太陽能涂料淺析

早在半個世紀前，人們已經(jīng)開始夢想將溫差發(fā)電材料與太陽能材料結合。1954年，太陽能先鋒瑪麗亞·特爾克斯用一張溫差發(fā)電材料吸收太陽熱量，并成功將熱能轉(zhuǎn)化為電能。材料一面的熱能釋放出的電子流向溫度較低的一面，導致溫度高的一面帶正電，溫度較低的一面帶負電。特爾克斯用這種方法成功生成電流，但是只有很少一點。光-電轉(zhuǎn)化的效率非常低，最成功的一次實驗轉(zhuǎn)化率僅有1%。這和當時的硅太陽能電池板的效率相差并不多。然而，到上世紀50年代末，硅太陽能電池的效率提高了兩倍，達到6%-8%。而太陽能溫差發(fā)電材料的效率依然保持在1%。因此，新生的太陽能產(chǎn)業(yè)迅速拋棄了這種技術，大力發(fā)展硅太陽能電池板。上世紀70至80年代，硅太陽能電池板開始大批出現(xiàn)在屋頂上。

一種新的太陽能材料許諾的美好前景。這種材料利用材料兩面的溫度差別產(chǎn)生電流，一度因為效率太低，造價昂貴，被認為難以用于實際應用。但新研究發(fā)現(xiàn)，溫差發(fā)電材料可拯救太陽能產(chǎn)業(yè)，解決電池板致命的光-電轉(zhuǎn)化效率低的問題。溫差發(fā)電材料可幫助太陽能電池板走出低谷，發(fā)揮更大用途，但另一方面，它們也可能導致電池板的沒落。在接下來的幾十年里，溫差發(fā)電材料幾乎完全被忽視。除了可憐的發(fā)電效率之外，這種材料本身———原料通常采用碲化鉍等稀有元素———價格昂貴，相對于卑微的產(chǎn)出實在不劃算。只有在極其罕見的情況下，在沒有其他選擇的時候才可能被采用。比如，在“旅行者”號太空探測器上，溫差發(fā)電材料利用一小塊放射性材料和寒冷外太空的溫度差異為探測器提供電源。

　　但是，不久之后，硅太陽能電池板的發(fā)展也遭遇瓶頸。雖然研究者想盡各種辦法，今天銷售的光伏太陽能電池板的效率依然在15%至20%之間。這和它們將陽光轉(zhuǎn)化為電能的方式有關。當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生越遷，形成電流。但問題在于，光子必須攜帶適量的能量。超出這個能量范圍就會發(fā)生問題。如果光子攜帶能量太多———比如高能紫外線所攜帶的能量———它們的熱量會給材料造成混亂。另一方面，如果光子攜帶能量太低———比如微波或紅外光的光子———就會直接穿過電池板，不與任何電子發(fā)生反應。

　　不幸的是，這些低能光子在太陽光譜中所占比例接近一半，因此，太陽能電池板的效率無法超過50%。更糟糕的是高能光子會對光伏材料精密的電子結構造成破壞：在高熱下電子開始到處亂竄，而不是有序地流動。因此，約一半的太陽光子無法利用，少數(shù)能量充足的光子反而會影響電池板的效率。雖然可以通過冷卻來減少電池板過熱產(chǎn)生的副作用。但這將導致成本和體積增加，冷卻過程還需要消耗能量，構成了限制光伏太陽能電池板效率的三大敵人。

　　或許可以用溫差發(fā)電材料幫助解決這些問題？2007年，麻省理工學院的陳鋼開始思考，是否能重新挖掘出這種早已被忽視的材料，幫助太陽能電池充分利用各種波長的太陽光。理論上，結合兩種材料的最好方式是“光譜分裂太陽能電池”。它類似于交通警察，根據(jù)波長將陽光分隔。按照陳鋼的計算，類似混合電池的效率將是標準硅太陽能電池的1.5倍，這樣的飛躍可能最終讓太陽能在價格上與化石燃料競爭。但是有一個問題：“要實現(xiàn)‘光譜分裂’需要太陽能聚光器和分光棱鏡。”增加的成本已經(jīng)超過增加效率帶來的利潤。
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