研究人員正在探索捕獲和產生光背後的物理學原理，這項工作可能會為清潔能源領域的突破帶來光明，從而推動基礎科學擺脫落後局面。
在應對氣候變化的鬥爭中，政府和私營公司將大部分注意力集中在諸如燈泡和太陽能電池之類的工程裝置上，追求單百分點的效率提升。
這些微小的改進可能會產生重大影響：聯合國環境規劃署估計，全球 19% 的電力用於照明，佔全球溫室氣體排放量的 8%。
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根據美國能源資訊署的資料，2014 年美國住宅和商業部門消耗了 4120 億千瓦時的電力，佔電力總用量的 11%。
與此同時，根據國際能源署的資料，全球目前已部署超過 178 吉瓦的太陽能光伏發電，佔全球發電量的 1%。
然而，科學家們表示，在利用光能方面仍有基礎科學需要探索，弄清楚這一點可能會解鎖設計和構建清潔能源系統的全新方法。而微小的改進可能太少太遲，無法對氣候變化產生重大影響。
借鑑植物以改進可再生能源
在上週發表在《自然通訊》雜誌上的一項研究中，一組研究人員研究了一種模仿植物利用陽光做有用事情的裝置。
該報告的合著者、維也納技術大學光子學研究所的初級研究小組負責人于爾根·豪爾解釋說，自然系統已經進化到可以有效地利用光，但工程師在設計像葉子一樣有效工作的太陽能電池之前，還需要注意一些事項。
他說：“自然系統沒有任何進化壓力來製造結構最複雜的系統。” “它們比你在工業規模上夢想製造的任何東西都要複雜得多，也更靈活。”
生物體會生長、自我修復並適應其環境，而太陽能電池板必須保持完好無損 20 年或更長時間。儘管如此，研究人員認為，光合作用的最初步驟中可能存在一些有用的特性，特別是在分子結構捕獲光的地方。
該團隊研究了一種人工光捕獲器，它是由數千個單獨的吸光分子組成的集合，這些分子排列成一個圓柱體，類似於植物中捕獲和轉移光能的天線複合體。
豪爾和他的合作者使用短雷射脈衝，觀察了能量在捕獲器中的行為。從過去的實驗中，出現了兩種相互競爭的理論來解釋植物如何操縱太陽能。一種理論認為能量包含在分子內的振動中。另一種理論認為量子效應在起作用，能量存在於分子之間共享的激發電子中。
實驗表明，雷射脈衝在捕獲器中產生了一種能量振盪，這種振盪持續的時間比任何一種模型預測的都要長。“我們看到的是，振盪是電子的，但它需要振動才能如此長壽，”豪爾說。“真相介於兩者之間。”
理清植物如何利用光可以改進可再生能源，例如設計可最佳化電子和振動能量轉移的太陽能材料。“如果我們更好地理解這一點，我們就可以將這些設計原則應用於新一代太陽能電池，”豪爾說。
為新型太陽能電池板指明道路
上週發表在《物理評論快報》上的另一項研究展示了一種發光裝置，該裝置表現出色，使其看起來比實際尺寸大 10,000 倍。
這種情況下的裝置是一個諧振器，它是一種由能夠集中和放大光的材料製成的結構，利用了光的波動特性。當嵌入折射率接近零（真空的折射率為 1）的材料中時，諧振器會產生比其實際尺寸大幾個數量級的發光橫截面。
該報告的主要作者、威斯康星大學麥迪遜分校電氣與計算機工程博士生周明解釋說，這些特性在各種應用中都很有用。由於其放大作用，諧振器可以提高尋找微弱光線的相機的效能，例如顯微鏡中使用的相機。
它的能量散射能力可以使諧振器成為一種良好的被動冷卻系統，例如極其高效的散熱器。它還可以在照明應用中提供更高效的照明。
諧振器還可以改進依賴聚光器的太陽能電池板。“太陽能電池行業使用透鏡，因此聚光比率非常有限，”周說。“對於太陽能電池，您希望將光集中在一個小區域以產生電流。”諧振器的光放大作用大大優於透鏡。
周和豪爾都告誡說，他們的工作還處於早期階段，他們的發現可能需要數年時間才能轉化為更好的燈泡和太陽能電池板。然而，這些發現可能會為更卓越的清潔技術指明道路。
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