本發(fā)明屬于聚光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種平面熒光聚光器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，太陽聚光器技術(shù)有LSC技術(shù)(冷光太陽聚光器)和QDSC技術(shù)(量子點(diǎn)太陽聚光器)兩種。

第一、LSC技術(shù)(luminescent solar concentrator，冷光太陽聚光器)最初出現(xiàn)是在1970年代，其基本原理如圖1所示，平板中均勻分布熒光染料顆粒1’，熒光染料顆粒1’能夠吸收入射的太陽光并重新激發(fā)出熒光(冷光)，激發(fā)光線的方向隨機(jī)，在高折射率的平板中通過全反射(及反射)作用導(dǎo)流(waveguide)到安裝在平板側(cè)壁的太陽電池2’上，原理先進(jìn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)秀。

第二、QDSC(quantum dot solar concentrator，量子點(diǎn)太陽聚光器)技術(shù)采用半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料代替了FSC(fluorescent solar concentrator/collectors，熒光太陽聚光器)中的染料顆粒，有以下優(yōu)勢：

(1)QDs(量子點(diǎn))為晶體半導(dǎo)體材料，比有機(jī)染料衰減少；

(2)QDs具有高的發(fā)光量子效率(80％)；

(3)光譜吸收范圍易于通過調(diào)節(jié)QDs的尺寸來實(shí)現(xiàn)；

(4)對光線的吸收與發(fā)射中的紅移影響(由粒子尺寸分布范圍決定)可以通過改進(jìn)量子點(diǎn)的生成環(huán)境得以降低。

碳量子點(diǎn)是一種以碳元素為主體的新型熒光碳納米材料，碳量子點(diǎn)具有許多優(yōu)良性質(zhì)主要包括：熒光穩(wěn)定性高且耐光漂白、激發(fā)光寬而連續(xù)、發(fā)射光可調(diào)諧、粒徑小分子量低、生物相容性好且毒性低和優(yōu)良的電子受體和供體等特性還有比傳統(tǒng)金屬量子點(diǎn)更為優(yōu)越的特點(diǎn)。碳量子點(diǎn)不但克服了傳統(tǒng)有機(jī)染料的某些缺點(diǎn)，而且有分子量和粒徑小、熒光穩(wěn)定性高、無光閃爍、激發(fā)光譜寬而連續(xù)、發(fā)射波長可調(diào)諧、生物相容性好、毒性低等優(yōu)點(diǎn)。更易于實(shí)現(xiàn)表面功能化，被認(rèn)為是一種很好的理想材料。

文獻(xiàn)中講到，如果具有高量子效率的量子點(diǎn)能夠合適地結(jié)合到透明介質(zhì)中，預(yù)期的高效率LSC也許就能實(shí)現(xiàn)。目前，QDSC光伏組件的效率與FSC光伏組件相比優(yōu)勢也還不明顯，基本都在4％以下，聚光器尺寸一般都在125mm×125mm以下，離制作玻璃窗也還有一定距離，技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。

用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的熒光平面光波導(dǎo)層，利用熒光在波導(dǎo)內(nèi)的全反射原理進(jìn)行聚光?，F(xiàn)有的熒光平面光波導(dǎo)層光伏組件的理論熒光收集效率僅為75％，較低的熒光收集效率限制了其整體的能量收集效率。

目前，有關(guān)碳量子點(diǎn)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碳量子點(diǎn)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，限制了碳量子點(diǎn)的廣泛應(yīng)用。

因此，研發(fā)一種能有效改善太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率、制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低的碳量子點(diǎn)平面聚光器迫在眉睫。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，具體公開一種碳量子點(diǎn)平面聚光器，該平面聚光器能較好地起到吸收、傳輸或發(fā)射和匯聚光能的多重功效，使得太陽能電池接收到的光線不僅包含太陽本身部分，同時(shí)還包含有碳量子點(diǎn)的熒光發(fā)射部分，有效改善太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。

為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明是按以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的一種平面熒光聚光器，包括置于兩側(cè)邊的太陽能電池，以及置于中間的從上至下依次設(shè)置的玻璃蓋板、選擇性反射層、上空氣薄層、熒光平面光波導(dǎo)層、下空氣薄層及高反射薄膜，其中熒光平面光波導(dǎo)層包括熒光物質(zhì)和平面光波導(dǎo)，所述熒光物質(zhì)置于平面光波導(dǎo)表面或平面光波導(dǎo)中，所述熒光物質(zhì)為碳量子點(diǎn)材料。

作為上述技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述熒光物質(zhì)的外層包裹ZnS。

作為上述技術(shù)的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述熒光平面光波導(dǎo)為單層或多層板狀結(jié)構(gòu)；所述熒光平面光波導(dǎo)的板狀結(jié)構(gòu)中至少有一層是熒光材料層。

具體來說，所述熒光平面光波導(dǎo)的厚度范圍為10-50毫米。

在本發(fā)明中，所述平面光波導(dǎo)為高分子聚合物。

在本發(fā)明中，所述高分子聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯。

在本發(fā)明中，所述選擇性反射層為Low-e薄膜或光子晶體層。

在本發(fā)明中，所述太陽能電池的側(cè)板為單晶硅或多晶硅太陽能電池板，底板采用金屬材料或塑料材料制成。

在本發(fā)明中，所述高反射薄膜的材料為銀、金、銅或鋁。

在本發(fā)明中，熒光平面光波導(dǎo)層、上空氣間隙、下空氣間隙、選擇性反射層和高反射薄膜共同構(gòu)成具有兩級熒光傳輸功能的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，起到傳輸、匯聚光能的作用。

本發(fā)明中，熒光平面光波導(dǎo)層的制作方法是：

(1)制備碳量子點(diǎn)材料，將碳量子點(diǎn)材料均勻分散于有機(jī)溶劑中；

(2)用高分子聚合物制作平面光波導(dǎo)；

(3)將上述步驟(1)的混合溶液涂覆在平面光波導(dǎo)表面或者封裝于平面光波導(dǎo)中，形成平面熒光聚光器。

具體來說：上述步驟(1)中制備碳量子點(diǎn)材料的步驟是：

a、首先，收集和酸處理蠟燭灰；

b、其次，加熱處理得到表面具有羧基和羥基的親水性碳量子點(diǎn)，直徑約1nm，在惰性氣體保護(hù)下，停止加熱并冷卻至室溫，去除雜質(zhì)；

c、最后真空干燥得到碳量子點(diǎn)材料。

d、將碳量子點(diǎn)材料均勻分散于有機(jī)溶劑中，在合成高分子聚合物時(shí)加入到原料中，反應(yīng)后得到摻雜碳量子點(diǎn)材料的平面光波導(dǎo)，經(jīng)切割、拋光、清洗、干燥后得到平面熒光聚光器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明選用高效、穩(wěn)定性好且無污染的碳量子點(diǎn)材料充當(dāng)平面熒光聚光器(LPC)的熒光物質(zhì)，碳量子點(diǎn)作為光轉(zhuǎn)換中心，能夠?qū)⑻柟庵械乃{(lán)紫光轉(zhuǎn)換成紅光；此外，碳量子點(diǎn)具有與太陽能電池的最佳禁帶寬度十分接近、光吸收系數(shù)高、對光和熱的穩(wěn)定性好、不含重金屬等有毒離子及超寬帶發(fā)射等優(yōu)良光學(xué)特性，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。

(2)本發(fā)明采用優(yōu)良光學(xué)特性、物理化學(xué)性能穩(wěn)定且易成型加工的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料為LPC的平面光波導(dǎo)材料。通過物理或化學(xué)方法將上述熒光材料與平面光波導(dǎo)復(fù)合制作成LPC，能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(jī)聚合物等太陽能電池。

(3)本發(fā)明的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，減少太陽能電池使用量，延長太陽能電池的使用壽命，

(4)本發(fā)明所述的碳量子點(diǎn)平面聚光器，其能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，拓寬太陽能發(fā)電市場，從而大大降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)和維護(hù)成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)的說明：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)LSC聚光器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的碳量子點(diǎn)平面聚光器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是碳量子點(diǎn)紫外吸收圖譜；

圖4是碳量子點(diǎn)熒光發(fā)射圖譜。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，本發(fā)明所述的一種平面熒光聚光器，包括置于兩側(cè)邊的太陽能電池4、5，以及置于中間的從上至下依次設(shè)置的玻璃蓋板1、選擇性反射層2、上空氣薄層3、熒光平面光波導(dǎo)層6、下空氣薄層7及高反射薄膜8，其中熒光平面光波導(dǎo)層6包括熒光物質(zhì)和平面光波導(dǎo)，所述熒光物質(zhì)置于平面光波導(dǎo)表面或平面光波導(dǎo)中，所述熒光物質(zhì)為碳量子點(diǎn)材料，所述熒光物質(zhì)的外層包裹ZnS反射膜，所述平面光波導(dǎo)為高分子聚合物，具體來說：所述高分子聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯。

所述玻璃蓋板1為普通玻璃，所述選擇性反射層2為Low-e薄膜或光子晶體層，所述太陽能電池5的側(cè)面是單晶硅或多晶硅太陽能電池板，底版采用金屬材料或塑料材料制成，金屬材料為佳；所述高反射薄膜的材料為銀、金、銅或鋁，銀為最佳；所述熒光平面光波導(dǎo)層6為單層或多層板狀結(jié)構(gòu)；所述熒光平面光波導(dǎo)層6的板狀結(jié)構(gòu)中至少有一層是熒光材料層；所述熒光平面光波導(dǎo)層6的厚度范圍為10-50毫米。

以下具體說明熒光平面光波導(dǎo)層6的具體制備過程：

(1)制備碳量子點(diǎn)材料，將碳量子點(diǎn)材料均勻分散于有機(jī)溶劑中；

(2)用高分子聚合物制作平面光波導(dǎo)；

(3)將步驟(1)的混合溶液涂覆在平面光波導(dǎo)表面或者封裝于平面光波導(dǎo)中，形成平面熒光聚光器。

關(guān)于上述步驟(1)中制備碳量子點(diǎn)材料的步驟是：

a、首先，收集和酸處理蠟燭灰；

b、其次，加熱處理得到表面具有羧基和羥基的親水性碳量子點(diǎn)，直徑約1nm，在惰性氣體保護(hù)下，停止加熱并冷卻至室溫，去除雜質(zhì)；

c、最后真空干燥得到碳量子點(diǎn)材料。

d、將碳量子點(diǎn)材料均勻分散于有機(jī)溶劑中，在合成高分子聚合物時(shí)加入到原料中，反應(yīng)后得到摻雜碳量子點(diǎn)材料的平面光波導(dǎo)，經(jīng)切割、拋光、清洗、干燥后得到平面熒光聚光器。

本發(fā)明的工作原理是：如圖1所示，太陽光通過玻璃蓋板1、選擇性反射層3、上空氣薄層3到達(dá)熒光平面光波導(dǎo)層6，被熒光平面光波導(dǎo)層6中的碳量子點(diǎn)材料吸收。

熒光材料向空間發(fā)射波長較長的紅外光，一部分光由于入射角大于全反射臨界角(見圖1中L1)，在熒光平面光波導(dǎo)層6內(nèi)發(fā)生全反射，再經(jīng)過多次反射后最終傳輸?shù)竭_(dá)側(cè)邊的太陽能電池6，從而被導(dǎo)出利用；而對于另一部分小于臨界角的光線(見圖1中L2)，在透過熒光平面光波導(dǎo)層6的上、下表面后被選擇性反射層3和高反射薄膜8反射回?zé)晒馄矫婀獠▽?dǎo)層內(nèi)，同理最終也能到達(dá)側(cè)邊電池處。(圖3是碳量子點(diǎn)紫外吸收圖譜；圖4是碳量子點(diǎn)熒光發(fā)射圖譜)

在本發(fā)明中，熒光平面光波導(dǎo)層6、上空氣間隙(上空氣薄層3與熒光平面光波導(dǎo)層6之間間隙)、下空氣間隙(下空氣薄層7與熒光平面光波導(dǎo)層6之間間隙)、選擇性反射層2和高反射薄膜9共同構(gòu)成具有兩級熒光傳輸功能的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，起到傳輸、匯聚光能的作用，太陽能電池5接收到的光線不僅包含太陽本身部分，同時(shí)還包含有碳量子點(diǎn)的熒光發(fā)射部分，有效改善太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，凡是對本發(fā)明的各種改動或變型不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動和變型屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意味著包含這些改動和變型。