美国研究人员开发出新型染色纳米颗粒，可将红外光转换为可见光
2018-04-29 16:24:29 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）的研究人员已经开发出一种方法，使用涂覆特殊有机染色剂的纳米粒子将近红外光转换成可见光，这可以帮助太阳能电池捕获更多的光谱能量。
上图为上传换纳米颗粒的艺术特写，该纳米颗粒吸收红外光后，铒原子（红色）将其转换为可见绿色光发射出去，蓝色和紫色分子为改善其功能的染色剂（来源：Berkeley Lab）
为了尽可能地从太阳能中获取更多的能量，我们需要不断提高太阳能电池的效率。目前，大多数太阳能技术仅捕获可见光能量，这意味着会浪费其余的光谱能量。据麦姆斯咨询报道，Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）的研究人员已经开发出一种方法，使用涂覆特殊有机染色剂的纳米粒子将近红外光转换成可见光，这可以帮助太阳能电池捕获更多的光谱能量。
这种粒子本身被称为上转换纳米颗粒（upconverting nanoparticles，UCNPs），它们是含有镧系元素（如镱和铒）的金属离子。前者吸收近红外光并将其传递给后者，后者将其转换为可见绿光后放出。后来研究发现，用特殊染色剂涂布UCNP可以进一步改善这种功能，尽管目前还没有弄清楚发生这种现象的机理。
“这些染色剂在光照下几乎立即就会降解，还没有人确切地了解这些染色剂与纳米颗粒表面的相互作用，”该研究的共同作者Emory Chan说。
现在，伯克利实验室的科学家声称已经明确了相关机理，并利用该机理设计了功能更好的系统。研究小组发现，纳米颗粒中的镧系元素会使染色剂分子进入一种三重态，从而将多个红外光子合并为单个可见光光子，进而更高效地将能量传递给镧系元素。
“这种染色剂扮演了一种分子尺度的太阳能聚光器，将近红外光子的能量引入了纳米颗粒，”该研究的共同作者P. James Schuck说。
通过观察染色剂分子的光发射和UCNP的吸收，显示两个测量峰一致，揭示了这些纳米颗粒的作用机制。
基于该发现，研究人员设计了新的UCNP，以更好地利用这种三重态的优势。在将粒子中镧系元素的浓度从22%提高到52%之后，研究团队发现他们新染色的UCNP比没有染色时亮33000倍，效率高100倍。
不过遗憾的是，这种染色剂仍然非常不稳定，这些试验都需要保持在惰性的氮气环境中进行。进一步研究将主要针对UCNP保护涂层的开发。
研究人员表示，一旦稳定性问题得到解决，这种颗粒可用于帮助太阳能电池收集更多的光谱能量。由于这种纳米颗粒对于可见光是完全透明的，因此可以在常规太阳能电池表面涂覆一层这种纳米颗粒。
“这些有机染色剂可以捕获宽泛的近红外光谱，”该研究的共同作者Bruce Cohen说，“由于此前专注于可见光的太阳能技术没有利用近红外波长的光，而这些经染色剂敏化的纳米颗粒可以有效地将近红外光转换为可见光，因此它们提高了收集更大比例太阳光谱的可能性，避免了此前的能量浪费，此外它们可以很方便地整合到现有的太阳能技术中。”
此外，这种纳米颗粒还可以应用于生物成像光遗传学系统。
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