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量子点双层太阳能窗,分工合作处理高/低能光子

北极蚊子 2018-1-4 16:18

美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室基于量子点技术创造出新的双层太阳能玻璃窗,两片窗户分别处理高能和低能光子,随着尺寸增大,将能以更低成本提高发电效率。

如果 20 世纪发明的塑料袋对人类生活起了天翻地覆的作用,那么在 21 世纪,量子点就像塑料一样,于材料科学应用方面起到成本相对便宜的作用。

量子点(quantum dot)是半导体材料的纳米级粒子,它们因为电子属性可以被精确设计、在收集太阳光时表现出独特行为而获得“人造原子”的称号。

在玻璃窗上涂一层量子点将之变成太阳能窗,听起来是个简单的方法,但是存在一个问题:量子点往往会吞下能量而不吐出,因此新的双层太阳能玻璃窗除了采用量子点结构外,还依赖了另一种称为太阳能频谱分离(solar spectrum splitting)的技术。

窗户分为前层与后层,高度掺杂锰的量子点沉积在前层表面,负责吸收蓝光和紫外光,而当量子点吸收太阳光子时锰离子会被激活,以低于量子点吸收能量的门槛将光发射,使能量较低的光子无法被“重吸收(reabsorption)”,几乎完全消除量子点自身吸收造成的损失,高能光子也可以产生较高的光电压,提升整体功率输出。

而掺杂铜铟硒化物的量子点则沉积在后层表面,负责拾取频谱上的其他光线。

两片窗户各自处理高能和低能光子,吸收之后,量子点重新发射更长波长的光,这些光被全内反射现象(注)引导到窗口边缘,集成在窗框中的太阳能电池接下这一棒,将之收集并转换成电力。

不过,目前研究实验下的太阳能转换效率只有 3.1%,还需等进一步改进后,你才能询问这些奇特的新窗户。这项研究发布在《Nature Photonics》期刊。

注 1:全内反射,又称全反射(total reflection),是一种光学现象,当光线经过两个不同折射率的介质时,部份光线会于介质界面被折射,其余的则被反射。但当入射角比临界角大时(光线远离法线),光线会停止进入另一界面,反之全部向内反射。 注 2:光子频率越高则能量越高,紫外光、X 光、伽马射线都属于高能光子。

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(首图来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室)

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