本實用新型屬于太陽能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種平面熒光聚光器，尤其涉及一種包含散射顆粒和熒光量子點的平面熒光聚光器。

背景技術(shù)：

量子點材料(Quantum Dots，QDs)，特別是無重金屬的銅銦硫(化學(xué)式為CuInS₂，簡稱CIS)納米粒子作為發(fā)光體，具有寬吸收范圍、大的stokes-shift(小的自吸收)、優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性好、高的透明度，而且高效熒光，綠色環(huán)保。根據(jù)合成溫度的差異，CIS會表現(xiàn)出三種不同的晶體結(jié)構(gòu)，在低于980℃時表現(xiàn)為黃銅礦結(jié)構(gòu)，高于1050℃時則為纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，而介于980～1050℃時表現(xiàn)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。不同晶體結(jié)構(gòu)的CIS具有不同的特性，纖維鋅礦結(jié)構(gòu)的CIS是一種高溫狀態(tài)下的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，而黃銅礦結(jié)構(gòu)為熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)，因此大部分CIS是以黃銅礦結(jié)構(gòu)而穩(wěn)定存在。

CIS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元半導(dǎo)體化合物，具有如下優(yōu)點：

(1)禁帶寬度為1.53eV，與太陽能電池的最佳禁帶寬度(1.45eV)十分接近；

(2)光吸收系數(shù)大，高達(dá)105cm^-1，比其他熒光材料普遍高；

(3)直接能隙半導(dǎo)體，可以減少少數(shù)載流子的擴(kuò)散；

(4)對光和熱的穩(wěn)定性好；

(5)與CdS、PbS等其他太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料相比，CIS不含任何有毒成分，對環(huán)境無污染。

因此，CIS化合物作為太陽能電池光轉(zhuǎn)換材料在太陽能發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛研究。以CIS作為光轉(zhuǎn)化層材料制備的薄膜太陽能電池，具有使用壽命長、無光致衰退效應(yīng)、抗干擾、抗輻射能力強等優(yōu)點，加上薄膜太陽能電池的廉價、柔性等特點，被認(rèn)為是現(xiàn)階段最具有發(fā)展前景的太陽能電池。同時，由于CIS還具有光轉(zhuǎn)換效率高、寬帶吸收與發(fā)射以及表面可修飾等特性，可廣泛應(yīng)用于發(fā)光器件、光轉(zhuǎn)換器件和生物檢測、標(biāo)記與分析等領(lǐng)域。

過去，由于制備方法和檢測手段的相對落后與不足，使得CIS納米粒子的合成制備比較困難，因此限制了CIS的深入研究及其應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。根據(jù)現(xiàn)有專利文獻(xiàn)報道，目前CIS納米粒子主要應(yīng)用于太陽能電池中的光轉(zhuǎn)化層材料，如聚合物太陽能電池、薄膜太陽能電池等領(lǐng)域，以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。CN104112786A專利文件(申請?zhí)?01410315452.9)提出一種銅銦硫/鈣鈦礦體異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法，該發(fā)明構(gòu)造一種新型結(jié)構(gòu)及其制備方法，使得太陽能電池中的光轉(zhuǎn)化層不需再在高溫下燒結(jié)，且銅銦硫與鈣鈦礦的混合物成膜性能好，易加工，大大提高太陽能電池器件制作的成功率。CN102034898A專利文件(申請?zhí)?01010512652.5)提出一種太陽電池用銅銦硫光電薄膜材料的制備方法，該發(fā)明提出不需要高溫高真空條件即可制備高性能的銅銦硫光電薄膜，儀器設(shè)備要求低，操作性強，同時降低薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本。

目前，有關(guān)CIS納米粒子的應(yīng)用研究主要是圍繞太陽能電池中的光轉(zhuǎn)化層材料而展開的，毋庸置疑的是，在太陽能電池中通過使用CIS作為光吸收層或光轉(zhuǎn)化層材料，可以增加太陽能電池對太陽光的吸收與轉(zhuǎn)化，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。但是，由于薄膜太陽能電池的本身缺陷，如光電轉(zhuǎn)換效率低、制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等不足，限制了CIS的廣泛應(yīng)用。目前，雖然有CIS在平面熒光聚光器(Luminescent Planar Concentrator，LPC)方面的研究，但是由于發(fā)光體自吸收、有限的吸收范圍、表面的損失以及能量的耗散等原因，LPC器件的光轉(zhuǎn)換效率都比較低，即使是使用無重金屬、寬吸收范圍、大的stokes-shift(小的自吸收)的CIS納米粒子作為發(fā)光體，其提高光轉(zhuǎn)換效率的程度也非常有限，不能滿足實際應(yīng)用的需求，因而，研究一種低成本且具有高的光電轉(zhuǎn)換效率的聚光器具有非常重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實用新型的目的在于提供一種包含散射顆粒和熒光量子點的平面熒光聚光器，本實用新型的平面熒光聚光器不僅成本低，而且性能優(yōu)異，相對于不摻雜散射顆粒的平面熒光器，其光轉(zhuǎn)換效率提高50％以上，可以廣泛應(yīng)用于多種太陽能電池，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為達(dá)此目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案：

本實用新型的目的之一在于提供一種平面熒光聚光器，所述平面熒光聚光器中包含散射顆粒、熒光量子點和平面光波導(dǎo)，所述散射顆粒分散于平面光波導(dǎo)的內(nèi)部，所述熒光量子點分散于平面光波導(dǎo)的內(nèi)部或集中于平面光波導(dǎo)的表面。

優(yōu)選地，所述散射顆粒為無機顆粒和/或聚合物顆粒，所述無機顆粒優(yōu)選包括SiO₂、TiO₂、納米硫酸鋇和碳酸鈣等，所述聚合物顆粒優(yōu)選為聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)以及環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂等透明樹脂。

優(yōu)選地，所述散射顆粒的粒徑為微米級，優(yōu)選為0.5～10μm，進(jìn)一步優(yōu)選為2～5μm。

優(yōu)選地，所述熒光量子點為銅銦硫量子點和/或表面包覆有ZnS的銅銦硫量子點。

優(yōu)選地，所述平面光波導(dǎo)為高分子聚合物，所述高分子聚合物優(yōu)選為PMMA、PE、PC、PVC、PS以及環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂等透明樹脂。

本實用新型中，所述平面熒光聚光器為復(fù)合型平面熒光聚光器或摻雜型平面熒光聚光器中的任意一種。

所述復(fù)合型平面熒光聚光器包括：由散射顆粒分散于平面光波導(dǎo)內(nèi)部而形成的復(fù)合平面光波導(dǎo)，以及由熒光量子點集中于平面光波導(dǎo)的表面而形成的熒光量子點薄膜。

所述摻雜型平面熒光聚光器包括：作為基質(zhì)的平面光波導(dǎo)，以及分散于平面光波導(dǎo)中的散射顆粒和熒光量子點，優(yōu)選的情況下，散射顆粒和熒光量子點都均勻分散在平面光波導(dǎo)中。

優(yōu)選地，所述復(fù)合型平面熒光聚光器中的熒光量子點薄膜為銅銦硫熒光量子點薄膜，或者表面包覆有ZnS的銅銦硫熒光量子點薄膜。

優(yōu)選地，所述復(fù)合型平面熒光聚光器中的熒光量子點薄膜的厚度為50μm～2mm，例如為50μm、100μm、150μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、800μm、1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm或2mm等，優(yōu)選為50μm～200μm，在此優(yōu)選范圍50μm～200μm條件下，復(fù)合型平面熒光聚光器的性能更好。

優(yōu)選地，所述復(fù)合型平面熒光聚光器中的復(fù)合平面光波導(dǎo)的厚度為1mm～50mm，例如為1mm、3mm、5mm、10mm、13mm、15mm、17mm、20mm、25mm、27.5mm、30mm、35mm、40mm、43mm、46mm或50mm等，優(yōu)選為10mm～20mm，在此優(yōu)選范圍10mm～20mm條件下，復(fù)合型平面熒光聚光器的性能更好。

作為本實用新型所述復(fù)合型平面熒光聚光器的優(yōu)選技術(shù)方案，一種復(fù)合型平面熒光聚光器，所述復(fù)合型平面熒光聚光器由復(fù)合平面光波導(dǎo)及粘附在其上表面和下表面中的至少一個表面的熒光量子點薄膜構(gòu)成。例如：①由復(fù)合平面光波導(dǎo)及粘附在所述復(fù)合平面光波導(dǎo)上表面的熒光量子點薄膜構(gòu)成(參見圖1a)；②由復(fù)合平面光波導(dǎo)及粘附在所述復(fù)合平面光波導(dǎo)下表面的熒光量子點薄膜構(gòu)成(參見圖1b)；③由復(fù)合平面光波導(dǎo)及粘附在所述復(fù)合平面光波導(dǎo)上表面和下表面的熒光量子點薄膜構(gòu)成(參見圖1c)。

作為本實用新型所述復(fù)合型平面熒光聚光器的另一優(yōu)選技術(shù)方案，一種復(fù)合型平面熒光聚光器，所述復(fù)合型平面熒光聚光器由至少兩個復(fù)合平面光波導(dǎo)及夾在至少兩個復(fù)合平面光波導(dǎo)的層間的熒光量子點薄膜構(gòu)成。例如：①由兩個復(fù)合平面光波導(dǎo)及夾在這兩個復(fù)合平面光波導(dǎo)的層間的一層熒光量子點薄膜構(gòu)成(參見圖1d)；②由三個復(fù)合平面光波導(dǎo)及夾在這三個復(fù)合平面光波導(dǎo)的兩個層間的兩層熒光量子點薄膜(參見圖1e)；③由四個復(fù)合平面光波導(dǎo)及夾在這四個復(fù)合平面光波導(dǎo)的三個層間的三層熒光量子點薄膜(參見圖1f)。

優(yōu)選地，所述摻雜型平面熒光聚光器的厚度為1mm～50mm，例如為1mm、5mm、10mm、13mm、16mm、20mm、25mm、28mm、30mm、35mm、38mm、40mm、42mm、45mm或50mm等，優(yōu)選為10mm～20mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果為：

(1)本實用新型采用具有優(yōu)越性能的銅銦硫量子點及SiO₂等散射顆粒，制備平面熒光聚光器LPC，其能與太陽能電池相結(jié)合(滿足所有類型太陽能電池的聚光使用需求，包括單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜及有機聚合物等太陽能電池)，增加了太陽能電池的光電效應(yīng)，極大地提高了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，大幅度降低了生產(chǎn)成本，提升了光伏發(fā)電的性價比，還能減少太陽能電池使用量、延長太陽能電池的使用壽命、簡化太陽能電池的安裝過程、縮小太陽能發(fā)電系統(tǒng)的占用空間及拓寬太陽能發(fā)電市場等途徑，從而大大降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)和維護(hù)成本。

(2)本實用新型中，熒光量子點(如CIS量子點)和散射顆粒共同作為LPC的核心部分。CIS量子點不含重金屬等有毒離子、與太陽能電池的最佳禁帶寬度十分接近、光吸收系數(shù)非常大、超寬帶發(fā)射，且對光和熱的穩(wěn)定性好，可以將無光伏效應(yīng)或光伏效應(yīng)低的高能光子轉(zhuǎn)換為具有高效光伏效應(yīng)的低能光子，以提高現(xiàn)有太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。不僅可以在太陽能電池中得到應(yīng)用，同時在LPC中將發(fā)揮出更大的應(yīng)用價值，代替太陽能電池而發(fā)揮作用；散射顆粒的引入，可以與熒光量子點發(fā)生相互作用并改變?nèi)肷涞奶柟獾姆较?，?dāng)太陽光碰到散射顆粒時，熒光量子點吸收光的概率將增大；同時，當(dāng)熒光量子點發(fā)出的光碰到散射顆粒時，光定向，可以更好的引導(dǎo)其到光伏電池上，散射顆粒的引入不僅大幅提高了光電轉(zhuǎn)換效率(相對于摻雜散射顆粒之前，其光轉(zhuǎn)換效率可提高50％以上)，還極大地降低了生產(chǎn)成本。

(3)本實用新型中，采用具有優(yōu)良光學(xué)性能、物理化學(xué)穩(wěn)定性，且易成型加工的高分子聚合物(如PMMA材料)制備光波導(dǎo)，通過物理或化學(xué)方法將熒光量子點及散射顆粒與平面光波導(dǎo)復(fù)合制成LPC，能夠代替太陽能電池收集太陽光，避免太陽能電池活性表面在太陽光下直接暴曬，有利于延長太陽能電池的使用壽命，降低太陽能發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)成本。

(4)本實用新型的聚光器與傳統(tǒng)的聚光器不同，傳統(tǒng)聚光器為透鏡或圓錐形狀，而本實用新型構(gòu)造的是量子點LPC平板結(jié)構(gòu)，具有透明或半透明特性，是由有機高分子材料制成的，其優(yōu)異的光學(xué)性能、機械性能和便利的成型工藝，為LPC的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化提供足夠的可能性。同時，LPC將發(fā)揮出傳統(tǒng)聚光器無可比擬的優(yōu)勢，通過與現(xiàn)代建筑相結(jié)合，用LPC代替玻璃幕墻或房頂，實現(xiàn)光伏建筑一體化，不僅保留玻璃幕墻的現(xiàn)代氣息，還具備光伏發(fā)電的功能，達(dá)到一舉兩得的功效。

附圖說明

圖1a-圖1f為本實用新型的復(fù)合型LPC的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1代表復(fù)合平面光波導(dǎo)，2代表熒光量子點薄膜；

圖1g為本實用新型的復(fù)合型LPC中的復(fù)合平面光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，11代表散射顆粒，12代表平面光波導(dǎo)；

圖1h為本實用新型的復(fù)合型LPC中的熒光量子點薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，21代表熒光量子點；

圖2為本實用新型的摻雜型LPC的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，3為平面光波導(dǎo)，4為散射顆粒，5為熒光量子點；

圖3為本實用新型的摻雜型LPC與太陽能電池結(jié)合得到的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中3為平面光波導(dǎo)，4為散射顆粒，5為熒光量子點，6為太陽能電池。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進(jìn)一步說明本實用新型的技術(shù)方案。

實施例1

一種復(fù)合型平面熒光聚光器，如圖1a所示。所述復(fù)合型平面熒光聚光器由一個復(fù)合平面光波導(dǎo)1及粘附在該復(fù)合平面光波導(dǎo)上表面的熒光量子點薄膜2構(gòu)成，復(fù)合平面光波導(dǎo)1中包含散射顆粒11和平面光波導(dǎo)12，熒光量子點薄膜2中包含熒光量子點21；復(fù)合平面光波導(dǎo)1的厚度為10mm～20mm，熒光量子點薄膜2的厚度為50μm～200μm。

散射顆粒11為SiO₂顆粒，散射顆粒11的粒徑為2μm～5μm；熒光量子點為銅銦硫量子點；平面光波導(dǎo)為聚甲基丙烯酸甲酯。

實施例2

一種復(fù)合型平面熒光聚光器，如圖1c所示。所述復(fù)合型平面熒光聚光器由一個復(fù)合平面光波導(dǎo)1及分別粘附在該復(fù)合平面光波導(dǎo)上表面和下表面的熒光量子點薄膜2構(gòu)成，復(fù)合平面光波導(dǎo)1中包含散射顆粒11和平面光波導(dǎo)12，熒光量子點薄膜2中包含熒光量子點21；復(fù)合平面光波導(dǎo)1的厚度為5mm，粘附在上表面和下表面的熒光量子點薄膜2的厚度分別為50μm和60μm。

散射顆粒11為TiO₂顆粒，散射顆粒11的粒徑為2μm～5μm；熒光量子點為銅銦硫量子點；平面光波導(dǎo)為聚乙烯。

實施例3

一種復(fù)合型平面熒光聚光器，如圖1d所示。所述復(fù)合型平面熒光聚光器由兩個復(fù)合平面光波導(dǎo)1及夾在這兩個復(fù)合平面光波導(dǎo)層間的熒光量子點薄膜2構(gòu)成，復(fù)合平面光波導(dǎo)1中包含散射顆粒11和平面光波導(dǎo)12，熒光量子點薄膜2中包含熒光量子點21；熒光量子點薄膜2兩側(cè)的復(fù)合平面光波導(dǎo)1的厚度分別為20mm和30mm，熒光量子點薄膜2的厚度為150μm。

散射顆粒11為SiO₂顆粒，散射顆粒11的粒徑為3μm；熒光量子點為表面包覆有ZnS的銅銦硫量子點；平面光波導(dǎo)為聚甲基丙烯酸甲酯。

實施例4

一種復(fù)合型平面熒光聚光器，如圖1e所示。所述復(fù)合型平面熒光聚光器由三個復(fù)合平面光波導(dǎo)1及夾在這三個復(fù)合平面光波導(dǎo)層間的兩層熒光量子點薄膜2構(gòu)成，復(fù)合平面光波導(dǎo)1中包含散射顆粒11和平面光波導(dǎo)12，熒光量子點薄膜2中包含熒光量子點21；三個復(fù)合平面光波導(dǎo)1的厚度由下到上分別為40mm、30mm和20mm，兩層熒光量子點薄膜2的厚度由下到上分別為50μm和70μm。

散射顆粒11為SiO₂顆粒，散射顆粒11的粒徑為8μm；熒光量子點為銅銦硫量子點；平面光波導(dǎo)為聚甲基丙烯酸甲酯。

實施例5

一種摻雜型平面熒光聚光器，如圖2所示。所述摻雜型平面熒光聚光器由散射顆粒4、熒光量子點5和平面光波導(dǎo)3構(gòu)成，且所述散射顆粒4和熒光量子點5均勻地分散在平面光波導(dǎo)3基質(zhì)中；所述摻雜型平面熒光聚光器的厚度為10mm～20mm。

散射顆粒4為SiO₂顆粒，散射顆粒4的粒徑為0.5μm～10μm；熒光量子點為銅銦硫量子點；平面光波導(dǎo)為聚乙烯。

申請人聲明，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，均落在本實用新型的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。