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【前沿】量子點技術創造新型太陽能玻璃窗

2018-01-08 11:16

美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室基於量子點技術創造出新的雙層太陽能玻璃窗,兩片窗戶分別處理高能和低能光子,隨著尺寸增大,將能以更低成本提高發電效率。
 
如果 20 世紀發明的塑料袋對人類生活起了天翻地覆的作用,那麽在 21 世紀,量子點就像塑料一樣,於材料科學應用方麵起到成本相對便宜的作用。
 
量子點(quantum dot)是半導體材料的納米級粒子,它們因為電子屬性可以被精確設計、在收集太陽光時表現出獨特行為而獲得“人造原子”的稱號。
 
在玻璃窗上塗一層量子點將之變成太陽能窗,聽起來是個簡單的方法,但是存在一個問題:量子點往往會“吞下”能量而不“吐出”,因此新的雙層太陽能玻璃窗除了采用量子點結構外,還依賴了另一種稱為太陽能頻譜分離(solar spectrum splitting)的技術。
 
窗戶分為前層與後層,高度摻雜錳的量子點沉積在前層表麵,負責吸收藍光和紫外光,而當量子點吸收太陽光子時錳離子會被激活,以低於量子點吸收能量的門檻將光發射,使能量較低的光子無法被“重吸收(reabsorption)”,幾乎完全消除量子點自身吸收造成的損失,高能光子也可以產生較高的光電壓,提升整體功率輸出。
 
而摻雜銅銦硒化物的量子點則沉積在後層表麵,負責拾取頻譜上的其他光線。
 
兩片窗戶各自處理高能和低能光子,吸收之後,量子點重新發射更長波長的光,這些光被全內反射現象(注)引導到窗口邊緣,集成在窗框中的太陽能電池接下這一棒,將之收集並轉換成電力。
 
不過,目前研究實驗下的太陽能轉換效率隻有 3.1%,還有待進一步改進。這項研究發布在《Nature Photonics》期刊。
 
注 1:全內反射,又稱全反射(total reflection),是一種光學現象,當光線經過兩個不同折射率的介質時,部份光線會於介質界麵被折射,其餘的則被反射。但當入射角比臨界角大時(光線遠離法線),光線會停止進入另一界麵,反之全部向內反射。
 
注 2:光子頻率越高則能量越高,紫外光、X 光、伽馬射線都屬於高能光子。
 

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