想象一下，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，要捕捉太陽(yáng)能，不再需要昂貴的光伏電池板，只需要購(gòu)買幾桶涂料，涂在屋頂、外墻或任何接觸陽(yáng)光的表面，就可以將它們變成巨大的光伏電池板。這種場(chǎng)景是不是很好？
想要減少電費(fèi)，一種方法是利用無(wú)處不在的免費(fèi)能源———陽(yáng)光。但首先，你得拿出一大筆錢，請(qǐng)專家上門在你家屋頂上安裝沉重而低效率的光伏電池板�，F(xiàn)在，有一種方法可以利用免費(fèi)太陽(yáng)能，且不用請(qǐng)專家，不用花大錢購(gòu)買光伏電池板。假如，只需要上商店購(gòu)買一桶涂料，花一個(gè)下午自己把屋頂涂滿新買來(lái)的新型涂料，再請(qǐng)一個(gè)電工將電線連接上屋頂，就能讓你家徹底脫離電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源自給自足?
這正是一種新的光伏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?yàn)樾侍�，造價(jià)昂貴，被認(rèn)為難以用于實(shí)際應(yīng)用。但新研究發(fā)現(xiàn)，溫差發(fā)電材料可拯救太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)，解決光伏電池板致命的光-電轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題。溫差發(fā)電材料可幫助太陽(yáng)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(dǎo)致光伏電池板的沒(méi)落。
早在半個(gè)世紀(jì)前，人們已經(jīng)開始?jí)粝雽夭畎l(fā)電材料與光伏材料結(jié)合。1954年，太陽(yáng)能先鋒瑪麗亞·特爾克斯用一張溫差發(fā)電材料吸收太陽(yáng)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(dǎo)致溫度高的一面帶正電，溫度較低的一面帶負(fù)電。特爾克斯用這種方法成功生成電流，但是只有很少一點(diǎn)。光-電轉(zhuǎn)化的效率非常低，最成功的一次實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化率僅有1%。這和當(dāng)時(shí)的硅太陽(yáng)能電池板的效率相差并不多。然而，到上世紀(jì)50年代末，硅太陽(yáng)能電池的效率提高了兩倍，到6%-8%。而太陽(yáng)能溫差發(fā)電材料的效率依然保持在1%。因此，新生的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)迅速拋棄了這種技術(shù)，大力發(fā)展硅光伏電池板。上世紀(jì)70至80年代，硅太陽(yáng)能光伏電池板開始大批出現(xiàn)在屋頂上。
在接下來(lái)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(jià)格昂貴，相對(duì)于卑微的產(chǎn)出實(shí)在不劃算。只有在極其罕見(jiàn)的情況下，在沒(méi)有其他選擇的時(shí)候才可能被采用。比如，在“旅行者”號(hào)太空探測(cè)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(cè)器提供電源。
但是，不久之后，硅太陽(yáng)能光伏電池板的發(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(yáng)能電池板的效率依然在15%至20%之間。這和它們將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的方式有關(guān)。當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，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(wèn)題在于，光子必須攜帶適量的能量。超出這個(gè)能量范圍就會(huì)發(fā)生問(wèn)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(huì)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(huì)直接穿過(guò)電池板，不與任何電子發(fā)生反應(yīng)。
不幸的是，這些低能光子在太陽(yáng)光譜中所占比例接近一半，因此，太陽(yáng)能電池板的效率無(wú)法超過(guò)50%。更糟糕的是高能光子會(huì)對(duì)光伏材料精密的電子結(jié)構(gòu)造成破壞：在高熱下電子開始到處亂竄，而不是有序地流動(dòng)。因此，約一半的太陽(yáng)光子無(wú)法利用，少數(shù)能量充足的光子反而會(huì)影響電池板的效率。雖然可以通過(guò)冷卻來(lái)減少電池板過(guò)熱產(chǎn)生的副作用。但這將導(dǎo)致成本和體積增加，冷卻過(guò)程還需要消耗能量，構(gòu)成了限制光伏太陽(yáng)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(wèn)題?2007年，麻省理工學(xué)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(yáng)能電池充分利用各種波長(zhǎng)的太陽(yáng)光。
這是一個(gè)誘人的想法。理論上也得到了證實(shí)。結(jié)合溫差發(fā)電材料和光伏材料的太陽(yáng)能電池可以疏導(dǎo)高能光子，從而給電池降溫，并且溫差發(fā)電材料可捕捉低能光子發(fā)電，充分利用所有陽(yáng)光。
理論上，結(jié)合兩種材料的最好方式是“光譜分裂太陽(yáng)能電池”。它類似于交通警察，根據(jù)波長(zhǎng)將陽(yáng)光分隔。按照陳鋼的計(jì)算，類似混合電池的效率將是標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)能電池的1.5倍，這樣的飛躍可能最終讓太陽(yáng)能在價(jià)格上與化石燃料競(jìng)爭(zhēng)。但是有一個(gè)問(wèn)題：“要實(shí)現(xiàn)‘光譜分裂’需要太陽(yáng)能聚光器和分光棱鏡。”增加的成本已經(jīng)超過(guò)增加效率帶來(lái)的利潤(rùn)。
也許更好的選擇是一種更簡(jiǎn)單的東西。與其建造一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)疏導(dǎo)低能光子，為什么不讓它們直接穿過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)入下面的溫差發(fā)電層?再下面的冷卻管道可吸收高能光子的熱能。熱電池板和冷水為夾在中間的溫差發(fā)電層提供理想的溫差。但即使如此，溫差發(fā)電層捕捉到的多余能量依然不足以彌補(bǔ)材料的花費(fèi)。必須解決最根本的問(wèn)題：溫差發(fā)電材料昂貴的價(jià)格。
它的發(fā)電方式也是導(dǎo)致低效率的罪魁禍?zhǔn)�。�?dāng)材料一面變熱，電子脫離原子，遷移到冷的一面。難度在于保持材料兩面的溫差。電子并非唯一穿透材料的東西：熱以光子的形式傳播，從一個(gè)原子傳遞給另一個(gè)原子。冷的一面很快也將因?yàn)闊醾鲗?dǎo)而變熱，這時(shí)候，電子將不再朝著一個(gè)特定方向流動(dòng)，而是無(wú)序地亂竄。當(dāng)然再也無(wú)法生成電流。
在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，這個(gè)問(wèn)題一直得不到解決。直到納米技術(shù)出現(xiàn)�，F(xiàn)在，研究者可以從最細(xì)微的層面控制材料的結(jié)構(gòu)。
在硅等晶體材料中，所有原子都有序規(guī)則排列。使得電子和光子可以暢通無(wú)阻地穿過(guò)。相反，在玻璃等原子排列混亂的材料中，電子和光子的流動(dòng)都受到阻礙。通過(guò)納米技術(shù)可以創(chuàng)造出只讓電子(而非光子)通過(guò)的合成材料。紐約哥倫比亞大學(xué)的尹慧明(音譯)和楊大江(音譯)采用了一種量子點(diǎn)基礎(chǔ)材料。量子點(diǎn)材料誕生于約30年前，像傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池一樣，它可以捕捉光能，轉(zhuǎn)化為電能。它可以讓普通溫差發(fā)電材料的效率接近翻倍。夾在水冷卻光伏發(fā)電系統(tǒng)中間，這種材料可以將太陽(yáng)能電池的效率提高到超過(guò)50%。
亞利桑那大學(xué)的查爾斯·斯塔福德在創(chuàng)造一種類似裝置的過(guò)程中意識(shí)到還有一種可能性，它甚至可能重塑整個(gè)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)。假如可以完全放棄挑剔的光伏電池?假如能夠找到一種高效率的陽(yáng)光捕捉材料，從而完全取代太陽(yáng)能電池?如果它足夠便宜，那么即使它的峰值效率達(dá)不到50%也沒(méi)有關(guān)系。
為此，他必須放棄半導(dǎo)體，尋找一種全新材料。他發(fā)現(xiàn)一種叫聚苯基醚的聚合物可能符合要求。“它們價(jià)格很便宜，”他說(shuō)，“你可以買上幾罐，刷在任何可以被陽(yáng)光照射的表面。”斯塔福德認(rèn)為他可以對(duì)材料的分子進(jìn)行加工，干擾光子的流動(dòng)，同時(shí)讓電子通過(guò)。他估計(jì)，這種新材料可將20%至25%的光子轉(zhuǎn)化為電力，效率為今天的溫差發(fā)電材料的6倍。如果他獲得成功，結(jié)果將是驚人的。光伏太陽(yáng)能電池可能從此被淘汰。
很多研究者都看到了太陽(yáng)能涂料的前景。加拿大納米技術(shù)研究者特德·薩金特多年前就開始研究太陽(yáng)能涂料。他的涂料中的關(guān)鍵材料也量子點(diǎn)。這種涂料的最大優(yōu)勢(shì)是低廉的價(jià)格。覆蓋1平方米的薄膜只需要15至20美元。制作涂料的時(shí)候，先將工業(yè)橄欖油加熱，然后添加主要原料———錫、鉍、鉛、硫和硒等———然后等待量子點(diǎn)形成。最終的成品像一種油性黑墨，但里面遍布直徑幾納米的量子點(diǎn)，每一顆都是一個(gè)小晶體。薩金特的小組在2005年通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明量子點(diǎn)不但可以捕捉可見(jiàn)光的能量，還能捕捉紅外光的能量，而抵達(dá)地球的太陽(yáng)能中一半是紅外光所攜帶的。薩金特的太陽(yáng)能技術(shù)還尚未成熟，但已經(jīng)吸引到財(cái)大氣粗的投資者。沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(KAUST)是阿拉伯世界中幾所砸下大筆資金吸引世界頂尖人才的學(xué)校之一。薩金特從2008年就開始與KAUST合作。KAUST為他的研究項(xiàng)目投入了1000萬(wàn)美元。并獲得了這一技術(shù)在中東、西亞、俄羅斯、印度等38個(gè)國(guó)家的使用權(quán)。
美國(guó)圣母大學(xué)的研究者在太陽(yáng)能涂料研究方面也取得突破。他們創(chuàng)造了一種能夠產(chǎn)生電能的半導(dǎo)體納米粒子。“我們想要?jiǎng)?chuàng)新，擺脫現(xiàn)在的硅基礎(chǔ)太陽(yáng)能技術(shù)。”圣母大學(xué)納米科技中心的化學(xué)和生物化學(xué)教授普拉香特·卡瑪特說(shuō)，“通過(guò)結(jié)合納米微粒和一種涂抹材料，我們創(chuàng)造了一種可以涂抹于任何導(dǎo)電表面的太陽(yáng)能涂料。”
研究小組經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最后選擇了二氧化鈦納米微粒，外面包裹上硫化鎘或硒化鎘，最后加入水和酒精，形成一種膏狀物。涂抹在透明導(dǎo)電材料上，暴露在陽(yáng)光下，就能產(chǎn)生電能。“目前最佳的光-電轉(zhuǎn)化效率只有1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅太陽(yáng)能電池的10%至15%。”卡瑪特解釋說(shuō)，“但是這種涂料成本低廉，可批量生產(chǎn)。如果能夠提高光-電轉(zhuǎn)化效率，我們也許能夠改變未來(lái)的能源獲取途徑。”
事實(shí)上，這一天可能近在眼前。2011年5月，陳鋼發(fā)表論文，說(shuō)明無(wú)需電池板的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)即將成為現(xiàn)實(shí)：這是因?yàn)闇夭畎l(fā)電材料提供了一種聚集太陽(yáng)能的新方式。直到現(xiàn)在，小型屋頂太陽(yáng)能電池板依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因?yàn)榫奂?yáng)光需要復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)追蹤太陽(yáng)軌跡，過(guò)于昂貴，只有商業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電站采用。
然而，聚集陽(yáng)光其實(shí)非常簡(jiǎn)單，將一塊銅片放到陽(yáng)光下就可以辦到。將銅片放進(jìn)便宜的玻璃真空罩中，可以將熱量困在罩內(nèi)，只需要再將一小塊溫差發(fā)電材料附著在銅片背面就能將熱能轉(zhuǎn)化成電力。即使采用普通溫差發(fā)電材料，光-電轉(zhuǎn)化效率也可達(dá)到史無(wú)前例的5%。如果材料成本夠低廉，即使這樣的效率也值得生產(chǎn)。如果溫差發(fā)電材料的效率再有所提高，光伏太陽(yáng)能電池可能很快就會(huì)被取而代之。
無(wú)論未來(lái)屬于陳鋼的太陽(yáng)能聚光器還是斯塔福德的太陽(yáng)能涂料，溫差發(fā)電已現(xiàn)出巨大的潛力，相比光伏電池，它更加方便、實(shí)用、成本低廉�，旣悂�·特爾克斯50年前的夢(mèng)想已經(jīng)接近現(xiàn)實(shí)。
