塑料太陽能電池

王貞虎

你能夠想象：為了隨時隨地獲得取之不盡、用之不竭的太陽能，人們把太陽能電池噴刷在墻壁上、打印在紙張上，甚至是印刷在衣服上嗎?不要以為這是遙不可及的事情，因為科學家們正在努力把這種“想象”變成現實。

據計算，太陽每一分鐘向地球輻射的能源，比地球上人類一年所消耗能源的總和還要多。遺憾的是，如果要把所有的太陽光都轉變成為電能，需要巨大的資金投入。而目前，我們在生活中所能買到的太陽能電池，絕大多數都是利用類似電腦芯片所使用的那種無機材料硅制作的，它的制作過程復雜且成本很高，需要擁有無塵埃的工作間和真空室等設備。這樣使得目前太陽能電池的成本大約是普通電能成本的三到四倍，無法成為替代礦物燃料的能源，在市場上沒有競爭力和廣泛使用的可能性。

讓人們高興的是，科學家們在塑料和納米技術這兩個領域里所取得的進展，使我們開發廉價而又方便的太陽能電池成為可能。

塑料太陽能電池原理

塑料太陽能電池是由具有半導體性能的“塑料”薄膜構成，它被夾在兩個電極之間。當太陽光照射到“塑料”上時，接受到陽光照射地方的電子就被激活變得活躍起來而脫離周圍，這樣它們原來占有的地方就形成一些“空洞”，而位于兩個電極之間的電場這時就把帶有負電荷的電子“誘騙”到電池的一端，帶有正電荷的空洞就移動到相反的一端，從而形成電流，就這樣利用“塑料”做成了太陽能電池。

然而，要利用有機材料制作太陽能電池就困難得多，比如利用有機塑料制作太陽能電池，要把電子約束在空洞里所需要的力比利用無機材料強大將近100倍，而且有機材料還常常出現結構上的“陷阱”，會妨礙或影響電子的移動性能。

另一方面，諸如塑料之類的有機材料吸收的太陽光要比無機材料吸收的少。迄今為止，塑料太陽能電池的光電轉換率只有2.5％，而普通的無機材料太陽能電池板的光電轉換率卻達到了10％，無機太陽能電池的最高光電轉換率可高達30％。所以，尋找這種具有半導體性能的“塑料”成了科學家所要努力的關鍵。

科學家們的努力

美國人艾倫·黑格等在20世紀70年代發現和開發了導電塑料，并因此獲得2000年的諾貝爾化學獎。此后，人們一直在努力尋找具有半導體性能的“塑料”。

美國圖森亞利桑那大學的科研人員一直在進行把有機太陽能電池溶液印刷在紙張或塑料上的試驗。另一個太陽能電池研究小組則采用有機材料和無機材料的混合物來制作太陽能電池。采用這種方法，他們最近研制成功了利用無機納米棒制作的太陽能電池。這種納米棒很小，粗細只有一根頭發絲的萬分之一，其直徑為7納米，長為60納米。他們把這種納米棒鑲嵌在一種塑料聚合物薄膜里面。目的是想把塑料薄膜的靈活柔韌性同無機材料半導體的高光電轉換率的優點結合起來。

由于納米棒極其微小，科學家利用量子效應，使其對太陽光的某些光譜的吸收能力提高了兩倍，從而提高了電池的光電轉換率。這個方法的另一個好處是：可以減少對價格昂貴的無機半導體材料的使用，而且生產時可以不需要一個無塵的工作間。

但是，這種太陽能電池目前還沒有達到商用水平，要投入市場使用，其光電轉換率尚需從目前的水平提高兩到三倍才行。不過這兩個研究小組都表示，他們能夠在未來幾年的時間里實現這個目標。

塑料太陽能電池的魅力在于：塑料聚合物能夠在室溫條件下以溶液的方式制作，因而成本低廉。同時，它具有廣泛的應用前景，比如用于開發“智能衣服”，這樣人們在散步時就能對隨身聽、單放機、掌上電器甚至移動電話進行充電。也許當這項研究成功時，人們今后對日光浴將會有一種全新的認識。