仿生叶状聚光器可大幅提高太阳能光电转换效率
自 20 世纪 70 年代开发以来，太阳能聚光器（LSC）一直被设计用于利用发光材料将太阳光转换并聚焦到光伏（PV）电池上，从而提高太阳能捕获效率。与依赖反射镜和透镜的传统聚光器不同，发光太阳能聚光器可以利用漫射光，通常用于光伏建筑一体化，其半透明和多彩的特性还具有美学优势。
立命馆大学的研究人员开发出一种 "叶片 LSC "模型，可提高发光太阳能聚光器的可扩展性和效率，有望推动太阳能技术的发展。资料来源：Nishimura 等人，doi 10.1117/1.JPE.14.035501。
然而，由于波导内光致发光（PL）光子的自吸收等问题，将 LSC 扩大到覆盖大面积一直是个挑战。立命馆大学（日本）的研究人员提出了一种创新的"叶片 LSC"模型，有望通过增强光的收集和向光伏电池的传输来克服这些限制。
枫叶形发光太阳能聚光器（LSC）可增强光的收集和向光伏（PV）电池的传输。研究人员评估了叶形 LSC 在白光 LED 均匀照射下的光学效率。资料来源：Nishimura 等人，doi 10.1117/1.JPE.14.035501。
叶片 LSC 设计通过使用较小的、相互连接的发光元件来解决可扩展性问题，这些元件的功能就像树上的叶子。正如《能源光子学杂志》（JPE）所报道的，这种创新装置包括将发光板放置在中央发光光纤周围，发光板的侧面朝向光纤。这种布置方式可使入射光子被发光板转化为聚光光子，然后穿过光纤，被光伏电池收集到光纤顶端。为了提高效率，透明光导将多根光纤连接到单个光电池上，从而有效增加了 LSC 的入射面积，同时减少了由于自吸收和散射造成的光子损耗。
这种模块化 LSC 设计方法具有多种优势。通过减小单个模块的横向尺寸，研究人员发现光子收集效率得到了提高。例如，将方形叶片 LSC 的边长从 50 毫米减小到 10 毫米，就能显著提高光子收集效率。模块化设计还可以方便地更换损坏的单元，并在有先进发光材料时将其集成进来。
为了进一步提高系统的效率，研究人员将传统平面 LSC 的技术（如边缘镜和串联结构）融入到叶状 LSC 的设计中。他们的实验证明，这些叶状结构的光学效率可以通过单点激发技术，根据入射光的光谱和强度进行分析计算。
JPE 主编、科罗拉多大学博尔德分校工程与物理学教授、可再生与可持续能源研究所研究员肖恩-沙欣（Sean Shaheen）说："这些研究成果展示了一种创造性的方法，推动了发光太阳能聚光器概念的发展，从而有效地引导太阳光照射到相邻的光伏设备上。通过将可扩展的生物启发设计与光学工程的改进相结合，作者提高了设备的效率，达到了实际使用的要求。"
优化太阳能聚光器中的光子收集可能会为更灵活、更可扩展的太阳能解决方案指明方向。这种能量收集方法可以彻底改变太阳能聚光器的应用，使其更加高效，并适用于从大型装置到建筑集成系统等各种用途。随着技术的进步，它有望显著提高太阳能系统的性能，并为更可持续的能源解决方案做出贡献。
编译自/ScitechDaily
