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將太陽光由綠轉藍

2011/02/10 | |

Original publish date:Oct 14, 2006

編輯 tslim 報導

德國研究人員利用上轉換(up-conversion)的機制來提昇太陽光的頻率,也就是將綠光轉換成藍光。

上轉換的過程通常只要使用較高功率的雷射就可以很容易達成,但是在此之前還沒有人可以使用太陽光之類的隨機光源就能做到。因此在2006年十月六日的Physical Review Letters裡所發表的這個成果,將可用來有效地增加太陽能電池的效率,因為它可以將低頻率的太陽光"回收"到較高頻率範圍以再利用。

很多的物質都會發螢光,這個過程是將入射的光下轉換(down-conversion)成頻率較低的光,也就是吸收入射光到激發態,然後再由激發態掉回基態而放出光。而一般上轉換的過程是比較少發生,因為那需要兩個或多個低頻率的光子一起被ㄧ個分子吸收。也就是被激發而處在激發態的分子又再吸收了另一個光子。這些一起被吸收的光子會將分子激發到較高的量子態,然後當分子再落回激態時,就會放出比入射的光的頻率還要高將近兩倍的光。這種多重吸收的效應必須幾乎要"同時",也就是在被激發的分子還沒掉回基態前就必須再被激發一次,因此必須要有很高的光子密度才能達到。研究小組成員Max-Planck Institute for Polymer Research in Mainz, Germany的Stanislav Baluschev表示,而這樣的條件通常只有可以提供比太陽光高將近幾百萬倍強度的雷射光才能達成。

而Baluschev及其同僚設計了一個替代方案來達成上轉換,這個方案可以在使用較低強度的光源下即可達成上轉換過程。此方案不再設法增加單ㄧ個分子內的光子數,取而代之的,研究人員使用兩個分子,每個分子各可以儲存一個光子的能量,然後再相加。在先前的工作,研究小組已經展示了這個機制可以上轉換強度較弱的雷射光。而在本工作中,他們再進ㄧ步做改良,使得它可以轉換隨機光源。在使用太陽光做展示時,他們用濾光片將綠光過濾出來然後將其聚焦,其強度大約是一般太陽光的一百倍。研究人員從他們的液態"上轉換器"裡可以得到藍色光的光譜。

研究人員是將可吸收綠光的感光劑(sensitizer)與會發藍光的高分子混合在溶液裏。感光劑是環形的分子,具有鈀原子的核心,可以將吸收的光子能量鎖在生命期較長的激發態,也就是三重態(triplet)。雖然目前對其機制尚未完全了解,但是感光劑的一些三重態可以將它們的能量傳給負責發光的分子,因此就產生較為持久的三重態發光子。Baluschev說,它們可以存活五毫秒,這個時間對其他的激發態來說可以算是"永遠"了。假如兩個這樣的三重態發光子在溶液裏交互作用,ㄧ個三重態將會偷走另一個的能量而將自己的提升到雙重激發態。當分子從這個雙重激發態掉回基態時,就會發出頻率較高的藍光。實際上,兩個入射的光子的能量是透過這些"分子掮客"而相加在一起的。

研究人員估計他們的系統的最大效率為1%(也就是一百個綠色光子可以產生一個藍色光子)。這個值似乎很小,但是太陽能電池只對部分頻率的太陽光有反應,因此上轉換可以讓原本無法被使用的光子成為可被使用的光子。University of Cambridge, England的Panagiotis Keivanidis說,這確實可以使可被收集的太陽光能量的範圍增大。而Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems in Freiburg, Germany的Jan Goldschmidt雖然也同意這樣的說法但是他認為,將綠色轉成藍色只對某些有機太陽能板有利,若要有利於目前佔有領導地位的矽太陽能電池技術,吸收的範圍應該要再設法移到紅外的範圍。Baluschev對此表示,他們的團隊目前正嘗試另一種可以上轉換較低頻率光子的分子組合。

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