「量子裁剪」助力智能建築

最新 01-09

人類對清潔可再生能源的需求日益迫切，進一步突破能量轉換效率，助力「智能建築」，走向「萬物互聯時代」已是刻不容緩。

近日，中科院大連化物所光電材料動力學特區研究組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。相關成果發表於《納米快報》（Nano Letters）上。

什麼是太陽能聚光板？

熒光型太陽能聚光板（Luminescent SolarConcentrators; LSCs）由W. H. Weber等人於1976年首次提出，作為硅基太陽能電池的低價補充方案。

它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。

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，全/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。

「量子裁剪」有何作用？

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。因此，理論上可將發色團的熒光量子效率翻倍；同時，由於發光波長遠離材料帶邊位置，可完全抑制發色團的自吸收損失。

「量子裁剪太陽能聚光板」概念提出

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200%的熒光量子效率，同時完全抑制自吸收損失，因此，內部光學效率（ηint）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。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（ηext）。