基于ZnS量子点玻璃的新型荧光型太阳能聚光器的制备方法与流程

基于zns量子点玻璃的新型荧光型太阳能聚光器的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于zns量子点玻璃的新型荧光型太阳能聚光器的制备方法，属于新型光伏发电器件制备领域。


背景技术：

2.荧光型太阳能聚光器(luminescentsolarconcentrator)，简称lsc，lsc的研究已经取得较为显著的进展，荧光材料的选取范围已经大大增加，包括有机染料，金属氧化物，半导体量子点等；而器件的结构也从最开始的聚合型lsc，逐渐扩展出薄膜型lsc，夹层lsc，而且，为了提高荧光太阳能聚光器的效率，人们还设计了多层lsc，三侧耦合反射镜，底面附着白色漫反射板等结构，从这个角度看，制备工艺复杂，于是设计一种制备工艺简单的聚光器迫在眉睫。
3.目前，荧光型太阳能聚光器(lsc)的制备方法主要存在以下几个缺点和问题：
4.1.制备工艺复杂：lsc的制备过程需要多步骤的化学反应，包括材料的合成、溶液的制备、薄膜的制备等，需要较高的技术和设备支持，制备工艺比较复杂。
5.2.效率低：当前lsc的转换效率还比较低，最高的转换效率约为10％，这主要是由于荧光材料的损耗和反射损失引起的。
6.3.耐久性差：lsc的荧光材料容易受到光照和氧化等因素的影响，导致荧光效果下降，从而影响转换效率。
7.4.成本较高：由于需要使用多种高纯度化学原料和昂贵的设备，lsc的制备成本较高。
8.5.应用范围受限：lsc的应用范围受到光照条件的限制，只能在充足光照条件下发挥效果。
9.针对以上问题，目前的研究主要集中在开发新型荧光材料、改进器件结构和制备工艺等方面，以提高lsc的转换效率和稳定性，降低成本，扩大应用范围。


技术实现要素：

10.本发明针对现有技术中荧光型太阳能聚光器制备工艺复杂的盲点，提出了一种新型太阳能聚光发电玻璃的制备方法。
11.本发明是这样实现的，一种荧光型太阳能聚光发电玻璃设置有：透明zns量子点玻璃和边缘附连的太阳能电池。zns量子点玻璃在太阳光的照射下，通过荧光下转换的方式将入射太阳光转换成太阳能基板易吸收波段的荧光，而这种荧光会在入射到波导的上下表面时，入射角小于全反射角的荧光将逃逸出去；而当入射角大于全反射角时，就会通过光波导效应各向同性的传输到透明zns量子点玻璃的四个侧边，从而实现对太阳光的聚集效果。与传统的折射聚光和反射聚光方式相比，lsc由于其特殊的结构，可以通过光波导的上表面来接收入射太阳光，不受入射角度的限制。目前，我们已研发出斯托克斯位移达到289nm的透明zns量子点玻璃。
12.一种荧光型太阳能聚光发电玻璃的制备方法，具体步骤如下：
13.(1)以50sio2–
10b2o3–
13zno
–
13na2o
–
8k2o
–
6zns为玻璃组分(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品；
14.(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末。然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1300℃熔化60min之后，将熔体倒入350℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在580℃热处理6h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；
15.(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为27r/s，抛光转速为200r/s，并采用切割机进行切割。
16.所述荧光型太阳能聚光器的制备方法，具体步骤如下：
17.1)将50sio2–
10b2o3–
13zno
–
13na2o
–
8k2o
–
6zns为玻璃组分，采用玛瑙研钵和研磨棒将原料研磨成均匀粉末得到混合物；
18.2)经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1300℃熔化60min之后，将熔体倒入350℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在580℃热处理6h，通过玻璃结晶形成znsgcs；
19.3)将znsgcs采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为27r/s，抛光转速为200r/s，并采用切割机进行切割；
20.4)利用贴片组装技术，将zns量子点玻璃与太阳能电池板进行组装，在使用时只要需要将zns量子点玻璃与太阳能电池板进行常规的组合，用发电效率较高的单晶硅太阳能电池组装在量子点玻璃四周，吸收通过荧光转换并波导到玻璃边缘的荧光，再接通电路就可直接使用，进行发电。
21.本发明zns量子点玻璃的激发光源为波长250～400nm的自然光源或人工光源，发射波长为400～800nm；斯托克斯位移为289nm，太阳光照在lsc的上表面，荧光材料通过光致发光的方式，吸收入射光并再次发出荧光，再次发射的荧光能量会低于入射光，即波长红移，这些荧光会各向同性地传输到光波导中，当荧光入射到波导的上下表面时，入射角小于全反射角的荧光将逃逸出去；而当入射角大于全反射角时，就会以全反射的方式被约束在光波导中进行传输，最终入射到边缘连接的太阳能电池上，从而实现对太阳光的聚集效果。与传统的折射聚光和反射聚光方式相比，lsc由于其特殊的结构，lsc可以通过光波导的上表面来接收入射太阳光，不受入射角度的限制。
22.本发明的有益效果是：
23.(1)本发明制备工艺简单，且荧光型聚光器可以吸收散射光。基于该特点在光线弱的阴天，或者非太阳光直射的环境中，依然有功率输出。另外由于吸收和再发射的过程，发射荧光的峰位可以更好地和光伏电池最高输出功率波段相匹配，从而避免光伏材料过热的问题，延长光伏电池的使用寿命。lsc
24.可以通过光波导的上表面来接收入射太阳光，不受入射角度的限制，因此无需配套的太阳光跟踪系统，从而大大降低光伏发电成本。
25.该技术方案的主要优点和积极效果如下:
26.(2)本发明的具体的优点和积极效果详述如下：
27.1.结构简单,成本低廉。该技术方案采用玻璃和太阳能电池等低成本材料,结构简单,易于massproduction,成本较低。
28.2.光电转换效率高。zns量子点玻璃可以吸收更宽范围的光谱,将短波长的光能转换为长波长荧光,这些荧光可以被太阳能电池更高效地吸收利用,从而提高整体的光电转换效率。
29.3.发电稳定。zns量子点玻璃作为光吸收和波导的载体,可以保证光的高效利用,而太阳能电池则直接将光转化为电能,两个器件的协同作用可以保证系统的高效稳定发电。
30.4.环境友好。该技术方案采用的材料和工艺过程均环境友好,产生的产品不会对环境产生害处,符合可持续发展理念。
31.5.应用广泛。该技术可以应用于各种太阳能光伏设备中,如太阳能电池板、光伏发电站等,具有很广泛的应用前景。
32.6.国内技术可实现。该技术方案采用的材料和工艺技术均具有一定的成熟度,国内技术力量完全有能力实现该项技术。
33.所以,总体来说,该技术方案具有结构简单、成本低廉、光电转换效率高、环境友好等优点,应用前景广泛,技术可实现,值得进一步研究和推广应用。
附图说明
34.图1是本发明实施例提供的zns微晶玻璃的xrd图；
35.图2是本发明实施例提供的zns微晶玻璃的光致发光光谱图；
36.图3是本发明实施例提供的zns微晶玻璃的斯托克斯位移图；
37.图4是本发明实施例提供的zns微晶玻璃制成的聚光器分别在灯光(a)紫外光(b)日光(c)下的照片；
38.图5是本发明实施例提供的太阳能聚光器的工作机理示意图。
具体实施方式
39.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
40.本发明实施例提供的太阳能聚光发电玻璃包括两部分：透明微晶玻璃和边缘附连的太阳能电池。
41.本发明将荧光材料聚合到光波导材料(如zns量子点玻璃)中，在太阳光的照射下，荧光材料吸收部分太阳光并发射出波长红移的荧光，然后大部分荧光以全反射的形式被限制在光波导中进行传播，到达边缘附着的太阳能电池上，这种lsc也是人们研究最为广泛的lsc结构。
42.本发明zns量子点玻璃的激发光源为波长250～400nm的自然光源或人工光源，发射波长为400～800nm；斯托克斯位移为289nm，太阳光照在lsc的上表面，荧光材料通过光致发光的方式，吸收入射光并再次发出荧光，再次发射的荧光能量会低于入射光，即波长红移，这些荧光会各向同性地传输到光波导中，当荧光入射到波导的上下表面时，入射角小于全反射角的荧光将逃逸出去；而当入射角大于全反射角时，就会以全反射的方式被约束在光波导中进行传输，最终入射到边缘连接的太阳能电池上，从而实现对太阳光的聚集效果。lsc可以通过光波导的上表面来接收入射太阳光，不受入射角度的限制。
43.本发明实施例提供的技术方案的工作原理和实现过程如下:
44.工作原理:该技术方案的工作原理是通过zns量子点玻璃对光进行波导和荧光转换,将更宽范围的光谱转换为单一波长的荧光,这些荧光再被太阳能电池吸收,最终转化为电能。zns量子点玻璃作为光的载体,可以大幅扩展光的吸收范围,而太阳能电池作为直接的光-电转化器,两者的结合可以实现光能的高效转换utilization。
45.本发明实施例提供的技术方案的实现过程:
46.1.制备zns量子点玻璃。采用溶胶-凝胶法或高温熔融法制备zns量子点玻璃,zns量子点的大小决定其吸收和发射的光谱范围。
47.2.将zns量子点玻璃片切割成所需形状和大小。采用划片机或激光切割机等切割zns量子点玻璃。
48.3.将切割好的zns量子点玻璃与太阳能电池片进行组装。可以采用胶粘或压接等方式,直接将zns量子点玻璃与硅基太阳能电池片等进行组装。
49.4.进行测试和改进。测试光-电转换效率,根据测试结果不断优化zns量子点的大小和密度,以及zns量子点玻璃和太阳能电池的匹配度,不断提高系统的光-电转换效率。
50.5.应用和推广。将研究成功的产品应用于太阳能光伏设备中,如太阳能电池、光伏发电站等,并推广到更广范围的应用中。
51.通过上述过程,最终实现zns量子点玻璃与太阳能电池的高效融合,提高整体系统的光电转换效率,达到发电稳定的目的。该技术方案的研究与应用,对提高我国的光伏发电水平和新能源利用有重要意义。
52.以下是根据所提供的制备方法，列举的六个具体实施例：
53.实施例1：
54.(1)按照50sio2-10b2o3-13zno-13na2o-8k2o-6zns(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品；
55.(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末。然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1300℃熔化55min之后，将熔体倒入340℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在580℃热处理5h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；
56.(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为25r/s，抛光转速为180r/s，并采用切割机进行切割；
57.实施例2：
58.(1)按照50sio2-10b2o3-13zno-13na2o-8k2o-6zns(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品；
59.(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末。然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1300℃熔化60min之后，将熔体倒入350℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在575℃热处理5.5h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；
60.(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为26r/s，抛光转速为190r/s，并采用切割机进行切割；
61.实施例3：
62.(1)按照50sio2-10b2o3-13zno-13na2o-8k2o-6zns(摩尔分数)制备zns量子点玻
璃样品；
63.(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末。然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1300℃熔化65min之后，将熔体倒入360℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在585℃热处理6.5h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；
64.(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为28r/s，抛光转速为210r/s，并采用切割机进行切割；
65.实施例4：
66.(1)按照50sio2-10b2o3-13zno-13na2o-8k2o-6zns(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品；
67.(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末。然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1280℃熔化60min之后，将熔体倒入345℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在570℃热处理6h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；
68.(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为27r/s，抛光转速为200r/s，并采用切割机进行切割；
69.实施例5：
70.(1)按照50sio2-10b2o3-13zno-13na2o-8k2o-6zns(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品；
71.(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末。然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1310℃熔化55min之后，将熔体倒入360℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在590℃热处理5h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；
72.(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为25r/s，抛光转速为180r/s，并采用切割机进行切割；
73.实施例6：
74.(1)按照50sio2-10b2o3-13zno-13na2o-8k2o-6zns(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品；
75.(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末。然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1290℃熔化65min之后，将熔体倒入355℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)。随后，将pg样品在600℃热处理7h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；
76.(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为30r/s，抛光转速为220r/s，并采用切割机进行切割。
77.以上六个实施例，主要在熔化温度、熔化时间、预热温度、热处理温度和时间以及打磨和抛光的转速等参数上进行了调整。
78.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种荧光型太阳能聚光玻璃的制备方法，其特征在于，使用特定玻璃组分制备zns量子点玻璃样品，经过特定熔化、热处理过程形成具有荧光特性的zns量子点玻璃，最后对其进行打磨抛光和切割，实现对太阳能的高效聚光与转换。2.根据权利要求2所述荧光型太阳能聚光玻璃的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)以50sio2–
10b2o3–
13zno
–
13na2o
–
8k2o
–
6zns为玻璃组分(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品；(2)采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末；然后将经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1300℃熔化60min之后，将熔体倒入350℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)；随后，将pg样品在580℃热处理6h，通过玻璃结晶形成zns量子点玻璃；(3)将zns量子点玻璃采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为27r/s，抛光转速为200r/s，并采用切割机进行切割。3.根据权利要求2所述荧光型太阳能聚光玻璃的制备方法，其特征在于，zns量子点玻璃的制备方法与结构设计方法为：该方法采用高温熔融法制备zns量子点玻璃；量子点的大小和密度决定其荧光特性,通过优化工艺参数和原料组分,可以设计出不同荧光特性的zns量子点玻璃,这是实现光谱利用最大化的关键。4.根据权利要求2所述荧光型太阳能聚光玻璃的制备方法，其特征在于，zns量子点玻璃与太阳能电池的有效匹配方法为：该方法选择与zns量子点玻璃的发射光谱匹配度高的太阳能电池,采用贴片组装技术实现两种器件的直接连接,是实现两者有效协同的关键技术手段；需要考虑电池的种类、电池的发电效率与zns量子点玻璃的匹配关系因素,选择一种既能吸收zns量子点玻璃的荧光又具有较高发电效率的太阳能电池。5.根据权利要求2所述荧光型太阳能聚光玻璃的制备方法，其特征在于，系统的光电转换效率测试与优化方法；该系统的光电转换效率取决于zns量子点玻璃与太阳能电池两部分,需要测试两种器件各自及组合后的光电转换效率；然后通过不断优化zns量子点玻璃的量子点参数或电池的种类,找出两者的最佳匹配方案,实现最大发电效率；同时,也需要考虑如何提高单独器件的效率来提高系统效率。6.根据权利要求2所述荧光型太阳能聚光玻璃的制备方法，其特征在于，混合原料中，以50sio2–
10b2o3–
13zno
–
13na2o
–
8k2o
–
6zns为玻璃组分(摩尔分数)制备zns量子点玻璃样品。7.根据权利要求2所述荧光型太阳能聚光器制备方法，其特征在于，zns量子点玻璃制备方法，具体步骤如下：1)将50sio2–
10b2o3–
13zno
–
13na2o
–
8k2o
–
6zns为玻璃组分，采用玛瑙研钵将原料研磨成均匀粉末得到混合物；2)经过充分研磨的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在1300℃熔化60min之后，将熔体倒入350℃预热的铜模具中，自然冷却，形成前驱体玻璃(pg)；随后，将pg样品在580℃热处理6h，通过玻璃结晶形成zns gcs；3)将zns gcs采用抛光机进行打磨抛光，其打磨转速为27r/s，抛光转速为200r/s，并采用切割机进行切割。8.根据权利要求2所述荧光型太阳能聚光器制备方法，其特征在于，利用贴片组装技
术，将zns量子点玻璃与太阳能电池板进行组装，在使用时只要需要将zns量子点玻璃与太阳能电池板进行常规的组合，用发电效率较高的单晶硅太阳能电池组装在量子点玻璃四周，吸收通过荧光转换并波导到玻璃边缘的荧光，再接通电路就可直接使用，进行发电。

技术总结
本发明属于新型光伏发电器件制备领域，涉及一种基于ZnS量子点玻璃的新型荧光型太阳能聚光器的制备方法，本发明将50SiO2–


技术研发人员：宋英丹 赵磊 许强 宋红鑫
受保护的技术使用者：陕西格物旭光科技有限公司
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/7