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用光合作用發(fā)電 太陽(yáng)能不怕陰雨天

         連續(xù)多日的陰雨霧霾使人煩惱，尤其是那些光伏太陽(yáng)能設(shè)備的使用者，他們甚至不能痛痛快快地洗個(gè)熱水澡。太陽(yáng)能是一種每天都照耀在人們頭頂上的能源，長(zhǎng)期以來(lái)，人們囿于技術(shù)制約，求之而不得。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們獲得太陽(yáng)能量的方式對(duì)環(huán)境要求苛刻，如果沒(méi)有充足的陽(yáng)光就無(wú)法得到足夠﹑穩(wěn)定的能源。如今，這困境正在被突破，一種新型的太陽(yáng)能技術(shù)能夠模擬植物的光合作用，使人們可以享受到全天候的清潔能源。新的技術(shù)前景十分誘人，有人預(yù)言這可能會(huì)迎來(lái)一場(chǎng)可再生能源的革命。你信嗎?至少英國(guó)阿斯頓大學(xué)客座教授羅伯特·馬修斯堅(jiān)信。讓我們聽(tīng)他娓娓道來(lái)。

傳統(tǒng)太陽(yáng)能利用花費(fèi)高昂

這是一個(gè)全球性的悖論。我們的地球在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)從陽(yáng)光中吸收的能量比全球在一年內(nèi)消耗的能量還要多。但盡管陽(yáng)光是免費(fèi)的、清潔的，且在本質(zhì)上是無(wú)窮盡的，但是太陽(yáng)能在全球能量產(chǎn)出中的份額還不到1%。

通常給出的原因是，太陽(yáng)能電池是上世紀(jì)50年代為航天器供能而開(kāi)發(fā)的，其造價(jià)昂貴而且效率低下。只有在晴朗無(wú)云的天空下，太陽(yáng)能電池才能有效地將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，這在全球大部分工業(yè)化國(guó)家中都沒(méi)有什么實(shí)際用處。即便光照充足，太陽(yáng)能電池也要覆蓋很大的面積才能有經(jīng)濟(jì)效益。難怪太陽(yáng)能被稱(chēng)為可再生能源中的“灰姑娘”。

太陽(yáng)能有潛力發(fā)展為一種清潔而廉價(jià)的主要能源，沒(méi)有人會(huì)懷疑這一點(diǎn)。太陽(yáng)能便于獲取、開(kāi)發(fā)原理簡(jiǎn)單而且能維持幾十億年。計(jì)算結(jié)果表明，如果地球表面積的1%覆蓋了傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池，整個(gè)世界的能源需求都可以得到滿(mǎn)足。

問(wèn)題在于，即便只是1%，那也相當(dāng)于整個(gè)西班牙的國(guó)土面積，在這么大的面積上鋪滿(mǎn)太陽(yáng)能電池需要花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)億的金錢(qián)!

不過(guò)上述換算的前提是，假設(shè)太陽(yáng)能技術(shù)不再向前發(fā)展，而是永遠(yuǎn)停滯在目前的光伏(PV)電池技術(shù)。光伏電池看起來(lái)就是一塊塊黑色的厚板，我們經(jīng)常能在一些電子設(shè)備的充電器和高科技建筑的頂部見(jiàn)到。光伏電池中使用了硅等半導(dǎo)體材料，當(dāng)暴露在陽(yáng)光中時(shí)就會(huì)釋放電子，產(chǎn)生電流。

新技術(shù)模擬植物光合作用，陰天和室內(nèi)也可正常工作

但是現(xiàn)在，全新的太陽(yáng)能技術(shù)已嶄露頭角。新技術(shù)的突破性進(jìn)展在于模擬自然界的光能利用方式，生物體數(shù)十億年來(lái)無(wú)論晴雨，一直都在使用這種方式——光合作用。

初看之下，光合作用似乎并不是一種有前途的能量來(lái)源。畢竟，光合作用在自然界中的首要功能是把二氧化碳和水分轉(zhuǎn)化為碳水化合物。但是在這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，植物利用光能迫使水分子釋放出電子。當(dāng)電子流動(dòng)起來(lái)，就形成了電流。

數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖把光合作用的這一關(guān)鍵特性轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏��?lái)源。現(xiàn)在研究者們終于成功了，他們已經(jīng)創(chuàng)造出了商業(yè)上可行的試驗(yàn)樣機(jī)。

人們?yōu)檫@種新的“染料敏化電池”(DSC)感到興奮。其發(fā)明者是瑞士洛桑市蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的邁克爾·格雷策爾(MichaelGratzel)教授，因此這種電池也常被稱(chēng)為“格雷策爾電池”。自20世紀(jì)70年代初，格雷策爾及其同事就在設(shè)法模擬植物，將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電流。

他們?cè)缙谘芯抗ぷ鞯闹攸c(diǎn)是將葉綠素和鈦氧化物結(jié)合起來(lái)，葉綠素是植物中吸收陽(yáng)光的綠色染料，而鈦氧化物則是一種廉價(jià)的化合物，有著與硅類(lèi)似的導(dǎo)電能力。最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人失望，他們制作的電池僅能將光能的0.01%轉(zhuǎn)化為電能。但是在80年代末，格雷策爾等人用一種更高效的染料替代了葉綠素，并將它與另一種形式的鈦氧化物結(jié)合在了一起，結(jié)果轉(zhuǎn)化效率提升了數(shù)百倍。突然間，硅太陽(yáng)能電池不再是一家獨(dú)大了。

自此之后，格雷策爾和世界各地的研究團(tuán)隊(duì)都在試圖使DSC電池具備商業(yè)上的可行性。研究者們將轉(zhuǎn)化率提升到了10%，再加上廉價(jià)的原材料和較低的制造成本，新型的DSC電池頗具競(jìng)爭(zhēng)力。更棒的是，DSC電池具有類(lèi)似于植物的特性，可以在陰天和室內(nèi)正常工作，而傳統(tǒng)的光伏電池則需要強(qiáng)烈的光照。

DSC電池可以被染色，甚至可以是透明的，因此可以用于制作可發(fā)電的窗戶(hù)。2010年，DSC電池的巨大發(fā)展?jié)摿Φ玫搅丝萍冀绲恼J(rèn)可，格雷策爾教授成為第四位千年技術(shù)獎(jiǎng)得主，并獲得80萬(wàn)歐元的獎(jiǎng)金。萬(wàn)維網(wǎng)的發(fā)明者蒂姆·伯納斯-李也曾獲此殊榮。

電解液供給不足影響大規(guī)模生產(chǎn)

那么為什么這些DSC電池還沒(méi)有取代建筑的玻璃窗和手機(jī)的充電器呢?其實(shí)一些測(cè)試站點(diǎn)已經(jīng)建成，樣機(jī)也已投入使用，而且政府和私人企業(yè)也都投資了相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備，但是一些實(shí)際問(wèn)題依然存在。最主要的問(wèn)題就是電解液，DSC設(shè)施需要電解液才能將電池轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰縼?lái)源。據(jù)牛津大學(xué)化學(xué)家亨利·斯奈思博士(HenrySnaith)介紹，電解液供給不足影響了DSC設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)，使其數(shù)量難以對(duì)能量供應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。

“我們需要每天生產(chǎn)數(shù)百平方千米面積的DSC電池，”他說(shuō)道，“這個(gè)速率跟鋪柏油路面差不多。”目前使用的基于液體電解質(zhì)的DSC電池使用壽命相對(duì)較短，僅有幾年，而使用這種設(shè)施的建筑則需要它們高效運(yùn)轉(zhuǎn)好幾十年。

斯奈思博士及其同事正在研發(fā)固體的電解質(zhì)，這種材料既易生產(chǎn)又不易老化。這項(xiàng)突破性的研究為他們贏(yíng)得了英國(guó)技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)的資金支持。研究團(tuán)隊(duì)相信，他們很快就能利用標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)DSC電池的大規(guī)模生產(chǎn)。

有機(jī)光伏技術(shù)通過(guò)聚合物發(fā)電

一些跡象表明，DSC電池能夠獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的時(shí)間已經(jīng)不多了。其他一些研究正在改善另一種全新的太陽(yáng)能電池形式——有機(jī)光伏(OPV)技術(shù)。這種技術(shù)使用一層層類(lèi)似塑料膜的聚合物來(lái)吸收光能并發(fā)電。

與DSC電池一樣，OPV電池在陰天和室內(nèi)環(huán)境中能正常工作，而且也能制成各種顏色或透明的。由于其性質(zhì)與塑料一樣靈活柔軟，因此也可以采用傳統(tǒng)印刷方式大規(guī)模生產(chǎn)。但是它們倆的不同之處在于OPV的轉(zhuǎn)化效率稍低——低了幾個(gè)百分點(diǎn)。也有研究者擔(dān)心OPV電池板的耐久性，因?yàn)榫酆衔锸褂靡欢螘r(shí)間后也會(huì)降解。

利奇教授及其同事試圖解決的正是此類(lèi)實(shí)際問(wèn)題，他們認(rèn)為沒(méi)有什么難題是無(wú)法解決的。“我們很有信心，將效率從10%提高到12%并不存在什么技術(shù)上的限制。”利奇教授相信OPV電池在5年之內(nèi)就可以投入商業(yè)使用。