想象一下，在不遠的未來，要捕捉太陽能，不再需要昂貴的光伏電池板，只需要購買幾桶涂料，涂在屋頂、外墻或任何接觸陽光的表面，就可以將它們變成巨大的光伏電池板。這種場景是不是很好？
想要減少電費，一種方法是利用無處不在的免費能源———陽光。但首先，你得拿出一大筆錢，請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太陽能，且不用請專家，不用花大錢購買光伏電池板。假如，只需要上商店購買一桶涂料，花一個下午自己把屋頂涂滿新買來的新型涂料，再請一個電工將電線連接上屋頂，就能讓你家徹底脫離電網(wǎng)，實現(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，它們也可能導致光伏電池板的沒落。
早在半個世紀前，人們已經(jīng)開始夢想將溫差發(fā)電材料與光伏材料結(jié)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，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，新生的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)迅速拋棄了這種技術，大力發(fā)展硅光伏電池板。上世紀70至80年代，硅太陽能光伏電池板開始大批出現(xiàn)在屋頂上。
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(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。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(gòu)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。
這是一個誘人的想法。理論上也得到了證實。結(jié)合溫差發(fā)電材料和光伏材料的太陽能電池可以疏導高能光子，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，充分利用所有陽光。
理論上，結(jié)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。
也許更好的選擇是一種更簡單的東西。與其建造一個復雜的結(jié)構(gòu)疏導低能光子，為什么不讓它們直接穿過太陽能電池進入下面的溫差發(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材料的花費。必須解決最根本的問題：溫差發(fā)電材料昂貴的價格。
它的發(fā)電方式也是導致低效率的罪魁禍首。當材料一面變熱，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，從一個原子傳遞給另一個原子。冷的一面很快也將因為熱傳導而變熱，這時候，電子將不再朝著一個特定方向流動，而是無序地亂竄。當然再也無法生成電流。
在長達半個世紀的時間里，這個問題一直得不到解決。直到納米技術出現(xiàn)。現(xiàn)在，研究者可以從最細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阻地穿過。相反，在玻璃等原子排列混亂的材料中，電子和光子的流動都受到阻礙。通過納米技術可以創(chuàng)造出只讓電子(而非光子)通過的合成材料。紐約哥倫比亞大學的尹慧明(音譯)和楊大江(音譯)采用了一種量子點基礎材料。量子點材料誕生于約30年前，像傳統(tǒng)太陽能電池一樣，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能電池的效率提高到超過50%。
亞利桑那大學的查爾斯·斯塔福德在創(chuàng)造一種類似裝置的過程中意識到還有一種可能性，它甚至可能重塑整個太陽能產(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光捕捉材料，從而完全取代太陽能電池?如果它足夠便宜，那么即使它的峰值效率達不到50%也沒有關系。
為此，他必須放棄半導體，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。“它們價格很便宜，”他說，“你可以買上幾罐，刷在任何可以被陽光照射的表面。”斯塔福德認為他可以對材料的分子進行加工，干擾光子的流動，同時讓電子通過。他估計，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。光伏太陽能電池可能從此被淘汰。
很多研究者都看到了太陽能涂料的前景。加拿大納米技術研究者特德·薩金特多年前就開始研究太陽能涂料。他的涂料中的關鍵材料也量子點。這種涂料的最大優(yōu)勢是低廉的價格。覆蓋1平方米的薄膜只需要15至20美元。制作涂料的時候，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，每一顆都是一個小晶體。薩金特的小組在2005年通過實驗證明量子點不但可以捕捉可見光的能量，還能捕捉紅外光的能量，而抵達地球的太陽能中一半是紅外光所攜帶的。薩金特的太陽能技術還尚未成熟，但已經(jīng)吸引到財大氣粗的投資者。沙特阿卜杜拉國王科技大學(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校之一。薩金特從2008年就開始與KAUST合作。KAUST為他的研究項目投入了1000萬美元。并獲得了這一技術在中東、西亞、俄羅斯、印度等38個國家的使用權。
美國圣母大學的研究者在太陽能涂料研究方面也取得突破。他們創(chuàng)造了一種能夠產(chǎn)生電能的半導體納米粒子。“我們想要創(chuàng)新，擺脫現(xiàn)在的硅基礎太陽能技術。”圣母大學納米科技中心的化學和生物化學教授普拉香特·卡瑪特說，“通過結(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電表面的太陽能涂料。”
研究小組經(jīng)過反復試驗，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。涂抹在透明導電材料上，暴露在陽光下，就能產(chǎn)生電能。“目前最佳的光-電轉(zhuǎn)化效率只有1%，遠遠低于硅太陽能電池的10%至15%。”卡瑪特解釋說，“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的能源獲取途徑。”
事實上，這一天可能近在眼前。2011年5月，陳鋼發(fā)表論文，說明無需電池板的太陽能發(fā)電系統(tǒng)即將成為現(xiàn)實：這是因為溫差發(fā)電材料提供了一種聚集太陽能的新方式。直到現(xiàn)在，小型屋頂太陽能電池板依然無法實現(xiàn)這一點。因為聚集陽光需要復雜的透鏡系統(tǒng)追蹤太陽軌跡，過于昂貴，只有商業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電站采用。
然而，聚集陽光其實非常簡單，將一塊銅片放到陽光下就可以辦到。將銅片放進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)化效率也可達到史無前例的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，光伏太陽能電池可能很快就會被取而代之。
無論未來屬于陳鋼的太陽能聚光器還是斯塔福德的太陽能涂料，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、實用、成本低廉�，旣悂�·特爾克斯50年前的夢想已經(jīng)接近現(xiàn)實。
