以有機染料吸收轉換紅外光,有效利用日照並提升光轉換效率

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 30 日 13:30 | 分類 太陽能 , 能源科技 , 自然科學 follow us in feedly

美國勞倫斯伯克利國家實驗室近日成功在奈米粒子有所突破,讓太陽能板可更有效的吸收並轉換紅外光,大幅提升太陽能板光吸收效率。



團隊利用有機染料(organic dyes)塗層吸收紅外光,並透過材料重放射(reemit)性能將光轉換成可見光譜。根據其在期刊《Nature Photonics》研究,有機染料本身可重放射 33,000 倍亮度,因此團隊將材料與奈米粒子相互作用,將材料光轉換效率提高 100 倍。

伯克利研究所科學家 Bruce Cohen 表示,當今太陽能技術大多以捕捉可見光為主,紅外光時常被忽略進而浪費,而該有機染料可以捕捉大量紅外光,再藉由新型染料敏化奈米技術將紅外光有效轉換成可見光,能大幅提高太陽能光吸收效率。

該團隊研究變頻奈米粒子(UCNPs)已有十年之久,其在 2012 年的研究指出 UCNPs 上的染料能增強光轉換,可吸收兩個或更多低能量光子並轉換成高能量光子,但其機制一直是個謎團,Cohen 也表示,染料在陽光下幾乎會立刻衰退,因此無人知曉染料如何與奈米粒子相互作用。

而團隊如今已成功破解該謎團,UCNPs 是運用奈米粒子中的鑭系金屬(lanthanide)不尋常特性,將紅外光轉換成可見光。加洲大學柏克萊分校(CAL)博士生 David Garfield 和分子鑄造科學家 Nicholas Borys 團隊成員實驗表明,染料與鑭系金屬存有共生關係。

染料對粒子中鑭系金屬的接近性(proximity)會增強染料的存在(presence),該現象被稱為三重態(triplet state),可更有效的把能量移到金屬上,將許多紅外光子轉換成可見光單一光子,且當奈米粒子中的鑭系金屬濃度從 22% 增加到 52% 時,可進一步增強光轉換。

Cohen 指出,研究顯示鑭系金屬會促使有機染料進入三重態,而三重態容易在空氣中衰退,恰好可以解釋能量轉移效率和染料為何會不穩定。

目前該研究由於材料不穩定,實驗測試是在氮氣環境中進行,但團隊皆看好染料奈米粒子未來應用,分子鑄造科學家 James Schuck 表示,該有機染料奈米粒子的尺寸約為 12nm,可用於太陽能電池表面,讓電池捕獲更多光線。另一用途則是用於生物影像(biological imaging)技術,藉由將奈米粒子置入細胞,可在光學顯微學中可標記細胞組成,或是用於深層組織影像跟光遺傳學,利用光來控制細胞活性。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:伯克利國家實驗室