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树枝状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、由于化石能源日益枯竭，以太阳能为代表的可再生清洁能源越来越受到人们的关注。目前，太阳能的主要利用方式一直停留在使用昂贵的晶硅太阳能电池。然而，目前已经商业化的硅基太阳能电池生产成本和能源消耗都较高，如何以一种简单的方式有效地收集和集中阳光、以低成本获得高功率转换效率（pce）仍是太阳能电池面临的主要挑战。因此，人们探索了多种方法来降低光伏发电系统的成本。其中发光太阳能集光器作为一种新型的大面积的光电转换设备，是现有光伏系统的重要补充，其成本远远低于同等尺寸的单晶硅太阳能电池。

2、发光太阳能集光器(lsc)是一种新型的集太阳能捕获、传输和转换于一体的光电器件。与传统的硅基太阳能电池和聚光型聚光器相比，lsc具有高效捕光、制备简单、成本低、透明度高、重量轻、颜色易调、加工性能好、可在散射光下工作等优点。基于上述优势，该荧光型聚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。lsc是由嵌入透明波导中的荧光材料、波导材料和其侧面耦合的太阳能电池组成。荧光材料可直接分散于光波导基材中制成平板型lsc或者将荧光材料/聚合物溶液涂覆于透明波导基材(如透明玻璃片)表面制备成薄膜型lsc，而光伏电池则置于lsc的边缘。其工作原理为：当太阳光照射lsc时，其内部的荧光材料会先吸收一定波长的光，之后，荧光材料会发射另一波长的光，利用光波导基材的全内反射作用，大部分重新发射的光会经过波导基材向侧面传输，最终到达其侧面耦合的太阳能电池，从而实现光电转换。

3、制备高效的lsc主要取决于如何将更多的光从lsc收集并传导到连接在lsc边缘的太阳能电池。然而，现阶段lsc普遍存在集光效率低的问题，而实现高效率的发光太阳能集光器是其发展的主要方向。目前，实现高性能lsc的关键主要在于荧光材料。高性能lsc的荧光材料必须满足以下要求：(1)高的光致发光量子产率(plqy)，有效地将入射的高能光子下转换，(2)合适的发射波长，以匹配耦合到lsc上的太阳能电池的吸收，(3)良好的水分和紫外线稳定性，以适应长期的阳光照射和恶劣的天气条件，(4)大的斯托克斯位移或小的吸收-发射重叠，以尽量减少重吸收损失，以及(5)制造成本低，合成方便，降低光伏系统成本。作为lsc的主要组成部分，荧光材料的选择和优化一直是人们研究的重点。其中钙钛矿量子点由于其超高的光致发光量子产率，发射波长可调等优点，被认为是lsc器件应用的优秀候选材料，然而其存在嵌入透明波导不兼容导致量子产率降低、合成步骤复杂、长期稳定性差、易造成重金属离子泄露污染环境等缺点，极大地限制了它们在lsc中的应用。

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树枝状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，其目的在于通过树枝状介孔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，一种基于树枝状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）树枝状二氧化硅包覆钙钛矿量子点的制备：首先，合成树枝状介孔二氧化硅微球，将一定量的卤化铯、卤化铅（摩尔比为1:1）和一定量的树枝状介孔二氧化硅一起研磨混合均匀，然后转移到坩埚中，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树枝状二氧化硅包覆钙钛矿量子点。

5、（2）基于树枝状二氧化硅包覆钙钛矿量子点的发光太阳能集光器的制备：首先将一定量树枝状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，树枝状介孔二氧化硅微球的粒径为50～200nm；

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，卤化铅可以是氯化铅，溴化铅，碘化铅中的一种或多种；

9、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；

10、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，卤化物和树枝状介孔二氧化硅的质量比为1:1～1:3；

11、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，煅烧温度为600℃～700℃；

12、在上述制备方法中，所述步骤（1）中，煅烧时间为20 min～30 min；

13、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0～15 wt％；

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

15、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；

16、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%；

17、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 h～2h，加入催化剂或固化剂后搅拌时间为2～5 min；

18、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；

19、在上述制备方法中，所述步骤（2）中，固化温度为25℃～70℃。

20、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：

21、（1）本发明通过树枝状介孔二氧化硅封装进而包覆钙钛矿量子点，利用树枝状介孔结构，能够有效分散钙钛矿量子点，避免聚集猝灭。此外，高温固相合成使树枝状二氧化硅介孔结构塌陷并将钙钛矿量子点致密包覆，所得树枝状二氧化硅包覆钙钛矿量子点稳定性好，量子产率高。

22、（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树枝状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。

23、（3）本发明制备的树枝状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透明、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和长期稳定的光学性能。

24、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。