CN105223633A - 一种平面荧光聚光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能聚光器领域，公开了一种平面荧光聚光器，包括荧光物质和平面光波导，所述荧光物质为铜铟硫量子点材料，所述平面光波导为高分子聚合物，可以是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯等。本发明还公开了该平面荧光聚光器的制备方法。本发明首次将CIS应用到平面荧光聚光器领域，可以更大程度发挥出铜铟硫量子点的独特优势，使得铜铟硫量子点具有更广阔的应用前景。由于CIS量子点是一种光热稳定性好、高效荧光且绿色环保型量子点荧光材料，将它与平面光波导技术和太阳能电池相结合，构造出一种新型LPC，不仅可以加快推广CIS材料的广泛应用，同时还可以改善太阳能发电系统的光电转换效率，将产生巨大的经济效益。

Description

一种平面荧光聚光器及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能聚光器领域，具体是一种平面荧光聚光器及其制备方法。

背景技术

铜铟硫，化学式为CuInS₂，简称CIS。根据合成温度的差异，CIS会表现出三种不同的晶体结构，在低于980℃时表现为黄铜矿结构，高于1050℃时则为纤维锌矿结构，而介于980~1050℃时表现为闪锌矿结构。不同晶体结构的CIS具有不同的特性，纤维锌矿结构的CIS是一种高温状态下的亚稳态结构，而黄铜矿结构为热力学稳定态，因此大部分CIS是以黄铜矿结构而稳定存在。

CIS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元半导体化合物，具有如下优点：

（1）禁带宽度为1.53eV，与太阳能电池的最佳禁带宽度（1.45eV）十分接近；

（2）光吸收系数大，高达10⁵cm^-1，比其他荧光材料普遍高；

（3）直接能隙半导体，可以减少少数载流子的扩散；

（4）对光和热的稳定性好；

（5）与CdS、PbS等其他太阳能电池光电转换材料相比，CIS不含任何有毒成分，对环境无污染。

因此，CIS化合物作为太阳能电池光转换材料在太阳能发电领域得到广泛研究。以CIS作为光转化层材料制备的薄膜太阳能电池，具有使用寿命长、无光致衰退效应、抗干扰、抗辐射能力强等优点，加上薄膜太阳能电池的廉价、柔性等特点，被认为是现阶段最具有发展前景的太阳能电池。同时，由于CIS还具有光转换效率高、宽带吸收与发射以及表面可修饰等特性，可广泛应用于发光器件、光转换器件和生物检测、标记与分析等领域。

过去，由于制备方法和检测手段的相对落后与不足，使得CIS纳米粒子的合成制备比较困难，因此限制了CIS的深入研究及其应用领域的推广。根据现有专利文献报道，目前CIS纳米粒子主要应用于太阳能电池中的光转化层材料，如聚合物太阳能电池、薄膜太阳能电池等领域，以提高太阳能电池的光电转换效率。CN104112786A专利文件（申请号201410315452.9）提出一种铜铟硫/钙钛矿体异质结太阳能电池及其制备方法，该发明构造一种新型结构及其制备方法，使得太阳能电池中的光转化层不需再在高温下烧结，且铜铟硫与钙钛矿的混合物成膜性能好，易加工，大大提高太阳能电池器件制作的成功率。CN102034898A专利文件（申请号201010512652.5）提出一种太阳电池用铜铟硫光电薄膜材料的制备方法，该发明提出不需要高温高真空条件即可制备高性能的铜铟硫光电薄膜，仪器设备要求低，操作性强，同时降低薄膜太阳能电池的生产成本。

目前，有关CIS纳米粒子的应用研究主要是围绕太阳能电池中的光转化层材料而展开的，毋庸置疑的是，在太阳能电池中通过使用CIS作为光吸收层或光转化层材料，可以增加太阳能电池对太阳光的吸收与转化，从而提高太阳能电池的光电转换效率。但是，由于薄膜太阳能电池的本身缺陷，如光电转换效率低、制备工艺复杂、生产成本高等不足，限制了CIS的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜铟硫量子点平面荧光聚光器。

本发明的另一目的是提供该平面荧光聚光器的制备方法。

为达到上述目的之一，本发明采用以下技术方案：

一种平面荧光聚光器，包括荧光物质和平面光波导，所述荧光物质为铜铟硫量子点材料。

进一步地，所述荧光物质的外层包裹ZnS。

进一步地，所述平面光波导为高分子聚合物。

进一步地，所述高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯。

进一步地，所述铜铟硫量子点材料按照如下方法制备：在烧瓶中加入碘化亚铜和醋酸铟，然后依次加入十二硫醇和有机介质，搅拌混合均匀，在惰性气体保护下，将混合溶液升温加热反应，直到混合溶液由黑色转变为淡红色，停止加热并冷却至室温，去除杂质，最后真空干燥得到铜铟硫量子点材料。

进一步地，所述碘化亚铜和醋酸铟的摩尔比是1：1，所述十二硫醇的用量是1mol碘化亚铜使用10~20mL十二硫醇。

前面所述平面荧光聚光器的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铜铟硫量子点材料均匀分散于有机溶剂中；

（2）用高分子聚合物制作平面光波导；

（3）将步骤（1）的混合溶液涂覆在平面光波导表面或者封装于平面光波导中，形成平面荧光聚光器。

进一步地，步骤（2）的高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲酯，制作平面光波导包括以下步骤：

（1）称取偶氮二异丁腈于烧杯，加入甲基丙烯酸甲酯，并使其完全溶解，待溶液呈无色透明状时将混合溶液转移至烧瓶中；

（2）加热烧瓶，反应至有粘稠物出现时停止加热，将粘稠物倒入模具中，静置排出气泡；

（3）加热模具进行终聚合，当模具内的聚合物成为固态时继续升高温度，并保温完成聚合，随后冷却至室温；

（4）从模具中取出聚甲基丙烯酸甲酯，经过切割、抛光、清洗、干燥后制作成平面光波导。

进一步地，步骤（3）中，所述涂覆为印刷或者旋涂或者喷涂；所述封装为通过层压技术将铜铟硫量子点荧光物质封装于平面光波导中。

前面所述平面荧光聚光器的制备方法，具体是：将铜铟硫量子点材料均匀分散于有机溶剂中，在合成高分子聚合物时加入到原料中，反应后得到掺杂铜铟硫量子点材料的平面光波导，经切割、抛光、清洗、干燥后得到平面荧光聚光器。

进一步地，高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲酯，该制备方法包括以下步骤：

（1）将铜铟硫量子点材料均匀分散于有机溶剂中；

（2）依次将偶氮二异丁腈、甲基丙烯酸甲酯加到步骤（2）的混合溶液中，并使其完全溶解，将混合溶液转移至烧瓶中；

（3）加热烧瓶，反应至有粘稠物出现时停止加热，将粘稠物倒入模具中，静置；

（4）加热模具并保温，当模具内的聚合物成为固态时继续升高温度，并保温，随后冷却至室温；

（5）从模具中取出含铜铟硫量子点的聚甲基丙烯酸甲酯，经过切割、抛光、清洗、干燥后制作成平面荧光聚光器。

前面所述平面荧光聚光器的制备方法，具体是：将铜铟硫量子点材料、制备平面光波导的高分子聚合物溶解于有机溶剂中，所得混合液经加热制成掺杂铜铟硫量子点材料的平面光波导，经切割、抛光、清洗、干燥后得到平面荧光聚光器。

进一步地，高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲酯，该制备方法包括以下步骤：

（1）将铜铟硫量子点材料均匀分散于有机溶剂中；

（2）将聚甲基丙烯酸甲酯溶解于有机溶剂中；

（3）向步骤（2）的混合溶液加入到步骤（1）的混合溶液中，经超声、搅拌混合均匀，再将所得混合溶液倒入模具中，静置；

（4）加热模具并保温，当模具内的聚合物成为固态时继续升高温度，并保温，随后冷却至室温；

（5）从模具中取出含铜铟硫量子点的聚甲基丙烯酸甲酯，经过切割、抛光、清洗、干燥后制作成平面荧光聚光器。

本发明具有以下有益效果：

1本发明选用高效、稳定性好且无污染的新型CIS-QDs材料充当平面荧光聚光器（LPC）的荧光物质，CIS-QDs作为光转换中心，能够把太阳光中的蓝紫光转换成红光。CIS具有与太阳能电池的最佳禁带宽度十分接近、光吸收系数高、对光和热的稳定性好、不含重金属等有毒离子及超宽带发射等优良光学特性，将无光伏效应或光伏效应低的高能光子转换为具有高效光伏效应的低能光子，以提高现有太阳能发电系统的光电转换效率。

2本发明采用优良光学特性、物理化学性能稳定且易成型加工的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料为LPC的平面光波导材料。通过物理或化学方法将上述荧光材料与平面光波导复合制作成LPC，能满足所有类型太阳能电池的聚光使用需求，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜及有机聚合物等太阳能电池。本发明的LPC能够代替太阳能电池收集太阳光，避免太阳能电池活性表面在太阳光下直接暴晒，减少太阳能电池使用量，延长太阳能电池的使用寿命；简化太阳能电池的安装过程，缩小太阳能发电系统的占用空间，拓宽太阳能发电市场，从而大大降低光伏发电系统的生产和维护成本。

3传统聚光器为透镜或圆锥形状，本发明构造的量子点LPC为平板结构，具有透明或半透明特性，由有机高分子材料制成，其优异的光学性能、机械性能和便利的成型工艺，为LPC的大规模产业化提供足够的可能性。同时，LPC将发挥出传统聚光器无可比拟的优势，通过与现代建筑相结合，用LPC代替玻璃幕墙或房顶，实现光伏建筑一体化，不仅保留玻璃幕墙的现代气息，还具备光伏发电的功能，达到一举两得的功效。

本发明的具体应用方式为：把与所用LPC侧面面积相一致的太阳能电池安装于聚光器的一个或多个侧面，并将聚光器放置于太阳光下，通过LPC对太阳光的吸收和折射，一大部分光线会进入到平面光波导内。其中满足一定条件的光线在光波导内会发生全反射现象，在经过多次全反射后最终传输到光波导侧面被太阳能电池吸收。同时，光波导中的CIS-QDs荧光材料吸收短波长光后，通过自身的光转换特性，发射出能被太阳电池有效吸收的长波长光，该长波长光经过多次内全反射传输到光波导侧面被太阳能电池吸收。如此结构起到吸收、传输或发射和汇聚光能的多重功效，太阳能电池接收到的光线不仅包含太阳本身部分，同时还包含有CIS-QDs的荧光发射部分，有效改善太阳能发电系统的光电转换效率。

综上所述，本发明首次将CIS应用到平面荧光聚光器领域，与铜铟硫量子点的传统应用领域相比，本发明可以更大程度发挥出铜铟硫量子点的独特优势，使得铜铟硫量子点具有更广阔的应用前景。由于CIS量子点是一种光热稳定性好、高效荧光且绿色环保型量子点荧光材料，将它与平面光波导技术和太阳能电池相结合，构造出一种新型LPC，不仅可以加快推广CIS材料的广泛应用，同时还可以改善太阳能发电系统的光电转换效率，降低光伏发电成本，将产生巨大的经济效益。本发明还阐明CIS量子点LPC的制作方法，该方法过程简便、低成本，且实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例1的CIS的特征光谱图；

图2是本发明的LPC示意图；

图3是本发明的LPC所制成的太阳能发电系统示意图；

图4是本发明实施例2的CIS-ZS的特征光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

按照以下步骤制备平面荧光聚光器：

本实施例中，荧光物质CIS-QDs通过“一锅反应法”合成得到。

（1）称取1mmolCuI和1mmolIn(Ac)₃，加入到50mL的三口烧瓶中，量取10mL十二硫醇和20mL液体石蜡，依次加入到三口烧瓶中搅拌混合均匀，在连续通有N₂的保护下，将上述混合溶液加热至200℃反应20min，溶液由黑色转变为淡红色，停止加热迅速冷却至室温，经正己烷和无水乙醇混合溶液的反复清洗去除杂质，再经真空干燥得到CIS-QDs粉末；所合成的CIS-QDs具有宽带蓝紫光吸收和宽带红橙光发射等特性，能将蓝紫光转化为红光，其特征光谱如图1所示，虚线为吸收光谱，实线为发射光谱，激发波长与发射波长之间的波长差大于180nm；

（2）将CIS-QDs分散于正己烷中配成浓度为1mg/mL的混合溶液；

（3）量取20mL甲基丙烯酸甲酯（MMA）于烧杯中，称取偶氮二异丁腈白色固体加入到MMA溶液中，经超声振荡和搅拌，使其完全溶解，配制成0.05wt%的溶液，待溶液呈无色透明状时将混合溶液转移至三口烧瓶中；

（4）将步骤（3）中配有冷凝管的三口烧瓶置于恒温水浴加热箱中水浴加热一段时间，反应至有粘稠物出现（与甘油粘度相当）时即可停止加热，取出三口烧瓶并将粘稠液迅速倒入事先准备好的模具中，静置一段时间排出气泡；

（5）将步骤（4）中的模具转移至恒温烘箱中加热一段时间进行终聚合，当模具内的聚合物基本成为固态时继续升高温度，保温一段时间进行完全聚合，随后自然冷却至室温；

（6）从步骤（5）中的模具内取出聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物制品，经过切割、抛光、清洗、干燥等流程后即可制作成不同尺寸的平面光波导；

（7）将步骤（2）的CIS-QDs溶液涂覆在平面光波导的上、下表面制作CIS-QDs荧光薄膜，形成LPC，如图2的b所示，涂覆的方式可以是印刷或者旋涂或者喷涂；或者，通过层压技术将CIS-QDs封装于两个或多个平面光波导中，形成具有多层荧光效果的LPC，如图2的c所示。

将单晶硅太阳能电池安装于LPC的侧面，组成量子点掺杂型太阳能荧光聚光发电系统，如图3所示，1为平面光波导，2为太阳能电池，3为CIS-QDs。

实施例2

按照以下步骤制备平面荧光聚光器：

本实施例中，所用荧光物质为核/壳结构的CIS-QDs，化学组成为CuInS₂/ZnS（CIS/ZS），荧光物质CIS的外层包裹一层ZnS。

（1）称取1mmolZn(Ac)₂于烧杯中，加入10mL液体石蜡，搅拌混合均匀；

（2）称取1mmolCuI和1mmolIn(Ac)₃，加入到50mL的三口烧瓶中，量取15mL十二硫醇和10mL液体石蜡，依次加入到三口烧瓶中搅拌混合均匀，在连续通有N₂的保护下，将上述混合溶液加热至200℃反应15min，迅速加入步骤（1）的混合溶液，并升高温度至240℃反应5min，溶液变成灰色，停止加热迅速冷却至室温，经正己烷和无水乙醇混合溶液的反复清洗去除杂质，再经真空干燥得到CIS/ZS-QDs粉末；所合成的CIS/ZS-QDs具有高量子产率和发射波长可调等特性，通过包裹ZnS后，能将蓝紫光转换为红橙光，其特征光谱如图4所示，虚线为吸收光谱，实线为发射光谱；

（3）将CIS/ZS-QDs分散于氯仿中配成浓度为1mg/mL的混合溶液；

（4）称取10g颗粒状的PMMA于烧杯中，加入20mL氯仿，经超声、搅拌使其完全溶解，溶液呈无色透明状；

（5）向步骤（4）的混合溶液加入3mL步骤（3）的CIS/ZS氯仿混合溶液，经超声、搅拌混合均匀，再将混合溶液倒入事先准备好的模具中，静置10min；

（6）将模具转移至40℃恒温烘箱中恒温72h，然后继续升高温度至80℃恒温24h，随后自然冷却至室温；

（7）从模具内取出PMMA聚合物制品，经过切割、抛光、清洗、干燥等流程后制作出30×30×5mm的LPC，如图2的a所示。

实施例3

按照以下步骤制备平面荧光聚光器：

（1）称取1mmolCuI和1mmolIn(Ac)₃，加入到50mL的三口烧瓶中，量取20mL十二硫醇和15mL液体石蜡，依次加入到三口烧瓶中搅拌混合均匀，在连续通有N₂的保护下，将上述混合溶液加热至200℃反应20min，溶液由黑色转变为淡红色，停止加热迅速冷却至室温，经正己烷和无水乙醇混合溶液的反复清洗去除杂质，再经真空干燥得到CIS-QDs粉末；

（2）将CIS-QDs分散于正己烷中配成浓度为1mg/mL的混合溶液；

（3）量取20mLMMA于烧杯中，称取偶氮二异丁腈白色固体加入到MMA溶液中，经超声振荡和搅拌，使其完全溶解，配制成0.05wt%的溶液，并加入3mL步骤（2）的CIS-QDs溶液，经超声振荡和搅拌后，将混合溶液转移至三口烧瓶中；

（4）将上述配有冷凝管的三口烧瓶置于85℃恒温水浴加热箱中加热30min（溶液粘度与甘油粘度相当），停止加热，取出三口烧瓶并将粘稠液迅速倒入事先准备好的模具中，静置10min；

（5）将模具转移至40℃恒温烘箱中恒温24h，然后继续升高温度至100℃恒温24h，随后自然冷却至室温；

（6）从步骤c中的模具内取出PMMA聚合物制品，经过切割、抛光、清洗、干燥等流程后制作出30×30×5mm的LPC。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，比如平面光波导材质的更换，由聚甲基丙烯酸甲酯更换为聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯等其他具有类似性能的高分子聚合物；或者是制备CIS-QDs时采用的有机介质更换为十八烯等，均与本发明的技术构思和发明目的无异，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种平面荧光聚光器，其特征在于，包括荧光物质和平面光波导，所述荧光物质为铜铟硫量子点材料。

2.根据权利要求1所述的平面荧光聚光器，其特征在于，所述荧光物质的外层包裹ZnS。

3.根据权利要求1所述的平面荧光聚光器，其特征在于，所述平面光波导为高分子聚合物。

4.根据权利要求3所述的平面荧光聚光器，其特征在于，所述高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯。

5.根据权利要求1所述的平面荧光聚光器，其特征在于，所述铜铟硫量子点材料按照如下方法制备：在烧瓶中加入碘化亚铜和醋酸铟，然后依次加入十二硫醇和有机介质，搅拌混合均匀，在惰性气体保护下，将混合溶液升温加热反应，直到混合溶液由黑色转变为淡红色，停止加热并冷却至室温，去除杂质，最后真空干燥得到铜铟硫量子点材料。

6.根据权利要求5所述的平面荧光聚光器，其特征在于，所述碘化亚铜和醋酸铟的摩尔比是1：1，所述十二硫醇的用量是1mol碘化亚铜使用10~20mL十二硫醇。

7.上述任意一项权利要求所述的平面荧光聚光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将铜铟硫量子点材料均匀分散于有机溶剂中；

（2）用高分子聚合物制作平面光波导；

（3）将步骤（1）的混合溶液涂覆在平面光波导表面或者封装于平面光波导中，形成平面荧光聚光器。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述涂覆为印刷或者旋涂或者喷涂；所述封装为通过层压技术将铜铟硫量子点荧光物质封装于平面光波导中。

9.权利要求1~6任意一项权利要求所述的平面荧光聚光器的制备方法，其特征在于，将铜铟硫量子点材料均匀分散于有机溶剂中，在合成高分子聚合物时加入到原料中，反应后得到掺杂铜铟硫量子点材料的平面光波导，经切割、抛光、清洗、干燥后得到平面荧光聚光器。

10.权利要求1~6任意一项权利要求所述的平面荧光聚光器的制备方法，其特征在于，将铜铟硫量子点材料、制备平面光波导的高分子聚合物溶解于有机溶剂中，所得混合液经加热制成掺杂铜铟硫量子点材料的平面光波导，经切割、抛光、清洗、干燥后得到平面荧光聚光器。