基於量子點技術的雙層太陽能窗，分工合作處理高、低能光子
2018-01-05
美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實驗室基於量子點技術創造出新的雙層太陽能玻璃窗，兩片窗戶分別處理高能和低能光子，隨著尺寸增大，將能以更低成本提高發電效率。
如果 20 世紀發明的塑膠袋對人類生活起了天翻地覆的作用，那麼在 21 世紀，量子點就像塑料一樣，於材料科學應用方面起到成本相對便宜的作用。
量子點（quantum dot）是半導體材料的奈米級粒子，它們因為電子屬性可以被精確設計、在收集太陽光時表現出獨特行為而獲得「人造原子」的稱號。
在玻璃窗上塗一層量子點將之變成太陽能窗，聽起來是個簡單的方法，但是存在一個問題：量子點往往會吞下能量而不吐出，因此新的雙層太陽能玻璃窗除了採用量子點結構外，還依賴了另一種稱為太陽能頻譜分離（solar spectrum splitting）的技術。
窗戶分為前層與後層，高度摻雜錳的量子點沉積在前層表面，負責吸收藍光和紫外光，而當量子點吸收太陽光子時錳離子會被激活，以低於量子點吸收能量的門檻將光發射，使能量較低的光子無法被「重吸收（reabsorption）」，幾乎完全消除量子點自身吸收造成的損失，高能光子也可以產生較高的光電壓，提升整體功率輸出。
而摻雜銅銦硒化物的量子點則沉積在後層表面，負責拾取頻譜上的其他光線。
兩片窗戶各自處理高能和低能光子，吸收之後，量子點重新發射更長波長的光，這些光被全內反射現象（註）引導到窗口邊緣，集成在窗框中的太陽能電池接下這一棒，將之收集並轉換成電力。
不過，目前研究實驗下的太陽能轉換效率只有 3.1%，還需等進一步改進後，你才能詢問這些奇特的新窗戶。這項研究發表在《Nature Photonics》期刊。
註 1：全內反射，又稱全反射（total reflection），是一種光學現象，當光線經過兩個不同折射率的介質時，部份光線會於介質界面被折射，其餘的則被反射。但當入射角比臨界角大時（光線遠離法線），光線會停止進入另一介面，反之全部向內反射。
註 2：光子頻率越高則能量越高，紫外光、X 光、伽馬射線都屬於高能光子。
◎資料來源：科技新報
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