美國特拉華大學(xué)獲得W.M. Keck基金會的100萬美元撥款，用以探索一個提高太陽能電池效率、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)。
改變光的顏色會極大改進(jìn)太陽能電池技術(shù)。傳統(tǒng)太陽能電池只能吸收一定閾值以上的光能。紅外線照射時其能量未被吸收。但是，如果低能量光轉(zhuǎn)化為更高光能，太陽能電池將吸收更多太陽能。研究小組預(yù)測，新方法可以使商用太陽電池轉(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，“每個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。科學(xué)家不能簡單地把紅色光子變成藍(lán)色光子，但是可以把2個或更多紅色光子能量相結(jié)合，制造一個藍(lán)色光子。”對于此光子上變頻過程，團(tuán)隊希望設(shè)計一種新型納米結(jié)構(gòu)，其作用像一個棘輪：它陸續(xù)吸收兩個紅色光子，將電子推進(jìn)到激發(fā)態(tài)，從而發(fā)射一個高能藍(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，直到下一個光子到達(dá)將前一個光子推向高能級。
特拉華大學(xué)團(tuán)隊致力于開發(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態(tài)，把曾經(jīng)浪費的光子轉(zhuǎn)換成有用能量。該團(tuán)隊已經(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證的36%上轉(zhuǎn)換效率取得一個巨大進(jìn)步。同時，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)隊將利用分子束外延(MBE)制備納米結(jié)構(gòu)。每一個結(jié)構(gòu)都將被測試，以了解它如何吸收和發(fā)射光，結(jié)果將被用來調(diào)整結(jié)構(gòu)以改善性能。
研究人員也將開發(fā)充滿數(shù)百萬個相同單個納米粒子的溶液，每一個包含多個不同材料層，以實現(xiàn)光子棘輪的想法。通過這樣的工作，團(tuán)隊設(shè)想一個未來上轉(zhuǎn)換'涂料'，可以很容易地應(yīng)用于太陽能電池，窗戶和其他商業(yè)產(chǎn)品上。
該研究小組的目標(biāo)是開發(fā)納米結(jié)構(gòu)，將2個紅色光子的能量結(jié)合成單一藍(lán)色光子。一些診斷性試驗和醫(yī)學(xué)治療，包括計算機(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間施加于特定疾病部位，但這是很難控制的實踐。
改進(jìn)醫(yī)療測試和治療
雖然3年項目最初重點是提高太陽能采集量，該小組還將探索生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。特拉華大學(xué)團(tuán)隊目的是開發(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，同時減少對正常組織的周邊損害，最小化所需激光功率。
Doty評論說，“這是高風(fēng)險高回報研究。高風(fēng)險是因為我們沒有概念數(shù)據(jù)的證明。高回報是因為它對可再生能源和醫(yī)學(xué)有巨大的潛在影響。同樣技術(shù)可以用來收獲更多的太陽能和治療癌癥。”
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