一种双夹层型荧光太阳能集光器及其制备方法

本发明涉及一种双夹层型荧光太阳能集光器的制备，尤其涉及一种光伏器件在建筑光伏一体化中如光伏玻璃、光伏屋顶等的应用。

背景技术：

1、随着全球对环保意识的不断提高以及传统能源资源的日益枯竭，寻找可再生能源成为了必然趋势。而太阳能作为一种最为广泛的可再生清洁能源，受到了广泛的关注。因此，人们提出了光伏建筑一体化设计概念，即太阳能电池板集成在建筑外观的各种部位，把太阳能转化为电能，从而满足了建筑的部分电力需求，减少了化石能源的消耗。但大面积使用太阳能电池成本昂贵，且利用率低下。为降低成本，提高利用面积，荧光太阳能集光器为解决上述问题提供了思路。

2、荧光太阳能集光器（lsc）是一种低成本的光转化装置，一般由透明波导材料和荧光物质组成，当太阳光入射到波导材料上，荧光物质吸收入射光子并重新发射出长波长的光。由于存在全内发射，部分发射光会被引导至荧光太阳能集光器的边缘，最终入射到与边缘连接的太阳能电池上转化为电能，从而达到对太阳光的高效利用。lsc因其低成本、大面积、高效率的进行太阳光收集，可以在光伏建筑一体化中发挥巨大作用。

3、迄今为止，高效lsc的制备仍是首要挑战。为了提高lsc效率，主要有两种设计思路。其一是高效荧光团的合成。lsc提高效率的关键因素是选择吸收光谱宽、量子产率（qy）高、斯托克斯位移大、稳定性好的高效荧光团。迄今为止，有机染料、金属纳米团簇、半导体量子点（qds）、钙钛矿量子点、碳点（cds）等几种发光材料已成功应用于lsc中。但有机染料、半导体量子点和钙钛矿量子点存在毒性较大、制备成本较高等缺点，不利于lsc的商业应用。其二是lsc的结构设计。目前大多数lsc采用单节结构，单一荧光团的吸收和发射光的能力有限，这极大的影响了lsc的效率。多节lsc采用两种及以上的荧光团串联而成，通过不同层级间对光的逐级吸收和发射，从而提高了对太阳光的利用率，实现了lsc效率的提升。但是，单或多节lsc是一种开放结构容易受外界氧气、湿气等影响，从而导致长期稳定性较差，不利于其在光伏玻璃的实际应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种双夹层型荧光太阳能集光器及其制备方法，其目的在于将荧光碳点或荧光碳纳米环引入到荧光太阳能集光器中，利用不同层级间碳点或碳纳米环的吸收和发射，从而提高荧光太阳能集光器的效率。此外，该荧光太阳能集光器采用双夹层结构，能够保护其中的荧光碳点，提高了器件的长期稳定性。与传统荧光太阳能集光器相比，该荧光太阳能集光器具有透明度高，稳定性好，集光效率高等优势。

2、为达到上述目的，本发明具体技术方案是，一种双夹层型荧光太阳能集光器及其制备方法，具体特征为由包含蓝色或绿色荧光碳点的聚合物单夹层和包含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的聚合物单夹层组成。

3、制备方法包括以下步骤：

4、（1）荧光碳点和碳纳米环的制备：先将一定量3,4-二氨基苯磺酸和4-(二对甲苯氨基)苯甲醛加入到含有n,n-二甲基甲酰胺、聚乙二醇、浓盐酸的混合溶液中进行溶剂热合成即得蓝色荧光碳点；再将一定量2,4-二氨基苯磺酸加入到含有乙醇、浓盐酸的混合溶液中进行溶剂热合成即得绿色荧光碳点；最后将一定量3,4-二氨基苯磺酸和苝四甲酸二酐加入到含有n,n-二甲基甲酰胺、聚乙二醇、浓盐酸的混合溶液中进行溶剂热合成即得黄色荧光碳纳米环。

5、（2）双夹层型荧光太阳能集光器的制备：首先，将蓝色、绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环溶液加入聚合物单体中，然后蒸发溶剂得到碳点/聚合物单体悬浮液；随后在上述悬浮液中加入一定量的光引发剂和交联剂并震荡混匀；之后将一定量的含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的悬浮液滴在透明玻璃片上，再用另一片相同尺寸的透明玻璃片盖上，在紫外灯下光聚合制成含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的单夹层型荧光太阳能集光器。最后，将一定量的含有蓝色或绿色荧光碳点的悬浮液滴在上述单夹层玻璃片上，再用另一片相同尺寸的透明玻璃片盖上，在紫外灯下光聚合制成含有蓝色、绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的双夹层型荧光太阳能集光器。

6、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，溶剂热反应温度为180～200 ℃；

7、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，溶剂热反应时间为10～12 h；

8、在上述制备方法中，所述步骤（2，3）中，聚合物单体可以是甲基丙烯酸羟乙酯，聚乙二醇二丙烯酸酯，乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯或聚（乙二醇）苯醚丙烯酸酯中的一种；

9、在上述制备方法中，所述步骤（2，3）中，含有碳点或碳纳米环的溶液与聚合物单体的体积比为1:1～1:2；

10、在上述制备方法中，所述步骤（2，3）中，蒸发温度为80～100 ℃；

11、在上述制备方法中，所述步骤（2，3）中，蒸发时间为12～24 h；

12、在上述制备方法中，所述步骤（2，3）中，悬浮液用量为150 µl～2.4 ml。

13、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：

14、（1）本发明采用碳点作为荧光层制备荧光太阳能集光器，制备简易，成本低廉。碳点具有绿色、无毒、量子产率高、发射光谱可调等优点，有利于荧光太阳能集光器的实际应用。

15、（2）跟传统的荧光太阳能集光器相比，本发明将碳点或碳纳米环引入到荧光太阳能集光器中，利用不用层级间碳点或碳纳米环荧光层的吸收和发射，从而提高了荧光太阳能集光器的效率。此外，该荧光太阳能集光器采用双夹层结构，能够保护其中的碳点或碳纳米环荧光层，提高了器件的长期稳定性。

16、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，能够取得制备简便、成本低廉、透明度高、稳定性好、集光效率高等优异效果。

技术特征：

1.本发明提供了一种双夹层型荧光太阳能集光器，其特征在于：采用碳量子点或碳纳米环作为发光材料，采用丙烯酸酯类聚合物作为波导材料，其结构特征为双夹层结构，即由包含蓝色或绿色荧光碳点的聚合物单夹层和包含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的聚合物单夹层组成。

2.本发明提供了一种双夹层型荧光太阳能集光器的制备方法，包括以下步骤：（1）荧光碳点和碳纳米环的制备：先将一定量3,4-二氨基苯磺酸和4-(二对甲苯氨基)苯甲醛加入到含有n,n-二甲基甲酰胺、聚乙二醇、浓盐酸的混合溶液中进行溶剂热合成即得蓝色荧光碳点；再将一定量2,4-二氨基苯磺酸加入到含有乙醇、浓盐酸的混合溶液中进行溶剂热合成即得绿色荧光碳点；最后将一定量3,4-二氨基苯磺酸和苝四甲酸二酐加入到含有n,n-二甲基甲酰胺、聚乙二醇、浓盐酸的混合溶液中进行溶剂热合成即得黄色荧光纳米环；其中，水热反应温度为180～200 ℃，反应时间为10～12 h；（2）双夹层型荧光太阳能集光器的制备：首先，将蓝色、绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环溶液分别加入聚合物单体中，然后在80～100 ℃下蒸发溶剂得到碳点/聚合物单体悬浮液；随后在上述悬浮液中分别加入5-10 wt%的光引发剂和交联剂并震荡混匀；之后将一定量的含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的悬浮液滴在透明玻璃片上，再用另一片相同尺寸的透明玻璃片盖上，在紫外灯下光聚合5-10 min制成含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的单夹层型荧光太阳能集光器；最后，将一定量的含有蓝色或绿色荧光碳点的悬浮液滴在上述单夹层玻璃片上，再用另一片相同尺寸的透明玻璃片盖上，在紫外灯下光聚合5-10 min制成含有蓝色、绿色荧光碳点或黄色荧光纳米环的双夹层型荧光太阳能集光器。

技术总结本发明提供了一种双夹层型荧光太阳能集光器及其制备方法，其结构特征为双夹层结构，采用蓝色、绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环作为发光材料，采用丙烯酸酯类聚合物作为波导材料。制备方法包括以下步骤：（1）通过溶剂热法合成蓝色、绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环。（2）将一定量蓝色、绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环溶液与聚合物单体混合，待溶剂挥发即得碳点/聚合物单体的悬浮液；再将一定量光引发剂和交联剂加入上述悬浮液中并震荡均匀；随后将上述含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环悬浮液夹于光学玻璃片之间，在紫外灯下进行光聚合，待聚合完全后得到含有绿色荧光碳点或黄色荧光碳纳米环的单夹层型荧光太阳能集光器。随后将一定量上述蓝色或绿色荧光碳点悬浮液滴在上述单夹层型荧光太阳能集光器上并盖上另一光学玻璃片，在紫外灯下进行光聚合即得。本发明制得的双夹层型荧光太阳能集光器制备方法简便，成本低廉、透明度高，稳定性好，集光效率高。技术研发人员：王建颖,黄丹舟,华志文受保护的技术使用者：湖北大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25