[发明专利]一种掺杂半导体纳米晶/有机玻璃太阳能荧光聚集器

说明书

技术领域

本发明属于能源和环境材料与器件领域，具体涉及一种掺杂半导体纳米晶/有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，简称PMMA)太阳能荧光聚集器的制备方法。

技术背景

当前，全球正面临着能源短缺、环境恶化和气候变暖等问题的严峻挑战，开发和利用清洁的可再生能源是解决上述问题的有效手段。研究表明建筑物对能源的消耗占据了40％，因此，许多研究提出太阳能是最清洁的可再生资源。如何高效实现太阳光的收集和捕获是关键的科学问题与应用前提。太阳能荧光聚集器(Luminescent Solar Concentrators简称LSC)在这一方面有着巨大的应用前景。LSC是一个能够吸收并定向收集太阳光的光学结构。通过这个光学结构，太阳光被太阳能荧光聚集器中的荧光材料吸收并传输到一个很小的面积上(太阳能荧光聚集器的四边)。与传统的太阳能聚光器相比较，LSC有很多优势。首先，它既能聚集太阳的直射光，又能聚集太阳的散射光，受天气因素影响较小，当阴天时，太阳光穿透云层散射传输到地面，LSC也是有效的，因此LSC不需要精确的跟踪系统。并且当用散射的光照射LSC时，其效率比用直射光照射时的效率更高。其次，LSC有一个扩展的表面，荧光在LSC中传播时可损失一部分热量，这样侧面的太阳能电池就可以接收到相对温度较低的光子，降低了聚光带来的热效应，可以提高太阳能电池的效率。从经济效益上看，LSC以其独特的光学结构，吸收大面积的太阳光并传输到侧面很小的太阳能电池上，达到了其聚光的目的，以相对较便宜的造价代替了大面积昂贵的太阳能电池，从而达到了降低太阳能光伏发电成本的目的。从实际用途来看，LSC的平板型结构具备了太阳能光伏与建筑物一体化实现的条件，可以用它来代替部分建筑材料，即用LSC来做建筑物的屋顶和玻璃幕墙，如果选取合适的荧光材料，就不会影响建筑物的正常采光，因此LSC还可以做建筑物的窗户和天窗，既可以用做建筑材料又能够实现光电转化为建筑物供电。

在此，LSC内部的荧光材料的选择很重要，需根据太阳光谱和太阳能电池的光响应谱，选择既可以最大限度的吸收太阳光，同时发射峰值又和太阳能电池的最强响应频段相匹配的荧光材料，尽可能的提高LSC的光电转换效率。目前对LSC研究的热点在于其中荧光材料的选择，荧光材料本身的性质决定着LSC的光学性质，无掺杂的量子点荧光材料具有斯托克斯位移较小导致光传播时自吸收较大、荧光量子产率较低，而且较难实现与高分子基体进行本体聚合。而荧光光材料在高分子材料中实现均匀分散并且不产生荧光淬灭也是制备优良LSC的关键。

鉴于上述缺陷，本发明选择了一价金属(Ag和Cu)离子掺杂的CdS(硫化镉)、CdSe(硒化镉)等II-VI族半导体纳米晶作为荧光材料，本征CdS(硫化镉)、CdSe(硒化镉)的禁带宽度分别为2.4eV及1.8eV，具有优异的可见光响应特性，通过对其进行Ag和Cu金属掺杂后，其掺杂荧光量子产率仍然很高，绝对量子产率达到43％。尤其是因此得到的斯托克斯位移(Stokes Shift)增大，可达到0.7-0.8eV，因此有效地解决了自吸收的问题，是非常优良的LSC荧光材料选择。本专利旨在实现了上述量子点在块状有机玻璃中的均匀分散，形成宏观尺寸，可达厘米到米级尺寸的块状固溶体，因此实现高效的太阳能荧光聚集器效果。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新型的掺杂半导体纳米晶/有机玻璃太阳能荧光聚集器，用以解决上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，由一价的Ag、Cu、Co等金属离子掺杂的半导体纳米晶在甲基丙烯酸甲酯中分散并原位聚合。实现纳米晶在其中的均匀分散制成。所述异价金属掺杂半导体纳米晶尺寸可为5-10nm实现均匀分散，所制备的块状固溶体具有良好的透光性，保持掺杂纳米晶的荧光量子产率，稳定的掺杂发光，杜绝了自吸收的问题。

其次，提供一种制备上述新型的掺杂半导体纳米晶/有机玻璃太阳能荧光聚集器的制造方法，包括如下步骤：

步骤1：取一定量的MMA单体置于分液漏斗中，加入等量的0.1mol/L的NaOH水溶液，震荡洗涤随后倒掉下层溶液，再加入等量去离子水重复震荡洗涤2-3次，再将上层液体取出置于烧杯中，加入一定量的无水氯化钙粉体，静置0.5h，过滤，得到纯化的MMA单体，在纯化的MMA单体中溶解一定质量分数的PMMA得到MMA/PMMA混合溶液。

步骤2：将制备的金属掺杂(Ag、Cu、Co等)的CdS、CdSe半导体纳米晶置于60℃真空烘箱中抽真空干燥1-2h，随后将干燥得到的纳米晶颗粒分散到纯化的MMA单体或MMA/PMMA混合溶液中，超声震荡1h，得到混合溶胶a。