一种荧光转换材料、荧光太阳能聚光器及其制备方法和应用

本发明涉及光伏转换器件，更具体地，涉及一种荧光转换材料、荧光太阳能聚光器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钙钛矿型太阳能电池因其低成本溶剂加工工艺、生产过程简单以及能量转化效率高，在新型光伏电池领域有重大的应用潜力。然而，钙钛矿太阳能电池在实际服役过程中，由于太阳光直接照射在电池表面，长时间接受光照后，钙钛矿太阳能电池光电转换效率将会大大降低，主要是由于卤化物钙钛矿材料本身易分解，在紫外强光照、高温热辐射等环境中会加快分解。因此，钙钛矿太阳能电池商业化面临的关键问题之一是如何设计出高稳定性和可大规模制造的钙钛矿光伏模组。

2、荧光太阳能聚光器是一种将荧光转换材料分散于透明的光波导介质中而构成的光学器件，其由高荧光效率的荧光转换材料、透明或半透明的光波导介质和光伏电池组成。荧光太阳能聚光器通过吸收光、反射荧光、传递光三个步骤实现对太阳光的聚集，当阳光经过光波导介质，被荧光转换材料吸收，荧光材料被激发，辐射出波长较长的荧光，然后荧光在光波导材料内发生全内反射，被其侧面耦合的光伏电池所吸收，实现光能向电能的转换。

3、例如，现有技术公开了一种基于量子限域效应的太阳能聚光板，该太阳能聚光板主由全无机三卤素钙钛矿量子点作为光吸收和发射材料，聚合物作为光波导介质，利用量子点较大的消光系数高效吸光并通过其量子限域效应实现较大的光谱斯托克斯位移，有效减小自吸收损失，同时通过聚合物光波导到侧面的太阳能电池实现光电转换，但整个太阳能聚光板的稳定性和聚光性能较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有钙钛矿太阳能聚光板的稳定性和聚光性能较差的缺陷或不足，提供一种荧光转换材料的制备方法，以柠檬酸铵、水和有机溶剂为原料，采用微波法制备荧光转换材料，不仅能够快速、规模化制备，且所制得的荧光转换材料具有多光色、高荧光效率、大斯托克斯位移和良好的稳定性。

2、本发明的另一目的是提供一种荧光转换材料，该荧光转换材料具备大斯托克斯位移和良好稳定性，可有效降低重吸收损耗，光热稳定性好，大幅提升器件聚光效率，进而提升钙钛矿太阳能电池服务性能的高荧光效率。

3、本发明的又一目的是提供一种荧光转换材料在钙钛矿型太阳能电池中的应用。

4、本发明的另一目的是提供一种荧光太阳能聚光器。

5、本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

6、本发明保护一种荧光转换材料的制备方法，包括以下步骤：

7、将柠檬酸铵、水和/或有机溶剂在140～220℃条件下微波反应2～10min，即得荧光转换材料。

8、荧光转换材料的斯托克斯位移大小决定着自吸收损失的程度，可通过其吸收光谱与发射光谱的重叠情况来判断，当两种光谱重叠越多，说明荧光转换材料的斯托克斯位移越小，自吸收损失越大，会造成越多的光损耗。本发明以柠檬酸铵、水和有机溶剂为原料，采用微波法制备荧光转换材料(碳量子点)，不仅能够快速、规模化制备，且所制得的荧光转换材料具有多光色、高荧光效率、大斯托克斯位移和良好的稳定性，能够显著提升荧光太阳能聚光器整体聚光性能。上述柠檬酸酸铵作为荧光转换材料的前驱体，通过调控柠檬酸铵的浓度、微波反应的温度以及水与有机溶剂的体积比可以获得不同光色的荧光转换材料。

9、可选地，所述柠檬酸铵的浓度为0.5～1.5m；所述水与有机溶剂的体积比为(50～0):(0～50)。具体地，水与有机溶剂的体积比可以为50:0、45:5、40:10、35:15、30:20、25:25、20:30、15:35、10:40、5:45、0:50；有机溶剂可以为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)。

10、本发明还保护一种上述制备方法制得的荧光转换材料。可选地，上述荧光转换材料(碳量子点)的粒径为1.6～3.2nm，平均粒径为2.35～2.37nm。

11、一种上述荧光转换材料钙钛矿太阳能电池中的应用，也在本发明的保护范围之内。

12、本发明还保护一种荧光太阳能聚光器，包括依次层叠的光波导介质层、荧光材料转换层和超白玻璃层，以及设置于光波导介质层侧面的钙钛矿太阳能电池模组；

13、其中，所述荧光材料转换层由荧光材料(为上述荧光转换材料)与聚合物组成；所述光波导介质层与荧光材料转换层相邻的表面设置多个交替相接的凹口和凸起。

14、上述光波导介质层的4个侧面均设置钙钛矿太阳能电池模组；当上述光波导介质层的4个侧面中1个、2个或3个设置钙钛矿太阳能电池模组，剩余未设置钙钛矿太阳能电池模组的光波导介质层的侧面均为镜面以反射荧光。

15、当阳光照射在荧光太阳能聚光器表面时，会透过最上层的光波导介质层激发荧光材料转化层中的碳量子点；当碳量子点激发后，所产生的荧光射向光波导介质时，可利用波导介质层与荧光材料转换层相邻的特定形状表面，改变荧光的方向，使其在任意方向上随机发射，进而使得置于光波导介质层侧面的钙钛矿太阳能电池模组吸收更多的荧光，从而提高聚光器件的聚光效率，提高光电转换。

16、还需要说明的是，上述光波导介质层的4个侧面均可以设置钙钛矿太阳能电池模组，未设置钙钛矿太阳能电池模组的光波导介质层侧面为镜面，使得上述任意方向随机发射的荧光在镜面上发生镜面反射，以有效防止荧光逃逸，使其尽可能地被钙钛矿太阳能电池模组吸收。同理，荧光材料转换层与玻璃层的界面处也设置成镜面，进一步减少荧光逃逸，促进钙钛矿太阳能电池模组吸收，提高聚光器件的聚光效率，提高光电转换。

17、具体地，所述荧光材料转换层由荧光材料与聚合物按质量比1:(3～10)组成。聚合物的作用主要是为荧光材料提供均匀分散的基质。

18、具体地，所述荧光材料转换层中的聚合物为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)或聚酰亚胺(pi)。

19、具体地，所述凹口和凸起的形状均为半圆形；可选地，所述半圆形的半径与光波导介质层的厚度之比为1:(3～10)。优选地，所述半圆形的半径与光波导介质层的厚度之比为1:4。

20、可选地，光波导介质层的层数为1～9层。具体地，所述光波导介质层为聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚二甲基硅氧烷。

21、本发明具有以下有益效果：

22、本发明将由柠檬酸铵、水和有机溶剂通过微波反应制得碳量子点作为荧光转换材料应用于钙钛矿太阳能电池能够显著提升其稳定性和服役寿命；而且以柠檬酸铵、水和有机溶剂为原料，采用微波法制备碳量子点，不仅能够快速、规模化制备，且所制得的碳量子点具有多光色、高荧光效率、大斯托克斯位移和良好的稳定性。

23、本发明将钙钛矿太阳能电池与荧光转换材料、光波导介质和超白玻璃相结合的特定结构的荧光太阳能聚光器，不仅能够避免太阳光直射，减少紫外光，降低器件工作温度，而且能够大大减少钙钛矿太阳能电池使用面积，降低成本和应用空间，还能大大提高钙钛矿太阳能电池的聚光效率，显著改善光电转换，提升其整体服役性能。

技术特征：

1.一种荧光转换材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述柠檬酸铵的浓度为0.5～1.5m。

3.根据根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述水与有机溶剂的体积比为(50～0):(0～50)。

4.一种权利要求1～3任一项所述制备方法制得的荧光转换材料。

5.一种权利要求4所述荧光转换材料在钙钛矿太阳能电池中的应用。

6.一种荧光太阳能聚光器，其特征在于，包括依次层叠的光波导介质层、荧光材料转换层和超白玻璃层，以及设置于光波导介质层侧面的钙钛矿太阳能电池模组；

7.根据权利要求6所述荧光太阳能聚光器，其特征在于，所述凹口和凸起的形状均为半圆形或三角形。

8.根据权利要求7所述荧光太阳能聚光器，其特征在于，所述半圆形的半径与光波导介质层的厚度之比为1:(3～10)。

9.根据权利要求6所述荧光太阳能聚光器，其特征在于，所述光波导介质层为聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚二甲基硅氧烷。

10.根据权利要求6所述荧光太阳能聚光器，其特征在于，所述荧光材料转换层中的聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。

技术总结
本发明涉及光伏转换器件技术领域，具体涉及一种荧光转换材料、荧光太阳能聚光器及其制备方法和应用。本发明以柠檬酸铵、水和有机溶剂为反应原料，采用微波法制备荧光转换材料，不仅能够快速、规模化制备，且所制得的荧光转换材料具有多光色、高荧光效率、大斯托克斯位移和良好的稳定性。将该荧光转换材料与聚合物组成的荧光转换层，与特定结构的光波导介质层、超白玻璃层和钙钛矿太阳能电池所构成的荧光太阳能聚光器，可大幅提高器件聚光效率，显著改善光电转换，提升整体服役性能。

技术研发人员：饶龙石,刘洋,孙彬,汤均颂,钟桂生,张嘉阳,王双喜
受保护的技术使用者：汕头大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22