3D打印发光太阳能聚光器的光学和电气特性研究

《Optical Materials》：Optical and electrical characterisation of a 3D-printed luminescent solar concentrator

LSC 3D 打印制备与性能优化研究。本文首次利用立体光刻3D打印技术制备含Perylene Red染料的发光太阳能聚光器（LSC），并通过打磨抛光显著提升透明度，性能接近传统注塑成型LSC，并成功扩展至大尺寸制造，验证了3D打印在LSC研发中的灵活性和低成本优势。

　　

理查德·卡佩纳（Richard Capener）| 杰克·曼宁（Jake Manning）| 皮奥特·伊特里奇（Piotr Itrych）| 萨拉·J·鲍尔多克（Sara J. Baldock）| 莱夫特里斯·达诺斯（Lefteris Danos）

兰卡斯特大学化学与能源系，兰卡斯特，LA1 4YB，英国

摘要

通过将广泛使用的苝红（Perylene Red）染料掺入商用液体树脂中，利用立体光刻（SLA）3D打印技术制备了一种发光太阳能聚光器（Luminescent Solar Concentrator, LSC）。通过光谱分析和电流-电压电学测量对其进行了光学和电学特性研究。其性能与使用相同染料浓度的注塑成型LSC相当。实验表明，经过打磨和抛光处理后，3D打印树脂的透明度显著提高，且体积散射贡献极小。通过制造更大的LSC，验证了3D打印作为一种灵活且易于实施的方法的可行性，能够快速、低成本地开发研究级别的LSC。这是首次展示通过3D打印技术制造的LSC，结果表明该方法在优化LSC性能方面具有巨大潜力。

引言

发光太阳能聚光器（LSC）自20世纪70年代末提出以来一直是研究热点[[1], [2], [3], [4]]，因为它们能够在大面积上捕获直射光和散射光，并将发射的光（即荧光）集中到较小的太阳能电池上，从而降低太阳能发电成本[[5], [6], [7]]。然而，自最初的研究以来，LSC的应用领域发生了变化[[8]]。LSC的一个潜在应用是建筑集成光伏（Building Integrated Photovoltaics, BIPV）[[9,10]]。它们可以几乎无形地集成到建筑物中，减少传统太阳能电池板在美观和功能上的限制。LSC对安装角度不敏感，且其吸收效果不受阴天散射光的影响，因此非常适合用于BIPV应用[[11,12]]。它们还可以以透明面板的形式集成到建筑物中，用于室内光伏系统和物联网（Internet of Things, IoT）应用[[13]]。 LSC具有作为高效光采集组件的潜力，可以为能源自主系统提供动力，支持物联网设备的自供电[[15]]。最近的研究报道了将LSC与光伏电池结合的温度传感器，利用荧光物质的温度依赖性发光特性来估算温度，并通过无线方式实时将数据传输到在线接口，展示了具有内在温度感应能力的建筑集成设备的可行性[[16,17]]。这类适用于窗户的LSC在阳光和人工照明条件下均能正常工作，为实现净零能耗建筑和智慧城市提供了可行途径。由于LSC尺寸可定制，并且能在室内和室外照明条件下高效运行，它们可以为传感器、可穿戴设备和智能建筑应用提供低维护的电力[[18]]。其可调的光学特性（包括颜色和透明度）使其非常适合需要同时满足视觉美观和能量生成要求的场景。除了能量采集之外，LSC还在光通信应用中展现出潜力，可作为自由空间数据通信系统的可见光接收器[[19]]，或结合光伏和压电特性用于自供电的物联网系统和智能设备[[20]]。 LSC由掺有荧光染料的透明板或波导组成。光线从顶部表面进入并被荧光染料吸收，吸收后的光以较长波长重新发射，波导通过全内反射（Total Internal Reflection, TIR）将光线引导至LSC边缘，那里安装了小面积太阳能电池。LSC存在两种主要损耗机制：逃逸锥损耗（escape-cone losses）和再吸收损耗（reabsorption losses）。 LSC依靠TIR来集中光线，但荧光染料吸收的光子是各向同性地发射的。用于掺染的基质材料的折射率决定了一个临界角度，低于该角度的光线在撞击材料与空气的界面时不会反射，而是发生折射并离开LSC。利用这个临界角度可以定义一个逃逸锥（如图1所示），在此范围内入射光子会从LSC的所有表面丢失。如果光子撞击的角度大于临界角度，则会被捕获并可能到达LSC边缘，除非被染料重新吸收。 光子再吸收是由于吸收光谱和发射光谱之间的部分重叠造成的。一些到达LSC边缘的光子仍具有足够的能量被荧光材料重新吸收并再次发射。由于各向同性发射，逃逸锥损耗的问题依然存在。此外，染料的发光量子产率可能小于1，这也会导致光子损失。单染料LSC在吸收大部分入射太阳光谱方面存在局限性。因此，一个有效的LSC应具有较低的再吸收概率、接近1的发光量子产率以及对入射光的强吸收能力[[7,21]]。 文献中报道的两种常见的LSC制造方法是旋涂[[5],[22],[23],[24],[25]]和注塑成型（Injection Molding, IM）[[26]]。旋涂用于在基底表面形成薄膜，是一种快速且低成本的技术，可以控制薄膜的厚度。该方法的主要缺点是浪费严重：只有2-5%的原材料被用于形成薄膜，其余部分在旋涂过程中丢失[[27]]。 注塑成型是一种广泛用于制造塑料组件的方法。将加热后的材料注入模具并使其固化。在此过程中，荧光物质被混合到基质中，从而使染料在波导中均匀分布。注塑成型产生的废料很少，能制造出高质量的LSC，被认为是LSC制造的黄金标准[[28]]。然而，在研究环境中，为每种形状定制模具的成本高昂且耗时，限制了快速迭代和实验灵活性。 相比之下，3D打印（增材制造）为实验室规模的LSC原型制作和实验提供了有前景的方法。它通过逐层制造从CAD图纸创建物理对象，能够实现复杂和高细节的形状，而这些形状用传统方法难以实现。此外，可以打印多种材料，包括塑料、陶瓷和金属[[29]]。3D打印速度快、成本低且易于定制，因此在制造业中特别适用于新产品原型的制作[[30]]；然而，文献中关于使用3D打印制造LSC的案例非常少[[31]]。 关于使用3D打印制造LSC的报道有限，主要是因为打印物体的透明度较低。未经后处理，大部分入射光会在波导内散射，导致光学效率极低。不过，最近的进展表明可以使用3D打印制造出高透明度的物体，例如使用数字光处理（Digital Light Processing, DLP）技术和透明树脂制成的隐形眼镜[[32,33]]。 3D打印的优势包括减少材料浪费和易于定制LSC形状，使其成为研究的宝贵工具。虽然它可能还不能替代工业规模的制造方法（如注塑成型），但3D打印可以加速实验室中新LSC设计的开发，为测试新型几何结构、材料和染料配置提供了低门槛的途径。 在这项工作中，我们首次使用掺有苝红（Pe-Red）的透明立体光刻树脂制备了LSC。我们开发了一个两步工艺来提高3D打印LSC板的光学透明度，并通过比较小型3D打印LSC与之前研究的注塑成型LSC的光学和电学性能，证明了3D打印的潜力[[34,35]]。小型3D LSC的性能与注塑成型LSC相当，我们进一步扩展了3D打印方法，制造了一个大型LSC，以展示我们方法的可行性和立体光刻打印LSC的潜力。

材料

苝红染料（2,9-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-5,6,12,13-tetraphenoxyanthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f']diisoquinoline-1,3,8,10(2H,9H)-tetraone）购自AmBeed，使用前无需额外处理。异丙醇（IPA）和甲苯购自Sigma Aldrich。通过将染料加入Clear 3D树脂（V4 Formlabs，美国萨默维尔）中并超声溶解，将苝红染料制备到适当的浓度（g/L）。

发光太阳能聚光器的3D打印

采用立体光刻（Stereolithography, SLA）技术进行3D打印。

光学特性

选择苝红染料（Pe-Red）作为制造3D打印LSC的荧光材料，因为它是文献中常用的小规模原型LSC制造染料[[28,38,39]]。它具有较高的光致发光量子产率（约97%）和良好的光稳定性[[40]]。图2展示了Pe-Red的结构、溶解在甲苯中的Pe-Red的吸收/发射光谱示例，以及用于估算摩尔浓度的吸收光谱系列。

结论

据我们所知，本研究首次成功使用立体光刻（SLA）3D打印技术制备了掺有苝红染料的发光太阳能聚光器（LSC）。研究表明，3D打印作为一种实用且易于实施的LSC开发方法具有巨大潜力。两步打磨和抛光工艺显著提高了打印LSC的光学质量，透明度最高可达90%。

CRediT作者贡献声明

理查德·卡佩纳（Richard Capener）：数据整理、数据分析、方法研究、可视化、初稿撰写。 杰克·曼宁（Jake Manning）：数据整理、软件使用、可视化、撰写——审稿与编辑。 皮奥特·伊特里奇（Piotr Itrych）：方法研究、方法设计、资源准备、软件使用。 萨拉·J·鲍尔多克（Sara J. Baldock）：数据整理、方法研究、资源准备、软件使用、监督、可视化、撰写——审稿与编辑。 莱夫特里斯·达诺斯（Lefteris Danos）：概念构思、数据整理、数据分析、资金获取、方法研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢马修·本特利（Matthew Bentley）在AM1.5G测量方面的协助。