CN108540082A - 一种叠层式太阳能荧光聚光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种叠层式太阳能荧光聚光器及其制备方法，涉及太阳能荧光聚光器。叠层式太阳能荧光聚光器包括至少两层平面荧光聚光器，所有平面荧光聚光器由上至下叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，平面荧光聚光器主要是采用量子点和波导材料制成，位于顶层的平面荧光聚光器的量子点的吸收波长小于其他平面荧光聚光器的量子点的吸收波长，该叠层式太阳能荧光聚光器的光电转换效率高、器件稳定性好。叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法是采用不同吸收波长的量子点和波导材料制成不同的平面荧光聚光器；将不同的平面荧光聚光器由上至下叠合形成叠层式荧光聚光器，该制备方法能显著提高太阳能荧光聚光器的光电转换效率，并提高太阳能荧光聚光器的器件稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能荧光聚光器领域，且特别涉及一种叠层式太阳能荧光聚光器及其制备方法。
背景技术
太阳能荧光聚光器(Luminescence Solar Concentrator，LSC)是将生色团(如荧光染料或量子点)分散到聚合物等波导材料中，用以捕获太阳光后再将其转化为荧光，并利用内部全反射原理，将荧光传导到装置边缘的一种光学器件。将硅基太阳能电池安装在荧光聚光器的边缘，可以有效地吸收高强度的荧光，从而提高太阳能电池的光电转换效率。更为重要的是荧光聚光技术可以有效降低太阳能电池的使用量，从而大幅度地降低发电成本。除此之外，荧光聚光器制备工艺简单、质量轻便、透光度可以根据实际需要进行调节并且能利用任意角度入射的太阳光，可以广泛的安装在城市群的各个角落，例如窗户、屋顶、公交站台和公园。
传统的荧光聚光器主要使用有机染料分子作为生色团材料。利用有机染料分子存在诸多缺点：(1)吸收谱图较窄，不能有效吸收太阳光；(2)吸光指数较低，需要较高的浓度才能实现对太阳光的有效吸收；(3)光学稳定性不好，不利于户外的长期使用；(4)吸收和荧光谱图的重合度较大，产生的重吸收问题导致荧光聚光器的光电转换效率不高。后来研究发现，量子点是尺度较小的半导体纳米粒子，具有优异的光学性能，其吸收谱图宽泛、吸光指数高、量子效率高并且光稳定性好，优于有机染料分子。图1为利用量子点制备的太阳能荧光聚光器001的示意图，太阳能荧光聚光器001还包括安装在其侧面的太阳能电池002。一般可以通过控制量子点的尺度、结构和化学组份来有效控制量子点的吸收和荧光谱图，不同结构量子点的吸收和荧光图谱图2所示。
基于量子点的太阳能荧光聚光器的光电转换效率主要取决于：(1)量子点的量子效率。通常情况下，量子点的量子效率低于100％，量子点所吸收的太阳光不能完全转化为荧光，导致了能量损失。(2)量子点对太阳光的有效吸收。由于量子点的吸收谱图不能与太阳光谱有效重合，导致量子点只能吸收部分的太阳光，从而浪费了太阳光谱中其他部分的光。例如，CdSe/CdS量子点只能吸收波长小于600纳米的太阳光(图2所示)。(3)量子点的吸收/荧光光谱的重合度。如图2所示，部分量子点(例如CdSe/CdS dot-in-rod)的荧光谱图和吸收谱图存在一定程度的重合。如图1所示，在荧光聚光器中，一个量子点所发出的荧光在波导材料传播的过程中会被另一个带隙宽度较小的量子点吸收。由于荧光聚光器的尺度较大，这样的重吸收会不断重复，每次重吸收后，量子效率和荧光逃逸将会导致能量损失，最终使重吸收问题成为影响太阳能荧光聚光器效率的决定性因素之一。
因此，需要一种能显著提高光电转换效率的太阳能荧光聚光器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叠层式太阳能荧光聚光器，其光电转换效率高、器件稳定性好。
本发明的另一目的在于提供一种叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法，能显著提高太阳能荧光聚光器的光电转换效率，并提高太阳能荧光聚光器的器件稳定性。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种叠层式太阳能荧光聚光器，其包括至少两层平面荧光聚光器，所有平面荧光聚光器由上至下叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，平面荧光聚光器主要是采用量子点和波导材料制成，位于顶层的平面荧光聚光器的量子点的吸收波长小于其他平面荧光聚光器的量子点的吸收波长。
进一步地，在本发明较佳实施例中，还包括安装在叠层式荧光聚光器侧面的太阳能电池，太阳能电池为硅基太阳能电池或者薄膜型太阳能电池。
进一步地，在本发明较佳实施例中，量子点为碳量子点或无机量子点，无机量子点包括CdSe/CdS量子点、PbS/CdS量子点、钙钛矿量子点。
进一步地，在本发明较佳实施例中，波导材料为高分子聚合物或者玻璃板。
进一步地，在本发明较佳实施例中，平面荧光聚光器是量子点与高分子聚合物形成的复合物或者是将量子点涂敷在玻璃板表面形成的。
进一步地，在本发明较佳实施例中，位于顶层的平面荧光聚光器的量子点的吸收波长为300-450nm，其他平面荧光聚光器的量子点的吸收波长为300-700nm。
本发明提出一种上述的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法，其包括以下步骤：
采用不同吸收波长的量子点和波导材料制成不同的平面荧光聚光器；
将不同的平面荧光聚光器由上至下叠合形成叠层式荧光聚光器。
进一步地，在本发明较佳实施例中，还包括在叠层式荧光聚光器的侧面安装太阳能电池的步骤。
进一步地，在本发明较佳实施例中，平面荧光聚光器具体制备方法如下：
将量子点和聚合物混合，制备量子点/聚合物板，即平面荧光聚光器。
进一步地，在本发明较佳实施例中，平面荧光聚光器具体制备方法如下：
将量子点和聚合物形成的混合溶液旋涂在玻璃板表面，制得平面荧光聚光器。
本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器及其制备方法的有益效果是：本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器包括至少两层平面荧光聚光器，所有平面荧光聚光器由上至下叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，平面荧光聚光器主要是采用量子点和波导材料制成，位于顶层的平面荧光聚光器的量子点的吸收波长小于其他平面荧光聚光器的量子点的吸收波长，该叠层式太阳能荧光聚光器的光电转换效率高、器件稳定性好。本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法是采用不同吸收波长的量子点和波导材料制成不同的平面荧光聚光器；将不同的平面荧光聚光器由上至下叠合形成叠层式荧光聚光器，该制备方法能显著提高太阳能荧光聚光器的光电转换效率，并提高太阳能荧光聚光器的器件稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为太阳能荧光聚光器的结构示意图；
图2为不同结构量子点的吸收和荧光光谱；
图3为本发明实施例1提供的一种叠层式太阳能荧光聚光器的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的一种叠层式太阳能荧光聚光器的结构示意图；
图5为本发明实施例3提供的一种叠层式太阳能荧光聚光器的结构示意图。
图标：001-太阳能荧光聚光器；002-太阳能电池；100-叠层式太阳能荧光聚光器；110-第一平面荧光聚光器；111-玻璃板；112-碳量子点/PVP聚合物层；120-第二平面荧光聚光器；130-光伏电池；200-叠层式太阳能荧光聚光器；210-第一平面荧光聚光器；211-玻璃板；212-碳量子点/PVP聚合物层；220-第二平面荧光聚光器；230-第三平面荧光聚光器；240-光伏电池；300-叠层式太阳能荧光聚光器；310-第一平面荧光聚光器；311-第一玻璃板；312-第一碳量子点/PVP聚合物层；320-第二平面荧光聚光器；321-第二玻璃板；322-第二碳量子点/PVP聚合物层；330-光伏电池。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供一种叠层式太阳能荧光聚光器，其包括至少两层平面荧光聚光器，所有平面荧光聚光器由上至下叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，平面荧光聚光器主要是采用量子点(作为荧光物质)和波导材料制成，位于顶层的平面荧光聚光器的量子点的吸收波长小于其他平面荧光聚光器的量子点的吸收波长。本实施例中，叠层式太阳能荧光聚光器还包括安装在叠层式荧光聚光器侧面的太阳能电池。顶层的平面荧光聚光器使用波长较小、稳定性好的量子点，叠层式结构可以实现太阳能光谱中不同能量光子的分离，从而不但提高聚光器的光电转换效率，而且可以提高器件稳定性。
本实施例中，波导材料可以为高分子聚合物或者有机/无机玻璃板，其中高分子聚合物包括亚克力、聚碳酸酯和聚苯乙烯。因此，平面荧光聚光器可以是采用量子点和高分子聚合物直接制成平板结构复合物，也可以是将量子点或量子点与高分子聚合物涂敷在玻璃板表面形成的。如果平面荧光聚光器包括玻璃板，则量子点或量子点和高分子聚合物的混合溶液形成的涂层最好被其他平面荧光聚光器覆盖，避免量子点的老化。
其中，量子点为碳量子点或无机量子点，无机量子点包括CdSe/CdS量子点、PbS/CdS量子点、钙钛矿量子点。其中钙钛矿量子点可以为有机-无机杂化的CH3NH3PbX3(X＝Cl,Br,I)量子点和全无机的CsPbX3(X＝Cl,Br,I)量子点，例如合金结构的CsPb(BrxI1-x)3、CsPb(BrxCl1-x)3(0<x<1)。
其中，太阳能电池为硅基太阳能电池(例如单晶硅电池或多晶硅电池等)或者薄膜型太阳能电池(例如钙钛矿太阳能电池等)。
本实施例中，位于顶层的平面荧光聚光器的量子点的吸收波长为300-450nm，其他平面荧光聚光器的量子点的吸收波长为300-700nm。底层的平面荧光聚光器可以吸收顶层没有吸收或者顶层散射的太阳光或者荧光。对阳光的选择性吸收提高了荧光聚光器对阳光的整体利用，提高了荧光聚光器的光电转换效率。例如，可以使用各种吸收小于500nm的量子点制备顶层的平面荧光聚光器，使用吸收波长大于500nm的量子点制备第二层的平面荧光聚光器，这样可以更有效的吸收太阳光，实现高的光电转换效率。
在实际使用中，叠层式太阳能荧光聚光器一般包括两层或三层平面荧光聚光器，且由上至下排列的平面荧光聚光器的量子点的吸收波长依次增大，这样就能极大的增大聚光器整体的光电转化效率。优选的，顶层的平面荧光聚光器包括玻璃板和采用碳量子点和波导材料的混合溶液形成的涂层，不仅碳量子点满足波长较小、稳定性好的需求，利用碳量子点提高太阳能荧光聚光器的性能和稳定性，而且在玻璃板上旋涂包含碳量子点的涂层，能保护碳量子点，使其充分发挥作用。进一步优选的，其他的平面荧光聚光器可以是采用无机钙钛矿量子点和波导材料直接制成平板结构。通过制备获取结构可控、物理性能稳定的无机钙钛矿量子点，并通过控制钙钛矿量子点的核尺度、壳层厚度和化学组分来调节量子点的光学性能，比如合成荧光量子效率高(90％-100％)，斯托克位移大(>50meV)，吸光范围与太阳光光谱重合度高(300-750nm)的核壳结构无机钙钛矿量子点。
本发明实施例还提供一种上述的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法，其包括以下步骤：
S1、采用不同吸收波长的量子点和波导材料制成不同的平面荧光聚光器。
其中，平面荧光聚光器具体制备方法如下：
将量子点和聚合物单体或聚合物混合，进行聚化反应制备量子点/聚合物板，即平面荧光聚光器。或者将量子点和聚合物形成的混合溶液旋涂在玻璃板表面，制得平面荧光聚光器。
S2、将不同的平面荧光聚光器由上至下叠合形成叠层式荧光聚光器。
S3、在叠层式荧光聚光器的侧面安装太阳能电池。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
参照图3所示，本实施例提供一种叠层式太阳能荧光聚光器100，其包括两层平面荧光聚光器，由上至下分别为第一平面荧光聚光器110和第二平面荧光聚光器120，第一平面荧光聚光器110和第二平面荧光聚光器120的尺寸为10×10×0.2cm3，第一平面荧光聚光器110和第二平面荧光聚光器120叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，叠层式荧光聚光器侧面安装有光伏电池130。
其中，顶层的第一平面荧光聚光器110包括玻璃板111和位于玻璃板底面的碳量子点/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)聚合物层112，碳量子点/PVP聚合物层112是将碳量子点和PVP聚合物的混合溶液旋涂在玻璃板111底面形成的。
第二平面荧光聚光器120是将CdSe/CdS量子点和聚合物混合制成的平板结构。
叠层式太阳能荧光聚光器100的工作原理如下：
太阳光照射在第一平面荧光聚光器110，碳量子点部分吸收与其吸收波长吻合的太阳光，并将吸收的太阳光转化成荧光，利用光波导材料，通过内部全反射，将荧光转到叠层式太阳能荧光聚光器100边沿的太阳能电池(即光伏电池130)内，并利用光电效应，转化成电能。没有被第一平面荧光聚光器110吸收的太阳光(包括300-450nm部分没有量子点完全吸收的太阳光和450nm以上第一平面荧光聚光器110无法吸收的太阳光)和第一平面荧光聚光器110逃逸的荧光，与第二平面荧光聚光器120中CdSe/CdS量子点吸收波长吻合的部分，将被第二平面荧光聚光器120聚光器吸收，并转化成荧光，进一步转化成电能。
下面对本实施例的第一平面荧光聚光器110、第二平面荧光聚光器120和叠层式太阳能荧光聚光器100的光电转换效率进行检测和统计，结果如下：
| 太阳能荧光聚光器 | 光电转换效率 |
| 第一平面荧光聚光器 | 0.7％ |
| 第二平面荧光聚光器 | 1.2％ |
| 叠层式太阳能荧光聚光器 | 1.4％ |
由上表可以看出，本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器100能显著提高单层的平面荧光聚光器的光电转换效率。
实施例2
参照图4所示，本实施例提供一种叠层式太阳能荧光聚光器200，其包括三层平面荧光聚光器，由上至下分别为第一平面荧光聚光器210、第二平面荧光聚光器220和第三平面荧光聚光器230，第一平面荧光聚光器210、第二平面荧光聚光器220和第三平面荧光聚光器230叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，叠层式荧光聚光器侧面安装有光伏电池240。
其中，顶层的第一平面荧光聚光器210包括玻璃板211和位于玻璃板底面的碳量子点/PVP聚合物层212，碳量子点/PVP聚合物层212是将碳量子点和PVP聚合物的混合溶液旋涂在玻璃板底面形成的。
第二平面荧光聚光器220是将CsPb(BrxI1-x)3量子点和聚合物混合制成的平板结构，具体是采用CsPb(Br0.8I0.2)3量子点。
第三平面荧光聚光器230是将CsPb(Br1-xClx)3量子点和聚合物混合制成的平板结构，具体是采用CsPb(Br0.2I0.8)3量子点。
叠层式太阳能荧光聚光器200的工作原理如下：
太阳光照射在第一平面荧光聚光器210，碳量子点部分吸收与其吸收波长吻合的太阳光，并将吸收的太阳光转化成荧光，利用光波导材料，通过内部全反射，将荧光转到装置边沿的太阳能电池(即光伏电池240)内，并利用光电效应，转化成电能。没有被第一平面荧光聚光器210吸收的太阳光(包括300-400nm部分没有量子点完全吸收的太阳光和400nm以上第一平面荧光聚光器210无法吸收的太阳光)和第一平面荧光聚光器210逃逸的荧光，与第二平面荧光聚光器220中的CsPb(Br0.8I0.2)3量子点吸收波长吻合的部分，将被第二平面荧光聚光器220吸收，并转化成荧光，进一步转化成电能。没有被第一平面荧光聚光器210、第二平面荧光聚光器220吸收的太阳光，以及第一平面荧光聚光器210、第二平面荧光聚光器220逃逸的荧光，与第三平面荧光聚光器230中的CsPb(Br0.2I0.8)3量子点吸收光谱吻合的部分，被第三平面荧光聚光器230吸收，并转化成荧光，成功传到太阳能电池被其吸收并转化成电能。
下面对本实施例的第一平面荧光聚光器210、第二平面荧光聚光器220、第三平面荧光聚光器230和叠层式太阳能荧光聚光器200的光电转换效率进行检测和统计，结果如下：
由上表可以看出，本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器200能显著提高单层的平面荧光聚光器的光电转换效率。
实施例3
参照图5所示，本实施例提供一种叠层式太阳能荧光聚光器300，其包括两层平面荧光聚光器，由上至下分别为第一平面荧光聚光器310和第二平面荧光聚光器320，第一平面荧光聚光器310和第二平面荧光聚光器320的尺寸为10×10×0.2cm3，第一平面荧光聚光器310和第二平面荧光聚光器320叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，叠层式荧光聚光器侧面安装有光伏电池330。两层荧光聚光器均使用量子点作为吸光材料，但量子点的吸收波长不同。
其中，顶层的第一平面荧光聚光器310包括第一玻璃板311和位于第一玻璃板底面的第一碳量子点/PVP聚合物层312，第一碳量子点/PVP聚合物层312是将碳量子点#1和PVP聚合物的混合溶液旋涂在第一玻璃板311底面形成的。
第二平面荧光聚光器320包括第二玻璃板321和位于第二玻璃板底面的第二碳量子点/PVP聚合物层322，第二碳量子点/PVP聚合物层322是将碳量子点#2和PVP聚合物的混合溶液旋涂在第二玻璃板321底面形成的。
叠层式太阳能荧光聚光器300的工作原理如下：
太阳光照射在第一平面荧光聚光器310，第一平面荧光聚光器310中的碳量子点#1部分吸收与其吸收波长吻合的太阳光，并将吸收的太阳光转化成荧光，利用光波导材料，通过内部全反射，将荧光转到装置边沿的太阳能电池(即光伏电池330)内，并利用光电效应，转化成电能。没有被第一平面荧光聚光器310吸收的太阳光(包括300-400nm部分没有被量子点完全吸收的太阳光和400nm以上，第一平面荧光聚光器310无法吸收的太阳光)和第一平面荧光聚光器310逃逸的荧光，与第二平面荧光聚光器320中碳量子点#2吸收波长吻合的部分，将被第二平面荧光聚光器320吸收，并转化成荧光，进一步通过光伏电池330转化成电能。
下面对本实施例的第一平面荧光聚光器310、第二平面荧光聚光器320和叠层式太阳能荧光聚光器300的光电转换效率进行检测和统计，结果如下：
| 太阳能荧光聚光器 | 光电转换效率 |
| 第一平面荧光聚光器 | 0.3％ |
| 第二平面荧光聚光器 | 0.9％ |
| 叠层式太阳能荧光聚光器 | 1.1％ |
由上表可以看出，本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器300能显著提高单层的平面荧光聚光器的光电转换效率。
综上所述，本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器的光电转换效率高、器件稳定性好；本发明实施例的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法能显著提高太阳能荧光聚光器的光电转换效率，并提高太阳能荧光聚光器的器件稳定性。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种叠层式太阳能荧光聚光器，其特征在于，其包括至少两层平面荧光聚光器，所有所述平面荧光聚光器由上至下叠合在一起形成叠层式荧光聚光器，所述平面荧光聚光器主要是采用量子点和波导材料制成，位于顶层的所述平面荧光聚光器的所述量子点的吸收波长小于其他所述平面荧光聚光器的所述量子点的吸收波长。
2.根据权利要求1所述的叠层式太阳能荧光聚光器，其特征在于，还包括安装在所述叠层式荧光聚光器侧面的太阳能电池，所述太阳能电池为硅基太阳能电池或者薄膜型太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的叠层式太阳能荧光聚光器，其特征在于，所述量子点为碳量子点或无机量子点，所述无机量子点包括CdSe/CdS量子点、PbS/CdS量子点、钙钛矿量子点。
4.根据权利要求1所述的叠层式太阳能荧光聚光器，其特征在于，所述波导材料为高分子聚合物或者玻璃板。
5.根据权利要求4所述的叠层式太阳能荧光聚光器，其特征在于，所述平面荧光聚光器是量子点与高分子聚合物形成的复合物或者是将量子点涂敷在玻璃板表面形成的。
6.根据权利要求1所述的叠层式太阳能荧光聚光器，其特征在于，位于顶层的所述平面荧光聚光器的所述量子点的吸收波长为300-450nm，其他所述平面荧光聚光器的所述量子点的吸收波长为300-700nm。
7.一种如权利要求1所述的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
采用不同吸收波长的量子点和波导材料制成不同的平面荧光聚光器；
将不同的平面荧光聚光器由上至下叠合形成叠层式荧光聚光器。
8.根据权利要求7所述的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法，其特征在于，还包括在所述叠层式荧光聚光器的侧面安装太阳能电池的步骤。
9.根据权利要求7所述的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法，其特征在于，所述平面荧光聚光器具体制备方法如下：
将量子点和聚合物混合，制备量子点/聚合物板，即平面荧光聚光器。
10.根据权利要求7所述的叠层式太阳能荧光聚光器的制备方法，其特征在于，所述平面荧光聚光器具体制备方法如下：
将量子点和聚合物形成的混合溶液旋涂在玻璃板表面，制得平面荧光聚光器。
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