一種納米螢光顆粒及其製備方法和應用的製作方法

2024-03-29 02:06:05

專利名稱：一種納米螢光顆粒及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及光伏技術領域，特別是一種納米螢光顆粒及其製備方法和應用。
背景技術：
太陽能電池光電轉換效率偏低，發電成本較高是制約太陽能光伏系統廣泛應用的兩個主要因素，而導致這兩個主要因素的原因是太陽光波譜中的部分波譜對太陽能電池響應度較低或者基本無響應。比如波譜範圍為280-2500nm的太陽光，其對傳統晶矽太陽能電池最佳響應度的波譜範圍在600-980nm，其他波譜範圍太陽光的響應度較低或者基本無響應，這就造成了非常大的能量損失。為提高太陽能電池的光電轉換效率，當前主要是對太陽能電池本身進行優化，但這一解決方法通常還是會受到技術條件和成本的制約。目前為止,業內人士提出了各式各樣的螢光轉換材料，比如稀土材料、螢光有機染料或量子點等，其主要步驟是先將螢光物質摻雜在有機透明基質中，再將基質塗覆於太陽能電池表面或者玻璃、EVA、背板等太陽能組件封裝材料上，原理是利用螢光上轉換或下轉換技術將太陽光轉換到太陽能電池有效響應波譜區域，提高太陽能電池的光電轉換效率，但是這一方法存在著螢光材料在透明基質中難分散均勻、在使用過程中會發生聚集或擴散、有機透明基質耐候性差、螢光物質易遷移等等問題。CN10787272A公開了一種摻雜有稀土離子的納米螢光顆粒用於太陽能光伏系統，該納米螢光顆粒有效提高了螢光轉換層的耐候性問題，但仍然存在稀土離子在納米顆粒及透明基質中分散均勻性及易遷移的問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有波長轉換功能的新型納米螢光材料，將在太陽能電池中光電響應度低或者無響應度的太陽光波進行轉換，解決傳統螢光物質在透明基質中的難分散性和在轉換層中的易遷移性的問題，提高太陽能電池的光電轉換效率，降低太陽能光伏系統的發電成本。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種納米螢光顆粒，其粒徑為20-200nm，具體包括納米顆粒和具有螢光功能基團的透明聚合物鏈。所述納米顆粒為二氧化鈦或二氧化矽，或者表面具有同等功能基團的其他氧化物，其粒徑為10-150nm，質量為納米螢光顆粒的1% -10% ;具有螢光功能基團的透明聚合物鏈為含有至少一種螢光功能基團R的丙烯酸類均聚物/共聚物、聚乙烯類均聚物/共聚物、聚苯乙烯類均聚物/共聚物或熱塑性聚氨酯，螢光功能基團R在透明聚合物鏈的主鏈或/和側鏈上；所述突光功能基團R含有^離域電子，具體為蒽(Anthracene)、菲(Phenanthrene)、花(Pyrene)、花(Perylene)、喹啉(Quinoline)、香豆素(Counarin)、對三聯苯(P-Terphenyl)、N-鄰輕苯亞甲基苯胺(N-Salicidenceaniline)、ct-苯甲酸基肉桂腈(a-Benzoyl-cinnamonitrile)或羅丹明B (Rhodamine B),其與透明聚合物的摩爾比為
0.01%-10%，最佳摩爾比為1-3%。螢光功能基團R可以將太陽光波譜中對太陽能電池響應度較小或無響應度的波段光譜在最佳響應波段範圍內發射，以提高太陽能電池的光電轉換效率，其自身具有較小的自吸收發射峰和激發峰，自吸收大小由螢光功能基團R佔透明聚合物的摩爾比決定；一種納米螢光顆粒的製備方法，具有如下製備步驟
(I)對納米顆粒進行表面修飾；(2)選用自由基聚合或者縮合聚合法將含有螢光功能基團的單體或含有螢光功能基團單體的衍生物與經表面修飾的納米顆粒進行接枝反應，得到納米螢光顆粒。一種納米螢光顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法如下(I)利用旋塗、電化學沉積或絲網印刷法將納米螢光顆粒塗布於封裝玻璃的外表面或內表面、太陽能電池表面、背板內側；(2)採用共混法將納米螢光顆粒摻雜在EVA封裝膠膜中。本發明的納米螢光顆粒是一種具有波長轉換功能的新型有機無機雜化納米螢光材料，其能夠將在太陽能電池中光電響應度低或者無響應度的太陽光波進行轉換，並有效解決傳統螢光物質在透明基質中的難分散性和在轉換層中的易遷移性的問題，從而提高太陽能電池的光電轉換效率，降低太陽能光伏系統的發電成本。本發明提供一種能將太陽光轉換到太陽能電池有效響應區域的有效材料和方式，其相對於傳統有機透明基質具有較強的耐熱和耐候性，在太陽能電池組件工作的室外環境中具有強抗老化性。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明；圖I為本發明的納米螢光顆粒結構示意圖；圖2為本發明的納米螢光顆粒上可用的螢光基團R的名稱、分子式、激發波長和發射波長；圖3為將本發明的納米螢光顆粒塗覆於封裝玻璃表面為例的太陽能電池組件結構示意圖。圖中，I.納米顆粒，2.透明聚合物鏈，3.螢光功能基團，4.太陽能電池，5.封裝膠膜，6.背板，7.納米螢光顆粒塗層，8.玻璃，9.封裝膠膜。
具體實施例方式實施例I一種接枝有 Ct-苯甲酸基肉桂臆(a-Benzoyl-cinnamonitrile) ( X max (ex)420nm ； A max (ex) 630nm)的聚丙烯酸類共聚物-二氧化娃納米突光顆粒的製備方法,具有如下步驟(I)按質量比稱取10份的納米二氧化矽，加入10份水，通過乳化機高速攪動50min得淺藍色半透明的表面含有羥基的納米二氧化矽分散液；(2)往步驟(I)的體系中加入2份KH-550矽烷偶聯劑，繼續攪拌2h後再升溫至850C回流3h，得表面含有氨基的納米二氧化矽，平均粒徑為50nm，將混合物離心取沉澱通過無水乙醇和甲苯各洗2次，再分散在甲苯中；在冰水浴條件下，往體系中加入2份三乙胺、4份2-溴代異丁醯溴，反應Ih後，再常溫反應24h，離心得到表面含有溴的納米二氧化矽，乾燥待用；
(3)將10份表面含有溴的納米二氧化矽在氮氣氛圍下裝入封管中，再依次加A I份CuBr2、0. 5份異溴丁酸羥乙酯/甲苯溶液、200份甲基丙烯酸酯以及20份含有a -Benzoyl-cinnamonitrile的丙烯酸單體,將封管置於液氮中，往體系中加入2份五甲基二乙烯三胺(PMDETA)催化劑，然後在液氮冷凍-抽真空-充氮氣三次循環，最後真空封管，室溫解凍，在50°C下反應4h，反應結束後將反應體系離心分離出所需產品，平均粒徑為150nm，其中接枝上的聚合物分子量通過GPC測試為10000-100000。實施例中的螢光基團可根據需要更換為N-鄰羥苯亞甲基苯胺(N-Salicidenceaniline)、香豆素(Counarin)或喹啉(Quinoline)0本實施例的接枝有突光功能基團a-Benzoyl-cinnamonitrile的二氧化娃納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為利用旋塗法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於封裝玻璃的外表面；接枝有突光功能基團N-Salicidenceaniline的二氧化娃納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為利用電化學沉積法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於封裝玻璃的內表面；接枝有突光功能基團Counarin的二氧化娃納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為利用絲網印刷法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於太陽能電池表面；接枝有突光功能基團Quinoline的二氧化娃納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為利用絲網印刷法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於背板內側。實施例2一種接枝有蒽(Anthracene) ( X max (ex) 350nm ； A max (ex) 500nm)的聚苯乙烯類共聚物-二氧化矽納米螢光顆粒，其製備步驟如下(I)按質量比稱取10份納米二氧化矽，加入10份水，通過乳化機高速攪動，得到半透明淺藍色的表面帶有羥基的納米二氧化矽分散液；(2)往體系中加入2份的矽烷偶聯劑KH-858的水溶液，在室溫下攪拌2h後，得到表面含有雙鍵的二氧化矽，平均粒徑為50nm，(3)在氮氣氛圍下，將體系升溫至70°C，往體系中滴加25份過硫酸鉀引發劑和250份苯乙烯及50份含有Anthracene突光基團的乙烯單體,恆溫70V反應12h,過濾、提純得到產物，平均粒徑為150nm，其中接枝上的聚合物分子量通過GPC測試為10000-100000。實施例中的突光基團可根據需要可更換為菲(Phenanthrene)、花(Pyrene)或花(Perylene)。本實施例的接枝有突光功能基團Anthracene的二氧化娃納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為利用旋塗法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於太陽能電池表面；接枝有突光功能基團Phenanthrene的二氧化娃納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為利用電化學沉積法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於封裝玻璃的內表面；接枝有螢光功能基團Pyrene的二氧化矽納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為用絲網印刷法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於太陽能電池表面；接枝有突光功能基團Perylene的二氧化娃納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為採用共混法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒摻雜在EVA封裝膠膜中。實施例3一種接枝有 羅丹明B (Rhodamine B)突光功能基團(入max (ex) 350nm ；A max (em) 550nm)的聚氨酯-二氧化鈦納米突光顆粒的製備方法,具有如下步驟(I)按質量比稱取10份納米二氧化鈦，加入10份水，通過乳化機高速攪動，得到半透明淺藍色的表面帶有羥基的納米二氧化矽分散液；(2)往體系中加入2份的KH-550矽烷偶聯劑，繼續攪拌2h後再升溫至85°C回流攪拌3h，得表面含有氨基的納米二氧化矽，平均粒徑為50nm，待用；(3)先將400份的二異氰酸酯(Iroi)、600份的大分子二醇(PTMG)，2份帶羧基的小分子二醇(DMPA)，I份的三羥甲基丙烷(TMP)，4份的Rhodamine B及50份丙酮加入反應容器中，在60-80°C下反應5h製得主鏈上含有Rhodamine B且兩端為異氰酸酯根的聚氨酯預聚物，往體系中加入10份表面含有氨基的納米二氧化矽，恆溫反應3-5h，冷卻至室溫，在乳化機高速攪拌下得到乳液狀產物，平均粒徑為150nm，其中接枝上的聚合物分子量通過GPC 測試為 10000-100000。實施例中的突光基團可根據需要可更換為對三聯苯(p-Terphenyl)。本實施例的接枝有突光功能基團Rhodamine B的二氧化鈦納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為利用旋塗法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒塗布於太陽能電池表面；接枝有突光功能基團p-Terphenyl的二氧化鈦納米顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法為採用共混法將接枝有螢光功能聚合物的納米顆粒摻雜在EVA封裝膠膜中。
權利要求
1.一種納米螢光顆粒,其特徵是納米螢光顆粒的粒徑為20-200nm，具體包括納米顆粒(I)和具有螢光功能基團(3)的透明聚合物鏈(2)。
2.如權利要求I所述的一種納米螢光顆粒，其特徵是所述納米顆粒(I)為二氧化鈦或二氧化矽，其粒徑為10-150nm，質量為納米螢光顆粒的1% -10% ; 所述具有螢光功能基團(3)的透明聚合物鏈(2)為含有至少一種螢光功能基團(3)的丙烯酸類均聚物/共聚物、聚乙烯類均聚物/共聚物、聚苯乙烯類均聚物/共聚物或熱塑性聚氨酯，螢光功能基團(3)在透明聚合物鏈(2)的主鏈或/和側鏈上； 所述螢光功能基團(3)含有π離域電子，具體為蒽、菲、芘、茈、喹啉、香豆素、對三聯苯、N-鄰羥苯亞甲基苯胺、α-苯甲醯基肉桂腈或羅丹明B，其與透明聚合物的摩爾比為O. 01% -10%。
3.如權利要求2所述的一種納米螢光顆粒，其特徵是所述螢光功能基團(3)與透明聚合物的最佳摩爾比為1_3%。
4.如權利要求I所述的一種納米螢光顆粒的製備方法，其特徵在於具有如下製備步驟 (1)對納米顆粒進行表面修飾； (2)選用自由基聚合或者縮合聚合法將含有螢光功能基團(3)的單體或含有螢光功能基團(3)單體的衍生物與經表面修飾的納米顆粒(I)進行接枝反應，得到納米螢光顆粒。
5.如權利要求I所述的一種納米螢光顆粒在太陽能光伏系統中的應用方法如下 (1)利用旋塗、電化學沉積或絲網印刷法將納米螢光顆粒塗布於封裝玻璃的外表面或內表面、太陽能電池表面或背板內側； (2)採用共混法將納米螢光顆粒摻雜在EVA封裝膠膜中。
全文摘要
本發明涉及光伏技術領域，特別是一種納米螢光顆粒及其製備方法和應用，該納米螢光顆粒的粒徑為20-200nm，具體包括納米顆粒和具有螢光功能基團的透明聚合物鏈。本發明提供一種能將太陽光轉換到太陽能電池有效響應區域的有效材料和方式，其能夠將在太陽能電池中光電響應度低或者無響應度的太陽光波進行轉換，並有效解決傳統螢光物質在透明基質中的難分散性和在轉換層中的易遷移性的問題，從而提高太陽能電池的光電轉換效率，降低太陽能光伏系統的發電成本。
文檔編號C08G18/08GK102618258SQ20121004184
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月23日 優先權日2012年2月23日
發明者潘秀娟 申請人:常州天合光能有限公司