自家窗户发电或将成真！
材料牛注：太阳能作为清洁能源一直受到青睐，但是大规模使用时能量密度低、占地面积大且光伏系统造价高一直为人诟病。近期，明尼苏达大学和米兰比可卡大学的共同研究——将硅量子点嵌入发光太阳能集热器——为我们带来曙光！
窗户可以直接有效地收集太阳能？这不是天方夜谭！凭借硅的设计这一核心技术，明尼苏达大学和米兰比可卡大学的研究者们将这一梦想与现实的距离拉近了。
研究人员开发出一种新技术——将硅量子点嵌入于发光太阳能集热器（luminescent solar concentrators, LSCs）。LSCs是窗户有效收集太阳能的关键所在。当阳光照射在窗户表面，一定频率的太阳光线被LSCs捕获-引导-收集到透明的塑料板边缘，进而被安置其中的小型太阳能电池转化为电能。目前，该成果已发表于期刊Nature Photonics。
尽管大部分集中到硅基发光太阳能集热器边界的光是看不到的，但是用包含了大部分紫外线波长的“黑光灯”照射LSCs，我们就可用肉眼观察到光的聚集效应。
收集太阳能的窗户——光伏窗，是可再生能源科技领域的处女地，该技术有着广阔的应用前景。首先，对大都市而言，在不影响原有市容风貌及城市美观的基础上可大量增加收集太阳能的建筑面积。其次，配制LSCs的光伏窗无需在其表面增添冗杂的配件。最后，光伏电池隐匿在窗户框架之中，使得光伏窗与周围环境完美契合。
将太阳能聚光器与太阳能电池融入到建筑设计中的想法已经诞生了数十年，但是该研究最大的不同是——硅纳米颗粒的运用。截至目前，以剧毒金属元素如镉、铅，或者稀有金属如铟为基础设计出的相对复杂的纳米结构能实现最大的光电转换效率，这种思想大量应用于其他科技领域。硅元素储量丰富无毒性。虽然硅可高效吸收不同波段的光，但传统意义下的块体硅却不能发光或者释放荧光，这不满足LSCs的设计理念。
Uwe Kortshagen 是明尼苏达大学机械工程的教授，同时是硅量子点的发明者和该研究的主要带头人。他说道：“在我们实验室，通过特殊的技术将硅晶体做到几个纳米大小——相当于头发丝直径的万分之一。只有几个纳米的硅晶体，性质会发生改变，变成有效的光发射器，更重要的是不会吸收自身产生的荧光。这些特性使得硅量子点成为LSCs推广应用的理想之选”
硅量子点为这一研究团队打开了更多前进的大门。Sergio Brovelli 是米兰比可卡大学的物理教授，该研究的合作者，此外还是Glass to Power公司的合伙人。该公司正为光伏窗的实现致力于LSCs的工业化。他在接受采访时说：“在过去几年里，多亏意大利方面做的先驱性工作，使得LSCs技术得到了迅速发展。然而，找到一种用于捕获和收集太阳光的合适材料仍然是一个巨大的挑战。现在，硅量子点为解决这一难题提供了可能。”
研究者表示，硅量子点的光学特性以及其与生产集成化LSCs工艺近乎完美的相容性，为制造出价格低廉且能够收集超过5%的太阳能的光伏窗铺平了道路。
米兰比可卡大学的物理教授Francesco Meinardi是文章的第一作者之一。他表示：“这项基于LSCs的光伏窗技术将成为光伏-建筑一体化市场形成的敲门砖。此外，该技术的关键——硅量子点，和其他基于稀有材料的纳米颗粒相比，没有潜在的限制条件。”
这种硅纳米颗粒的粉体利用等离子体反应器生产得到。“每一个颗粒由少于2000个硅原子组成。将这种粉体制备成一种类似于墨水的溶液，然后嵌入聚合物内制备成柔韧的塑料或形成薄膜涂层。”明尼苏达大学工学博士生同时作为该研究的另一带头人Samantha Ehrenberg说道。
十几年前，明尼苏达大学发明了制备硅纳米颗粒的工艺，并持有该技术的多项专利。2015年，Kortshagen 与 Brovelli机缘巧合下相见。Brovelli是LSC制备领域的专家，而且提出了很多基于其他纳米颗粒体系制备有效LSCs的可行性方法。这次会面使得硅纳米颗粒在该领域的潜能得到认可。二人一拍即合，明尼苏达大学制备硅纳米颗粒，意大利的研究人员通过工业方法，将其嵌入高分子中制备出了LSCs，该方法成功了！
Kortshagen表示：“能将这一尘封多年的想法实现，得益于各领域优秀研究者之间的精诚合作。我们精于制备硅纳米颗粒，米兰的合作者们擅长制备这种荧光聚光器。当二者结合时，我们知道会创造出一些新奇的事物”
原文链接：Dream of energy-collecting windows Is one step closer to reality.
本文由材料人编辑部月亮提供素材，彭胜攀编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。
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