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【材料】树枝状分子封装钙钛矿纳米晶实现自供电发白光玻璃

时间：2024-01-03 来源： 浏览：

【材料】树枝状分子封装钙钛矿纳米晶实现自供电发白光玻璃

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注：文末有 研究团队简介 及本文 科研思路分析
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CsPb X 3 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CsPbB r 3  NC的PLQY值接近100%。

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。

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。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Dendrimer-Encapsulated Halide Perovskite Nanocrystals for Self-Powered White Light-Emitting Glass
Aifei Wang , # Jiaxin Liu , # Junjie Li, Suwen Cheng, Yupeng Zhang, Yanchen Wang, Yuan Xie, Chen Yu,Ying Chu, Jingjin Dong, Jiupeng Cao, Fangfang Wang, Wei Huang, and Tianshi Qin*
J. Am. Chem. Soc ., 2023 , 145 , 28156–28165, DOI: 10.1021/jacs.3c10657
秦天石教授简介

秦天石，南京工业大学，柔性电子（未来技术）学院教授。2010年于德国美茵茨大学取得博士学位，2010年至2017年先后在德国马克斯普朗克研究院，澳大利亚联邦科学与工业研究院，澳大利亚莫纳什大学做博士后和研究院工作，2017年3月起就职于南京工业大学。
秦天石，教授，博士生导师，国家“高层次人才计划”青年项目、江苏省双创人才计划、江苏省杰出青年科学基金获得者。主要从事印刷电子及其光电应用的科学研究和技术转化，发展了系列基于印刷电子制备工艺的柔性光伏电池、发光显示及智能变色技术，成果“隐形全透光伏发电玻璃”作为唯一的高校成果项目，于第二十五届中国国际高新技术成果交易会开幕式首发推介。在 Nat. Commun.、Research、Matter、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed .等一流期刊发表研究论文60余篇，他引3000余次。承担多项国家重点研发计划课题、基金委重大研究计划集成项目、面上项目等。并作为第一指导教师获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛省特等奖、“互联网+”大学生创新创业大赛全国铜奖、省一等奖。
https://www.x-mol.com/university/faculty/50084
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A： 我们的团队是以研究钙钛矿在光电器件中的应用的。众所周知，钙钛矿的发光性能和吸光性能都非常优异，然而都是作为单独的个体使用，吸光性能可用于太阳能电池提供电能，发光性能可用于LED。我们最初的想法是将这二者结合在一起做自供电LED。基于这个想法，LCS的结构刚刚好能够作为集成装置将二者结合，而太阳电池部分可以暂时用商业的硅电池替代。这样我们就需要用到稳定的混合发光的钙钛矿材料。而传统的钙钛矿封装配体都是柔性结构容易脱落，而刚性的树枝状分子配体可以很好的解决这一问题。也为实现稳定的自供电白光玻璃提供可行方案。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A： 该研究中最大的挑战是控制钙钛矿的喷涂过程，找到优化的配比和实验方案，实现钙钛矿在玻璃上呈现高分散性和高透明度。
同时设计一个完整的自供电器件结构也是重点，因为LSC的光是集中到边缘，而LED的光需要在表面发出来。经过一系列的思考和尝试我们采用了双层玻璃的设计方案，也希望在将来能够设计出更加简单集成的自供电结构。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A： 如上所述，我们研究的自供电发白光玻璃可直接用于商业建筑降低能耗，凡是阳光能够照到的玻璃窗都可以用这种自供电装置替换。我们相信这项研究成果为相关的低碳建筑行业提供了一种新的思路，将对相关领域的发展产生推动作用。

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