[发明专利]一种基于量子点-磷光有机分子杂化材料的太阳能聚光板

说明书

本发明涉及一种基于量子点‑磷光有机分子杂化材料的高效太阳能聚光板。该太阳能聚光板主要由量子点作为光吸收材料，磷光有机分子作为光发射材料，聚合物作为光波导介质。利用量子点较大的消光系数高效吸光，并将能量转移到磷光有机分子，并通过其较大的光谱斯托克斯位移有效减小自吸收损失，最终通过聚合物光波导到侧面的太阳能电池实现光电转换。所述的磷光有机分子具有高效的磷光发射效率。作为优选方案，聚合物选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，量子点选用碲化镉(CdTe)，可与磷光有机分子Pt‑tetraphenyltetrabenzoporphyrin(Pt(tpbp))实现最优化的光谱匹配，最终获得高达9％的外部量子效率。

技术领域

本发明涉及一种基于量子点-磷光有机分子杂化材料的高效太阳能聚光板。

背景技术

太阳能聚光板(LSCs)是一种吸收太阳光并利用全反射效应聚集荧光，进而耦合到光伏电池，最终产生电力的荧光器件。相比传统太阳能模块，LSCs具有更低的光伏成本，以及实现(半)透明智能窗户的潜力。如果其聚光效率足够高，则一块LSC加上边缘处的少量太阳能电池在功能上等同于一整块大面积的太阳能电池。由于LSC的主体部分由廉价的有机玻璃材料加少量的发光材料组成，这一技术将有可能显著降低光伏产能的成本，对光伏产能领域带来革命性的改变。

尽管具有上述潜在优点，但目前报道的LSC研究都没有实现商业化，一个最主要的原因就是LSC效率都不够高。LSC的光学效率(外部量子效率，η_s,ext)是指LSC将入射到板上的太阳光子汇聚到板的边缘的量子效率，它主要由发光材料对太阳光的吸收效率(η_s,abs)、发光材料的荧光量子效率(Φ_PL)和荧光光子波导传输效率(Φ_wg)决定。传统的发光材料，比如有机染料分子，基本上无法同时满足以上三个要素。具有高荧光效率的分子通常吸收在紫外和可见光区，无法有效地吸收太阳光中的近红外和红外光子(η_s,abs较低)；而近红外的染料分子(η_s,abs较高)则几乎不发荧光(Φ_PL较低)。另外，大部分有机染料分子的消光系数较小、且吸收光谱和发射光谱之间存在较大的重叠(斯托克斯位移不够大)，导致发出的荧光光子在波导过程中由于重吸收损失掉(Φ_wg较低)。我们注意到，胶体量子点具备较高的消光系数、较宽的可调谐吸收和发射光谱以及出色的光稳定性和溶液法加工优点，目前已广泛应用于LSC研究中。但不可避免地，量子点荧光材料仍然具有一定的自吸收和较低的量子效率，促使其LSCs存在效率提升瓶颈。本发明提出，利用近红外量子点高效吸收太阳光子，并将能量通过Dexter能量转移机制高效转移给附近的磷光有机分子，有效地克服了量子点的自吸收损失；最后通过高效的磷光发射被LSC边缘的太阳能电池收集转化为电力。

我们设计并合成了碲化镉(CdTe)近红外量子点，并与能级匹配的磷光有机分子Pt-tetraphenyltetrabenzoporphyrin(Pt(tpbp))构建了异质结纳米颗粒，通过计算得出，基于该体系的LSC可以实现～36％的内部量子效率和～9％的外部量子效率。该发明为今后发展基于量子点的高性能LSC提供了基础，为最终实现商业化奠定了前提。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于量子点-磷光有机分子杂化材料的高效太阳能聚光板，以解决太阳能聚光板效率偏低的技术问题。

所述的太阳能聚光板由量子点、磷光有机分子和聚合物混合而成的波导层组成。

所述的量子点组成可以为：元素周期表中第二副族的锌、镉或汞与第六主族的硫、硒或碲元素组成的化合物；磷化铟、硒化铅、碲化铅；以及三卤素钙钛矿量子点(具有ABX₃结构，其中A＝Cs，CH₃NH₃，或CH(NH₂)₂；B＝Pb或Sn；X＝Cl,Br和I中的一种或两种以上)；也可以是铜或锰元素掺杂(掺杂量在1-20％，元素摩尔比)的量子点。