用于提高的日光采集效率的高熒光且光穩(wěn)定性生色團(tuán)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了包含單個(n=0)或一系列(n=1、2等)苯并雜環(huán)體系的高熒光材料。光穩(wěn)定性高發(fā)光生色團(tuán)可以用于各種應(yīng)用，包括用于波長轉(zhuǎn)換膜。波長轉(zhuǎn)換膜具有顯著提高光伏裝置或太陽能電池裝置的日光采集效率的潛力。
【專利說明】用于提高的日光采集效率的高熒光且光穩(wěn)定性生色團(tuán)
[0001]對相關(guān)申請的引用 [0002]本專利申請要求2011年9月26日提交的第61/539，392號美國臨時專利申請、2011年12月6日提交的第61/567,534號美國臨時專利申請、2012年6月21日提交的第61/662,825號美國臨時專利申請以及2012年6月21日提交的第61/662，835號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)。所有上述申請在此通過援引完全并入本文以用于所有目的。
[0003]發(fā)明背景
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明通常涉及光穩(wěn)定性高發(fā)光生色團(tuán)，其可用于各種應(yīng)用，包括用于波長轉(zhuǎn)換膜。波長轉(zhuǎn)換膜具有顯著提高光伏裝置或太陽能電池裝置的日光采集效率的潛力。
_5] 相關(guān)技術(shù)的描述
[0006]太陽能的利用為傳統(tǒng)化石燃料提供了有前景的可選能量來源，因此，能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為電的裝置、如光伏裝置(也稱為太陽能電池)的開發(fā)近年來引起了廣泛的關(guān)注。已經(jīng)開發(fā)了幾種不同類型的成熟的光伏裝置，包括基于硅的裝置、II1-V和I1-VI PN結(jié)裝置、銅-銦-鎵-硒(CIGS)薄膜裝置、有機敏化劑(sensitizer)裝置、有機薄膜裝置以及硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)薄膜裝置，僅列舉幾例。有關(guān)這些裝置的更多詳情，可以見于諸如 Lin 等人，“High Photoelectric Conversion Efficiency of Metal Phthalocyanine/Fullerene Heterojunction Photovoltaic Device，， (International Journal ofMolecular Sciences 2011, vol.12, pp.476, 2011)的文獻(xiàn)中。然而，這些裝置中的許多種的光電轉(zhuǎn)換效率仍然具有提聞的空間，并且對于許多研究人員而目，開發(fā)提聞這種效率的技術(shù)是一持續(xù)性挑戰(zhàn)。
[0007]開發(fā)的用來提高光伏裝置效率的一項技術(shù)是利用波長轉(zhuǎn)換膜。許多光伏裝置不能有效利用整個光譜的光，因為裝置上的材料吸收某些波長的光(通常為較短的UV波長)，而不是允許光經(jīng)過而達(dá)到將其轉(zhuǎn)換成電的光導(dǎo)材料層。波長轉(zhuǎn)換膜的應(yīng)用吸收了較短波長的光子，并且以更有利的較長波長將它們再發(fā)射，隨后它們可以被裝置中的光導(dǎo)層吸收并轉(zhuǎn)換成電。
[0008]這種現(xiàn)象經(jīng)常在薄膜CdS/CdTe和CIGS太陽能電池中觀察到，這兩者都利用CdS作為窗口層。這些薄膜太陽能電池的低廉成本和高效率近年來已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，并且典型的商業(yè)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為10-16%。然而，CdS的能隙為約2.41eV，這使得波長低于514nm的光被CdS吸收，而不是經(jīng)過而達(dá)到其能被轉(zhuǎn)換成能量的光導(dǎo)層。不能有效利用整個光譜的光，這降低了該裝置的整體光電轉(zhuǎn)換效率。
[0009]許多報道已經(jīng)公開了利用波長轉(zhuǎn)換材料來改善光伏裝置的性能。例如，第2009/0151785號美國專利申請公開披露了含有波長下轉(zhuǎn)移無機磷光劑材料的基于硅的太陽能電池裝置。第2011/0011455號美國專利申請公開披露了集成的太陽能電池，其包括電衆(zhòng)層(plasmonic layer)、波長轉(zhuǎn)換層以及光伏層。第7，791，157號美國專利公開了具有含量子點化合物的波長轉(zhuǎn)換層的太陽能電池。[0010]盡管已經(jīng)大量披露了用于光伏裝置和太陽能電池的波長轉(zhuǎn)換無機介質(zhì)，但是對于將光致發(fā)光有機介質(zhì)用于光伏裝置的效率提高的報道的工作很少。使用與無機介質(zhì)相對的有機介質(zhì)是引人注目的，因為有機材料通常較便宜且更易于使用，這使得它們成為較好的經(jīng)濟(jì)選擇。應(yīng)用于CdS/CdTe太陽能電池的發(fā)光膜的ー些理論建模和/或模擬，描述于下列文獻(xiàn)中:第2010/0186801號美國專利申請公開，B.S.Richards和K.R.McIntosh 的“Overcoming the Poor Short Wavelength Spectral Response ofCdS/CdTe Photovoltaic Modules via Luminescence Down-bhifting:Ray-Tracingsimulations”(Progress in Photovo丄taics:Research and Applications, vol.15,pp.27-34, 2007)以及 T.Maruyama 和 R.Kitamura 的“Transformations of the wavelengthof the light incident upon solar ceils，， (Solar Energy Materials and SolarCells, vol.69, pp.207, 2001)。
[0011]發(fā)明概述
[0012]公開了苯并雜環(huán)體系的新型化合物。這些化合物可用作提供期望的光學(xué)特性和良好的光穩(wěn)定性的生色團(tuán)。
[0013]一些實施方案提供了由式I_a或式I_b表示的生色團(tuán):
[0014]
【權(quán)利要求】
1.生色團(tuán)，其由式I_a或式1-b表不:
2.如權(quán)利要求1所述的生色團(tuán)，其中: A0和Ai各自獨立地選自任選取代的雜芳基、任選取代的芳基、任選取代的環(huán)狀亞氨基、任選取代的CV8烷基以及任選取代的Ci_8烯基；其中任選取代的雜芳基的取代基選自烷基、芳基以及鹵素；任選取代的芳基的取代基是-NR1-CbO) R2或任選取代的環(huán)狀亞氨基；以及

A2選自任選取代的亞芳基、任選取代的雜亞芳基以
3.如權(quán)利要求1或2所述的生色團(tuán)，其中D1和D2各自獨立地選自氫、任選取代的芳基、任選取代的雜芳基以及氨基，條件是D1和D2兩者不都是氫。
4.如權(quán)利要求3所述的生色團(tuán)，其中所述任選取代的芳基和任選取代的雜芳基的取代基選自烷氧基、芳氧基、芳基、雜芳基以及氨基。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的生色團(tuán)，其中Li選自任選取代的雜亞芳基和任選取代的亞芳基。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的生色團(tuán)，其中: A0和Ai各自獨立地為被選自-NR1-C (=0) R2和任選取代的環(huán)狀亞氨基的部分取代的苯基；以及 D1和D2各自獨立地為被烷氧基或氨基任選取代的苯基。
7.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的生色團(tuán)，其中: Ac^PAi各自獨立地為任選取代的雜芳基或任選取代的環(huán)狀亞氨基；其中任選取代的雜芳基或任選取代的環(huán)狀亞氨 基的取代基選自烷基、芳基以及鹵素；以及 D1和D2各自獨立地選自氫、任選取代的芳基、任選取代的雜芳基以及二苯基氨基，條件是D1和D2兩者不都是氫。
8.如權(quán)利要求7所述的生色團(tuán)，其中Ac^PAi中的至少一個選自:任選取代的吡啶基、任選取代的噠嗪基、任選取代的嘧啶基、任選取代的吡嗪基、任選取代的三嗪基、任選取代的喹啉基、任選取代的異喹啉基、任選取代的喹唑啉基、任選取代的酞嗪基、任選取代的喹喔啉基、任選取代的萘啶基以及任選取代的嘌呤基。
9.如權(quán)利要求1、2、7和8中任一項所述的生色團(tuán)，其中D1和D2各自獨立地選自氫、任選取代的苯并呋喃基、任選取代的噻吩基、任選取代的呋喃基、二氫噻吩并二氧芑基、任選取代的苯并噻吩基以及任選取代的二苯并噻吩基，條件是D1和D2兩者不都是氫。
10.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的生色團(tuán)，其中A°和Ai各自是任選取代的烷基；且D1和D2各自獨立地是任選取代的芳基。
11.權(quán)利要求1-5中任一項所述的生色團(tuán)衍生物,其中A°和Ai中的至少一個選自:%^cn ^yco2R ncA^ 以及工其中R
12.如權(quán)利要求1所述的生色團(tuán)，其還由式(I1-a)或式(I1-b)表示:
13.如權(quán)利要求12所述的生色團(tuán)，其中R4是選自下列的任選取代的環(huán)狀亞氨基:
14.如權(quán)利要求1所述的生色團(tuán)，其還由式(II1-a)或(II1-b)表示:
15.如權(quán)利要求14所述的生色團(tuán)，其中所述Ac^PAi各自獨立地是被選自:-NRR”、-OR、-COOR、-COR、-CONHR、-CONRR”以及-CN的部分任選取代的烷基；其中R是C1-C2tl烷基，并且R”是氫或C1-C2tl烷基。
16.如權(quán)利要求14所述的生色團(tuán)，其中所述A°和Ai各自獨立地是C1-C4tl烷基或C1-C2tl鹵代烷基。
17.生色團(tuán)，其由式(IV)表示:
18.如權(quán)利要求17所述的生色團(tuán)，其中Li中至少一個選自1，2-亞乙烯基、亞乙炔基、1,4-亞苯基、1，1’ -聯(lián)苯-4，4’ - 二基、蔡 -2，6- 二基、蔡 -1，4- 二基、9H-荷-2, 7- -.基、二萘嵌苯-3，9- 二基、二萘嵌苯_3，10- 二基或芘-1，6- 二基、IH-吡咯-2，5- 二基、呋喃-2，5- 二基、噻吩-2，5- 二基、噻吩并[3，2-b]噻吩-2，5- 二基、苯并[c]噻吩-1，3- 二基、二苯并[b，d]噻吩-2，8- 二基、9H-咔唑-3，6- 二基、9H-咔唑-2，7- 二基、二苯并[b，d]呋喃-2，8- 二基、IOH-吩噻嗪-3，7- 二基以及IOH-吩噻嗪-2，8- 二基；其中每個部分為任選取代的。
19.如權(quán)利要求1-18中任一項所述的生色團(tuán)，其中i是0-5的整數(shù)。
20.波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)，其包含光學(xué)透明的聚合物基質(zhì)和至少一種包含權(quán)利要求1-18中任一項所述生色團(tuán)的發(fā)光染料。
21.如權(quán)利要求20所述的波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)，其中所述聚合物基質(zhì)包含選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇縮丁醛、乙烯醋酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚酰亞胺、無定形聚碳酸酯、聚苯乙烯、硅氧烷溶膠-凝膠、聚氨酯、聚丙烯酸酯以及其組合的物質(zhì)。
22.如權(quán)利要求20-21中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)，其中所述聚合物基質(zhì)材料的折射率為約1.4至約1.7。
23.如權(quán)利要求20-22中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)，其中所述發(fā)光染料以約0.01wt%至約3wt%的量存在于所述聚合物基質(zhì)中。
24.光伏組件，包括至少一個光伏裝置或太陽能電池以及權(quán)利要求20-23中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)，其中放置所述波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)以使入射光在到達(dá)所述光伏裝置或太陽能電池之前經(jīng)過所述波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)。
25.如權(quán)利要求24所述的光伏組件，其中所述波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)是厚度為約0.1ym至約Imm的膜。
26.如權(quán)利要求24-25中任一項所述的光伏組件，其中所述光伏裝置或太陽能電池包括至少一個選自硫化鎘/碲化鎘太陽能電池、聯(lián)硒化銅銦鎵太陽能電池、非晶硅太陽能電池、微晶硅太陽能電池或晶體硅太陽能電池的裝置。
27.如權(quán)利要求24-26中任一項所述的光伏組件，其還包括用于將所述波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)附著于所述光伏裝置和太陽能電池的光入射表面的折射率匹配液體或光學(xué)粘合劑。
28.改善太陽能電池的光伏裝置的性能的方法，其包括將權(quán)利要求20-23中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)直接應(yīng)用于所述光伏裝置或太陽能電池的光入射側(cè)，或?qū)⑺霾ㄩL轉(zhuǎn)換發(fā)光介質(zhì)封裝在所述光伏裝置或太陽能電池中。
【文檔編號】C09B11/02GK103562323SQ201280001373
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月26日
【發(fā)明者】斯坦尼斯勞·拉什沃爾, 王鵬, 拉什沃爾·博古米拉, 張洪喜, 山本道治 申請人:日東電工株式會社