«Мы достигли люминесцентного коэффициента концентрации более 30 с оптической эффективностью 82% для синих фотонов», — говорит директор лаборатории Беркли Пол Аливисатос, который также является заслуженным профессором Samsung в области нанонауки и нанотехнологий в Калифорнийском университете в Беркли. и директор Кавли Энергетического нанонаучного института (ENSI) был соруководителем этого исследования. «Насколько нам известно, это самый высокий коэффициент концентрации люминесценции в литературе на сегодняшний день».Аливисатос и Ральф Нуццо из Университета Иллинойса являются соответствующими авторами статьи в ACS Photonics, описывающей это исследование, под названием «Полость концентратора люминесцентных квантовых точек, демонстрирующая 30-кратную концентрацию».
Ной Бронштейн, член исследовательской группы Alivisatos, является одним из трех ведущих авторов наряду с Юань Яо и Лу Сюй. Другие соавторы — Эрин О’Брайен, Александр Пауэрс и Вивиан Ферри.По данным Министерства энергетики США (DOE), отрасль солнечной энергетики в Соединенных Штатах стремительно растет: количество фотоэлектрических установок выросло с 1,2 гигаватт электроэнергии в 2008 году до 20 с лишним гигаватт сегодня.
Тем не менее, почти 70 процентов электроэнергии, производимой в этой стране, по-прежнему производится из ископаемого топлива. Недорогие альтернативы сегодняшним фотоэлектрическим солнечным панелям необходимы для полной реализации огромных преимуществ солнечной энергии. Одной из многообещающих альтернатив являются люминесцентные солнечные концентраторы (ЛСК).В отличие от обычных солнечных элементов, которые непосредственно поглощают солнечный свет и преобразуют его в электричество, LSC поглощает свет на пластине, на которой размещены высокоэффективные светоизлучатели, называемые «люмофоры», которые затем повторно излучают поглощенный свет на более длинных волнах, процесс, известный как Сдвиг Стокса.
Этот переизлучаемый свет направляется на микро-солнечный элемент для преобразования в электричество. Поскольку пластина намного больше, чем микро-солнечный элемент, солнечная энергия, попадающая на элемент, очень концентрирована.При достаточном коэффициенте концентрации для сбора света от недорогого люминесцентного волновода требуется лишь небольшое количество дорогостоящих фотоэлектрических материалов III-V. Однако коэффициент концентрации и эффективность улавливания молекулярных красителей, которые до сих пор использовались в качестве люмофоров, ограничены паразитными потерями, в том числе квантовыми выходами люмофоров, отличными от единицы, несовершенным захватом света в волноводе, а также реабсорбцией и рассеянием распространяющихся материалов. фотоны.
«Мы заменили молекулярные красители в предыдущих системах LSC на наночастицы ядро ??/ оболочка, состоящие из ядер селенида кадмия (CdSe) и оболочек из сульфида кадмия (CdS), которые увеличивают стоксов сдвиг при одновременном снижении повторного поглощения фотонов», — говорит Бронштейн.«Наночастицы CdSe / CdS позволили нам отделить поглощение от энергии и объема излучения, что, в свою очередь, позволило нам сбалансировать поглощение и рассеяние для получения оптимальных наночастиц», — говорит он. «Использование нами фотонных зеркал, которые тщательно согласованы с узкой полосой пропускания наших люмофоров с квантовыми точками, позволило нам достичь эффективности волновода, превышающей предел, налагаемый полным внутренним отражением».В своей статье ACS Photonics соавторы выражают уверенность в том, что будущие устройства LSC достигнут еще более высоких концентраций за счет улучшений квантового выхода люминесценции, геометрии волновода и конструкции фотонных зеркал.Успех этой системы LSC на основе наночастиц CdSe / CdS привел к партнерству между лабораторией Беркли, Иллинойским университетом, Калифорнийский технологический институт и Национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL) над новым проектом солнечного концентратора.
На недавнем саммите по чистой энергии, состоявшемся в Лас-Вегасе, президент Обама и министр энергетики Эрнест Монис объявили, что это партнерство получит грант в размере 3 миллионов долларов на разработку микрооптического тандема LCS в рамках MOSAIC, новейшей программы Министерства энергетики ARPA-E. MOSAIC — это аббревиатура от «Микромасштабные оптимизированные массивы солнечных элементов с интегрированной концентрацией».