“給力”的太陽能發電

張唯誠

光伏太陽能電池的原理是將陽光轉變成電流。當—個光子帶著足夠的能量撞上了太陽能電池板上的硅原子時，它會將硅原子中的電子撞擊成自由電子，.電子在材料中流動，這就形成了電流。然而，并不是所有的光子都能夠啟動這樣的過程，要想讓電流產生，光子所攜帶的能量必須恰到好處。能量太大，那么這些能量就會在材料中“制造混亂”，被激發的電子到處亂飛，不能有效地形成電流；能量過小，光子則僅能讓自己流了過去，并不與任何電子發生作用，從而無法產生電流。不湊巧的是，這種低能量的光子在太陽光譜中占了幾乎一半，所以大約有一半的太陽光子是不發生作用的，而另外一些高能光子又因太活躍而產生熱量，從而影響太陽能電池的發電效率。

材料科學為發電提供新途徑

要解決發熱問題，直接的辦法就是用空調或者水給太陽能電池降溫，但這樣一來就要增加設備，提高成本，消耗額外的能量，做起來得不償失，所以不宜采用。鑒于上述原因，現在太陽能電池處在了效率難以提高的困境中。

1821年，德國物理學家塞貝克在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中發現了由溫差導致的電流，這種現象被稱為“塞貝克效應”，亦叫“熱電效應”，能產生這種效應的材料就是熱電材料。1954年，太陽能發電的先驅、美籍匈牙利科學家瑪麗婭·合爾克斯嘗試利用熱電材料從事太陽能發電。由于吸收了太陽的熱量，電子在熱電材料中從溫度高的一端流向溫度低的一端，從而形成電流，臺爾克斯所期待的電能就是這樣產生的。她的確成功了，但效率很低，只有不足1％的光子被轉變成了電流，這是因為光子很容易把熱量從熱電材料的熱端帶到冷端，從而無法在兩端間維持比較大的溫差，所以熱電材料的發電效率太低。

現在，面臨太陽能電池的新問題，科學家們重新想到了熱電材料。2007年，美國科學家考慮用熱電材料將太陽光譜中的絕大多數光子都充分地利用起來。該方法是將熱電材料和光電材料組合起來，形成一種組合的太陽能電池。這種組合電池在工作的時候就如同一個指揮交通的“崗亭”，它依照波長來分流“交通”，也就是依照波長將照射過來的陽光引向不同的地方。能被光電材料利用的光子被引向了光伏板，從而實現用光伏太陽能電池的原理產生電流；不能被光電材料利用的光子則被引向了熱電材料，這部分光子被熱電材料捕捉后也能用于發電。

據估計，這種組合電池的發電效率將有望達到現有標準硅太陽能電池的1.5倍。不過這種電池依然存在著成本過高的問題，因為要分流光譜中的光子，必須先把較大面積上的陽光集成一束，再把它按波長分開，這就要安裝太陽能集光器和光束分離器，所以對于普通人家，成本還是過高。

與此同時，熱電材料的性能也是一個大問題。要想用熱電材料發電，就得提高這種材料的發電效率，這是50年來一直存在的技術瓶頸，然而現在，這個問題也有了解決的辦法。

納米技術使發電高效又便捷

一般來說，晶體材料，例如硅，它們的原子很對稱且排列有序，所以電子和光子都能容易地通過。但另外一些材料，例如玻璃，就不是這樣了，在這種材料里，電子和光子的流動都會受到阻礙。材料的這些特性是天然的，通常不易改變。

然而，隨著納米技術的發展，材料科學家發現他們已經能夠在極小的微粒層面上控制材料的結構了。美國哥倫比亞大學科學家使用納米技術成功地在一種材料中實現了阻止光子在材料中流動，卻讓電子輕易通過的神奇特性。有了這種材料，熱量就不會被光子從熱電材料的熱端帶到冷端，兩邊可以始終維持比較大的溫差，而電流卻暢行無阻，從而提高了熱電材料的效率。科學家們認為，使用這種材料發電，其效率將比普通的熱電材料提高一倍，而假若把這種熱電材料和光伏發電結合起來，太陽能電池的發電效率便可以達到50％。

與此同時，科學家們還在尋找更加省事的辦法。美國亞利桑那大學的查爾斯·斯塔福德發現，一種名為多酚乙烯的高分子材料能夠進一步提高熱電材料的效率且使太陽能利用變得更加簡單。斯塔福德通過改變這種聚合物內部分子結構的方式提高熱電材料的發電效率，他讓材料中的分子擾亂光子的運動，阻擋光子通過而電子的流動卻不受影響。按照斯塔福德的估計，這種材料的發電效率可達到20％~25％，是現有最好熱電材料發電效率的6倍。更為神奇的是，這種聚合物完全可以像普通的涂料一樣刷在屋頂或者墻上。這樣的技術一旦成熟，太陽能發電就省事得多了，你只需去商店買來那種特殊的涂料和刷子，將涂料刷在屋頂上，請上一個電器專業人員接上電極，你的屋頂就能發電了。

噴墨打印技術讓成本更低廉

與此同時，下一代光伏太陽能電池也將變得更便宜，更薄，并且更好用，這是因為一種成熟的技術即將被運用到太陽能電池的生產工藝中，那就是人們已經司空見慣了的噴墨打印技術。隨著這種技術被應用于太陽能電池的生產，太陽能電池將獲得一次減少用料，降低成本的契機，而更為重要的是，它們收集陽光的能力也會更強，產生的電能會更多。科學家解釋說，噴墨打印術非常適合打印圖案，無論多么特殊的圖案都能打印出來，這種精確性使噴墨打印術能在硅太陽能電池上打出更細的導線來，這是它在太陽能電池制作過程中發揮優勢的奧妙之一。

太陽能電池上由導線構成的圖案起著收集電子，產生電流的作用，而太陽能電池中的硅則負責吸收陽光并將其轉換成電子。在傳統的生產方式中，導線是用一種名為“絲網印刷”的工藝印在硅片上的，使用的材料是銀膏。用這種方法在硅片上印出的導線通常有100～120微米寬。噴墨打印使用的銀“墨水”與銀膏并不完全一樣，它的導電性能比銀膏更強，且打印出的導線可以細到只有50～20微米寬。這樣一來，銀的使用量就會大為減少，成本會大幅下降。而更為重要的是，由于導線變窄，硅的暴露面積就變得更大，因而太陽能電池的吸光面得以擴大，太陽能電池的性能也相應提高。

噴墨打印術在太陽能電池制作工藝上的另一個優勢，是它工作的時候并不接觸硅片。使用絲網印刷，硅片通常不能太薄，否則就有可能破裂，然而噴墨打印術由于不接觸硅片，它就不會對硅片產生過大的壓力，人們可以在更薄的硅片上打印導線，這意味著在未來，太陽能電池的硅使用量將大幅減少，硅成本可望縮減50％。

【責任編輯】龐云