自家窗戶發電或將成真！
材料牛注：太陽能作為清潔能源一直受到青睞，但是大規模使用時能量密度低、占地面積大且光伏系統造價高一直為人詬病。近期，明尼蘇達大學和米蘭比可卡大學的共同研究——將硅量子點嵌入發光太陽能集熱器——為我們帶來曙光！
窗戶可以直接有效地收集太陽能？這不是天方夜譚！憑借硅的設計這一核心技術，明尼蘇達大學和米蘭比可卡大學的研究者們將這一夢想與現實的距離拉近了。
研究人員開發出一種新技術——將硅量子點嵌入于發光太陽能集熱器（luminescent solar concentrators, LSCs）。LSCs是窗戶有效收集太陽能的關鍵所在。當陽光照射在窗戶表面，一定頻率的太陽光線被LSCs捕獲-引導-收集到透明的塑料板邊緣，進而被安置其中的小型太陽能電池轉化為電能。目前，該成果已發表于期刊Nature Photonics。
盡管大部分集中到硅基發光太陽能集熱器邊界的光是看不到的，但是用包含了大部分紫外線波長的“黑光燈”照射LSCs，我們就可用肉眼觀察到光的聚集效應。
收集太陽能的窗戶——光伏窗，是可再生能源科技領域的處女地，該技術有著廣闊的應用前景。首先，對大都市而言，在不影響原有市容風貌及城市美觀的基礎上可大量增加收集太陽能的建筑面積。其次，配制LSCs的光伏窗無需在其表面增添冗雜的配件。最后，光伏電池隱匿在窗戶框架之中，使得光伏窗與周圍環境完美契合。
將太陽能聚光器與太陽能電池融入到建筑設計中的想法已經誕生了數十年，但是該研究最大的不同是——硅納米顆粒的運用。截至目前，以劇毒金屬元素如鎘、鉛，或者稀有金屬如銦為基礎設計出的相對復雜的納米結構能實現最大的光電轉換效率，這種思想大量應用于其他科技領域。硅元素儲量豐富無毒性。雖然硅可高效吸收不同波段的光，但傳統意義下的塊體硅卻不能發光或者釋放熒光，這不滿足LSCs的設計理念。
Uwe Kortshagen 是明尼蘇達大學機械工程的教授，同時是硅量子點的發明者和該研究的主要帶頭人。他說道：“在我們實驗室，通過特殊的技術將硅晶體做到幾個納米大小——相當于頭發絲直徑的萬分之一。只有幾個納米的硅晶體，性質會發生改變，變成有效的光發射器，更重要的是不會吸收自身產生的熒光。這些特性使得硅量子點成為LSCs推廣應用的理想之選”
硅量子點為這一研究團隊打開了更多前進的大門。Sergio Brovelli 是米蘭比可卡大學的物理教授，該研究的合作者，此外還是Glass to Power公司的合伙人。該公司正為光伏窗的實現致力于LSCs的工業化。他在接受采訪時說：“在過去幾年里，多虧意大利方面做的先驅性工作，使得LSCs技術得到了迅速發展。然而，找到一種用于捕獲和收集太陽光的合適材料仍然是一個巨大的挑戰。現在，硅量子點為解決這一難題提供了可能。”
研究者表示，硅量子點的光學特性以及其與生產集成化LSCs工藝近乎完美的相容性，為制造出價格低廉且能夠收集超過5%的太陽能的光伏窗鋪平了道路。
米蘭比可卡大學的物理教授Francesco Meinardi是文章的第一作者之一。他表示：“這項基于LSCs的光伏窗技術將成為光伏-建筑一體化市場形成的敲門磚。此外，該技術的關鍵——硅量子點，和其他基于稀有材料的納米顆粒相比，沒有潛在的限制條件。”
這種硅納米顆粒的粉體利用等離子體反應器生產得到。“每一個顆粒由少于2000個硅原子組成。將這種粉體制備成一種類似于墨水的溶液，然后嵌入聚合物內制備成柔韌的塑料或形成薄膜涂層。”明尼蘇達大學工學博士生同時作為該研究的另一帶頭人Samantha Ehrenberg說道。
十幾年前，明尼蘇達大學發明了制備硅納米顆粒的工藝，并持有該技術的多項專利。2015年，Kortshagen 與 Brovelli機緣巧合下相見。Brovelli是LSC制備領域的專家，而且提出了很多基于其他納米顆粒體系制備有效LSCs的可行性方法。這次會面使得硅納米顆粒在該領域的潛能得到認可。二人一拍即合，明尼蘇達大學制備硅納米顆粒，意大利的研究人員通過工業方法，將其嵌入高分子中制備出了LSCs，該方法成功了！
Kortshagen表示：“能將這一塵封多年的想法實現，得益于各領域優秀研究者之間的精誠合作。我們精于制備硅納米顆粒，米蘭的合作者們擅長制備這種熒光聚光器。當二者結合時，我們知道會創造出一些新奇的事物”
原文鏈接：Dream of energy-collecting windows Is one step closer to reality.
本文由材料人編輯部月亮提供素材，彭勝攀編譯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。
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