美国劳伦斯伯克利国家实验室近日成功在纳米粒子有所突破,让太阳能板可更有效的吸收并转换红外光,大幅提升太阳能板光吸收效率。
团队利用有机染料(organic dyes)涂层吸收红外光,并透过材料重放射(reemit)性能将光转换成可见光谱。根据其在期刊《Nature Photonics》研究,有机染料本身可重放射 33,000 倍亮度,因此团队将材料与纳米粒子相互作用,将材料光转换效率提高 100 倍。
伯克利研究所科学家 Bruce Cohen 表示,当今太阳能技术大多以捕捉可见光为主,红外光时常被忽略进而浪费,而该有机染料可以捕捉大量红外光,再借由新型染料敏化纳米技术将红外光有效转换成可见光,能大幅提高太阳能光吸收效率。
该团队研究变频纳米粒子(UCNPs)已有十年之久,其在 2012 年的研究指出 UCNPs 上的染料能增强光转换,可吸收两个或更多低能量光子并转换成高能量光子,但其机制一直是个谜团,Cohen 也表示,染料在阳光下几乎会立刻衰退,因此无人知晓染料如何与纳米粒子相互作用。
而团队如今已成功破解该谜团,UCNPs 是运用纳米粒子中的镧系金属(lanthanide)不寻常特性,将红外光转换成可见光。加洲大学柏克莱分校(CAL)博士生 David Garfield 和分子铸造科学家 Nicholas Borys 团队成员实验表明,染料与镧系金属存有共生关系。
染料对粒子中镧系金属的接近性(proximity)会增强染料的存在(presence),该现象被称为三重态(triplet state),可更有效的把能量移到金属上,将许多红外光子转换成可见光单一光子,且当纳米粒子中的镧系金属浓度从 22% 增加到 52% 时,可进一步增强光转换。
Cohen 指出,研究显示镧系金属会促使有机染料进入三重态,而三重态容易在空气中衰退,恰好可以解释能量转移效率和染料为何会不稳定。
目前该研究由于材料不稳定,实验测试是在氮气环境中进行,但团队皆看好染料纳米粒子未来应用,分子铸造科学家 James Schuck 表示,该有机染料纳米粒子的尺寸约为 12nm,可用于太阳能电池表面,让电池捕获更多光线。另一用途则是用于生物影像(biological imaging)技术,借由将纳米粒子置入细胞,可在光学显微学中可标记细胞组成,或是用于深层组织影像跟光遗传学,利用光来控制细胞活性。
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