納米技術突破或可實現不可見光的捕捉用於太陽能轉換
上圖所示是在納米晶體中的鉺原子（紅色）通過一種稱為上轉換的過程發射可見光、綠光，這可能有助於改進的太陽能電池的發展，該太陽能電池捕獲了一些先前丟失的太陽能。科學家發現，用染料（藍色和紫色分子在右邊）塗覆粒子可以大大增強這種光轉換性質。圖片來源：伯克利國家實驗室
一個由科學家組成的國際團隊在納米粒子的設計和功能方面取得了突破性的研究，通過將通常被太陽能電池丟失的光轉換成可用的能量，可以使太陽能電池板更有效。
該小組由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家領導，演示了如何用有機染料塗覆微小顆粒，極大地增強了它們捕獲近紅外光的能力，並在可見光光譜中重新發射光。也可以用於生物成像。
一旦他們理解了使染料在納米粒子上用作天線以收集寬範圍光的機制，他們成功地重新設計了納米粒子，以進一步放大粒子的光轉換特性。他們的研究發表在近日的《自然光子學Nature Photonics》雜誌上。
「這些有機染料捕獲近紅外光的大部分光譜，」伯克利實驗室的分子實驗室的科學家Bruce Cohen說，他與分子科學家P. James Schuck（現在在哥倫比亞大學）和Emory Chan共同主持了這項研究。該分子組裝實驗室是一個納米科學研究中心。
「由於近紅外波長的光在太陽能技術中經常被用於聚焦可見光，」Cohen補充道，「並且這些染料敏化的納米粒子有效地將近紅外光轉換成可見光，因此提高了捕捉太陽光譜中大部分被浪費掉的部分，並將其整合到現有的太陽能技術中。」
研究人員發現，染料本身可以將重發光的亮度放大約33000倍，並且它與納米顆粒的相互作用提高了其將光轉換約100倍的效率。
Cohen，Schuck和 Chan Chan已經花費了大概十年的時間進行設計、製造和研究，在這項研究中使用的上轉換納米顆粒（UCNP）。上轉換納米顆粒吸收近紅外光並有效地將其轉化為可見光，這是由於納米晶體中鑭系金屬離子的組合而引起的一種不尋常的特性。2012年的一項研究表明，上轉換納米顆粒表面上的染料顯著增強了粒子的光轉換性能，但其機理仍然是一個謎。
Cohen說：「研究中有很多令人興奮的地方，然後也有很多的困惑。它讓我們很頭暈。」
儘管許多研究人員試圖在接下來的幾年裡重複這項研究，但「很少有人發表相關研究論文，」Chan補充說。「染料在暴露在光下後幾乎立即降解，沒有人確切知道染料是如何與納米粒子表面相互作用的。」
他指出，分子裝配實驗室中的獨特的專門技能和知識的混合，包括理論工作和實驗、化學訣竅和磨練的合成技術，使得最新的研究成為可能。這是這個研究項目無法再別處進行深入研究的原因之一。
由加州大學伯克利分校的博士生David Garfield和分子鑄造項目科學家Nicholas Borys領導的實驗顯示了染料和納米顆粒中鑭系金屬之間的共生效應。
染料與顆粒中鑭系元素的接近增強了被稱為「三重態」的染料狀態的存在，然後更有效地將其能量轉移到鑭系元素。三重態允許更有效地將多個紅外單元（稱為光子）轉換成可見光的單個光子。
研究表明，在染料的光發射和粒子的光吸收測量中的匹配證實了這種三重態的存在，並幫助科學家了解正在工作的東西。
Cohen說：「光譜的峰值（染料發射和nP吸收中）幾乎完全匹配。」
然後，他們發現，通過增迦納米顆粒中鑭系金屬的濃度，從22%到52%，它們可以增加這種三重效應，以改善納米粒子的光轉換性能。
Cohen說：「金屬將染料提升到三重態，這有助於解釋能量轉移的效率和染料的不穩定性，因為三胞胎在空氣中傾向於降解。」
Schuck說，納米顆粒的直徑約為12納米，或十億分之一米，可以潛在地應用於太陽能電池的表面，以幫助它們捕獲更多的光以轉化為電能。
Schuck說：「這些染料作為分子尺度的太陽能聚光器，將近紅外光子的能量注入納米顆粒。」同時，他指出，粒子本身對可見光基本上是透明的，因此它們將允許其他可用光通過。
另一個潛在用途是將納米顆粒引入細胞以幫助標記細胞組分用於光學顯微鏡研究。它們可以用於深部組織成像，例如，光遺傳學——光照控制細胞活動的領域。
Cohen說，為實現這些應用，研究人員需要克服一些障礙，因為它們目前不穩定，並且在氮氣環境中研究以避免暴露於空氣中。
需要更多的研究和開發來評估可能的保護性塗層，例如用於封裝顆粒的不同聚合物。「我們還有更好的設計思路，」他說。
來源：https://phys.org/news/2018-04-nanoparticle-breakthrough-capture-unseen-solar.html
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