Adv. Mater.：可擴展的前向散射體的幾何設計，用于最有效的太陽能變壓器

【引言】

太陽能是地球上最豐富的能源，也是所有碳氫化合物化石燃料的最終來源，而這些化石燃料目前是人類經濟的主要能源。因此，當代太陽能也可用于生產其他可再生能源。研究人員一直在努力開發各種太陽能收集材料、設備和概念，包括光電、太陽能集成的建筑設計，以及用于化學和生物燃料生產的人工光合細胞。光生物反應器，或者是封閉的，用于種植富含脂質的藻類的工程系統，利用太陽能通過光合作用創造生物燃料，不需要額外的試劑，如糖或脂質。盡管許多研究人員嘗試將生物反應器工程化,但是這種技術的主要障礙之一,便是在實踐中直接利用入射太陽能通量的低效率:藻類表面的系統必須有小吸收橫截面和利用非光化學機制來熄滅光進而避免光破壞,而細胞的生長系統光限制更深。在給定的位置，潛在的太陽能資源越多，這些系統中有效資源利用的基本障礙就越嚴重。

如果能將同樣有效的陽光照射到光生物反應器系統中的所有電池中，同時利用環境中所有的太陽輻射來進行光化學，那該怎么辦呢?這樣的策略相當于一個太陽能變壓器，類似于電網配電系統中的電磁變壓器。在之前的嘗試中，通過“光稀釋”來實現類似的“定量”方法，研究人員設計了引導光線深入到文化背景的波導，并使用單色光來減少光抑制，提高藻的光合作用效率。這些嘗試減少了到達每個電池的光量，避免了光損害，但是總的來說，忽視了太陽能作為一個整體的有效利用。另一種較早的關于光稀釋的材料策略涉及到為均勻的表面散射的向前散射和/或非均勻的微結構。這些嘗試包括等離子體納米粒子(NPs)，核殼納米粒子，以及橢圓狀的介電納米粒子。然而，這些方法需要自上而下的制備，在納米尺度上精確控制粒子的尺寸和形狀，并使用高折射率材料。但是，因為價格昂貴，不能用于生產和實現生物燃料反應堆。此外，人們對其波長的選擇性、光學損耗或深度信道的亮度的一致性知之甚少。

【成果簡介】

近日，賓夕法尼亞大學的楊澍教授，Alison M. Sweeney教授等人在Advanced Materials上發文，題為：“Geometric Design of Scalable Forward Scatterers for Optimally Efficient Solar Transformers”。研究人員介紹了電池系統中突出的前向散射行為的設計、合成和特征描述，提出了一種利用太陽能最大限度地利用電池的最大量子效率的幾何解決方案。合成的電池是由嵌入在凝膠中的微球中的二氧化硅納米顆粒組成，它們都是低折射率材料和廉價的材料。它們顯示了波長的選擇性，幾乎沒有損失(反向散射強度減小到小于0.01%的正向散射強度)，并縮小了類似于大貝殼化石的窄的前散射錐。此外，通過比較實驗和理論計算，可以確定散射尺寸的不均勻性是設計的一個“特性而非缺陷”，從而可以在一個微米尺度的模型中實現對太陽通量的有效的再分配。

【圖文導讀】

圖1. 巨蛤細胞的散射行為，并設計了合成的虹彩膜的概述

a) 巨蛤圖片； ? ? ? ? ? b) 巨蛤細胞微觀圖；

c) 巨蛤細胞展現為納米片的TEM圖；

d) 一個單一的細胞的散射行為的示意圖；

e) 在凝膠中嵌入二氧化硅合成顆粒的合成的虹彩膠片；

f) 合成的虹彩膜的散射行為的示意圖；

圖2. 細胞合成

a) 制作合成的細胞薄膜的過程的示意圖；

b,c)來自250nm大小的硅納米粒子的復合粒子的SEM圖；

圖3. 與巨蛤細胞系統相當的合成的電池系統的幾何設計的計算和建模

a) 阻尼曲線；

b) 不對稱因子 (g) 對于單個的簡單微球體，它是一個大小參數(χ)的函數，它有不同的折射率對n球體/n介質；

c) 一種合成的200nm納米粒子的相位函數的DDA計算；

d) 圖(c)在θ = 0°—10°范圍的線形圖，照射波長為λ = 509 nm；

圖4. 由合成的虹膜薄膜和硅納米粒子膠片進行的前向散射和后向散射的角度分布，并將它們與DDA-計算結果進行比較

a) 實驗特征的相位函數(T)固定波長為509nm，其角度為θ=0°–50°和θ=110°–165°。對于半徑圖，通過測量數據外推(不可測量的數據點取而代之的是直線)因為強度相比，這個范圍是很低強度的峰值。光強度的角范圍被限制在實驗測量幾何(50°-110°和165°-180°)范圍來被外推得到；

b) 被積函數在窄的前角透射光強度(θ = 0°–10°)；

圖5. 測量內部薄膜輻射測量數據

a) 垂直探測器位置對粒子散射事件的影響程度的圖解說明，有助于探測由探測器探測到的標量輻照度；.

標量輻射強度是膜表面標量輻照度的一個百分比。b) 對于含硅的二氧化硅納米粒子； c) 包含復合粒子的薄膜；

【總結】

研究人員提出了一種基于理論的工程方法和光學元件的實驗實現，可以有效地控制和分配通量輸入裝置，以實現太陽能光轉換。重要的是,研究人員的計算和實驗表明，向前散射的形狀和大小范圍向前散射關鍵行為以及粒度均勻性并不重要,這使得研究人員可以使用一個簡單的渦流方法大規模生產接近精確模擬的巨型蛤細胞的光學功能復合微粒子。

文獻鏈接：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線Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試，數據分析，上測試谷！