基于碳点交联水凝胶的可穿戴发光太阳能聚光器：实现柔性可穿戴能源收集新突破

《Nano Energy》：Wearable luminescent solar concentrators based on carbon dots crosslinked hydrogels

本刊推荐：针对当前可穿戴发光太阳能聚光器（LSC）存在的刚性/液体填充结构与柔性穿戴需求不兼容的难题，研究团队创新性地开发了Ca2+封端碳点（C-dots）作为海藻酸钠水凝胶的双功能交联剂和发光体，成功制备出具有可调机械强度（50%应变下0.25 MPa）、高透明度（64%可见光透射率）和良好稳定性的柔性LSC器件。该器件在自然光照（50 mW/cm2）下实现0.26%的光电转换效率（ηPCE）和2.60%的光学效率（ηopt），为智能纺织品与能源收集一体化提供了创新解决方案。

　　

随着可穿戴电子设备的快速发展，如何为这些设备持续供能成为制约其应用的关键瓶颈。传统刚性太阳能电池难以与柔性纺织品兼容，而现有发光太阳能聚光器（Luminescent Solar Concentrators, LSC）虽具备光学透明特性，但大多采用刚性基质或液体填充结构，难以同时满足柔性、高效和机械稳定性要求。这一矛盾严重限制了LSC在智能服装领域的应用前景。

为解决这一难题，青岛大学的研究团队在《Nano Energy》上发表了创新性研究成果。他们巧妙利用Ca²⁺封端的碳点（Carbon dots, C-dots）作为双功能试剂，既作为交联剂与海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）形成水凝胶网络，又作为发光体实现光能转换，避免了传统方法中需要额外添加发光染料的复杂工艺。这种"一石二鸟"的设计思路为可穿戴LSC的开发开辟了新途径。

研究采用的关键技术方法包括：通过微波辅助法合成Ca²⁺封端碳点；利用离子交联原理制备碳点-海藻酸钠复合水凝胶；采用平板PVC管封装水凝胶并编织成纺织品结构；通过太阳模拟器测试LSC的光电性能；使用加速老化实验评估器件稳定性。

3.1. 碳点的合成与结构

通过微波辅助加热法制备的碳点呈现准球形形态，平均尺寸约6.2 nm，高分辨透射电镜显示其晶格间距为0.21 nm，对应于石墨的(100)晶面。X射线光电子能谱分析证实碳点含有C、O、N和Ca元素，其中Ca²⁺的存在为后续水凝胶交联提供了关键位点。

3.2. 水凝胶的制备与结构

研究发现二价/三价金属离子（Ca²⁺、Ba²⁺或Al³⁺）封端的碳点都能与海藻酸钠形成水凝胶，而单价离子（Na⁺）或无金属碳点则无法形成凝胶。傅里叶变换红外光谱显示，水凝胶中COO^-的不对称伸缩振动峰向低波数移动，证实了Ca²⁺与羧基之间的离子配位作用。

3.3. 水凝胶的机械性能

压缩测试表明水凝胶的机械强度随碳点浓度增加而提升，在50%应变下，压缩应力从0.05 MPa增至0.25 MPa。流变学测试显示储能模量（G'）始终高于损耗模量（G''），证实水凝胶具有良好的弹性特性，适合柔性设备应用。

3.4. 碳点与水凝胶的光学性能

水凝胶中碳点的荧光峰位（520-530 nm）相对于游离碳点（525-545 nm）发生蓝移，且量子产率变化较小，表明水凝胶网络有效抑制了碳点的聚集诱导淬灭。吸收-发射光谱重叠积分约为0.04，表明重吸收损失处于可接受范围。

3.5. LSC的制备与性能

将水凝胶填充至扁平PVC管中并编织成纺织品，制备出柔性LSC器件。光线追踪模拟显示，扁平管状结构在弯曲状态下全内反射效率仅下降3%。在自然光照（50 mW/cm²）下，5 cm × 5 cm器件的η_opt达到2.60%，η_PCE为0.26%。加速老化测试表明，器件在等效288天自然光照后仍保持72%的初始效率。

该研究通过巧妙的材料设计，成功解决了可穿戴LSC领域长期存在的柔性-效率矛盾。Ca²⁺封端碳点的双功能特性不仅简化了制备流程，还显著提升了器件性能稳定性。这种水凝胶基LSC平台为未来智能纺织品与能源收集的一体化设计提供了重要技术支撑，标志着可穿戴光电子器件向实用化迈出了关键一步。研究者指出，通过进一步优化碳点量子产率、改善水凝胶填充均匀性和选择更透明的管材，器件效率还有较大提升空间。