近日，一種新興的太陽能轉(zhuǎn)化設(shè)備——發(fā)光太陽能聚光器走進了人們的視野，該設(shè)備能讓一扇幾乎透明的窗戶成為發(fā)電機，為人們提供能源。而其最近在技術(shù)上的一項突破使得其環(huán)境毒性大幅度降低，提升了捕光效率并改善了顏色失真問題。這項技術(shù)突破使得發(fā)光太陽能聚光器技術(shù)的市場化運營成為了可能，未來將勢必走進人們的身邊。
艷陽天把任何一扇窗戶變成可用的電源，這并非突發(fā)奇想，采用量子點的發(fā)光太陽能聚光器技術(shù)已把這種想法變成了現(xiàn)實。
是窗戶，亦是電源
發(fā)光太陽能聚光器（LSC）是一項新興的捕獲陽光的技術(shù)，有可能顛覆我們對能源的思考和利用方式。美國能源部洛斯阿拉莫斯國家實驗室與意大利米蘭比可卡大學等單位研究人員組成的聯(lián)合團隊，在最新一期的《自然·納米技術(shù)》雜志上發(fā)表了以《采用無重金屬膠體狀量子點的高效大面積無色發(fā)光太陽能聚光器》為題的研究成果。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室首席研究員維克多·克里莫夫說：“在這種新的設(shè)備中，通過窗戶的一部分透射光被分散在玻璃窗上的納米粒子（半導體量子點）吸收，然后重新發(fā)射出人的肉眼看不見的紅外波長，這些波被引導到窗戶邊上的太陽能電池上。”使用這種設(shè)計，艷陽天里一扇幾乎透明的窗戶即會成為一個發(fā)電機，可以在大熱天為空調(diào)提供電力，或者在寒冬給房間里的熱水器供電。
既無色，也無毒
2014年4月，這個合作研究團隊從理論上證明，應用的復合量子點設(shè)備不適合現(xiàn)實世界的應用程序，因為它們是基于有毒的重金屬鎘制成，并且只能夠吸收一小部分的太陽能，這導致了有限的捕光效率，并使集中器上會有深黃色或紅色痕跡。
在描述這個新興的研究時，比可卡大學材料科學系物理學教授弗朗西斯科指出：“為了讓這個技術(shù)盡快從實驗室走出來，到可持續(xù)性建筑中充分發(fā)揮潛力，就必須實現(xiàn)能夠捕獲整個太陽光譜的無毒聚光器。”
于是，研究人員更新方法來解決著色的問題。克里莫夫解釋說：“新的設(shè)備使用了一個復雜的組合物，通常被簡稱為CISeS，包括銅（Cu）、銦（In）、硒（Se）和硫（S）。重要的是，這些粒子不含任何有毒的金屬。
他強調(diào)，CISeS的量子點提供了一個統(tǒng)一的太陽光譜覆蓋面，從而增加了具有中性色調(diào)的窗戶，顏色也沒有任何失真感。此外，它們發(fā)射的近紅外光是人的肉眼看不見的，非常適合最常見的基于硅的太陽能電池。
效率高，成本低
這項成果的一個關(guān)鍵優(yōu)勢，是在程序上完全可以與用于裝配高質(zhì)量聚合物窗戶的電池鑄造的工業(yè)方法相媲美。在制造過程中，需要把量子點封裝在一個高光學品質(zhì)的透明聚合物基體內(nèi)。研究人員使用了一個交叉結(jié)合的聚十二基異丁烯酸鹽，其屬于丙烯酸酯類聚合物，它的長側(cè)鏈可防止量子點的凝聚，并給它們提供“友好”的環(huán)境，以允許其封裝到聚合物上而保持量子點光散發(fā)的高效特性。
弗朗西斯科說：“我們?nèi)匀灰３謧鬏斨茖Оl(fā)光的關(guān)鍵能力，并且沒有吸收的損耗，以彌補與真正窗戶尺寸兼容的高光電效率。而審美因素對于一項新興技術(shù)的期望也是至關(guān)重要的。”
以前在洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作的博士后、目前量子點領(lǐng)域的企業(yè)家（UbiQD創(chuàng)始人和總裁）亨特·麥克丹尼爾補充說：“剩下的工作是解決降低成本的問題，現(xiàn)在這種材料制造量子點比之前的材料要便宜多了。我們用一類新的低成本、低風險的量子點組成混合物CISeS，克服了對這種技術(shù)進行商業(yè)部署的一些最大的路障。”
既節(jié)能，又環(huán)保
意大利研究團隊首席研究員塞爾吉奧·布羅維尼說：“對這種量子點太陽能窗戶技術(shù)，我們只在一年前展示了其可行性，而目前在現(xiàn)實中，中短期內(nèi)便可以轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)中，不僅允許我們把屋頂轉(zhuǎn)變?yōu)樘柲馨l(fā)電機，還會改變到城市整體的建筑風格，包括窗戶。”
他說：“對于人口密集的城市地區(qū)，這是特別重要的，要想收集建筑需要的所有能源，屋頂還是太小了。”該研究團隊估計，用此項技術(shù)取代摩天大樓不具有電源功能的玻璃，如紐約世界貿(mào)易中心（把7.2萬平方米分為1.2萬扇窗戶），這將有可能生成相當于超過350套公寓所需要的能源。
布羅維尼說：“這樣的量子點發(fā)光太陽能聚光器本身還能夠節(jié)能，其過濾效果可以減少空調(diào)所需要的電力，降低室外陽光照進屋內(nèi)造成的增溫。由此，這項技術(shù)能潛在地促使城市朝向零能耗的環(huán)保目標邁進。”