太阳能涂料浅析

早在半个世纪前，人们已经开始梦想将温差发电材料与太阳能材料结合。1954年，太阳能先锋玛丽亚·特尔克斯用一张温差发电材料吸收太阳热量，并成功将热能转化为电能。材料一面的热能释放出的电子流向温度较低的一面，导致温度高的一面带正电，温度较低的一面带负电。特尔克斯用这种方法成功生成电流，但是只有很少一点。光-电转化的效率非常低，最成功的一次实验转化率仅有1%。这和当时的硅太阳能电池板的效率相差并不多。然而，到上世纪50年代末，硅太阳能电池的效率提高了两倍，达到6%-8%。而太阳能温差发电材料的效率依然保持在1%。因此，新生的太阳能产业迅速抛弃了这种技术，大力发展硅太阳能电池板。上世纪70至80年代，硅太阳能电池板开始大批出现在屋顶上。

一种新的太阳能材料许诺的美好前景。这种材料利用材料两面的温度差别产生电流，一度因为效率太低，造价昂贵，被认为难以用于实际应用。但新研究发现，温差发电材料可拯救太阳能产业，解决电池板致命的光-电转化效率低的问题。温差发电材料可帮助太阳能电池板走出低谷，发挥更大用途，但另一方面，它们也可能导致电池板的没落。在接下来的几十年里，温差发电材料几乎完全被忽视。除了可怜的发电效率之外，这种材料本身———原料通常采用碲化铋等稀有元素———价格昂贵，相对于卑微的产出实在不划算。只有在极其罕见的情况下，在没有其他选择的时候才可能被采用。比如，在“旅行者”号太空探测器上，温差发电材料利用一小块放射性材料和寒冷外太空的温度差异为探测器提供电源。

　　但是，不久之后，硅太阳能电池板的发展也遭遇瓶颈。虽然研究者想尽各种办法，今天销售的光伏太阳能电池板的效率依然在15%至20%之间。这和它们将阳光转化为电能的方式有关。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生越迁，形成电流。但问题在于，光子必须携带适量的能量。超出这个能量范围就会发生问题。如果光子携带能量太多———比如高能紫外线所携带的能量———它们的热量会给材料造成混乱。另一方面，如果光子携带能量太低———比如微波或红外光的光子———就会直接穿过电池板，不与任何电子发生反应。

　　不幸的是，这些低能光子在太阳光谱中所占比例接近一半，因此，太阳能电池板的效率无法超过50%。更糟糕的是高能光子会对光伏材料精密的电子结构造成破坏：在高热下电子开始到处乱窜，而不是有序地流动。因此，约一半的太阳光子无法利用，少数能量充足的光子反而会影响电池板的效率。虽然可以通过冷却来减少电池板过热产生的副作用。但这将导致成本和体积增加，冷却过程还需要消耗能量，构成了限制光伏太阳能电池板效率的三大敌人。

　　或许可以用温差发电材料帮助解决这些问题？2007年，麻省理工学院的陈钢开始思考，是否能重新挖掘出这种早已被忽视的材料，帮助太阳能电池充分利用各种波长的太阳光。理论上，结合两种材料的最好方式是“光谱分裂太阳能电池”。它类似于交通警察，根据波长将阳光分隔。按照陈钢的计算，类似混合电池的效率将是标准硅太阳能电池的1.5倍，这样的飞跃可能最终让太阳能在价格上与化石燃料竞争。但是有一个问题：“要实现‘光谱分裂’需要太阳能聚光器和分光棱镜。”增加的成本已经超过增加效率带来的利润。
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