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厉害了,这片“荷叶”居然能聚光发电?
科技动态 发布于:2022-12-15 点击数:79 来源:科普中国/互联网

  说起聚光,你可能并不陌生。小时候,大家都玩过放大镜,转动放大镜汇聚太阳光,汇聚后的光点可以产生高温,甚至能够点燃物体(小孩子可不要玩火哦)。

  图1 放大镜聚光

  (图片来源:veer图库)

  类似地,在我国阳光较充足的西藏、青海、四川、云南等地区,许多家庭利用凹面式太阳灶汇聚太阳光烧水煮饭。

  图2 太阳灶

  (图片来源:作者制作)

  事实上,无论是利用放大镜汇聚太阳光,还是利用凹面式太阳灶汇聚太阳光,用到的都是太阳能聚光技术中的一个分类——几何型聚光。除此之外,随着科技的发展,科学家又提出了新的聚光概念——发光型聚光。前者是利用几何光学的基本原理实现太阳光汇聚,而后者涉及的是光和物质的相互作用。

  图3 不同颜色的发光型太阳能聚光器

  (图片来源:参考文献[2])

  发光也是聚光:玩的就是赛博朋克

  发光型太阳能聚光器于1976年首次被提出,作为一种结构相对简单且能大面积捕获太阳能的装置,它由涂覆或镶嵌着发光团的透明基底(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新的光子,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,最后实现将光能转化为电能。

  如果聚光效率足够高,一块发光型太阳能聚光器加上边缘处的少量太阳能电池,其功能就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。如果把这种全透明或半透明的发光型太阳能聚光器直接集成到建筑物的墙体或者窗户上,就能将现在的耗能型建筑物转变为完全或者充分利用太阳能,从而实现能量自给自足的“零耗能智慧建筑”。

  图4 发光型太阳能聚光器工作原理图

  (图片来源:作者制作)

  不仅如此,五颜六色的聚光器还可以作为一种装饰点缀在建筑物的外墙以及玻璃上,为单调的城市增添一抹靓丽的颜色。好家伙,有没有脑补出科幻电影中的赛博朋克感呢?

  图5 用不同颜色的发光型太阳能聚光器装饰的建筑玻璃

  (图片来源:参考文献[2])

  然而,尽管传统的发光型太阳能聚光器有如此多的优势,但是在实际应用方面仍然面临很大的挑战。

  首先是传统的发光型太阳能聚光器受限于发光团的聚集诱导淬灭效应以及自吸收等损失,导致器件内部光学效率一般小于60%。并且考虑到长期应用在建筑物外观而随之产生的风雨侵蚀以及烟尘附着,将会进一步降低聚光器的聚光效率以及使用寿命。

  新型发光团:这片“荷叶”简直不要太优秀

  针对上述问题,中国科学院大连化学物理研究所吴凯丰研究团队通过设计合成具有聚集诱导荧光增强作用的有机化合物(TPA-BT)作为发光团。与传统发光团在固态时的量子产率比液态时低的属性截然不同的是,其在固态时的量子产率反而比在液态时还要高,也就是说,当它们从液态变为固态时,发光更强,变得更亮。

  图6. TPA-BT分子的光学特性

  (图片来源:参考文献[1])

  该团队将这种发光团均匀地掺入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体中,得到了澄清透亮的发光型太阳能聚光器,并且由于发光团所具有的聚集诱导荧光增强作用,使得聚光器表现出近乎100%的量子产率。

  同时,由于PDMS基体所带来的密闭效果,使得聚光器表现出优异的光稳定性,在户外应用两年以上仍然保有70%的量子产率,这也就意味着这种新型的发光型太阳能聚合器能够在实际应用中长时间保持高效率的工作状态,因而对降低成本、减少更迭次数具有重要意义。

  图7 聚光器的光学特性

  (a)聚光器的吸收以及荧光光谱。插图为实物照片

  (b)在溶液中以及在薄膜中的TPA-BT的时间分辨荧光光谱

  (c)聚光器的光稳定性测试

  (图片来源:参考文献[1])

  为了使聚光器具有自清洁作用,避免应用在建筑物外观时遭受风雨侵蚀及烟尘附着,该团队通过利用生物仿生的策略,将荷花具有的“出淤泥而不染”的超疏水自清洁作用“嫁接”至聚光器表面,使得该聚光器表面具有了与荷叶表面结构相似的二维准周期微乳突状结构,进而同样表现出了超疏水的自清洁作用。

  图8 发光型太阳能聚光器的疏水性能表征

  (a)表面有微乳突状结构的发光型太阳能聚光器的氦离子显微镜图片

  (b)平面光滑以及表面有微乳突状结构的发光型太阳能聚光器的接触角测试

  (图片来源:参考文献[1])

  得益于PDMS材料的柔性易加工的特点,使得所制备的发光型太阳能聚光器可以任意改变尺寸和形状,进而极大地丰富了发光型太阳能聚光器的应用场合。

  图9. 该团队研制的发光型太阳能聚光器

  (图片来源:参考文献[1])

  可以说,这项研究成果成功地解决了发光型太阳能聚光器在实际应用中所面临的聚光效率低、风雨侵蚀、烟尘附着等问题,为零耗能智慧建筑以及“双碳”目标的实现做出了重要贡献,有望在一定程度上解决人类所面临的环境和能源危机等问题。

  编辑:孙晨宇

  参考文献:

  [1] Li X, Qi J, Zhu J, et al. Low-Loss, High-Transparency Luminescent Solar Concentrators with a Bioinspired Self-Cleaning Surface[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2022, 13: 9177-9185.

  [2] Debije M G, Verbunt P P C. Thirty years of luminescent solar concentrator research: solar energy for the built environment[J]. Advanced Energy Materials, 2012, 2(1): 12-35.

  注:本文相关成果发表在国际权威期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》上。该工作的第一作者是中科院大连化物所的博士后李学杨,通讯作者是大连化物所的吴凯丰研究员。本工作得到国家自然科学基金等项目的资助。