“给力”的太阳能发电

张唯诚

光伏太阳能电池的原理是将阳光转变成电流。当—个光子带着足够的能量撞上了太阳能电池板上的硅原子时，它会将硅原子中的电子撞击成自由电子，.电子在材料中流动，这就形成了电流。然而，并不是所有的光子都能够启动这样的过程，要想让电流产生，光子所携带的能量必须恰到好处。能量太大，那么这些能量就会在材料中“制造混乱”，被激发的电子到处乱飞，不能有效地形成电流；能量过小，光子则仅能让自己流了过去，并不与任何电子发生作用，从而无法产生电流。不凑巧的是，这种低能量的光子在太阳光谱中占了几乎一半，所以大约有一半的太阳光子是不发生作用的，而另外一些高能光子又因太活跃而产生热量，从而影响太阳能电池的发电效率。

材料科学为发电提供新途径

要解决发热问题，直接的办法就是用空调或者水给太阳能电池降温，但这样一来就要增加设备，提高成本，消耗额外的能量，做起来得不偿失，所以不宜采用。鉴于上述原因，现在太阳能电池处在了效率难以提高的困境中。

1821年，德国物理学家塞贝克在两种不同的金属所组成的闭合回路中发现了由温差导致的电流，这种现象被称为“塞贝克效应”，亦叫“热电效应”，能产生这种效应的材料就是热电材料。1954年，太阳能发电的先驱、美籍匈牙利科学家玛丽娅·合尔克斯尝试利用热电材料从事太阳能发电。由于吸收了太阳的热量，电子在热电材料中从温度高的一端流向温度低的一端，从而形成电流，台尔克斯所期待的电能就是这样产生的。她的确成功了，但效率很低，只有不足1％的光子被转变成了电流，这是因为光子很容易把热量从热电材料的热端带到冷端，从而无法在两端间维持比较大的温差，所以热电材料的发电效率太低。

现在，面临太阳能电池的新问题，科学家们重新想到了热电材料。2007年，美国科学家考虑用热电材料将太阳光谱中的绝大多数光子都充分地利用起来。该方法是将热电材料和光电材料组合起来，形成一种组合的太阳能电池。这种组合电池在工作的时候就如同一个指挥交通的“岗亭”，它依照波长来分流“交通”，也就是依照波长将照射过来的阳光引向不同的地方。能被光电材料利用的光子被引向了光伏板，从而实现用光伏太阳能电池的原理产生电流；不能被光电材料利用的光子则被引向了热电材料，这部分光子被热电材料捕捉后也能用于发电。

据估计，这种组合电池的发电效率将有望达到现有标准硅太阳能电池的1.5倍。不过这种电池依然存在着成本过高的问题，因为要分流光谱中的光子，必须先把较大面积上的阳光集成一束，再把它按波长分开，这就要安装太阳能集光器和光束分离器，所以对于普通人家，成本还是过高。

与此同时，热电材料的性能也是一个大问题。要想用热电材料发电，就得提高这种材料的发电效率，这是50年来一直存在的技术瓶颈，然而现在，这个问题也有了解决的办法。

纳米技术使发电高效又便捷

一般来说，晶体材料，例如硅，它们的原子很对称且排列有序，所以电子和光子都能容易地通过。但另外一些材料，例如玻璃，就不是这样了，在这种材料里，电子和光子的流动都会受到阻碍。材料的这些特性是天然的，通常不易改变。

然而，随着纳米技术的发展，材料科学家发现他们已经能够在极小的微粒层面上控制材料的结构了。美国哥伦比亚大学科学家使用纳米技术成功地在一种材料中实现了阻止光子在材料中流动，却让电子轻易通过的神奇特性。有了这种材料，热量就不会被光子从热电材料的热端带到冷端，两边可以始终维持比较大的温差，而电流却畅行无阻，从而提高了热电材料的效率。科学家们认为，使用这种材料发电，其效率将比普通的热电材料提高一倍，而假若把这种热电材料和光伏发电结合起来，太阳能电池的发电效率便可以达到50％。

与此同时，科学家们还在寻找更加省事的办法。美国亚利桑那大学的查尔斯·斯塔福德发现，一种名为多酚乙烯的高分子材料能够进一步提高热电材料的效率且使太阳能利用变得更加简单。斯塔福德通过改变这种聚合物内部分子结构的方式提高热电材料的发电效率，他让材料中的分子扰乱光子的运动，阻挡光子通过而电子的流动却不受影响。按照斯塔福德的估计，这种材料的发电效率可达到20％~25％，是现有最好热电材料发电效率的6倍。更为神奇的是，这种聚合物完全可以像普通的涂料一样刷在屋顶或者墙上。这样的技术一旦成熟，太阳能发电就省事得多了，你只需去商店买来那种特殊的涂料和刷子，将涂料刷在屋顶上，请上一个电器专业人员接上电极，你的屋顶就能发电了。

喷墨打印技术让成本更低廉

与此同时，下一代光伏太阳能电池也将变得更便宜，更薄，并且更好用，这是因为一种成熟的技术即将被运用到太阳能电池的生产工艺中，那就是人们已经司空见惯了的喷墨打印技术。随着这种技术被应用于太阳能电池的生产，太阳能电池将获得一次减少用料，降低成本的契机，而更为重要的是，它们收集阳光的能力也会更强，产生的电能会更多。科学家解释说，喷墨打印术非常适合打印图案，无论多么特殊的图案都能打印出来，这种精确性使喷墨打印术能在硅太阳能电池上打出更细的导线来，这是它在太阳能电池制作过程中发挥优势的奥妙之一。

太阳能电池上由导线构成的图案起着收集电子，产生电流的作用，而太阳能电池中的硅则负责吸收阳光并将其转换成电子。在传统的生产方式中，导线是用一种名为“丝网印刷”的工艺印在硅片上的，使用的材料是银膏。用这种方法在硅片上印出的导线通常有100～120微米宽。喷墨打印使用的银“墨水”与银膏并不完全一样，它的导电性能比银膏更强，且打印出的导线可以细到只有50～20微米宽。这样一来，银的使用量就会大为减少，成本会大幅下降。而更为重要的是，由于导线变窄，硅的暴露面积就变得更大，因而太阳能电池的吸光面得以扩大，太阳能电池的性能也相应提高。

喷墨打印术在太阳能电池制作工艺上的另一个优势，是它工作的时候并不接触硅片。使用丝网印刷，硅片通常不能太薄，否则就有可能破裂，然而喷墨打印术由于不接触硅片，它就不会对硅片产生过大的压力，人们可以在更薄的硅片上打印导线，这意味着在未来，太阳能电池的硅使用量将大幅减少，硅成本可望缩减50％。

【责任编辑】庞云