能源問(wèn)題始終是困擾人類的重要問(wèn)題之一。太陽(yáng)能綠色無(wú)污染，而且在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間范圍內(nèi)取之不盡，被看作是未來(lái)解決能源問(wèn)題的重要途徑。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳凱豐團(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(yáng)能聚光板”概念，并基于該概念，制備了高效率太陽(yáng)能聚光板原型器件。相關(guān)研究發(fā)表在《納米快報(bào)》上。

　　熒光型太陽(yáng)能聚光板有優(yōu)勢(shì)

　　2011年以來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在全球發(fā)展迅速。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的報(bào)告，2017年我國(guó)無(wú)論從新增和累計(jì)裝機(jī)容量方面均處于市場(chǎng)第一位，新增裝機(jī)容量為53GW占全球總新增裝機(jī)容量的54.08%；截至2017年末，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量為131GW，占全球累計(jì)裝機(jī)容量32.57%，位居全球第一。

　　其中城市太陽(yáng)能發(fā)電所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是，對(duì)于高層建筑物集中的城市而言，大部分太陽(yáng)光照射在大樓的側(cè)面，而不是樓頂，但目前的太陽(yáng)能聚光器卻主要安裝在樓頂。

　　是否可以將其安裝在大樓側(cè)面，充當(dāng)窗戶的同時(shí)來(lái)吸收太陽(yáng)能發(fā)電呢？既充當(dāng)了窗戶，又給建筑物提供電，正符合時(shí)下熱門的“智能建筑”的概念。但窗戶的功能是透光，太陽(yáng)能聚光器的功能是聚光，普遍使用的硅基太陽(yáng)能電池板更是不透光的。如何能實(shí)現(xiàn)既透光又聚光的設(shè)想呢？

　　吳凱豐在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)介紹說(shuō)，太陽(yáng)光聚光技術(shù)有聚焦型、反光型和熒光聚光三種。其中聚焦型和反光性都屬于幾何聚光，利用的是幾何光學(xué)的基本原理對(duì)太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)匯聚，比如常見(jiàn)的放大鏡就可以實(shí)現(xiàn)幾何聚光；而熒光型聚光涉及的是光和物質(zhì)的相互作用，太陽(yáng)光激發(fā)發(fā)光團(tuán)，發(fā)出熒光，然后對(duì)熒光光子進(jìn)行波導(dǎo)匯聚。

　　1976年，熒光型太陽(yáng)能聚光板（Luminescent Solar Concentrators; LSC）由W. H. Weber等人首次提出。關(guān)于熒光型太陽(yáng)能聚光板的工作模式，吳凱豐介紹說(shuō)：“LSC是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的大面積太陽(yáng)能捕獲裝置，由發(fā)光團(tuán)通過(guò)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(yáng)光子之后發(fā)出熒光光子，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(yáng)能電池，從而實(shí)現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為電能�！�

　　與其他兩種聚光方式相比，熒光聚光有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？

　　吳凱豐說(shuō)主要有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)�！笆紫龋瑤缀尉酃庑枰�聚光裝置對(duì)太陽(yáng)光的入射角進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，從而實(shí)現(xiàn)有效的聚光，這種追蹤的裝置通常成本是很高的；相比而言，熒光聚光可以對(duì)各種角度的漫反射和散射光線實(shí)現(xiàn)聚光，無(wú)須對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行追蹤。其次，熒光聚光板的外表看起來(lái)就像是一個(gè)半透明或全透明的窗戶，可以集成到建筑物里面，有可能實(shí)現(xiàn)‘太陽(yáng)能窗戶’產(chǎn)能的目標(biāo)。”

　　LSC成本低但效率待提高

　　對(duì)比幾何聚光和熒光聚光兩種方式，兩者的工作原理完全不同，各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

　　“很難定義這兩者哪個(gè)被看好哪個(gè)不被看好。對(duì)于一些效率而非成本是最主要考慮因素的應(yīng)用領(lǐng)域，比如航空航天用到的光伏器件，幾何聚光是具有顯著優(yōu)勢(shì)的。而對(duì)于另外一些應(yīng)用，比如太陽(yáng)能窗戶等，則熒光聚光顯然具有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)�！眳莿P豐總結(jié)說(shuō)。

　　據(jù)介紹，熒光聚光的缺點(diǎn)目前是聚光效率比幾何聚光低很多。從數(shù)據(jù)上看，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%。因此，目前聚光型的光伏裝置里面用的都是幾何聚光。

　　但由于熒光型太陽(yáng)能聚光板由廉價(jià)的聚合物、玻璃和少量的熒光團(tuán)材料構(gòu)成，成本上遠(yuǎn)低于目前主流的太陽(yáng)能面板（比如多晶硅）的。

　　如果聚光效率足夠高，一塊LSC加上邊緣處的少量太陽(yáng)能電池在功能上等同于一整塊大面積的太陽(yáng)能電池，將大大降低光伏產(chǎn)能的成本。吳凱豐指出：“我們進(jìn)行過(guò)一些簡(jiǎn)單的估算，成本可能不超過(guò)1/10。然而，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用真正重要的是類似于性價(jià)比的參數(shù)。這一點(diǎn)，由于LSC目前的效率較低，性價(jià)比相比太陽(yáng)能面板可能僅僅具有微弱優(yōu)勢(shì)。這也是這項(xiàng)技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的原因之一�！�

　　量子裁剪太陽(yáng)能聚光板更神奇

　　為了提高傳統(tǒng)LSC發(fā)光團(tuán)熒光效率，科學(xué)家想到了很多方法。比如對(duì)于有機(jī)染料分子，通過(guò)進(jìn)行基團(tuán)修飾等可以提高熒光效率；或者對(duì)于無(wú)機(jī)納米顆粒（量子點(diǎn)等），進(jìn)行核/殼包覆，也可以顯著提高熒光效率。但無(wú)論如何，這些傳統(tǒng)發(fā)光材料的熒光效率上限就是100%；而吳凱豐團(tuán)隊(duì)通過(guò)量子裁剪的方式，將這個(gè)上限提高到了200%。

　　量子裁剪（quantum cutting）是一種新奇的光學(xué)現(xiàn)象�！盎�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�！眳莿P豐說(shuō)，“而我們知道，一般的發(fā)光材料，無(wú)論吸收何種能量的一個(gè)光子（只要該光子可以激發(fā)材料），都最多只能發(fā)出一個(gè)光子。因此，量子剪裁可以使發(fā)光效率倍增�！�

　　基于量子裁剪效應(yīng)的LSCs理論上可實(shí)現(xiàn)倍增的熒光量子效率（200%），同時(shí)可以完全抑制自吸收損失。吳凱豐解釋說(shuō)：“一般的發(fā)光團(tuán)由于吸收和發(fā)光之間存在較大的光譜重疊，熒光光子在波導(dǎo)過(guò)程中會(huì)損失于自吸收過(guò)程。對(duì)于量子裁剪材料，由于發(fā)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)離材料的吸收位置，幾乎可以完全抑制自吸收損失，這對(duì)LSC效率的提高也是極為關(guān)鍵的。”

　　吳凱豐研究團(tuán)隊(duì)提出，基于量子裁剪效應(yīng)的LSCs內(nèi)部光學(xué)效率可重新定義一個(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)出典型的量子裁剪特征。通過(guò)CsPbCl3納米晶吸收一個(gè)藍(lán)光光子產(chǎn)生激子，再將能量轉(zhuǎn)移給兩個(gè)鐿原子的激發(fā)態(tài)，從而發(fā)出兩個(gè)近紅外光子。動(dòng)力學(xué)測(cè)試表明高效的量子裁剪過(guò)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(guò)進(jìn)一步優(yōu)化器件和提高太陽(yáng)光吸收能力，可在大面積LSCs中突破10%的外部光學(xué)效率。

　　該研究創(chuàng)新性地將鐿摻雜納米晶引入到LSC領(lǐng)域，得到了同行的高度評(píng)價(jià)。關(guān)于未來(lái)的研究方向，吳凱豐表示，CsPbCl3納米晶的吸收主要集中于紫外部分，對(duì)太陽(yáng)光的利用效率太低，團(tuán)隊(duì)目前正在嘗試進(jìn)行材料上的改性以實(shí)現(xiàn)更寬光譜的太陽(yáng)光吸收。其次，CsPbCl3屬于目前廣泛研究的含鉛鈣鈦礦材料，它們的毒性和穩(wěn)定性都是亟須解決的問(wèn)題。

　　“很難預(yù)測(cè)解決這些技術(shù)問(wèn)題具體需要多長(zhǎng)時(shí)間，但我們已經(jīng)看到，含鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性等通過(guò)幾年的研究都得到了巨大的提升，因此，我覺(jué)得應(yīng)該對(duì)該領(lǐng)域持樂(lè)觀態(tài)度�！眳莿P豐說(shuō)。