太陽能轉換效率低？量子裁剪破“魔咒”

提到太陽能，你也許會想到居民樓頂上的一個個太陽能熱水器，道路兩旁的一個個太陽能路燈，又或者在“向陽坡”上成片擺放的反光不透明板子……現今，人們對以太陽能發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，如果有一天科學家們將“輕薄透”的太陽能板與建筑物上的玻璃結合，讓家家戶戶的玻璃能發電，這樣的“智能建筑”無疑會讓平民百姓體驗到與清潔可再生能源“牽手”后帶來的驚喜。

而這一目標的實現，需要突破的是能量轉換效率。近日，中國科學院大連化學物理研究所在《納米快報》上發表論文，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用到熒光型太陽能聚光板上，其原型器件太陽能轉換效率比傳統器件提高了一倍。

關鍵要突破效率瓶頸

小時候，你可能玩過利用轉動鏡面尋找太陽光來點火的小游戲，這其實就是太陽能聚光技術的一個重要分類——幾何型聚光。

太陽能聚光技術分為幾何聚光和熒光型聚光兩大類。前者是利用幾何光學的基本原理對太陽光實現匯聚;后者涉及的是光和物質的相互作用。

熒光型太陽能聚光板于1976年首次提出，作為一種結構相對簡單且能大面積捕獲太陽能的裝置，它由發光團通過涂覆或鑲嵌于透明基底(如玻璃板等)構成。發光團在吸收入射到板上的太陽光子之后發出光子，由于基底和空氣折射率的差別，大約75%的光子會進入全反射模式，進而被波導到板的邊緣，用于激發貼在邊緣處的太陽能電池，從而實現光能轉化為電能。

“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能的成本。”中科院大連化物所光電材料動力學特區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，就能將現在的耗能型建筑物轉變為可利用能源，從而實現自給自足的產能單元。

“但到目前為止，這項技術還未實現商業化，因為熒光型太陽能聚光板的效率仍然太低。”吳凱豐毫不諱言這種結構器件的短板。

目前，大多數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時追蹤太陽光的入射角，從而實現有效的聚光，這導致了較高的成本需求。而熒光聚光可以對各種角度的漫反射和散射光線實現聚光，無需對太陽光進行追蹤，但目前到達的聚光效率要遠遠落后于幾何聚光。因此，突破熒光型太陽能聚光板的效率瓶頸，是未來實現“智能建筑”的關鍵。

實現清潔能源高效利用

傳統的熒光型太陽能聚光板發光團的熒光率通常小于80%，這導致了器件內部光學效率一般小于60%。而量子裁剪是一種新奇的光學現象，基于該效應的材料可吸收一個高能光子，同時又能釋放兩個低能光子，滿足了能量守恒的基本物理規律。

“理論上，量子裁剪可將發色團的熒光量子效率翻倍，同時由于發光波長遠離材料帶邊位置，完全能夠抑制發色團的自吸收損失。”吳凱豐對此現象解釋道，基于量子裁剪效應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現200%的熒光量子效率，同時完全抑制自吸收損失。通過大量的實驗，他們合成了稀土金屬鐿摻雜的金屬氯化物納米晶體，發現其熒光效率高達164%，表現出典型的量子剪裁特征。

他們的研究還表明，結合熒光型太陽能聚光板技術構建的溫室大棚，能優化農作物生長。吳凱豐表示，通過量子剪裁進一步優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、溫室大棚等都可實現應用。