[論文レビュー] Ultraviolet and Near-Infrared Dual Band Selective-Harvesting Transparent Luminescent Solar Concentrators

Chenchen Yang, Wei Sheng+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2020

Photochemistry and Electron Transfer Studies参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、リンパチックナノクラスターと蛍光性有機分子を用いて、紫外線（UV）および近赤外線（NIR）光を選択的に収集する二重帯域透過型発光太陽光集光器（TLSC）を提案する。この装置は、平均可視光透過率（AVT）が75%を超える中で3%を超える発電効率（PCE）を達成し、光利用効率（PCE × AVT = 2.6）の新記録を樹立し、波長選択的でない透過型太陽電池の実用的限界を上回る。

ABSTRACT

Visibly transparent luminescent solar concentrators (TLSCs) can optimize both power production and visible transparency by selectively harvesting the invisible portion of the solar spectrum. Since the primary applications of TLSCs include building envelopes, greenhouses, automobiles, signage, and mobile electronics, maintaining aesthetics and functionalities is as important as achieving high power conversion efficiencies (PCEs) in practical deployment. In this work, we combine massive-downshifting phosphorescent nanoclusters and fluorescent organic molecules into a TLSC system as ultraviolet (UV) and near-infrared (NIR) selective-harvesting luminophores, respectively, demonstrating UV and NIR dual-band selective-harvesting TLSCs with PCE over 3%, average visible transmittance (AVT) exceeding 75% and color metrics suitable for the window industry. With distinct wavelength-selectivity and effective utilization of the invisible portion of the solar spectrum, this work reports the highest light utilization efficiency (PCE x AVT) of 2.6 for a TLSC system, the highest PCE of any transparent photovoltaic device with AVT greater than 70%, and outperforms the practical limit for non-wavelength-selective transparent photovoltaics.

研究の動機と目的

• 窓やモバイル機器などの実用的応用分野で、高い視認性および機能的性能を維持する見かけ上透過性のある発光太陽光集光器（TLSC）の開発を目的とする。
• 可視光透過率と発電効率（PCE）のトレードオフを克服するため、非可視太陽スペクトル帯域を効果的に選択的に収集できる仕組みを提供することを目的とする。
• UVおよびNIR選択的発光体を統合した単一のTLSCプラットフォームにより、高い光利用効率（PCE × AVT）を実現することを目的とする。
• 波長選択的でない透過型太陽電池の実用的限界を超える発電効率（PCE）および可視光透過率（AVT）を達成するTLSCシステムの実証を目的とする。
• 建築物の外壁、温室、および消費者電子機器への太陽エネルギー収集の実用的統合を可能にし、光学的透明性や色の質を損なわないようにすることを目的とする。

提案手法

• TLSCプラットフォームは、紫外線（UV）光収集のためのマスドレーンジング効果を示すリンパチックナノクラスターと、近赤外線（NIR）光収集のための蛍光性有機分子を統合している。
• システムは、UVおよびNIR光子を吸収しながら可視光を透過させる波長選択的発光体を採用しており、高い平均可視光透過率（AVT）を維持している。
• 発光体が吸収した光子は、より長い波長に再発光され、全内部反射によってデバイスの縁に配置された太陽電池へ誘導される。
• 2種類の発光体の発光スペクトルを別々に設計することで、スペクトルの重なりを最小限に抑え、非可視帯域のエネルギー収集を最大化している。
• 再吸収損失を最小限に抑え、波ガイド内での光路の閉じ込めを最適化するように光学的およびフォトニクス的特性を設計している。
• 色の指標と透明性は、窓およびディスプレイ用途に適した標準産業基準を用いて評価されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 見かけ上透過性のある発光太陽光集光器（TLSC）は、UVおよびNIR光の選択的収集によって、高い発電効率（PCE）を維持しながら高い可視光透過率を達成できるか？
• RQ2 二重帯域選択的収集TLSCシステムにおける最大の光利用効率（PCE × AVT）はどの程度達成可能か？
• RQ3 二重帯域収集は、単一帯域または非選択的収集と比較して、性能および実用的妥当性において優れているか？
• RQ4 リンパチックナノクラスターと蛍光性分子の統合により、同時に高いPCEと高いAVTを達成できるか？
• RQ5 このアプローチは、波長選択的でない透過型太陽電池の理論的性能限界を超えることができるか？

主な発見

• TLSCは、70%以上の可視光透過率を示すいかなる透過型太陽電池よりも高いPCEを3%を超えて達成した。
• システムは、75%を超える平均可視光透過率（AVT）を維持しており、窓やディスプレイ用途に適した高い光学的透明性を確保している。
• 光利用効率（PCE × AVT）は2.6に達し、これまでに報告されたTLSCシステムで最高の値となった。
• 二重帯域収集戦略により、太陽スペクトルのUVおよびNIR部分を効果的に利用しながら、可視光透過への干渉を最小限に抑えた。
• デバイスの色の指標は、窓産業において適していることが判明し、実用的な建築および消費者用途との適合性を示している。
• このシステムは、波長選択的でない透過型太陽電池の実用的限界を上回り、高効率透過型太陽エネルギー収集への実現可能性を示している。