纳米技术突破或可实现不可见光的捕捉用于太阳能转换

一个由科学家组成的国际团队在纳米粒子的设计和功能方面取得了突破性的研究，通过将通常被太阳能电池丢失的光转换成可用的能量，可以使太阳能电池板更有效。

该小组由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家领导，演示了如何用有机染料涂覆微小颗粒，极大地增强了它们捕获近红外光的能力，并在可见光光谱中重新发射光。也可以用于生物成像。

一旦他们理解了使染料在纳米粒子上用作天线以收集宽范围光的机制，他们成功地重新设计了纳米粒子，以进一步放大粒子的光转换特性。他们的研究发表在近日的《自然光子学Nature Photonics》杂志上。

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上图所示是在纳米晶体中的铒原子（红色）通过一种称为上转换的过程发射可见光、绿光，这可能有助于改进的太阳能电池的发展，该太阳能电池捕获了一些先前丢失的太阳能。科学家发现，用染料（蓝色和紫色分子在右边）涂覆粒子可以大大增强这种光转换性质。图片来源：伯克利国家实验室

“这些有机染料捕获近红外光的大部分光谱，”伯克利实验室的分子实验室的科学家Bruce Cohen说，他与分子科学家P. James Schuck（现在在哥伦比亚大学）和Emory Chan共同主持了这项研究。该分子组装实验室是一个纳米科学研究中心。

“由于近红外波长的光在太阳能技术中经常被用于聚焦可见光，”Cohen补充道，“并且这些染料敏化的纳米粒子有效地将近红外光转换成可见光，因此提高了捕捉太阳光谱中大部分被浪费掉的部分，并将其整合到现有的太阳能技术中。”

研究人员发现，染料本身可以将重发光的亮度放大约33000倍，并且它与纳米颗粒的相互作用提高了其将光转换约100倍的效率。

Cohen，Schuck和 Chan Chan已经花费了大概十年的时间进行设计、制造和研究，在这项研究中使用的上转换纳米颗粒（UCNP）。上转换纳米颗粒吸收近红外光并有效地将其转化为可见光，这是由于纳米晶体中镧系金属离子的组合而引起的一种不寻常的特性。2012年的一项研究表明，上转换纳米颗粒表面上的染料显著增强了粒子的光转换性能，但其机理仍然是一个谜。

Cohen说：“研究中有很多令人兴奋的地方，然后也有很多的困惑。它让我们很头晕。”

尽管许多研究人员试图在接下来的几年里重复这项研究，但“很少有人发表相关研究论文，”Chan补充说。“染料在暴露在光下后几乎立即降解，没有人确切知道染料是如何与纳米粒子表面相互作用的。”

他指出，分子装配实验室中的独特的专门技能和知识的混合，包括理论工作和实验、化学诀窍和磨练的合成技术，使得最新的研究成为可能。这是这个研究项目无法再别处进行深入研究的原因之一。

由加州大学伯克利分校的博士生David Garfield和分子铸造项目科学家Nicholas Borys领导的实验显示了染料和纳米颗粒中镧系金属之间的共生效应。

染料与颗粒中镧系元素的接近增强了被称为“三重态”的染料状态的存在，然后更有效地将其能量转移到镧系元素。三重态允许更有效地将多个红外单元（称为光子）转换成可见光的单个光子。

研究表明，在染料的光发射和粒子的光吸收测量中的匹配证实了这种三重态的存在，并帮助科学家了解正在工作的东西。

Cohen说：“光谱的峰值（染料发射和nP吸收中）几乎完全匹配。”

然后，他们发现，通过增加纳米颗粒中镧系金属的浓度，从22%到52%，它们可以增加这种三重效应，以改善纳米粒子的光转换性能。

Cohen说：“金属将染料提升到三重态，这有助于解释能量转移的效率和染料的不稳定性，因为三胞胎在空气中倾向于降解。”

Schuck说，纳米颗粒的直径约为12纳米，或十亿分之一米，可以潜在地应用于太阳能电池的表面，以帮助它们捕获更多的光以转化为电能。

Schuck说：“这些染料作为分子尺度的太阳能聚光器，将近红外光子的能量注入纳米颗粒。”同时，他指出，粒子本身对可见光基本上是透明的，因此它们将允许其他可用光通过。

另一个潜在用途是将纳米颗粒引入细胞以帮助标记细胞组分用于光学显微镜研究。它们可以用于深部组织成像，例如，光遗传学——光照控制细胞活动的领域。

Cohen说，为实现这些应用，研究人员需要克服一些障碍，因为它们目前不稳定，并且在氮气环境中研究以避免暴露于空气中。

需要更多的研究和开发来评估可能的保护性涂层，例如用于封装颗粒的不同聚合物。“我们还有更好的设计思路，”他说。

原文来源：https://phys.org/news/2018-04-nanoparticle-breakthrough-capture-unseen-solar.html（实验帮译）

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