一种温度报警型发光太阳能集中器及其制备方法

1.本发明涉及一种温度报警型发光太阳能集中器及其制备方法，属于光电器件领域。


背景技术：

2.发光太阳能集中器是一种大面积、光学透明的光电转换器件，它能够吸收正面入射的太阳光并通过下转换与透明波导介质将产生的荧光汇聚并传输至侧边，最后通过侧边耦合的光伏器件将太阳光转换为电能。相比于不透明的硅太阳能电池，发光太阳能集中器不仅能够在保证室内采光的情况下实现光电转换，而且不存在硅太阳能电池中严重影响器件性能的热斑效应，因此可以与建筑物玻璃幕墙或窗户集成，制备透明光伏模块。这种透明光伏模块可以用于驱动低功耗电子器件，以此开发多功能、低功耗的环境监测系统或智能家居产品，缓解了日益增长的物联网产品需求。一种极具商业前景的策略是将发光太阳能集中器与热响应有机卤化锰材料集成，以开发具备温度报警功能的透明发光太阳能集中器。基于这种设计思路，人们日常生活中的玻璃产品，如建筑和车辆的窗户、电子产品的屏幕甚至各种玻璃容器，都有可能成为自供电温度报警器，应用场景包括但不限于火灾报警、高温天气预警、气象监测、计算机cpu过热报警等，从而为人们提供使用便捷、多功能的自供电温度监控器件。目前，具备温度报警功能的发光太阳能集中器还没有相关设计或生产案例。因此本发明提出一种多功能发光太阳能集中器制备策略，以实现可集成于建筑物玻璃的透明自供电温度报警，降低自供电温度报警器件的制备成本。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种温度报警型发光太阳能集中器及其制备方法，以实现可集成于建筑物玻璃的透明自供电温度报警
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种温度报警型发光太阳能集中器，为层状结构，所述层状结构包括至少两个玻璃基底和玻璃基底间的至少一层的发光层和紫外光固化胶粘剂，和设置在其中一个玻璃基底上的热响应有机卤化锰-聚合物层；所述的发光层中荧光团与有机卤化锰二者的荧光光谱没有重叠，且荧光团的荧光热猝灭温度高于设置的报警温度，有机卤化锰-聚合物层与发光层面积比为1:25～100。
5.所述的热响应有机卤化锰-聚合物层是将苯乙基碘化胺和溴化锰有机溶剂中反应，去除有机溶剂后析出得到有机卤化锰粉末与聚苯乙烯反应得到的。
6.所述的发光层为以碘化铅pbi2、碘化铯csi和油胺碘oai溶于n,n-二甲基甲酰胺最终形成的钙钛矿-pmma复合发光层。
7.所述的温度报警型发光太阳能集中器的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)制备发光层：制备荧光团所需前驱液与聚合物浆料均匀混合，制备粘稠的荧光团-聚合物浆料，之后将浆料刮涂到玻璃基底上，形成均匀的液态薄膜，然后，将液态薄膜晾干或低温加热去除溶剂，形成发光层；对于荧光团前驱液-聚合物液态薄膜，将带有液态薄
膜的基底高温加热，使荧光团在聚合物基质中原位生成，形成发光层；
9.(2)制备发光太阳能集中器：使用紫外光固化胶粘剂将两片步骤(1)得到的带有荧光团-聚合物复合发光层的玻璃基底面对面贴合固化；
10.(3)制备热响应有机卤化锰-聚合物层：将苯乙基碘化胺和溴化锰加入到乙酸乙酯中，超声溶解形成有机卤化锰前驱液，之后将前驱液加热，去除溶剂后析出有机卤化锰粉末，将粉末与聚合物浆料均匀混合后滴涂到步骤(2)中玻璃基底上，溶剂完全蒸发后形成有机卤化锰-聚合物层得到温度报警型发光太阳能集中器。
11.所述步骤(1)中，荧光团前驱液是将碘化铅pbi2、碘化铯csi和油胺碘oai溶于n,n-二甲基甲酰胺得到。
12.所述步骤(1)中，通过刮涂的方式制备液态膜，刮涂高度为50～200μm，荧光团-聚合物液态薄膜的加热温度为40～60℃，荧光团前驱液-聚合物液态薄膜的加热温度为100～150℃。
13.所述步骤(2)中，紫外光固化胶粘剂具备透光性，贴合后使用320～400nm紫外灯照射，直到紫外光固化胶粘剂完全固化。
14.所述步骤(3)中，苯乙基碘化胺和溴化锰的摩尔比为2.4～1.0:1.0，溴化锰的浓度为0.1mol/l，有机卤化锰前驱液加热温度为130～150℃。
15.所述步骤(3)中，聚合物浆料的溶剂为甲苯，聚合物浓度为0.2～0.4g/ml，有机卤化锰浓度为0.04～0.08g/ml。
16.有益效果：
17.(1)操作简单、材料利用率高、对设备依赖性小、制备周期短；
18.(2)薄膜的空气/湿度稳定性好；
19.(3)发光层被夹在两片玻璃基底中间从而构成三明治结构，这种三明治结构有利于保护发光层不被刮损；
20.(4)可与建筑玻璃兼容，安装时无须拆除建筑物原有玻璃，具备较低的使用成本；
21.(5)器件具备高的光学透过率，能够在保证室内采光的情况下实现光电转换。
22.(6)器件同时具备光伏与温度报警的功能，有利于节能环保及拓宽应用场景。
23.(7)相比于之前研发的发光层最高plqy低于50％的产品，本发明中发光层plqy可达到80％。
24.(8)本发明解决了之前的发明中，发光层直接与uv粘剂接触时会发生强烈的荧光猝灭，需要引入额外的ps阻挡层的问题。本发明中的发光层可以直接与uv粘剂接触，不会引起应光猝灭。
25.(9)本发明中发光层使用的聚合物为pmma，前驱材料为csi，pbi2，oai发光层透过率可以超过90％，比之前发光层所使用的聚合物为pvdf，前驱材料为mai，pbi2，peai的，透过率只在80％左右要高出很多。
附图说明
26.图1为实施例1中几种有机卤化锰样品的plqy对比图。
27.图2为实施例1中几种有机卤化锰样品的pl对比图。
28.图3为实施例1中几种有机卤化锰样品的xrd对比图。
29.图4为实施例2中钙钛矿-pmma发光层plqy图。
30.图5为实施例2中钙钛矿-pmma发光层的透过率曲线。
31.图6为实施例2中基于钙钛矿-pmma发光层的发光太阳能集中器电流-电压曲线图。
32.图7为实施例3中温度报警型发光太阳能集中器及配套运行系统示意图；图中1有机卤化锰-聚合物层，2玻璃基底层，3发光层，4紫外光固化胶粘剂，5探测电路，6太阳能管理系统，7太阳能电池。
33.图8为实施例3中热响应有机卤化锰和钙钛矿-pmma复合发光层的pl光谱，以及温度报警系统中亮度探测电路的滤光片透过率。
34.图9为实施例3中温度报警型发光太阳能集中器实物及运行图。其中，图9a为环境光下温度报警系统指示灯点亮情况；图9b为室温下温度报警系统指示灯点亮情况；图9c为70℃下温度报警系统指示灯点亮情况；图9d为冷却到室温时温度报警系统指示灯点亮情况。[1]太阳能管理系统；[2]亮度探测电路；[3]耦合太阳能电池的发光太阳能集中器；[4]有机卤化锰-ps薄膜；[5]紫外灯；[6]热风枪。
[0035]
图10是本发明的温度报警型发光太阳能集中器的其中一种的结构示意图。其中1有机卤化锰-聚合物层，2玻璃基底层，3发光层，4紫外光固化胶粘剂。
具体实施方式
[0036]
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。
[0037]
一种温度报警型发光太阳能集中器，该发光太阳能集中器为层状结构，所述层状结构为以下的一种：
[0038]
(1)所述层状结构自下而上依次为玻璃基底、发光层、紫外光固化胶粘剂、发光层、玻璃基底与热响应有机卤化锰-聚合物层。
[0039]
(2)所述层状结构自下而上依次为：玻璃基底、发光层、紫外光固化胶粘剂、玻璃基底与热响应有机卤化锰-聚合物层。
[0040]
一种温度报警型发光太阳能集中器的制备方法，包括以下步骤：
[0041]
(1)制备发光层：将荧光团或制备荧光团所需前驱液与聚合物浆料均匀混合，制备粘稠的荧光团-聚合物浆料，之后将浆料刮涂到玻璃基底上，形成均匀的液态薄膜。对于荧光团-聚合物液态薄膜，将液态薄膜常温晾干或低温加热去除溶剂，形成发光层。对于荧光团前驱液-聚合物液态薄膜，需要将带有液态薄膜的基底高温加热，使荧光团在聚合物基质中原位生成，形成发光层；
[0042]
(2)制备发光太阳能集中器：使用紫外光固化胶粘剂将两片步骤(1)得到的带有荧光团-聚合物复合发光层的玻璃基底面对面贴合固化，或者将一片步骤(1)得到的带有荧光团-聚合物复合发光层的玻璃基底与另一片玻璃基底贴合；
[0043]
(3)制备热响应有机卤化锰-聚合物层：将苯乙基碘化胺和溴化锰加入到乙酸乙酯中，超声溶解形成有机卤化锰前驱液。之后将前驱液加热，去除溶剂后析出有机卤化锰粉末。将粉末与聚合物浆料均匀混合后滴涂到步骤(2)中玻璃基底上，溶剂完全蒸发后形成有机卤化锰-聚合物层。
[0044]
所述步骤(1)中，荧光团与有机卤化锰二者的荧光光谱没有重叠，且荧光团的荧光热猝灭温度高于设置的报警温度。
[0045]
所述步骤(1)中，通过刮涂的方式制备液态膜，刮涂高度为50～200μm。荧光团-聚合物液态薄膜的加热温度为40～60℃，荧光团前驱液-聚合物液态薄膜的加热温度为100～150℃。
[0046]
所述步骤(2)中，紫外光固化胶粘剂具备透光性，贴合后使用320～400nm紫外灯照射，直到紫外光固化胶粘剂完全固化。
[0047]
所述步骤(3)中，苯乙基碘化胺和溴化锰的摩尔比为2.4～1.0:1.0，溴化锰的浓度为0.1mol/l。有机卤化锰前驱液加热温度为130～150℃
[0048]
所述步骤(3)中，聚合物浆料的溶剂为甲苯，聚合物浓度为0.2～0.4g/ml，有机卤化锰浓度为0.04～0.08g/ml。机卤化锰-聚合物层与发光层面积比为1:25～100。
[0049]
实施例1
[0050]
(1)有机卤化锰前驱液制备：将苯乙基碘化胺peai和溴化锰mnbr2按照peai:mnbr2＝1.0:1.0，1.2:1.0，1.4:1.0，1.6:1.0，1.8:1.0，2.0:1.0，2.2:1.0和2.4:1.0的摩尔比加入到5ml乙酸乙酯中超声分散并溶解。其中，mnbr2的浓度为0.1mmol/ml。所生成产物记为pea2mnx4。
[0051]
(2)有机卤化锰粉末制备：将步骤(1)中前驱液放置在油浴锅中，150℃加热，溶剂完全蒸发后形成有机卤化锰粉末，将粉末取出，冷却至常温后备用，后续进行plqy、pl和xrd测试。
[0052]
图1为八种不同前驱材料摩尔投料比的有机卤化锰粉末样品在不同温度下的plqy对比，如图所示，每一种pea2mnx4有机卤化锰粉末都具备热响应性质，即在高温下表现出显著增强的荧光量子产率。
[0053]
图2为八种不同前驱材料摩尔投料比的有机卤化锰粉末样品在不同温度下的plqy对比，如图所示，与图1中结论一致，每一种pea2mnx4有机卤化锰粉末在高温下表现出显著增强的荧光强度。
[0054]
图3为八种不同前驱材料摩尔投料比的有机卤化锰粉末样品的xrd对比，如图所示，每一种有机卤化锰粉均具有相似的xrd谱，均表现出pea2mnx4的晶体结构。
[0055]
实施例2
[0056]
(1)荧光团前驱液制备：将碘化铅pbi2、碘化铯csi和油胺碘oai按照pbi2:csi:oai＝1:1:0.7的摩尔比溶于n,n-二甲基甲酰胺dmf，pbi2的浓度为0.0027mmol/ml。
[0057]
(2)荧光团-聚合物发光层制备：0.9g聚甲基丙烯酸甲酯pmma加入到步骤(1)中荧光团前驱液，混合物在70℃水浴中充分搅拌溶解，形成粘稠浆料。将浆料刮涂在玻璃基底上，刮涂高度参数为100μm，玻璃基底尺寸为10*10*0.2cm3。将涂覆有液态薄膜的玻璃基底以130℃加热5min，以获得钙钛矿-pmma复合发光层。薄膜冷却后放置备用，并进行plqy表征。
[0058]
(3)发光太阳能集中器制备：使用紫外光固化胶粘剂将两片荧光团-聚合物复合薄膜贴合，其中，玻璃基底在外侧。使用365nm紫外灯照射，使紫外光固化胶粘剂固化。之后在发光太阳能集中器侧边耦合硅太阳能电池进行电流-电压、光学效率测试。
[0059]
图4为刮涂制备的钙钛矿-pmma复合发光层plqy。其中，钙钛矿-pmma复合发光层的发光中心位于680nm附近，表现出79％的荧光量子产率。
[0060]
图5为刮涂制备的钙钛矿-pmma复合发光层透过率光谱。其中，复合发光层在750nm
处表现出大于90％的透过率，表明本发明中所述发光层具有良好的透光性，能够在保证室内采光的情况下实现光电转换。
[0061]
实施例3
[0062]
(1)荧光团前驱液制备：将碘化铅pbi2、碘化铯csi和油胺碘oai按照pbi2:csi:oai＝1:1:0.7的摩尔比溶于n,n-二甲基甲酰胺dmf，pbi2的浓度为0.0027mmol/ml。
[0063]
(2)荧光团-聚合物发光层制备：0.9g聚甲基丙烯酸甲酯pmma加入到步骤(1)中荧光团前驱液，混合物在70℃水浴中充分搅拌溶解，形成粘稠浆料。将浆料刮涂在玻璃基底上，刮涂高度参数为100μm，玻璃基底尺寸为10*10*0.2cm3。将涂覆有液态薄膜的玻璃基底以130℃加热5min，以获得钙钛矿-pmma复合发光层。薄膜冷却后放置备用。
[0064]
(3)发光太阳能集中器制备：使用紫外光固化胶粘剂将两片荧光团-聚合物复合薄膜贴合，其中，玻璃基底在外侧。使用365nm紫外灯照射，使紫外光固化胶粘剂固化。
[0065]
(4)有机卤化锰前驱液制备：将苯乙基碘化胺peai和溴化锰mnbr2按照peai:mnbr2＝2.0:1.0的摩尔比加入到5ml乙酸乙酯中超声分散并溶解。其中，mnbr2的浓度为0.1mmol/ml。
[0066]
(5)有机卤化锰粉末制备：将步骤(4)中前驱液放置在油浴锅中，150℃加热，溶剂完全蒸发后形成有机卤化锰粉末，将粉末取出，冷却至常温后备用。
[0067]
(6)温度报警型发光太阳能集中器的制备：将0.28g有机卤化锰粉末与聚苯乙烯ps浆料均匀混合。其中，ps浓度为0.4g/ml，溶剂为甲苯，溶剂体积为5ml。混合物滴涂到步骤(3)中发光太阳能集中器的玻璃基底上，溶剂完全蒸发后形成有机卤化锰-聚合物层。对制备好的温度报警型发光太阳能集中器进行pl表征以及光学效率测试。
[0068]
(7)温度报警型发光太阳能集中器运行系统的搭建：将步骤(6)中发光太阳能集中器三侧耦合商用多晶硅电池，三片硅太阳能电池为串联连接，正负极分别连接太阳能管理系统，用于电能存储与稳压输出。太阳能管理系统的输出端分别连接亮度探测电路，用于供能。之后，对有机卤化锰-ps薄膜进行70℃加热，对比温度报警系统指示灯点亮个数，实现温度报警。
[0069]
图6为温度报警型发光太阳能集中器的电流-电压曲线。其中，当几何因子为25时，温度报警型发光太阳能集中器的光学效率为1.57％。
[0070]
图7为温度报警型发光太阳能集中器及配套运行系统示意图，该系统基于若干功能模块搭建而成，其核心部分为本发明所述温度报警型发光太阳能集中器。
[0071]
图8为热响应有机卤化锰和钙钛矿-pmma复合发光层的pl光谱，以及温度报警系统中亮度探测电路的滤光片透过率。如图所示，热响应有机卤化锰和钙钛矿-pmma复合发光层的pl光谱没有交叠，且滤光片的透光波段热响应有机卤化锰的荧光匹配，因此用于供能的发光太阳能集中器的荧光不会干扰用于标定温度的信号光的采集，从而避免温度标定时产生错误。
[0072]
图9为温度报警型发光太阳能集中器实物及运行图。环境光下，温度报警系统的两个指示灯被点亮。系统开始运行，uv灯打开时，温度报警系统的三个指示灯被点亮。当温度报警型发光太阳能集中器被加热到70℃时，温度报警系统的四个指示灯被点亮，实现温度报警。当去除热源，温度降低至常温时，第四指示灯熄灭，温度报警解除。
[0073]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。