基于发光太阳能聚光器光波导的光谱分离技术研究

《Advanced Optical Materials》：Spectral Splitting Using Luminescent Solar Concentrator Lightguides

　　

发光太阳能聚光器（LSCs）是一种兼具视觉美观性和低成本光伏（PV）发电潜力的器件，其通过发光体吸收太阳光，并将窄带发射光导向光波导边缘，从而可在边缘处应用小面积、光谱匹配的光伏电池。引入多种染料可拓宽吸收光谱，实现更高效的太阳能捕获，但由此产生的更宽发射带宽增加了与光伏电池光谱匹配的复杂性。为克服这一挑战，本研究首次验证了在多染料LSC中通过使用附着于LSC窄边的胆甾型反射器来控制边缘发射波长，从而实现太阳光谱分离的概念。此外，研究人员还采用发光体定向排列技术，最大化沿正交边缘的发射强度，进一步增强了光谱选择性。边缘发射测量证实，宽带胆甾型反射器能够实现可控的光谱分离，而发光体的定向排列则改善了发射的方向性。总体而言，这些发现表明，将光谱控制元件集成到多染料LSC中是实现选择性光伏能量转换的一种潜在有效策略，并为下一代光谱分离太阳能器件提供了一条可规模化的发展路径。

一、研究背景、问题与研究意义

传统硅基光伏（PV）模块成本虽已大幅下降，但发光太阳能聚聚器（LSCs）因其视觉美观性、能在直射和漫射阳光下高效工作且无需机械追踪等优势，仍具吸引力。然而，现有LSC通常从四个边缘发射相同波长的光，这在某些应用中并不理想。例如，高能光子可用于光化学反应，低能光子则更适合发电或刺激植物生长。为实现这种按需分配，需要对入射太阳光谱进行分离。虽然已有折射、反射、衍射等多种分光方法，但在LSC系统中实现简便、高效且可规模化的光谱分离仍是一大挑战。为此，研究人员提出了一种创新方案：在多染料LSC中集成光谱控制元件——胆甾相液晶（ChLC）反射器，并结合发光体定向排列技术，旨在实现可控的太阳光谱分离，提升LSC与特定光伏器件的耦合效率，为下一代单板式光谱分离太阳能技术奠定基础。

二、主要关键技术方法

1. 1.
   非对齐LSC制备：将绿色发光染料DFSB-K160（K160）和红色发光染料Lumogen F Red 305（Red305）分别或混合溶解后，旋涂于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光波导板上，形成单层或双层薄膜，经紫外光聚合固化。
2. 2.
   对齐LSC制备：在PMMA基底上旋涂聚乙烯醇（PVA）取向层并摩擦定向，随后将掺有染料的液晶（LC）溶液旋涂其上，利用LC分子诱导染料定向排列，再经紫外光聚合固定。
3. 3.
   胆甾型反射器（ChLC）制备与组装：将含有手性掺杂剂的左旋（LH）和右旋（RH）LC溶液分别旋涂在三醋酸纤维素（TAC）膜两侧，形成具有特定反射波段的手性结构。通过堆叠多个不同中心波长的窄带ChLC反射器，获得覆盖目标发射光谱的宽带反射器，并将其粘贴至LSC的边缘。

三、研究结果

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  3.1 边缘发射角度分布与反射器设计
  通过角度分辨边缘发射测量发现，K160 LSC边缘出射光在水平面内以倾斜角度为主，而非垂直出射。这一结果对ChLC反射器设计至关重要，因为其反射带会随入射角增大而蓝移。实验证实，针对K160 LSC，中心反射波长为570 nm的窄带ChLC比对准其510 nm发射峰的反射器更能有效抑制边缘光子逃逸（ΔΦ_ChLC = 31%）。
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  3.2 宽带反射器堆栈优化
  单个ChLC反射器带宽有限（约75 nm）。为覆盖染料完整的发射光谱，研究人员堆叠了中心波长分别为530、570和620 nm的三个ChLC反射器，形成了宽带反射器。该堆栈对K160 LSC实现了高达50.5%的光子发射削减率（ΔΦ_ChLC）。同样地，针对Red305 LSC，堆叠了中心波长为660、715、760和795 nm的四个反射器，获得了覆盖630-800 nm的矩形反射轮廓。
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  3.3 双染料LSC中的光谱分离验证
  研究人员构建了两种双染料LSC架构：一种是将两种染料混合在同一层中（MIX），另一种是将它们分置于PMMA板的两个相对面上（RG）。将优化的“绿光反射器”（用于抑制K160发射）和“红光反射器”（用于抑制Red305发射）分别安装在LSC的两个正交边缘上。光谱解卷积分析表明，对于RG和MIX两种架构，“绿光反射器”均能显著减少K160（绿光）光子通量（62.2%和63.8%），而对Red305（红光）影响较小；“红光反射器”则优先减少Red305发射（46.9%和55.5%）。CIE色度坐标也直观展示了两个边缘出射光的明显色差。
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  3.4 发光体定向排列增强光谱选择性
  为进一步提高光谱分离效果，研究人员将染料分子嵌入光交联LC主体中进行定向排列。结果显示，K160和Red305的跃迁偶极矩近乎正交，分别平行和垂直于LC取向方向。这种各向异性使发射更具方向性。在RG_AL和MIX_AL对齐结构中，“绿光反射器”对K160发射的抑制效果依然显著（59.2%和54.0%），同时其对Red305的串扰抑制（13.0%和17.3%）相比非对齐结构有所改善，证明了定向排列有助于提升光谱选择性。
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  3.5 内部光子效率评估
  计算了所有LSC器件的内部光子效率（η_int）。对齐结构的LSC（如RG_AL的24.24%，MIX_AL的21.42%）远高于非对齐结构（RG的13.24%，MIX的13.65%）。这归因于定向排列减少了光在波导内的传输损耗，使更多光子被导向边缘。

四、总结与结论

研究人员通过将边缘发射光谱与代表性光伏（PV）技术的量子效率（EQE）曲线相结合，计算了理论短路电流。结果表明，对齐结构LSC在所有测试PV器件中均产生更高光电流。特别是，对于具有不同EQE波段的光电二极管和串联有机光伏（OPV）子电池，LSC两个边缘产生的光电流呈现明显的互补趋势，有力证明了光谱分离策略的有效性。

研究结论：本研究首次证明，通过将选择性的左、右手性宽带胆甾型反射器（ChLCs）应用于器件边缘，可以在包含两种有机染料的单一LSC光波导中实现太阳光谱分离。染料分布在基底同侧或异侧对器件性能影响不大。通过光交联LC主体实现染料分子的定向排列，可促进其向正交边缘的最大化发射，进一步提升波长选择性。最终，将此类LSC系统与光谱响应匹配的PV器件耦合，可产生更高的计算光电流。总之，集成宽带ChLC反射器和分子定向排列发光体的多染料LSC能够成功实现有效的太阳光谱分离和增强的光学控制，代表了下一代光伏能量收集与转换的一种有前景且可规模化的策略。