近日，中科院大連化物所吳凱豐研究員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，並製備了高效率太陽能聚光板原型器件。相關成果發表於《納米快報》（Nano Letters）上。
熒光型太陽能聚光板（Luminescent Solar Concentrators; LSCs）是一種結構相對簡單的大面積太陽能捕獲裝置，它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。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，這將大大降低光伏產能的成本。此外，半透明的LSCs可直接集成到建築物的窗戶玻璃裡面成為太陽能窗戶，從而將現在的耗能型建築物轉變為在能量上自給自足的產能單元。
傳統的LSCs受限於發光團較低的熒光效率（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%。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。
吳凱豐研究團隊提出，基於量子裁剪效應的LSCs理論上可實現倍增的熒光量子效率（200%），同時完全抑制自吸收損失，因此，內部光學效率可重新定義一個新的理論極限為150%。研究人員合成了稀土金屬鐿摻雜的CsPbCl3納米晶，發現其熒光效率高達164%，表現出典型的量子剪裁特徵。動力學測試表明高效的量子剪裁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。預期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。
本項研究首次提出的“量子裁剪太陽能聚光板”概念，在降低光伏成本、實現智能建築物領域，具有廣闊的應用前景。（來源：科學網 劉萬生 羅消）
閱讀更多 今日科學 的文章
