一种基于碳点的多节太阳能集光器的制备方法及应用

1.本发明涉及一种基于碳点的太阳能集光器的制备方法，尤其涉及这种光伏器件在光伏集成建筑如光伏玻璃、光伏屋顶、光伏车窗等领域的应用。


背景技术：

2.随着社会的日益发展，能源消耗日益增加，到2040年，全球的年能源消耗预计将超过700千万亿英热，其中，矿物燃料的燃烧仍然是过去和目前全球变暖和环境污染的主要影响因素。为了减轻由于大量使用化石燃料而产生的过量二氧化碳排放所造成的温室效应，利用太阳辐射发电近年来受到了广泛关注。具有高外部光学效率(η
opt
)高功率转换效率(pce)、光稳定性高和低成本的太阳能电池或太阳能集光器为解决这一问题提供了思路。
3.太阳能集光技术(lscs)是一类低成本的新型光伏器件，高荧光/磷光发射的荧光团被嵌入在聚合物基质中，涂覆在高透过玻璃或塑料基底上形成波导。当顶部有入射光子进入波导，lscs表面的荧光团吸收一定的光子后以更长的波长重新发射，通过内部的全反射重新定向到边缘，然后被耦合在lscs侧面边缘的单晶硅电池或太阳能电池收集并转换为电能。其中，影响太阳能集光器性能的主要因素为：荧光发射范围、荧光量子产率及发射波长与太阳光谱和耦合电池的匹配度。目前，利用太阳能集光器进行现场分布式可再生能源发电的技术正经历着迅速的发展，建筑集成光伏(bipv)技术被广泛认为可在建筑实践中发挥巨大的作用，成为光伏节能建筑技术的研究趋势。
4.目前，用于制备太阳能集光器的荧光团多为荧光染料(dyes)、半导体量子点(semiconductor qds)、钙钛矿量子点(perovskite qds)以及新兴碳纳米材料-碳点(cds)。其中，染料分子荧光发射颜色不可控、毒性较大且光学稳定性较差，不利于高效稳定太阳能集光器的制备。而半导体量子点和钙钛矿量子点的荧光发射颜色可控和高的荧光量子产率(plqys)等优点，为制备高效太阳能集光器提供了理论基础。但不可否认的是，半导体量子点及钙钛矿量子点仍然存在制备成本高、毒性较大、光学稳定性较低等缺点，从而在一定程度上限制了集光器的商业化应用。
5.迄今为止，已经被报道的太阳能集光器多为平板结构，而该结构又细致的分为单节和多节。其中，单节太阳能集光器是由单个波导组成，由于单一荧光团的荧光发射范围有限，导致单节太阳能集光器的效率不高，限制了其实际应用。多节太阳能集光器是由两个及以上波导串联形成的，通过使用不同发射颜色的荧光团来实现多层波导的逐级吸收与发射，通过内部全反射，一部分重新发射的光子被捕获而聚集到波导边缘，最后通过耦合在侧面的电池转换成电能。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明的第一目的是：一种基于碳点的多节太阳能集光器的制备方法。多节太阳能集光器是由多个单节太阳能集光器按照发射波长由短到长的顺序依次叠放制备而成。其中单节太阳能集光器由以下几个部分组成：(1)荧光发射基
团，常用的有染料、aie、半导体量子点、钙钛矿量子点、碳点；(2)聚合物基质，通常为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等高分子聚合物；(3)基底，通常为高透过玻璃或塑料。制备流程为：将荧光发射材料嵌入聚合物基质中形成胶体溶液，通过旋涂的方法使得胶体溶液均匀涂覆在玻璃或塑料基底上，干燥后得到单节太阳能集光器。
7.本发明的第二个目的是：多节太阳能集光器在光伏建筑领域的应用。包括以下内容：在多节太阳能集光器边缘耦合商用单晶硅太阳能电池，在模拟太阳光源照射下，测量并计算该光伏器件在的一系列光伏数据，如：开路电压、短路电流、填充因子、浓度因子、功率转换效率和外部光学转换效率。
8.相对于现有技术，本发明具有以下优势：
9.(1)基于碳点的多节太阳能集光器制备简单，成本低廉，环境友好，且由于碳点具有高的量子产率，发射光谱可调、吸收系数大等特点使得其非常适合于捕获太阳能辐射，有利于基于碳点的太阳能集光器获得较大的外部光学效率。
10.(2)基于碳点的太阳能集光器稳定性和耐光性优异，有利于建筑集成光伏领域的实际应用。
11.说明书附图
12.图1：基于碳点的多节太阳能集光器的示意图
13.图2：不同荧光发射颜色单节太阳能集光器在紫外照射下的荧光图
14.图3：多节太阳能集光器在环境光下的光学图片
15.具体实施案例
16.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施案例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。
17.实施例1
18.蓝、绿、黄、红荧光发射碳点的制备，包括如下步骤：
19.(1)制备蓝色荧光发射碳点，步骤为：称取质量比为10-40mg的间苯二胺溶于乙醇，通超声一定时间得到均匀混合溶液；将混合溶液倒入50ml反应釜中，在150-200℃下反应6-10h；然后将所得碳点溶液离心8min，分离去掉大颗粒杂质，最后将所合成的碳点原液储存在4℃的冰箱中备用；
20.(2)制备绿色荧光发射碳点，步骤为：称取质量比为5∶1至1∶5的间苯二胺溶于乙醇，通超声一定时间得到均匀混合溶液；将混合溶液倒入50ml反应釜中，在150-200℃下反应6-10h；然后将所得碳点溶液离心8min，分离去掉大颗粒杂质，最后将所合成的碳点原液储存在4℃的冰箱中备用；
21.(3)制备黄色荧光发射碳点，步骤为：称取质量比为5∶1至1∶5的邻苯二胺溶于乙醇，通超声一定时间得到均匀混合溶液；将混合溶液倒入50ml反应釜中，在150-200℃下反应6-10h；然后将所得碳点溶液离心8min，分离去掉大颗粒杂质，最后将所合成的碳点原液储存在4℃的冰箱中备用；
22.(4)制备红色荧光发射碳点，步骤为：称取质量比为5∶1至1∶5的对苯二胺溶于乙醇，通超声一定时间得到均匀混合溶液；将混合溶液倒入50ml反应釜中，在150-200℃下反应6-10h；然后将所得碳点溶液离心8min，分离去掉大颗粒杂质，最后将所合成的碳点原液储存在4℃的冰箱中备用。
23.实施例2
24.基于：绿、黄、红三种发射颜色的多节太阳能集光器的制备及应用，包括如下步骤：
25.(1)多节太阳能集光器由多个单节集光器组装而成，其中单节太阳能集光器的制备方法为：将适量碳点嵌入聚合物基质中获得浓度为0.32wt％的胶体溶液，在500-1500rpm/s的低转速下旋涂10-20s使碳点/聚合物溶液均匀平铺在高透过玻璃基底上，设置高转速条件为2000-3000rpm/s旋涂20-30s，通过控制旋涂层数获得厚度为9.60μm的均匀且有较高透过率的单节太阳能集光器；
26.(2)按照短波长在上，长波长在下的顺序依次叠放绿色、黄色、红色荧光发射单节集光器组装成多节太阳能集光器；
27.(3)测试多节太阳能集光器与电池耦合后的各项光伏数值，jcs，voc，ff，pce，η
opt
，c(浓度因子)分别为：9.51ma/cm2，0.47v，65.4％，2.92％，4.03％，0.25。
28.实施例3
29.基于：蓝、绿、黄、红三种发射颜色的多节太阳能集光器的制备及应用，包括如下步骤：
30.(1)多节太阳能集光器由多个单节集光器组装而成，其中单节太阳能集光器的制备方法为：将适量碳点嵌入聚合物基质中获得浓度为0.32wt％的胶体溶液，在500-1500rpm/s的低转速下旋涂10-20s使碳点/聚合物溶液均匀平铺在高透过玻璃基底上，设置高转速条件为2000-3000rpm/s旋涂20-30s，通过控制旋涂层数获得厚度为9.60μm的均匀且有较高透过率的单节太阳能集光器；
31.(2)按照短波长在上，长波长在下的顺序依次叠放蓝色、绿色、黄色、红色荧光发射单节集光器组装成多节太阳能集光器；
32.(3)测试多节太阳能集光器与电池耦合后的各项光伏数值，jcs，voc，ff，pce，η
opt
，c(浓度因子)分别为：10.17ma/cm2，0.47v，65.4％，3.29％，4.54％，0.28。