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　　人類對(duì)清潔可再生能源的需求日益迫切，進(jìn)一步突破能量轉(zhuǎn)換效率，助力“智能建筑”，走向“萬物互聯(lián)時(shí)代”已是刻不容緩。近日，中科院大連化物所光電材料動(dòng)力學(xué)特區(qū)研究組吳凱豐團(tuán)隊(duì)基于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，并基于該概念，制備了高效率太陽能聚光板原型器件。相關(guān)成果發(fā)表于《納米快報(bào)》(Nano Letters)上。
　　什么是太陽能聚光板?

　　熒光型太陽能聚光板(Luminescent SolarConcentrators; LSCs)由W。 H。 Weber等人于1976年首次提出，作為硅基太陽能電池的低價(jià)補(bǔ)充方案。它是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的大面積太陽能捕獲裝置，由發(fā)光團(tuán)通過涂覆或鑲嵌于透明基底(如玻璃板等)構(gòu)成。發(fā)光團(tuán)在吸收入射到板上的太陽光子之后發(fā)出光子，由于基底和空氣折射率的差別，大約75%的光子會(huì)進(jìn)入全反射模式進(jìn)而被波導(dǎo)到板的邊緣，用于激發(fā)貼在邊緣處的太陽能電池，從而實(shí)現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)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于一整塊大面積的太陽能電池，這將大大降低光伏產(chǎn)能的成本。此外，全/半透明的LSCs可直接集成到建筑物的窗戶玻璃里面成為太陽能窗戶，從而將現(xiàn)在的耗能型建筑物轉(zhuǎn)變?yōu)樵谀芰可献越o自足的產(chǎn)能單元。
　　“量子裁剪”有何作用?

　　傳統(tǒng)的LSCs受限于發(fā)光團(tuán)較低的熒光效率(通常小于80%)，以及自吸收損失，導(dǎo)致器件內(nèi)部光學(xué)效率一般小于60%。量子裁剪(quantum cutting)是一種新奇的光學(xué)現(xiàn)象，基于該效應(yīng)的材料可吸收一個(gè)高能光子，同時(shí)釋放兩個(gè)低能光子，滿足能量守恒的基本物理規(guī)律。因此，理論上可將發(fā)色團(tuán)的熒光量子效率翻倍;同時(shí)，由于發(fā)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)離材料帶邊位置，可完全抑制發(fā)色團(tuán)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(tuán)隊(duì)提出，基于量子裁剪效應(yīng)的LSCs理論上可實(shí)現(xiàn)200%的熒光量子效率，同時(shí)完全抑制自吸收損失，因此，內(nèi)部光學(xué)效率(ηint)可重新定義一個(gè)新的理論極限為150%。研究團(tuán)隊(duì)合成了稀土金屬鐿摻雜的CsPbCl3納米晶，發(fā)現(xiàn)其熒光效率高達(dá)164%，表現(xiàn)出典型的量子剪裁特征。動(dòng)力學(xué)測(cè)試表明，高效的量子剪裁過程發(fā)生于皮秒級(jí)別。

　　采用此類納米晶制備出原型的量子裁剪LSCs，實(shí)現(xiàn)了約120%的器件內(nèi)部光學(xué)效率?？深A(yù)期的是，通過進(jìn)一步優(yōu)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(xué)效率(ηext)。
　　有何實(shí)際應(yīng)用?

　　該研究首次提出了“量子裁剪太陽能聚光板”概念，在降低光伏成本、實(shí)現(xiàn)智能建筑物領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　例如，城市化進(jìn)程推進(jìn)中，市區(qū)可用于安裝太陽能電池的面積日益減小，但建筑物窗戶面積充足。高效率、低成本的LSC方案可用于實(shí)現(xiàn)全/半透明太陽能窗戶。同時(shí)，也可將此方案應(yīng)用于能量上自給自足的“智慧交通”，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
　　此外，LSCs也可用于溫室(greenhouse)大棚領(lǐng)域。研究表明，植物對(duì)紅光的光合作用效率最高。結(jié)合LSCs技術(shù)構(gòu)建溫室大棚，可優(yōu)化植物生長(zhǎng)，同時(shí)發(fā)電。