创新的光收集系统效率极高

发布时间：2024-08-07 16:12:02 栏目：精选百科

导读 为了尽可能高效地将阳光转化为电能或其他形式的能源，第一步就是要有一个高效的采光系统。理想情况下，这应该是全色的，即吸收整个可见光光...

为了尽可能高效地将阳光转化为电能或其他形式的能源，第一步就是要有一个高效的采光系统。理想情况下，这应该是全色的，即吸收整个可见光光谱。



植物和细菌的集光天线就是一个典型例子。它们可以捕捉光谱宽广的光用于光合作用，但结构非常复杂，需要多种染料来传输吸收光的能量并将其聚焦到中心点。

人类迄今为止开发的集光系统也存在缺点：

虽然硅等无机半导体具有全色性，但它们对光的吸收很弱。因此，为了吸收足够的光能，需要非常厚的微米级硅层，这使得太阳能电池相对笨重。

适用于太阳能电池的有机染料要薄得多：其层厚仅为 100 纳米左右。然而，它们几乎无法吸收较宽的光谱范围，因此效率不是特别高。

薄层吸收大量光能

德国巴伐利亚州维尔茨堡朱利叶斯马克西米利安大学 (JMU) 的研究人员在《化学》杂志上发表了一种创新的光收集系统，该系统与之前的系统有很大不同。

“我们的系统具有与无机半导体相似的能带结构。这意味着它能够吸收整个可见光范围内的全色光。它还利用了有机染料的高吸收系数。因此，它可以在相对较薄的层中吸收大量光能，类似于天然的光收集系统，”JMU 化学教授 Frank Würthner 说道。他的团队来自有机化学研究所/纳米系统化学中心，他们设计了 JMU 的光收集系统，并与物理和理论化学研究所的 Tobias Brixner 教授团队一起对其进行了研究。

四种染料的巧妙组合

简单来说，维尔茨堡的创新型集光天线由四种不同的花青染料组成，这些染料折叠在一起，紧密堆叠在一起。分子的精心排列使天线内的能量传输超快、高效。

研究人员将新光收集系统的原型命名为URPB。这些字母代表天线四种染料成分吸收的光波长：U代表紫外线，R代表红色，P代表紫色，B代表蓝色。

通过荧光验证的性能

研究人员通过测量所谓的荧光量子产率证明了他们的新型光收集系统效果很好。这涉及测量系统以荧光形式发射的能量。这可以得出有关它之前收集的光能量的结论。

结果：该系统将宽光谱范围内 38% 的辐射光能转化为荧光，而四种染料单独转化的荧光不到 1%，最多为 3%。因此，染料分子在堆栈中的正确组合和巧妙的空间排列会产生很大的不同。