CN108534055B - 一种荧光集光太阳能照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种荧光集光太阳能照明系统，该系统包括以纳米二维材料表面负载CsBX3(B为含有+2价态元素；X为卤族元素)纳米晶为荧光材料的荧光光波导部件和照明部件。所述荧光光波导部件用于将太阳能转化为电能，包括荧光材料和太阳能电池；荧光材料吸收太阳光并重新发射荧光，太阳能电池再将荧光转化为电能；所述照明部件与荧光光波导部件电连接形成闭路电路，并对外提供照明。该系统使用的荧光材料具有能量转换效率高、吸收系数高、吸收谱宽、发射带窄、发射强度高、自损耗小、与太阳能电池的光谱匹配好、与光波导材料相溶性好且性能稳定的特点。此外，该系统多样的材料特性使其还可满足道路照明、智能家居、环境装饰等不同场所的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及纳米复合材料和太阳能光伏器件技术领域，特别是涉及一种荧光集光太阳能照明系统。
背景技术
荧光集光太阳能光伏器件借助光波导介质中的荧光材料吸收太阳光并重新发射荧光，可获得更高的能量转换效率。与传统聚光太阳能电池相比，荧光集光太阳能光伏器件既可以吸收直射光和散射光，又能避免热效应造成的器件损耗，因而降低了昂贵的太阳跟踪系统和冷却系统所带来的光伏发电成本，从而具有较好的光伏建筑一体化应用前景。目前，荧光集光太阳能光伏器件在建筑领域的应用主要是作为建筑物的外装玻璃，如将这类器件应用于商业步行街的地面铺设及路边照明，在为商业区内提供照明的同时，又起到商业街道路面的修饰作用，因而具有良好的应用前景。然而，荧光材料作为荧光集光太阳能光伏器件的关键部件，存在吸光系数低、荧光量子效率低、自损耗现象严重等问题。以CsPbX3为代表的钙钛矿纳米晶因其高吸光系数、低缺陷密度、长载流子扩散距离和双极性的载流子传输等优异性能，具有良好的光学、电学特性；纳米二维材料良好的力学、光学、电学特性，有助于为纳米晶提供良好的载体和传输通道，也广泛应用于光电领域的材料研究。通过结构的优化，必将获得具有吸收系数高、吸收谱宽、发射带窄、发射强度高、自损耗小、荧光量子效率高、与太阳能电池的光谱匹配好、与光波导材料相溶性好且性能稳定的荧光材料。因此，开发一种基于纳米二维材料表面负载CsBX3(B为含有+2价态元素；X为卤族元素)纳米晶的荧光集光太阳能道路照明系统显得尤为重要。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种荧光集光太阳能照明系统，以获得具有能量转换效率高、吸收系数高、吸收谱宽、发射带窄、发射强度高、自损耗小、与太阳能电池的光谱匹配好、与光波导材料相溶性好且性能稳定的纳米复合材料，并可满足道路照明、智能家居、环境装饰等不同场所的应用需求。具体技术方案如下：
本发明提出的一种荧光集光太阳能照明系统，其特征在于，所述照明系统包括：以纳米二维材料表面负载结构为CsBX3(B为含有+2价态元素；X为卤族元素)的纳米晶为荧光材料的荧光光波导部件和照明部件所述的荧光光波导部件，其中：
所述的荧光光波导部件，用于将太阳能转化为电能，包括荧光材料和太阳能电池；其中荧光材料吸收太阳光并重新发射荧光，太阳能电池再将荧光转化为电能；
所述的照明部件与所述的荧光光波导部件电连接形成闭路电路，并对外提供照明。
可选的，所述系统铺设于地面为街道提供照明或安装在建筑物外墙为室内提供照明和装饰。
可选的，所述的CsBX3中X可单独使用Cl、Br、I或按任意比例使用两种卤族元素制备纳米晶，以获得不同带隙、颜色及稳定性的荧光材料。
可选的，所述的CsBX3中B可单独使用Sn、Ge元素、IIIA族In、Tl元素、VA族Bi、Sb元素、过渡金属Cu、Mn元素，或按任意比例使用上述两种或两种以上元素制备纳米晶，以获得不同带隙、颜色及稳定性的荧光材料。
可选的，所述的纳米二维材料可以为石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氮化硼、黑磷以及二硫化钼，以获得不同载体负载纳米晶的荧光材料，并获得多样的光电特性。
可选的，所述荧光材料通过以下步骤制备：
S1)按照溶剂a：溶剂b体积比＝1：(15～35)配制混合溶液，并按照浓度为12～42g/L添加铯源，依次在80～140℃的真空条件下保持1.5～3h、140～190℃的氩气条件下保持0.5～2.5h，得到铯前驱体溶液M；其中，所述的溶剂a为单不饱和脂肪酸，所述的溶剂b为碳原子数为13-24的直链烯烃；
S2)按照溶剂a：溶剂b：溶剂c体积比＝1：(10～30)：(0.6～3.6)配制混合溶液，并按照浓度依次为5～25g/L、10～40g/L、0.1～2.5g/L添加B源、X源和纳米二维材料，依次在80～140℃真空条件下保持0.5～1h、140～190℃氩气条件下保持3～4h，得到纳米二维材料负载B、X前驱体溶液N(B为含有+2价态元素；X为卤族元素)；其中，所述的溶剂a为单不饱和脂肪酸，所述的溶剂b为碳原子数为13-24的直链烯烃，所述的溶剂c为碳原子数为13-24的不饱和烯胺；
S3)按照前驱体溶液M：前驱体溶液N体积比＝1：(15～45)，将步骤S1)得到的前驱体溶液M注入步骤S2)得到的前驱体溶液N，得到纳米复合材料溶液，经过离心获得沉淀，并在80～140℃的真空低温条件下烘干，得到荧光材料。
可选的，所述的铯源为CsNO3、Cs2CO3、Cs2SO4中的一种或几种；所述的B源为含有+2价态元素的氯化物、氧化物中的一种或几种；所述的X源为HX、PbX2、CsX、NH4X中的一种或几种(X为卤族元素)。
可选的，所述荧光光波导部件还包括:钢化玻璃盖、减反膜、上波导介质、下波导介质、底部保护座和连接台；
其中，所述荧光材料封装在上波导介质和下波导介质组成的封闭空间内；
所述的上波导介质的上表面依次安装减反膜、钢化玻璃盖；
所述的下波导介质的下表面依次安装底部保护座和连接台；
所述的连接台可将多个光波导部件串联，提高照明效果。
可选的，所述的太阳能电池单独使用晶体硅、非晶硅、CuInGaSe(S)、CuZnSeS、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、或使用上述两种或两种以上的单体太阳能电池组成的叠层太阳能电池，或使用由上述太阳能电池中的一种或几种与热电材料共同组成的叠层太阳能电池，提高系统的光电转换效率。
可选的，所述照明部件包括：灯罩、储电部件、灯座、防水罩、照明灯和灯架；
其中，所述灯座安装于灯架的上方中央；
所述的储电部件安装于灯架的上表面并与荧光光波导部件连接；
所述的灯罩以遮盖的形式安装于灯座的上表面；
所述的照明灯和防水罩依次安装于灯座的下表面。
可选的，所述系统还包括：与所述的荧光光波导部件和所述的照明部件电连接的增益部件；
所述增益部件，包括：温度探测器、噪音探测器、空气质量检测器、无线信号接收器、显示屏和智能控制器中的至少一种；通过不同增益部件的组合，道路照明系统可实现道路照明、地面装饰、信息显示等功能，满足不同场所的应用需求。
本发明的有益效果是：荧光光波导部件用于将太阳能转化为电能，包括荧光材料和太阳能电池；荧光材料吸收太阳光并重新发射荧光，太阳能电池再将荧光转化为电能。照明部件与荧光光波导部件电连接形成闭路电路，并对外提供照明。该荧光材料具有能量转换效率高、吸收系数高、吸收谱宽、发射带窄、发射强度高、自损耗小、与太阳能电池的光谱匹配好、与光波导材料相溶性好且性能稳定的特点。此外，该系统多样的材料特性及广泛的应用范围，使其还具有道路照明、地面装饰、信息显示等功能，可满足不同场所的应用需求。
附图说明
图1为本发明荧光集光太阳能照明系统的结构示意图；
图中，1——灯罩；2——储电部件；3——储电部件与照明灯连接线；4——灯座、5——防水罩；6——照明灯；7——灯架；8——储电部件与荧光光波导部件连接线；9——钢化玻璃盖；10——减反膜；11——上波导介质；12——图案化荧光材料；13——下波导介质；14——底部耦合太阳能电池；15——底部保护座；16——连接台；17——增益部件；18——温度探测器；19——噪音探测器；20——空气质量检测器；21——无线信号接收器；22——智能控制器；23——显示屏。
图2为本发明实施例1所使用的还原氧化石墨烯负载CsPbI3纳米晶的TEM图。
图3为本发明实施例1所使用的还原氧化石墨烯负载CsPbI3纳米晶的PL和UV图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中荧光材料吸光系数低、荧光量子效率低、自损耗现象严重等问题，本发明提供了一种荧光集光太阳能照明系统，以纳米二维材料表面负载CsBX3(B为含有+2价态元素；X为卤族元素)纳米晶为荧光材料，具有能量转换效率高、吸收系数高、吸收谱宽、发射带窄、发射强度高、自损耗小、与太阳能电池的光谱匹配好、与光波导材料相溶性好且性能稳定的特点。此外，该系统多样的材料特性使其还可满足道路照明、智能家居、环境装饰等不同场所的应用需求。
下面先从总体上对本发明实施方式提供的荧光集光太阳能照明系统进行说明。
一种实现方式中，上述照明系统包括：
以纳米二维材料表面负载CsBX3(B为含有+2价态元素；X为卤族元素)纳米晶为荧光材料的荧光光波导部件和照明部件；其中：
所述的荧光光波导部件，用于将太阳能转化为电能，包括荧光材料和太阳能电池；其中荧光材料吸收太阳光并重新发射荧光，太阳能电池再将荧光转化为电能；
所述的照明部件与所述的荧光光波导部件电连接形成闭路电路，并对外提供照明。具体的，上述提供的照明系统可铺设于地面为街道提供照明，也可以安装在建筑物外墙为室内提供照明，本发明实施例对此不做限定。
下面通过具体实施方式，对本发明实施例提供的荧光集光太阳能照明系统进行详细说明。
如图1所示，为本发明提供的一种荧光集光太阳能照明系统的结构示意图，该系统可铺设于地面为街道提供照明。
照明部件位于地面上，具有电量存储及照明功能，包括灯罩1、储电部件2、储电部件与照明灯连接线3、灯座4、防水罩5、照明灯6、灯架7和储电部件与荧光光波导部件连接线8。其中，灯座4位于灯架7上方中央，其内均匀分布的储电部件与荧光光波导部件连接线8分别与储电部件2和荧光光波导部件太阳能电池14连接，储电部件2于灯座4上方中央，并覆盖灯罩1，灯座4底部分布安装防水罩5和照明灯6，储电部件与照明灯连接线3均匀分布于灯座4内并与储电部件2、照明灯6连接；
荧光光波导部件位于地面下，具有吸收太阳光并转换为电能的功能，包括钢化玻璃盖9、减反膜10、上波导介质11、图案化荧光材料12、下波导介质13、底部耦合太阳能电池14、底部保护座15和连接台16。其中，荧光光波导部件采用封装结构，由地面向下依次放置钢化玻璃盖9、减反膜10、上波导介质11、图案化荧光材料12、下波导介质13、底部耦合太阳能电池14、底部保护座15和连接台16，底部耦合太阳能电池14通过外灯支架7内均匀分布的储电部件与连接线8与外灯储电部件2连接；
在一种实现方式中，该系统可以通过增益部件17实现应用的多样性，包括温度探测器18、噪音探测器19、空气质量检测器20、无线信号接收器21、智能控制器22、小功率显示屏23等配件中的一种或几种。其中，增益部件17与荧光光波导部件太阳能电池14连接。由以上可见，本发明实施例提供的照明系统，通过配置增益部件，可以为道路照明、或者实现信息显示等功能，使得该照明系统对不同环境要求的适应性更强。
在另一种实现方式中，所述的太阳能电池单独使用晶体硅、非晶硅、CuInGaSe(S)、CuZnSeS、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、或使用上述两种或两种以上的单体太阳能电池组成的叠层太阳能电池，或使用由上述太阳能电池中的一种或几种与热电材料共同组成的叠层太阳能电池，提高系统的光电转换效率。
在另一种实施方式中，本发明实施例提供的荧光集光太阳能照明还包括纳米二维材料表面负载CsBX3(B＝Pb,Sn,Ge,In,Tl,Bi,Sb,Cu,Mn；X＝Cl,Br,I)纳米晶荧光材料的制备。
下面通过具体实施方式，对本发明实施方式提供的还原氧化石墨烯负载CsPbI3纳米晶荧光材料的制备进行详细说明。
在一种实现方式中，将0.6gCsNO3和Cs2CO3的混合铯源、10mL油酸、100mL十八烯依次加入250mL球形瓶中，依次在90℃真空条件下保持1.5h、140℃氩气条件下保持2.5h后，得到无色铯前驱体溶液M1；将0.1g的PbO和1g的PbI2、CsI混合碘源、0.5mL油酸、1.5mL油胺、0.2g还原氧化石墨烯和40ml十八烯依次加入150mL三口瓶中，依次在120℃真空条件下保持0.5h、190℃氩气条件下保持3h，得到黑色还原氧化石墨烯负载铅、碘前驱体溶液N1；将2mL溶液M1迅速注入溶液N1中，得到棕红色溶液并离心获得棕红色沉淀，在140℃的真空低温条件下烘干，得到还原氧化石墨烯负载CsPbI3纳米晶荧光材料，其样品TEM图如图2所示，UV和PL图如图3所示。
在另一种实现方式中，将1.2g Cs2SO4、2mL油酸、50mL十八烯依次加入250mL球形瓶中，依次在110℃真空条件下保持2.5h、170℃氩气条件下保持1.5h后，得到无色铯前驱体溶液M2；将1.1g的PbI2、PbO混合铅源和0.3g的HI、NH4I混合碘源、3.5mL油酸、1.5mL油胺、0.05g还原氧化石墨烯和10ml十八烯依次加入150mL三口瓶中，依次在80℃真空条件下保持1h、150℃氩气条件下保持3.5h，得到还原氧化石墨烯负载铅、碘前驱体溶液N2；将0.4mL溶液M2迅速注入溶液N2中，得到棕红色溶液并离心获得棕红色沉淀，90℃的真空低温条件下保持烘干，得到还原氧化石墨烯负载CsPbI3纳米晶荧光材料。
所述的铯源为CsNO3、Cs2CO3、Cs2SO4中的一种或几种；所述的B源为含有+2价态元素的氯化物、氧化物中的一种或几种；所述的X源为HX、PbX2、CsX、NH4X中的一种或几种(X为卤族元素)。
在另一种实现方式中，所述的CsBX3中X可单独使用Cl、Br、I或按任意比例使用两种卤族元素制备纳米晶，以获得不同带隙的荧光材料。
在另一种实现方式中，所述的CsBX3中B可单独使用Sn、Ge元素、IIIA族In、Tl元素、VA族Bi、Sb元素、过渡金属Cu、Mn元素，或按任意比例使用上述两种或两种以上元素制备纳米晶，以获得不同带隙的荧光材料。
在另一种实现方式中，所述的纳米二维材料可以为石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氮化硼、黑磷以及二硫化钼，以获得不同载体负载纳米晶的荧光材料。
由以上可见，通过本发明实施方式提供的荧光集光太阳能照明系统，该系统包括以纳米二维材料表面负载CsBX3(B为含有+2价态元素；X为卤族元素)纳米晶为荧光材料的荧光光波导部件和照明部件。荧光光波导部件用于将太阳能转化为电能，包括荧光材料和太阳能电池；荧光材料吸收太阳光并重新发射荧光，太阳能电池再将荧光转化为电能。照明部件与荧光光波导部件电连接形成闭路电路，并对外提供照明。该荧光材料具有能量转换效率高、吸收系数高、吸收谱宽、发射带窄、发射强度高、自损耗小、与太阳能电池的光谱匹配好、与光波导材料相溶性好且性能稳定的特点。此外，该系统多样的材料特性使其还可满足道路照明、智能家居、环境装饰等不同场所的应用需求。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种荧光集光太阳能照明系统，其特征在于，所述照明系统包括：以纳米二维材料表面负载结构为CsBX3的纳米晶为荧光材料的荧光光波导部件和照明部件，以及与所述的荧光光波导部件和所述的照明部件电连接的增益部件；其中，B为含有+2价态元素；X为卤族元素；
所述的荧光光波导部件，用于将太阳能转化为电能，包括图案化荧光材料和太阳能电池；其中图案化荧光材料吸收太阳光并重新发射荧光，太阳能电池再将荧光转化为电能；
所述的照明部件与所述的荧光光波导部件电连接形成闭路电路，并对外提供照明；
所述增益部件包括：温度探测器、噪音探测器、空气质量检测器、无线信号接收器、显示屏和智能控制器中的至少一种；
所述荧光材料通过以下步骤制备：
S1)按照溶剂a：溶剂b体积比＝1：(15～35)配制混合溶液，并按照浓度为12～42g/L添加铯源，在真空条件下加热得到铯前驱体溶液M；其中，所述的溶剂a为单不饱和脂肪酸，所述的溶剂b为碳原子数为13-24的直链烯烃；
S2)按照溶剂a：溶剂b：溶剂c体积比＝1：(10～30)：(0.6～3.6)配制混合溶液，并按照浓度依次为5～25g/L、10～40g/L、0.1～2.5g/L添加B源、X源和纳米二维材料，在真空条件下加热得到纳米二维材料负载B、X前驱体溶液N，其中B为含有+2价态元素；X为卤族元素；所述的溶剂a为单不饱和脂肪酸，所述的溶剂b为碳原子数为13-24的直链烯烃，所述的溶剂c为碳原子数为13-24的不饱和烯胺；
S3)按照前驱体溶液M：前驱体溶液N体积比＝1：(15～45)，将步骤S1)得到的前驱体溶液M注入步骤S2)得到的前驱体溶液N，得到纳米复合材料溶液，经过离心获得沉淀，90℃或140℃真空烘干，得到荧光材料；
所述的铯源为CsNO3、Cs2CO3、Cs2SO4中的一种或几种；所述的B源为含有+2价态元素的氯化物、氧化物中的一种或几种；所述的X源为HX、PbX2、CsX、NH4X中的一种或几种，其中X为卤族元素。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统铺设于地面为街道提供照明，地面装饰和信息显示，或安装在建筑物外墙为室内提供照明、装饰和信息显示。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的CsBX3中X单独使用Cl、Br、I或按任意比例使用两种卤族元素制备纳米晶，以获得不同带隙的荧光材料。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的CsBX3中B单独使用Sn、Ge元素、IIIA族In、Tl元素、VA族Bi、Sb元素、过渡金属Cu、Mn元素，或按任意比例使用上述两种或两种以上的元素制备纳米晶，以获得不同带隙的荧光材料。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的纳米二维材料为石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氮化硼、黑磷以及二硫化钼，以获得不同载体负载纳米晶的荧光材料。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述荧光光波导部件还包括:钢化玻璃盖、减反膜、上波导介质、下波导介质、底部保护座和连接台；所述荧光材料封装在上波导介质和下波导介质组成的封闭空间内；所述的上波导介质的上表面依次安装减反膜、钢化玻璃盖；所述的下波导介质的下表面依次安装底部保护座和连接台；所述的连接台将多个光波导部件串联，提高照明效果。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的太阳能电池单独使用晶体硅、非晶硅、CuInGaSe、CuZnSeS、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、或使用上述两种或两种以上的单体太阳能电池组成的叠层太阳能电池，或使用由上述太阳能电池中的一种或几种与热电材料共同组成的叠层太阳能电池，提高系统的光电转换效率。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照明部件包括：灯罩、储电部件、灯座、防水罩、照明灯和灯架；所述灯座安装于灯架的上方中央；所述的储电部件安装于灯架的上表面并与荧光光波导部件连接；所述的灯罩以遮盖的形式安装于灯座的上表面；所述的照明灯和防水罩依次安装于灯座的下表面。
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