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南京工业大学研究团队用树枝状分子封装钙钛矿纳米晶实现自供电发白光玻璃

来源:中国照明网

20231229


照明使用的能源占据了建筑总能耗的17%,也是商业用电的主要能耗之一。那么,如何使用智能照明系统来降低商业建筑能源消耗呢?近日,南京工业大学的秦天石团队使用树枝状分子封装的钙钛矿纳米晶,制备了一种自供电发白光玻璃,同时作为发光太阳能聚光器(LSC)的吸收器-发射器和白光发射玻璃的发射器。


  理想情况下,在不影响白天室内采光的情况下,窗户玻璃可以发电并存储能量,在夜间玻璃窗又能够发出光提供室内照明。为了实现这种自供电的装置,发光太阳能聚光器可以将光伏(PV)发电的复杂结构集成到建筑玻璃的边缘。金属卤化物钙钛矿纳米晶体(PNC)因为它们独特的特性包括光谱可调谐性,高亮度和高达100%的光致发光量子产率(PLQY)以及易于溶液处理的优点而被人们广泛研究,因此可作为荧光材料应用于LSC和WLED中。但到目前为止,含钙钛矿的LSC的研究活动仅限于合成单相PNC,与太阳光相比,其发射和吸收范围更窄。多相PNC混合是直接扩大发射和吸收范围的首选策略,然而,由于其离子特性和动态配体原因,这种PNC的混合必然会导致离子交换和晶体结构坍塌,直接限制了它们在器件中的应用。


  南京工业大学秦天石团队用树枝状分子封装钙钛矿纳米晶制备的太阳能聚光器很好的解决了上述问题。他们合成了两种有机树枝状铵基配体(G1和G2),然后直接用于原位合成CsPbX3纳米晶(图1)。随着配体复杂度从G1增加到G2,由于π-π堆积的刚性配体壳和分子间的相互作用,所产生的PNC稳定性(在空气、水、热)相应增加,特别是G2封装的PNCs即使在强三甲基硅基碘化试剂下也能抵抗阴离子交换,在储存48 h后,红色和绿色发光的G2包覆PNC的混合物仍然保留了分立的PL发射特征。此外,树枝状配体稳定的CsPbBr3 NC的PLQY值接近100%。

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图1. 钙钛矿纳米晶封装方案。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


  将G2包覆的稳定绿光(G2-GPNC)和红光(G2-RPNC)钙钛矿纳米晶混合发射用来制备基于蓝光泵浦的WLED,其在各种工作电流下表现出稳定的颜色稳定性。将同样稳定的G2-GPNC和G2-RPNC水悬浮液通过超声喷涂和热压方法制备自供电白光玻璃,其中PNC作为LSC和白光发射的荧光团,以获得的宽带吸收(300−700 nm)LSC也表现出明显的稳定性。研究人员制作了一种基于PNC嵌入的高显色指数为94的自供电白光发射玻璃(图2),在该夹层玻璃的边缘安装光伏电池作为LSC来发电,而连接的蓝色LED用作泵浦PNC,利用LSC产生的电能来获得白光发射。此项研究可将与照明相关的能源成本平均降低24-28%——在总能源使用中占很大比例。除了显着降低整体商业建筑照明能耗外,智能照明系统还简化了维护并改善了建筑管理。以智慧科技为楼宇赋能,助力建筑节能减碳。

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图2. 白天和夜间由自供电白光玻璃制成的双层玻璃窗示意图设计。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.


  这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上,文章的第一作者是南京工业大学副教授王艾菲和研究生刘嘉鑫,通讯作者是秦天石教授。