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梦想到现实光伏涂料温差发电现巨大潜力

https://www.biud.com.cn 2012年01月11日12:41 家居装修知识网

　　想象一下，在不远的未来，要捕捉太阳能，不再需要昂贵的光伏电池板，只需要购买几桶涂料，涂在屋顶、外墙或任何接触阳光的表面，就可以将它们变成巨大的光伏电池板。

　　想要减少电费，一种方法是利用无处不在的免费能源———阳光。但首先，你得拿出一大笔钱，请专家上门在你家屋顶上安装沉重而低效率的光伏电池板。现在，有一种方法可以利用免费太阳能，且不用请专家，不用花大钱购买光伏电池板。假如，只需要上商店购买一桶涂料，花一个下午自己把屋顶涂满新买来的涂料，再请一个电工将电线连接上屋顶，就能让你家彻底脱离电网，实现能源自给自足？

　　这正是一种新的光伏材料许诺的美好前景。这种材料利用材料两面的温度差别产生电流，一度因为效率太低，造价昂贵，被认为难以用于实际应用。但新研究发现，温差发电材料可拯救太阳能光伏产业，解决光伏电池板致命的光-电转化效率低的问题。温差发电材料可帮助太阳能电池板走出低谷，发挥更大用途，但另一方面，它们也可能导致光伏电池板的没落。

　　早在半个世纪前，人们已经开始梦想将温差发电材料与光伏材料结合。1954年，太阳能先锋玛丽亚·特尔克斯用一张温差发电材料吸收太阳热量，并成功将热能转化为电能。材料一面的热能释放出的电子流向温度较低的一面，导致温度高的一面带正电，温度较低的一面带负电。特尔克斯用这种方法成功生成电流，但是只有很少一点。光-电转化的效率非常低，最成功的一次实验转化率仅有1%。这和当时的硅太阳能电池板的效率相差并不多。然而，到上世纪50年代末，硅太阳能电池的效率提高了两倍，达到6%-8%。而太阳能温差发电材料的效率依然保持在1%。因此，新生的太阳能光伏产业迅速抛弃了这种技术，大力发展硅光伏电池板。上世纪70至80年代，硅太阳能光伏电池板开始大批出现在屋顶上。

　　在接下来的几十年里，温差发电材料几乎完全被忽视。除了可怜的发电效率之外，这种材料本身———原料通常采用碲化铋等稀有元素———价格昂贵，相对于卑微的产出实在不划算。只有在极其罕见的情况下，在没有其他选择的时候才可能被采用。比如，在“旅行者”号太空探测器上，温差发电材料利用一小块放射性材料和寒冷外太空的温度差异为探测器提供电源。

　　但是，不久之后，硅太阳能光伏电池板的发展也遭遇瓶颈。虽然研究者想尽各种办法，今天销售的光伏太阳能电池板的效率依然在15%至20%之间。这和它们将阳光转化为电能的方式有关。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生越迁，形成电流。但问题在于，光子必须携带适量的能量。超出这个能量范围就会发生问题。如果光子携带能量太多———比如高能紫外线所携带的能量———它们的热量会给材料造成混乱。另一方面，如果光子携带能量太低———比如微波或红外光的光子———就会直接穿过电池板，不与任何电子发生反应。

　　不幸的是，这些低能光子在太阳光谱中所占比例接近一半，因此，太阳能电池板的效率无法超过50%。更糟糕的是高能光子会对光伏材料精密的电子结构造成破坏：在高热下电子开始到处乱窜，而不是有序地流动。因此，约一半的太阳光子无法利用，少数能量充足的光子反而会影响电池板的效率。虽然可以通过冷却来减少电池板过热产生的副作用。但这将导致成本和体积增加，冷却过程还需要消耗能量，构成了限制光伏太阳能电池板效率的三大敌人。

　　或许可以用温差发电材料帮助解决这些问题？2007年，麻省理工学院的陈钢开始思考，是否能重新挖掘出这种早已被忽视的材料，帮助太阳能电池充分利用各种波长的太阳光。

　　这是一个诱人的想法。理论上也得到了证实。结合温差发电材料和光伏材料的太阳能电池可以疏导高能光子，从而给电池降温，并且温差发电材料可捕捉低能光子发电，充分利用所有阳光。

　　理论上，结合两种材料的最好方式是“光谱分裂太阳能电池”。它类似于交通警察，根据波长将阳光分隔。按照陈钢的计算，类似混合电池的效率将是标准硅太阳能电池的1.5倍，这样的飞跃可能最终让太阳能在价格上与化石燃料竞争。但是有一个问题：“要实现‘光谱分裂’需要太阳能聚光器和分光棱镜。”增加的成本已经超过增加效率带来的利润。

　　

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　　也许更好的选择是一种更简单的东西。与其建造一个复杂的结构疏导低能光子，为什么不让它们直接穿过太阳能电池进入下面的温差发电层？再下面的冷却管道可吸收高能光子的热能。热电池板和冷水为夹在中间的温差发电层提供理想的温差。但即使如此，温差发电层捕捉到的多余能量依然不足以弥补材料的花费。必须解决最根本的问题：温差发电材料昂贵的价格。

　　它的发电方式也是导致低效率的罪魁祸首。当材料一面变热，电子脱离原子，迁移到冷的一面。难度在于保持材料两面的温差。电子并非唯一穿透材料的东西：热以光子的形式传播，从一个原子传递给另一个原子。冷的一面很快也将因为热传导而变热，这时候，电子将不再朝着一个特定方向流动，而是无序地乱窜。当然再也无法生成电流。

　　在长达半个世纪的时间里，这个问题一直得不到解决。直到纳米技术出现。现在，研究者可以从最细微的层面控制材料的结构。

　　在硅等晶体材料中，所有原子都有序规则排列。使得电子和光子可以畅通无阻地穿过。相反，在玻璃等原子排列混乱的材料中，电子和光子的流动都受到阻碍。通过纳米技术可以创造出只让电子(而非光子)通过的合成材料。纽约哥伦比亚大学的尹慧明(音译)和杨大江(音译)采用了一种量子点基础材料。量子点材料诞生于约30年前，像传统太阳能电池一样，它可以捕捉光能，转化为电能。它可以让普通温差发电材料的效率接近翻倍。夹在水冷却光伏发电系统中间，这种材料可以将太阳能电池的效率提高到超过50%。

　　亚利桑那大学的查尔斯·斯塔福德在创造一种类似装置的过程中意识到还有一种可能性，它甚至可能重塑整个太阳能产业。假如可以完全放弃挑剔的光伏电池？假如能够找到一种高效率的阳光捕捉材料，从而完全取代太阳能电池？如果它足够便宜，那么即使它的峰

　　为此，他必须放弃半导体，寻找一种全新材料。他发现一种叫聚苯基醚的聚合物可能符合要求。“它们价格很便宜，”他说，“你可以买上几罐，刷在任何可以被阳光照射的表面。”斯塔福德认为他可以对材料的分子进行加工，干扰光子的流动，同时让电子通过。他估计，这种新材料可将20%至25%的光子转化为电力，效率为今天的温差发电材料的6倍。如果他获得成功，结果将是惊人的。光伏太阳能电池可能从此被淘汰。

　　很多研究者都看到了太阳能涂料的前景。加拿大纳米技术研究者特德·萨金特多年前就开始研究太阳能涂料。他的涂料中的关键材料也量子点。这种涂料的最大优势是低廉的价格。覆盖1平方米的薄膜只需要15至20美元。制作涂料的时候，先将工业橄榄油加热，然后添加主要原料———锡、铋、铅、硫和硒等———然后等待量子点形成。最终的成品像一种油性黑墨，但里面遍布直径几纳米的量子点，每一颗都是一个小晶体。萨金特的小组在2005年通过实验证明量子点不但可以捕捉可见光的能量，还能捕捉红外光的能量，而抵达地球的太阳能中一半是红外光所携带的。萨金特的太阳能技术还尚未成熟，但已经吸引到财大气粗的投资者。沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)是阿拉伯世界中几所砸下大笔资金吸引世界顶尖人才的学校之一。萨金特从2008年就开始与KAUST合作。KAUST为他的研究项目投入了1000万美元。并获得了这一技术在中东、西亚、俄罗斯、印度等38个国家的使用权。

　　美国圣母大学的研究者在太阳能涂料研究方面也取得突破。他们创造了一种能够产生电能的半导体纳米粒子。“我们想要创新，摆脱现在的硅基础太阳能技术。”圣母大学纳米科技中心的化学和生物化学教授普拉香特·卡玛特说，“通过结合纳米微粒和一种涂抹材料，我们创造了一种可以涂抹于任何导电表面的太阳能涂料。”

　　研究小组经过反复试验，最后选择了二氧化钛纳米微粒，外面包裹上硫化镉或硒化镉，最后加入水和酒精，形成一种膏状物。涂抹在透明导电材料上，暴露在阳光下，就能产生电能。“目前最佳的光-电转化效率只有1%，远远低于硅太阳能电池的10%至15%。”卡玛特解释说，“但是这种涂料成本低廉，可批量生产。如果能够提高光-电转化效率，我们也许能够改变未来的能源获取途径。”

　　事实上，这一天可能近在眼前。2011年5月，陈钢发表论文，说明无需电池板的太阳能发电系统即将成为现实：这是因为温差发电材料提供了一种聚集太阳能的新方式。直到现在，小型屋顶太阳能电池板依然无法实现这一点。因为聚集阳光需要复杂的透镜系统追踪太阳轨迹，过于昂贵，只有商业规模的太阳能发电站采用。

　　然而，聚集阳光其实非常简单，将一块铜片放到阳光下就可以办到。将铜片放进便宜的玻璃真空罩中，可以将热量困在罩内，只需要再将一小块温差发电材料附着在铜片背面就能将热能转化成电力。即使采用普通温差发电材料，光-电转化效率也可达到史无前例的5%。如果材料成本够低廉，即使这样的效率也值得生产。如果温差发电材料的效率再有所提高，光伏太阳能电池可能很快就会被取而代之。

　　无论未来属于陈钢的太阳能聚光器还是斯塔福德的太阳能涂料，温差发电已现出巨大的潜力，相比光伏电池，它更加方便、实用、成本低廉。玛丽亚·特尔克斯50年前的梦想已经接近现实。

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