可回收无铅钙钛矿衍生物荧光玻璃实现高效太阳能聚光与低碳应用新突破

本研究针对传统发光太阳能聚光器(LSC)中纳米晶体制备成本高、不可回收等问题，开发了一种基于ETP2SbCl5的无铅钙钛矿衍生物材料。该材料通过粉末-玻璃态可逆转变实现了近100%的化学产率，所制备的LSC器件最高功率转换效率(PCE)达5.56%，光学效率达32.5%。创新性地解决了荧光材料的规模化生产与循环利用难题，为建筑一体化光伏提供了可持续解决方案。

　　

在追求建筑光伏一体化的进程中，发光太阳能聚光器(Luminescent Solar Concentrator, LSC)因其兼具透光性与发电能力而备受关注。然而传统LSC依赖嵌入量子点(QDs)或纳米晶体(NCs)，存在制备工艺复杂、溶剂消耗大、化学产率低等瓶颈，更关键的是这些荧光材料一旦嵌入聚合物便难以回收。据文献报道，现有技术制备1克Pb基钙钛矿NCs需消耗约50升溶剂，成本高达$120/克。此外，当LSC器件损坏时，其中的贵重金属和荧光材料往往被直接废弃，既造成资源浪费又可能引发重金属污染。

针对这些挑战，南开大学Huanxin Yang、Xiyan Li团队在《Light-Science & Applications》发表研究，创新性地开发了基于零维结构的ETP₂SbCl₅(ETP=(C₆H₅)₃PC₂H₅)无铅钙钛矿衍生物。这种材料在室温乙醇溶液中即可合成，化学产率近100%，且具有独特的粉末(α相)-中间相(β相)-玻璃态(G相)可逆转变特性。通过200℃热处理可将粉末转化为透明荧光玻璃，冷却后仍保持非晶态，突破传统无机玻璃需800℃以上加工的局限。

研究采用分子动力学(AIMD)和密度泛函理论(DFT)揭示了[SbCl₅]金字塔的结构畸变机制：升温至1500K时，Cl原子位移导致金字塔旋转无序，带隙从2.43eV降至2.00eV，电子跃迁方式发生本质改变。这种结构变化使淬火得到的G-ETP₂SbCl₅玻璃呈现红移发光(中心波长660nm)，斯托克斯位移达240nm，有效避免了自吸收效应。

关键技术方法包括：1) 溶液法室温合成α-ETP₂SbCl₅晶体；2) 热分析法(DSC/TGA)确定相变温度；3) AIMD模拟熔融态结构演变；4) 硅胶模具浇铸法制备3D荧光玻璃；5) 单边缘耦合硅电池测量LSC性能。

【Preparation and fluorescence of α-ETP₂SbCl₅】

室温合成的α相粉末呈现[SbCl₅]金字塔结构，光致发光量子产率(PLQY)达97.2%，发射黄光(600nm)，源于Sb³⁺的³P₁→¹S₀自陷激子(STE)跃迁。DFT计算显示其价带顶(VBM)由Sb/Cl贡献，导带底(CBM)来自有机单元，带隙2.43eV。

【Phase transition from α-, through β-, to G-ETP₂SbCl₅】

加热至121℃时转变为β相，[SbCl₅]出现取向无序但保持金字塔构型，PLQY仍达96.5%，发射红移至632nm。144℃熔融后淬火获得G相玻璃，可塑造成任意3D形状，PLQY降至52.6%，但吸收边拓展至420nm，能完全阻挡紫外线。

【Characteristics and performance of LSCs】

3×3×0.5cm³的G相玻璃平均可见光透过率(AVT)78.3%，边缘PLQY达41.7%。所构建LSC单边缘PCE1.39%，四边缘总和达5.56%，光学效率32.5%，均为同类无铅材料最高值。10×10cm²大尺寸器件仍保持0.84%PCE，证明其规模化应用潜力。

【Self-healing and recyclable repurposing】

材料在150-200℃可实现10次损伤-愈合循环。更突破性的是，G相玻璃可通过乙醇处理82.5%回收为α相粉末，10次循环后PL强度仍保持95%。回收的荧光粉可重新用于LSC或制作pc-LED器件，性能媲美商业YAG:Ce³⁺。

该研究开创性地实现了荧光材料的"制备-应用-回收"全生命周期管理，其简易的溶液合成、低温玻璃转化、高效光伏性能和卓越可回收性，使LSC的绿色工业化成为可能。特别在建筑光伏一体化场景中，这种可阻挡紫外线、调节色温(7556K→5616K)且支持3D成型的荧光玻璃，为低碳建筑提供了创新解决方案。研究团队进一步验证了ETP₂MnBr₄等衍生物体系的普适性，为发展多元化荧光玻璃家族奠定基础。