一种发光太阳能集光器及其制备方法

本发明涉及一种基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点的发光太阳能集光器及其制备方法，尤其涉及这种光伏器件在光伏集成建筑如光伏窗户、光伏屋顶等领域的应用。

背景技术：

1、近年来，面对全球石油能源短缺，世界各国都在向低碳能源转型。全球能源系统趋于电气化，电力的需求正在与日俱增。太阳能作为一种环保可再生能源受到人们的重视和青睐，这推动了光伏技术的快速发展。目前，利用太阳能最常见的方法是使用太阳能电池将阳光转化为电能。然而，传统光伏发电成本高，如何简单高效地利用太阳能仍然是的一大挑战。

2、不同于传统硅太阳能电池和聚光型集光器，发光太阳能集光器（lscs）作为一种新型的光伏器件，它能集太阳能捕获、传输和转换三种功能于一体。lscs由嵌入透明波导中的荧光材料、波导材料和侧面耦合的太阳能电池组成。其基本工作原理为：当太阳光照射lscs时，荧光材料被激发后，部分重新发射的光被由波导材料的全内反射引导至波导的边缘，并被侧边耦合的太阳能电池吸收，从而实现光电转化。lscs具有高效捕光、易制备、成本低、透明度高、颜色易调、可在散射光下工作等优点。基于上述优势，该发光太阳能集光器非常适宜与建筑相结合从而有巨大潜力实现光伏建筑一体化，如建筑窗户、玻璃幕墙等。

3、高效lscs的制备主要取决于如何将更多的光从 lscs 收集并传导到lscs边缘。光致发光发射范围和荧光量子产率是决定其性能的关键因素。迄今为止，各种荧光材料，包括有机染料、半导体量子点、碳点、钙钛矿量子点等，已成功应用于lscs。其中，钙钛矿量子点材料具有高量子产率，高色纯度，高吸收率，可调节的彩色等优点，以钙钛矿量子点为荧光材料制备的lscs可以表现出更优异的性能，并且可以更加灵活地融入多样的城市建筑风格，在制备高效的lscs有巨大前景。然而，钙钛矿量子点在环境中易被分解破坏，水氧稳定性较差，进而缩短了lscs的实际应用寿命，从而影响lsc在光伏窗户上的实际应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点的发光太阳能集光器及其制备方法，其目的在于通过二氧化硅封装进而包覆钙钛矿量子点，不仅使钙钛矿量子点分散均匀，还有效地将钙钛矿量子点和外界水、氧隔绝，提高了钙钛矿量子点的长期稳定性。此外，通过该方法合成的钙钛矿量子点用来制备发光太阳能集光器显示出高效的外部光学效率和长期稳定的光学性能。

2、为达到上述目的，本发明具体技术方案是，一种基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器及其制备方法。

3、制备方法包括以下步骤：

4、（1）二氧化硅包覆钙钛矿量子点的制备：首先，先合成二氧化硅气凝胶，然后将一定量的卤化铯、卤化铅（摩尔比为1:1）和一定量的二氧化硅气凝胶一起研磨混合均匀，后转移到刚玉坩埚中，在高温下煅烧一定时间，自然冷却后将得到的产物用去离子水和乙醇洗涤，离心烘干后研细得到二氧化硅包覆钙钛矿量子点。

5、（2）基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点的发光太阳能集光器的制备：首先将一定量二氧化硅包覆钙钛矿量子点和有机硅聚合物混合在烧杯中，搅拌混合均匀，然后加入催化剂或固化剂，继续搅拌均匀。取一定量的混合物，涂覆在玻璃基板上或者倒入特定尺寸的模具中，待其自然流延至完全覆盖玻璃基板或模具，经一定温度下固化一定时间形成均匀的膜，即得所述的发光太阳能集光器。

6、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，二氧化硅气凝胶比表面积500-600 m2/g，平均孔径10-20 nm；

7、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，卤化铯可以是氯化铯，溴化铯，碘化铯中的一种或多种；

8、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，卤化铯、卤化铅的摩尔比为1:1；

9、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，卤化物和二氧化硅气凝胶的质量比为1:5～5:1；

10、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，煅烧温度为550～700 ℃；

11、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，煅烧时间为20～30 min；

12、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，二氧化硅包覆钙钛矿量子点占混合物质量比为1～15 wt％。

13、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，所用的有机硅聚合物为有机硅树脂、聚二甲基硅氧烷等其中的一种；

14、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，催化剂为钛酸酯类催化剂（例如tyzor®722钛酸盐螯合物）或锡类催化剂(例如二月桂酸二丁基锡，辛酸亚锡等中的至少一种)，固化剂为聚二甲基硅氧烷固化剂；

15、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，催化剂的含量为0.5%-1.5%，固化剂含量为9%-10%；

16、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，加入有机硅聚合物后搅拌时间为0.5～2 h，加入催化剂或固化剂后搅拌时间为2～5 min；

17、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，涂覆玻璃基板的混合物用量为200～300 μl；

18、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，固化温度为25～100℃；

19、通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

20、（1）本发明通过二氧化硅封装进而包覆钙钛矿量子点，利用气凝胶的多孔结构，能够有效分散钙钛矿量子点，避免聚集猝灭。此外，高温固相合成使气凝胶孔隙结构塌陷并将钙钛矿量子点致密包覆，所得二氧化硅包覆钙钛矿量子点稳定性好，量子产率高。

21、（2）跟传统的发光太阳能集光器相比，本发明采用高温固相合成法合成了二氧化硅包覆钙钛矿量子点荧光材料，选用有机硅聚合物作为波导材料，全过程避免了使用有机配体和有机溶剂，制备方法简便环保，可实现发光太阳能集光器的大规模制备。

22、（3）本发明制备的二氧化硅包覆钙钛矿荧光材料与有机硅聚合物具有很好的相容性，荧光材料含量可达到15 wt％，涂覆在玻璃基底上可以形成均匀的薄膜，没有明显的团聚或分散不均，制备的发光太阳能集光器具有较高的外部光学效率。

23、总而言之，本发明所构思的以上技术方案与现有的技术相比，能够取得制备简单、环保、光学效率高、稳定性好等有益效果。

24、说明书附图

25、图 1：基于二氧化硅气凝胶包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的示意图。

26、图 2：二氧化硅气凝胶包覆钙钛矿量子点tem图。

27、图 3：不同质量分数的二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器在自然光和365 nm紫外光下的光学图片。

28、图 4：基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的透射光谱图。

29、图 5：基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的性能柱状图。

30、具体实施案例

31、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。

32、实施例1

33、（1）通过溶胶凝胶法制备了二氧化硅气凝胶，具体来说，取四乙氧基硅烷（teos）11.15 ml，无水乙醇11.15 ml，浓度为0.01 mol/l的盐酸2.52 ml，混合搅拌8小时。在搅拌状态下，加入10 vol%氨水的乙醇溶液，调节ph值到6~7，在30~60 s左右发生凝胶化，在室温下老化24小时，湿凝胶呈现淡蓝色，加入正己烷置换溶剂。再加入体积比为3:7的三甲基氯硅烷（tmcs）和正己烷混合溶液进行气凝胶改性，改性温度50 ℃，时间5小时。最后将凝胶放入烘箱干燥，通过梯度升温在60 ℃，80 ℃，120 ℃下分别干燥2小时后，研磨得到二氧化硅气凝胶粉末。

34、（2）称取0.055 g溴化铯，0.095 g溴化铅，0.15 g二氧化硅气凝胶在研钵中研磨20～30 min至混合均匀，随后转移到刚玉坩埚中，放入马弗炉中600℃煅烧20 min，升温速度为5 ℃/min，待自然冷却后，用去离子水洗涤，用离心机8000 rpm离心5 min，重复上述操作三次，沉淀在60℃真空干燥箱中干燥6 h，取出研磨即得到二氧化硅包覆的cspbbr3量子点。二氧化硅包覆钙钛矿量子点的微观结构如图2所示，可以看到均匀分散的cspbbr3量子点。

35、（3）称取0.005 g二氧化硅包覆cspbbr3量子点和0.5 g有机硅树脂混合在5 ml烧杯中，并于室温下搅拌30 min，超声30 min。然后在上述混合物中再加入70 μl的tyzor®722钛酸盐螯合物再搅拌5 min，然后用移液枪取200 μl混合物滴在2.5×2.5×0.2 cm3的玻璃基板上，待其自然流延均匀，于室温下固化24 h即制成基于二氧化硅气凝胶包覆cspbbr3钙钛矿量子点发光太阳能集光器。基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的示意图，如图1所示。二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的光学照片，如图3a所示。二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的透过率数据图，如图4a所示。二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的光学效率图，如图5a所示。当二氧化硅包覆钙钛矿量子点粉末浓度在1.96 wt%时，外部光学效率是2.56%。

36、实施例2

37、（1）通过溶胶凝胶法制备了二氧化硅气凝胶，具体来说，取teos 11.15 ml，无水乙醇11.15 ml，浓度为0.01 mol/l的盐酸2.52 ml，混合搅拌8小时。在搅拌状态下，加入10vol%氨水的乙醇溶液，调节ph值到6~7，在30~60 s左右发生凝胶化，在室温下老化24小时，湿凝胶呈现淡蓝色，加入正己烷置换溶剂。再加入体积比为3:7的tmcs和正己烷混合溶液进行气凝胶改性，改性温度50 ℃，时间5小时。最后将凝胶放入烘箱干燥，通过梯度升温在60℃，80 ℃，120 ℃下分别干燥2小时后，研磨得到二氧化硅气凝胶粉末。

38、（2）称取0.055 g溴化铯，0.095 g溴化铅，0.15 g二氧化硅气凝胶在研钵中研磨20～30 min至混合均匀，随后转移到刚玉坩埚中，放入马弗炉中600℃煅烧20 min，升温速度为5 ℃/min，待自然冷却后，用去离子水洗涤，用离心机8000 rpm离心5 min，重复上述操作三次，沉淀在60℃真空干燥箱中干燥6 h，取出研磨即得到二氧化硅包覆的cspbbr3量子点。

39、（3）称取0.09 g二氧化硅包覆cspbbr3量子点和0.5 g有机硅树脂混合在5 ml烧杯中，并于室温下搅拌30 min，超声30 min。然后在上述混合物中再加入70 μl的tyzor®722钛酸盐螯合物再搅拌5 min，然后用移液枪取200 μl混合物滴在2.5×2.5×0.2 cm的玻璃基板上，待其自然流延均匀，于室温下固化24 h即制成基于二氧化硅气凝胶包覆cspbbr3钙钛矿量子点发光太阳能集光器。二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的光学照片，如图3a所示。二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的透过率数据图，如图4a所示。二氧化硅包覆钙钛矿量子点发光太阳能集光器的光学效率图，如图5a所示。当二氧化硅包覆钙钛矿量子点粉末浓度在15.25 wt%时，外部光学效率是5.74%。

40、实施例3

41、（1）通过溶胶凝胶法制备了二氧化硅气凝胶，具体来说，取teos 11.15 ml，无水乙醇11.15 ml，浓度为0.01 mol/l的盐酸2.52 ml，混合搅拌8小时。在搅拌状态下，加入10vol%氨水的乙醇溶液，调节ph值到6~7，在30~60 s左右发生凝胶化，在室温下老化24小时，湿凝胶呈现淡蓝色，加入正己烷置换溶剂。再加入体积比为3:7的tmcs和正己烷混合溶液进行气凝胶改性，改性温度50 ℃，时间5小时。最后将凝胶放入烘箱干燥，通过梯度升温在60℃，80 ℃，120 ℃下分别干燥2小时后，研磨得到二氧化硅气凝胶粉末。

42、（2）称取0.055 g溴化铯，0.095 g溴化铅，0.15 g二氧化硅气凝胶在研钵中研磨20min～30 min至混合均匀，随后转移到刚玉坩埚中，放入马弗炉中600℃煅烧20 min，升温速度为5 ℃/min，待自然冷却后，用去离子水洗涤，用离心机8000 rpm离心5 min，重复上述操作三次，沉淀在60℃真空干燥箱中干燥6 h，取出研磨即得到二氧化硅气凝胶包覆cspbbr3量子点。

43、（3）称取0.06 g二氧化硅包覆cspbbr3量子点，0.04 g聚二甲基硅氧烷固化剂和0.4 g聚二甲基硅氧烷主剂于5 ml烧杯中，搅拌12 h，然后抽真空除去混合物中的气泡，使用电子天平称取1.25 g混合物直接倒入在2.5×2.5×0.2 cm3的模具中，静置一段时间，待混合物铺平模具。放入60℃的烘箱中预固化30 min，再100℃熟化2h。即制成基于二氧化硅包覆cspbbr3钙钛矿量子点柔性发光太阳能集光器。二氧化硅包覆钙钛矿量子点柔性发光太阳能集光器的光学照片如图3b所示。二氧化硅包覆钙钛矿量子点柔性发光太阳能集光器的透过率数据图如图4b所示。二氧化硅包覆钙钛矿量子点柔性发光太阳能集光器的光学效率图如图5b所示，当二氧化硅包覆钙钛矿量子点粉末的浓度为1.5 wt%时，外部光学效率是7.05%。

44、实施例4

45、（1）通过溶胶凝胶法制备了二氧化硅气凝胶，具体来说，取teos 11.15 ml，无水乙醇11.15 ml，浓度为0.01 mol/l的盐酸2.52 ml，混合搅拌8小时。在搅拌状态下，加入10vol%氨水的乙醇溶液，调节ph值到6~7，在30~60 s左右发生凝胶化，在室温下老化24小时，湿凝胶呈现淡蓝色，加入正己烷置换溶剂。再加入体积比为3:7的tmcs和正己烷混合溶液进行气凝胶改性，改性温度50 ℃，时间5小时。最后将凝胶放入烘箱干燥，通过梯度升温在60℃，80 ℃，120 ℃下分别干燥2小时后，研磨得到二氧化硅气凝胶粉末。

46、（2）称取0.056 氯化铯，0.093 g氯化铅，0.15 g二氧化硅气凝胶在研钵中研磨20～30 min至混合均匀，随后转移到刚玉坩埚中，放入马弗炉中600℃煅烧20 min，升温速度为5 ℃/min，待自然冷却后，用去离子水洗涤，用离心机8000 rpm离心5 min，重复上述操作三次，沉淀在60℃真空干燥箱中干燥6 h，取出研磨即得到二氧化硅包覆的cspbbr3量子点。

47、（3）称取0.005 g二氧化硅包覆cspbcl3量子点和0.5 g有机硅树脂混合在5 ml烧杯中，并于室温下搅拌30 min，超声30min。然后在上述混合物中再加入70 μl的tyzor®722钛酸盐螯合物再搅拌5 min，然后用移液枪取200 μl混合物滴在2.5×2.5×0.2 cm的玻璃基板上，待其自然流延均匀，于室温下固化24 h即制成基于二氧化硅气凝胶包覆cspbcl3钙钛矿量子点发光太阳能集光器。

48、实施例5

49、（1）通过溶胶凝胶法制备了二氧化硅气凝胶，具体来说，取teos 11.15 ml，无水乙醇11.15 ml，浓度为0.01 mol/l的盐酸2.52 ml，混合搅拌8小时。在搅拌状态下，加入10vol%氨水的乙醇溶液，调节ph值到6~7，在30~60 s左右发生凝胶化，在室温下老化24小时，湿凝胶呈现淡蓝色，加入正己烷置换溶剂。再加入体积比为3:7的tmcs和正己烷混合溶液进行气凝胶改性，改性温度50 ℃，时间5小时。最后将凝胶放入烘箱干燥，通过梯度升温在60℃，80 ℃，120 ℃下分别干燥2小时后，研磨得到二氧化硅气凝胶粉末。

50、（2）称取0.054 g碘化铯，0.096 g溴化铅，0.15 g二氧化硅气凝胶在研钵中研磨20～30 min至混合均匀，随后转移到刚玉坩埚中，放入马弗炉中600℃煅烧20 min，升温速度为5 ℃/min，待自然冷却后，用去离子水洗涤，用离心机8000 rpm离心5 min，重复上述操作三次，沉淀在60℃真空干燥箱中干燥6 h，取出研磨即得到二氧化硅包覆的cspbi3量子点。

51、（3）称取0.005 g二氧化硅包覆cspbi3量子点和0.5 g有机硅树脂混合在5 ml烧杯中，并于室温下搅拌30 min，超声30 min。然后在上述混合物中再加入70 μl的tyzor®722钛酸盐螯合物再搅拌5 min，然后用移液枪取200 μl混合物滴在2.5×2.5×0.2 cm的玻璃基板上，待其自然流延均匀，于室温下固化24 h即制成基于二氧化硅气凝胶包覆cspbi3钙钛矿量子点发光太阳能集光器。