一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器制造技术

本发明专利技术属于光学元件技术领域，具体公开了一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器，所述集光器包括荧光层、位于所述荧光层顶部的带阻滤光片、位于所述荧光层内部底表面的银纳米线阵列、位于所述荧光层下方的耦合层与最底层的玻璃衬底；本发明专利技术利用荧光层上方的带阻滤光片反射荧光光子，减少顶部荧光泄漏，大幅降低了表面逃逸锥损耗；利用荧光层内部底表面的银纳米线阵列将散射效应与表面等离子体共振效应引入荧光层，并与带阻滤光片引起法布里珀罗驻波共振，提升了钙钛矿纳米晶荧光层的吸收；利用银纳米线阵列下方的耦合层将荧光光子提取至玻璃衬底，降低了荧光被其他纳米晶二次吸收的几率，重吸收损耗得到有效抑制。重吸收损耗得到有效抑制。重吸收损耗得到有效抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器


[0001]本专利技术属于光学元件
，涉及一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器，具体地，涉及一种具有带阻滤光片、银纳米线阵列及耦合层的含玻璃衬底的钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器。

技术介绍

[0002]1976年，美国福特实验室的Weber和Lamer提出了一种比传统聚光器件更经济的太阳光子聚光器件，即荧光型太阳能集光器(LSCs)。荧光型太阳能集光器主要由发光材料和透明基质两部分组成，分布在透明基质中的发光材料吸收太阳光，发射出特定波长的光子，在基质层内通过全内反射聚集到边缘，安装在透明基质边缘的小型光伏电池收集这些光子并转换为电能。
[0003]为了实现建筑净零能耗的宏伟目标，建筑集成光电技术有可能彻底改变未来的城市建筑。LSCs可以在这一转变中发挥重要作用，它提供了一种实现半透明光伏窗户的方法，能够将城市建筑的被动能源立面转化为分布式能源发电单元。
[0004]目前主流的发光材料包括无机荧光粉、有机染料及纳米晶。无机荧光粉虽然有着较大的斯托克斯(Stokes)位移，但用于LSCs效率较低，有机染料也有着光谱吸收范围有限的缺点。相较之下，纳米晶有着明显的优势，其吸收阈值可以通过合理选择粒子直径来调整，部分纳米晶也有较大的Stokes位移，其晶体半导体的构成方式使得它们比有机染料更加稳定。铅卤钙钛矿纳米晶因加工成本低、光致发光量子产率(PLQY)高而在荧光应用领域受到广泛关注。如，J.Name.,2013,00,1
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3.报道的Tong等人制备了成本低、发射率高、稳定性好的甲脒铅溴纳米晶
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聚苯乙烯薄膜集光器。如，Adv.Mater.2016,28,9163
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9168.报道的Zhong等人采用原位生长策略将钙钛矿纳米晶嵌入高分子聚合物基质中，制备了钙钛矿纳米晶
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聚偏氟乙烯(PVDF)复合发光薄膜，不仅具有高量子效率，且发光薄膜的水氧稳定性得到大幅提升。如，Sol.RRL2021,2100491.报道的Xia等人使用甲胺铅碘纳米晶
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PVDF发光薄膜制备了集光器，并且提出了可连接的LSCs装配方案，显著降低了制造和安装成本，提升了商业应用的可行性。
[0005]LSCs作为太阳能转换收集的光子器件，需要尽可能增强荧光层的光吸收。当入射光的频率与自由电子的固有振荡频率一致时，即形成表面等离子体共振(SPR)，这种共振将导致颗粒周围的局域电场模密度显著提高。利用金属纳米结构的表面等离激元(SPP)可以获得很好的陷光效果，使更多的入射光被局域在有源层中，进而提升有源层的吸收。在太阳能电池领域，如ChineseOptics.2020,13(6),1362
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1384.报道的Wang等人在硅(Si)吸收层表面设计引入了银(Ag)纳米颗粒阵列，利用金属纳米微粒的SPR使得Si层表面反射率降低，同时Ag材料在蓝绿光波段的吸收损耗极低，进而增强了Si层蓝光波段的吸收；如，发光学报.2022,43(3),396
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403.报道的Cao等人通过掺杂适当浓度的金纳米颗粒提高了全无机钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器的PLQY和吸收效率。以上通过SPR提升吸收强度的方案一般通过在吸收层表面或内部引入金属纳米结构实现，将其应用于LSCs，通常需要在集光器
背面加上散射板以使入射光被散射回荧光层，增加光程，提高光吸收。但是散射板使集光器不再透明，无法作为光伏窗户集成于建筑。因此，既能引入SPR提高光吸收，又能引入散射增加入射光光程，同时保证可见光波段内一定的透光度的金属纳米结构对于高效的可用于光伏窗户的LSCs是具有重要意义的。
[0006]除了需要尽可能吸收太阳光，对于LSCs来说，发光体产生的荧光也需要通过波导尽可能传输至光伏单元，而其尚未得到广泛的商业应用，主要是由于存在以下两类关于荧光的损耗机制：一是表面逃逸锥损耗：部分以一定角度发出的光从荧光层折射至空气，而不是在波导中通过全内反射传输至侧边的光伏，小于全反射角的出射路径构成的锥面称为“逃逸锥”；二是重吸收损耗：这是由于发光体在波导模式下发射的光子因发光基团发射谱和吸收光谱的重叠(受限于Stokes位移)，在传输过程中被后续发光体重新吸收而不发射新的光子。
[0007]为减少上述损耗，研究者们从LSCs内部和外部出发寻求有效的解决方案。
[0008]针对表面逃逸锥损耗，研究者们寻求一种满足以下要求的光子结构：在发光材料的荧光波段内反射率接近1，在其吸收波段内拥有高透射率。在光子晶体中发现了具有所需光学特性的带阻反射滤光片。分布式布拉格反射器(DBR)作为一种常见的一维光子晶体，通常由多个周期的两层不同折射率的薄膜构成，可以增加可见光谱特定波段的反射率，并且在其他波段展示出相对低的反射率，此高反射波段即阻带。可以通过调整中心波长与材料折射率来改变阻带位置及带宽，尽可能覆盖发光材料的荧光发射波段，减少顶部荧光逃逸。
[0009]但对LSCs来说，普通DBR带来密集的较高反射强度的旁瓣，若位于荧光材料吸收波段，在一定程度上会减弱吸收，这是难以接受的。由于旁瓣主要是因为组成DBR的材料与空气或荧光层之间的折射率不匹配导致，因此需要通过在DBR和空气以及荧光层之间引入渐变折射率分布的膜层以降低旁瓣强度。然而一定反射强度的旁瓣与荧光层底部波导结构的反射形成的光限制也可能激发低品质因数的法布里珀罗驻波共振，这是有益于增强荧光层对入射光的吸收的，因此设计结构时需要综合考虑。
[0010]为了有效降低重吸收，除了从材料设计的角度增加荧光材料的Stokes位移之外，一个直观可行的结构设计方向是减少发射的荧光光子与发光体的再次接触。如Opt.Express2010,18,A536.报道的Tsoi等人利用延伸的空气波导将荧光薄层进行物理间隔，当荧光光子在上方的玻璃波导中全内反射传输时，与其他染料分子再次相遇的概率大幅降低。然而正如人们预期的那样，由于吸收区域之间的物理间隙而导致的总光吸收的减少使得整个系统输出减少。
[0011]综上所述，LSCs要得到广泛应用，需要进一步优化器件结构设计。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于提升钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器的性能而提供一种有效的复合微纳结构，提升荧光层吸收强度，降低荧光的表面逃逸锥损耗与重吸收损耗，并且保持整体结构较高的透光度，进而提高整个集光器的性能。
[0013]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器，包括荧光层、位于所述荧光层顶部的带阻滤光片、位于所述荧光层内部底表面的银纳米线阵列即AgNW阵列、位于所述荧光层下方的耦合层与最底层的玻璃衬底；
[0014]所述荧光层由透明基质与内部随机均匀分布的钙钛矿纳米晶构成，所述纳米晶材料为具有吸收特性与光致发光特性的甲胺铅卤钙钛矿，所述透明基质为常见透明聚合物；
[0015]所述带阻滤光片的反射特性与所述钙钛矿纳米晶的荧光发射波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器，其特征在于，所述集光器包括荧光层、位于所述荧光层顶部的带阻滤光片、位于所述荧光层内部底表面的银纳米线阵列、位于所述荧光层下方的耦合层与最底层的玻璃衬底；所述荧光层由透明基质与内部随机均匀分布的钙钛矿纳米晶构成，所述纳米晶材料为甲胺铅卤钙钛矿，所述透明基质为透明聚合物材料；所述带阻滤光片阻带带宽覆盖所选钙钛矿纳米晶的荧光发射波段即所述带阻滤光片在所述钙钛矿纳米晶荧光发射波段的平均反射率需要达到90％以上且在所述钙钛矿纳米晶吸收波段的反射率范围为5％
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20％；所述银纳米线阵列在荧光层内部底表面水平平行排布，并且单根AgNW的直径及银纳米线阵列的占空比满足在钙钛矿纳米晶主要吸收波段的平均反射率范围为30％
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40％；所述耦合层位于银纳米线阵列与玻璃衬底之间，所述耦合层的材质为高透光度的各向同性的光学玻璃材料，所述耦合层的折射率范围为1.7
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2.0，厚度范围为50
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210纳米。2.如权利要求1所述的一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器，其特征在于，所述甲胺铅卤钙钛矿为甲胺铅氯、甲胺铅溴或甲胺铅碘中的任意一种。3.如权利要求1所述的一种钙钛矿纳米晶荧光型太阳能集光器，其特征在于，所述透明基质材料为折射率范围在1.4
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【专利技术属性】
技术研发人员：邓玲玲，余文博，强皓倚，彭玲，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：