塑料太陽(yáng)能電池

王貞虎

你能夠想象：為了隨時(shí)隨地獲得取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能，人們把太陽(yáng)能電池噴刷在墻壁上、打印在紙張上，甚至是印刷在衣服上嗎?不要以為這是遙不可及的事情，因?yàn)榭茖W(xué)家們正在努力把這種“想象”變成現(xiàn)實(shí)。

據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)每一分鐘向地球輻射的能源，比地球上人類一年所消耗能源的總和還要多。遺憾的是，如果要把所有的太陽(yáng)光都轉(zhuǎn)變成為電能，需要巨大的資金投入。而目前，我們?cè)谏钪兴苜I到的太陽(yáng)能電池，絕大多數(shù)都是利用類似電腦芯片所使用的那種無(wú)機(jī)材料硅制作的，它的制作過(guò)程復(fù)雜且成本很高，需要擁有無(wú)塵埃的工作間和真空室等設(shè)備。這樣使得目前太陽(yáng)能電池的成本大約是普通電能成本的三到四倍，無(wú)法成為替代礦物燃料的能源，在市場(chǎng)上沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力和廣泛使用的可能性。

讓人們高興的是，科學(xué)家們?cè)谒芰虾图{米技術(shù)這兩個(gè)領(lǐng)域里所取得的進(jìn)展，使我們開發(fā)廉價(jià)而又方便的太陽(yáng)能電池成為可能。

塑料太陽(yáng)能電池原理

塑料太陽(yáng)能電池是由具有半導(dǎo)體性能的“塑料”薄膜構(gòu)成，它被夾在兩個(gè)電極之間。當(dāng)太陽(yáng)光照射到“塑料”上時(shí)，接受到陽(yáng)光照射地方的電子就被激活變得活躍起來(lái)而脫離周圍，這樣它們?cè)瓉?lái)占有的地方就形成一些“空洞”，而位于兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)這時(shí)就把帶有負(fù)電荷的電子“誘騙”到電池的一端，帶有正電荷的空洞就移動(dòng)到相反的一端，從而形成電流，就這樣利用“塑料”做成了太陽(yáng)能電池。

然而，要利用有機(jī)材料制作太陽(yáng)能電池就困難得多，比如利用有機(jī)塑料制作太陽(yáng)能電池，要把電子約束在空洞里所需要的力比利用無(wú)機(jī)材料強(qiáng)大將近100倍，而且有機(jī)材料還常常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的“陷阱”，會(huì)妨礙或影響電子的移動(dòng)性能。

另一方面，諸如塑料之類的有機(jī)材料吸收的太陽(yáng)光要比無(wú)機(jī)材料吸收的少。迄今為止，塑料太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換率只有2.5％，而普通的無(wú)機(jī)材料太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換率卻達(dá)到了10％，無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換率可高達(dá)30％。所以，尋找這種具有半導(dǎo)體性能的“塑料”成了科學(xué)家所要努力的關(guān)鍵。

科學(xué)家們的努力

美國(guó)人艾倫·黑格等在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)和開發(fā)了導(dǎo)電塑料，并因此獲得2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。此后，人們一直在努力尋找具有半導(dǎo)體性能的“塑料”。

美國(guó)圖森亞利桑那大學(xué)的科研人員一直在進(jìn)行把有機(jī)太陽(yáng)能電池溶液印刷在紙張或塑料上的試驗(yàn)。另一個(gè)太陽(yáng)能電池研究小組則采用有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的混合物來(lái)制作太陽(yáng)能電池。采用這種方法，他們最近研制成功了利用無(wú)機(jī)納米棒制作的太陽(yáng)能電池。這種納米棒很小，粗細(xì)只有一根頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一，其直徑為7納米，長(zhǎng)為60納米。他們把這種納米棒鑲嵌在一種塑料聚合物薄膜里面。目的是想把塑料薄膜的靈活柔韌性同無(wú)機(jī)材料半導(dǎo)體的高光電轉(zhuǎn)換率的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。

由于納米棒極其微小，科學(xué)家利用量子效應(yīng)，使其對(duì)太陽(yáng)光的某些光譜的吸收能力提高了兩倍，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換率。這個(gè)方法的另一個(gè)好處是：可以減少對(duì)價(jià)格昂貴的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的使用，而且生產(chǎn)時(shí)可以不需要一個(gè)無(wú)塵的工作間。

但是，這種太陽(yáng)能電池目前還沒(méi)有達(dá)到商用水平，要投入市場(chǎng)使用，其光電轉(zhuǎn)換率尚需從目前的水平提高兩到三倍才行。不過(guò)這兩個(gè)研究小組都表示，他們能夠在未來(lái)幾年的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

塑料太陽(yáng)能電池的魅力在于：塑料聚合物能夠在室溫條件下以溶液的方式制作，因而成本低廉。同時(shí)，它具有廣泛的應(yīng)用前景，比如用于開發(fā)“智能衣服”，這樣人們?cè)谏⒉綍r(shí)就能對(duì)隨身聽、單放機(jī)、掌上電器甚至移動(dòng)電話進(jìn)行充電。也許當(dāng)這項(xiàng)研究成功時(shí)，人們今后對(duì)日光浴將會(huì)有一種全新的認(rèn)識(shí)。