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第66章 功能强大的人造树叶

人类利用和使用太阳能的历史很悠久,早在两周时代,我们的祖先就曾用“阳燧”这种简单的器具向太阳“取火”,开辟了人类利用太阳能的新纪元。国外古代传说中就有阿基米德借助镜子聚焦,烧毁了敌人的战船,从而保卫了国家和人民。近代太阳能利用历史,可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。对于太阳能的利用,最具潜力的是各种太阳能电池开发和使用。太阳能电池实际上就是一种把光能变成电能的能量转换器,这种电池是利用“光生伏打效应”原理制成的。光生伏打效应是指当物体受到光照射时,物体内部就会产生电流或电动势的现象。

1941年,国外出现有关硅太阳电池的报道,1945年,美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳能电池,开创了现代人类利用太阳能的新时代。1958年,太阳电池应用于卫星航天领域。随后,人们先后研制了单晶硅电池、多品硅电池、非晶硅电池、砷化镓双结电池等,能量转化效率最高可以达到28%。但是,这种电池制造工艺复杂,成本很高,大约是传统电池成本的10倍。

1991年,瑞士洛桑工学院的葛瑞特发明了一种成本非常低廉的太阳能电池。这种太阳能电池使用了很廉价的、性能很好的纳米二氧化钛为电池的负极,然后,在纳米二氧化钛上吸附一层对太阳光敏感的有机染料,用透明导电玻璃作为正极,两个电极之间充入电解质。这种电池由于使用了有机染料,所以也叫染料敏化太阳能电池。它制作的原材料简单易得,工艺又不复杂,而转化太阳能的效率却相当高,功能如同于一片树叶,所以被形象地称为“人造树叶”。

和树叶相比较,染料敏化太阳能电池中所使用的有机染料,就如同树叶中的叶绿素,在太阳光的照射下,会产生光生电子,纳米氧化钛电极就像集结电子的收集器,当有外电路接通时,收集器中的电了就会通过外电路,跑到另外一极,形成电流。当外电路没有接通时,电子就聚集在纳米氧化钛上储存起来,形成电压。这种电池只要在光照下,就会源源不断地产生电子,将光能直接转化为电能,不会排放任何废物,就如同树叶一样,实现了真正的“零排放”。它又比树叶具有更多的优点,比如,它可以随时使用,使用的时候,只要用导线一连接,就会有电流,不用的时候,电子会自动储存在氧化钛电极中;由于氧化钛具有较好的可见光透过率,所以,这种人造树叶儿乎是透明的。

和其他类型的太阳能电池相比较,这种染料敏化太阳能电池能量转换效率虽然不是最高的,但是,它以其简单的制备工艺、低廉的成本,达到了很高的性价比,成为纳米材料发展中非常激动人心的事件。另外,这种染料敏化太阳能电池的每一个部分都可以独立优化,采用导电薄膜为基板,这种太阳能电池可以薄如蝉翼,而且可以随意弯曲;采用氧化钛纳米管阵列以及寻找效率更高的有机染料,可以使光电转化效率进一步地提高。

目前,实验室的结果显示,这种神奇的人造树叶已经能够满足实用化的要求。日本已经开始生产出部分的商品,我国中科院等离子物理研究所也于2004年建立了500瓦规模的小型发电站。当然,这种电池的关键技术仍需进一步突破,并实现产业化,它的应用前景十分巨大而且诱人。

例如,这种透明的“树叶”如果做成大面积,有可能代替玻璃,只要受到光照,就可以为室内小型器件提供动力;它更有可能成为为室外广告牌提供电力的主角,当有光照时,这些广告牌受到驱动,会产生美丽的七彩图案,这样就可以减少因电力消耗而产生的热辐射,创造最佳的人居环境。在光照充足的地方,这种太阳能电池有更大的用武之地,例如,在高原沙漠地带,这种太阳能电池可以为小型汽车提供动力,届时只要在车顶上架一个装有太阳能电池的大篷,在阳光照射下,太阳能电池就能供给汽车电能。人们可以做长途旅行,不用担心汽车缺少燃油,也免除了旅行日’额外的辎重。电视差转机一般都建在高山上,架设高压输电线路供电很困难,投资很高,所以最适合使用太阳能电池供电,电视差转机使用太阳能电池作电源,既快捷,又投资节省,而且维护、使用方便,可以做到无人管理。

这种可弯曲并且透明的电池不但收放自如,而且可以层叠起来,提高太阳光的利用率。在航天方面,将是宇宙飞船或者卫星的动力的新宠,相信经过我们坚持不懈的努力,在不久的将来,这种神奇的“树叶”必定会让我们的生活更加美好。