Adv. Mater.：可扩展的前向散射体的几何设计，用于最有效的太阳能变压器

【引言】

太阳能是地球上最丰富的能源，也是所有碳氢化合物化石燃料的最终来源，而这些化石燃料目前是人类经济的主要能源。因此，当代太阳能也可用于生产其他可再生能源。研究人员一直在努力开发各种太阳能收集材料、设备和概念，包括光电、太阳能集成的建筑设计，以及用于化学和生物燃料生产的人工光合细胞。光生物反应器，或者是封闭的，用于种植富含脂质的藻类的工程系统，利用太阳能通过光合作用创造生物燃料，不需要额外的试剂，如糖或脂质。尽管许多研究人员尝试将生物反应器工程化,但是这种技术的主要障碍之一,便是在实践中直接利用入射太阳能通量的低效率:藻类表面的系统必须有小吸收横截面和利用非光化学机制来熄灭光进而避免光破坏,而细胞的生长系统光限制更深。在给定的位置，潜在的太阳能资源越多，这些系统中有效资源利用的基本障碍就越严重。

如果能将同样有效的阳光照射到光生物反应器系统中的所有电池中，同时利用环境中所有的太阳辐射来进行光化学，那该怎么办呢?这样的策略相当于一个太阳能变压器，类似于电网配电系统中的电磁变压器。在之前的尝试中，通过“光稀释”来实现类似的“定量”方法，研究人员设计了引导光线深入到文化背景的波导，并使用单色光来减少光抑制，提高藻的光合作用效率。这些尝试减少了到达每个电池的光量，避免了光损害，但是总的来说，忽视了太阳能作为一个整体的有效利用。另一种较早的关于光稀释的材料策略涉及到为均匀的表面散射的向前散射和/或非均匀的微结构。这些尝试包括等离子体纳米粒子(NPs)，核壳纳米粒子，以及椭圆状的介电纳米粒子。然而，这些方法需要自上而下的制备，在纳米尺度上精确控制粒子的尺寸和形状，并使用高折射率材料。但是，因为价格昂贵，不能用于生产和实现生物燃料反应堆。此外，人们对其波长的选择性、光学损耗或深度信道的亮度的一致性知之甚少。

【成果简介】

近日，宾夕法尼亚大学的杨澍教授，Alison M. Sweeney教授等人在Advanced Materials上发文，题为：“Geometric Design of Scalable Forward Scatterers for Optimally Efficient Solar Transformers”。研究人员介绍了电池系统中突出的前向散射行为的设计、合成和特征描述，提出了一种利用太阳能最大限度地利用电池的最大量子效率的几何解决方案。合成的电池是由嵌入在凝胶中的微球中的二氧化硅纳米颗粒组成，它们都是低折射率材料和廉价的材料。它们显示了波长的选择性，几乎没有损失(反向散射强度减小到小于0.01%的正向散射强度)，并缩小了类似于大贝壳化石的窄的前散射锥。此外，通过比较实验和理论计算，可以确定散射尺寸的不均匀性是设计的一个“特性而非缺陷”，从而可以在一个微米尺度的模型中实现对太阳通量的有效的再分配。

【图文导读】

图1. 巨蛤细胞的散射行为，并设计了合成的虹彩膜的概述

a) 巨蛤图片；           b) 巨蛤细胞微观图；

c) 巨蛤细胞展现为纳米片的TEM图；

d) 一个单一的细胞的散射行为的示意图；

e) 在凝胶中嵌入二氧化硅合成颗粒的合成的虹彩胶片；

f) 合成的虹彩膜的散射行为的示意图；

图2. 细胞合成

a) 制作合成的细胞薄膜的过程的示意图；

b,c)来自250nm大小的硅纳米粒子的复合粒子的SEM图；

图3. 与巨蛤细胞系统相当的合成的电池系统的几何设计的计算和建模

a) 阻尼曲线；

b) 不对称因子 (g) 对于单个的简单微球体，它是一个大小参数(χ)的函数，它有不同的折射率对n球体/n介质；

c) 一种合成的200nm纳米粒子的相位函数的DDA计算；

d) 图(c)在θ = 0°—10°范围的线形图，照射波长为λ = 509 nm；

图4. 由合成的虹膜薄膜和硅纳米粒子胶片进行的前向散射和后向散射的角度分布，并将它们与DDA-计算结果进行比较

a) 实验特征的相位函数(T)固定波长为509nm，其角度为θ=0°–50°和θ=110°–165°。对于半径图，通过测量数据外推(不可测量的数据点取而代之的是直线)因为强度相比，这个范围是很低强度的峰值。光强度的角范围被限制在实验测量几何(50°-110°和165°-180°)范围来被外推得到；

b) 被积函数在窄的前角透射光强度(θ = 0°–10°)；

图5. 测量内部薄膜辐射测量数据

a) 垂直探测器位置对粒子散射事件的影响程度的图解说明，有助于探测由探测器探测到的标量辐照度；.

标量辐射强度是膜表面标量辐照度的一个百分比。b) 对于含硅的二氧化硅纳米粒子； c) 包含复合粒子的薄膜；

【总结】

研究人员提出了一种基于理论的工程方法和光学元件的实验实现，可以有效地控制和分配通量输入装置，以实现太阳能光转换。重要的是,研究人员的计算和实验表明，向前散射的形状和大小范围向前散射关键行为以及粒度均匀性并不重要,这使得研究人员可以使用一个简单的涡流方法大规模生产接近精确模拟的巨型蛤细胞的光学功能复合微粒子。

文献链接：Geometric Design of Scalable Forward Scatterers for Optimally Efficient Solar Transformers (Advanced Materials, 2017, DOI: 10.1002/adma.201702922)

本文由材料人新能源前线Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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