一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法，特点是包括以下步骤：（1）通过水热分解法制备不同尺寸碳量子点；（2）将碳量子点和光引发剂溶于由甲基丙烷酸月桂酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯混合而成的混合液中，将混合溶液超声处理3‑5min并于旋涡混合器上混合振荡1‑3min后，放入真空环境中干燥处理2‑4h，再于50‑70℃下水浴恒温加热20‑40min，然后将混合溶液倒入自制玻璃模具中，在真空干燥箱中抽气2‑4h后，采用水浴加热法或紫外光灯照射进行固化，固化脱模后，再经过切割、抛光工艺即可，优点是可有效降低重吸收损耗，器件集光效率大幅提升、成本低、生物兼容性好以及器件的光稳定性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法
本专利技术属于光电发光
，尤其涉及一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法。
技术介绍
传统的光聚集器主要由反光镜和凸透镜阵列构成。虽然结构简单，但是经过长时间日照，传统的光聚集器会产生明显的热效应，极大地影响光伏器件的使用寿命，因此需要配备一套冷却系统降低热效应的影响。同时，由于太阳光入射角度不断改变，因此需要一套对日追踪系统实时追踪入射太阳光。冷却系统与对日追踪系统的使用极大增加了传统光聚集器的使用成本和铺设场地。一方面光聚集器能够有效提高太阳能电池的光电转换效率；另一方面传统光聚集器的配套装置和设备无法有效降低太阳能电池的单位发电成本。现有的基于量子点的荧光太阳集光器的设计方法，一般通过在高折射率透明聚合物光波导中掺入高性能荧光发光量子点材料，利用聚合物基质良好的透光性和较高的光学折射率，便可实现太阳光的有效收集。具体说来，荧光太阳集光原型器件中的量子点可作为荧光发光中心，有效吸收入射太阳光后重新发出荧光，在透明光波导内经过多次全反射后，最终到达安装在侧面的太阳能电池面板上。应用荧光太阳集光器可以实现大面积太阳光聚集到小面积太阳能电池面板的目的。相比于传统光聚集器，荧光太阳集光器具有许多明显优势：（1）荧光太阳集光器不仅可以吸收直射光，还能够吸收散射光，同时不需要安装昂贵、复杂的入射太阳光追踪系统；（2）没有明显的热效应，因此不需要安装配套的冷却系统；（3）廉价的聚合物基质大面积取代价格昂贵的太阳能电池，显著降低光伏产业成本；（4）聚合物基质具有性能卓越的柔性特征，因此荧光太阳集光器能够很好地兼容于建筑物，可广泛应用于玻璃幕墙、隔离墙等表面。选取高性能的发光中心材料对于提高荧光太阳集光器的光学收集效率至关重要。良好的发光中心应该具备近乎100%的发光量子产率、宽光谱吸收、大的斯托克斯位移以及较好的化学-光稳定性等特点。目前，广泛使用的量子点发光中心具有以下的问题：（1）发光性能良好的无机量子点硫化镉、硫化铅等，由于镉、铅是重金属，具有较大的毒性，大大限制了其使用范围；（2）铜铟硒硫量子点和硅量子点含有少量毒性，同时其合成过程中使用的有机溶剂含有较高毒性；（3）全无机钙钛矿量子点的光-化学稳定性较差，接触氧气、水和光照后，会大大降低全无机钙钛矿量子点的光学性能。以掺杂碘离子的无机钙钛矿量子点为例，在室温条件下，在1个标准太阳光强度照射下，经过一周时间后，无机钙钛矿量子点在640nm处的特征发光峰几乎完全消失；（4）其他的传统胶体无机量子点通常合成过程复杂且发光量子产率比较低（<20%），无法满足高效量子点荧光太阳集光器的应用需要。综上所述，现存的量子点荧光太阳集光器中存在环境兼容性差、重吸收率高、光稳定性差等技术问题。碳量子点是一种新型的无毒半导体纳米材料，可以通过简单的水热分解法，使用丰富的、廉价的前体材料，来实现规模化生产。除了成本低廉易于批量化生产外。碳量子点还具有额外的诸多优点，如良好的生物兼容性、高的发光量子产率、优异的光-化学稳定性和良好的水溶性等。目前，国内外还没有公开任何关于基于水热分解法大批量生产碳量子点，进而获得碳量子点掺杂荧光太阳集光器的制备方法的相关研究报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可有效降低重吸收损耗，器件集光效率大幅提升，光稳定性好的基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法，包括以下步骤：（1）碳量子点的制备：通过水热分解法制备不同尺寸碳量子点溶液；（2）荧光太阳集光器的制备：将碳量子点溶液和光引发剂溶于由甲基丙烷酸月桂酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯混合而成的混合液中，将混合溶液超声处理3-5min并于旋涡混合器上混合振荡1-3min后，放入真空环境中干燥处理2-4h，去除由混合振荡产生的气泡，再于50-70℃下水浴恒温加热20-40min，然后将混合溶液倒入经过预处理的玻璃模具中，在真空干燥箱中抽气2-4h后，采用水浴加热法或者紫外光灯照射进行固化，固化脱模后，再经过切割、抛光工艺，即得到基于碳量子点的荧光太阳集光器。步骤（1）中所述的水热分解法具体过程为：将葡萄糖按质量体积比1g：5-15mL的比例溶于水加入到高压灭菌锅中，加热并不断搅拌直至在高压灭菌锅中形成澄清溶液后，继续在150-170℃下保持5-25min，然后加入10-30mL去离子水，将溶液在室温下自然冷却后离心收集沉淀，将沉淀置于截留分子量为400-600Da的透析袋中透析1-2天，最后用蒸馏水和无水乙醇彻底洗涤2-4次，即得到碳量子点。步骤（2）中所述的混合溶液中碳量子点溶液、光引发剂、甲基丙烷酸月桂酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯的混合比例为每1g光引发剂配比86-107mL甲基丙烷酸月桂酯和10-30mL二甲基丙烯酸乙二醇酯，每100-500μL碳量子点溶液配比4.8mL甲基丙烷酸月桂酯和1.06mL二甲基丙烯酸乙二醇酯，其中碳量子点溶液的浓度为1mg/mL，溶剂为无水乙醇；所述的光引发剂为1-羟基环己基苯基酮。步骤（2）中所述的玻璃模具预处理步骤为对模具依次进行无水乙醇清洗、吸水纸擦拭至模具表面干燥。步骤（2）中所述的水浴加热法的温度控制在60-80℃，水浴加热时间控制在20-30min。步骤（2）中所述的紫外光灯照射的功率为50W-200W，中心波长为365nm，照射时间为1-5min。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术首次公开了一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法，采用聚（甲基丙烷酸月桂酯共聚二甲基丙烯酸乙二醇酯）（PLMA-EGDA）作为荧光太阳集光器的光子输运光波导材料，以不同水热反应时间的碳量子点作为荧光太阳集光器的发光中心材料，制备具有较高集光效率和较高稳定性的荧光太阳集光原型器件。制备的原型器件性能良好的原因在于以下四个方面：第一，相比于已报道的聚合物基体材料（如：聚二甲基硅氧烷、硫醇烯共聚物等），PLMA-EGDA聚合物基体材料在可见光和近红外光范围内，具有很高的透光性（＞95%），缺陷态密度低，声子能小，光子输运性能优良；第二，相比于已报道的CdS、PbSe、PbS、全无机钙钛矿等荧光太阳集光器发光中心量子点而言，本专利技术的碳量子点不含有毒性的元素，更加绿色环保，具有较高的发光量子产率、良好的发光稳定性、广泛可调的光谱吸收和大的斯托克斯位移。第三，相比于已报道有机染料分子等荧光太阳集光器发光中心材料而言，本专利技术中碳量子点在合成、提纯和使用过程中，不会受到周围环境的影响而改变碳量子点的性质，具有更好的发光稳定性；第四，本专利技术通过控制水热分解反应时间，合成具有不同尺寸大小和光学特性的碳量子点。通过量子限制效应，易于光谱调控，进而实现大范围太阳光谱的覆盖。第五，相比于现有的无机钙钛矿量子点等发光中心材料而言，本专利技术的碳量子点的光学吸收谱与发射谱之间的斯托克斯位移更大，光子重吸收的几率大大下降，俄歇辐射等非辐射复合发生的几率大幅下降，从而基于碳量子点的荧光太阳集光器表现出低的重吸收损耗几率，最终导致了基于碳量子点的荧光太阳集光原型器件的集光效率大幅度提升。此外，目前已报道的全无机钙钛矿量子点的光-化学稳定性较差，接触氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）碳量子点的制备：通过水热分解法制备不同尺寸碳量子点溶液；（2）荧光太阳集光器的制备：将碳量子点溶液和光引发剂溶于由甲基丙烷酸月桂酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯混合而成的混合液中，将混合溶液超声处理3‑5min并于旋涡混合器上混合振荡1‑3min后，放入真空环境中干燥处理2‑4h，去除由混合振荡产生的气泡，再于50‑70℃下水浴恒温加热20‑40min，然后将混合溶液倒入经过预处理的玻璃模具中，在真空干燥箱中抽气2‑4h后，采用水浴加热法或者紫外光灯照射进行固化，固化脱模后，再经过切割、抛光工艺，即得到基于碳量子点的荧光太阳集光器。

【技术特征摘要】
1.一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）碳量子点的制备：通过水热分解法制备不同尺寸碳量子点溶液；（2）荧光太阳集光器的制备：将碳量子点溶液和光引发剂溶于由甲基丙烷酸月桂酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯混合而成的混合液中，将混合溶液超声处理3-5min并于旋涡混合器上混合振荡1-3min后，放入真空环境中干燥处理2-4h，去除由混合振荡产生的气泡，再于50-70℃下水浴恒温加热20-40min，然后将混合溶液倒入经过预处理的玻璃模具中，在真空干燥箱中抽气2-4h后，采用水浴加热法或者紫外光灯照射进行固化，固化脱模后，再经过切割、抛光工艺，即得到基于碳量子点的荧光太阳集光器。2.根据权利要求1所述的一种基于碳量子点的荧光太阳集光器的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的水热分解法具体过程为：将葡萄糖按质量体积比1g：5-15mL的比例溶于水加入到高压灭菌锅中，加热并不断搅拌直至在高压灭菌锅中形成澄清溶液后，继续在150-170℃下保持5-25min，然后加入10-30mL去离子水，将溶液在室温下自然冷却后离心收集沉淀，将沉淀置于截留分子量为400-600Da的透析袋中透析1-2天，最后用蒸馏水和无水乙醇彻底洗涤2-4次，即得到碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：束俊鹏，张晓伟，张涵，车锦铭，陈若望，陈凯旗，张碧莹，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33