以有機(jī)染料吸收轉(zhuǎn)換紅外光，有效利用日照并提升光轉(zhuǎn)換效率

美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室近日成功在納米粒子有所突破，讓太陽(yáng)能板可更有效的吸收并轉(zhuǎn)換紅外光，大幅提升太陽(yáng)能板光吸收效率。

團(tuán)隊(duì)利用有機(jī)染料(organic dyes)涂層吸收紅外光，并透過(guò)材料重放射(reemit)性能將光轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光譜。根據(jù)其在期刊《Nature Photonics》研究，有機(jī)染料本身可重放射 33,000 倍亮度，因此團(tuán)隊(duì)將材料與納米粒子相互作用，將材料光轉(zhuǎn)換效率提高 100 倍。

伯克利研究所科學(xué)家 Bruce Cohen 表示，當(dāng)今太陽(yáng)能技術(shù)大多以捕捉可見(jiàn)光為主，紅外光時(shí)常被忽略進(jìn)而浪費(fèi)，而該有機(jī)染料可以捕捉大量紅外光，再借由新型染料敏化納米技術(shù)將紅外光有效轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，能大幅提高太陽(yáng)能光吸收效率。

該團(tuán)隊(duì)研究變頻納米粒子(UCNPs)已有十年之久，其在 2012 年的研究指出 UCNPs 上的染料能增強(qiáng)光轉(zhuǎn)換，可吸收兩個(gè)或更多低能量光子并轉(zhuǎn)換成高能量光子，但其機(jī)制一直是個(gè)謎團(tuán)，Cohen 也表示，染料在陽(yáng)光下幾乎會(huì)立刻衰退，因此無(wú)人知曉染料如何與納米粒子相互作用。

而團(tuán)隊(duì)如今已成功破解該謎團(tuán)，UCNPs 是運(yùn)用納米粒子中的鑭系金屬(lanthanide)不尋常特性，將紅外光轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光。加洲大學(xué)柏克萊分校(CAL)博士生 David Garfield 和分子鑄造科學(xué)家 Nicholas Borys 團(tuán)隊(duì)成員實(shí)驗(yàn)表明，染料與鑭系金屬存有共生關(guān)系。

染料對(duì)粒子中鑭系金屬的接近性(proximity)會(huì)增強(qiáng)染料的存在(presence)，該現(xiàn)象被稱(chēng)為三重態(tài)(triplet state)，可更有效的把能量移到金屬上，將許多紅外光子轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光單一光子，且當(dāng)納米粒子中的鑭系金屬濃度從 22% 增加到 52% 時(shí)，可進(jìn)一步增強(qiáng)光轉(zhuǎn)換。

Cohen 指出，研究顯示鑭系金屬會(huì)促使有機(jī)染料進(jìn)入三重態(tài)，而三重態(tài)容易在空氣中衰退，恰好可以解釋能量轉(zhuǎn)移效率和染料為何會(huì)不穩(wěn)定。

目前該研究由于材料不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行，但團(tuán)隊(duì)皆看好染料納米粒子未來(lái)應(yīng)用，分子鑄造科學(xué)家 James Schuck 表示，該有機(jī)染料納米粒子的尺寸約為 12nm，可用于太陽(yáng)能電池表面，讓電池捕獲更多光線。另一用途則是用于生物影像(biological imaging)技術(shù)，借由將納米粒子置入細(xì)胞，可在光學(xué)顯微學(xué)中可標(biāo)記細(xì)胞組成，或是用于深層組織影像跟光遺傳學(xué)，利用光來(lái)控制細(xì)胞活性。