量子裁剪太阳能聚光板有多神奇？

大连化物所首次提出“量子裁剪太阳能聚光板”概念

 能源问题始终是困扰人类的重要问题之一。太阳能绿色无污染，而且在可预见的时间范围内取之不尽，被看作是未来解决能源问题的重要途径。

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员吴凯丰团队基于稀土金属镱掺杂的纳米晶材料，首次提出“量子裁剪太阳能聚光板”概念，并基于该概念，制备了高效率太阳能聚光板原型器件。相关研究发表在《纳米快报》上。

荧光型太阳能聚光板有优势

2011年以来，太阳能光伏发电系统在全球发展迅速。根据国际能源署（IEA）发布的报告，2017年我国无论从新增和累计装机容量方面均处于市场第一位，新增装机容量为53GW占全球总新增装机容量的54.08%；截至2017年末，我国累计装机容量为131GW，占全球累计装机容量32.57%，位居全球第一。

其中城市太阳能发电所面临的一个重要问题是，对于高层建筑物集中的城市而言，大部分太阳光照射在大楼的侧面，而不是楼顶，但目前的太阳能聚光器却主要安装在楼顶。

是否可以将其安装在大楼侧面，充当窗户的同时来吸收太阳能发电呢？既充当了窗户，又给建筑物提供电，正符合时下热门的“智能建筑”的概念。但窗户的功能是透光，太阳能聚光器的功能是聚光，普遍使用的硅基太阳能电池板更是不透光的。如何能实现既透光又聚光的设想呢？

吴凯丰在接受《中国科学报》采访时介绍说，太阳光聚光技术有聚焦型、反光型和荧光聚光三种。其中聚焦型和反光性都属于几何聚光，利用的是几何光学的基本原理对太阳光实现汇聚，比如常见的放大镜就可以实现几何聚光；而荧光型聚光涉及的是光和物质的相互作用，太阳光激发发光团，发出荧光，然后对荧光光子进行波导汇聚。

1976年，荧光型太阳能聚光板（Luminescent Solar Concentrators; LSC）由W. H. Weber等人首次提出。关于荧光型太阳能聚光板的工作模式，吴凯丰介绍说：“LSC是一种结构相对简单的大面积太阳能捕获装置，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荧光光子，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，从而实现将光能转化为电能。”

与其他两种聚光方式相比，荧光聚光有哪些优点呢？

吴凯丰说主要有两个方面的优点。“首先，几何聚光需要聚光装置对太阳光的入射角进行实时追踪，从而实现有效的聚光，这种追踪的装置通常成本是很高的；相比而言，荧光聚光可以对各种角度的漫反射和散射光线实现聚光，无须对太阳光进行追踪。其次，荧光聚光板的外表看起来就像是一个半透明或全透明的窗户，可以集成到建筑物里面，有可能实现‘太阳能窗户’产能的目标。”

LSC成本低但效率待提高

对比几何聚光和荧光聚光两种方式，两者的工作原理完全不同，各自有自己的优缺点和适用范围。

“很难定义这两者哪个被看好哪个不被看好。对于一些效率而非成本是最主要考虑因素的应用领域，比如航空航天用到的光伏器件，几何聚光是具有显著优势的。而对于另外一些应用，比如太阳能窗户等，则荧光聚光显然具有独一无二的优势。”吴凯丰总结说。

据介绍，荧光聚光的缺点目前是聚光效率比几何聚光低很多。从数据上看，传统的LSCs受限于发光团较低的荧光效率（通常小于80%），以及自吸收损失，导致器件内部光学效率一般小于60%。因此，目前聚光型的光伏装置里面用的都是几何聚光。

但由于荧光型太阳能聚光板由廉价的聚合物、玻璃和少量的荧光团材料构成，成本上远低于目前主流的太阳能面板（比如多晶硅）的。

如果聚光效率足够高，一块LSC加上边缘处的少量太阳能电池在功能上等同于一整块大面积的太阳能电池，将大大降低光伏产能的成本。吴凯丰指出：“我们进行过一些简单的估算，成本可能不超过1/10。然而，对于实际应用真正重要的是类似于性价比的参数。这一点，由于LSC目前的效率较低，性价比相比太阳能面板可能仅仅具有微弱优势。这也是这项技术尚未实现商业化的原因之一。”

量子裁剪太阳能聚光板更神奇

为了提高传统LSC发光团荧光效率，科学家想到了很多方法。比如对于有机染料分子，通过进行基团修饰等可以提高荧光效率；或者对于无机纳米颗粒（量子点等），进行核/壳包覆，也可以显著提高荧光效率。但无论如何，这些传统发光材料的荧光效率上限就是100%；而吴凯丰团队通过量子裁剪的方式，将这个上限提高到了200%。

量子裁剪（quantum cutting）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，同时释放两个低能光子，满足能量守恒的基本物理规律。”吴凯丰说，“而我们知道，一般的发光材料，无论吸收何种能量的一个光子（只要该光子可以激发材料），都最多只能发出一个光子。因此，量子剪裁可以使发光效率倍增。”

基于量子裁剪效应的LSCs理论上可实现倍增的荧光量子效率（200%），同时可以完全抑制自吸收损失。吴凯丰解释说：“一般的发光团由于吸收和发光之间存在较大的光谱重叠，荧光光子在波导过程中会损失于自吸收过程。对于量子裁剪材料，由于发光波长远离材料的吸收位置，几乎可以完全抑制自吸收损失，这对LSC效率的提高也是极为关键的。”

吴凯丰研究团队提出，基于量子裁剪效应的LSCs内部光学效率可重新定义一个新的理论极限为150%。研究团队合成了稀土金属镱掺杂的CsPbCl3纳米晶，发现其荧光效率高达164%，表现出典型的量子裁剪特征。通过CsPbCl3纳米晶吸收一个蓝光光子产生激子，再将能量转移给两个镱原子的激发态，从而发出两个近红外光子。动力学测试表明高效的量子裁剪过程发生于皮秒级别。采用此类纳米晶制备出原型的量子裁剪LSCs，实现了约120%的器件内部光学效率。可预期的是，通过进一步优化器件和提高太阳光吸收能力，可在大面积LSCs中突破10%的外部光学效率。

该研究创新性地将镱掺杂纳米晶引入到LSC领域，得到了同行的高度评价。关于未来的研究方向，吴凯丰表示，CsPbCl3纳米晶的吸收主要集中于紫外部分，对太阳光的利用效率太低，团队目前正在尝试进行材料上的改性以实现更宽光谱的太阳光吸收。其次，CsPbCl3属于目前广泛研究的含铅钙钛矿材料，它们的毒性和稳定性都是亟须解决的问题。

“很难预测解决这些技术问题具体需要多长时间，但我们已经看到，含铅钙钛矿太阳能电池的稳定性等通过几年的研究都得到了巨大的提升，因此，我觉得应该对该领域持乐观态度。”吴凯丰说。

相关论文信息：DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03966