厲害了，這片“荷葉”居然能聚光發(fā)電？

出品：科普中國

制作：禚朗 李學楊

監(jiān)制：中國科普博覽

說起聚光，你可能并不陌生。小時候，大家都玩過放大鏡，轉(zhuǎn)動放大鏡匯聚太陽光，匯聚后的光點可以產(chǎn)生高溫，甚至能夠點燃物體（小孩子可不要玩火哦）。

圖1 放大鏡聚光

（圖片來源：veer圖庫）

類似地，在我國陽光較充足的西藏、青海、四川、云南等地區(qū)，許多家庭利用凹面式太陽灶匯聚太陽光燒水煮飯。

圖2 太陽灶

（圖片來源：作者制作）

事實上，無論是利用放大鏡匯聚太陽光，還是利用凹面式太陽灶匯聚太陽光，用到的都是太陽能聚光技術(shù)中的一個分類——幾何型聚光。除此之外，隨著科技的發(fā)展，科學家又提出了新的聚光概念——發(fā)光型聚光。前者是利用幾何光學的基本原理實現(xiàn)太陽光匯聚，而后者涉及的是光和物質(zhì)的相互作用。

圖3 不同顏色的發(fā)光型太陽能聚光器

（圖片來源：參考文獻[2]）

發(fā)光也是聚光：玩的就是賽博朋克

發(fā)光型太陽能聚光器于1976年首次被提出，作為一種結(jié)構(gòu)相對簡單且能大面積捕獲太陽能的裝置，它由涂覆或鑲嵌著發(fā)光團的透明基底（如玻璃板等）構(gòu)成。發(fā)光團在吸收入射到板上的太陽光子之后發(fā)出新的光子，由于基底和空氣折射率的差別，大約75%的光子會進入全反射模式，進而被波導到板的邊緣，用于激發(fā)貼在邊緣處的太陽能電池，最后實現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為電能。

如果聚光效率足夠高，一塊發(fā)光型太陽能聚光器加上邊緣處的少量太陽能電池，其功能就等同于一整塊大面積的太陽能電池，這將大大降低光伏產(chǎn)能的成本。如果把這種全透明或半透明的發(fā)光型太陽能聚光器直接集成到建筑物的墻體或者窗戶上，就能將現(xiàn)在的耗能型建筑物轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆蛘叱浞掷锰柲?，從而實現(xiàn)能量自給自足的“零耗能智慧建筑”。

圖4 發(fā)光型太陽能聚光器工作原理圖

（圖片來源：作者制作）

不僅如此，五顏六色的聚光器還可以作為一種裝飾點綴在建筑物的外墻以及玻璃上，為單調(diào)的城市增添一抹靚麗的顏色。好家伙，有沒有腦補出科幻電影中的賽博朋克感呢？

圖5 用不同顏色的發(fā)光型太陽能聚光器裝飾的建筑玻璃

（圖片來源：參考文獻[2]）

然而，盡管傳統(tǒng)的發(fā)光型太陽能聚光器有如此多的優(yōu)勢，但是在實際應用方面仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。

首先是傳統(tǒng)的發(fā)光型太陽能聚光器受限于發(fā)光團的聚集誘導淬滅效應以及自吸收等損失，導致器件內(nèi)部光學效率一般小于60%。并且考慮到長期應用在建筑物外觀而隨之產(chǎn)生的風雨侵蝕以及煙塵附著，將會進一步降低聚光器的聚光效率以及使用壽命。

新型發(fā)光團：這片“荷葉”簡直不要太優(yōu)秀

針對上述問題，中國科學院大連化學物理研究所吳凱豐研究團隊通過設計合成具有聚集誘導熒光增強作用的有機化合物（TPA-BT）作為發(fā)光團。與傳統(tǒng)發(fā)光團在固態(tài)時的量子產(chǎn)率比液態(tài)時低的屬性截然不同的是，其在固態(tài)時的量子產(chǎn)率反而比在液態(tài)時還要高，也就是說，當它們從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時，發(fā)光更強，變得更亮。

圖6. TPA-BT分子的光學特性

（圖片來源：參考文獻[1]）

該團隊將這種發(fā)光團均勻地摻入到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基體中，得到了澄清透亮的發(fā)光型太陽能聚光器，并且由于發(fā)光團所具有的聚集誘導熒光增強作用，使得聚光器表現(xiàn)出近乎100%的量子產(chǎn)率。

同時，由于PDMS基體所帶來的密閉效果，使得聚光器表現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性，在戶外應用兩年以上仍然保有70%的量子產(chǎn)率，這也就意味著這種新型的發(fā)光型太陽能聚合器能夠在實際應用中長時間保持高效率的工作狀態(tài)，因而對降低成本、減少更迭次數(shù)具有重要意義。

圖7 聚光器的光學特性

（a）聚光器的吸收以及熒光光譜。插圖為實物照片

（b）在溶液中以及在薄膜中的TPA-BT的時間分辨熒光光譜

（c）聚光器的光穩(wěn)定性測試

（圖片來源：參考文獻[1]）

為了使聚光器具有自清潔作用，避免應用在建筑物外觀時遭受風雨侵蝕及煙塵附著，該團隊通過利用生物仿生的策略，將荷花具有的“出淤泥而不染”的超疏水自清潔作用“嫁接”至聚光器表面，使得該聚光器表面具有了與荷葉表面結(jié)構(gòu)相似的二維準周期微乳突狀結(jié)構(gòu)，進而同樣表現(xiàn)出了超疏水的自清潔作用。

超疏水材料的實驗視頻

（視頻來源：作者提供）

圖8 發(fā)光型太陽能聚光器的疏水性能表征

（a）表面有微乳突狀結(jié)構(gòu)的發(fā)光型太陽能聚光器的氦離子顯微鏡圖片

（b）平面光滑以及表面有微乳突狀結(jié)構(gòu)的發(fā)光型太陽能聚光器的接觸角測試

（圖片來源：參考文獻[1]）

得益于PDMS材料的柔性易加工的特點，使得所制備的發(fā)光型太陽能聚光器可以任意改變尺寸和形狀，進而極大地豐富了發(fā)光型太陽能聚光器的應用場合。

圖9. 該團隊研制的發(fā)光型太陽能聚光器

（圖片來源：參考文獻[1]）

可以說，這項研究成果成功地解決了發(fā)光型太陽能聚光器在實際應用中所面臨的聚光效率低、風雨侵蝕、煙塵附著等問題，為零耗能智慧建筑以及“雙碳”目標的實現(xiàn)做出了重要貢獻，有望在一定程度上解決人類所面臨的環(huán)境和能源危機等問題。

編輯：孫晨宇

參考文獻：

[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:本文相關(guān)成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》上。該工作的第一作者是中科院大連化物所的博士后李學楊，通訊作者是大連化物所的吳凱豐研究員。本工作得到國家自然科學基金等項目的資助。