太陽能轉(zhuǎn)換效率低？量子裁剪破“魔咒”

提到太陽能，你也許會(huì)想到居民樓頂上的一個(gè)個(gè)太陽能熱水器，道路兩旁的一個(gè)個(gè)太陽能路燈，又或者在“向陽坡”上成片擺放的反光不透明板子……現(xiàn)今，人們對(duì)以太陽能發(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)用到熒光型太陽能聚光板上，其原型器件太陽能轉(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，你可能玩過利用轉(zhuǎn)動(dòng)鏡面尋找太陽光來點(diǎn)火的小游戲，這其實(shí)就是太陽能聚光技術(shù)的一個(gè)重要分類——幾何型聚光。

太陽能聚光技術(shù)分為幾何聚光和熒光型聚光兩大類。前者是利用幾何光學(xué)的基本原理對(duì)太陽光實(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能的裝置，它由發(fā)光團(tuán)通過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，一塊熒光型太陽能聚光板加上邊緣處的少量太陽能電池，其功能等同于一整塊大面積的太陽能電池，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媚茉矗瑥亩鴮?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柲芫酃獍宓男嗜匀惶?。”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，無需對(duì)太陽光進(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，突破熒光型太陽能聚光板的效率瓶頸，是未來實(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?！眳莿P豐對(duì)此現(xiàn)象解釋道，基于量子裁剪效應(yīng)的熒光型太陽能聚光板概念，這種熒光型太陽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。吳凱豐表示，通過量子剪裁進(jìn)一步優(yōu)化器件并提高太陽光吸收能力，大面積熒光型太陽能聚光板未來在建筑物玻璃幕墻、溫室大棚等都可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。