一种N-CDs/PVP薄膜、具有高光电转换效率的荧光太阳能聚集器及其制备方法与流程

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种n-cds/pvp薄膜、能荧光发光的具有高光电转换效率的荧光太阳能聚集器及其制备方法。

背景技术：

为保证能源与环境的可持续发展，大力发展清洁能源及可再生能源成为当今世界能源政策的基础。在众多可再生清洁能源中，环保而又安全的太阳能由于储量丰富，被人们视为可长期持续利用的理想能源。目前对太阳能的利用主要包括光电转换与光热转换两种方式，其中光电转换是通过太阳能光伏发电的方式来实现的。光伏发电是目前太阳能最佳的利用方式之一，但发电成本高，单位面积的太阳能电池价格十分昂贵，即使太阳能电池的光电转换效率在逐渐提高，但其性价比却仍然很低。基于这个原因，人们提出了聚光的思路，即将大面积照射的太阳光，聚集起来照射到一小块太阳能电池上面，以提高单位面积上太阳能电池上的光照强度，从而提高太阳能电池的利用率，提高太阳能光伏发电的性价比。

20世纪70年代，weber和goetzberger提出了一种新型的聚光型太阳能光伏器件——太阳能荧光聚集器(luminescentsolarconcentrators，lscs)，主要由荧光材料、透明介质和太阳能电池三部分构成。太阳能荧光聚集器的原理是将荧光材料掺入透明介质(如玻璃、pmma等)或将荧光材料涂在透明介质的表面制作成荧光平面光波导，利用荧光材料吸收太阳光谱中特定波段的辐射，再以较高的荧光量子效率发射出波长红移的荧光，通过光波导的透明介质向侧面传输，集中耦合进入光波导侧面粘贴的合适带隙的太阳能电池中，转化为电能输出。由于光波导的折射率大于空气的折射率，属于光密介质，因此荧光会在光波导内来回反射或者全反射向侧面传输，只有很少一部荧光会从光波导中逃逸到空气中，从而保证了对太阳光的有效收集作用。

lscs的光电转换效率依赖于光波导对太阳光的收集能力和荧光材料的光学特性，而大多数的光波导材料如玻璃、pmma和pvp的折射率都在1.5左右，因此它们对太阳光的收集能力相差不多，所以人们把焦点都集中在了寻找合适的荧光材料上。有机荧光材料由于荧光量子效率高、容易获取及廉价性等优点，最早被人们应用在lscs中。然而随着近年来研究者们对有机荧光材料的大量研究，他们发现大多数有机荧光材料的光谱吸收范围小，且吸收峰处于可见光波段，导致了太阳光谱中光子最密集的近红外波段没有被充分利用，限制了lscs效率的提高；另外大多数有机荧光材料的荧光发射峰处于可见光波段，这与最强光谱响应位于近红外波段的晶体硅太阳能电池极不匹配，大大限制了太阳能电池的光电转换效率，从而影响lscs的效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种氮掺杂碳量子点/pvp薄膜、具有高光电转换效率的荧光太阳能聚集器及其制备方法。

一种n-cds/pvp薄膜，所述的n-cds(氮掺杂碳量子点)/pvp薄膜中氮掺杂碳量子点的含量为0.1-0.7％。

按上述方案，所述的n-cds/pvp薄膜由将氮掺杂碳量子点均匀分散于pvp/乙醇溶液，然后利用旋涂法在基片表面旋涂获得，旋涂过程中进行层间热处理，获得的氮掺杂碳量子点/pvp薄膜的厚度为8-93μm。

n-cds/pvp薄膜的制备方法，其步骤为：

以柠檬酸作为碳源，尿素作为氮掺杂原料，采用一步微波法制备分散性好，粒径分布2-8nm的n-cds碳量子点；

然后在基片上形成n-cds/pvp薄膜：对基片表面及四周进行预处理，同时将氮掺杂碳量子点均匀分散于pvp/乙醇溶液，然后利用旋涂法在基片表面旋涂氮掺杂碳量子点的pvp/乙醇溶液，旋涂过程中进行层间热处理，通过旋涂不同次数即可得到不同厚度的下转换发光的n-cds/pvp薄膜。

按上述方案，所述n-cds碳量子点的制备方法为：配制柠檬酸浓度为50-60wt％和尿素浓度为20-30wt％的溶液，然后750-850w微波反应5-6min，真空干燥去除残存的小分子物质，得到n-cds碳量子点。

按上述方案，所述基片为超白玻璃。

按上述方案，基片预处理包括四周抛光及超声清洗，其中超声清洗包括去离子水清洗20min，丙酮清洗20min，乙醇清洗20min。

按上述方案，所述pvp/乙醇溶液的浓度为0.2-0.8g/ml，优选为0.3-0.4g/ml，所述分散于其中的碳量子点质量分数为0.1-1.0％，优选为0.3-0.7％。

按上述方案，每次旋涂氮掺杂碳量子点的pvp/乙醇溶液的旋涂转速及时间为旋涂转速为1000-4000rpm，时间为20s-50s，优选为：1000-3000rpm先旋涂5-10s，然后2000-4000rpm旋涂10-40s；更优选为2000rpm*5s+3500rpm*30s。

按上述方案，每次旋涂结束后，经层间热处理，所述层间热处理温度为30-70℃，时间为10-30min，层间热处理后再进行下一次的旋涂，通过旋涂不同次数即可得到不同厚度的下转换发光的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器。

按上述方案，所述的旋涂次数为1-10次，优选为3-9次。

荧光太阳能聚集器，包括n-cds/pvp薄膜和与其组装的太阳能电池，由将n-cds/pvp薄膜与太阳能电池组装所得。

本发明以氮掺杂碳量子点作为荧光微粒，pvp作为成膜辅助剂，调控pvp的浓度以及氮掺杂碳量子点的浓度，可控获得了所得薄膜为均匀、透明、表面平整的能荧光发光的n-cds/pvp薄膜，薄膜厚度在几微米在几十微米之间，进而基于此获得的太阳能聚集器光电转化效率高。具体地，在形成n-cds/pvp薄膜中，氮掺杂碳量子点的pvp/乙醇溶液中过低的碳量子点含量荧光强度低，而过高的碳量子点浓度会使其发生团聚，导致荧光淬灭。除此，旋涂条件也影响薄膜的表面平整度，另外通过调控旋涂条件和旋涂次数还可调控薄膜的厚度；同时，pvp的用量会影响旋涂液的粘度，也会对旋涂薄膜的厚度和平整度有很大影响，如实施例10，由于pvp浓度过低导致聚合物膜太薄，从而使得薄膜荧光太阳能聚集器性能不佳。热处理以及薄膜厚度等也对产品的表观性能和最终性能有很大的影响。通过调控合适的热处理条件对薄膜固化，一方面可保证薄膜的表面平整度，另一方面可消除薄膜内部的缺陷，提高光在薄膜内部的反射，从而影响最终光电转换效率。本申请人最终通过调控旋涂条件，热处理条件，薄膜层数，碳量子点浓度，pvp浓度等多工艺参数条件的选择制备得到了高荧光效果的具有合适厚度的表面平整的薄膜，从而最终获得了性能优异的薄膜荧光太阳能聚集器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明以氮掺杂碳量子点作为荧光微粒，pvp作为成膜辅助剂，提供的n-cds/pvp薄膜uv-vis吸收范围更广、薄膜透过率更高、pl发射光更强等。由此提供的荧光太阳能聚集器光电转化效率高，由氮掺杂碳量子点制备的lscs各方面性能也相对改善。另外，本发明选择氮掺杂碳量子点作为荧光微粒，相较于传统半导体量子点，具有毒性低、化学稳定性高、易于制备等优点。

2.选择pvp作为成膜剂，有效解决了氮掺杂碳点在pmma等现有聚合物成膜剂中分散性差、荧光强度低的问题，且pvp无毒无味，利用其进行实验可减小对实验者的身体伤害。

3.本发明制备中的无机量子点以柠檬酸作为碳源，尿素作为氮掺杂原料，采用简单便捷的一步微波法制备了n-cds，得到了廉价的，分散性好，粒径分布窄，批件间性能差异小，吸收峰大概位于350nm的n-cds，产品质量稳定。

附图说明

图1为实施例1制备得到的n-cds的透射电镜图和粒径分布图。

图2为实施例2制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器在激发波长分别为290—500nm下的pl光谱。

图3为实施例2、3、4、5制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器与空白样(不含碳量子点)的吸收光谱对比。

图4为实施例4、6、7、8、9制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器与空白样(不含碳量子点)的吸收光谱对比。

图5为实施例2、3、4、5制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器与空白样(不含碳量子点)的j-v曲线。

图6为实施例4、6、7、8、9制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器的j-v曲线。

具体实施方式

实施例1

取10ml纯水加入到50ml烧杯中，依次加入3.0g柠檬酸和2.0g尿素，超声5min得到澄清透明溶液，然后将透明溶液置于800w的微波炉中进行加热5min，可以观察到溶液颜色开始变棕最终有一团固体形成，然后将其放入50℃的真空干燥箱中1h，以去除残存的小分子物质。用针筒式滤膜过滤器(0.22μm)过滤纯化碳量子点的水溶液，最后得到的n-cds为固体粉末，易分散于无水乙醇中，注意避光存放。n-cds的透射电镜图和粒径分布图见图1。

实施例2

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.1％的氮掺杂碳量子点(实施例1的氮掺杂碳量子点)，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，最后在加热板上进行50℃*15min的热处理。

实施例3

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.3％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，最后在加热板上进行50℃*15min的热处理。

实施例4

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.5％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，最后在加热板上进行50℃*15min的热处理。

实施例5

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.7％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，最后在加热板上进行50℃*15min的热处理。

实施例6

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.5％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，每镀完一层在加热板上进行50℃*15min的热处理，重复进行3次镀膜及热处理操作。

实施例7

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.5％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，每镀完一层在加热板上进行50℃*15min的热处理，重复进行5次镀膜及热处理操作。

实施例8

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.5％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，每镀完一层在加热板上进行50℃*15min的热处理，重复进行7次镀膜及热处理操作。

实施例9

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.4g/ml；再加入质量分数为0.5％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，每镀完一层在加热板上进行50℃*15min的热处理，重复进行9次镀膜及热处理操作。

实施例10

首先对基片进行预处理，包括四周抛光及超声清洗(去离子水20min，丙酮20min，乙醇20min)。接着在一定体积的乙醇中加入相应质量的pvp，加热搅拌至完全溶解，溶液浓度为0.3g/ml；再加入质量分数为0.5％的氮掺杂碳量子点，并超声20min使其均匀分散。利用旋涂法进行镀膜，转速与时间为2000rpm*5s+3500rpm*30s，每镀完一层在加热板上进行50℃*15min的热处理，重复进行7次镀膜及热处理操作。

实施例11

将上述实施例(实施例2-10)所得薄膜一侧连接单晶硅电池，即可进行n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器的光电效率测试。本发明实施例2制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器在激发波长分别为290—500nm下的pl光谱如图2，可见样品对波长在290—500nm的激发光均有荧光响应；各实施例制备得到的样品的紫外-可见吸收光谱图如图3、4，可见样品在370nm处均有较为明显的吸收峰，且随碳量子点点浓度、薄膜层数增加，吸收峰均增强；实施例2、3、4、5制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器与空白样(不含碳点)的j-v曲线如图4，可见随碳量子点浓度增加，样品光电效率先增加后减小，碳量子点浓度为0.5％时光电效率达到最佳。实施例4、6、7、8、9制备得到的n-cds/pvp薄膜荧光太阳能聚集器的j-v曲线如图6，可见随薄膜层数增加，样品光电效率先增加后减小，7层样品光电效率达到最佳。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。