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科学家尝试突破光伏发电瓶颈:让廉价成为可能

2014-1-20 14:07| 发布者: Logan| 查看: 3088| 评论: 0|来自: 文汇报

摘要: 利用太阳能发电采暖,是节能减排、减少雾霾污染的有效途径之一。然而,困扰太阳能发电最棘手的问题之一是黑夜,随着雾霾天气的增多,即便是白天的太阳能应用也受到了挑战。在这种背景下,一种极普通的物质——铁锈, ...
       但是,他的目标可能会在锈层非常薄时遇到一个悖论式问题而遭受挫折。选用任何电解材料都会面临一个基本矛盾,那就是要同时做得尽可能厚和尽可能薄。如果希望电子有任何逃逸的冲劲,恐怕还是以稀薄为好。若要吸收尽可能多的光子,那就需要铁锈层稍微偏厚一些。20纳米的电解层只会把可吸收的光子总量吸收18%。厚度增加到1微米以后,则能将它们近乎全部捕获,但在那种情况下又难免会形成堵塞。
       为了解决这个难题,以色列理工大学的艾夫纳˙罗特席尔德和他的团队转而求助于量子物理学。他们的装置将输入光诱捕到30纳米的铁锈薄膜上。光子进入装置后被迫挤入一个以V形镜面相向的小室内,镜面在那里将它们来回地折射到被吸收为止。更何况,随之而来的是向前后传播的光波以及它们之间进一步增强吸收效应的干扰,尤其是在靠近薄膜表面的部位上,电子和洞孔有可能在重新结合前轻易地抵达表面。装置幸亏经过这一微调才得以将输入光吸收71%,同时又薄得能让电子逃逸,最终形成了4.9%的理论效率。
       按照二氧化铁的低标准来看,那已经是够令人印象深刻的,却并不完全适合用作商品原料。这里终于触及到铁锈的真正“天赋”,尽管它的效率低得无以复加,为什么最终还是会令硅黯然失色呢?希弗拉说,就算它绝对达不到16%这个最大值,但依然是价格低廉的,可以大批量地进行制备。“归根结蒂,重要的不是效率而是每瓦电力的成本。”卡茨说。他表示,即使效率只有10%,只要“价格公道”也会强于50%的光伏电池,因为每个表面用铁锈涂覆一遍花不了多少钱。
       而这恰恰是研究人员所追求的目标。希弗拉认为可以把他的铁“花椰菜”混合物涂抹到类似墙纸的物体上,成片成片地打印出太阳能电池,无论在什么地方都可以生成氢。沙漠中孤独的前哨基地会变成美好的家园,工艺处理可以使用经过滤的废水。
       提供非电网式供能可望成为全球再生能源
       当然,在这个梦想实现之前还有一些问题必须解决。例如一旦水发生裂变,“实际上等于制造了一颗炸弹,”海尔加德说,因为氧和氢会以爆炸的方式发生反应。一个更加温和却同样糟糕的结局是:氢与氧只要经过结合就会形成比先前略微更热的水。
       海尔加德的设计是用低品位的废水将氧“吃掉”。它非但没有变成气体,反而同水中的有机化合物实行结合,撇下氢冒着气泡安全地返回存储罐。
       用铁锈获取太阳能还剩下最后一道难关:通过制氢固然可以存储太阳能,同时存储本身也会带来一定的问题。气体的密封难度是众所周知的,如果不依靠价格昂贵、质地坚固且不易受到腐蚀的材料就会随时发生爆炸。这个问题甚至让备受期待的氢经济断送了整个前程。
       研究人员始终在探索解决这个问题的一系列对策。除了不断改进燃料电池的质量外,还有多种新颖的方法正在酝酿之中,例如澳大利亚新南威尔士大学的研究人员最近利用纳米硼氢化钠进行存储。盐按惯例必须加热到550℃才会释放存储在化学键中的氢,但它在纳米尺度下经过诱导达到50℃时就会这么做。这对于按多种规格携带氢来说是一个大有前途的进展。
       虽说大有前途,但未必有这个实际需求。就地存储、燃烧起来像篝火的简装氢气罐也有异曲同工之妙。太阳储能公司经理布赖恩˙霍尔科洛夫特认为,这正是它可望在像肯尼亚那样阳光明媚、但能源基础设施匮乏的国家立即找到的用武之地。他和瑞士理工学院合作的结果,是利用串叠型电池和二氧化铁设置为公司提供了非电网式的能源解决方案。他希望这些装置同样能推广到发达国家的房屋顶上,使拥有这种装置的人不必通过电网就能获得氢燃料和电力。
也许,它们并不需要串叠型电池。数十年来对铁锈电子诱导水裂变这个过程的洞察,确保了哈迪和巴德独辟蹊径的梦想必定会从过去一直延续到未来,靠的是 效率不见得高超、但配备以相应储能设施的铁锈光电装置。
       “如果全然不在乎效率的话,那么铁锈电池是可以通过运作而制造燃料或发电的,也可以同时兼顾两头。”卡茨说,“它可以在白天电力需求达到高峰时发电,需求不高时则代之以燃料生产。”考虑到太阳能的经济现实,哈迪和巴德在1975年开掘的细微电流还可能衍变成一种覆盖全球范围的再生能源。也许,现在该是进入“铁锈时代”了。
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