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量子點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)造新型太陽能玻璃窗

2018-01-08 來源:CINNO

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中玻網(wǎng)】美國(guó)洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于量子點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)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,隨著尺寸加大,將能以更低成本提高發(fā)電效率。

  如果20世紀(jì)發(fā)明的塑料袋對(duì)人類生活起了天翻地覆的作用,那么在21世紀(jì),量子點(diǎn)就像塑料一樣,于材料科學(xué)應(yīng)用方面起到成本相對(duì)便宜的作用。

  量子點(diǎn)(quantum dot)是半導(dǎo)體材料的納米級(jí)粒子,它們因?yàn)殡娮訉傩钥梢员粶?zhǔn)確設(shè)計(jì)、在收集太陽光時(shí)表現(xiàn)出獨(dú)特行為而獲得“人造原子”的稱號(hào)。

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  在玻璃窗上涂一層量子點(diǎn)將之變成太陽能窗,聽起來是個(gè)簡(jiǎn)單的方法,但是存在一個(gè)問題:量子點(diǎn)往往會(huì)“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(diǎn)結(jié)構(gòu)外,還依賴了另一種稱為太陽能頻譜分離(solar spectrum splitting)的技術(shù)。

  窗戶分為前層與后層,高度摻雜錳的量子點(diǎn)沉積在前層表面,負(fù)責(zé)吸收藍(lán)光和紫外光,而當(dāng)量子點(diǎn)吸收太陽光子時(shí)錳離子會(huì)被激活,以低于量子點(diǎn)吸收能量的檻將光發(fā)射,使能量較低的光子無法被“重吸收(reabsorption)”,幾乎完全清理量子點(diǎn)自身吸收造成的損失,高能光子也可以產(chǎn)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(diǎn)則沉積在后層表面,負(fù)責(zé)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,吸收之后,量子點(diǎn)重新發(fā)射更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光,這些光被全內(nèi)反射現(xiàn)象(注)引導(dǎo)到窗口邊緣,集成在窗框中的太陽能電池接下這一棒,將之收集并轉(zhuǎn)換成電力。

  不過,目前研究實(shí)驗(yàn)下的太陽能轉(zhuǎn)換效率只有3.1%,還有待進(jìn)一步改進(jìn)。這項(xiàng)研究發(fā)布在《Nature Photonics》期刊。

  注1:全內(nèi)反射,又稱全反射(total reflection),是一種光學(xué)現(xiàn)象,當(dāng)光線經(jīng)過兩個(gè)不同折射率的介質(zhì)時(shí),部份光線會(huì)于介質(zhì)界面被折射,其余的則被反射。但當(dāng)入射角比臨界角大時(shí)(光線遠(yuǎn)離法線),光線會(huì)停止進(jìn)入另一界面,反之全部向內(nèi)反射。

  注2:光子頻率越高則能量越高,紫外光、X光、伽馬射線都屬于高能光子。

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