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編者按：傳統(tǒng)的熒光型太陽(yáng)能聚光板發(fā)光團(tuán)的熒光率通常小于80%，這導(dǎo)致了器件內(nèi)部光學(xué)效率一般小于60%。理論上，量子裁剪可將發(fā)色團(tuán)的熒光量子效率翻倍，同時(shí)由于發(fā)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)離材料帶邊位置，完全能夠抑制發(fā)色團(tuán)的自吸收損失。

提到太陽(yáng)能，你也許會(huì)想到居民樓頂上的一個(gè)個(gè)太陽(yáng)能熱水器，道路兩旁的一個(gè)個(gè)太陽(yáng)能路燈，又或者在“向陽(yáng)坡”上成片擺放的反光不透明板子……現(xiàn)今，人們對(duì)以太陽(yáng)能發(fā)電為主的清潔能源不再陌生，但如何能讓面積龐大又笨重的太陽(yáng)能板變成便于利用又高效的“輕薄透”呢？

試想一下，如果有一天科學(xué)家們將“輕薄透”的太陽(yáng)能板與建筑物上的玻璃結(jié)合，讓家家戶戶的玻璃能發(fā)電，這樣的“智能建筑”無(wú)疑會(huì)讓平民百姓體驗(yàn)到與清潔可再生能源“牽手”后帶來(lái)的驚喜。

而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要突破的是能量轉(zhuǎn)換效率。近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在《納米快報(bào)》上發(fā)表論文，提出“量子裁剪太陽(yáng)能聚光板”概念，并基于該概念將量子裁剪應(yīng)用到熒光型太陽(yáng)能聚光板上，其原型器件太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)器件提高了一倍。

關(guān)鍵要突破效率瓶頸

小時(shí)候，你可能玩過(guò)利用轉(zhuǎn)動(dòng)鏡面尋找太陽(yáng)光來(lái)點(diǎn)火的小游戲，這其實(shí)就是太陽(yáng)能聚光技術(shù)的一個(gè)重要分類(lèi)——幾何型聚光。

太陽(yáng)能聚光技術(shù)分為幾何聚光和熒光型聚光兩大類(lèi)。前者是利用幾何光學(xué)的基本原理對(duì)太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)匯聚；后者涉及的是光和物質(zhì)的相互作用。

熒光型太陽(yáng)能聚光板于1976年首次提出，作為一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且能大面積捕獲太陽(yáng)能的裝置，它由發(fā)光團(tuán)通過(guò)涂覆或鑲嵌于透明基底(如玻璃板等)構(gòu)成。發(fā)光團(tuán)在吸收入射到板上的太陽(yáng)光子之后發(fā)出光子，由于基底和空氣折射率的差別，大約75%的光子會(huì)進(jìn)入全反射模式，進(jìn)而被波導(dǎo)到板的邊緣，用于激發(fā)貼在邊緣處的太陽(yáng)能電池，從而實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)化為電能。

“如果聚光效率足夠高，一塊熒光型太陽(yáng)能聚光板加上邊緣處的少量太陽(yáng)能電池，其功能等同于一整塊大面積的太陽(yáng)能電池，這將大大降低光伏產(chǎn)能的成本。”中科院大連化物所光電材料動(dòng)力學(xué)特區(qū)研究組組長(zhǎng)吳凱豐拿著一塊聚光板講解道，如果我們把這種全透明或半透明的熒光型太陽(yáng)能聚光板直接集成到建筑物的窗戶上，就能將現(xiàn)在的耗能型建筑物轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫媚茉?，從而?shí)現(xiàn)自給自足的產(chǎn)能單元。

“但到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，因?yàn)闊晒庑吞?yáng)能聚光板的效率仍然太低。”吳凱豐毫不諱言這種結(jié)構(gòu)器件的短板。

目前，大多數(shù)國(guó)家真正投入使用的多是幾何聚光裝置。與熒光聚光相比，幾何聚光裝置需要實(shí)時(shí)追蹤太陽(yáng)光的入射角，從而實(shí)現(xiàn)有效的聚光，這導(dǎo)致了較高的成本需求。而熒光聚光可以對(duì)各種角度的漫反射和散射光線實(shí)現(xiàn)聚光，無(wú)需對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行追蹤，但目前到達(dá)的聚光效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于幾何聚光。因此，突破熒光型太陽(yáng)能聚光板的效率瓶頸，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)“智能建筑”的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)清潔能源高效利用

傳統(tǒng)的熒光型太陽(yáng)能聚光板發(fā)光團(tuán)的熒光率通常小于80%，這導(dǎo)致了器件內(nèi)部光學(xué)效率一般小于60%。而量子裁剪是一種新奇的光學(xué)現(xiàn)象，基于該效應(yīng)的材料可吸收一個(gè)高能光子，同時(shí)又能釋放兩個(gè)低能光子，滿足了能量守恒的基本物理規(guī)律。

“理論上，量子裁剪可將發(fā)色團(tuán)的熒光量子效率翻倍，同時(shí)由于發(fā)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)離材料帶邊位置，完全能夠抑制發(fā)色團(tuán)的自吸收損失。”吳凱豐對(duì)此現(xiàn)象解釋道，基于量子裁剪效應(yīng)的熒光型太陽(yáng)能聚光板概念，這種熒光型太陽(yáng)能聚光板理論上可以實(shí)現(xiàn)200%的熒光量子效率，同時(shí)完全抑制自吸收損失。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，他們合成了稀土金屬鐿摻雜的金屬氯化物納米晶體，發(fā)現(xiàn)其熒光效率高達(dá)164%，表現(xiàn)出典型的量子剪裁特征。

他們的研究還表明，結(jié)合熒光型太陽(yáng)能聚光板技術(shù)構(gòu)建的溫室大棚，能優(yōu)化農(nóng)作物生長(zhǎng)。吳凱豐表示，通過(guò)量子剪裁進(jìn)一步優(yōu)化器件并提高太陽(yáng)光吸收能力，大面積熒光型太陽(yáng)能聚光板未來(lái)在建筑物玻璃幕墻、溫室大棚等都可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。


原標(biāo)題：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率低？量子裁剪破"魔咒"