改變光的顏色可大大增強(qiáng)太陽(yáng)能，提高3D打印和夜視能力
改變光的顏色可大大增強(qiáng)太陽(yáng)能，提高3D打印和夜視能力
顏色在 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的生活中扮演著重要的角色。它們能提示危險(xiǎn)或作出警告，例如毒蛙的圖案或信號(hào)燈的顏色；能順利獲得自然、藝術(shù)和時(shí)尚給人們帶來(lái)快樂(lè)和靈感；更能順利獲得家人和朋友的照片，觸發(fā)難忘的回憶。
在技術(shù)領(lǐng)域，光的顏色同樣重要。它影響著太陽(yáng)能電池的效率，影響著 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 對(duì)身體內(nèi)部的分析程度，也影響著3D打印的速度。但只有把光送到需要它去的地方，它才能發(fā)揮作用；在光線到達(dá)既定目的地之前，許多材料就會(huì)吸收或散射光。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 斯坦福大學(xué)康格里夫?qū)嶒?yàn)室之所以對(duì)改變光的顏色感興趣，也正是這個(gè)原因：它可以幫助 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 把合適的光送到合適的地方。
最初， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 專注于開(kāi)發(fā)用于太陽(yáng)能的變色技術(shù)，其用途顯而易見(jiàn)。光伏電池只能從有限的能量范圍（即顏色）中獲取能量。該范圍取決于用來(lái)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的材料，但終歸是有限的。生產(chǎn)具有不同能量水平的多層電池是一種提高太陽(yáng)能電池效率的方法。此外還有另一種思路：改變光以適應(yīng)電池，可能更為簡(jiǎn)單高效。
在更詳細(xì)地介紹如何順利獲得這一過(guò)程提高太陽(yáng)能效率、徹底改變3D打印并實(shí)現(xiàn)一些激動(dòng)人心的其他應(yīng)用之前， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 先來(lái)說(shuō)明這項(xiàng)技術(shù)的工作原理。
傳統(tǒng)上，光子的顏色（由其能量或波長(zhǎng)定義）是既定的。然而事實(shí)證明， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以把兩個(gè)低能光子變成一個(gè)較高能的光子，這一過(guò)程被稱為“上轉(zhuǎn)換”。
雖然實(shí)驗(yàn)中對(duì)上轉(zhuǎn)換的觀察已進(jìn)行了50多年，但該過(guò)程效率很低，因此相關(guān)研究不斷局限于實(shí)驗(yàn)室，直到人們發(fā)現(xiàn)了能夠更有效地發(fā)射上轉(zhuǎn)換光的材料。即便如此，提取實(shí)際數(shù)量的上轉(zhuǎn)換光子、如何將此類(lèi)物質(zhì)整合到實(shí)際應(yīng)用所需的固體材料中、可用波長(zhǎng)的可用性等問(wèn)題還是阻礙著上轉(zhuǎn)換技術(shù)的商業(yè)化之路。
不過(guò)最近，世界各地科學(xué)家的一系列努力已在這些具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。最值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)了由無(wú)機(jī)納米粒子和金屬有機(jī)化合物組成的新材料，可以擴(kuò)大輸入和輸出波長(zhǎng)的范圍。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在實(shí)驗(yàn)室里使用了這些材料來(lái)進(jìn)行一種名為“三重態(tài)-三重態(tài)湮滅”的上轉(zhuǎn)換過(guò)程，稍后 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 會(huì)對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步解釋。還有一些方法是利用某些稀有重元素的固有能力進(jìn)行上轉(zhuǎn)換。不過(guò) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 選擇了三重態(tài)-三重態(tài)湮滅，因?yàn)樗璧妮斎肽芰亢艿?，因此 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 不需要昂貴的脈沖激光器。相反， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以使用低功率激光器甚至強(qiáng)度類(lèi)似激光筆的發(fā)光二極管。同樣重要的是， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用的材料更充足。這一系列特點(diǎn)讓 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
要理解三重態(tài)-三重態(tài)湮滅的工作原理，第一時(shí)間需要掌握有機(jī)分子中電子自旋態(tài)的概念。在分子中，電子的位置是離散的。可以把分子想象成一棟多層樓房。每層都有一個(gè)單獨(dú)的房間，代表著其中一個(gè)位置或分子軌道。每個(gè)房間可容納兩個(gè)電子，但這兩個(gè)電子無(wú)法成為好室友，除非它們具有相反的特質(zhì)，即自旋態(tài)。電子第一時(shí)間填滿底層（即能量最低的位置），直到所有電子都占據(jù)一個(gè)房間。若一個(gè)光子擊中此分子（房子），便可將其中一個(gè)電子激發(fā)至更高的能量狀態(tài)，把電子推到更高樓層的空房間。電子在那里只會(huì)停留幾納秒左右，之后便回到基態(tài)，也就是它原來(lái)的房間。
電子回到基態(tài)時(shí)，分子會(huì)以熱或光的形式釋放出能量（等同于被吸收的能量）以激發(fā)電子。這種短暫的激發(fā)態(tài)，即電子處于較高軌道的狀態(tài)，被稱為“單線態(tài)激子”。
還有其他類(lèi)型的激子。例如，存在一種自旋未成對(duì)的狀態(tài)（兩個(gè)電子都自旋向上），在這種情況下，一旦其中一個(gè)電子被踢到更高房間，它就無(wú)法輕易地回到基態(tài)，因?yàn)榛鶓B(tài)的房間已經(jīng)被具有相同自旋態(tài)的電子占據(jù)。盡管如此，它最終還是會(huì)到達(dá)那個(gè)房間。油漆、貼紙和玩具在光照一段時(shí)間后會(huì)在黑暗中發(fā)光就是利用了這種時(shí)間間隔。
除了應(yīng)用于新穎產(chǎn)品，這種名為三重態(tài)激子的激子通常不被喜愛(ài)。例如，在有機(jī)發(fā)光二極管中，發(fā)光的是單線激發(fā)態(tài)。但是單線和三重激發(fā)態(tài)都會(huì)在OLED中形成，三重態(tài)會(huì)減弱 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 看到的光并產(chǎn)生多余熱量，這兩種情況都是顯示技術(shù)中人們所不希望出現(xiàn)的。
不過(guò)，在試圖操縱光的顏色時(shí)，這種三重態(tài)也有可取之處。如果處于三重態(tài)的兩個(gè)分子發(fā)生碰撞，它們的能量有時(shí)會(huì)結(jié)合。這一過(guò)程被稱為三重態(tài)-三重態(tài)湮滅。
讓 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 感興趣的是，結(jié)合之后產(chǎn)生的分子可以發(fā)射波長(zhǎng)更短、能量更高的光子，就像分子直接被高能光激發(fā)了一樣。接下來(lái)看看 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 是怎樣做的。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 第一時(shí)間生成了三重激發(fā)態(tài)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然有幾類(lèi)名為有機(jī)半導(dǎo)體湮滅劑的分子可以讓三重態(tài)結(jié)合，但直接被光撞擊時(shí)，它們自己并不會(huì)形成三重態(tài)。因此， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要使用一種叫做三重態(tài)光敏劑的材料。三重態(tài)光敏劑通常含有鈀、銥、鉑等重金屬，這些重金屬作為介質(zhì)，能夠?yàn)榉肿觿?chuàng)造一條路徑，將單線激發(fā)態(tài)移動(dòng)到能量更低的三重激發(fā)態(tài)，而非直接下降到基態(tài)。
之后，光敏劑可以將其三重態(tài)給予給湮滅劑分子，湮滅劑分子具有能量略低于光敏劑的三重激發(fā)態(tài)。能量被傳遞給湮滅劑后，光敏劑會(huì)返回自身基態(tài)，同時(shí)不釋放光。湮滅劑分子最終會(huì)發(fā)光，但不是現(xiàn)在。
要取得以光的形式釋放的能量， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要兩個(gè)處于三重激發(fā)態(tài)的湮滅劑。因此， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 不斷向光敏劑注入低能量的光，讓它們一遍又一遍地重復(fù)這一過(guò)程，產(chǎn)生多個(gè)激發(fā)態(tài)湮滅劑，并增加其中兩個(gè)激發(fā)態(tài)湮滅劑碰撞的機(jī)會(huì)。
發(fā)生這種碰撞時(shí)，湮滅劑會(huì)在稱為三重態(tài)-三重態(tài)湮滅的過(guò)程中傳遞能量，將一個(gè)分子轉(zhuǎn)化為單線激發(fā)態(tài)，將另一個(gè)分子轉(zhuǎn)化為基態(tài)。
電子成對(duì)占據(jù)基態(tài)(S0)，它們的自旋方向相反(上下箭頭，左圖)。光子可以將其中一個(gè)電子踢到單線激發(fā)態(tài)(S1，中圖)。通常，電子會(huì)迅速回落到基態(tài)并發(fā)射光子。但有時(shí)電子的自旋會(huì)翻轉(zhuǎn)，它會(huì)停留在一個(gè)較低的能級(jí)--三重激發(fā)態(tài)(T1，右圖)
不過(guò)，這樣的單線態(tài)結(jié)合了兩個(gè)三重態(tài)的能量，所以重回基態(tài)時(shí)，它發(fā)射的光子的能量比光敏劑吸收的原始光子的能量要高。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 把兩個(gè)低能光子上轉(zhuǎn)換成了一個(gè)高能光子。就顏色而言，這意味著 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以把兩個(gè)紅色光子變成一個(gè)藍(lán)色光子，或者把兩個(gè)紅外光子變成一個(gè)黃色光子。
這就是 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 改變光顏色的方法?，F(xiàn)在回到 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 做這件事的起因——光電。
太陽(yáng)光給予了豐富的光子，其能量范圍很廣，從紫外線到可見(jiàn)光譜，再到紅外線。然而 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 只使用了可用光子的一小部分。因此一個(gè)典型的單結(jié)太陽(yáng)能電池（由一層吸光材料制成的電池）的理論效率極限僅為34%；現(xiàn)在，典型的商用太陽(yáng)能電池的效率只有15%到20%。這種損失的最大單一來(lái)源是入射光的顏色與太陽(yáng)能電池可使用的光的顏色不匹配。
要理解這種情況，需要分析光伏電池是由半導(dǎo)體制成的，半導(dǎo)體材料具有帶隙。施加能量時(shí)，電子將從價(jià)帶（基態(tài)）移動(dòng)至導(dǎo)帶（激發(fā)態(tài)）并可作為電能加以利用。
如果能量與半導(dǎo)體帶隙匹配的光子擊中太陽(yáng)能電池，該過(guò)程就會(huì)順利進(jìn)行：入射的光子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被激發(fā)的電子，此電子會(huì)被有效捕獲進(jìn)而發(fā)電。如果光子的能量大于材料的帶隙（對(duì) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用的大多數(shù)光伏材料而言，所有可見(jiàn)光都是如此），入射的光子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能量更高的電子。然后，這個(gè)被激發(fā)的電子會(huì)迅速回到與帶隙相等的能量，所有多余的能量都以熱量的形式被損耗，這對(duì)太陽(yáng)能電池而言是一種浪費(fèi)。更糟糕的是，能量低于帶隙的光子根本無(wú)法產(chǎn)生任何能量，只能穿過(guò)半導(dǎo)體，不會(huì)被吸收。
因此太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)者面臨著困難的權(quán)衡：更寬的帶隙會(huì)減少熱量損失，但吸收的光子更少，而更窄的帶隙會(huì)吸收更多的可用光子，熱量損失卻更多。硅這種無(wú)處不在的吸光光伏材料占據(jù)了當(dāng)今光伏市場(chǎng)的90%以上，是解決這種權(quán)衡的最佳辦法。然而，即便最好的實(shí)驗(yàn)性硅太陽(yáng)能電池，也有近3/4的可用太陽(yáng)能未能利用。
只有光子的能量接近硅的帶隙，硅太陽(yáng)能電池才能有效地將光子轉(zhuǎn)化為電能。電池以熱量形式損耗了大量波長(zhǎng)較短(能量較高)的光子的能量，而且不能吸收能量較低的光子。作者正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)可將未被吸收的部分波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成接近硅最有效部分的顏色。
長(zhǎng)期以來(lái)，這種令人沮喪的狀況始終激勵(lì)著包括 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在內(nèi)的科學(xué)家和工程師去尋求更好的方法。
使用多種吸光材料來(lái)制造一堆太陽(yáng)能電池是一個(gè)有希望的想法，其中每個(gè)半導(dǎo)體與太陽(yáng)光譜的特定部分匹配。但設(shè)計(jì)此類(lèi)電池可能很困難。例如，同一種配置中的每個(gè)子單元輸出的電流必須相同；否則，效率將取決于性能最差的子單元。現(xiàn)在，在標(biāo)準(zhǔn)照明條件下（即不使用透鏡或其他聚光器），使用3個(gè)光吸收器制成的裝置的最高效率為39.5%。
不過(guò)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 認(rèn)為改變光的顏色可以進(jìn)一步提高效率：可以將光與電池匹配，而非試圖將電池與入射光匹配。
這意味著， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 要將太陽(yáng)能電池帶隙以下的光子轉(zhuǎn)換為可獲取的、能量更高的光子。過(guò)去幾年里， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室以及與世界各地的其他科學(xué)家合作中，成功將低能量的紅外光子（通常不能被當(dāng)今的太陽(yáng)能電池使用）上轉(zhuǎn)換為了可生產(chǎn)的黃色光子。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將這種最初在燒杯中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為了薄膜材料。
太陽(yáng)光包含的許多波長(zhǎng)都無(wú)法被硅太陽(yáng)能電池有效利用。雖然短波長(zhǎng)(藍(lán)色箭頭)會(huì)被吸收，但它們多余的能量會(huì)以熱量的形式被損耗。而長(zhǎng)波(紅色箭頭)則完全不被吸收。如今，研究人員試圖順利獲得將多種類(lèi)型的發(fā)電半導(dǎo)體堆魯在一起來(lái)捕獲更多波長(zhǎng)，但這可能代價(jià)高昂，設(shè)計(jì)起來(lái)也很困難。而一層變色材料可以將長(zhǎng)波轉(zhuǎn)換成硅可吸收的顏色，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并有可能降低成本。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在研究如何順利獲得控制能量在材料內(nèi)部的移動(dòng)、單線態(tài)和三重態(tài)的相互作用，以及光從薄膜發(fā)射到太陽(yáng)能電池陣列的過(guò)程來(lái)提高增益。包括 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在內(nèi)的世界各地的科學(xué)家都在努力開(kāi)發(fā)材料，使更高效的上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠進(jìn)一步收集紅外線。雖然這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在尚未投入商業(yè)應(yīng)用，但 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 相信它會(huì)走向商業(yè)化。
順利獲得上轉(zhuǎn)換改變光的顏色的用途令人激動(dòng)，提高太陽(yáng)能電池的效率僅僅是其中一種。該技術(shù)還可用于將光定位到精確位置，解決生物、化學(xué)和增材制造中的常見(jiàn)問(wèn)題。
防止不必要的光吸收或光散射在各種應(yīng)用中都很重要，比如在腫瘤部位激活藥物、點(diǎn)亮神經(jīng)元以研究大腦功能，以及也許令人驚訝的順利獲得增材制造精確地構(gòu)建結(jié)構(gòu)。不論哪種情況， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 解決問(wèn)題的方法都是相似的，但增材制造（3D打?。└裢庥星巴?，也許也是最容易解釋的。
在一桶樹(shù)脂中固化x、y和z坐標(biāo)上的單個(gè)點(diǎn)，是在不使用當(dāng)代技術(shù)的情況下打印三維形狀的最佳方法。然而，固化單個(gè)目標(biāo)點(diǎn)而不固化其周?chē)目臻g很難。例如，將激光束照射到樹(shù)脂中，會(huì)讓樹(shù)脂沿著整條激光路徑發(fā)生固化。
光子上轉(zhuǎn)換
順利獲得三重態(tài)-三重態(tài)湮滅，可將兩個(gè)低能光子變?yōu)橐粋€(gè)高能
光子。第一時(shí)間，低能光子(紅波)撞擊光敏劑分子。這會(huì)促使(藍(lán)色箭頭)一個(gè)電子從基態(tài)進(jìn)入單線激發(fā)態(tài)。光敏劑中的受激電子隨后落入能量較低的三重態(tài)并發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)。然后，光敏劑分子會(huì)用一個(gè)電子交換湮滅劑分子中的一個(gè)電子(本例中的湮滅劑為紅熒烯)。電子轉(zhuǎn)移之后，光敏劑的電子回到基態(tài)，湮滅劑處于三重激發(fā)態(tài)。此過(guò)程會(huì)不斷重復(fù)，在三重激發(fā)態(tài)產(chǎn)生第二個(gè)湮滅劑分子。然后，湮滅劑1與湮滅劑2交換電子。這會(huì)將湮滅劑2中的電子提升至單線激發(fā)態(tài)，同時(shí)讓湮滅劑1返回基態(tài)最后，被激發(fā)的湮滅劑會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)比最初被光敏劑分子吸收的波長(zhǎng)更短(能量更高)的光子(黃色波)。
不過(guò) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以順利獲得改變光的顏色來(lái)達(dá)到這種精確度。其工作原理如下。
在上轉(zhuǎn)換3D打印機(jī)中， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用了一種樹(shù)脂，該樹(shù)脂含有分散的納米顆粒以及光敏劑和湮滅劑。在3D打印中，通常使用藍(lán)色光子或紫外線光子來(lái)驅(qū)動(dòng)樹(shù)脂的固化，但 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 不會(huì)從藍(lán)光開(kāi)始。相反， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 會(huì)向目標(biāo)發(fā)射一束紅色激光。
然后 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 利用了上轉(zhuǎn)換只發(fā)生在特定光強(qiáng)度下的特性：使用透鏡將紅色光束聚焦在樹(shù)脂池中的特定點(diǎn)上，從而增加該點(diǎn)的強(qiáng)度。上轉(zhuǎn)換會(huì)在紅光的焦點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)小的藍(lán)光點(diǎn)，固化該點(diǎn)處的樹(shù)脂。順利獲得移動(dòng)焦點(diǎn)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以在樹(shù)脂池深處創(chuàng)建任意形狀。令人興奮的是，整個(gè)過(guò)程可以用強(qiáng)度堪比普通激光筆的激光來(lái)完成。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 已經(jīng)做了一些樣品，包括一艘玩具船、一個(gè)齒輪以及斯坦福大學(xué)與哈佛大學(xué)的一些徽標(biāo)。
為了打印這艘3D船， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將可以改變光的顏色的材料分散在了樹(shù)脂池中。將紅色激光聚焦在池中的某一點(diǎn)觸發(fā)上轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生一個(gè)藍(lán)光點(diǎn)并固化該點(diǎn)的樹(shù)脂。在三維空間中移動(dòng)激光便可逐點(diǎn)建造3D船。
展望未來(lái)，令 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 倍感興奮的是利用這項(xiàng)技術(shù)可以在納米精度內(nèi)快速并行打印許多物體，這在現(xiàn)階段是很難做到的，因?yàn)閷⑻喔吖β始す馄骷性谝粋€(gè)樹(shù)脂池中會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂在轉(zhuǎn)化為固體塑料之前被分解。用于上轉(zhuǎn)換的低功率激光器則不會(huì)出現(xiàn)這種情況。
除了這些應(yīng)用之外，相關(guān)技術(shù)還有更多有前景的開(kāi)展：上轉(zhuǎn)換可以使近紅外光束深入活體組織中，產(chǎn)生對(duì)深層組織成像、光遺傳學(xué)和局部化學(xué)反應(yīng)有用的高能光子。
此外， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 也在探索被動(dòng)夜視系統(tǒng)和強(qiáng)大的防偽方案等應(yīng)用。每一種應(yīng)用都需要在表面涂一層薄薄的上轉(zhuǎn)換材料，就像 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在太陽(yáng)能電池中使用的技術(shù)一樣。想象一下，如果買(mǎi)了一副帶有上轉(zhuǎn)換涂層的眼鏡，你就可以看到紅外光子，而不像現(xiàn)在的夜視鏡那樣需要笨重的電源才能改善夜視能力?；蛘?，如果在貨幣或身份證中嵌入上轉(zhuǎn)換納米粒子，那么區(qū)分真?zhèn)尉秃芎?jiǎn)單，只需用紅色激光筆照射其表面，就會(huì)看到光線變成藍(lán)色。
盡管每種應(yīng)用需要的材料不同，但順利獲得上轉(zhuǎn)換將高能光子帶到正確的位置可以用于啟動(dòng)每種應(yīng)用。有關(guān)這項(xiàng)技術(shù)的作用， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 才剛剛開(kāi)始觸及其皮毛。
作者：Tracy H. Schloemer、Daniel N. Congreve
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