美國(guó)特拉華大學(xué)獲得W.M. Keck基金會(huì)的100萬(wàn)美元撥款，用以探索一個(gè)提高太陽(yáng)能電池效率、醫(yī)學(xué)成像和癌癥治療的新理念。目標(biāo)是把低能量的光顏色(如紅色)變成更高能量的顏色(如藍(lán)色或綠色)。
改變光的顏色會(huì)極大改進(jìn)太陽(yáng)能電池技術(shù)。傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池只能吸收一定閾值以上的光能。紅外線照射時(shí)其能量未被吸收。但是，如果低能量光轉(zhuǎn)化為更高光能，太陽(yáng)能電池將吸收更多太陽(yáng)能。研究小組預(yù)測(cè)，新方法可以使商用太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率增加25-30%。
改變光的顏色
植根于特拉華大學(xué)工程學(xué)院，該研究小組主管是材料科學(xué)與工程系副教授，兼任大學(xué)納米加工設(shè)施副主任Matthew Doty。合作者包括材料科學(xué)與工程系的Joshua Zide, Diane Sellers 和 Chris Kloxin，生物醫(yī)學(xué)工程系的Emily Day 和John Slater。
Doty說(shuō)，“每個(gè)光子的能量與光的顏色直接相關(guān)，紅色光子比藍(lán)色光子能量低?？茖W(xué)家不能簡(jiǎn)單地把紅色光子變成藍(lán)色光子，但是可以把2個(gè)或更多紅色光子能量相結(jié)合，制造一個(gè)藍(lán)色光子。”對(duì)于此光子上變頻過(guò)程，團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)一種新型納米結(jié)構(gòu)，其作用像一個(gè)棘輪：它陸續(xù)吸收兩個(gè)紅色光子，將電子推進(jìn)到激發(fā)態(tài)，從而發(fā)射一個(gè)高能藍(lán)色光子。半導(dǎo)體棘輪結(jié)構(gòu)是利用梯子之間捕獲電子，直到下一個(gè)光子到達(dá)將前一個(gè)光子推向高能級(jí)。
特拉華大學(xué)團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)包含多層不同材料的新結(jié)構(gòu)，如砷化鋁和鎵鉍砷，每層只有幾納米厚。這種“量身定制”結(jié)構(gòu)將控制電子流向不同潛在能級(jí)態(tài)，把曾經(jīng)浪費(fèi)的光子轉(zhuǎn)換成有用能量。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)從理論上證明其結(jié)構(gòu)可以達(dá)到86%的上轉(zhuǎn)換效率，這比目前最好材料驗(yàn)證的36%上轉(zhuǎn)換效率取得一個(gè)巨大進(jìn)步。同時(shí)，光吸收量和結(jié)構(gòu)發(fā)射能量可定制到多種應(yīng)用，從燈泡到激光引導(dǎo)手術(shù)。該團(tuán)隊(duì)將利用分子束外延(MBE)制備納米結(jié)構(gòu)。每一個(gè)結(jié)構(gòu)都將被測(cè)試，以了解它如何吸收和發(fā)射光，結(jié)果將被用來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)以改善性能。
研究人員也將開(kāi)發(fā)充滿(mǎn)數(shù)百萬(wàn)個(gè)相同單個(gè)納米粒子的溶液，每一個(gè)包含多個(gè)不同材料層，以實(shí)現(xiàn)光子棘輪的想法。通過(guò)這樣的工作，團(tuán)隊(duì)設(shè)想一個(gè)未來(lái)上轉(zhuǎn)換'涂料'，可以很容易地應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，窗戶(hù)和其他商業(yè)產(chǎn)品上。
該研究小組的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)納米結(jié)構(gòu)，將2個(gè)紅色光子的能量結(jié)合成單一藍(lán)色光子。一些診斷性試驗(yàn)和醫(yī)學(xué)治療，包括計(jì)算機(jī)層析成像(CT)和正電子發(fā)射斷層成像(PET)掃描到化療，依靠熒光染料釋放和藥物。理想情況下，這樣的有效載荷在特定時(shí)間施加于特定疾病部位，但這是很難控制的實(shí)踐。
改進(jìn)醫(yī)療測(cè)試和治療
雖然3年項(xiàng)目最初重點(diǎn)是提高太陽(yáng)能采集量，該小組還將探索生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。特拉華大學(xué)團(tuán)隊(duì)目的是開(kāi)發(fā)一種上轉(zhuǎn)換納米粒子，被光觸發(fā)后可釋放有效載荷。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)藥物療法的可控釋放，即使是在病變的人體深處組織，同時(shí)減少對(duì)正常組織的周邊損害，最小化所需激光功率。
Doty評(píng)論說(shuō)，“這是高風(fēng)險(xiǎn)高回報(bào)研究。高風(fēng)險(xiǎn)是因?yàn)槲覀儧](méi)有概念數(shù)據(jù)的證明。高回報(bào)是因?yàn)樗鼘?duì)可再生能源和醫(yī)學(xué)有巨大的潛在影響。同樣技術(shù)可以用來(lái)收獲更多的太陽(yáng)能和治療癌癥。”
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