财讯：太阳能转换效率低？量子裁剪破“魔咒”实现清洁能源高效利用

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说到太阳能，可能会想到居民屋顶上的太阳能热水器、道路两侧的太阳能路灯、或者是呈薄片状放置在斜面上的不透明板等。 现在，人们不知道以太阳能发电为主的清洁能源，但为什么能够方便地利用面积大、重量重的太阳能面板，实现高效的薄型、轻量化呢？

试想，如果有一天，科学家们将轻薄通透的太阳能板和建筑物的玻璃结合起来，让每家的玻璃都可以发电，那么这样的智能建筑一定会让平民体验到清洁的可再生能源和牵手后的惊喜。

这个目标的实现，需要突破的是能源转换效率。 最近，中科院大连化学物理研究所在《纳米快报》上发表论文，提出了量子裁剪太阳能聚光板的概念，基于这个概念将量子裁剪应用于荧光型太阳能聚光板，其原型器件的太阳能转换效率比以前传输的器件提高了两倍。

重要的是突破效率瓶颈

小时候，可能玩过转动镜面寻找阳光点火的小游戏。 这其实是太阳能聚光技术重要的分类几何聚光。

太阳能聚光技术大致分为几何聚光和荧光型聚光两大类。 前者利用几何光学的基本原理会聚太阳光后者涉及光和物质的相互作用。

荧光型太阳光聚光板是1976年首次提出的，作为结构比较简单、能够大面积捕获太阳能的装置，发光团被镀膜或镶嵌在玻璃板等透明基材上而构成。 发光团吸收入射到面板的太阳光子发射光子，由于基板和空气折射率的不同，约75%的光子进入全反射模式，进而被引导到面板的端部，激发贴在端部的太阳能电池，将光能转换为电能。

如果聚光效率足够高，一块荧光型太阳能聚光板和边缘的少量太阳能电池将具有与大面积太阳能电池同等的功能，从而大幅降低太阳能发电能力的价格。 中国科学院大连化学物质所光电材料动力学特区研究组组长吴凯丰介绍说，如果带着聚光板，将这种全透明或半透明的荧光型太阳能聚光板直接集成在建筑物的窗户上，就可以将现有的能源消耗型建筑物转换为可用能源，实现自给自足的生产能力单元。

但是，到目前为止，这项技术还没有商业化。 因为荧光型太阳能聚光板的效率还很低。 吴凯丰没有隐藏这种结构器件的短板。

目前，许多国家实际投入使用的是几何聚光装置。 与荧光聚光相比，几何聚光装置需要实时跟踪太阳光的入射角，以实现较有效的聚光，引起了较高的价格诉求。 荧光聚焦可以聚焦不同立场的漫反射和散射光线，不需要跟踪太阳光，但目前到达的聚焦效率远远落后于几何聚焦。 因此，突破荧光型太阳能聚光板的有效瓶颈是实现未来智能建筑的关键。

实现清洁能源的高效利用

一直以来流传的荧光型太阳光聚光板发光团的荧光率一般低于80%，器件内部的光学效率通常低于60%。 量子裁剪是一种新的光学现象，基于这种效应的材料可以吸收一个高能光子，还可以发射两个低能光子，符合能量守恒的基本物理定律。

理论上，量子裁剪可以使发色团的荧光量子效率加倍，由于发光波长远离材料带端位置，可以完全抑制发色团的自吸收损失。 针对这一现象，吴凯丰解释说，基于量子裁剪效应的荧光型太阳能聚光板的概念，理论上可以实现200%的荧光量子效率，完全抑制自吸收损失。 通过大量实验合成稀土金属镱掺杂的金属氯化物纳米晶，荧光效率高达164%，表现出典型的量子剪切特征。

他们的研究表明，结合荧光型太阳能聚光板技术建造的温室大棚可以优化农作物的生长。 吴凯丰表示，通过量子裁剪进一步优化器件，提高太阳能吸收能力，大面积荧光型太阳能聚光板将来可以应用于建筑物的玻璃幕墙、温室大棚等。