專利名稱:一種納米熒光顆粒及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及光伏技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種納米熒光顆粒及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù):
太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低,發(fā)電成本較高是制約太陽能光伏系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的兩個主要因素,而導(dǎo)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(yīng)度較低或者基本無響應(yīng)。比如波譜范圍為280-2500nm的太陽光,其對傳統(tǒng)晶硅太陽能電池最佳響應(yīng)度的波譜范圍在600-980nm,其他波譜范圍太陽光的響應(yīng)度較低或者基本無響應(yīng),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(zhuǎn)換效率,當(dāng)前主要是對太陽能電池本身進行優(yōu)化,但這一解決方法通常還是會受到技術(shù)條件和成本的制約。目前為止,業(yè)內(nèi)人士提出了各式各樣的熒光轉(zhuǎn)換材料,比如稀土材料、熒光有機染料或量子點等,其主要步驟是先將熒光物質(zhì)摻雜在有機透明基質(zhì)中,再將基質(zhì)涂覆于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,原理是利用熒光上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換技術(shù)將太陽光轉(zhuǎn)換到太陽能電池有效響應(yīng)波譜區(qū)域,提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,但是這一方法存在著熒光材料在透明基質(zhì)中難分散均勻、在使用過程中會發(fā)生聚集或擴散、有機透明基質(zhì)耐候性差、熒光物質(zhì)易遷移等等問題。CN10787272A公開了一種摻雜有稀土離子的納米熒光顆粒用于太陽能光伏系統(tǒng),該納米熒光顆粒有效提高了熒光轉(zhuǎn)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(zhì)中分散均勻性及易遷移的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有波長轉(zhuǎn)換功能的新型納米熒光材料,將在太陽能電池中光電響應(yīng)度低或者無響應(yīng)度的太陽光波進行轉(zhuǎn)換,解決傳統(tǒng)熒光物質(zhì)在透明基質(zhì)中的難分散性和在轉(zhuǎn)換層中的易遷移性的問題,提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,降低太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種納米熒光顆粒,其粒徑為20-200nm,具體包括納米顆粒和具有熒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硅,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(zhì)量為納米熒光顆粒的1% -10% ;具有熒光功能基團的透明聚合物鏈為含有至少一種熒光功能基團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,熒光功能基團R在透明聚合物鏈的主鏈或/和側(cè)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(lián)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%。熒光功能基團R可以將太陽光波譜中對太陽能電池響應(yīng)度較小或無響應(yīng)度的波段光譜在最佳響應(yīng)波段范圍內(nèi)發(fā)射,以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,其自身具有較小的自吸收發(fā)射峰和激發(fā)峰,自吸收大小由熒光功能基團R占透明聚合物的摩爾比決定;一種納米熒光顆粒的制備方法,具有如下制備步驟
(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熒光功能基團的單體或含有熒光功能基團單體的衍生物與經(jīng)表面修飾的納米顆粒進行接枝反應(yīng),得到納米熒光顆粒。一種納米熒光顆粒在太陽能光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用方法如下(I)利用旋涂、電化學(xué)沉積或絲網(wǎng)印刷法將納米熒光顆粒涂布于封裝玻璃的外表面或內(nèi)表面、太陽能電池表面、背板內(nèi)側(cè);(2)采用共混法將納米熒光顆粒摻雜在EVA封裝膠膜中。本發(fā)明的納米熒光顆粒是一種具有波長轉(zhuǎn)換功能的新型有機無機雜化納米熒光材料,其能夠?qū)⒃谔柲茈姵刂泄怆婍憫?yīng)度低或者無響應(yīng)度的太陽光波進行轉(zhuǎn)換,并有效解決傳統(tǒng)熒光物質(zhì)在透明基質(zhì)中的難分散性和在轉(zhuǎn)換層中的易遷移性的問題,從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,降低太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本。本發(fā)明提供一種能將太陽光轉(zhuǎn)換到太陽能電池有效響應(yīng)區(qū)域的有效材料和方式,其相對于傳統(tǒng)有機透明基質(zhì)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(huán)境中具有強抗老化性。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明;圖I為本發(fā)明的納米熒光顆粒結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明的納米熒光顆粒上可用的熒光基團R的名稱、分子式、激發(fā)波長和發(fā)射波長;圖3為將本發(fā)明的納米熒光顆粒涂覆于封裝玻璃表面為例的太陽能電池組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖中,I.納米顆粒,2.透明聚合物鏈,3.熒光功能基團,4.太陽能電池,5.封裝膠膜,6.背板,7.納米熒光顆粒涂層,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制備方法,具有如下步驟(I)按質(zhì)量比稱取10份的納米二氧化硅,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硅分散液;(2)往步驟(I)的體系中加入2份KH-550硅烷偶聯(lián)劑,繼續(xù)攪拌2h后再升溫至850C回流3h,得表面含有氨基的納米二氧化硅,平均粒徑為50nm,將混合物離心取沉淀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-溴代異丁酰溴,反應(yīng)Ih后,再常溫反應(yīng)24h,離心得到表面含有溴的納米二氧化硅,干燥待用;
(3)將10份表面含有溴的納米二氧化硅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,將封管置于液氮中,往體系中加入2份五甲基二乙烯三胺(PMDETA)催化劑,然后在液氮冷凍-抽真空-充氮氣三次循環(huán),最后真空封管,室溫解凍,在50°C下反應(yīng)4h,反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)體系離心分離出所需產(chǎn)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。實施例中的熒光基團可根據(jù)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(tǒng)中的應(yīng)用方法為利用旋涂法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于封裝玻璃的外表面;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(tǒng)中的應(yīng)用方法為利用電化學(xué)沉積法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于封裝玻璃的內(nèi)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(tǒng)中的應(yīng)用方法為利用絲網(wǎng)印刷法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于太陽能電池表面;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(tǒng)中的應(yīng)用方法為利用絲網(wǎng)印刷法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于背板內(nèi)側(cè)。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-二氧化硅納米熒光顆粒,其制備步驟如下(I)按質(zhì)量比稱取10份納米二氧化硅,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硅分散液;(2)往體系中加入2份的硅烷偶聯(lián)劑KH-858的水溶液,在室溫下攪拌2h后,得到表面含有雙鍵的二氧化硅,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(fā)劑和250份苯乙烯及50份含有Anthracene突光基團的乙烯單體,恒溫70V反應(yīng)12h,過濾、提純得到產(chǎn)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(jù)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(tǒng)中的應(yīng)用方法為利用旋涂法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于太陽能電池表面;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(tǒng)中的應(yīng)用方法為利用電化學(xué)沉積法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于封裝玻璃的內(nèi)表面;接枝有熒光功能基團Pyrene的二氧化硅納米顆粒在太陽能光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用方法為用絲網(wǎng)印刷法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于太陽能電池表面;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(tǒng)中的應(yīng)用方法為采用共混法將接枝有熒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制備方法,具有如下步驟(I)按質(zhì)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硅分散液;(2)往體系中加入2份的KH-550硅烷偶聯(lián)劑,繼續(xù)攪拌2h后再升溫至85°C回流攪拌3h,得表面含有氨基的納米二氧化硅,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(yīng)容器中,在60-80°C下反應(yīng)5h制得主鏈上含有Rhodamine B且兩端為異氰酸酯根的聚氨酯預(yù)聚物,往體系中加入10份表面含有氨基的納米二氧化硅,恒溫反應(yīng)3-5h,冷卻至室溫,在乳化機高速攪拌下得到乳液狀產(chǎn)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(jù)需要可更換為對三聯(lián)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(tǒng)中的應(yīng)用方法為利用旋涂法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒涂布于太陽能電池表面;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(tǒng)中的應(yīng)用方法為采用共混法將接枝有熒光功能聚合物的納米顆粒摻雜在EVA封裝膠膜中。
權(quán)利要求
1.一種納米熒光顆粒,其特征是納米熒光顆粒的粒徑為20-200nm,具體包括納米顆粒(I)和具有熒光功能基團(3)的透明聚合物鏈(2)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種納米熒光顆粒,其特征是所述納米顆粒(I)為二氧化鈦或二氧化硅,其粒徑為10-150nm,質(zhì)量為納米熒光顆粒的1% -10% ; 所述具有熒光功能基團(3)的透明聚合物鏈(2)為含有至少一種熒光功能基團(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,熒光功能基團(3)在透明聚合物鏈(2)的主鏈或/和側(cè)鏈上; 所述熒光功能基團(3)含有π離域電子,具體為蒽、菲、芘、茈、喹啉、香豆素、對三聯(lián)苯、N-鄰羥苯亞甲基苯胺、α-苯甲?;夤痣婊蛄_丹明B,其與透明聚合物的摩爾比為O. 01% -10%。
3.如權(quán)利要求2所述的一種納米熒光顆粒,其特征是所述熒光功能基團(3)與透明聚合物的最佳摩爾比為1_3%。
4.如權(quán)利要求I所述的一種納米熒光顆粒的制備方法,其特征在于具有如下制備步驟 (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熒光功能基團(3)的單體或含有熒光功能基團(3)單體的衍生物與經(jīng)表面修飾的納米顆粒(I)進行接枝反應(yīng),得到納米熒光顆粒。
5.如權(quán)利要求I所述的一種納米熒光顆粒在太陽能光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用方法如下 (1)利用旋涂、電化學(xué)沉積或絲網(wǎng)印刷法將納米熒光顆粒涂布于封裝玻璃的外表面或內(nèi)表面、太陽能電池表面或背板內(nèi)側(cè); (2)采用共混法將納米熒光顆粒摻雜在EVA封裝膠膜中。
全文摘要
本發(fā)明涉及光伏技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種納米熒光顆粒及其制備方法和應(yīng)用,該納米熒光顆粒的粒徑為20-200nm,具體包括納米顆粒和具有熒光功能基團的透明聚合物鏈。本發(fā)明提供一種能將太陽光轉(zhuǎn)換到太陽能電池有效響應(yīng)區(qū)域的有效材料和方式,其能夠?qū)⒃谔柲茈姵刂泄怆婍憫?yīng)度低或者無響應(yīng)度的太陽光波進行轉(zhuǎn)換,并有效解決傳統(tǒng)熒光物質(zhì)在透明基質(zhì)中的難分散性和在轉(zhuǎn)換層中的易遷移性的問題,從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,降低太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)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(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者潘秀娟 申請人:常州天合光能有限公司