CN112928984A - 一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板，主要由具有聚集诱导发光的分子作为光吸收和发射材料，聚合物作为光波导介质。利用聚集诱导发光分子较大的消光系数高效吸光，并通过其聚集诱导发光效应实现较大的光谱斯托克斯位移有效减小自吸收损失，同时具有较高的荧光量子效率，最终通过聚合物光波导到侧面的太阳能电池实现光电转换。利用短波长吸收的聚集诱导发光分子制备顶层太阳能聚光板；利用长波长吸收的聚集诱导发光分子制备底层太阳能聚光板，从而形成叠层器件。所述的发光分子具有高效的聚集诱导发光效应。优选方案，可实现43.5％的内部量子效率，作为聚集诱导发光分子可实现36.8％的内部量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板。
背景技术
太阳能聚光板(LSCs)是一种吸收太阳光并利用全反射效应波导荧光到板的边缘，进而耦合到光伏电池，从而产生电力的荧光器件。相比传统太阳能模块，LSCs具有更低的光伏成本，以及实现(半)透明窗户、智能建筑、智慧交通和温室大棚的潜力。其中，板边缘发射的光子与吸收的太阳光子之比定义了LSC的内部量子效率(ηint)；板边缘发射的光子与入射的太阳光子之比定义了LSC的外部量子效率(ηext)；其中，ηext＝ηint×ηabs，ηabs代表LSC对太阳光子的吸收效率。传统的太阳能聚光板采用的荧光材料(如有机染料，胶体量子点)通常具有较低的荧光量子效率和较小的光谱斯托克斯位移，因此导致器件具有较小的内部量子效率；此外，由于单层太阳能聚光板对太阳光的吸收不足(ηabs)，最终致使器件的外部量子效率普遍较低。
聚集诱导发光是香港科技大学唐本忠教授于2001年发现的一种分子光学现象，相比于传统的浓度淬灭分子而言，聚集诱导发光分子在聚集态展现出极高的荧光量子效率和较大的光谱斯托克斯位移。因此，基于该效应的LSC可实现较高的器件内部量子效率极限。并且，通过采用叠层器件结构，有效吸收转化不同波段的太阳光，可进一步提高器件的量子效率。
我们通过溶液法制备了适用于顶层或底层太阳能聚光板的聚集诱导发光分子薄膜，测试发现其具有较高的荧光量子效率。基于该材料的叠层太阳能聚光板可实现较高的内部量子效率。该发明为今后发展基于聚集诱导发光分子的高性能叠层LSC提供了基础，为最终实现商业化奠定了前提。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板，以解决太阳能聚光板效率偏低的技术问题。
所述的太阳能聚光板由具有聚集诱导发光效应的分子和聚合物混合而成的波导层组成。
所述的聚集诱导发光分子具有较高的荧光量子效率(20％-100％)和大的光谱斯托克斯位移(>100meV)。
所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或二种以上。
所述的叠层太阳能聚光板采用本领域公知的方法制备得到。优选的顶层器件聚集诱导发光分子为TPA-BT，优选的底层器件聚集诱导发光分子为TPE-TQ；优选的聚合物为PMMA；优选的制备方法为刮刀流延法，该方案制备简单，并在今后有望实现加工成本低廉的太阳能聚光板制备。
为了验证上述太阳能聚光板是否真正实现了高效的光学效率，本发明采用的验证技术方案为：
利用稳态吸收和荧光光谱，确定所选聚集诱导发光分子的基本光吸收、发射特性和荧光量子效率。
基于上述光谱数据和积分球系统，建立模型，测量并计算基于该发明制备的LSC的光学效率。
本发明叠层太阳能聚光板主要由具有聚集诱导发光的分子作为光吸收和发射材料，聚合物作为光波导介质。利用聚集诱导发光分子较大的消光系数高效吸光，并通过其聚集诱导发光效应实现较大的光谱斯托克斯位移有效减小自吸收损失，同时具有较高的荧光量子效率，最终通过聚合物光波导到侧面的太阳能电池实现光电转换。利用短波长吸收的聚集诱导发光分子制备顶层太阳能聚光板；利用长波长吸收的聚集诱导发光分子制备底层太阳能聚光板，从而形成叠层器件。所述的发光分子具有高效的聚集诱导发光效应。作为优选方案，聚合物选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，顶层太阳能聚光板选用TPA-BT作为聚集诱导发光分子可实现43.5％的内部量子效率，底层太阳能聚光板选用TPE-TQ作为聚集诱导发光分子可实现36.8％的内部量子效率。
附图说明
图1,聚集诱导发光分子叠层太阳能聚光板示意图。
图2，(a)聚集诱导发光分子TPA-BT分子结构；(b)聚集诱导发光分子TPE-TQ分子结构；(c)聚集诱导发光分子TPA-BT的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱；(d)聚集诱导发光分子TPE-TQ的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱。
图3，(a)顶层太阳能聚光板的总发射、边发射和面发射荧光光谱；(b)底层太阳能聚光板的总发射、边发射和面发射荧光光谱。
具体实施方式
本发明通过实施例和附图做进一步的说明。
实施例
本实施例所述一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板，其制备方法包括以下步骤：
0.01g的TPA-BT(图2a)分子溶于10mL的氯仿溶液与1g的聚甲基丙烯酸甲酯(350000的平均分子量)混合搅拌10小时，将混合物低速(2000转/分钟)离心取上清液，利用刮刀流延法将其均匀涂布在25平方厘米玻璃基底上，静置直至溶剂完全挥发，形成顶层太阳能聚光板；同理，0.01g的TPE-TQ(图2b)分子溶于10mL的氯仿溶液与1g的聚甲基丙烯酸甲酯(350000的平均分子量)混合搅拌10小时，将混合物低速(2000转/分钟)离心取上清液，利用刮刀流延法将其均匀涂布在25平方厘米玻璃基底上，静置直至溶剂完全挥发，形成底层太阳能聚光板，如图1所示。
顶层太阳能聚光板和底层太阳能聚光板相对叠合构成叠层太阳能聚光板。
制备获得的叠层太阳能聚光板是否能实现高效的光学效率，需利用光学检测手段予以验证，验证检测主要从以下三个方面进行：
(1)聚集诱导发光分子的吸收、荧光光谱。
利用稳态吸收和荧光光谱检测手段，对TPA-BT和TPE-TQ分子的吸收和荧光特性进行测试(样品浓度均为0.01mmol/L，氯仿溶液)，其中，紫外-可见稳态吸收光谱采用安捷伦carry 5000仪器获得；荧光光谱的激发波长为365nm，采用海洋光学Maya 2000Pro光纤光谱仪获得，如图2所示。TPA-BT和TPE-TQ分子具有较大的光谱斯托克斯位移。
(2)基于聚集诱导发光分子的LSC的荧光光谱。
利用积分球与光纤光谱仪搭建LSC荧光光谱测试系统，采用365nm光激发LSC样品，测试LSC的总发光强度和吸收强度；将LSC的四周用黑色胶带覆盖，测得LSC的面发射荧光强度；利用总发光光谱减去面发射光谱获得LSC边发射荧光光谱。如图3所示，通过光谱积分计算可知顶层LSC的荧光量子效率为80％，边发射荧光效率为54.35％；底层LSC的荧光量子效率为61％，边发射荧光效率为61.13％，该数值接近LSC的全反射理论极限75％，说明该LSC可有效抑制荧光材料的自吸收损失。
(3)计算聚集诱导发光分子太阳能聚光板的内部光学效率。
基于图2和3的吸收和荧光光谱可以计算出顶层和底层太阳能聚光板的内部量子效率(ηint，测定方法参见Nature Photonics,2018,12,105.)分别为43.5％和36.8％。上述结果充分说明了基于聚集诱导发光分子可以有效地减小所制备聚光板的自吸收损失，同时获得较高的荧光效率，最终实现较高的器件光学效率。
本发明叠层太阳能聚光板主要由具有聚集诱导发光的分子作为光吸收和发射材料，聚合物作为光波导介质。利用聚集诱导发光分子较大的消光系数高效吸光，并通过其聚集诱导发光效应实现较大的光谱斯托克斯位移有效减小自吸收损失，同时具有较高的荧光量子效率，最终通过聚合物光波导到侧面的太阳能电池实现光电转换。利用短波长吸收的聚集诱导发光分子制备顶层太阳能聚光板；利用长波长吸收的聚集诱导发光分子制备底层太阳能聚光板，从而形成叠层器件。所述的发光分子具有高效的聚集诱导发光效应。作为优选方案，聚合物选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，顶层太阳能聚光板选用TPA-BT作为聚集诱导发光分子可实现43.5％的内部量子效率，底层太阳能聚光板选用TPE-TQ作为聚集诱导发光分子可实现36.8％的内部量子效率。
综上所述，本发明的这种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板，可以有效地减小荧光材料在波导过程中的自吸收损失，同时获得提高的荧光效率，最终实现较高的器件光学效率。该发明对今后基于聚集诱导发光分子的高性能太阳能聚光板研发具有极大的指导价值和意义。
Claims (5)
1.一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板，包括波导层，其特征在于：该太阳能聚光板波导层包括或由具有聚集诱导发光效应的分子和聚合物混合而成；
其中，聚集诱导发光分子作为光吸收和发射体，其于波导层中的质量比例控制在0.01-10％(优选为0.5-2％，更优选为1％)；
聚合物为光波导介质，具有10000-1000000的平均分子量(优选为200000-500000，更优选为300000-400000)，其于波导层中的质量比例控制在90-99.99％(优选为98-99.5％，更优选为99％)。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能聚光板，其特征在于：所述的聚集诱导发光分子具有较高的荧光量子效率(20％-100％)和大的光谱斯托克斯位移(>100meV)。
3.根据权利要求1所述的叠层太阳能聚光板，其特征在于：所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或二种以上；优选方案为PMMA。
4.根据权利要求1所述的叠层太阳能聚光板，其特征在于：
叠层太阳能聚光板由层叠的顶层和底层构成；
顶层太阳能聚光板选用短波长吸收的聚集诱导发光分子，优选方案为TPA-BT；
底层太阳能聚光板选用长波长吸收的聚集诱导发光分子，优选方案为TPE-TQ。
5.根据权利要求1所述的叠层太阳能聚光板，其特征在于：利用聚集诱导发光分子吸光，并通过其聚集诱导发光效应实现光谱斯托克斯位移，最终通过聚合物光波导到太阳能聚光板四周边缘的侧面的太阳能电池实现光电转换。
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