編者按
人類應(yīng)如何逐步擺脫對(duì)化石燃料的依賴？這是世界各國(guó)政府和科學(xué)家一直致力于解決的問題�？稍偕茉礋o疑是替代化石燃料的首選，而太陽能作為一種易獲得、儲(chǔ)量豐富的可再生能源，是研究人員努力發(fā)掘的焦點(diǎn)。然而太陽能電池轉(zhuǎn)化效率低下卻始終是人類利用太陽能的攔路虎。目前，常規(guī)太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率僅為30%左右。但這一現(xiàn)狀馬上就會(huì)有革命性的突破。美國(guó)研究人員最近在太陽能電池技術(shù)上的新突破可能會(huì)讓太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率連跳兩級(jí)，從現(xiàn)在的30%直接增加到66%！
近日，在《科學(xué)》雜志上，來自美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的化學(xué)家朱曉陽（音譯）博士，通過對(duì)半導(dǎo)體納米晶粒（又稱量子點(diǎn)）的最新研究后表明，常規(guī)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可由現(xiàn)在的30%的極限效率提高到超過60%。
束縛太陽能電池發(fā)展原因
太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率之所以會(huì)有如此飛越，是因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種可以有效捕獲在常規(guī)太陽能電池中以熱能形式損耗掉的高能量太陽光的方法。目前使用中的大多硅太陽能電池最大轉(zhuǎn)換效率僅為約31%，那是因?yàn)樘柟庹丈湓谔柲茈姵厣蠒r(shí)，太陽光線中有很多能量太大以致于不能轉(zhuǎn)換為可使用的電能，這些能量即以所謂的“熱電子”的形式、以熱能的方式損耗。
如果這些高能太陽光線，即熱電子能夠被捕獲，那么太陽光向電能的轉(zhuǎn)換效率從理論上來說就可以提高到66%。德克薩斯大學(xué)材料化學(xué)中心的負(fù)責(zé)人、化學(xué)教授朱博士說，他們將轉(zhuǎn)換效率如此驚人的太陽能電池稱為“終極的太陽能電池”。而要制造出這樣的電池，需要幾個(gè)步驟。首先，熱電子的冷卻速度需要放緩；其次，在這些熱電子失去它們所有能量之前，要能夠?qū)⑵浞@并盡快地使用。
量子點(diǎn)解決難題
朱博士介紹說，半導(dǎo)體納米晶�；蛄孔狱c(diǎn)恰好可以滿足上述利用“熱電子”的要求，因?yàn)槭紫攘孔狱c(diǎn)可以讓熱電子釋放熱量的速度變慢，這一點(diǎn)在許多研究機(jī)構(gòu)中已經(jīng)得到證明。在2008年度《科學(xué)》雜志的一篇論文中，來自芝加哥大學(xué)的一個(gè)研究小組的研究成果表明，在膠狀半導(dǎo)體納米晶粒中可以確信能夠達(dá)到熱電子冷卻速度減緩這一目的。而現(xiàn)在朱博士的研究小組已經(jīng)解決了這個(gè)問題的關(guān)鍵第二步，即如何獲得并利用這些熱電子。
德州大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，熱電子可以由光激勵(lì)硒化鉛納米晶粒中轉(zhuǎn)移到二氧化鈦組成的電子導(dǎo)體上，而二氧化鈦電子導(dǎo)體目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，十分容易獲取。
“如果我們能夠取出這些熱電子，那么我們可以讓其為我所用。這種熱電子轉(zhuǎn)移方式的證明，表明了高效熱載流子太陽能電池不再僅僅是一個(gè)理論上的概念，而同時(shí)也具有實(shí)驗(yàn)上的可能性。”朱博士介紹。盡管此次研究人員使用的是硒化鉛量子點(diǎn)，但朱博士表示，他們的方法對(duì)其他的量子點(diǎn)材料也同樣適用。
朱博士同時(shí)提醒人們，這僅僅是科學(xué)的一小步，人們還需要更多科學(xué)以及工程上的研究才能制造出一個(gè)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)66%的太陽能電池。
另外值得一提的是，目前朱博士等人正致力于解決這一科學(xué)難題的第三個(gè)方面：將熱電子連接到電導(dǎo)線。
朱博士說：“即使我們能從太陽能電池中取出這些熱的、快速運(yùn)動(dòng)的電子，但是它們?cè)谶B接導(dǎo)線上同樣會(huì)以熱能形式損失。因此我們下一步的目標(biāo)就是調(diào)整連接到電導(dǎo)線的界面化學(xué)特性，以最大限度地減少這部分的額外能量損失。我們希望最大程度地獲得太陽光線中的能量，這就是終極太陽能電池。”整個(gè)研究項(xiàng)目由美國(guó)能源部提供資金支持。
外界反響熱烈
朱博士這一技術(shù)上的成就也讓整個(gè)能源領(lǐng)域眼前一亮。有專家表示，這一進(jìn)步是十分振奮人心的。相對(duì)于化石燃料發(fā)電，目前硅太陽能電池的成本過高，在沒有大量的政府補(bǔ)貼情況下，利用太陽能發(fā)電的成本偏高。隨著太陽能電池效率的提高，以及與化石能源相對(duì)持平或更低的電池生產(chǎn)成本，人類即將提前進(jìn)入太陽能時(shí)代�；剂献屓祟惛冻隽藝�(yán)重的環(huán)境代價(jià)，研究人員表示，隨著科技的進(jìn)步，有理由相信50年之內(nèi)將百分之百地全部利用太陽能。
除了可再生能源行業(yè)外，即使與可再生能源相對(duì)的化石燃料行業(yè)的工作人員也為朱博士的研究鼓掌。一位美國(guó)石油行業(yè)普通工作人員柯蒂斯表示：“作為一個(gè)在石油工業(yè)及傳統(tǒng)的下游工業(yè)時(shí)代的受益者，我為朱博士和他的合作伙伴而鼓掌！我們需要進(jìn)行這種研究，先設(shè)置好一個(gè)實(shí)際的可再生能源目標(biāo)，然后找出解決擋在前面的難題的辦法。”
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