CN111518548A - 一种光下转换材料及制备方法和光下转换胶膜及光伏组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光下转换材料，包括4,4'‑（5,5'‑（1,7‑二异丁基‑1,7‑二羟基苯并二咪唑‑2,6‑二基）双（噻吩‑5,2‑二（N，N‑二苯基苯胺）））的聚合物固体。本发明还公开该材料的制备方法和使用该材料的光下转换胶膜及光伏组件。本发明光下转换材料在空气和水中稳定的、并且发光效率高的光下转换材料，将其制备成具有光下转换功能的封装胶膜应用在光伏组件的封装结构中，可以显著提高光伏组件的能量转化效率。
Description
技术领域
本发明属于光伏组件制备技术领域，特别涉及一种光下转换材料及制备方法和光下转换胶膜及光伏组件。
背景技术
稀土元素对于常用的光下转换材料，如钙钛矿量子点等发光材料的发光效率和稳定性的提升有很大的帮助，但稀土元素在地球上的含量有限，并且钙钛矿量子点等材料遇到空气和水汽容易分解失效，因此，很难将含有稀土元素的钙钛矿量子点光下转换材料进行大规模的商业化应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光下转换材料及制备方法和光下转换胶膜及光伏组件，提出一种不含稀土元素，在空气和水中稳定的、并且发光效率高的光下转换材料，将其制备成具有光下转换功能的封装胶膜应用在光伏组件的封装结构中，可以显著提高光伏组件的能量转化效率。
本发明是这样实现的，提供一种光下转换材料，包括4,4'-（5,5'-（1,7-二异丁基-1,7-二羟基苯并二咪唑-2,6-二基）双（噻吩-5,2-二（N，N-二苯基苯胺）））的聚合物固体，该聚合物分子量范围1000~10000，无色，可溶于甲苯、乙醚、氯仿、四氯化碳、苯，不溶于水。
本发明是这样实现的，还提供一种如前所述的光下转换材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将2mmol的1,5-二氟-2,4-二硝基苯和4mmol碳酸钾溶于20mL无水乙醇中，在60℃下反应2h，随后将4mmol异丁胺加入10mL无水乙醇中，搅拌均匀后加入1,5-二氟-2,4-二硝基苯和碳酸钾的无水乙醇溶液中，在80℃下反应12h，得到中间体1（1,2,4,5-四硝基-N1，N5-二异丁苯）；
步骤二、将4mmol氢化铝锂和0.5mol中间体1加入10mL无水四氢呋喃，在60℃下搅拌反应24h，随后向反应体系中缓慢加入1mL水，得到析出的中间体2（N1,N5-二异丁苯-1,2,4,5-四胺）；
步骤三、将步骤二制备的中间体2和2mmol的5-溴-2-噻吩甲醛溶解在10mL冰醋酸和1mL甲苯的混合溶液中，在80℃下搅拌24h得到中间体3；
步骤四、将2mmol的4-溴三苯胺与2mmol联硼酸频那醇酯混合后加入100mL二恶烷中，加入2mmol醋酸钾，0.02mmol二氯二(三苯基磷)合钯，加热至80℃合成中间体4（4-(二苯基氨基)苯硼酸频那醇酯）；
步骤五、将1mmol中间体4、4mmol的碳酸钾和2mmol的4-（二苯氨基）苯硼酸吡那考酯溶解于100mL的1,4-二恶烷中，得到中间体5；
步骤六、把0.04mmol的二氯二(三苯基磷)合钯加入以上反应体系中间体5中，并在80℃下加热搅拌24h；向反应体系中加入200mL水，最后加入400mL的二氯甲烷，最终将反应混合物烘干，干燥处理后得到最终产物。
本发明是这样实现的，还提供一种光下转换胶膜，其包含有如前所述的光下转换材料，或者，其包含有采用如前所述的光下转换材料的制备方法制备的光下转换材料。
本发明是这样实现的，还提供一种如前所述的光下转换胶膜的制备方法，包括如下步骤：
将制备的光下转换材料溶于甲苯中，配成1mg/mL的溶液100mL，随后将其与95g的EVA树脂、1.5g叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯、1g乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、0.5g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、1g钛酸酯和1g受阻胺充分混合，加热到熔融状态使各组分充分混合，最后将混合物放置于真空烘箱中干燥得到固体混合物；将干燥后的固体混合物使用层压机压成胶膜使用。
本发明是这样实现的，还提供一种光伏组件，其使用了如前所述的光下转换胶膜，或者，其使用了如前所述的光下转换胶膜的制备方法制备的光下转换胶膜。
进一步地，其内部结构从下往上依次包括背板玻璃、EVA胶膜、带透明基底的光伏器件、光下转换胶膜和前板玻璃。
进一步地，其内部结构从下往上依次包括背板玻璃、EVA胶膜、带透明基底的光伏器件、光下转换胶膜和顶层保护膜。
本发明是这样实现的，还提供一种如前所述光伏组件的制备方法，包括如下步骤：在光伏器件的基底侧上方敷设光下转换胶膜，再在光伏器件的器件侧下方敷设EVA胶膜，再在光下转换胶膜的上方敷设前板玻璃，在EVA胶膜的下方敷设背板玻璃，最后将敷设组装好的部件一同放入层压机中层压即可。
本发明是这样实现的，提供一种如前所述光伏组件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将含有ITO导电层的玻璃的导电面朝下，在其非导电面放置光下转换胶膜，再在其上覆盖顶层保护膜，将敷设组装好的三层材料放入层压机进行层压；
步骤2、层压后，在玻璃的导电面上制备光伏器件；
步骤3、在光伏器件的背电极上方放置EVA胶膜和背板玻璃，放入层压机中层压即可。
进一步地，所述光伏器件包括钙钛矿光伏器件、染料敏化光伏器件、有机光伏器件、铜铟镓硒光伏器件、单晶硅光伏器件、碲化镉薄膜光伏器件中任意一种。
与现有技术相比，本发明的光下转换材料及制备方法和光下转换胶膜及光伏组件具有以下特点：本发明制备的4,4'-（5,5'-（1,7-二异丁基-1,7-二羟基苯并二咪唑-2,6-二基）双（噻吩-5,2-二（N，N-二苯基苯胺）））聚合物光下转换材料制得的光下转换胶膜稳定性良好，如图5所示，该光下转换材料制成的胶膜在沸水中蒸煮24h亦能保持良好的荧光量子效率从160%降到150%。目前相对稳定性较好的CsPbBr3材料制备的胶膜在沸水中蒸煮24h后荧光量子效率从90%降低到5%。
附图说明
图1为本发明的光伏组件实施例1的内部结构平面示意图；
图2为本发明的光伏组件实施例2的内部结构平面示意图；
图3为实施例1的组件和与实施例1制作方法一致但没有光下转换胶膜的组件的J-V对比图；
图4为实施例2的组件和与实施例1制作方法一致但没有光下转换胶膜的组件的J-V对比图；
图5为4,4'-（5,5'-（1,7-二异丁基-1,7-二羟基苯并二咪唑-2,6-二基）双（噻吩-5,2-二（N，N-二苯基苯胺）））胶膜和CsPbBr3荧光量子点胶膜在沸水中蒸煮24h的稳定性对比图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明光下转换材料的较佳实施例，包括4,4'-（5,5'-（1,7-二异丁基-1,7-二羟基苯并二咪唑-2,6-二基）双（噻吩-5,2-二（N，N-二苯基苯胺）））的聚合物固体，该聚合物分子量范围1000~10000，无色，可溶于甲苯、乙醚、氯仿、四氯化碳、苯，不溶于水。
本发明还公开一种如前所述的光下转换材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将2mmol的1,5-二氟-2,4-二硝基苯和4mmol碳酸钾溶于20mL无水乙醇中，在60℃下反应2h，随后将4mmol异丁胺加入10mL无水乙醇中，搅拌均匀后加入1,5-二氟-2,4-二硝基苯和碳酸钾的无水乙醇溶液中，在80℃下反应12h，得到中间体1（1,2,4,5-四硝基-N1，N5-二异丁苯）。
步骤二、将4mmol氢化铝锂和0.5mol中间体1加入10mL无水四氢呋喃，在60℃下搅拌反应24h，随后向反应体系中缓慢加入1mL水，得到析出的中间体2（N1,N5-二异丁苯-1,2,4,5-四胺）。
步骤三、将步骤二制备的中间体2和2mmol的5-溴-2-噻吩甲醛溶解在10mL冰醋酸和1mL甲苯的混合溶液中，在80℃下搅拌24h得到中间体3。
步骤四、将2mmol的4-溴三苯胺与2mmol联硼酸频那醇酯混合后加入100mL二恶烷中，加入2mmol醋酸钾，0.02mmol二氯二(三苯基磷)合钯，加热至80℃合成中间体4（4-(二苯基氨基)苯硼酸频那醇酯）。
步骤五、将1mmol中间体4、4mmol的碳酸钾和2mmol的4-（二苯氨基）苯硼酸吡那考酯溶解于100mL的1,4-二恶烷中，得到中间体5。
步骤六、把0.04mmol的二氯二(三苯基磷)合钯加入以上反应体系中间体5中，并在80℃下渐热搅拌24h；向反应体系中加入200mL水，最后加入400mL的二氯甲烷，最终将反应混合物烘干，干燥处理后得到最终产物。
本发明还公开一种光下转换胶膜，其包含有如前所述的光下转换材料，或者，其包含有采用如前所述的光下转换材料的制备方法制备的光下转换材料。
本发明还公开一种如前所述的光下转换胶膜的制备方法，包括如下步骤：
将制备的光下转换材料溶于甲苯中，配成1mg/mL的溶液100mL，随后将其与95g的EVA树脂、1.5g叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯、1g乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、0.5g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、1g钛酸酯和1g受阻胺充分混合，加热到熔融状态使各组分充分混合，最后将混合物放置于真空烘箱中干燥得到固体混合物；切下20g左右干燥后的固体混合物使用层压机将其压成胶膜使用，压好的光下转换胶膜的膜厚为：0.3mm~1mm。其中，层压时使用的层压温度为90℃~120℃，层压压力为60Kpa~90Kpa，层压时间为5min~15min。
本发明还公开一种光伏组件，其使用了如前所述的光下转换胶膜，或者，其使用了如前所述的光下转换胶膜的制备方法制备的光下转换胶膜。
请参照图1所示，作为一个实施例，光伏组件的内部结构从下往上依次包括背板玻璃1、EVA胶膜2、带透明基底7的光伏器件3、光下转换胶膜4和前板玻璃5。
光下转换材料能够在吸收一个高能光子的紫外光后，发射两个或多个低能光子。本发明制备的聚合物光下转换材料制成的光下转换胶膜可以把对光伏层不利的高能光子转换成数量更多的低能光子，使吸光层吸收的光子数增加，使相应输出的载流子数目增加，从而电池的光电转换效率增大。
本发明还公开一种如前所述光伏组件实施例的制备方法，包括如下步骤：在制备好的带透明基底的光伏器件3的基底7侧上方敷设光下转换胶膜4，再在光伏器件3的器件侧下方敷设不含光下转换材料的普通EVA胶膜2，再在光下转换胶膜4的上方敷设前板玻璃5，在EVA胶膜2的下方敷设背板玻璃1，最后将敷设组装好的部件一同放入层压机中层压即可。层压温度为100℃，层压压力为80Kpa，层压时间为15min。
请参照图2所示，作为另一个实施例，光伏组件的内部结构从下往上依次包括背板玻璃1、EVA胶膜2、带透明基底7的光伏器件3、光下转换胶膜4和顶层保护膜6。
本发明还公开一种如前所述光伏组件实施例的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将含有ITO导电层的玻璃基底7的导电面朝下，在其非导电面放置光下转换胶膜4，再在其上覆盖顶层保护膜6，将敷设组装好的三层材料放入层压机进行层压。层压温度为90℃，层压压力为90kPa，层压时间为10min。
步骤2、层压后，在玻璃基底7的导电面上制备光伏器件3。
步骤3、在光伏器件3的背电极上方放置EVA胶膜2和背板玻璃1，放入层压机中层压即可。层压温度为90℃，层压压力为90kPa，层压时间为10min。
在上述这两个实施例中提到的所述光伏器件包括钙钛矿光伏器件、染料敏化光伏器件、有机光伏器件、铜铟镓硒光伏器件、单晶硅光伏器件、碲化镉薄膜光伏器件中任意一种。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的光伏组件的制备方法。
实施例1
请再参照图1所示，本发明的光伏组件的制备方法的第一种实施例，以制备钙钛矿光伏组件（三玻结构组件）为例，包括如下步骤：
步骤11、制备钙钛矿器件：将含有FTO导电基底7进行激光切割，使切割线两侧的子电池完全绝缘，再清洗干净、氮气吹干、UV处理。用丝网印刷的方法，在基底上沉积20nm厚的PTAA作为空穴传输层。用狭缝连续涂布将Cs0.15FA0.85PbI3溶液涂布到基底7上，其中，溶液的浓度为1.2mol/L，溶剂是体积比为4:1的N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的混合溶剂，100℃退火10分钟，得到500nm的钙钛矿层。然后蒸镀30nm的C60，10nm的MoO3作为电子传输层和阻挡层，进行第二次激光切割，切割线下端至底电极FTO上表面。蒸镀150nm银作为顶电极，再进行第三次激光切割，切割线下端至FTO上表面，保证两侧子电池的顶电极完全断开，制得钙钛矿光伏器件。
步骤12、使用光下转换胶膜作为上封装胶膜封装钙钛矿器件：在制备好的钙钛矿器件的上方敷设光下转换胶膜4，再在下方敷设不含光下转换材料的普通EVA胶膜2，再在顶部和底部敷设前板玻璃5和背板玻璃1。最后将组装好的部件一同放入层压机中层压，层压温度为100℃，层压压力为80Kpa，层压时间为15min，得到钙钛矿光伏组件。
请参照图3所示，将本实施例所制备的有光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件（有光下转换胶膜的组件）与现有的无光下转换胶膜钙钛矿光伏组件（无光下转换胶膜的组件）分别进行J-V（电流密度-电压）性能测试得到如图3所示的对比测试曲线。对比后发现，有光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件的能量转化效率要高于无光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件。
同时，本实施例的有光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件和无光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件的电池性能参数如下表1所示。
表1
| 器件类型 | Voc/V | Jsc/mA.cm<sup>-2</sup> | FF | PCE/% |
| 无光下转换胶膜钙钛矿光伏组件 | 0.969 | 22.00 | 82.40 | 17.54 |
| 有光下转换胶膜钙钛矿光伏组件 | 0.980 | 23.60 | 81.76 | 19.00 |
从上表可以看出，在封装过程中使用了光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件光电转换效率更高 。
实施例2
请再参照图2所示，本发明的光伏组件的制备方法的第二种实施例，以制备另一种钙钛矿光伏组件（两玻结构组件）为例，包括如下步骤：
步骤21、制备带有光下转换胶膜的基底玻璃：将含有ITO玻璃基底7导电面朝下，在其非导电面上放置光下转换胶膜4，再在光下转换胶膜4上盖一层乙烯-四氟乙烯共聚物膜作为顶层保护膜6，起保护作用。将组装好的三层材料放入层压机进行层压加工。层压温度为90℃，层压压力为90kPa，层压时间为10min。
步骤22、在层压后的带有光下转换胶膜和乙烯-四氟乙烯共聚物保护膜的玻璃基底7背面导电面上制作钙钛矿光伏器件。
步骤23、将钙钛矿光伏器件封装成双玻组件：在钙钛矿光伏器件的背电极上方放置EVA胶膜2和背板玻璃1，再一同放入层压机中层压得到钙钛矿光伏组件，层压温度为90℃，层压压力为90kPa，层压时间为10min。
请参照图4所示，将本实施例所制备的有光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件（有光下转换胶膜的组件）与现有的无光下转换胶膜钙钛矿光伏组件（无光下转换胶膜的组件）分别进行J-V（电流密度-电压）性能测试得到如图4所示的对比测试曲线。对比后发现，有光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件的能量转化效率要高于无光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件。
同时，本实施例的有光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件和无光下转换胶膜的钙钛矿光伏组件的电池性能参数如下表所示。
Claims (10)
1.一种光下转换材料，其特征在于，包括4,4'-（5,5'-（1,7-二异丁基-1,7-二羟基苯并二咪唑-2,6-二基）双（噻吩-5,2-二（N，N-二苯基苯胺）））的聚合物固体，该聚合物分子量范围1000~10000，无色，可溶于甲苯、乙醚、氯仿、四氯化碳、苯，不溶于水。
2.一种如权利要求1所述的光下转换材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将2mmol的1,5-二氟-2,4-二硝基苯和4mmol碳酸钾溶于20mL无水乙醇中，在60℃下反应2h，随后将4mmol异丁胺加入10mL无水乙醇中，搅拌均匀后加入1,5-二氟-2,4-二硝基苯和碳酸钾的无水乙醇溶液中，在80℃下反应12h，得到中间体1（1,2,4,5-四硝基-N1，N5-二异丁苯）；
步骤二、将4mmol氢化铝锂和0.5mol中间体1加入10mL无水四氢呋喃，在60℃下搅拌反应24h，随后向反应体系中缓慢加入1mL水，得到析出的中间体2（N1,N5-二异丁苯-1,2,4,5-四胺）；
步骤三、将步骤二制备的中间体2和2mmol的5-溴-2-噻吩甲醛溶解在10mL冰醋酸和1mL甲苯的混合溶液中，在80℃下搅拌24h得到中间体3；
步骤四、将2mmol的4-溴三苯胺与2mmol联硼酸频那醇酯混合后加入100mL二恶烷中，加入2mmol醋酸钾，0.02mmol二氯二(三苯基磷)合钯，加热至80℃合成中间体4（4-(二苯基氨基)苯硼酸频那醇酯）；
步骤五、将1mmol中间体4、4mmol的碳酸钾和2mmol的4-（二苯氨基）苯硼酸吡那考酯溶解于100mL的1,4-二恶烷中，得到中间体5；
步骤六、把0.04mmol的二氯二(三苯基磷)合钯加入以上反应体系中间体5中，并在80℃下加热搅拌24h；向反应体系中加入200mL水，最后加入400mL的二氯甲烷，最终将反应混合物烘干，干燥处理后得到最终产物。
3.一种光下转换胶膜，其特征在于，其包含有如权利要求1所述的光下转换材料，或者，其包含有采用如权利要求2所述的光下转换材料的制备方法制备的光下转换材料。
4.如权利要求3所述的光下转换胶膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将制备的光下转换材料溶于甲苯中，配成1mg/mL的溶液100mL，随后将其与95g的EVA树脂、1.5g叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯、1g乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、0.5g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、1g钛酸酯和1g受阻胺充分混合，加热到熔融状态使各组分充分混合，最后将混合物放置于真空烘箱中干燥得到固体混合物；将干燥后的固体混合物使用层压机压成胶膜使用。
5.一种光伏组件，其特征在于，其使用了如权利要求3所述的光下转换胶膜，或者，其使用了如权利要求4所述的光下转换胶膜的制备方法制备的光下转换胶膜。
6.如权利要求5所述光伏组件，其特征在于，其内部结构从下往上依次包括背板玻璃、EVA胶膜、带透明基底的光伏器件、光下转换胶膜和前板玻璃。
7.如权利要求5所述光伏组件，其特征在于，其内部结构从下往上依次包括背板玻璃、EVA胶膜、带透明基底的光伏器件、光下转换胶膜和顶层保护膜。
8.一种如权利要求6所述光伏组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在光伏器件的基底侧上方敷设光下转换胶膜，再在光伏器件的器件侧下方敷设EVA胶膜，再在光下转换胶膜的上方敷设前板玻璃，在EVA胶膜的下方敷设背板玻璃，最后将敷设组装好的部件一同放入层压机中层压即可。
9.一种如权利要求7所述光伏组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将含有ITO导电层的玻璃的导电面朝下，在其非导电面放置光下转换胶膜，再在其上覆盖顶层保护膜，将敷设组装好的三层材料放入层压机进行层压；
步骤2、层压后，在玻璃的导电面上制备光伏器件；
步骤3、在光伏器件的背电极上方放置EVA胶膜和背板玻璃，放入层压机中层压即可。
10.如权利要求8或9所述光伏组件的制备方法，其特征在于，所述光伏器件包括钙钛矿光伏器件、染料敏化光伏器件、有机光伏器件、铜铟镓硒光伏器件、单晶硅光伏器件、碲化镉薄膜光伏器件中任意一种。
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