摩天大樓：很快就能自行供電了

胡德良

每當(dāng)你看到一幢鑲滿玻璃的摩天大樓時(shí)，你會(huì)想起什么？

美國太陽能專家蘭斯·惠勒的想法可能和別人不太一樣，每當(dāng)他看著這樣的摩天大樓，他就看到了未開發(fā)出來的巨大能源潛力。惠勒認(rèn)為，在美國，住宅樓和辦公樓的電量消耗占總耗電量的75%，占整個(gè)能源使用量的40%，由于窗戶泄漏能量，因此窗戶是解決問題的重要環(huán)節(jié)。

最近，科學(xué)家的系列研究成果已經(jīng)指向同一個(gè)解決方案——把窗戶變成太陽能電池板過去，材料科學(xué)家已經(jīng)將光吸收薄膜鑲?cè)氩ＡТ爸?，但是這種太陽能窗往往會(huì)有紅色或揭色色調(diào)，這讓建筑師們覺得很不滿意。然而，新型太陽能窗技術(shù)幾乎只能吸收不可見的紫外線和紅外線，這樣能使玻璃變得清澈透明，同時(shí)能阻攔穿透玻璃的紫外線輻射和紅外線輻射，這些輻射有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱量〕惠勒認(rèn)為，通過在發(fā)電的同時(shí)減少熱量排放，這種窗戶有著廣闊的前景，包括存在“讓大型辦公樓自行供電”的可能性

太陽能電池也可以是透明的？

大多數(shù)太陽能電池，就像在行業(yè)中占主導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)晶體硅電池一樣，為了使其效率最大化而犧牲了透明度。這里的效率，是指陽光中的能量轉(zhuǎn)化為電力的百分比。最高質(zhì)量的硅電池效率為25%，而一類被稱為“鈣鈦礦”的不透明太陽能電池材料的效率接近硅電池，最高效率為22%。鈣鈦礦不僅比硅更便宜，而且還可以通過調(diào)整化學(xué)成分的配比使其吸收特定頻段的光線。

不久前，美國密歇根州立大學(xué)化學(xué)工程師理查德·倫特領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，該團(tuán)隊(duì)對鈣鈦礦材料進(jìn)行了調(diào)整，開發(fā)了一種吸收紫外線的鈣鈦礦太陽能窗，效率為0.5%。盡管這種太陽能窗的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最佳性能的鈣鈦礦電池，但是它已經(jīng)足以為另外一種太陽能窗技術(shù)提供電力：一旦需要可以使玻璃變暗，阻攔白天炎熱時(shí)段的強(qiáng)烈光線，因而可以減少樓房對空調(diào)的需求。倫特還認(rèn)為，在接下來的幾年中，他的團(tuán)隊(duì)能夠讓太陽能窗的效率達(dá)到4%。憑著這樣的效率，這種電池可以為一些樓房的照明和空調(diào)提供電力。

光譜的另一端是紅外光，它比紫外光更加強(qiáng)烈地照射著地球的表面，因此可以產(chǎn)生更多的電能。2017年，倫特的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在《自然-能源》雜志上發(fā)表文章稱：該團(tuán)隊(duì)制造了一種透明的、吸收紫外線和紅外線的電池，效率為5%，利用的是“有機(jī)光伏”技術(shù)——一種有機(jī)半導(dǎo)體和金屬構(gòu)成的夾層薄膜。倫特稱，未來這種材料能將捕獲紫外線的鈣鈦礦和捕獲紅外線的有機(jī)物結(jié)合起來，能夠達(dá)到20%的效率，同時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)幾乎完全透明。

使太陽能窗透明的另一種方法

使太陽能窗透明的另一種方法需要依靠所謂的“發(fā)光太陽能聚光器”。這樣的太陽能窗中使用了量子點(diǎn)，這些量子點(diǎn)是微小的半導(dǎo)體顆粒，吸收紫外和紅外頻段的光線，并且以傳統(tǒng)太陽能電池能夠捕獲到的波長重新釋放出來。重新釋放的光線集中起來，通過玻璃側(cè)向分流至鑲嵌在窗框中的條狀太陽能電池中。

由于量子點(diǎn)制造起來便宜，而且只需要少量的太陽能材料來捕獲重新釋放出來的光線，這種太陽能窗在價(jià)格上有望比較便宜。2018年1月，美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家維克多·克里莫夫及同事在《自然一光子學(xué)》雜志上報(bào)道說：這樣的太陽能窗已經(jīng)達(dá)到了3.1%的效率。

讓樓房自行供電不再是夢想

美國加州圣巴巴拉幣的下一代能源技術(shù)公司依然在致力于完善半透明有機(jī)太陽能窗技術(shù)。這家公司的太陽能窗達(dá)到了7%的效率，跟透明的玻璃相比，這種半透明有機(jī)太陽能窗可能暗了一些，但由于是吸收整個(gè)光譜的光線而不是特定頻段的光線，故而并沒有呈現(xiàn)出難看的紅色或褐色色調(diào)。下一代能源技術(shù)公司顧問邁克爾·麥吉說：“這確實(shí)是一種很不錯(cuò)的技術(shù)。”

惠勒還不能確定哪一種最終會(huì)成為頂尖技術(shù)，其中一個(gè)不利因素是毒性：許多太陽能窗技術(shù)都會(huì)利用少量的毒性材料。但是，惠勒可以確信，未來的樓房不用完全利用電網(wǎng)中的電能了，樓房本身將可以發(fā)電。惠勒說：“無論如何，建筑商必須要安裝窗戶，何不在窗戶上加一些其他功能呢？”