一步合成的硼碳氧氮化物-磷光体的光学和光子性能：作为一种有前景的发光太阳能聚光材料

《Materials Advances》：Optical and Photonic Performance of one-step synthesized Boron Carbon Oxynitride-Phosphor as promising Luminescent Solar Concentrator.

建筑光伏|BCNO磷光体|水热法合成|硅氧烷基质|光子太阳能转换器|光学效率|光波导|表面修饰|低毒材料|建筑集成光伏（BIPV）

　　近年来，随着全球变暖和极端天气现象的加剧，社区和国家愈发重视与可再生能源相关的新兴技术，以进一步降低碳排放，响应2015年巴黎气候会议提出的减排目标。其中，光伏技术作为一种可持续的电力生产解决方案，正在建筑领域中得到越来越多的应用，包括幕墙、屋顶、窗户、遮阳板等建筑元素。这种技术被称为建筑一体化光伏（BIPV），强调在建筑设计初期就将光伏材料融入其中，与传统方式（将独立光伏板安装在建筑上）形成鲜明对比。BIPV不仅可以满足建筑的能源需求，还能作为隔热材料、隔音板或遮阳装置，为建筑行业提供多功能解决方案。

然而，对于使用不透明的c-Si光伏材料的玻璃幕墙而言，如果要实现高效太阳能收集，必须依赖先进的技术，例如发光太阳能聚光器（LSC）。LSC是一种通过吸收短波长的太阳辐射，并将其转换为长波长的光，再通过全内反射将光引导至玻璃边缘的光伏单元，从而实现将光能转化为电能的新型技术。这种技术的优势在于其对光线的引导能力，可以将阳光或室内的人造光源（如LED或卤素灯）高效地传输至光伏电池，使其能够在不直接暴露于阳光的情况下也能发电。此外，LSC还被用于农业光伏（agrivoltaics）领域，即在农业生产中结合光伏发电。LSC材料的透明性使得作物可以在其下生长，同时利用其余光谱进行发电，减少对电网的依赖。

LSC技术的核心在于选择合适的荧光分子，因为这些分子需要具备高量子产率和在可见光谱范围内良好的透明度，以确保其能够有效贡献于光伏能量转换。目前，LSC面临的主要挑战包括材料的效率和长期稳定性。由于光的再吸收、荧光分子随时间的降解以及与光伏材料的光谱兼容性限制了系统的整体效率。同时，保持高透明度和美观性，以及控制生产成本，是LSC技术实现商业化应用的关键因素。

磷光材料因其能够吸收多种光波长并将其转化为其他形式，成为光学应用领域的重要研究对象。这些材料通常由透明的晶体基质和一些杂质构成，杂质可以作为激活剂，使材料表现出特定的发光特性。多数磷光材料由无机物质（如盐类和卤化物）组成，并与过渡金属（如Mn2?、Cu?、Ag?）或稀土（RE）离子有关。尽管稀土离子在发光效率方面表现出色，但其高成本和市场限制使得研究人员致力于寻找更经济、环保且高效的替代材料。例如，量子点（QDs）因其可调的发射光谱和高光稳定性而备受关注，但许多QDs含有镉（如CdTe、CdSe、CdS）或铅（如PbS、PbSe），存在毒性问题。为降低其毒性，研究人员提出了多种解决方案，如使用非毒性壳层包裹有毒核心（如CdSe/ZnSe、CdS/ZnS、CdSe/CdS/ZnS）或采用非毒性聚合物（如明胶）进行包覆。此外，也出现了非毒性QDs，如ZnS和ZnSe，使得其在LSC中的应用更加安全，同时不影响其效率。

除了量子点，碳点（CDs）和六方氮化硼（h-BN）晶体也被广泛研究。CDs是纳米晶碳材料，其发射光谱主要由表面状态和量子限域效应决定，而h-BN晶体的发光则来源于其晶格中缺陷的形成。硼碳氧氮化物（BCNO）作为一种新型磷光材料，其发光特性来源于晶格内的电子跃迁和由杂质（如BO??基团）造成的缺陷。因此，BCNO在非毒性、低成本和可调发射光谱等方面具有显著优势，使其成为LSC应用的潜在候选材料。

在本研究中，提出了一种新的BCNO磷光材料的合成方法，即水热法。该方法的优势在于其较低的合成温度（约200°C），从而降低了生产成本，提高了可操作性。为了优化BCNO的光学和结构性能，研究人员还测试了其与硅氧烷衍生物（如AEAPTMS）共存的情况。硅氧烷分子通过水解反应与玻璃表面的羟基（-OH）结合，形成稳定的Si-O-Si键，同时其氨基（-NH?）部分可与BCNO发生化学键合或静电相互作用，从而增强材料的稳定性。实验发现，当使用AEAPTMS作为基质时，BCNO溶液在1:2的比率下表现出最佳的光学性能和均匀的涂层效果，这为后续的LSC薄膜制备提供了理想的基础。

为了评估BCNO的光学性能，研究人员采用了多种测试手段，包括紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、光致发光（PL）光谱、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）等。实验结果显示，BCNO在水溶液中的吸收光谱具有一个从300到400 nm的宽峰，最大吸收波长为344 nm，而其发射光谱则覆盖从400到550 nm的范围，最大发射波长为440 nm。这表明BCNO能够有效吸收紫外光并将其转换为可见光范围内的蓝色光（450-500 nm）。此外，随着BCNO层厚度的增加，其发射光谱的重叠度（OI）和质量因子（QLSC）也随之提高，表明材料的吸收和发射效率得到了增强。然而，当层数增加到一定程度时，如D3样品，由于光子的再吸收和能量损失，其整体效率开始下降。

在LSC的应用中，光子的引导主要依赖于全内反射，其效果取决于材料与空气之间的折射率差异。实验中通过测量LSC边缘的光子输出功率，评估了材料的光子传输效率。结果表明，随着BCNO层数的增加，单边效率先上升后下降，D2样品（两层）表现出最佳的单边效率，达到2.2%。此外，研究还通过几何增益（G）和集中因子（C）来评估LSC的整体性能。几何增益与LSC的表面积有关，而集中因子则综合考虑了吸收效率和光子传输效率。实验数据显示，D2样品的集中因子为0.055，表明其在光子传输和吸收方面具有良好的性能。

本研究还对BCNO在硅氧烷基质中的行为进行了深入分析。通过FTIR光谱测试，发现BCNO与AEAPTMS之间的相互作用导致了表面状态的改变和发射光谱的红移，这可能与材料的聚集有关。同时，通过TEM图像分析，研究人员观察到BCNO在基质中的均匀分布和更稳定的结构，这有助于提高其在LSC中的性能。此外，研究还发现，BCNO在硅氧烷基质中的量子产率（PLQY）有所提升，表明其在实际应用中的发光效率得到了优化。

综上所述，本研究提出了一种基于BCNO磷光材料的LSC制备方法，通过水热法在较低温度下合成BCNO，并将其均匀地涂覆在玻璃基质上，以实现高效的光子传输和能量转换。实验结果表明，BCNO在可见光范围内的高透明度、可调发射波长和非毒性特性，使其成为一种理想的LSC材料。此外，通过优化BCNO的层数和硅氧烷基质的比率，研究人员成功实现了2.2%的外部光学效率，为LSC技术的实际应用提供了有力支持。未来，随着对BCNO材料研究的深入，有望进一步提高其性能，推动LSC技术在建筑和农业领域的广泛应用。