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“量子裁剪”助力智能建筑:可降低光伏成本

2019-01-10 09:16:18         来源:中科院之声  
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人类对清洁可再生能源的需求日益迫切,进一步突破能量转换效率,助力“智能建筑”,走向“万物互联时代”已是刻不容缓。

近日,中科院大连化物所光电材料动力学特区研究组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。相关成果发表于《纳米快报》(Nano Letters)上。

什么是太阳能聚光板?
什么是太阳能聚光板?

  荧光型太阳能聚光板(Luminescent SolarConcentrators; LSCs)由W。 H。 Weber 等人于 1976 年首次提出,作为硅基太阳能电池的低价补充方案。

  它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。

  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,这将大大降低光伏产能的成本。

  此外,全/半透明的 LSCs 可直接集成到建筑物的窗户玻璃里面成为太阳能窗户,从而将现在的耗能型建筑物转变为在能量上自给自足的产能单元。

“量子裁剪”有何作用?
“量子裁剪”有何作用?

  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%。

  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。因此,理论上可将发色团的荧光量子效率翻倍;同时,由于发光波长远离材料带边位置,可完全抑制发色团的自吸收损失。

“量子裁剪太阳能聚光板”概念提出
“量子裁剪太阳能聚光板”概念提出

  吴凯丰研究团队提出,基于量子裁剪效应的 LSCs 理论上可实现 200% 的荧光量子效率,同时完全抑制自吸收损失,因此,内部光学效率(ηint)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%,表现出典型的量子剪裁特征。动力学测试表明,高效的量子剪裁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(ηext)。

有何实际应用?
有何实际应用?

  该研究首次提出了“量子裁剪太阳能聚光板”概念,在降低光伏成本、实现智能建筑物领域,具有广阔的应用前景。

  例如,城市化进程推进中,市区可用于安装太阳能电池的面积日益减小,但建筑物窗户面积充足。高效率、低成本的 LSC 方案可用于实现全/半透明太阳能窗户。同时,也可将此方案应用于能量上自给自足的“智慧交通”,实现节能减排。

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  此外,LSCs 也可用于温室(greenhouse)大棚领域。研究表明,植物对红光的光合作用效率最高。结合 LSCs 技术构建温室大棚,可优化植物生长,同时发电。

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