Concentrador solar luminiscente y dispositivo fotovoltaico que lo comprende.
Concentrador solar luminiscente que comprende un sustrato en el que dispuesta una matriz de polímero orgánico al menos semitransparente,
en la que están distribuidas moléculas fluorescentes orgánicas capaces de absorber radiación solar, estando al menos parte de las moléculas fluorescentes asociadas entre sí por interacciones dipolares capaces de transferir energía no radiativa de una a otra, siendo la matriz de polímero orgánico una matriz monocapa (3) en la que está distribuidos al menos tres grupos de moléculas fluorescentes orgánicas (7, 8, 9) diferentes, asociadas entre sí de manera que forman cascadas de transferencia de energía no radiativa mediante transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331943.
Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: GOMEZ PLAZA,DAVID, DELGADO SÁNCHEZ,José María, SÁNCHEZ-CORTEZÓN,Emilio, SANCHO MARTÍNEZ,Diego, MARTÍNEZ DÍEZ,Ana Luisa, MENÉNDEZ VELÁZQUEZ,Amador.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L31/055 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › donde la luz es absorbida y re-emitida en una longitud de onda diferente por el elemento óptico directamente asociado o integrado con la célula fotovoltaica, p. ej. mediante el uso de material luminiscente, concentradores fluorescente o disposiciones de conversión ascendente.
PDF original: ES-2551015_A1.pdf
Fragmento de la descripción:
CONCENTRADOR SOLAR LUMINISCENTE Y DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO QUE LO COMPRENDE Campo de la invención
La presente invención pertenece al sector de la tecnología solar y particularmente al campo técnico de tecnología de los concentradores solares luminiscentes.
Antecedentes de la invención
El concepto del concentrador solar luminiscente, que en la literatura también se identifica por su abreviatura "LSC" de su denominación en inglés "Luminiscent Solar Concentrator", se ideó en los años 70 del siglo pasado, y puede definirse como un elemento ópticamente activo que capta radiación solar incidente en una superficie de entrada, y la concentra en al menos una de sus superficies de salida que tiene un área más reducida, donde células solares la convertirán en electricidad. De esta forma es posible abaratar costes, al reducir el tamaño de las células solares. El concentrador solar luminiscente es susceptible de captar y convertir mediante luminiscencia tanto la radiación solar directa como la difusa. Incorpora materiales luminiscentes que absorben una banda de longitudes de onda amplia del espectro de la radiación solar entrante y la convierten en radiación de salida de un ancho de banda más estrecho con longitudes de onda más largas.
Habitualmente, la superficie de entrada es una superficie mayor del concentrador solar luminiscente y la superficie de salida es la superficie de al menos uno de sus bordes.
Se conocen diversas estructuras de concentradores solares luminiscentes susceptibles de atrapar la radiación solar entrante en su interior, y de guiar la radiación emitida por los materiales luminiscentes hacia la superficie de salida, mediante reflexión total interna, debido a la diferencia en los índices de refracción entre el concentrador solar luminiscente y el medio externo.
Así, por ejemplo se han descrito concentradores solares luminiscentes que comprenden al menos un cuerpo transparente en cuyo interior los materiales luminiscentes están distribuidos de forma sustancialmente homogénea, como por ejemplo una matriz dopada con moléculas luminiscentes, o que comprenden una placa transparente recubierta en al menos de sus superficies mayores de una lámina o película que incorpora los materiales luminiscentes. Típicamente, la radiación emitida por los materiales luminiscentes es guiada hacia el o los bordes por reflexión interna en las caras internas de las superficies mayores superior e inferior del concentrador solar luminiscente.
Al respecto, en diversas publicaciones se describen concentradores solares luminiscentes de este tipo que comprenden placas de vidrio dopado con moléculas luminiscentes inorgánicas y placas de matrices orgánicas poliméricas (por ejemplo de polimetilmetacrilato - PMMA) dopadas con moléculas luminiscentes orgánicas. En este tipo de concentradores solares luminiscentes, los dopantes deberían absorber la parte máxima posible del espectro de la radiación solar y re-emitir la mayor parte de la energía absorbida en forma de luminiscencia de longitud de onda larga, y las matrices deberían ser transparentes a las longitudes de onda emitidas.
La eficiencia de conversión ("quantum yield") de estos materiales luminiscentes suele ser baja, ya que la mayor parte de los fotones absorbidos se pierden en forma de calor ("fonones"), lo cual, en conjunto con el espectro de absorción estrecho, hace que las aplicaciones de materiales luminiscentes sean escasas porque la radiación que un material luminiscente es capaz de direccionar sobre la célula solar fotovoltaica es poca, es decir, los fotones emitidos en la longitud de onda deseada, son pocos, de manera que la electricidad producida por célula solar fotovoltaica también es reducida. Además, presentan graves problemas de reabsorción, ya que el espectro de la radiación emitida se solapa en gran medida con el de la radiación absorbida. Esto disminuye la eficiencia del concentrador solar luminiscente conforme aumentan sus dimensiones, lo que impide la escalabilidad.
Por otra parte, los materiales luminiscentes sólo tienen la capacidad de absorber radiación en un cierto intervalo estrecho de longitudes de onda (en torno a los 50nm o 100nm), y re-emitirla en otro intervalo de longitud de onda mayor. Para mitigar estos problemas se han descrito concentradores solares luminiscentes multicapa ("stacks" de concentradores luminiscentes) en los que cada una de las capas comprende un único material luminiscente que absorbe radiación solar específica en una zona determinada del espectro. El material luminiscente en cada capa luminiscente actúa simultáneamente como absorbente y emisor. El principal problema es que también emiten en una zona específica del espectro, por lo que se necesita una célula solar fotovoltaica diferente para captar la radiación generada en cada una de las capas luminiscentes. Ello encarece excesivamente el sistema conjunto, al tiempo que no lo hace viable para la integración arquitectónica.
También se han descrito concentradores solares luminiscentes, como por ejemplo, en los documentos de
patente W02009091773A2 y US20110168236A1, que comprenden una capa con una matriz transparente de polímero orgánico fluorescente en el que está distribuida sustancialmente homogéneamente, una molécula fluorescente orgánica. Entre el polímero fluorescente (que actúa como matriz de soporte) y la moléculas fluorescente son capaces de capturar energía solar en un espectro de radiaciones electromagnéticas, en la que la radiación solar absorbida por el polímero se transmite de forma no radiativa a la molécula mediante transferencia de energía por resonancia de Fórster (FRET), la cual se basa en un proceso físico en el que un cromóforo excitado (en este caso el polímero fluorescente, excitado por la radiación solar) se transfiere a un segundo cromóforo (en este caso la segunda molécula o molécula dopante) de forma no radiativa.
En este caso, las moléculas luminiscentes del primer tipo actúan como captadores de radiación solar de una primera banda de longitudes de onda del espectro solar y donores de energía no radiativa, mientras que las moléculas luminiscentes del segundo tipo actúan como aceptores de la energía no radiativa y emisores de radiación en una banda de longitudes de onda más larga que la primera banda.
Para poder absorber otras partes del espectro solar, este tipo de concentradores solares luminiscentes puede comprender una o más capas luminiscentes adicionales con respectivas matrices transparentes dopadas de moléculas luminiscentes que absorben respectivas otras partes del espectro solar, y la luminiscencia emitida en cada capa es dirigida hacia una célula solar fotovoltaica específica para cada capa.
No obstante, al sólo incorporar un máximo de dos tipos de moléculas luminiscentes en cada capa, estos concentradores solares luminiscentes siguen adoleciendo, aunque sea en un grado algo menor, de un espectro de absorción estrecho, y/o de la necesidad de contar con concentradores solares adicionales dispuestos en correspondencia con cada capa luminiscente, cada uno de los cuales debería llevar acopladas células solares específicas, optimizadas para que el espectro de emisión del concentrador solar luminiscente solape en gran medida con la banda prohibida (en inglés "bandgap") de la correspondiente célula solar fotovoltaica receptora de la radiación. El que una de las especies luminiscentes sea el polímero que sirve de soporte a la molécula fluorescente condiciona el rango de concentraciones de cada una de las especies (en condiciones normales se necesita más cantidad de matriz de soporte que de especie dopante), lo cual puede ser un problema a la hora de tratar de maximizar la cantidad de radiación que deben absorber las especies luminiscentes en diferentes partes del espectro electromagnético.
Descripción de la invención
La presente invención tiene por objeto superar los inconvenientes anteriormente inherentes en los concentradores solares luminiscentes del estado de la técnica mediante un nuevo concentrador solar luminiscente y un dispositivo fotovoltaico que comprende una célula solar fotovoltaica y un concentrador solar luminiscente con una o más características especificadas a continuación y expuestas en las reivindicaciones
anexas.
El concentrador solar luminiscente conforme a la invención comprende un substrato en el que está dispuesta una matriz de polímero orgánico transparente o al menos semitransparente (entendiendo por semitransparente aquel que deja al menos pasar un 1% de la radiación), en la que están distribuidas moléculas fluorescentes orgánicas capaces de absorber radiación solar, estando al.menos parte de las moléculas fluorescentes asociadas entre sí por interacciones dipolares... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Concentrador solar luminiscente que comprende un sustrato en el que está dispuesta una matriz de polímero orgánico al menos semitransparente, en la que están distribuidas moléculas fluorescentes orgánicas capaces de absorber radiación solar, estando al menos parte de las moléculas fluorescentes asociadas entre sí por Interacciones dipolares capaces de transferir energía no radlatlva de una a otra, caracterizado porque
la matriz de polímero orgánico es una matriz monocapa (3) en la que están distribuidos al menos tres grupos de moléculas fluorescentes orgánicas (7, 8, 9) diferentes, asociadas entre sí de manera que forman cascadas de transferencia de energía no radlatlva mediante transferencia de energía por resonancia de Fórster (FRET).
2. Concentrador solar luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque los grupos de moléculas fluorescentes comprenden
un grupo inicial de moléculas fluorescentes (7) seleccionadas entre moléculas susceptibles de actuar como donores iniciales de energía no radlatlva emergente;
un grupo terminal de moléculas fluorescentes (8) seleccionadas entre moléculas susceptibles de actuar como aceptares finales de energía no radlatlva recibida, y de re-emitir, en base a la energía no radlatlva recibida, una luminiscencia de salida con un espectro final que comprende longitudes de onda más largas que el espectro absorbido por las moléculas del grupo Inicial (7);
un grupo intermedio de moléculas fluorescentes (9) seleccionadas entre moléculas capaces de actuar como aceptares intermedios de energía no radlatlva recibida de las moléculas fluorescentes del grupo Inicial (7) y como donores intermedios de energía no radlatlva emergente recibida por las moléculas fluorescentes del grupo terminal (8), en las cascadas de transferencia de energía no radiativa desde las moléculas del grupo Inicial (7) a las moléculas del grupo terminal (8), y están asociadas con las moléculas fluorescentes del grupo Inicial (7) y con las moléculas fluorescentes del grupo terminal (8) por respectivas interacciones dlpolares;
y porque
las moléculas fluorescentes del grupo inicial (7) generan energía no radlatlva que provoca una excitación no radiativa de las moléculas fluorescentes del grupo intermedio (9), sustancialmente con los mismos efectos que la excitación radiativa causada por las ondas de radiación presentes en la zona específica del espectro de radiación solar absorbido por las moléculas fluorescentes del grupo intermedio (9); las moléculas fluorescentes del grupo intermedio (9) generan energía no radiativa que provoca una excitación no radiativa de las moléculas fluorescentes del grupo terminal (8), sustancialmente con tas mismos efectos que la excitación radiativa causada por las ondas de radiación presentes en la zona específica del espectro de radiación solar absorbido por las moléculas fluorescentes del grupo terminal (8).
3.- Concentrador, según la reivindicación 2, caracterizado porque
las moléculas fluorescentes del grupo intermedio (9) comprenden primeras moléculas intermedias fluorescentes asociadas con las moléculas fluorescentes del grupo inicial (7) mediante interacciones bipolares;
y segundas moléculas intermedias fluorescentes asociadas con las moléculas fluorescentes del grupo terminal (9) por otras interacciones bipolares;
las primeras moléculas intermedias están seleccionadas entre moléculas capaces de actuar como aceptores Intermedios de energía no radiativa recibida de las moléculas del grupo inicial y como donores Intermedios de energía no radiativa emergente recibida por las segundas moléculas intermedias, en las cascadas de transferencia de energía no radiativa;
las primeras moléculas intermedias generan energía no radiativa que provoca una excitación no radlatlva de las moléculas con sustancialmente los mismos efectos que la excitación radiativa causada por las ondas de radiación presentes en la zona específica del espectro de radiación solar absorbido por las segundas moléculas Intermedias;
las segundas moléculas intermedias generan energía no radiativa que provoca una excitación no radlatlva de las moléculas fluorescentes del grupo terminal (9), que produce sustancialmente los mismos efectos que la excitación radiativa causada por las ondas de radiación presentes en la zona específica del espectro de radiación solar absorbido por las moléculas fluorescentes del grupo terminal (8).
4.- Concentrador, según la reivindicación 3, caracterizado porque
las moléculas del grupo intermedio (9) comprenden terceras moléculas intermedias asociadas entre sí por interacciones bipolares y seleccionadas entre moléculas capaces de actuar como aceptores intermedios de energía no radiativa recibida de las primeras moléculas intermedias y como donores intermedios de energía no radiativa emergente recibida por las segundas moléculas intermedias, en las cascadas de transferencia de energía no radiativa;
las terceras moléculas intermedias generan energía no radiativa que provoca una excitación no radiativa
de las moléculas con sustancialmente los mismos efectos que la excitación radlatlva causada por las ondas de radiación presentes en la zona específica del espectro de radiación solar absorbido por las segundas moléculas intermedias.
5.- Concentrador, según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque las moléculas fluorescentes del grupo inicial (7) están seleccionadas entre moléculas fluorescentes derivadas de la cumarina con un espectro de absorción de radiación de longitudes de onda entre 300 nm y-550 nm, y un espectro de emisión de radiación entre 450 y 700 nm.
6.- Concentrador, según la reivindicación 5, caracterizado porque las moléculas fluorescentes derivadas de la cumarina son moléculas de 3-(2-benzot¡azol¡l)-7-(det¡lamino)cumar¡na.
7.- Concentrador, según reivindicación 2, caracterizado porque las moléculas fluorescentes del grupo intermedio (9) están seleccionadas entre moléculas fluorescentes derivadas del estlreno con un espectro de absorción de radiación de longitudes de onda entre 350 y 550 nm y un espectro de emisión de radiación entre 450 y 750 nm.
8.- Concentrador, según la reivindicación 7, caracterizado porque las moléculas fluorescentes son moléculas de 4-(d¡c¡anomet¡len)-2.met¡l-6-(4-d¡met¡laminost¡r¡l)-4/-/-p¡rrano.
9.- Concentrador, según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizado porque las moléculas fluorescentes del grupo terminal (8) están seleccionadas entre moléculas fluorescentes derivadas del plrrometeno con un espectro de absorción de radiación de longitudes de onda entre 350 y 750 nm y un espectro de emisión de radiación entre 500 y 700 nm.
10.- Concentrador, según la reivindicación 9, caracterizado porque las moléculas fluorescentes son moléculas de 1, 3, 5, 7-hexametil-8-cianopirrometen-difluorborato.
11.- Concentrador, según la reivindicación 33, caracterizado porque
las primeras moléculas intermedias del grupo intermedio de moléculas fluorescentes (9) están seleccionadas entre moléculas fluorescentes derivadas del estlreno con un espectro de absorción de radiación de longitudes de onda entre 350 y 550 nm y un espectro de emisión de radiación entre 450 y 750 nm;
las segundas moléculas Intermedias del grupo Intermedio de moléculas fluorescentes (9) están seleccionadas entre moléculas fluorescentes derivadas del pirrometeno con un espectro de absorción de radiación de longitudes de onda entre 350 y 750 nm y un espectro de emisión de radiación entre 500 y 700 nm;
las moléculas fluorescentes del grupo terminal de moléculas fluorescentes (8) están seleccionadas entre moléculas fluorescentes derivadas del pirrometeno con un espectro de absorción de radiación de longitudes de onda entre 300 y 620 y un espectro de emisión de radiación entre 620 y 800 nm.
12.- Concentrador, según la reivindicación 11, caracterizado porque
las primeras moléculas Intermedias son moléculas de 4-(dicianometilen)-2.metil-6-(4-dimetilaminostiril)- 4/-/-p¡ rrano.
las segundas moléculas intermedias son moléculas de 1, 3, 5, 7-hexametil-8-cianopirrometen- difluorborato; y
las moléculas fluorescentes del grupo terminal (8) son moléculas de 1, 3, 5, 7-hexametil-8- cianoplrrometen-dlfluorborato distintas de las segundas moléculas intermedias.
13.- Concentrador, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el polímero orgánico de la matriz monocapa es transparente.
14.- Concentrador, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el polímero orgánico, está seleccionado entre polietilenos de baja densidad, polietilenos de baja densidad con aditivos, polímeros pol i vi ni lacetatos, y pollmetilmetacrllato.
15. Concentrador, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la matriz monocapa (3) es una película depositada en el sustrato (2a), y porque el sustrato es una placa de vidrio trasera transparente.
16. Concentrador solar, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las moléculas fluorescentes (7, 8, 9) de los grupos de moléculas flurorescentes en la matriz monocapa (3) tienen pesos moleculares similares.
17. Concentrador solar, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada grupo de cada grupo de moléculas fluorescentes (7, 8, 9) está presente en la matriz monocapa (3) en una
proporción referida al polímero orgánico de la matriz monocapa (3) de 0,1 a 5% en peso, preferentemente de 0,5 a 3% en peso, y más preferentemente de 1 a 2% en peso.
18. Concentrador, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende 5 un recubrimiento frontal (2b) transparente que recubre la matriz monocapa (3).
19.- Dispositivo fotovoltalco que comprende al menos una célula solar fotovoltalca acoplada a un concentrador solar, caracterizado porque el concentrador es un concentrador solar luminiscente como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17.
20. Dispositivo fotovoltaico, según la reivindicación 19, caracterizado porque comprende un recubrimiento frontal (2b) transparente que recubre la matriz monocapa (3) del concentrador.
21. Dispositivo fotovoltaico, según la reivindicación 20, caracterizado porque comprende una pluralidad de 15 células solares (4) dispuestas de canto entre el sustrato y el recubrimiento frontal (2b) de manera que sus caras
mayores captadores de radiación están en contacto con respectivos bordes de la matriz monocapa (3).
22. Dispositivo fotovoltaico, según la reivindicación 20, caracterizado porque comprende una pluralidad de células solares (4) dispuestas con sus caras mayores captadoras de radiación orientadas paralelamente al
20 sustrato (2a) y enfrentadas al recubrimiento frontal (2b), y con sus lados internos en contacto con respectivos bordes de de la matriz monocapa (3).
23. Dispositivo fotovoltaico, según la reivindicación 22, caracterizado porque las células solares (4) y la matriz monocapa (3) están encapsuladas entre el sustrato (2a) y el recubrimiento frontal (2b) mediante un material
25 encapsulante (5).
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