雾度或透射雾度，其定义为漫透射率(即，在装置中散射但仍透射通过的光的量)除以总透射率(即，穿过的光的总量，无论是否散射)，其小于或等于约20％、小于或等于约10％、小于或等于约5％，小于或等于约2％、或小于或等于约1％，包括雾度为约20％、约18％、约16％、约14％、约12％、约10％、约8％、约6％、约4％、约2％、约1％和更少。因此，这些装置基本上没有雾度。
[0166]
本文所述的所有装置的功率转换效率(pce)大于或等于约1％、大于或等于1.5％、大于或等于约2％、或大于或等于约3％。
[0167]
光利用效率(lue)是pce和avt的乘积。例如，如果一个装置的pce为2.0％，avt为50％，则lue将为2.0％*50％＝1.0％或简写为1.0。lue为0表示装置不透明。本文所述的所有装置都具有大于或等于约0.9的lue。例如，包含噻吩或聚噻吩作为唯一发光体的tlsc具有约0.92的lue。包含bodipy作为唯一发光体的tlsc具有约1.26的lue。包括发光纳米团簇作为唯一发光体的tlsc具有1.01、1.59和1.84的lue。具有包括发光纳米团簇的第一波导和包含bodipy的第二波导的透明双频带装置(按照波导接触入射光的顺序)具有约1.3、约1.49、约1.92、约2.36和约2.6的lue。具有包括发光纳米团簇的第一波导和包含coi8dfic的第二波导的透明双频带装置(按照波导接触入射光的顺序)具有约1.19、约1.56、约1.89和约2.12的lue。因此，本技术提供了具有大于或等于约0.9、大于或等于约0.95、大于或等于约1、大于或等于约1.5、或大于或等于约2的lue的tlsc和透明双频装置，包括lue为约0.9、约0.95、约1、约1.05、约1.1、约1.2、约1.3、约1.4、约1.5、约1.6、约1.7、约1.8、约1.9、约2、约2.1、约2.2、约2.3、约2.4、约2.5、约2.6和更高。
[0168]
优化pces实现可能最佳的美学效果，导致pce/(sqrt(a
*
^2 b
*
^2))大于或等于约0.05、大于或等于约0.08、大于或等于约0.1、大于或等于约0.13。
[0169]
上述tlscs可以结合到建筑物、车辆和装置中以产生能量。因此，本技术提供了包
括上述tlscs的建筑物、车辆和装置。
[0170]
本技术的实施方案通过以下非限制性实施例例进一步说明。实施例1
[0171]
透明发光太阳能聚光器(tlscs)选择性地收集紫外线(uv)和近红外(nir)光。由于太阳能采集区域上没有电极、母线和收集网格，该装置结构使得这些装置能够实现最高水平的透明度和美观性。在此实施例中，我们将非富勒烯受体，如coi8dfic，作为发光体引入tlscs。系统地研究了coi8dfic浓度对功率转换效率(pce)、美学质量和可扩展性的影响。在装置优化后，coi8dfic tlscs的pce超过1.2％，而平均可见光透射率(avt)超过74％，显色指数(cri)超过80。该实施例报告了在报导的最高可见透明度下的最高tlsc设备效率。
[0172]
介绍
[0173]
可见透明光伏(tpvs)可以选择性地收集紫外线(uv)、近红外线(nir)或部分和无倾向性地穿过太阳光谱的可见光(vis)部分。因此，tpvs可以有效地满足现场能源需求，同时对下方表面的功能和美学质量影响最小，从而提高总能源利用效率。该技术可应用于小面积应用，包括(自主)移动电子设备、显示器和电动汽车，由于产量不断增加，潜在市场巨大。除了这些小面积应用之外，随着tpvs变得更具可扩展性，它们可以集成到建筑外壁中，将新的和现有的基础设施转换为发电源，并显着降低传输中的电损耗。
[0174]
透明发光太阳能聚光器(tlscs)是一种关键的tpv技术，通过光致发光(pl)光学移位太阳能转换，以光学方式(通过全内反射)传输到边缘安装的pv电池(图6a)。由于太阳能采集区域上没有电极、母线和收集网格，装置结构大大简化，这使得lsc/tlsc装置能够实现最高水平的透明度和美观性。在过去的十年中，量子点、纳米团簇和稀土离子配合物作为lsc/tlsc系统中的发光体被广泛研究。这些工作主要集中在(1)提高量子产率(qy)，(2)吸收光谱和发射光谱的调制以最小化再吸收损失，以及(3)通过将发光体的吸收光谱与入射太阳光谱的峰值匹配来增强光吸收。然而，如果以高美学质量和透明度为目标，这些发光体的连续带吸收特性将其吸收截止波长限制在约435nm。超过440nm的带隙会导致平均可见光透射率(avt)和显色指数(cri)的快速下降。利用波长选择性吸收剂可以仅收集uv或nir。当选择性吸收红移超过675nm时，cri和avt达到最大值。因此，675nm和边缘安装光伏电池的吸收截止之间的nir光子可用于发电，该范围与入射am 1.5g光子通量的峰值一致。此外，即使在低于675nm的红色nir中的末端吸收，所得蓝色/绿色色调通常比黄色/红色色调在视觉上更可接受，这为nir选择性采集发光体提供了更多的设计自由度。
[0175]
有机和分子半导体中的光吸收源于从基态到激发的分子轨道的转变(例如，s0→
s1，s0→
s2)。激发的分子轨道(s1和s2)之间的间隙导致态密度的不连续性，这允许光子传输。可以设计分子结构，使该间隙与可见光谱重叠，从而产生可见的透明度。一般来说，有机染料可以被设计为选择性地收集nir光子，这对于传统半导体来说通常是不可能的。然而，有机发光体通常具有较大的自吸收(吸收和pl之间的较大重叠)、窄吸收峰以及在nir中相对较低的qy。最近，coi8dfic(也称为o6t-4f，图6b)已被开发为有机光伏中的非富勒烯受体，具有前所未有的性能。在此实施例中，非富勒烯受体(包括coi8dfic)被作为发光发射器被引入nir选择性采集tlscs中，其中功率转换效率(pce)增加了一倍以上，达到1.24％，这是迄今为止最好的nir选择性采集tlsc，并且是报告的超过70％的avt的最高pce。由于波长选择性采集的高可见透明度，光利用效率(lue＝pce
×
avt)也可与基于量子点的lscs的最高
lue相媲美。使用这种材料主题，仅通过将qy从约25％增加到接近100％，就可以实现接近5％的效率和类似水平的avt，并且通过额外增加可见光谱附近的太阳能采集，可以实现10％以上的效率。
[0176]
实验
[0177]
coi8dfic合成。
[0178]
nmr光谱在500mhz varian nmr光谱仪上获得，并使用来自氘代溶剂的残留1h峰作为参考。使用silicycle35-75μm硅胶进行柱层析。预涂0.25mm厚硅胶60f254板用于分析tlc，并使用紫外线进行可视化。化合物a和d购自chemshuttle co。
[0179]
参考图7a，coi8dfic的合成密切遵循已知步骤，对如下所述的一些步骤进行了小的改变。合成从溴化物a开始，分两步得到溴代异构酯b和c，比例为～2:1。柱色谱法不能有效地分离所需的异构体b，因此采用了结晶。通过在室温下将材料溶解在纯dcm中开始b/c混合物的再结晶。缓慢加入et2o导致晶体形成。当et2o:dcm的最终比例达到3:1时，终止添加et2o。将溶液在室温保持过夜，用布氏漏斗过滤晶体并用冷et2o洗涤。分离的晶体导致所需异构体(10:1b:c)的纯度的显著提高，用于后续转化。进行随后的步骤直到获得coi8-cho。对于最后一个反应，发现延长反应时间会导致产率降低。coi8-cho和d之间的反应在3小时内终止，从而以91％的收率分离目标分子。噻吩itic的分子结构如图7b所示。
[0180]
模块制造。
[0181]
coi8dfic粉末聚集并溶解在二氯甲烷中(5分钟的超声处理)以制备目标浓度的溶液。对于“150mgl-1”的tlsc，150mgl-1
二氯甲烷溶液与(聚)-甲基丙烯酸丁酯-共-甲基丙烯酸甲酯(pbmma)(sigma-aldrich)以1:1的体积比均匀混合。将该复合混合物滴铸在5.08cm
×
5.08cm
×
0.635cm的玻璃板上(用于j-v表征)，并在充满氮气(o2，h2o《1ppm)的手套箱中干燥3小时，得到的层厚约0.5mm。相同的层结构应用于2.54cm
×
2.54cm
×
0.1cm(用于pl和qy测量)。对于光伏测量，将单晶太阳能电池(vikocell solar)用激光切割成5.08cm
×
0.635cm的条用于j-v和相应的eqe
lsc
测量，以及10.16cm
×
0.635cm的条用于位置相关的eqe测量。边缘安装的gaas pv(alta装置)按原样使用。对于j-v测量，使用折射率匹配凝胶(thorlabs)将两个pv条安装在正交边缘上，以将pv条连接到波导边缘并并联连接。其余两个边缘被涂成黑色以阻挡光线和光线的内部反射。对于eqe
lsc
测量，将一个pv条连接到波导的一个边缘，其他三个边缘涂成黑色。
[0182]
光学特性。
[0183]
在透射模式下，使用双光束lambda 800uv/vis光谱仪测量溶液和tlsc装置的镜面透射率(t(λ))。没有参考样品放置在参考光束侧用于固体膜tlsc的透射率测量。tlscs的反射率(r(λ))也使用lambda 800uv/vis光谱仪测量，其中，镜面附件安装在样品光束侧。吸收光谱通过以下等式获得：a(λ)＝1-t(λ)-r(λ)。通过使用pti quantamaster40荧光分光光度计在650nm处激发测量coi8dfic在氯苯溶液和聚合物基质中的pl。使用hamamatsu quantaurus荧光计测试光致发光量子产率，将扫描模式下的激发范围(每个扫描步骤为10nm)设置为650-750nm。报告的qy值是11个测量值的平均值。
[0184]
模块光伏特性。
[0185]
使用keithley 2420数字源表获取模拟am 1.5g太阳光照射下的j-v特性(氙弧灯与所有测试的tlscs的1.05计算光谱失配系数相结合)。使用带有kg5滤光片的nrel校准的
si参考二极管校准光强度。位置相关的eqe
lsc
测量使用带有校准的si检测器、单色仪、斩波器和锁定放大器的qth灯进行。通过乘以几何因子g＝π/tan-1
(l/2d)对每个距离(d)处测量的eqe
lsc
(λ)进行校正，这说明了在不同激励距离(d)下的边缘安装pv所面对的不同角度，其中l是lsc波导长度。使用相同的tlsc装置获得了一系列eqe
l
sc(λ)光谱，然后使用平均光谱表示整个装置，并综合以根据同一装置的相应j-v特性确定j
sc
。将哑光黑色背景放置在tlsc装置的背面，以在j-v和eqe测量中消除来自环境的照明或反射(双程的)。所有tlsc装置均使用相同的si或gaaspv电池进行测试，以消除任何pv对pv的性能差异。
[0186]
结果和讨论
[0187]
图6c绘制了溶解在氯苯溶液中并嵌入聚合物基质中的coi8dfic的归一化吸收光谱和发射光谱。从溶液到聚合物基质，吸收光谱和发射光谱都存在蓝移：吸收峰从770nm转移到745nm，发射峰从831nm转移到808nm，斯托克斯位移为～60nm。测得的qy在氯苯溶液中为23
±
1％，在聚合物基质中为25
±
3％，吸收宽度增加。对于nir发射范围而言，这是一个相对较高的qy，考虑到大多数市售量子点在此范围内的发射≤50％。相比之下，coi8dfic带隙在纯膜中减小(如应用于有机pv)，因此所报道的pv装置的外部量子效率(eqe)可以扩展到1050nm。当在玻璃上旋涂成纯层时，相应的吸收光谱确实在～1000nm处呈现出开始吸收，但量子产率显著降低到纯层在lsc结构中不可行的程度。因此，研究了该化合物在掺杂lsc结构中的应用。
[0188]
进一步关于coi8dfic吸收，对于光谱从溶液到聚合物基质膜的转变，有两种可能的解释——聚集和溶剂变色偏移。聚集通常导致吸收变宽，从而带隙减小。在图8a中，在不同的聚合物主体(eukitt vs.shandon)中测量了吸收光谱，发现吸收/带隙没有变化，而发射确实略有移动。如图8b所示，还通过将thf与水和纯膜混合来制备聚集溶液。聚集体和纯膜的吸收截止值彼此非常接近(橄榄曲线)，与溶液中的单体相比，显示出巨大的红移(～100nm)。相比之下，溶液和聚合物膜的吸收截止值非常接近(蓝色曲线)。因此，这更可能是与聚合物主体的折射率差异有关的溶剂变色偏移。与溶液和聚合物基质相比，纯膜和聚集体中的coi8dfic带隙减小，相应的吸收起始点也发生红移。
[0189]
tlsc装置形成在有效面积为25.8cm2的方形硼硅酸盐玻璃板上(波导长度(l)为5.08cm)。将coi8dfic分子溶解在二氯甲烷中，并与聚合物主体均匀混合。然后将该混合物滴铸到玻璃板上以形成coi8dfic/聚合物复合膜。以不同浓度制备二氯甲烷溶液中的coi8dfic，以调节nir中的总光吸收。si和gaas都被用作边缘安装pvs。si用于了解性能趋势，gaas用于降低热损耗并展示最佳性能。需要注意的是，只有当coi8dfic/聚合物pl截止值相对于900nm的gaas eqe截止值几乎理想地位于875nm时，才能使用gaas。将激光切割的si pv电池(或gaas pv电池)安装在两个正交边缘上并并联连接，同时将其他两个正交边涂缘成黑色(参见实验部分)。制备了具有五种不同coi8dfic浓度的tlsc装置，并对其光伏性能进行了表征。为了比较，添加了具有花青染料cy7-nhs的tlsc作为参考装置。图9a显示了这些tlscs的电流密度-电压(j-v)特性，图9b显示了平均位置相关的外部量子效率(eqe
lsc
(λ))谱。表1总结了光伏参数和美学质量指标(avt和cri)。与“cy7-nhs”对照(1.01
±
0.07macm-2
)相比，具有最低浓度50mg l-1
的tlsc显示出高30％的短路电流密度(j
sc
：1.29
±
0.03macm-2
)，同时显示出相似的开路电压(voc)和填充因子(ff)。相应的avt(84.4％对88.2％)和cri(91.3对92.0)非常接近。随着coi8dfic浓度增加至150mgl-1
，j
sc
进一步增加至
2.07
±
0.08macm-2
，avt(74.4％)和cri(80.0)略有降低，相应的pce达到0.54
±
0.03％。进一步将浓度提高到300mgl-1
仅将pce略微提高到0.61
±
0.05％，而avt(59.7％)和cri(63)的损失显著增加，其中蓝色色调增加。表1.tlscs的光伏和美学质量参数*tlsc边缘安装有gaas pv。
[0190]
从j-v特性中提取的j
sc
值由eqe
lsc
(λ)的集成j
sc
确定(在图9b中)。eqe
lsc
峰位置与图6c中的吸收光谱相匹配，有趣的是，由于coi8dfic通过可见光的中性吸收分布，部分eqe
lsc
贡献的量源自可见光范围。在eqe
lsc
测量中，由粒子聚集或边缘安装pv的直接照明引起的散射可以直接从eqe
lsc
光谱的形状中识别出来，瑞利散射随着波长的增加而减小，这将倾斜的背景叠加到发光体峰上。pv的直接照明将水平背景引入延伸至边缘安装pv的吸收截止的发光体峰。这两种影响都可能导致不准确的eqe
lsc
测量和高估的集成j
sc
。在eqe
lsc
光谱中既没有观察到短波长的瑞利散射，也没有观察到长波长的边缘安装pv电池的直接照明，这证实了eqe的贡献仅来自嵌入的coi8dfic的pl。
[0191]
为了探讨coi8dfic浓度对装置可扩展性的影响，具有三种不同coi8dfic浓度(50mgl-1
、150mgl-1
和300mgl-1
)，和具有“cy7-nhs”的tlsc系统(尺寸：10.16
×
10.16cm)通过位置相关的eqe
lsc
与从激发源到边缘安装pv电池的距离(d)的函数来表征。随着d从15mm增加到95mm，间隔10mm，对每个tlsc系统进行多次eqe扫描。校正的eqe
lsc
峰值被提取并绘制在图9c中。
[0192]“50mgl-1”的绝对吸收峰高度(a(λ)％＝49.6％)明显低于“cy7-nhs”对照组的绝对吸收峰高度(a(λ)％＝88.6％)，然而，eqe
lsc
峰高度彼此相似，如图9b所示。因此，这种30％的pce改善主要源于更宽的吸收峰和更高的qy。优异的发光特性可能是它成为光伏装置中如此高性能受体的原因之一，其中在显著低的带隙处的高qy意味着非辐射模式的减少。对于“150mgl-1”，增加的吸收峰高度(a(λ)％＝80.3％)和宽度都导致j
sc
的显著改善。进一步增加浓度，吸收峰高度达到一个稳定水平(对于“300mgl-1”，a(λ)％＝92.0％)，但增加的宽度会导致着色(低avt和cri)和更大的再吸收损失。这反映在相应的eqe
lsc
光谱中：与“150mgl-1”相比，“300mgl-1”显示出更宽的eqe
lsc
峰宽，但峰高度降低。归一化位置相关eqe
lsc
峰值的衰减趋势有助于分析再吸收损失行为：“50mgl-1”由于在该系列中的再吸收最低而呈现出最慢的衰减趋势。具有更高的发光体浓度的“150mg l-1”显示出更快的衰减曲线，然而，它仍然比“cy7-nhs”对照组稍慢。最后，在最高浓度下，“300mgl-1”和“cy7-nhs”由于在系列中最高的再吸收损失而具有非常相似的“滚降”行为。考虑到可扩展性、美学质量和光伏性能，发现150mgl-1
是最佳浓度。
[0193]
进一步阐明了相对于现有技术的增强的起源，如图10-10c和表2所示，从先前报道的cy7-nhs变到coi8dfic导致pce几乎翻了一番，qy从20％提高到25％(增加1.25倍)，并且波长选择性吸收增加1.63倍。表2.具有cy7-nhs和150mgl-1
coi8dfic的tlscs的波长选择性吸收比、qy和int.j
sc
比较；有和没有可见光贡献的达到实际极限的因素。
[0194]
为了探索具有不同g因子、边缘安装的pv和发光体的tlscs，具有不同g因子的方形tlsc装置的光伏性能：波导长度为10.16cm、厚度为3.175mm、g因子为8进行了制造和测试。如图11a-11b所示，平均集成电流密度为0.95macm-2
，而在coi8dfic浓度为150mgl-1
时为1.78macm-2
。pce预计为0.75％，voc和ff相似。
[0195]
此外，由于g因子和边缘安装pv保持不变，与cy7-nhs相比，coi8dfic的pce改善始终为80-100％，如表3所示。从si变到gaas使得voc和ff分别提高了2.2和1.4倍。因此，可以看出，发光体和匹配的pv电池的pce改善同样重要。表3.具有不同边缘安装pv、g因子和发光体的tlsc光伏参数汇总，如图11a-11b。
[0196]
如图10c和表2所示，将qy从25％提高到100％可以将pce提高4倍(从1.3％到
5.2％)。然而，通过更锐利的吸收光谱截止(例如，使用介电镜)提高uv和nir吸收效率将导致1.31倍的改进(pce从5.2％到6.8％)，同时进一步调整发射光谱以抑制再吸收，将导致1.26倍的提升(pce从6.8％到8.6％)。通过吸收20％的435-675nm可见光，集成j
sc
可以进一步从10.3macm-2
提高到13.5macm-2
(增强30％)，从而将pce提高到》11％。这强调了几个关键点：1)通过提高吸收效率可以获得与qy几乎相同的效果，以及2)选择性采集uv nir更有效地达到最高效率。总体而言，这类材料可实现10％以上的优化效率，当qy接近50％时，可实现5％以上的效率(avt》70％)并获得适度的增益。
[0197]
在这些nir选择性采集tlsc装置中，再吸收仍然是主要的损失机制，这可能会限制其应用于较小面积的应用。然而，斯托克斯位移和归一化吸收和发射光谱(图6c)都没有反映具有不同coi8dfic浓度的装置的实际可扩展性。此外，如图12a-12f所示，使用每个波长的光子平衡来检查所有透明光伏装置，其中eqe
lsc
(λ) t(λ) r(λ)≤1。为了量化这种行为，引入了一个称为重叠积分(oi)的有用设计参数，以方便地关联lsc系统中的再吸收损失。由于cy7-nhs和coi8dfic的发射宽度彼此明显不同，我们通过它们相应的发射光谱对oi进行归一化，以使用公式(2)解释任何光谱形状差异：其中，pl(λ)是聚合物基质膜中有机发光体的发射光谱，oi
*
是取决于厚度和/或浓度的修正重叠积分，较低的oi
*
有利于提高效率和改善可扩展性。计算的oi
*
从最低到最高程度的趋势为：“50mgl-1”(0.249)、“150mgl-1”(0.467)、“cy7-nhs”(0.470)和“300mgl-1”(0.618)，这与这些tlscs的衰减趋势非常吻合。
[0198]
为了从tlsc装置的独立eqe
lsc
(λ)、透射率(t(λ))和反射率(r(λ))光谱测量确认光子平衡的有效性，图13a中“150mgl-1”的每个波长处满足eqe
lsc
(λ) t(λ) r(λ)≤1。图12a-12f显示了所涉及的其余tlsc装置的光子平衡检查。在此关系中使用位置相关eqe
lsc
光谱中的最高eqe
lsc
(λ)(在最小d处获得，而不是图9b中的平均值)，以确保整个系列满足光子平衡。
[0199]
cielab颜色空间坐标(a
*
,b
*
)是量化窗户行业中透射光的渲染颜色保真度的关键品质因数。入射的am 1.5g位于原点(0,0)(作为中性点)，并且tlscs的(a
*
,b
*
)位置如图13b所示。由于nir吸收峰的末端吸收延伸到vis(大部分为红色)，因此，tlscs的a
*
和b
*
均为负值。“50mgl-1”和“cy7-nhs”的坐标非常接近，可以在tlsc照片中观察到(图13d)。随着coi8dfic浓度的增加，位置沿着近似直线远离原点，渲染的颜色逐渐变得更蓝。在最高浓度时，相应的(a
*
,b
*
)移动到所示刻度之外，表明“300mgl-1”不再适用于玻璃系统。
[0200]
lsc装置的输出电压由边缘安装的pv电池确定。理想情况下，使用具有与发光体的发射边缘相邻的带隙的pv电池可以有效地降低电压损失(降低pv中的热化损失)并改善整体pce。进一步增加边缘安装pv的带隙可能导致输出电压和可收集电流之间的直接折衷。由于coi8dfic发射峰边缘在900nm左右，gaas是一种近乎理想的pv，其eqe截止最接近coi8dfic发射峰边缘。因此，作为这种潜在改进的一个例子，gaas pv电池被集成到“150mgl-1”和“300mgl-1”的tlscs上以取代sipvs。j-v曲线绘制在图13c中。“150mgl-1”的具有gaas的装置测得的j
sc
为1.54
±
0.05macm-2
，voc显著提高为0.99
±
0.01v，ff为81
±
1％，以致pce为1.24
±
0.04％。“300mgl-1”表现出与“150mgl-1”非常相似的光伏性能。图13c的插入图中提供了平均eqe
lsc
光谱；eqe
lsc
峰宽稍宽，“300mgl-1”的峰高度低于“150mgl-1”的峰高度，但可见光范围的贡献更大，因此“150mgl-1”和“300mgl-1”的集成j
sc
值分别为1.78macm-2
和1.77macm-2
，这些值与j-v特性的j
sc
值非常吻合。
[0201]
lue提供了一个指标，用于在同一尺度上系统地比较具有不同avt总体水平的透明pv装置。在图13b的插入图中，tlsc装置的lue被绘制为与avt的函数。对于si边缘安装的pvs，“cy7-nhs”控制tlsc的lue为0.21，而coi8dfic tlscs的lue在“150mgl-1”时达到0.41的峰值。进一步增加浓度可以略微提高pce，但会显著降低avt。对于gaas pv，“150mgl-1”和“300mgl-1”的lue值分别为0.92和0.74。据我们所知，“150mgl-1”是第一个关于avt超过70％和pce超过1.2％的tlsc装置的报导。表4中显示了先前报导的lsc/tlsc性能参数的概述，以供比较。表4.报导的lsc/tlsc装置的概述表4.报导的lsc/tlsc装置的概述
[0202]
为了表明这些非富勒烯受体是lsc和tlsc开发的引人注目的平台，第二种流行的非富勒烯受体ieico-4f(图14a)被表征并集成为tlscs的发光体。聚合物基质中相应的a(λ)、pl(λ)和eqe
lsc
(λ)(图14b-14d)与coi8dfic相似，qy略低，为20
±
2％(eukitt)。这增强了这类低带隙有机分子的有益性质。
[0203]
由于光谱吸收范围接近理想，且与gaas耦合良好(其已经接近shockley-queisser极限)，可以通过仅考虑将nir发光体的qy从25％(测量值)提高到～90％-100％，即可估算该装置排列/分子基序的实际极限。例如，这可以通过对核心分子基序进行化学修饰以通过刚性化来减少非辐射模式来实现。在此极限下，在相同的高水平的avt下，pce将达到略高于5％的效率，同时接近创纪录的7％的不透明lsc。使用这种方法可以达到10％以上的实际极限。
[0204]
总之，非富勒烯受体作为发光体引入lscs和tlscs。coi8dfic已成为有机光伏领域的重磅受体，并具有优异的发光性能，得到了广泛的研究。我们系统地研究了coi8dfic浓度对pce、美学质量和可扩展性的影响。装置优化后，显示tlscs的pce超过1.2％，而avt超过74％，cri超过80。该示例报告了在最高可见透明度下的最高tlsc装置效率，并强调了这些低带隙有机分子的光致发光特性提供了更高的tlsc性能。实施例2
[0205]
可见透明发光太阳能聚光器(tlsc)选择性地采集太阳光谱的紫外线(uv)、近红外(nir)部分，并将入射的太阳能转化为电能。由于tlscs的主要应用包括建筑围护结构、温室、汽车、标牌和移动电子产品，因此在实际部署中保持美观和功能与实现高功率转换效率(pce)一样重要。在本实施例中，将大规模下移的磷光纳米团簇(nc)和荧光有机分子分别作为uv和nir选择性采集发光体引入tlsc系统。展示了uv和nir双频带选择性采集tlscs具有超过3％的pce，同时平均可见透射率(avt)超过75％，显色指数(cri)接近90。由于独特的波长选择性和对入射太阳光谱的不可见部分的有效利用，本实施例报告了在最高透明度下的最高tlsc pce，展示了透明太阳能技术商业化的途径。
[0206]
介绍
[0207]
建筑集成光伏技术(bipv)可以将新的和现有的基础设施表面转换为发电源，从而显著降低传输中的电损耗。为了最大限度地提高入射太阳能的输出，应在整个建筑围护结构上部署集成，包括外墙和屋顶区域。对于壁板和窗户区域，这要求bipvs不会损害美学质量。可见透明光伏(tpv)技术选择性地采集太阳光谱的uv和nir部分，并允许可见(vis)光通过，将不可见部分的光转化为电能，以满足现场能源需求。此外，tpvs还可以很容易地集成到其他较小的区域，包括温室、(电动)汽车、(自主)移动电子产品和纺织品，从而大大提高能源利用效率。
[0208]
tpv技术的实际部署需要具有高pce和良好美学质量(高avt和cri)。因此，在太阳光谱的不可见部分最大限度地采集光是有益的，同时在uv/vis和vis/nir边界处精确调整吸收截止边缘，以最大化可见光透射(435-675nm)。在过去的5年中，已努力在tpvs中实现高pce和可见透明度。例如，有机金属卤化物钙钛矿材料的带隙通过成分工程精心调整，用于uv选择性采集tpvs；一系列新型低带隙聚合物供体和非富勒烯受体已被应用于有机光伏装置，并展示了优异光伏性能和明显近红外选择性；利用可见光光子的光学输出耦合层、近红外光子的分布式布拉格反射器和各种类型的透明电极，可以同时提高可见光的透明度和不
可见光子的利用率。目前，薄膜tpvs的pce已达到约8-10％，然而，由于电极、活性层和非理想波长选择性的大量依附吸收，报告的最高avt约为40-50％。
[0209]
或者，透明发光太阳能聚光器(tlscs)通过波导光致发光(pl)将太阳能转换光学转移到边缘安装的传统pv电池。在活性区域上不存在任何电极的情况下，结构的简单性使得具有不同波长选择性的tlscs能够实现尽可能高的可见透明度，从而避免了薄膜tpvs的若干挑战并简化了制造。先前关于具有nir采集的tslcs的大部分工作具有限制uv采集的吸收曲线，以及高达约1％的pces，70％以上的avts，0.7的光利用效率(lue，等于pce x avt)。报告的最高半透明lsc装置的pce为2.2％，avt为44％(lue为0.97)，并呈棕色色调。lsc波导中可以加入多种具有不同波长选择性的发光体，以最大限度地提高光采集的光谱覆盖范围、增强光伏性能并平衡颜色中性。这里，高发光磷光纳米团簇和荧光有机分子分别作为分离的uv和nir选择性采集发光体引入tlscs。纳米团簇选择性地采集uv光子，同时表现出大于70％的qy和将发光向nir的大量下移。为了有效地配对这些发射器并防止nir吸收有机荧光团中纳米团簇发射的依附再吸收损失，显示了隔离吸收/发射带的有效策略。由于不可见光子的有效利用和发光体的高光致发光量子产率(qy)，相应的双频带选择性采集tlsc表现出超过3％的pce。独特的uv和nir选择性为tlsc提供了卓越的美学质量(avt超过75％，cri接近90)。这些双频带tlsc还显示出良好的光稳定性，在300小时的恒定照明下退化极小。本实施例不仅报告了具有最高pce的tlsc装置(据我们所知)，而且还展示了一种以美学方式有效利用太阳光谱的新颖设计。
[0210]
实验
[0211]
纳米团簇合成。
[0212]
1)将cs2mo6i
14
:moi2粉末(2a生物技术(2a biotech))与csi粉末(sigma-aldrich)以3:1的化学计量比均匀混合。然后将混合物转移到石英安瓿(12厘米长，1.5厘米直径)中，并在真空下密封安瓿。将安瓿在750℃的反应温度下加热72小时以形成cs2mo6i
14
。冷却至室温后，将安瓿中的粉末溶解在丙酮(酒红色澄清溶液)中，滤出未溶解的杂质(未反应的黑色粉末)。通过旋转蒸发器干燥cs2mo6i
14
溶液中的丙酮溶剂以形成红色cs2mo6i
14
粉末。
[0213]
2)cs2mo6i8(cf3cf2coo)6：称量cs2mo6i
14
并溶解在丙酮中，然后将五氟丙酸银(cf3cf2cooag)(sigma-aldrich)以6:1的化学计量比添加到cs2mo6i
14
溶液中。将反应在黑暗和氮气气氛中保持48小时。配体交换反应后，滤出沉淀agi，通过旋转蒸发器干燥溶液(苹果酒色(cider-colored))，得到橙色cs2mo6i8(cf3cf2coo)6粉末。cs2mo6i8(cf3coo)6或cs2mo6i8(cf3cf2cf2coo)6纳米团簇可以通过使cs2mo6i
14
和cf3cooag或cf3cf2cf2cooag反应以类似步骤来制备。
[0214]
3)如上所述合成coi8dfic。基于图15中提供的反应方案合成bodipy。
[0215]
模块制造。
[0216]
1)uv组分：称取cs2mo6i8(cf3cf2coo)6纳米团簇粉末，溶解在乙醇中，以制备目标浓度的溶液。乙醇溶液与封固剂(fluoroshield f6182,sigma-aldrich)以1:2的体积比混合。
[0217]
2)nir组分：将bodipy或coi8dfic粉末溶解在二氯甲烷中以制备溶液。将二氯甲烷溶液与封固剂(shandon,thermo fisher scientific)以1:1的体积比混合。将该混合物滴铸在50.8mm
×
50.8mm
×
6.35mm(用于j-v表征和平均eqe
lsc
测量)和101.6mm
×
101.6mm
×
6.35mm(用于位置相关的eqe
lsc
)的硼硅酸盐玻璃板上，并在充满氮气(o2，h2o《1ppm)的手套
箱中干燥6小时。干燥后，通过uv固化环氧树脂(delo)将两个组分围绕边缘封装在一起，使两个复合膜彼此相对。边缘安装的gaas pv(alta装置)按原样使用。对于j-v测量，使用折射率匹配凝胶(thorlabs)将两个pv条安装在正交边缘上，以将pv条连接到波导边缘，并并联连接。其余两个边缘被涂成黑色以阻挡光线和光线的内反射。对于eqe
lsc
测量，一个pv条连接到波导的一个边缘，其他三个边缘涂成黑色。
[0218]
光学特性。
[0219]
使用双光束lambda 800uv/vis光谱仪在透射模式下测量tlsc装置的镜面透射率(t(λ))。没有参考样品放置在参考光束侧用于固体膜tlsc透射率测量。tlscs的反射率(r(λ))也使用lambda 800uv/vis光谱仪进行测量，其中，镜面附件安装在样品光束侧。通过以下等式获得吸收光谱：a(λ)＝1-t(λ)-r(λ)。使用pti quantamaster 40荧光分光光度计分别在400nm、650nm和650nm激发下，测量聚合物基质中nc、bodipy和coi8dfic的pl。通过使用hamamatsu quantaurus荧光计测试光致发光量子产率。
[0220]
模块光伏特性。
[0221]
使用keithley 2420数字源表获得模拟am 1.5g太阳照明下的j-v特性(氙弧光灯与所有测试的tlscs的1.05计算光谱失配系数相结合)。使用带有kg5滤光片的nrel校准的si参考二极管校准光强度。位置相关的eqe
lsc
测量是使用带有校准的si检测器、单色仪、斩波器和锁定放大器的qth灯进行的。通过乘以几何因子g＝π/tan-1
(l/2d)对每个距离(d)处测量的eqe
lsc
(λ)进行校正，这解释了在不同激励距离(d)下的边缘安装pv所面对的不同角度，其中l是lsc波导长度。使用相同的tlsc装置获得一系列eqe
lsc
(λ)光谱，然后使用平均光谱表示整个装置，并进行积分，综合以根据同一装置的相应j-v特性确定j
sc
。将哑光黑色背景放置在tlsc装置的背面，以在j-v和eqe测量中消除来自环境的照明或反射(双程的)。所有tlsc装置均使用相同的gaas pv电池进行了测试，以消除任何pv到pv的性能差异。
[0222]
结果
[0223]
双频带tlsc装置由两个分离的波导组成，如图16a所示，其中一个波导中含有uv组分，另一个波导含有nir组分。气隙用于光学隔离每个面板中的波导发光，以防止依附再吸收并增加可扩展性。对于更实际的部署，可以用性能几乎没有变化的低指数聚合物、金属氧化物、玻璃或胶水代替。
[0224]
顶部uv组分基于高磷光六核纳米团簇(图16b显示了cs2mo6i8(cf3cf2coo)6nc的化学结构)。实验部分提供了合成的详细信息。通过将nc/聚合物混合物滴铸到方形硼硅酸盐玻璃板上以形成均匀的复合膜来制造波导。聚合物中的nc的归一化吸收和发射光谱也显示在图16b中，光谱显示在uv/vis边界处的带吸收截止和在vis/nir边界处的nir发射开始，在聚合物基质中具有超过300nm的大量下移和相应75
±
5的qy，这使得nc成为tlsc应用的良好uv选择性采集发光体。
[0225]
底部波导基于有机染料分子。在有机和分子半导体中，光吸收源于从基态到激发分子轨道的转变。激发的分子态之间的能量差形成态密度的不连续性。因此，可以调整这些能隙以在tpv应用中传输可见光子。在这项工作中，两种不同的有机发光体被用作nir选择性采集器：coi8dfic(也称为o6t-4f)，它已被开发为有机光伏中具有优异性能的非富勒烯受体；以及在nir中具有高量子产率的新型bodipy分子(合成细节在实验部分提供)。聚合物基质中这些nir组分的分子结构、归一化吸收光谱和发射光谱分别显示在图16c和图16d中。
类似地，还通过将染料/聚合物混合物滴铸到玻璃板上以形成均匀的复合膜来制造nir选择性采集波导。coi8dfic的吸收峰在745nm，发射峰在808nm，在聚合物基质中表现出约60nm的斯托克斯位移和25
±
3的qy。与coi8dfic相比，bodipy的吸收峰更窄，斯托克斯位移更小，但显著更高的40
±
3％的qy是nir发射范围内的最高值。由于氧可以吸收三线态激子以形成单线态氧物质，从而增加nc中的非辐射复合速率，因此当暴露于氧时qy会显著降低。因此，有必要沿波导边缘用环氧树脂封装波导，使两个复合膜彼此相对。
[0226]
对于lscs，理想的是选择边缘安装的pv电池，其带隙与发光体的发射边缘相邻。这允许采集和转换所有波导pl，同时最大限度地减少由于热化引起的电压损失。如图16b、16c和16d所示，nc、coi8dfic和bodipy的所有三个发射边缘均低于900nm，因此，gaas是这些发光体的近乎理想的边缘安装pv电池选择，以最大限度地提高性能。因此，gaas电池安装在双波导的一个边缘用于eqe测量，并安装在两侧上用于jv测量，其中两者都针对等效的四边缘安装进行了相应的校正。
[0227]
制备了具有两种发光体组合(nc coi8dfic和nc bodipy)的双频带tlsc装置，并对其光伏性能进行了表征。为了比较，添加了仅含nc(10mg/ml)的tlsc作为参考装置。在am 1.5g照明下测量的这些tlscs(有效面积为5.08
×
5.08cm2)的电流密度-电压(j-v)特性如图17a所示。仅nc的tlsc显示出2.5
±
0.2macm-2
的短路电流密度(j
sc
)、1.01
±
0.01v的开路电压(voc)和80
±
1％的填充因子(ff)，导致2.0
±
0.1％的pce。当将有机染料添加到具有相同uv成分的tlscs中时(nc浓度保持在10mg/ml)，对于nc coi8dfic和nc bodipy tlscs，j
sc
值分别提高到3.6
±
0.2macm-2
和3.8
±
0.1macm-2
，同时表现出相似的voc和ff，导致相应pce分别达到2.9
±
0.1％和3.01
±
0.07％。平均位置相关的外部量子效率(eqe
lsc
(λ))光谱如图17b所示。对于仅nc的tlsc，eqe
lsc
的贡献仅源自uv选择性采集nc的光吸收。从eqe
lsc
轮廓中既没有观察到由粒子聚集引起的瑞利散射，也没有观察到边缘安装pv的直接照明。这也证实了装置的雾度非常小(《10％)。对于nc coi8dfic和nc bodipy tlscs，uv和nir峰都出现在其相应的eqe
lsc
光谱中，这是双频带选择性采集的结果。eqe
lsc
峰位置与相应发光体的吸收光谱相匹配。eqe
lsc
峰高度由发光体qy值和绝对吸收光谱确定。对于相同的uv部件，所有三个tlscs的nc贡献几乎相同。对于这些装置尺寸，与coi8dfic相比，bodipy的略高的绝对吸收峰和显著更高的qy导致显著更高的eqe
lsc
峰。作为任何光伏装置最重要的一致性检查之一，从j-v特性中提取的j
sc
值由来自eqe
lsc
(λ)的集成确定。仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy tlscs的值分别为2.42macm-2
、3.60macm-2
和3.89macm-2
，并且它们与j-v曲线中的j
sc
非常匹配。虽然nc bodipy tlsc中bodipy的eqe
lsc
峰高于nc coi8dfic tlsc，但是，coi8dfic的宽吸收宽度补偿了其较低的吸收峰和qy，导致nir组分的贡献相似。
[0228]
一系列位置相关的eqe
lsc
谱可用于理解lsc系统的可扩展性。双频带tlsc系统被制造成更大的尺寸(10.16
×
10.16cm2)，nc coi8dfic和nc bodipy tlscs在不同d下的eqe
lsc
系列分别绘制在图17c和17d中，其中d是沿方形波导中心线的入射激发束和边缘安装光伏电池之间的距离(详见实验部分)。在图17e和17f中，每个单独扫描的uv和nir峰值都被提取、归一化并绘制为d的函数。仅nc、仅coi8dfic和仅bodipy tlscs也被制造作为参考。随着nc的大量下移，再吸收损失可以忽略不计，使得仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy tlscs的uv峰值随着d的增加几乎保持不变。需要注意的是，可以用高效的下变频器替换nc，使得每个吸收的uv光子发射两个或更多个nir或ir光子。然而，由于coi8dfic和bodipy的吸收光谱和发
射光谱之间的重叠明显更强，与uv峰相比，再吸收损失导致nir峰衰减更明显。如图17e和17f所示，双频带tlscs的uv和nir峰衰减行为分别与仅nc、仅coi8dfic和仅bodipy tlscs非常相似。鉴于eqe
lsc
光谱每个范围内衰减趋势的相似性，波导的隔离有效地实现了每个波导内的全内反射，从而使uv和nir组分独立运行。
[0229]
美学质量与任何tpv装置的光伏性能同等重要，这决定了tpv装置是否可以在某些实际应用中部署。图18a中绘制了仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy tlscs的透射光谱(t(λ))以及人眼的明视响应(v(λ))，以进行比较。nc在uv/vis边界处显示吸收截止边缘，而bodipy在vis/nir边界处显示nir频带吸收开始。然而，coi8dfic的宽nir频带吸收扩展到红色/近红外(nir)范围，导致较低的可见光透射率和轻微的蓝色色调。t(λ)用于量化美学质量的主要品质指标：avt、cri和cielab颜色空间坐标(a
*
,b
*
)。由于具有良好的uv选择性，仅nc tlsc显示出81.9％的avt和91.3的cri。对于双频带tlscs，nc coi8dfic tlsc的avt和cri分别下降到65.6％和82.9。由于bodipy具有更好的nir选择性，nc bodipy tlsc的avt和cri分别提高到75.8％和88.3。
[0230]
讨论
[0231]
系统地研究了nc浓度对仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy tlscs的美学质量和光伏性能的影响。cielab颜色空间坐标(a
*
,b
*
)通常用于评估玻璃和玻璃窗装配行业产品可接受的着色范围。作为tpvs的“参考光源”，入射am 1.5g位于原点(0,0)(无色或中性)，并且(a
*
,b
*
)坐标在图18b中绘制为nc浓度的函数。这些tlscs分为三组：仅nc组、nc coi8dfic组和nc bodipy组，每组内nc浓度(1、2、5、10和20mg/ml)是唯一的变量。此外，仅包含coi8dfic和仅包含bodipy的tlscs作为参考。如图18b所示，coi8dfic或bodipy的掺入导致a
*
的负值，这是由于扩展的nir吸收进入红色范围。仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy tlscs的b
*
随着nc浓度从1增加到5mg/ml而增加，而如果浓度进一步增加到10mg/ml以上，则会导致tlsc美学质量和|b
*
|值大幅下降至窗户行业不太接受(》10)。
[0232]
可见吸收半导体材料也可以用作tpv应用中的活性层。具有足够薄的厚度或微分段结构的活性层允许一部分可见光透射，从而产生部分可见光透明度。然而，光伏性能和可见光传输之间存在直接的权衡。如图18b所示，435-675nm范围内的任何吸收分布都可能导致avt、cri的急剧下降，以及(a
*
,b
*
)与cielab原点的偏差增加。因此，这种类型的装置有时被称为“半透明”pv或非波长选择性tpv。虽然不透明pv的理论shockley-queisser(sq)极限为33.1％，但随着avt增加到90％，非波长选择性tpv的pce接近0％。非波长选择性tpv的sq pce极限线如图19a所示。而仅采集uv(《435nm)和nir光子(》675nm)的波长选择性tpv或tlsc的sq pce极限超过20％(20.6％)，avt接近100％(99.4％)。sq极限线右侧的区域反映了只有通过波长选择方法才能实现的目标pce和avt组合。所有三组tlscs(包括仅coi8dfic和仅bodipy参考)的pce值与avt(60-100％范围)的函数绘制在图19a中。我们注意到仅coi8dfic和仅bodipy的参考tlscs不需要用额外的玻璃板封装。结构简单减少了它们的反射损耗，因此提高了整个光谱的整体透射率。在所有这些装置中，仅bodoipy tlsc是最接近sq pce极限线的，因为它具有良好的nir选择性。随着nc浓度从1增加到10mg/ml，仅nc组的pce与avt趋势线保持几乎平行于sq pce极限线的趋势，直到由于末端吸收进入可见光中，其开始偏离10mg/ml以上。随着nc浓度的增加，nc coi8dfic组和nc bodipy组也显示出类似的趋势，nir组分的加入显著提高了双频带选择性采集tlsc系统的pce超过3％(高达3.4％)，并略微
降低了avt。光利用效率(lue，定义为pce和avt的乘积)提供了一个指标，用于在同一尺度上系统地比较tpvs与不同水平的avt值。所有tlscs的lue与其相应avt的函数以及sq lue极限线绘制在图19b中。虽然气隙或扩展的nir吸收进入红色范围导致avt水平略微降低，但由于双频带选择性采集，lue仍获得显著改善，即双频带tlsc系统可以更有效地利用不可见光子发电，同时展现出良好的美学质量。
[0233]
考虑进一步提高性能以接近tpv和tlsc极限的方法。《435nm的光子通量仅为am 1.5g的约8％。收集》435nm的光会迅速导致淡黄色或棕色(正b
*
值)，这对于大多数窗户应用来说是不可接受的。相比之下，675nm和边缘安装pv电池(例如si、gaas等)的吸收截止之间的nir范围与am 1.5g光子通量的峰值一致，具有更大的发电潜力。即使吸收扩展到红色范围，产生的蓝色调(负a
*
值)在视觉上也更容易接受，这为nir选择性采集发光体提供了更大的设计自由度，甚至可以帮助补偿因过多黄色调而导致的不良b
*
值。近年来，包括量子点和纳米团簇在内的各种uv吸收发光体的qy逐渐提高到80％以上，进一步提高不仅具有挑战性，而且相当有限。相比之下，nir发光体的qy目前在20-35％的范围内。然而，通过化学设计仍有很大的希望将qy提高到60-80％。例如，如图17b所示，对于nc bodipy tlsc，尽管nc峰比bodipy峰强得多(由于nc的qy更高，再吸收损失更小)，但是，nir组分的贡献与uv组分的贡献相当(2.4ma/cm
2 vs.1.5ma/cm2)。因此，未来tlsc发展的努力应主要集中在：1)提高nir选择性采集发光体的qy(在不改变美观的情况下允许nir贡献提高2-3倍)；2)在uv/vis和vis/nir边界附近具有明显的波长选择性，以实现更高的可见光透射率和更好的显色性；3)分离nir发光体的吸收和发射光谱以抑制再吸收损失。考虑到双频带tlsc在uv和nir成分中qy均为～80％的以及理想的波长选择性，j
sc
贡献的大部分(》75％)应来自其nir组分，预计总体pce为～7％，同时avt》80％和cri》90。如图19a和19b所示，这种pce和avt组合位于sq pce和lue线之上，适合于在大多数实际应用中部署。
[0234]
光子平衡是必要的一致性检查，以确认独立测量包括每个波长的eqe
lsc
(λ)、t(λ)和反射率r(λ)的有效性。本工作中所有tlsc装置的光子平衡在图20a-02c中显示是一致的。长寿命性能是实际部署中的另一个关键特性。研究了所有仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy tlscs的光稳定性。在图21a-21c中绘制了在恒定照明下，仅nc、nc coi8dfic和nc bodipy的吸收光谱(a)的归一化吸收峰值、eqe
lsc
和内部量子效率(iqe
lsc
)与时间的函数。在持续照明300小时后，所有参数几乎保持不变，因此，这些tlsc装置表现出优异的光稳定性。
[0235]
综上所述，通过将高发射磷光六核金属卤化物纳米团簇和有机发光体uv和nir选择性采集发光体相结合，设计并展示了双频带选择性采集tlsc装置。从太阳光谱的uv和nir部分采集不可见光子导致pce》3％，在uv/vis和vis/nir边界处的精确波长选择性导致avt》75％和cri接近90。随着nir量子产率的进一步提高，这种方法导致装置的效率接近10％。凭借高光伏性能、优异的美学质量和长期的光稳定性，该实施例揭示了tlsc技术在多种应用中作为发电来源的巨大潜力，为有效和普遍利用太阳能提供了途径。
[0236]
为了说明和描述的目的，已经提供了上述实施方案的描述。其并非旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的单个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下是可互换的，并且可以在选定实施方案中使用，即使没有具体示出或描述。其也可以以多种方式变化。这些变化不应被视为背离本公开，并且所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。