新型双层太阳能窗户能够收集太阳能并转换成电能，这一新设计结合了量子点技术和双层结构，能够提高能量转换效率。图片来源：美国洛斯阿拉莫斯国家实验室。

美国光学学会研究员Victor Klimov领导的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员设计了一种面积达230 cm2的太阳能窗原型，巧妙地结合了双层结构和廉价的量子点（QDs）技术，与单窗格模型相比提高了太阳能收集效率。该方案的设计关键在于嵌入上下两个窗格的量子点，能够捕获和重新传输来自太阳光谱不同部分的光子，并保持光子的重新吸收。

发光太阳能聚光器

发光太阳能聚光器（LSCs）俗称“太阳能窗户”。在这种装置中，窗户材料被荧光团或发射材料浸渍，荧光团或发射材料吸收通过窗口的一部分太阳光子，并以不同的波长重新发射出光。窗玻璃则充当二维波导，通过全反射将重新发射的光传播到窗口的边缘，窗户中嵌入的太阳能电池捕获光子，并将其转换为电能。

自20世纪70年代以来，LSC的概念一直存在，但直到最近，研究人员一直在寻找能够以可行的方式捕获和重新释放太阳能的荧光团物质。特别是作为常规工作的染料分子往往只能覆盖小部分太阳光谱，并以极快的速度重新吸收再发射的光子，从而降低了窗户的整体光子捕获效率和功率转换效率。

克服量子点重吸收

然而，在过去的五年里，作为实用太阳能窗户的LSCs因为几种光子技术，尤其是发光量子点技术的发展所带动。这些半导体纳米晶体能够通过化学和粒径的调整来吸收并以不同的波长重新发射，为量子点重吸收提供了一条潜在的途径。

因此近年来，许多使用量子点技术的LSCs进行的实验取得了一定成果。例如，在2017年初，由意大利和美国的联合研究团队设计的单窗格太阳能窗户将2.85％的入射辐射转换为电能，同时在整个可见光谱范围内保持透明。

双层窗

阿拉莫斯国家实验室博士后Kaifeng Wu和Hongbo Li想了解是否还有其他的技术能够提高效率。为此，研究人员专注于分解太阳光谱，特别是在一个叠放的双层玻璃窗上，其中每个窗格将集中于从太阳光的不同波长中吸收可用能量。据研究人员称，这个概念类似于多结太阳能电池，这种太阳能电池结合了不同的半导体材料以有效地捕获太阳光谱的不同部分。

该装置由两块15.24×15.24cm的薄玻璃片组成，由2cm厚的空气层隔开。在上部玻璃层上，研究人员沉积了含有CdZnS基的量子点，该量子点被调谐以吸收相对较高的蓝光和紫外光能量，其吸收波长约为440nm。最重要的是，这些量子点已经用Mn2 +离子进行了化学掺杂，将重新发射的光子推向更长的波长，因此光子能量将低于量子点的吸收范围。

根据研究人员的说法，这有效地使得上层玻璃中的量子点不再重新吸收，从而允许将非常高百分比的再发射光子通过窗口引导至边缘处的太阳能电池中。涂有含CuInSe2基量子点薄膜的底部玻璃层将获得太阳光谱的低能量红外和可见光波段，而不会被顶层发射。

更大的尺寸

阿拉莫斯国家实验室的研究人员在对原型进行的测试中发现，具有高度调谐的量子点的双层设计能够实现比使用相同材料的单层器件高3.1％-50％的能量转换效率。研究人员指出，串联结构的效率增益应该随着窗口尺寸的增加而扩展，对于大于50cm的窗口尺寸，能量转换效率将增加100％或更多。

该研究小组认识到这些设备的潜在用途，不仅仅是在城市建筑物上安装半透明的发电窗户，这也是LSCs一种常见的使用案例，而且在其他应用中也是如此。例如，使用LSCs作为新型能量收集建筑物壁板；作为可以提高现有的常规屋顶光伏电池效率的高效率太阳能聚光器；甚至在外太空中，在诸如轻型光学天线的应用中。Klimov认为，低成本的材料用于新型双层LSCs，将产生更多种类的产品，这提供了一种降低太阳能发电成本的新方法。

来源： https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2018/january/double-paned_solar_windows_crank_up_efficiency/

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