太阳能新出路

　　康夫

　　在德班，一群政治家正在为谁应该对气候变化负更多的责任而吵得不可开交。这让人越来越感觉到，仅仅依靠这种自上而下的气候政治，恐怕是不足以解决气候变化这个迫切危机了。

　　考虑到减缓气候变化和不断上涨的能源价格的最好办法，应该是增加使用非化石燃料能源的比重。我们能使用的非化石燃料能源中，核能的安全性有很大的争议，风能和水能需要仔细选址和环评，能利用地热能的地区有限，似乎只有太阳能是比较合适的可持续能源了。

　　现在的太阳能技术并不是完全没有问题。太阳能发电技术中，使用最多的是光伏（PV）发电。和光电效应类似，光伏材料中的电子接收到光能后会被激发，并进入不同的电子轨道，从而使材料的两极间出现电压。

　　这类材料的制造过程中也会产生一些重金属污染，虽然太阳能发电的单位污染比火电厂要低得多。此外，太阳能发电遇到的最大问题，在于发电效率难以提高，因此具有一定规模的太阳能电站需要占据大量的空地。在土地资源日益稀缺的今天，这也是一大限制条件。

　　所以，太阳能发电要有更大的发展，就需要提高发电的效率；同时也要让发电设备更容易装配和利用。现在的光伏技术在这两方面似乎都遇到了瓶颈。

　　首先，和光电效应一样，电子只有吸收一定波长的光线才会被激发，发生光伏效应。波长较长的光线将直接穿透光伏材料，不产生任何作用，波长较短的光线则会给被激发的电子过多的能量，让它们到处乱飞，不能有效形成电流。

　　而且太阳照在光伏材料上，不可避免地会让它发热，这也影响了光伏材料发电的效率，所以光伏材料的发电效率很难超过15%~20%，也就是说它产生的电能只相当于照射在其上阳光能量的五分之一或更少。

　　光伏板本身也比较昂贵，而且需要专业人士设计安装，如果你希望用光伏发电减少自己的电费，恐怕得先省出一笔钱来作为投资。

　　在农作物育种的时候，不乏这样的例子：一个品种的表现并不尽如人意，但它却可以帮助改进另一个品种的缺点，产生杂交的优秀品种。技术的进步也是如此。

　　1821年，德国物理学家塞贝克发现当两个不同金属材料的半圆焊接成一个圆环并被加热后，能够吸引磁针，他认为这是一种“热磁效应”，但丹麦物理学家奥斯特指出，磁场的出现是由于不同金属的温度差异使圆环中出现了电流，并称这种现象为热电现象。

　　这一现象后来被命名为赛贝克效应，能产生这种现象的材料被称为热电材料。1954年，一生致力于研究利用太阳能的美籍匈牙利科学家 Maria Telkes 利用太阳能和热电材料实现了太阳能发电，但发电效率只有可怜的1%。后人也没能在她的基础上把太阳能热电材料的效率提高多少，而光伏发电技术的效率却很快达到了百分之十几，所以热电材料在太阳能发电中的应用很快被遗忘了。

　　在光伏发电似乎再无潜力可挖的今天，一些科学家却想到了热电材料。之前提到过，阳光中波长较长的部分可以穿过光伏板而不能被其利用，那么为什么不在光伏板下面加一层热电材料捕捉这部分阳光呢？

　　纽约哥伦比亚大学的两位科学家尹惠明（音译）和杨大江（音译）进行了这样的实验。他们发现，热电材料确实可以捕捉到没有被光伏板吸收的部分阳光，但是产生的电力非常微弱，从经济上说甚至不能补偿增加热电材料的成本。

　　这一方面是由于穿过光伏材料的部分阳光本来就是波长较长、能量较低的一部分，另一方面则是因为热电材料的热绝缘性不佳，材料一面被加热后，另一面也会很快被加热，使得被激发的电子到处乱窜而不能形成稳定的电流。要解决这个问题，直接的办法是用空调或者水冷给热电材料的低温端降温——用户不干了，本来装这个是用来发电的，结果最后还要耗我的电费给它吹空调！

　　为解决这个问题，麻省理工学院的陈刚（音译）提出将阳光按波长分离并分别送到光伏板和热电材料的方法。简单地说，这就像用三棱镜把白色的阳光分离成赤橙黄绿青蓝紫七色，绿色到紫色的部分送到光伏板上，而红色到黄色的部分用来加热热电材料。

　　但是不难想到，如果仅仅简单地放一个三棱镜在太阳能电池板上方，为了接收照射面积为1平方米的阳光就得使用好几平方米的光伏板和热电板。所以，要有效地使用这种方法，必须先把较大面积上的阳光集成一束，再把它按波长分开。集中阳光需要一套复杂的自动化装置，跟踪太阳以获得最佳的入射角度，这又会大大增加太阳能发电的成本，只有大规模的商业发电才能负担得起。对于普通人家，陈刚提出的解决办法是用放在真空玻璃容器中的铜片来收集热能，铜片后面覆盖热电材料就能发电。使用普通的热电材料，这种方法也能达到前所未有的5%的效率，虽然跟光伏发电比较还很低，但它成本低廉的优势足以抵消这个不足。

　　尹惠明和杨大江则转而使用纳米技术，改造材料的结构。2002年《科学》杂志上发表的一篇文章成了他们工作的基础。通过控制半导体晶体的生长过程，科学家们可以制造只让电子通过，而不让光子通过的材料。这样，热量就不会被光子从热电材料的热端带到冷端，两边就可以始终维持比较大的电压差，从而提高热电材料的效率。如果把这种热电材料和光伏发电结合起来，再加上用它截获的光能来加热水，能源效率可以达到50%。

　　亚利桑那大学的查尔斯·斯塔福德则希望更彻底地解决太阳能发电的成本问题。他提出的方案是完全放弃使用光伏板，而改用经过改造的多酚乙烯聚合物。通过选择分子链上的功能团，这样的聚合物有望做到让电子按一定的方向流动。光子在这种材料中则如同陷入蜘蛛网，这样也能实现20%~25%的太阳能利用率，高于现有的光伏发电系统。更重要的是，这种聚合物完全可以像普通的涂料一样，刷到屋顶或墙上，然后在墙角接上电极，用户就能用太阳能发电了。

　　这几种利用太阳能的方式如果能投入使用，将使普通人家广泛使用太阳能成为可能，甚至帮助每一个家庭节省可观的采暖和用电账单。现有的能源格局也会发生很大的改变。（作者系英国诺丁汉大学地理系博士）