近日，中科院大連化物所光電材料動力學特區研究組吳凱豐團隊基于稀土金屬鐿摻雜的納米晶材料，首次提出“量子裁剪太陽能聚光板”概念，并基于該概念，制備了高效率太陽能聚光板原型器件。相關成果發表于《納米快報》（Nano Letters）上。

什么是太陽能聚光板？

　　熒光型太陽能聚光板（Luminescent SolarConcentrators； LSCs）由W。 H。 Weber等人于1976年首次提出，作為硅基太陽能電池的低價補充方案。

　　它是一種結構相對簡單的大面積太陽能捕獲裝置，由發光團通過涂覆或鑲嵌于透明基底（如玻璃板等）構成。發光團在吸收入射到板上的太陽光子之后發出光子，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，用于激發貼在邊緣處的太陽能電池，從而實現將光能轉化為電能。

　　如果聚光效率足夠高，一塊LSC加上邊緣處的少量太陽能電池在功能上等同于一整塊大面積的太陽能電池，這將大大降低光伏產能的成本。

　　此外，全/半透明的LSCs可直接集成到建筑物的窗戶玻璃里面成為太陽能窗戶，從而將現在的耗能型建筑物轉變為在能量上自給自足的產能單元。

“量子裁剪”有何作用？

　　傳統的LSCs受限于發光團較低的熒光效率（通常小于80%），以及自吸收損失，導致器件內部光學效率一般小于60%。

　　量子裁剪（quantum cutting）是一種新奇的光學現象，基于該效應的材料可吸收一個高能光子，同時釋放兩個低能光子，滿足能量守恒的基本物理規律。因此，理論上可將發色團的熒光量子效率翻倍；同時，由于發光波長遠離材料帶邊位置，可完全抑制發色團的自吸收損失。

“量子裁剪太陽能聚光板”概念提出

　　吳凱豐研究團隊提出，基于量子裁剪效應的LSCs理論上可實現200%的熒光量子效率，同時完全抑制自吸收損失，因此，內部光學效率（ηint）可重新定義一個新的理論極限為150%。研究團隊合成了稀土金屬鐿摻雜的CsPbCl3納米晶，發現其熒光效率高達164%，表現出典型的量子剪裁特征。動力學測試表明，高效的量子剪裁過程發生于皮秒級別。

　　采用此類納米晶制備出原型的量子裁剪LSCs，實現了約120%的器件內部光學效率?？深A期的是，通過進一步優化器件和提高太陽光吸收能力，可在大面積LSCs中突破10%的外部光學效率（ηext）。

有何實際應用？

　　該研究首次提出了“量子裁剪太陽能聚光板”概念，在降低光伏成本、實現智能建筑物領域，具有廣闊的應用前景。

　　例如，城市化進程推進中，市區可用于安裝太陽能電池的面積日益減小，但建筑物窗戶面積充足。高效率、低成本的LSC方案可用于實現全/半透明太陽能窗戶。同時，也可將此方案應用于能量上自給自足的“智慧交通”，實現節能減排。

　　此外，LSCs也可用于溫室（greenhouse）大棚領域。研究表明，植物對紅光的光合作用效率最高。結合LSCs技術構建溫室大棚，可優化植物生長，同時發電。