CN113540274A - 一种光转换透明薄膜及其制作方法与应用 - Google Patents
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Abstract
一种光转换透明薄膜及其制作方法与应用，光转换透明薄膜包括纤维素薄膜和碳量子点，将纤维素薄膜加入到碳量子点的水热制备过程中，然后取出，漂洗，干燥，即得光转换透明薄膜，最后将光转换透明薄膜嵌入到封装电池的封装件中。与现有技术相比，本发明利用透明的纤维素薄膜表面丰富的羟基官能团，将纤维素薄膜加入到碳量子点的水热过程中，生成的发光碳量子点与纤维素薄膜形成氢键而被锚定，锚定的碳量子点在纤维素薄膜干燥后不团聚，仍保持其发光特性。本发明将这种具有紫外吸收光致发光的光转换透明薄膜，嵌入到光伏组件封装件中，将被光伏组件屏蔽的太阳光谱中的紫外部分转换成为可被吸收的可见光，从而增强光吸收，提高光伏组件的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏材料技术领域，尤其是涉及一种光转换透明薄膜及其制作方法与应用。
背景技术
光伏发电是可再生能源的重要组成部分，光伏发电技术又分为晶硅组件和薄膜组件两种，晶硅电池技术在未来依然是光伏产业发展的主流方向，并且其光电转换效率不断提高，成本亦在不断下降中。在实际光伏产品中，无论是薄膜电池，还是晶硅电池，都被封装在玻璃，透明绝缘胶膜等组成的组件里，在苛刻的户外条件下被太阳所照射，由于组件要求至少25年的使用寿命，透明绝缘膜是一种有机高分子，在长期日光照射下，会被其中的紫外线破坏结构，从而影响使用性能，因此光伏组件的封装层中会加入紫外吸收剂，将太阳能光谱中的紫外部分屏蔽。尽管紫外屏蔽提升了组件的耐久性，但是对于光电转换而言，却是实实在在的光学损失，因此在保持封装层透明的情况下，将紫外部分转变成为可见光，既无损器件耐久性，又能提高封装层下电池的光吸收，对于提升光伏组件的转换效率尤其重要。
光伏发电作为能源转换器件，其效率的提升是一个综合电学，光学及热学多方因素的结果。研究者一直期望能够在光伏组件上实现紫外转换成为可见光，因此具有转换特性的荧光材料被广泛研发用于光伏封装层中，常用的荧光转换材料是稀土元素化合物，但是稀土单价偏高，形成的复合封装材料透明性差，因此很难用于以吸收太阳光为特点的光伏行业。另外有机荧光染料分子尽管发光效率高，但是具有毒性，而且在持续的光照下容易分解，也不适合光伏行业。
因此，有必要提供一种新的光转换透明薄膜及其制作方法与应用解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种光转换透明薄膜及其制作方法与应用，将紫外光转变成为可吸收的可见光，提高光伏组件的功率输出，降低成本和制作难度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案，一种光转换透明薄膜，包括纤维素薄膜和碳量子点，所述纤维素薄膜由纤维素制成，所述碳量子点和纤维素的羟基形成氢键而被锚定在纤维素的表面。
一种如上述所述的光转换透明薄膜的制作方法，包括如下步骤：
选取纤维素薄膜将其放入水热反应釜，将掺杂有碳量子点前驱体的溶液加入到水热反应釜，碳量子点在水热碳化中生成，然后和纤维素表面的羟基形成氢键而被锚定在纤维素的表面；水热反应的调节为：温度低于1600，持续时间少于5小时；该设置使水热反应的条件相对温和，以避免纤维素薄膜被碳化或者破裂；
水热反应后将纤维素薄膜取出，漂洗，干燥，即得光转换透明薄膜。
优选的，所述纤维素薄膜为赛璐玢玻璃纸，或者由热压后的纳米纤维素组装成膜，或者由去除了木质素的多孔木材制得。
优选的，制备掺杂有碳量子点前驱体的溶液中，碳量子点的前驱体为柠檬酸或葡萄糖，掺杂剂为尿素，硫脲或苯二胺。
优选的，水热反应的条件为：温度为1200，时间为3小时。
一种光伏组件，包括电池和上述所述的光转换透明薄膜，所述电池包覆有封装件，所述封装件设有光转换透明薄膜。
优选的，所述电池为晶硅电池或薄膜电池。
与现有技术相比，本发明利用透明的纤维素薄膜表面丰富的羟基官能团，将纤维素薄膜加入到碳量子点的水热过程中，生成的发光碳量子点与纤维素薄膜形成氢键而被锚定，锚定的碳量子点在纤维素薄膜干燥后不团聚，仍保持其发光特性。本发明将这种具有紫外吸收、光致发光的光转换透明薄膜，嵌入到光伏组件封装件中，可以将被光伏组件屏蔽的太阳光谱中的紫外部分转换成为可被吸收的可见光，从而增强光吸收，提高光伏组件的转换效率。其次，碳量子点和纤维素薄膜材料来源广泛，制作成本低，生产工序简单，便于推广应用。
附图说明
图1为四种负载碳量子点的纤维素薄膜的紫外-可见吸收光谱；
图2为负载碳量子点的纤维素薄膜在不同激发波长(259纳米，360纳米)下光致发光图；
图3为含有荧光纤维素薄膜的光伏组件与未含有荧光纤维素薄膜的光伏组件的外量子效率图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
光转换透明薄膜制作原理：
碳量子点是一种新型碳材料，具有优异的紫外吸收及发光性能，并且具有很好的化学稳定性，光稳定性，如图1所示，含有碳量子点的纤维素薄膜的紫外波段的吸收率很高，碳量子点具有紫外吸收好的特点，如图2所示，碳量子点具有强烈的光致发光特性。碳量子点的表面具有丰富的官能团，由于其尺寸极小，形成的复合材料可以无色透明，因此非常适合应用在以太阳光辐射为特点的光伏行业。尽管碳量子点有如上所述的优势，但是其稳定的荧光特性是在水溶液中实现，在固态情况下，碳量子点会团聚发生荧光能量共振转移，从而荧光湮灭，无法实现固相发光，极大地制约了碳量子点的应用，因此要想实现碳量子点的固态发光，必须将其均匀分布在固相中，间距要大于其能量共振转移距离。
纤维素是一种丰富的自然资源，广泛存在于植物当中，纤维素是由D-吡喃型葡萄糖基组成，简单分子式为(CHO)n，纤维素是直链分子，其较低热的膨胀系数，高模量，高强度及高透明度等独特的优点使其极具应用潜力，表面具有丰富的羟基官能团这一独特的性能也为其化学改性提供了可能，表面功能化改性可以促使纤维素开发出更多功能化的产品。基于碳量子点和纤维素的特点，将发光碳量子点与纤维素薄膜复合到一起，形成光转换透明薄膜产品。
实施例一
一种光转换透明薄膜，包括纤维素薄膜和碳量子点，纤维素薄膜由纤维素制成，碳量子点和纤维素的羟基形成氢键而被锚定在纤维素的表面。
光转换透明薄膜的制作方法，包括如下步骤：
(1)选取商用的透过率为89％的赛璐玢玻璃纸，将赛璐玢玻璃纸切割成156毫米x156毫米，再多次对折后塞入至40毫升的水热反应釜中；
(2)向步骤(1)中的水热反应釜中加入掺杂有碳量子点前驱体的溶液，溶液覆盖到(1)中的赛璐玢玻璃纸。溶液的具体配方为：1克柠檬酸、1克尿素和20毫升纯水；水热反应的条件是140度，5小时；
(3)水热反应完成后，溶液变成深色，将赛璐玢玻璃纸取出，漂洗3次，晾干即得光转换透明薄膜；对得到的光转换透明薄膜进行透明度及光致发光检测，制得的光转换透明薄膜仍然保持了原有的透明度，光转换透明薄膜吸收太阳能光谱中300-400纳米的紫外部分，将之转换成为400-500纳米的蓝绿光，转换后的光可以透过EVA胶膜，被电池片所吸收。
光转换透明薄膜的应用
将制得的光转换透明薄膜集成到单晶硅光伏组件的层压封装工艺中：
取两块电学参数相同的单晶硅电池，分别封装成小型组件，其中一块将光转换透明薄膜开缝后与EVA胶膜叠放，然后以常规工艺进行加热真空层压，得到实验组件，另外一块则作为对比样进行常规封装，得到对比组件。
将实验组件与对比组件进行标准日照下的I-V曲线测量，比较两者的开路电压及短路电流，填充因子，转换效率等参数，发现实验组件短路电流提升了10％，转换效率提升0.8％。
嵌入光转换透明薄膜的实验组件转换效率相对对比组件提升0.8％，以目前主流350瓦的单晶硅组件来计算，则输出功率增加2.8瓦左右，以上结果说明相同条件下，含有透明光转换纤维素膜的实验组件效率提升明显，具有明显的经济效益。
实施二
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：
光转换透明薄膜的制作方法中，光转换透明薄膜为从氢氧化钠/尿素混合溶液溶解后的再生纤维素膜，透过率为91％。
光转换透明薄膜的应用中，组件封装的发电元件为多晶硅电池，转换效率为20.3％。
将实验组件与对比组件进行标准日照下的I-V曲线测量，比较两者的开路电压及短路电流，填充因子，转换效率等参数，发现实验组件短路电流提升了12％，转换效率提升0.8％，具有明显的经济效益。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：
光转换透明薄膜的应用中，组件封装的发电元件为钙钛矿太阳能电池，转换效率为15％。
将实验组件与对比组件进行温度比较，其结果及趋势与实施例一相似，比较两者的开路电压及短路电流，填充因子，转换效率等参数，发现其短路电流提升了10％，转换效率提升0.4％，具有明显的经济效益。
本发明中，将光转换透明薄膜嵌入到封装件中，可以将5-6％的紫外光部分转换成为蓝绿色可见光，透过EVA薄膜被光伏电池所吸收，如图3所示的紫外光波段的外量子效率，有光转换透明薄膜的光伏组件要高于无光转换透明薄膜的光伏组件，有光转换透明薄膜的光伏组件能提高1-3％左右的功率输出。其次，碳量子点和纤维素薄膜材料来源广泛，制作成本低，生产工序简单，便于推广应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光转换透明薄膜，其特征在于，包括纤维素薄膜和碳量子点，所述纤维素薄膜由纤维素制成，所述碳量子点和纤维素的羟基形成氢键而被锚定在纤维素的表面。
2.根据权利要求1所述的光转换透明薄膜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
选取纤维素薄膜将其放入水热反应釜，将掺杂有碳量子点前驱体的溶液加入到水热反应釜，碳量子点在水热碳化中生成，然后和纤维素表面的羟基形成氢键而被锚定在纤维素的表面；水热反应的调节为：温度低于160°，持续时间少于5小时；
水热反应后将纤维素薄膜取出，漂洗，干燥，即得光转换透明薄膜。
3.根据权利要求2所述的光转换透明薄膜的制作方法，其特征在于，所述纤维素薄膜为赛璐玢玻璃纸，或者由热压后的纳米纤维素组装成膜，或者由去除了木质素的多孔木材制得。
4.根据权利要求3所述的光转换透明薄膜的制作方法，其特征在于，制备掺杂有碳量子点前驱体的溶液中，碳量子点的前驱体为柠檬酸或葡萄糖，掺杂剂为尿素、硫脲或苯二胺。
5.根据权利要求4所述的光转换透明薄膜的制作方法，其特征在于，水热反应的调节为：温度为120°，时间为3小时。
6.一种光伏组件，其特征在于，包括电池和由权利要求1-5任一项所述的光转换透明薄膜，所述电池包覆有封装件，所述封装件设有光转换透明薄膜。
7.根据权利要求6所述的光伏组件，其特征在于，所述电池为晶硅电池或薄膜电池。
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