一个由科学家组成的国际团队已经在纳米粒子的设计和功能上取得了突破性进展，它可以使太阳能电池板通过将通常被太阳能电池所忽略的光转换成可用的能量，从而提高太阳能电池板的效率。科学家领导的研究小组,在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)，演示了如何使用有机染料涂料微粒捕获能力大大增强了它们的近红外光,重发射可见光光谱的光,也可以用于生物成像。一旦了解了能够使纳米颗粒上的染料作为天线来收集广泛的光的机制，成功地重新设计了纳米粒子，从而进一步放大了粒子的光转换特性，研究发表在4月23日的《自然光子学》网站上。
在纳米晶体中，一个铒原子(红色)通过一个被称为“向上转换”的过程发出可见光，这可能会导致改进的太阳能电池的发展，从而捕捉到以前错过的太阳能。科学家们发现，用染料(蓝色和紫色的分子)在粒子上涂上颜色可以大大增强这种光转换性能。图片：Lawrence Berkeley National Laboratory
伯克利实验室的分子研究人员布鲁斯·科恩(Bruce Cohen)说：这些有机染料捕获了大片的近红外光，他帮助领导了这项研究，与分子研究科学家P. James Schuck(现在在哥伦比亚大学)和埃默里·陈(Emory Chan)一起主持这项研究。分子铸造厂是一个纳米科学研究中心。自近红外波长的光通常是未使用的太阳能技术，专注于可见光，这些涂料纳米粒子有效近红外光转换成可见光,他们提高捕获的可能性好太阳光谱的一部分，否则就浪费了，并将它集成到现有太阳能技术。研究人员发现，这种染料本身可以放大约33,000倍的反射光的亮度，它与纳米粒子的相互作用使光的转换效率提高了约100倍。
Cohen, Schuck，和Chan已经工作了大约10年的时间来设计，制造和研究在本研究中使用的up转化纳米粒子(UCNPs)。UCNPs吸收近红外光，并有效地将其转化为可见光，这是一种不同寻常的特性，因为纳米晶体中的镧系金属离子结合在一起。2012年的一项研究表明，在UCNPs表面上的染料能显著增强粒子的光转换特性，但其机理仍然是个谜。当时人们非常兴奋，也有很多困惑。尽管许多研究人员在接下来的几年里试图重现这一研究成果，但很少有人能将出版的程序付诸实践”，在光照射下，染料几乎立即降解，没有人确切知道染料是如何与纳米颗粒表面相互作用的。
分子铸造厂独特的专业技能和能力，包括理论研究和实验、化学知识和完善的合成技术，使最新的研究成为可能。这是一个在其他任何地方都很难做的项目。由加州大学伯克利分校的博士生大卫·加菲尔德(David Garfield)和分子代工科学家尼古拉斯·鲍里斯(Nicholas Borys)所做的实验表明，染料和镧系金属在纳米颗粒中存在共生效应。染料在微粒中的接近性增强了染料的存在，被称为“三重态”，然后将其能量更有效地传递给镧系元素。这种三重态允许更有效地将光的多个红外单位转换成可见光的单个光子。
研究表明，在染料的光发射和粒子的光吸收测量中，一根火柴可以确认这种三联态的存在，并帮助科学家了解工作的情况。(染料发射和UCNP吸收)的峰值几乎完全匹配。然后发现，通过增加纳米颗粒中镧系金属的浓度，从22%到52%，可以增加这种三重效应，以改善纳米颗粒的光转换性能。这些金属促进了染料的三重态，这有助于解释能量转移的效率和染料的不稳定性，因为三胞胎会在空气中降解。Schuck说，纳米粒子的直径大约为12纳米，或者是十亿分之一米，可能会被应用到太阳能电池的表面，以帮助它们捕获更多的光来转化为电能。
染料作为分子尺度的太阳能聚光器，将近红外光子的能量注入纳米粒子。与此同时，粒子本身在可见光下基本上是透明的，所以它们会允许其他可用的光通过。另一个潜在的用途是将纳米颗粒引入细胞中，以帮助标签细胞成分用于光学显微镜研究。例如它们可以用于深层组织成像，也可以用于光遗传学——一个利用光来控制细胞活动的领域。科恩说，研究人员需要克服一些障碍才能实现这些应用，因为它们目前不稳定，在氮环境中被研究，以避免暴露在空气中。需要更多的研发来评估粒子的可能的保护涂层，比如不同的聚合物来封装这些粒子，有更好的设计思路。
博科园-科学科普｜参考期刊文献：自然光子学｜来自：劳伦斯伯克利国家实验室
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