科學網—量子裁剪太陽能聚光板有多神奇?

大連化物所首次提出「量子裁剪太陽能聚光板」概念

 

■本報記者 張晶晶

能源問題始終是困擾人類的重要問題之一。太陽能綠色無汙染，而且在可預見的時間範圍內取之不盡，被看作是未來解決能源問題的重要途徑。

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳凱豐團隊基於稀土金屬鐿摻雜的納米晶材料，首次提出「量子裁剪太陽能聚光板」概念，並基於該概念，製備了高效率太陽能聚光板原型器件。相關研究發表在《納米快報》上。

螢光型太陽能聚光板有優勢

2011年以來，太陽能光伏發電系統在全球發展迅速。根據國際能源署（IEA）發布的報告，2017年我國無論從新增和累計裝機容量方面均處於市場第一位，新增裝機容量為53GW佔全球總新增裝機容量的54.08%；截至2017年末，我國累計裝機容量為131GW，佔全球累計裝機容量32.57%，位居全球第一。

其中城市太陽能發電所面臨的一個重要問題是，對於高層建築物集中的城市而言，大部分太陽光照射在大樓的側面，而不是樓頂，但目前的太陽能聚光器卻主要安裝在樓頂。

是否可以將其安裝在大樓側面，充當窗戶的同時來吸收太陽能發電呢？既充當了窗戶，又給建築物提供電，正符合時下熱門的「智能建築」的概念。但窗戶的功能是透光，太陽能聚光器的功能是聚光，普遍使用的矽基太陽能電池板更是不透光的。如何能實現既透光又聚光的設想呢？

吳凱豐在接受《中國科學報》採訪時介紹說，太陽光聚光技術有聚焦型、反光型和螢光聚光三種。其中聚焦型和反光性都屬於幾何聚光，利用的是幾何光學的基本原理對太陽光實現匯聚，比如常見的放大鏡就可以實現幾何聚光；而螢光型聚光涉及的是光和物質的相互作用，太陽光激發發光團，發出螢光，然後對螢光光子進行波導匯聚。

1976年，螢光型太陽能聚光板（Luminescent Solar Concentrators; LSC）由W. H. Weber等人首次提出。關於螢光型太陽能聚光板的工作模式，吳凱豐介紹說：「LSC是一種結構相對簡單的大面積太陽能捕獲裝置，由發光團通過塗覆或鑲嵌於透明基底（如玻璃板等）構成。發光團在吸收入射到板上的太陽光子之後發出螢光光子，由於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，用於激發貼在邊緣處的太陽能電池，從而實現將光能轉化為電能。」

與其他兩種聚光方式相比，螢光聚光有哪些優點呢？

吳凱豐說主要有兩個方面的優點。「首先，幾何聚光需要聚光裝置對太陽光的入射角進行實時追蹤，從而實現有效的聚光，這種追蹤的裝置通常成本是很高的；相比而言，螢光聚光可以對各種角度的漫反射和散射光線實現聚光，無須對太陽光進行追蹤。其次，螢光聚光板的外表看起來就像是一個半透明或全透明的窗戶，可以集成到建築物裡面，有可能實現『太陽能窗戶』產能的目標。」

LSC成本低但效率待提高

對比幾何聚光和螢光聚光兩種方式，兩者的工作原理完全不同，各自有自己的優缺點和適用範圍。

「很難定義這兩者哪個被看好哪個不被看好。對於一些效率而非成本是最主要考慮因素的應用領域，比如航空航天用到的光伏器件，幾何聚光是具有顯著優勢的。而對於另外一些應用，比如太陽能窗戶等，則螢光聚光顯然具有獨一無二的優勢。」吳凱豐總結說。

據介紹，螢光聚光的缺點目前是聚光效率比幾何聚光低很多。從數據上看，傳統的LSCs受限於發光團較低的螢光效率（通常小於80%），以及自吸收損失，導致器件內部光學效率一般小於60%。因此，目前聚光型的光伏裝置裡面用的都是幾何聚光。

但由於螢光型太陽能聚光板由廉價的聚合物、玻璃和少量的螢光團材料構成，成本上遠低於目前主流的太陽能面板（比如多晶矽）的。

如果聚光效率足夠高，一塊LSC加上邊緣處的少量太陽能電池在功能上等同於一整塊大面積的太陽能電池，將大大降低光伏產能的成本。吳凱豐指出：「我們進行過一些簡單的估算，成本可能不超過1/10。然而，對於實際應用真正重要的是類似於性價比的參數。這一點，由於LSC目前的效率較低，性價比相比太陽能面板可能僅僅具有微弱優勢。這也是這項技術尚未實現商業化的原因之一。」

量子裁剪太陽能聚光板更神奇

為了提高傳統LSC發光團螢光效率，科學家想到了很多方法。比如對於有機染料分子，通過進行基團修飾等可以提高螢光效率；或者對於無機納米顆粒（量子點等），進行核/殼包覆，也可以顯著提高螢光效率。但無論如何，這些傳統發光材料的螢光效率上限就是100%；而吳凱豐團隊通過量子裁剪的方式，將這個上限提高到了200%。

量子裁剪（quantum cutting）是一種新奇的光學現象。「基於該效應的材料可吸收一個高能光子，同時釋放兩個低能光子，滿足能量守恆的基本物理規律。」吳凱豐說，「而我們知道，一般的發光材料，無論吸收何種能量的一個光子（只要該光子可以激發材料），都最多只能發出一個光子。因此，量子剪裁可以使發光效率倍增。」

基於量子裁剪效應的LSCs理論上可實現倍增的螢光量子效率（200%），同時可以完全抑制自吸收損失。吳凱豐解釋說：「一般的發光團由於吸收和發光之間存在較大的光譜重疊，螢光光子在波導過程中會損失於自吸收過程。對於量子裁剪材料，由於發光波長遠離材料的吸收位置，幾乎可以完全抑制自吸收損失，這對LSC效率的提高也是極為關鍵的。」

吳凱豐研究團隊提出，基於量子裁剪效應的LSCs內部光學效率可重新定義一個新的理論極限為150%。研究團隊合成了稀土金屬鐿摻雜的CsPbCl3納米晶，發現其螢光效率高達164%，表現出典型的量子裁剪特徵。通過CsPbCl3納米晶吸收一個藍光光子產生激子，再將能量轉移給兩個鐿原子的激發態，從而發出兩個近紅外光子。動力學測試表明高效的量子裁剪過程發生於皮秒級別。採用此類納米晶製備出原型的量子裁剪LSCs，實現了約120%的器件內部光學效率。可預期的是，通過進一步優化器件和提高太陽光吸收能力，可在大面積LSCs中突破10%的外部光學效率。

該研究創新性地將鐿摻雜納米晶引入到LSC領域，得到了同行的高度評價。關於未來的研究方向，吳凱豐表示，CsPbCl3納米晶的吸收主要集中於紫外部分，對太陽光的利用效率太低，團隊目前正在嘗試進行材料上的改性以實現更寬光譜的太陽光吸收。其次，CsPbCl3屬於目前廣泛研究的含鉛鈣鈦礦材料，它們的毒性和穩定性都是亟須解決的問題。

「很難預測解決這些技術問題具體需要多長時間，但我們已經看到，含鉛鈣鈦礦太陽能電池的穩定性等通過幾年的研究都得到了巨大的提升，因此，我覺得應該對該領域持樂觀態度。」吳凱豐說。

相關論文信息：DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03966

《中國科學報》 (2019-01-14 第7版 能源化工)