太阳能转换效率低？量子裁剪破"魔咒"

提到太阳能，你也许会想到居民楼顶上的一个个太阳能热水器，道路两旁的一个个太阳能路灯，又或者在“向阳坡”上成片摆放的反光不透明板子……现今，人们对以太阳能发电为主的清洁能源不再陌生，但如何能让面积庞大又笨重的太阳能板变成便于利用又高效的“轻薄透”呢？

试想一下，如果有一天科学家们将“轻薄透”的太阳能板与建筑物上的玻璃结合，让家家户户的玻璃能发电，这样的“智能建筑”无疑会让平民百姓体验到与清洁可再生能源“牵手”后带来的惊喜。

而这一目标的实现，需要突破的是能量转换效率。近日，中国科学院大连化学物理研究所在《纳米快报》上发表论文，提出“量子裁剪太阳能聚光板”概念，并基于该概念将量子裁剪应用到荧光型太阳能聚光板上，其原型器件太阳能转换效率比传统器件提高了一倍。

关键要突破效率瓶颈

小时候，你可能玩过利用转动镜面寻找太阳光来点火的小游戏，这其实就是太阳能聚光技术的一个重要分类——几何型聚光。

太阳能聚光技术分为几何聚光和荧光型聚光两大类。前者是利用几何光学的基本原理对太阳光实现汇聚；后者涉及的是光和物质的相互作用。

荧光型太阳能聚光板于1976年首次提出，作为一种结构相对简单且能大面积捕获太阳能的装置，它由发光团通过涂覆或镶嵌于透明基底(如玻璃板等)构成。发光团在吸收入射到板上的太阳光子之后发出光子，由于基底和空气折射率的差别，大约75%的光子会进入全反射模式，进而被波导到板的边缘，用于激发贴在边缘处的太阳能电池，从而实现光能转化为电能。

“如果聚光效率足够高，一块荧光型太阳能聚光板加上边缘处的少量太阳能电池，其功能等同于一整块大面积的太阳能电池，这将大大降低光伏产能的成本。”中科院大连化物所光电材料动力学特区研究组组长吴凯丰拿着一块聚光板讲解道，如果我们把这种全透明或半透明的荧光型太阳能聚光板直接集成到建筑物的窗户上，就能将现在的耗能型建筑物转变为可利用能源，从而实现自给自足的产能单元。

“但到目前为止，这项技术还未实现商业化，因为荧光型太阳能聚光板的效率仍然太低。”吴凯丰毫不讳言这种结构器件的短板。

目前，大多数国家真正投入使用的多是几何聚光装置。与荧光聚光相比，几何聚光装置需要实时追踪太阳光的入射角，从而实现有效的聚光，这导致了较高的成本需求。而荧光聚光可以对各种角度的漫反射和散射光线实现聚光，无需对太阳光进行追踪，但目前到达的聚光效率要远远落后于几何聚光。因此，突破荧光型太阳能聚光板的效率瓶颈，是未来实现“智能建筑”的关键。

实现清洁能源高效利用

传统的荧光型太阳能聚光板发光团的荧光率通常小于80%，这导致了器件内部光学效率一般小于60%。而量子裁剪是一种新奇的光学现象，基于该效应的材料可吸收一个高能光子，同时又能释放两个低能光子，满足了能量守恒的基本物理规律。

“理论上，量子裁剪可将发色团的荧光量子效率翻倍，同时由于发光波长远离材料带边位置，完全能够抑制发色团的自吸收损失。”吴凯丰对此现象解释道，基于量子裁剪效应的荧光型太阳能聚光板概念，这种荧光型太阳能聚光板理论上可以实现200%的荧光量子效率，同时完全抑制自吸收损失。通过大量的实验，他们合成了稀土金属镱掺杂的金属氯化物纳米晶体，发现其荧光效率高达164%，表现出典型的量子剪裁特征。

他们的研究还表明，结合荧光型太阳能聚光板技术构建的温室大棚，能优化农作物生长。吴凯丰表示，通过量子剪裁进一步优化器件并提高太阳光吸收能力，大面积荧光型太阳能聚光板未来在建筑物玻璃幕墙、温室大棚等都可实现应用。