用光合作用发电太阳能不怕阴雨天

2013-7-3 08:52| 发布者: apple| 查看: 331| 评论: 0|来自: 北京青年报

摘要: 连续多日的阴雨雾霾使人烦恼，尤其是那些光伏太阳能设备的使用者，他们甚至不能痛痛快快地洗个热水澡。太阳能是一种每天都照耀在人们头顶上的能源，长期以来，人们囿于技术制约，求之而不得。简单来说，我们获得 ...

　　连续多日的阴雨雾霾使人烦恼，尤其是那些光伏太阳能设备的使用者，他们甚至不能痛痛快快地洗个热水澡。太阳能是一种每天都照耀在人们头顶上的能源，长期以来，人们囿于技术制约，求之而不得。简单来说，我们获得太阳能量的方式对环境要求苛刻，如果没有充足的阳光就无法得到足够﹑稳定的能源。如今，这困境正在被突破，一种新型的太阳能技术能够模拟植物的光合作用，使人们可以享受到全天候的清洁能源。新的技术前景十分诱人，有人预言这可能会迎来一场可再生能源的革命。你信吗？至少英国阿斯顿大学客座教授罗伯特·马修斯坚信。让我们听他娓娓道来。

　　传统太阳能利用花费高昂

　　这是一个全球性的悖论。我们的地球在一个小时之内从阳光中吸收的能量比全球在一年内消耗的能量还要多。但尽管阳光是免费的、清洁的，且在本质上是无穷尽的，但是太阳能在全球能量产出中的份额还不到1%。

　　通常给出的原因是，太阳能电池是上世纪50年代为航天器供能而开发的，其造价昂贵而且效率低下。只有在晴朗无云的天空下，太阳能电池才能有效地将阳光转化为电能，这在全球大部分工业化国家中都没有什么实际用处。即便光照充足，太阳能电池也要覆盖很大的面积才能有经济效益。难怪太阳能被称为可再生能源中的“灰姑娘”。

　　太阳能有潜力发展为一种清洁而廉价的主要能源，没有人会怀疑这一点。太阳能便于获取、开发原理简单而且能维持几十亿年。计算结果表明，如果地球表面积的1%覆盖了传统的太阳能电池，整个世界的能源需求都可以得到满足。

　　问题在于，即便只是1%，那也相当于整个西班牙的国土面积，在这么大的面积上铺满太阳能电池需要花费数十万亿的金钱！

　　不过上述换算的前提是，假设太阳能技术不再向前发展，而是永远停滞在目前的光伏（PV）电池技术。光伏电池看起来就是一块块黑色的厚板，我们经常能在一些电子设备的充电器和高科技建筑的顶部见到。光伏电池中使用了硅等半导体材料，当暴露在阳光中时就会释放电子，产生电流。

　　新技术模拟植物光合作用，阴天和室内也可正常工作

　　但是现在，全新的太阳能技术已崭露头角。新技术的突破性进展在于模拟自然界的光能利用方式，生物体数十亿年来无论晴雨，一直都在使用这种方式——光合作用。

　　初看之下，光合作用似乎并不是一种有前途的能量来源。毕竟，光合作用在自然界中的首要功能是把二氧化碳和水分转化为碳水化合物。但是在这个转化过程中，植物利用光能迫使水分子释放出电子。当电子流动起来，就形成了电流。

　　数十年来，科学家们一直试图把光合作用的这一关键特性转变为电力来源。现在研究者们终于成功了，他们已经创造出了商业上可行的试验样机。

　　人们为这种新的“染料敏化电池”（DSC）感到兴奋。其发明者是瑞士洛桑市苏黎世联邦理工学院的迈克尔·格雷策尔（MichaelGratzel）教授，因此这种电池也常被称为“格雷策尔电池”。自20世纪70年代初，格雷策尔及其同事就在设法模拟植物，将阳光转化为电流。

　　他们早期研究工作的重点是将叶绿素和钛氧化物结合起来，叶绿素是植物中吸收阳光的绿色染料，而钛氧化物则是一种廉价的化合物，有着与硅类似的导电能力。最初的实验结果令人失望，他们制作的电池仅能将光能的0.01%转化为电能。但是在80年代末，格雷策尔等人用一种更高效的染料替代了叶绿素，并将它与另一种形式的钛氧化物结合在了一起，结果转化效率提升了数百倍。突然间，硅太阳能电池不再是一家独大了。

　　自此之后，格雷策尔和世界各地的研究团队都在试图使DSC电池具备商业上的可行性。研究者们将转化率提升到了10%，再加上廉价的原材料和较低的制造成本，新型的DSC电池颇具竞争力。更棒的是，DSC电池具有类似于植物的特性，可以在阴天和室内正常工作，而传统的光伏电池则需要强烈的光照。

　　DSC电池可以被染色，甚至可以是透明的，因此可以用于制作可发电的窗户。2010年，DSC电池的巨大发展潜力得到了科技界的认可，格雷策尔教授成为第四位千年技术奖得主，并获得80万欧元的奖金。万维网的发明者蒂姆·伯纳斯-李也曾获此殊荣。

　　电解液供给不足影响大规模生产

　　那么为什么这些DSC电池还没有取代建筑的玻璃窗和手机的充电器呢？其实一些测试站点已经建成，样机也已投入使用，而且政府和私人企业也都投资了相关的生产设备，但是一些实际问题依然存在。最主要的问题就是电解液，DSC设施需要电解液才能将电池转变为能量来源。据牛津大学化学家亨利·斯奈思博士（HenrySnaith）介绍，电解液供给不足影响了DSC设备的大规模生产，使其数量难以对能量供应产生显著影响。

　　“我们需要每天生产数百平方千米面积的DSC电池，”他说道，“这个速率跟铺柏油路面差不多。”目前使用的基于液体电解质的DSC电池使用寿命相对较短，仅有几年，而使用这种设施的建筑则需要它们高效运转好几十年。

　　斯奈思博士及其同事正在研发固体的电解质，这种材料既易生产又不易老化。这项突破性的研究为他们赢得了英国技术战略委员会的资金支持。研究团队相信，他们很快就能利用标准丝网印刷技术实现DSC电池的大规模生产。

　　有机光伏技术通过聚合物发电

　　一些迹象表明，DSC电池能够独领风骚的时间已经不多了。其他一些研究正在改善另一种全新的太阳能电池形式——有机光伏（OPV）技术。这种技术使用一层层类似塑料膜的聚合物来吸收光能并发电。

　　与DSC电池一样，OPV电池在阴天和室内环境中能正常工作，而且也能制成各种颜色或透明的。由于其性质与塑料一样灵活柔软，因此也可以采用传统印刷方式大规模生产。但是它们俩的不同之处在于OPV的转化效率稍低——低了几个百分点。也有研究者担心OPV电池板的耐久性，因为聚合物使用一段时间后也会降解。

　　利奇教授及其同事试图解决的正是此类实际问题，他们认为没有什么难题是无法解决的。“我们很有信心，将效率从10%提高到12%并不存在什么技术上的限制。”利奇教授相信OPV电池在5年之内就可以投入商业使用。