量子点涂层让窗户变身太阳能板,量子裁剪太阳能柔光板有多奇妙

文章来源:北京科普之窗

图片 1洛斯阿拉莫斯国家实验室用量子点涂层让普通玻璃变成太阳能板。

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艳阳天的一扇窗是可用电源发光太阳能聚光器技术取得新突破

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室官方网站12日报道,该实验室高等太阳能光物理中心的研究团队通过向普通玻璃喷涂薄层量子点,获得了一定的太阳能转化效率,从而可以将建筑物中的玻璃窗户变成低成本光伏发电系统。

大连化物所首次提出“量子裁剪太阳能聚光板”概念

艳阳天把任何一扇窗户变成可用的电源,这并非突发奇想,采用量子点的发光太阳能聚光器技术已把这种想法变成了现实。
是窗户,亦是电源
发光太阳能聚光器是一项新兴的捕获阳光的技术,有可能颠覆我们对能源的思考和利用方式。美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室与意大利米兰比可卡大学等单位研究人员组成的联合团队,在最新一期的《自然•纳米技术》杂志上发表了以《采用无重金属胶体状量子点的高效大面积无色发光太阳能聚光器》为题的研究成果。
洛斯阿拉莫斯国家实验室首席研究员维克多•克里莫夫说:“在这种新的设备中,通过窗户的一部分透射光被分散在玻璃窗上的纳米粒子吸收,然后重新发射出人的肉眼看不见的红外波长,这些波被引导到窗户边上的太阳能电池上。”使用这种设计,艳阳天里一扇几乎透明的窗户即会成为一个发电机,可以在大热天为空调提供电力,或者在寒冬给房间里的热水器供电。
既无色,也无毒
2014年4月,这个合作研究团队从理论上证明,应用的复合量子点设备不适合现实世界的应用程序,因为它们是基于有毒的重金属镉制成,并且只能够吸收一小部分的太阳能,这导致了有限的捕光效率,并使集中器上会有深黄色或红色痕迹。
在描述这个新兴的研究时,比可卡大学材料科学系物理学教授弗朗西斯科指出:“为了让这个技术尽快从实验室走出来,到可持续性建筑中充分发挥潜力,就必须实现能够捕获整个太阳光谱的无毒聚光器。”
于是,研究人员更新方法来解决着色的问题。克里莫夫解释说:“新的设备使用了一个复杂的组合物,通常被简称为CISeS,包括铜、硒。重要的是,这些粒子不含任何有毒的金属。
他强调,CISeS的量子点提供了一个统一的太阳光谱覆盖面,从而增加了具有中性色调的窗户,颜色也没有任何失真感。此外,它们发射的近红外光是人的肉眼看不见的,非常适合最常见的基于硅的太阳能电池。
效率高,成本低
这项成果的一个关键优势,是在程序上完全可以与用于装配高质量聚合物窗户的电池铸造的工业方法相媲美。在制造过程中,需要把量子点封装在一个高光学品质的透明聚合物基体内。研究人员使用了一个交叉结合的聚十二基异丁烯酸盐,其属于丙烯酸酯类聚合物,它的长侧链可防止量子点的凝聚,并给它们提供“友好”的环境,以允许其封装到聚合物上而保持量子点光散发的高效特性。
弗朗西斯科说:“我们仍然要保持传输制导发光的关键能力,并且没有吸收的损耗,以弥补与真正窗户尺寸兼容的高光电效率。而审美因素对于一项新兴技术的期望也是至关重要的。”
以前在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的博士后、目前量子点领域的企业家(UbiQD创始人和总裁)亨特•麦克丹尼尔补充说:“剩下的工作是解决降低成本的问题,现在这种材料制造量子点比之前的材料要便宜多了。我们用一类新的低成本、低风险的量子点组成混合物CISeS,克服了对这种技术进行商业部署的一些最大的路障。”
既节能,又环保
意大利研究团队首席研究员塞尔吉奥•布罗维尼说:“对这种量子点太阳能窗户技术,我们只在一年前展示了其可行性,而目前在现实中,中短期内便可以转移到产业中,不仅允许我们把屋顶转变为太阳能发电机,还会改变到城市整体的建筑风格,包括窗户。”
他说:“对于人口密集的城市地区,这是特别重要的,要想收集建筑需要的所有能源,屋顶还是太小了。”该研究团队估计,用此项技术取代摩天大楼不具有电源功能的玻璃,如纽约世界贸易中心(把7.2万平方米分为1.2万扇窗户),这将有可能生成相当于超过350套公寓所需要的能源。
布罗维尼说:“这样的量子点发光太阳能聚光器本身还能够节能,其过滤效果可以减少空调所需要的电力,降低室外阳光照进屋内造成的增温。由此,这项技术能潜在地促使城市朝向零能耗的环保目标迈进。”[责任编辑:WN556]作者:华凌文章来源:中国科技网-科技日报)

人们总是试图用多个相连的太阳能电池模块来捕获落在窗户上的太阳能。“而利用一种机制将捕获的太阳光直接送往窗户边缘的太阳能电池,不仅能大大简化装置,而且成本更低。现在我们做到了。”领导这项研究的纳米技术工程师维克托·克里莫夫说。

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。

克里莫夫团队发现,一种超薄量子点涂层能让普通玻璃变身太阳能板,维持功能长达14年之久,而且能源转化效率现在已经高达1.9%,虽然离实用所需的6%还有差距,但他们能够很快达到这个目标。而且向窗户玻璃喷涂量子点非常容易,只需一台机器将浆状量子点和PVP聚合物喷涂到玻璃上,然后用刮片将其铺开成薄层即可。

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。

克里莫夫团队所用的量子点含有一个砷化镉内核与一个镉锌硫层外壳,并覆盖一层二氧化硅以防外壳层氧化而丧失吸光功能。当太阳光子遇到量子点后,外壳内的电子从共价带跃迁到传导带,留下空穴。电子和空穴同时跳到内核,在那里重新聚合形成光子。在设计中,他们让外壳层只吸收高能光子,这样新光子就会很容易通过内部反射传送到整块玻璃和量子点层,最终到达玻璃边缘,被那里的太阳能电池吸收。

荧光型太阳能聚光板有优势

研究人员表示,新研究证明,量子点等纳米晶体可用来制作大面积和高性价比的收集散射光源的装置,对吸光性和稳定性的相关测试也表明,这类装置与其他太阳能电池相比毫不逊色。这些涂层还能回收再利用,玻璃也是随手可得,正是那些房顶没有足够地方安装太阳能板的高楼大厦的首选。他们接下来会继续调整量子点浓度,以改善吸光特性和转化效率,便于早日投入使用。

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,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,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,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

(原载于《中国科学报》 2019-01-14 第7版 能源化工)

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