澳大利亞新南威爾士大學(xué)科學(xué)家攻克了固態(tài)上轉(zhuǎn)換器件長期存在的難題。這類器件可將低能光子轉(zhuǎn)化為高能光子。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—光子學(xué)》，該成果能夠減少太陽能在轉(zhuǎn)化為電能前的能量損耗，進(jìn)而提升光伏系統(tǒng)的工作性能。
固態(tài)上轉(zhuǎn)換器件 圖源：新南威爾士大學(xué)
該論文第一作者、新南威爾士大學(xué)研究員Thilini Ishwara表示：“光伏系統(tǒng)吸收太陽光光子，再將光能轉(zhuǎn)化為電能。我們希望光伏系統(tǒng)能夠盡可能多地吸收太陽光�！�
商用晶體硅太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜下的效率僅為15%至20%，部分原因就在于低能光子發(fā)生能量損耗。
“光伏系統(tǒng)無法吸收低能光子，這類光子會(huì)直接穿透電池，造成能量浪費(fèi)�！盜shwara說。
在太陽能電池后方增設(shè)一層上轉(zhuǎn)換層，可將原本被浪費(fèi)的近紅外光子轉(zhuǎn)化為能量更高的可見光光子。這些高能光子會(huì)被反射回太陽能電池內(nèi)部，以此提升電池發(fā)電效率。
Ishwara表示，想要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，上轉(zhuǎn)換層必須采用固態(tài)結(jié)構(gòu)。但固態(tài)上轉(zhuǎn)換器件存在一大缺陷：轉(zhuǎn)化效率偏低。
“經(jīng)過上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的高能光能，會(huì)被上轉(zhuǎn)換器件自身再次吸收，進(jìn)而造成能量損失�！盜shwara解釋道�！昂唵蝸碚f，我們找到了一種能夠阻止該類能量損耗的方法�！�
上轉(zhuǎn)換器件主要由兩種材料構(gòu)成：敏化劑與發(fā)光體。
這款新型上轉(zhuǎn)換薄膜采用一種全新設(shè)計(jì)的分子作為發(fā)光體，該分子被稱作液態(tài)三重態(tài)融合介質(zhì)。這種材料填充在氧化鋁納米支架的孔隙中，而敏化劑分子則附著在納米支架表面。
Ishwara介紹了工作原理：“首先，敏化劑分子吸收一枚低能光子，隨后能量被傳遞至第二種材料，也就是三重態(tài)融合介質(zhì)。能量會(huì)以低能激發(fā)態(tài)的形式在三重態(tài)融合介質(zhì)中聚集。兩個(gè)此類低能激發(fā)態(tài)相互結(jié)合，便可生成一個(gè)高能激發(fā)態(tài)�！�
該高能激發(fā)態(tài)會(huì)釋放出一枚光子并回歸常態(tài)，這枚光子的能量高于此前被吸收的兩枚低能光子。
“從理論上限來看，統(tǒng)計(jì)敏化劑吸收的低能光子數(shù)量，以及最終生成的高能光子數(shù)量，最高轉(zhuǎn)化效率僅能達(dá)到50%，因?yàn)樵撨^程遵循二合一的轉(zhuǎn)化規(guī)律。”Ishwara說。
但在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)固態(tài)上轉(zhuǎn)換器件的光子絕對上轉(zhuǎn)換效率僅約1%。這是由于高能激發(fā)態(tài)具有極強(qiáng)的移動(dòng)特性。
“這種高能激發(fā)態(tài)會(huì)快速傳遞能量，四處躍遷，最終被敏化劑重新吸收�！盜shwara解釋道。
“在我們研發(fā)的這種新型三重態(tài)融合介質(zhì)中，高能激發(fā)態(tài)會(huì)與同介質(zhì)內(nèi)的其他分子發(fā)生相互作用，自身能量小幅降低。在此狀態(tài)下，激發(fā)態(tài)變得更加穩(wěn)定，無法快速傳遞能量、被重新吸收，存在時(shí)長也隨之增加�！盜shwara說。
研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型器件，其光子絕對上轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.2%。
該研究成果除應(yīng)用于光伏系統(tǒng)外，還可為其他領(lǐng)域的上轉(zhuǎn)換技術(shù)提供參考，例如利用光催化分解水制取氫燃料。
“光催化劑主要吸收太陽光中的紫外光，其余波段光線都會(huì)被浪費(fèi)。人們可以借助上轉(zhuǎn)換器件將可見光轉(zhuǎn)化為紫外光，我們的研究團(tuán)隊(duì)也正在開展這一方向的相關(guān)探索�！盜shwara補(bǔ)充道。
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