Mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件及其制备方法

mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件及其制备方法
技术领域
1.本发明属于有机无机金属卤化物荧光太阳能聚光器领域，涉及一种mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件及其制备方法。


背景技术：

2.荧光太阳能聚光器(lsc)是一种能够将大面积的太阳光转化为高量子效率的荧光并实现边缘光汇聚的光学器件，可作为光伏电池的大面积阳光收集器。lsc由一块浸渍或涂有高发射荧光团的透明材料(如玻璃或塑料)组成。在吸收照射到平板大面积表面的太阳光线后，lsc荧光团重新发射能量较低的光子，这些光子由内部全反射引导到设备边缘，在那里它们被太阳能电池收集。相比于传统的聚焦型和反射型聚光技术，lsc聚光技术不仅可以吸收散射光，而且不受太阳光入射角度的影响，因此无需配置太阳跟踪装置，可有效降低聚光成本。
3.如果lsc的成本比同等面积的太阳能电池低得多，并且lsc的光转换效率足够高，那么应用这些设备可以实现太阳能发电成本的相当大的降低。lsc还具有可柔性化和半透明化等特点，可以使太阳能窗或光伏窗等新型设备成为可能。例如安装于屋顶、外墙等各种建筑表面作为大面积太阳光的收集器，将目前被动的建筑立面转变为发电单元。
4.尽管lsc在聚光光伏领域具有巨大的优势，但由于缺乏合适的荧光团，lsc尚未实现广泛的应用。有机染料虽然具有较高的量子产率，但其稳定性较差，太阳光吸收范围较窄。使用传统的胶体量子点(qds)可以提高吸收范围和稳定性，但仍然存在重吸收损失，并且这些量子点在合成成本与环境友好性上不具备优势，不适用于工业化大批量合成。
5.近年来，有机-无机杂化金属卤化物材料作为另一种有机金属发色团备受关注，因其具有低毒性、结构多样性、光学可调性和高量子产率等优异性能，在量子点材料的替代中具有广阔的应用前景。sun chun课题组报道了基于铜(i)-卤化物杂化簇的无毒、高发光(pea)4cu4i4油墨(acs appl.mater.interfaces,2021,13,56348-56357)，其量子产率(qy)超过68％，制备的lsc器件内量子效率高达44.1％。这是有机金属卤化物体系应用于lsc领域的首次报道，但是，这个体系依然存在聚光器件透明性差、量子产率偏低以及成本过高等缺点。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种透光率高、成本极低的mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件及其制备方法。
7.实现本发明目的的技术方案如下：
8.mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件的制备方法，包括如下步骤：
9.(1)在空气氛围下，按苄基三甲基溴化铵与mnbr2的摩尔比为2：1，将mnbr2、苄基三甲基溴化铵和水混合，室温下充分搅拌，过滤除杂，得到透明澄清混合溶液；
10.(2)空气氛围下，将聚氧化乙烯(peo)加入到步骤(1)的混合溶液中，室温下充分搅
拌，得到粘稠状半透明溶液；
11.(3)将步骤(2)得到的半透明溶液依次通过刮涂与旋涂工艺在表面洁净疏水的透明玻璃上制备荧光层，旋涂过程以1000r/min的加速度，1000～3000rpm转速旋涂20s，然后在80℃退火2h，制得荧光太阳能聚光器件。
12.较佳的，步骤(1)中，混合溶液中mn
2+
浓度为1～3mol/l，更优选为2mol/l。
13.较佳的，步骤(2)中，peo占peo、mnbr2和苄基三甲基溴化铵总质量的质量分数为4wt％，peo的分子量300000。
14.较佳的，步骤(2)中，搅拌时间为24h以上。
15.较佳的，步骤(3)中，透明玻璃为电子级白玻璃。
16.较佳的，步骤(3)中，表面洁净疏水的透明玻璃经过以下处理：将透明玻璃依次在清洁水、去离子水、丙酮和异丙醇中各超声清洗15min，然后用氮气吹干，再进行20min的紫外光照射进行疏水处理。
17.较佳的，步骤(3)中，刮涂厚度为500μm以上，刮涂面积完全覆盖玻璃表面。
18.较佳的，步骤(3)中，转速为2000rpm。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
20.1)本发明全程在空气环境下低温常压制备，工艺简单高效，易于制备大面积器件；
21.2)本发明所用试剂极为环保和廉价，成本远低于现有技术，从工艺与成本出发，极适用于工业化大规模制备；
22.3)本发明制备的聚光器件具有73％的紫外可见光转换效率和超过50％的有效边缘发射效率，同时具有很好的透光率(～70％)。
附图说明
23.图1为实施例1聚光器透过率曲线。
24.图2为实施例1聚光器边缘有效与表面逸散量子产率对比曲线。
25.图3为光电流测试涉及am1.5g太阳能光谱图与钙钛矿电池eqe及聚光器吸光层光谱波段组合图。
26.图4为实施例1钙钛矿电池有无荧光聚光器的光电流密度对比曲线。
27.图5为实施例2聚光器透过率曲线。
28.图6为实施例2聚光器边缘有效与表面逸散量子产率对比曲线。
29.图7为实施例2钙钛矿电池有无荧光聚光器的光电流密度对比曲线。
30.图8为实施例3聚光器透过率曲线。
31.图9为实施例3聚光器边缘有效与表面逸散量子产率对比曲线。
32.图10为实施例3钙钛矿电池有无荧光聚光器的光电流密度对比曲线。
33.图11为对比例2聚光器边缘有效与表面逸散量子产率对比曲线。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详述。
35.下面对比例和实施例中涉及的光伏器件为mapbi3太阳能电池，器件外量子效率(eqe)如图3所示。测试所采用的聚光器件尺寸长1cm、宽1cm、高(厚度)0.2cm；太阳能电池有
效工作区域长1cm、宽0.2cm。测试前将三面长
×
高区域使用锡箔纸覆盖，剩下一面长
×
高区域与上下两面长
×
宽区域完全暴露，不遮挡。将聚光器上暴露的长
×
高面与太阳能电池有效工作区域完全贴合，使用胶带将聚光器与电池采用上述方式固定在一起。随后将固定好的器件上覆盖有吸光层的长
×
高面放置在正对10cm外太阳光模拟器光出射窗口的位置，太阳能电池外接源表(型号：2400)。测试时光源发射am1.5g的标准模拟太阳光，正面照射在聚光器上，太阳能电池接收经过聚光器转换后入射到工作区域内的光信号，转换输出电信号。电信号由源表收集处理，得到该系统下光伏组件的光电流密度值，测试结束。
36.实施例1
37.mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件的制备方法，具体包括以下步骤：
38.(1)将电子级白玻璃片依次在清洁水、去离子水、丙酮、异丙醇中各超声清洗15min，使用氮气枪对准玻璃片轻扫使其干燥，玻璃片使用前对其进行20min的uv光照射。
39.(2)在空气氛围下，按苄基三甲基溴化铵与mnbr2的摩尔比为2：1，将苄基三甲基溴化铵、mnbr2与去离子水混合形成mn
2+
浓度为2mol/l的混合溶液，室温下充分搅拌，过滤除杂，得到透明澄清混合溶液；
40.(3)在透明澄清混合溶液中加入质量分数为4wt％的peo，室温搅拌24h以上，得到粘稠状半透明溶液。
41.(4)在处理好的玻璃片上刮涂500μm厚度的半透明溶液，刮涂好的玻璃片以1000r/min的加速度，1000rpm转速，旋涂20s，然后在80℃退火2h，制得荧光太阳能聚光器件。
42.实施例1制备的荧光太阳能聚光器件透过曲线如图1所示，其有效边缘发射效率如图2所示。器件透过率维持在60％左右，光致发光量子产率为93％，边缘有效量子产率为52％，器件边缘发射效率为56％。在光电流测试结果对比图4，钙钛矿太阳能电池在有无聚光器的光电流密度比为0.63。
43.实施例2
44.本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是步骤(4)中：刮涂好的玻璃片以1000r/min的加速度，2000rpm转速，旋涂20s。
45.实施例2制备的荧光太阳能聚光器件透过曲线如图5所示，其有效边缘发射效率如图6所示。器件透过率维持在70％左右，光致发光量子产率为73％，边缘有效量子产率为45％，器件边缘发射效率为62％。在光电流测试结果对比图7，钙钛矿太阳能电池在有无聚光器的光电流密度比为0.66。
46.实施例3
47.本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是步骤(4)中：刮涂好的玻璃片以1000r/min的加速度，3000rpm转速，旋涂20s。
48.实施例3制备的荧光太阳能聚光器件透过曲线如图8所示，其有效边缘发射效率如图9所示。器件透过率维持在80％左右，光致发光量子产率为59％，边缘有效量子产率为42％，器件边缘发射效率为71％。在光电流测试结果对比图10，钙钛矿太阳能电池在有无聚光器的光电流密度比为0.40。
49.对比例1
50.本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是不进行步骤(3)。
51.对比例1制备的荧光太阳能聚光器吸光层成膜质量差。由于去离子水较大的表面
能，溶液经过刮涂后旋涂在玻璃上，部分区域出现溶液收缩聚合成液滴的现象。退火后的聚光器件上吸光层不能完全覆盖玻璃面，且表面不同区域的厚度存在明显差异。
52.对比例2
53.本对比例与实施例3基本相同，唯一不同的是步骤(2)中采用四甲基溴化铵替换苄基三甲基溴化铵。
54.对比例2制备的荧光太阳能聚光器件有效边缘发射效率如图11所示。光致发光量子产率为58％，边缘有效量子产率为17％，器件边缘发射效率为36％。上述结果表明，采用四甲基溴化铵为有机配体的聚光器件，其量子产率与边缘发射效率均低于采用苄基三甲基溴化铵配位的聚光器件。

技术特征：
1.mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在空气氛围下，按苄基三甲基溴化铵与mnbr2的摩尔比为2：1，将mnbr2、苄基三甲基溴化铵和水混合，室温下充分搅拌，过滤除杂，得到透明澄清混合溶液；(2)空气氛围下，将peo加入到步骤(1)的混合溶液中，室温下充分搅拌，得到粘稠状半透明溶液；(3)将步骤(2)得到的半透明溶液依次通过刮涂与旋涂工艺在表面洁净疏水的透明玻璃上制备荧光层，旋涂过程以1000r/min的加速度，1000～3000rpm转速旋涂20s，然后在80℃退火2h，制得荧光太阳能聚光器件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，混合溶液中mn
2+
浓度为1～3mol/l。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，混合溶液中mn
2+
浓度为2mol/l。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，peo占peo、mnbr2和苄基三甲基溴化铵总质量的质量分数为4wt％，peo的分子量300000。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，搅拌时间为24h以上。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，透明玻璃为电子级白玻璃。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，表面洁净疏水的透明玻璃经过以下处理：将透明玻璃依次在清洁水、去离子水、丙酮和异丙醇中各超声清洗15min，然后用氮气吹干，再进行20min的紫外光照射进行疏水处理。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，刮涂厚度为500μm以上，刮涂面积完全覆盖玻璃表面。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，转速为2000rpm。10.根据权利要求1至9任一所述的制备方法制得的荧光太阳能聚光器件。

技术总结
本发明公开了一种Mn基金属卤化物荧光太阳能聚光器件及其制备方法。所述方法先在空气氛围中，将苄基三甲基溴化铵、MnBr2和水混合，搅拌澄清后过滤，然后加入PEO，充分搅拌溶解作为前驱体溶液，最后将前驱体溶液采用刮涂后旋涂法制备吸光层，通过调控旋涂速率来控制吸光层厚度。本发明通过选用适当的添加剂PEO，以杂化Mn基金属卤化物为前驱体，采用刮涂后旋涂的溶液法，无需有机溶剂，也无需外部加工，实现了高透明度、高光转换效率、高边缘出射效率的光伏聚光器的制备。伏聚光器的制备。伏聚光器的制备。


技术研发人员：徐晓宝 吴昌铭 张胜利 邹友生
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.09.27
技术公布日：2023/1/6