研究人员正在探索捕获和产生光背后的物理学原理，这项工作可能会为清洁能源领域的突破带来光明，从而推动基础科学摆脱落后局面。
在应对气候变化的斗争中，政府和私营公司将大部分注意力集中在诸如灯泡和太阳能电池之类的工程设备上，追求单百分点的效率提升。
这些微小的改进可能会产生重大影响：联合国环境规划署估计，全球 19% 的电力用于照明，占全球温室气体排放量的 8%。
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根据美国能源信息署的数据，2014 年美国住宅和商业部门消耗了 4120 亿千瓦时的电力，占电力总用量的 11%。
与此同时，根据国际能源署的数据，全球目前已部署超过 178 吉瓦的太阳能光伏发电，占全球发电量的 1%。
然而，科学家们表示，在利用光能方面仍有基础科学需要探索，弄清楚这一点可能会解锁设计和构建清洁能源系统的全新方法。而微小的改进可能太少太迟，无法对气候变化产生重大影响。
借鉴植物以改进可再生能源
在上周发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，一组研究人员研究了一种模仿植物利用阳光做有用事情的装置。
该报告的合著者、维也纳技术大学光子学研究所的初级研究小组负责人于尔根·豪尔解释说，自然系统已经进化到可以有效地利用光，但工程师在设计像叶子一样有效工作的太阳能电池之前，还需要注意一些事项。
他说：“自然系统没有任何进化压力来制造结构最复杂的系统。” “它们比你在工业规模上梦想制造的任何东西都要复杂得多，也更灵活。”
生物体会生长、自我修复并适应其环境，而太阳能电池板必须保持完好无损 20 年或更长时间。尽管如此，研究人员认为，光合作用的最初步骤中可能存在一些有用的特性，特别是在分子结构捕获光的地方。
该团队研究了一种人工光捕获器，它是由数千个单独的吸光分子组成的集合，这些分子排列成一个圆柱体，类似于植物中捕获和转移光能的天线复合体。
豪尔和他的合作者使用短激光脉冲，观察了能量在捕获器中的行为。从过去的实验中，出现了两种相互竞争的理论来解释植物如何操纵太阳能。一种理论认为能量包含在分子内的振动中。另一种理论认为量子效应在起作用，能量存在于分子之间共享的激发电子中。
实验表明，激光脉冲在捕获器中产生了一种能量振荡，这种振荡持续的时间比任何一种模型预测的都要长。“我们看到的是，振荡是电子的，但它需要振动才能如此长寿，”豪尔说。“真相介于两者之间。”
理清植物如何利用光可以改进可再生能源，例如设计可优化电子和振动能量转移的太阳能材料。“如果我们更好地理解这一点，我们就可以将这些设计原则应用于新一代太阳能电池，”豪尔说。
为新型太阳能电池板指明道路
上周发表在《物理评论快报》上的另一项研究展示了一种发光设备，该设备表现出色，使其看起来比实际尺寸大 10,000 倍。
这种情况下的装置是一个谐振器，它是一种由能够集中和放大光的材料制成的结构，利用了光的波动特性。当嵌入折射率接近零（真空的折射率为 1）的材料中时，谐振器会产生比其实际尺寸大几个数量级的发光横截面。
该报告的主要作者、威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程博士生周明解释说，这些特性在各种应用中都很有用。由于其放大作用，谐振器可以提高寻找微弱光线的相机的性能，例如显微镜中使用的相机。
它的能量散射能力可以使谐振器成为一种良好的被动冷却系统，例如极其高效的散热器。它还可以在照明应用中提供更高效的照明。
谐振器还可以改进依赖聚光器的太阳能电池板。“太阳能电池行业使用透镜，因此聚光比率非常有限，”周说。“对于太阳能电池，您希望将光集中在一个小区域以产生电流。”谐振器的光放大作用大大优于透镜。
周和豪尔都告诫说，他们的工作还处于早期阶段，他们的发现可能需要数年时间才能转化为更好的灯泡和太阳能电池板。然而，这些发现可能会为更卓越的清洁技术指明道路。
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