“給力”的太陽(yáng)能發(fā)電

張唯誠(chéng)

光伏太陽(yáng)能電池的原理是將陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成電流。當(dāng)—個(gè)光子帶著足夠的能量撞上了太陽(yáng)能電池板上的硅原子時(shí)，它會(huì)將硅原子中的電子撞擊成自由電子，.電子在材料中流動(dòng)，這就形成了電流。然而，并不是所有的光子都能夠啟動(dòng)這樣的過(guò)程，要想讓電流產(chǎn)生，光子所攜帶的能量必須恰到好處。能量太大，那么這些能量就會(huì)在材料中“制造混亂”，被激發(fā)的電子到處亂飛，不能有效地形成電流；能量過(guò)小，光子則僅能讓自己流了過(guò)去，并不與任何電子發(fā)生作用，從而無(wú)法產(chǎn)生電流。不湊巧的是，這種低能量的光子在太陽(yáng)光譜中占了幾乎一半，所以大約有一半的太陽(yáng)光子是不發(fā)生作用的，而另外一些高能光子又因太活躍而產(chǎn)生熱量，從而影響太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率。

材料科學(xué)為發(fā)電提供新途徑

要解決發(fā)熱問(wèn)題，直接的辦法就是用空調(diào)或者水給太陽(yáng)能電池降溫，但這樣一來(lái)就要增加設(shè)備，提高成本，消耗額外的能量，做起來(lái)得不償失，所以不宜采用。鑒于上述原因，現(xiàn)在太陽(yáng)能電池處在了效率難以提高的困境中。

1821年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中發(fā)現(xiàn)了由溫差導(dǎo)致的電流，這種現(xiàn)象被稱為“塞貝克效應(yīng)”，亦叫“熱電效應(yīng)”，能產(chǎn)生這種效應(yīng)的材料就是熱電材料。1954年，太陽(yáng)能發(fā)電的先驅(qū)、美籍匈牙利科學(xué)家瑪麗婭·合爾克斯嘗試?yán)脽犭姴牧蠌氖绿?yáng)能發(fā)電。由于吸收了太陽(yáng)的熱量，電子在熱電材料中從溫度高的一端流向溫度低的一端，從而形成電流，臺(tái)爾克斯所期待的電能就是這樣產(chǎn)生的。她的確成功了，但效率很低，只有不足1％的光子被轉(zhuǎn)變成了電流，這是因?yàn)楣庾雍苋菀装褵崃繌臒犭姴牧系臒岫藥У嚼涠?，從而無(wú)法在兩端間維持比較大的溫差，所以熱電材料的發(fā)電效率太低。

現(xiàn)在，面臨太陽(yáng)能電池的新問(wèn)題，科學(xué)家們重新想到了熱電材料。2007年，美國(guó)科學(xué)家考慮用熱電材料將太陽(yáng)光譜中的絕大多數(shù)光子都充分地利用起來(lái)。該方法是將熱電材料和光電材料組合起來(lái)，形成一種組合的太陽(yáng)能電池。這種組合電池在工作的時(shí)候就如同一個(gè)指揮交通的“崗?fù)ぁ?，它依照波長(zhǎng)來(lái)分流“交通”，也就是依照波長(zhǎng)將照射過(guò)來(lái)的陽(yáng)光引向不同的地方。能被光電材料利用的光子被引向了光伏板，從而實(shí)現(xiàn)用光伏太陽(yáng)能電池的原理產(chǎn)生電流；不能被光電材料利用的光子則被引向了熱電材料，這部分光子被熱電材料捕捉后也能用于發(fā)電。

據(jù)估計(jì)，這種組合電池的發(fā)電效率將有望達(dá)到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)能電池的1.5倍。不過(guò)這種電池依然存在著成本過(guò)高的問(wèn)題，因?yàn)橐至鞴庾V中的光子，必須先把較大面積上的陽(yáng)光集成一束，再把它按波長(zhǎng)分開(kāi)，這就要安裝太陽(yáng)能集光器和光束分離器，所以對(duì)于普通人家，成本還是過(guò)高。

與此同時(shí)，熱電材料的性能也是一個(gè)大問(wèn)題。要想用熱電材料發(fā)電，就得提高這種材料的發(fā)電效率，這是50年來(lái)一直存在的技術(shù)瓶頸，然而現(xiàn)在，這個(gè)問(wèn)題也有了解決的辦法。

納米技術(shù)使發(fā)電高效又便捷

一般來(lái)說(shuō)，晶體材料，例如硅，它們的原子很對(duì)稱且排列有序，所以電子和光子都能容易地通過(guò)。但另外一些材料，例如玻璃，就不是這樣了，在這種材料里，電子和光子的流動(dòng)都會(huì)受到阻礙。材料的這些特性是天然的，通常不易改變。

然而，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，材料科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們已經(jīng)能夠在極小的微粒層面上控制材料的結(jié)構(gòu)了。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家使用納米技術(shù)成功地在一種材料中實(shí)現(xiàn)了阻止光子在材料中流動(dòng)，卻讓電子輕易通過(guò)的神奇特性。有了這種材料，熱量就不會(huì)被光子從熱電材料的熱端帶到冷端，兩邊可以始終維持比較大的溫差，而電流卻暢行無(wú)阻，從而提高了熱電材料的效率?？茖W(xué)家們認(rèn)為，使用這種材料發(fā)電，其效率將比普通的熱電材料提高一倍，而假若把這種熱電材料和光伏發(fā)電結(jié)合起來(lái)，太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率便可以達(dá)到50％。

與此同時(shí)，科學(xué)家們還在尋找更加省事的辦法。美國(guó)亞利桑那大學(xué)的查爾斯·斯塔福德發(fā)現(xiàn)，一種名為多酚乙烯的高分子材料能夠進(jìn)一步提高熱電材料的效率且使太陽(yáng)能利用變得更加簡(jiǎn)單。斯塔福德通過(guò)改變這種聚合物內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的方式提高熱電材料的發(fā)電效率，他讓材料中的分子擾亂光子的運(yùn)動(dòng)，阻擋光子通過(guò)而電子的流動(dòng)卻不受影響。按照斯塔福德的估計(jì)，這種材料的發(fā)電效率可達(dá)到20％~25％，是現(xiàn)有最好熱電材料發(fā)電效率的6倍。更為神奇的是，這種聚合物完全可以像普通的涂料一樣刷在屋頂或者墻上。這樣的技術(shù)一旦成熟，太陽(yáng)能發(fā)電就省事得多了，你只需去商店買(mǎi)來(lái)那種特殊的涂料和刷子，將涂料刷在屋頂上，請(qǐng)上一個(gè)電器專業(yè)人員接上電極，你的屋頂就能發(fā)電了。

噴墨打印技術(shù)讓成本更低廉

與此同時(shí)，下一代光伏太陽(yáng)能電池也將變得更便宜，更薄，并且更好用，這是因?yàn)橐环N成熟的技術(shù)即將被運(yùn)用到太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝中，那就是人們已經(jīng)司空見(jiàn)慣了的噴墨打印技術(shù)。隨著這種技術(shù)被應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)，太陽(yáng)能電池將獲得一次減少用料，降低成本的契機(jī)，而更為重要的是，它們收集陽(yáng)光的能力也會(huì)更強(qiáng)，產(chǎn)生的電能會(huì)更多?？茖W(xué)家解釋說(shuō)，噴墨打印術(shù)非常適合打印圖案，無(wú)論多么特殊的圖案都能打印出來(lái)，這種精確性使噴墨打印術(shù)能在硅太陽(yáng)能電池上打出更細(xì)的導(dǎo)線來(lái)，這是它在太陽(yáng)能電池制作過(guò)程中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的奧妙之一。

太陽(yáng)能電池上由導(dǎo)線構(gòu)成的圖案起著收集電子，產(chǎn)生電流的作用，而太陽(yáng)能電池中的硅則負(fù)責(zé)吸收陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)換成電子。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式中，導(dǎo)線是用一種名為“絲網(wǎng)印刷”的工藝印在硅片上的，使用的材料是銀膏。用這種方法在硅片上印出的導(dǎo)線通常有100～120微米寬。噴墨打印使用的銀“墨水”與銀膏并不完全一樣，它的導(dǎo)電性能比銀膏更強(qiáng)，且打印出的導(dǎo)線可以細(xì)到只有50～20微米寬。這樣一來(lái)，銀的使用量就會(huì)大為減少，成本會(huì)大幅下降。而更為重要的是，由于導(dǎo)線變窄，硅的暴露面積就變得更大，因而太陽(yáng)能電池的吸光面得以擴(kuò)大，太陽(yáng)能電池的性能也相應(yīng)提高。

噴墨打印術(shù)在太陽(yáng)能電池制作工藝上的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，是它工作的時(shí)候并不接觸硅片。使用絲網(wǎng)印刷，硅片通常不能太薄，否則就有可能破裂，然而噴墨打印術(shù)由于不接觸硅片，它就不會(huì)對(duì)硅片產(chǎn)生過(guò)大的壓力，人們可以在更薄的硅片上打印導(dǎo)線，這意味著在未來(lái)，太陽(yáng)能電池的硅使用量將大幅減少，硅成本可望縮減50％。

【責(zé)任編輯】龐云