用光合作用發(fā)電 太陽能不怕陰雨天
連續(xù)多日的陰雨霧霾使人煩惱，尤其是那些光伏太陽能設備的使用者，他們甚至不能痛痛快快地洗個熱水澡。太陽能是一種每天都照耀在人們頭頂上的能源，長期以來，人們囿于技術(shù)制約，求之而不得。簡單來說，我們獲得太陽能量的方式對環(huán)境要求苛刻，如果沒有充足的陽光就無法得到足夠﹑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，有人預言這可能會迎來一場可再生能源的革命。你信嗎?至少英國阿斯頓大學客座教授羅伯特·馬修斯堅信。讓我們聽他娓娓道來。
傳統(tǒng)太陽能利用花費高昂
這是一個全球性的悖論。我們的地球在一個小時之內(nèi)從陽光中吸收的能量比全球在一年內(nèi)消耗的能量還要多。但盡管陽光是免費的、清潔的，且在本質(zhì)上是無窮盡的，但是太陽能在全球能量產(chǎn)出中的份額還不到1%。
通常給出的原因是，太陽能電池是上世紀50年代為航天器供能而開發(fā)的，其造價昂貴而且效率低下。只有在晴朗無云的天空下，太陽能電池才能有效地將陽光轉(zhuǎn)化為電能，這在全球大部分工業(yè)化國家中都沒有什么實際用處。即便光照充足，太陽能電池也要覆蓋很大的面積才能有經(jīng)濟效益。難怪太陽能被稱為可再生能源中的“灰姑娘”。
太陽能有潛力發(fā)展為一種清潔而廉價的主要能源，沒有人會懷疑這一點。太陽能便于獲取、開發(fā)原理簡單而且能維持幾十億年。計算結(jié)果表明，如果地球表面積的1%覆蓋了傳統(tǒng)的太陽能電池，整個世界的能源需求都可以得到滿足。
問題在于，即便只是1%，那也相當于整個西班牙的國土面積，在這么大的面積上鋪滿太陽能電池需要花費數(shù)十萬億的金錢!
不過上述換算的前提是，假設太陽能技術(shù)不再向前發(fā)展，而是永遠停滯在目前的光伏(PV)電池技術(shù)。光伏電池看起來就是一塊塊黑色的厚板，我們經(jīng)常能在一些電子設備的充電器和高科技建筑的頂部見到。光伏電池中使用了硅等半導體材料，當暴露在陽光中時就會釋放電子，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，全新的太陽能技術(shù)已嶄露頭角。新技術(shù)的突破性進展在于模擬自然界的光能利用方式，生物體數(shù)十億年來無論晴雨，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。但是在這個轉(zhuǎn)化過程中，植物利用光能迫使水分子釋放出電子。當電子流動起來，就形成了電流。
數(shù)十年來，科學家們一直試圖把光合作用的這一關(guān)鍵特性轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏碓础，F(xiàn)在研究者們終于成功了，他們已經(jīng)創(chuàng)造出了商業(yè)上可行的試驗樣機。
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)邦理工學院的邁克爾·格雷策爾(MichaelGratzel)教授，因此這種電池也常被稱為“格雷策爾電池”。自20世紀70年代初，格雷策爾及其同事就在設法模擬植物，將陽光轉(zhuǎn)化為電流。
他們早期研究工作的重點是將葉綠素和鈦氧化物結(jié)合起來，葉綠素是植物中吸收陽光的綠色染料，而鈦氧化物則是一種廉價的化合物，有著與硅類似的導電能力。最初的實驗結(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，硅太陽能電池不再是一家獨大了。
自此之后，格雷策爾和世界各地的研究團隊都在試圖使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%，再加上廉價的原材料和較低的制造成本，新型的DSC電池頗具競爭力。更棒的是，DSC電池具有類似于植物的特性，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。2010年，DSC電池的巨大發(fā)展?jié)摿Φ玫搅丝萍冀绲恼J可，格雷策爾教授成為第四位千年技術(shù)獎得主，并獲得80萬歐元的獎金。萬維網(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電池還沒有取代建筑的玻璃窗和手機的充電器呢?其實一些測試站點已經(jīng)建成，樣機也已投入使用，而且政府和私人企業(yè)也都投資了相關(guān)的生產(chǎn)設備，但是一些實際問題依然存在。最主要的問題就是電解液，DSC設施需要電解液才能將電池轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰縼碓�。�?jù)牛津大學化學家亨利·斯奈思博士(HenrySnaith)介紹，電解液供給不足影響了DSC設備的大規(guī)模生產(chǎn)，使其數(shù)量難以對能量供應產(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，”他說道，“這個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電池使用壽命相對較短，僅有幾年，而使用這種設施的建筑則需要它們高效運轉(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。這項突破性的研究為他們贏得了英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會的資金支持。研究團隊相信，他們很快就能利用標準絲網(wǎng)印刷技術(shù)實現(xiàn)DSC電池的大規(guī)模生產(chǎn)。
有機光伏技術(shù)通過聚合物發(fā)電
一些跡象表明，DSC電池能夠獨領風騷的時間已經(jīng)不多了。其他一些研究正在改善另一種全新的太陽能電池形式——有機光伏(OPV)技術(shù)。這種技術(shù)使用一層層類似塑料膜的聚合物來吸收光能并發(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——低了幾個百分點。也有研究者擔心OPV電池板的耐久性，因為聚合物使用一段時間后也會降解。
利奇教授及其同事試圖解決的正是此類實際問題，他們認為沒有什么難題是無法解決的。“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。
