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出品：科普中國

製作：禚朗 李學楊

監製：中國科普博覽

說起聚光，你可能並不陌生。小時候，大家都玩過放大鏡，轉動放大鏡匯聚太陽光，匯聚後的光點可以產(chan) 生高溫，甚至能夠點燃物體(ti) （小孩子可不要玩火哦）。

圖1 放大鏡聚光

（圖片來源：veer圖庫）

類似地，在我國陽光較充足的西藏、青海、四川、雲(yun) 南等地區，許多家庭利用凹麵式太陽灶匯聚太陽光燒水煮飯。

圖2 太陽灶

（圖片來源：作者製作）

事實上，無論是利用放大鏡匯聚太陽光，還是利用凹麵式太陽灶匯聚太陽光，用到的都是太陽能聚光技術中的一個(ge) 分類——幾何型聚光。除此之外，隨著科技的發展，科學家又提出了新的聚光概念——發光型聚光。前者是利用幾何光學的基本原理實現太陽光匯聚，而後者涉及的是光和物質的相互作用。

圖3 不同顏色的發光型太陽能聚光器

（圖片來源：參考文獻[2]）

發光也是聚光：玩的就是賽博朋克

發光型太陽能聚光器於(yu) 1976年首次被提出，作為(wei) 一種結構相對簡單且能大麵積捕獲太陽能的裝置，它由塗覆或鑲嵌著發光團的透明基底（如玻璃板等）構成。發光團在吸收入射到板上的太陽光子之後發出新的光子，由於(yu) 基底和空氣折射率的差別，大約75%的光子會(hui) 進入全反射模式，進而被波導到板的邊緣，用於(yu) 激發貼在邊緣處的太陽能電池，最後實現將光能轉化為(wei) 電能。

如果聚光效率足夠高，一塊發光型太陽能聚光器加上邊緣處的少量太陽能電池，其功能就等同於(yu) 一整塊大麵積的太陽能電池，這將大大降低光伏產(chan) 能的成本。如果把這種全透明或半透明的發光型太陽能聚光器直接集成到建築物的牆體(ti) 或者窗戶上，就能將現在的耗能型建築物轉變為(wei) 完全或者充分利用太陽能，從(cong) 而實現能量自給自足的“零耗能智慧建築”。

圖4 發光型太陽能聚光器工作原理圖

（圖片來源：作者製作）

不僅(jin) 如此，五顏六色的聚光器還可以作為(wei) 一種裝飾點綴在建築物的外牆以及玻璃上，為(wei) 單調的城市增添一抹靚麗(li) 的顏色。好家夥(huo) ，有沒有腦補出科幻電影中的賽博朋克感呢？

圖5 用不同顏色的發光型太陽能聚光器裝飾的建築玻璃

（圖片來源：參考文獻[2]）

然而，盡管傳(chuan) 統的發光型太陽能聚光器有如此多的優(you) 勢，但是在實際應用方麵仍然麵臨(lin) 很大的挑戰。

首先是傳(chuan) 統的發光型太陽能聚光器受限於(yu) 發光團的聚集誘導淬滅效應以及自吸收等損失，導致器件內(nei) 部光學效率一般小於(yu) 60%。並且考慮到長期應用在建築物外觀而隨之產(chan) 生的風雨侵蝕以及煙塵附著，將會(hui) 進一步降低聚光器的聚光效率以及使用壽命。

新型發光團：這片“荷葉”簡直不要太優(you) 秀

針對上述問題，中國科學院大連化學物理研究所吳凱豐(feng) 研究團隊通過設計合成具有聚集誘導熒光增強作用的有機化合物（TPA-BT）作為(wei) 發光團。與(yu) 傳(chuan) 統發光團在固態時的量子產(chan) 率比液態時低的屬性截然不同的是，其在固態時的量子產(chan) 率反而比在液態時還要高，也就是說，當它們(men) 從(cong) 液態變為(wei) 固態時，發光更強，變得更亮。

圖6. TPA-BT分子的光學特性

（圖片來源：參考文獻[1]）

該團隊將這種發光團均勻地摻入到聚二甲基矽氧烷（PDMS）基體(ti) 中，得到了澄清透亮的發光型太陽能聚光器，並且由於(yu) 發光團所具有的聚集誘導熒光增強作用，使得聚光器表現出近乎100%的量子產(chan) 率。

同時，由於(yu) PDMS基體(ti) 所帶來的密閉效果，使得聚光器表現出優(you) 異的光穩定性，在戶外應用兩(liang) 年以上仍然保有70%的量子產(chan) 率，這也就意味著這種新型的發光型太陽能聚合器能夠在實際應用中長時間保持高效率的工作狀態，因而對降低成本、減少更迭次數具有重要意義(yi) 。

圖7 聚光器的光學特性

（a）聚光器的吸收以及熒光光譜。插圖為(wei) 實物照片

（b）在溶液中以及在薄膜中的TPA-BT的時間分辨熒光光譜

（c）聚光器的光穩定性測試

（圖片來源：參考文獻[1]）

為(wei) 了使聚光器具有自清潔作用，避免應用在建築物外觀時遭受風雨侵蝕及煙塵附著，該團隊通過利用生物仿生的策略，將荷花具有的“出淤泥而不染”的超疏水自清潔作用“嫁接”至聚光器表麵，使得該聚光器表麵具有了與(yu) 荷葉表麵結構相似的二維準周期微乳突狀結構，進而同樣表現出了超疏水的自清潔作用。

超疏水材料的實驗視頻

（視頻來源：作者提供）

圖8 發光型太陽能聚光器的疏水性能表征

（a）表麵有微乳突狀結構的發光型太陽能聚光器的氦離子顯微鏡圖片

（b）平麵光滑以及表麵有微乳突狀結構的發光型太陽能聚光器的接觸角測試

（圖片來源：參考文獻[1]）

得益於(yu) PDMS材料的柔性易加工的特點，使得所製備的發光型太陽能聚光器可以任意改變尺寸和形狀，進而極大地豐(feng) 富了發光型太陽能聚光器的應用場合。

圖9. 該團隊研製的發光型太陽能聚光器

（圖片來源：參考文獻[1]）

可以說，這項研究成果成功地解決(jue) 了發光型太陽能聚光器在實際應用中所麵臨(lin) 的聚光效率低、風雨侵蝕、煙塵附著等問題，為(wei) 零耗能智慧建築以及“雙碳”目標的實現做出了重要貢獻，有望在一定程度上解決(jue) 人類所麵臨(lin) 的環境和能源危機等問題。

編輯：孫晨宇

參考文獻：

[1] Li X, Qi J, Zhu J, et al. Low-Loss, High-Transparency Luminescent Solar Concentrators with a Bioinspired Self-Cleaning Surface[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2022, 13: 9177-9185.

[2] Debije M G, Verbunt P P C. Thirty years of luminescent solar concentrator research: solar energy for the built environment[J]. Advanced Energy Materials, 2012, 2(1): 12-35.

注:本文相關(guan) 成果發表在國際權威期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》上。該工作的第一作者是中科院大連化物所的博士後李學楊，通訊作者是大連化物所的吳凱豐(feng) 研究員。本工作得到國家自然科學基金等項目的資助。

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