[发明专利]太阳能荧光聚集器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能荧光聚集器及其制备方法，属于可再生能源技术领域。

背景技术

太阳能是用之不竭的绿色能源。太阳能电池具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、无机械转动部件等独特优点，尤其是可与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，是可再生能源中重要的组成部分。自“六五”以来，我国一直把开发太阳能和其他可再生能源技术列入国家科技攻关计划。近些年，以低价格获得较高的光电转换率是太阳能电池领域研究和发展的主要动力，研发可靠、高效、低造价的太阳能电池发电系统具有重大的经济利益和科学研究价值。

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子太阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。

从转换效率和材料的来源角度讲，硅太阳能电池，特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池是应用最广泛的一种半导体光电转换器件。目前，硅系太阳能电池器件结构的优化和减反射膜技术已经发展较为成熟，通过它们提高光电转换效率的空间不是太大，因此，需要进一步发展其它相关技术。

1970年首次报道了采用太阳光转换技术的太阳能荧光聚集器（Luminescent Solar Concentrators：LSC），其原理如图1所示。太阳能荧光聚集器10能够收集直射和漫反射的太阳光1，聚集器内的荧光材料2能够将吸收的太阳光转换成单色光3，并将产生的单色光3聚集在小面积的太阳能电池4上，显著地提高太阳能利用率，降低太阳能电力系统成本。

研制LSC的动机是以廉价的光波转换模块代替大面积昂贵的硅基太阳能电池板，降低太阳能电力系统成本。与聚光型太阳能电池系统相比，LSC技术的优势是能够同时收集直射和漫反射的太阳光，并采用小面积的硅基太阳能电池，不需要昂贵的太阳跟踪系统，减少系统的成本。同时LSC是由大面积透明的光波转换模块构成，可以与建筑物结合在一起，使太阳能得到更广泛有效地利用。

LSC的工作效率取决于荧光材料的发射光谱与LSC配置的太阳能电池光谱匹配程度。典型的有机发光材料具有优异的性质，但是有机染料吸收带窄、在较长波段非辐射复合较大、吸收和发射谱重叠严重，在固体基质中呈现严重的再吸收损失。由于LSC系统对荧光有机染料性能要求苛刻，限制了LSC的发展，对LSC技术的研究热情只延续到八十年代。

近十多年来，由于在可见光和红外波段发射的荧光材料的发展，像稀土材料、半导体量子点和半导体聚合物等，为高效率的LSC的研制提供了条件，科技界对LSC的研究产生了新的兴趣。

半导体量子点与染料和稀土材料等相比具有优异的特性：1、光谱具有可调节性，光吸收和发射特性可由半导体量子点的尺寸来控制；2、在室温下具有高的发光量子效率；3、由于量子点是由半导体晶体组成的，它们的稳定性比染料好的多；4、吸收和发射波长之间的红移主要由粒子尺寸决定，粒子尺寸的调节可由制备量子点的工艺进行优化，因此再吸收能够被降至最低。

太阳光是连续的光谱，分布范围以从零点几微米的紫外光到数微米的红外光为主。硅的能隙为1.12eV，晶体硅太阳能电池主要吸收400nm到1100nm左右的光，对400nm以下的光（紫光和紫外光）和1100nm以上的光（红外光）的量子效率很低，因此，造成400nm以下和1100nm以上太阳光能的很大损失。要进一步提高太阳能的利用率，增加太阳能电池的光电输出，有必要充分利用这部分的太阳光能。

为了有效利用太阳从紫外至红外区的光，纳米微粒特别是量子点材料是当前光电材料与器件的研究热点。许多纳米材料在紫光或紫外光激发下可以发出波长在可见至红外区的光，而晶体硅太阳能电池对这部分光有较高的量子效率。将此类纳米材料应用到太阳能光伏发电系统中，可以提高太阳能的利用率，降低太阳能光伏发电系统成本。为此提出了量子点太阳能荧光聚集器技术。

LSC采用的量子点材料，多数研究集中在II-VI族化合物。例如，核-壳结构的CdSe/ZnS量子点具有高的FQY（50-60%），胶体CdSe/CdS异质量子点的FQY>80%。这些量子点具有较好的光稳定性，在可见光波段具有宽的吸收谱，发射波长在450-640nm之间可调。遗憾的是，CdSe/ZnS量子点存在吸收谱和荧光谱之间的交叠，FQY不高，并且价格昂贵。再者，镉是有毒物质，不符合绿色化学的要求。

发明内容

为解决现有量子点太阳能荧光聚集器技术存在的问题，本发明公开了一种高效率低成本的太阳能荧光聚集器及其制备方法。