Tara P. Dhakal

隨著發(fā)展中國(guó)家的工業(yè)化，全球?qū)τ谀茉吹男枨笳龑?shí)時(shí)增長(zhǎng)。專(zhuān)家們估計(jì)，到2050年，全球電力需求可能達(dá)到30太瓦。

太陽(yáng)能是無(wú)限的——在任意瞬間，太陽(yáng)提供的能量約為120000太瓦，而這些能量都是免費(fèi)的。但今天，太陽(yáng)能僅提供了全球所用電能的百分之一。其中，最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何以低成本將光能轉(zhuǎn)換成可用的電能。

為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，我們需要找到能夠吸收陽(yáng)光并能夠有效地將陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能的材料。此外，我們希望這些材料豐富，環(huán)境友好，并且對(duì)于制造太陽(yáng)能設(shè)備而言具有良好的成本效益。

目前，來(lái)自全世界的研究人員正致力于開(kāi)發(fā)有效和可行的太陽(yáng)能電池技術(shù)。其目標(biāo)是，將太陽(yáng)能電力的安裝成本從今天的每瓦特3美元降低到每瓦特1美元。

在賓漢姆頓大學(xué)的自主太陽(yáng)能中心（CASP），我們研究了如何使用自然中豐富并無(wú)毒的材料來(lái)制造薄膜太陽(yáng)能電池。我們希望開(kāi)發(fā)出制造成本低廉的、能夠可靠并高效地將陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能的太陽(yáng)能電池。

我們已經(jīng)確認(rèn)了具有較大潛能作為太陽(yáng)能吸收器的兩種材料：黃鐵礦，由于其金屬光澤其也被稱(chēng)為“愚人金”；以及，銅-鋅-錫-硫（CZTS）。

尋找理想的材料

今天的商業(yè)太陽(yáng)能電池由三種材料：硅、碲化鎘（CdTe），以及銅-銦-鎵-硒（CIGS）中之一制成。這三者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

硅太陽(yáng)能電池具有高效率，能夠?qū)⒙湓陔姵厣系?5%的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，并且非常耐用。然而，將硅處理成晶片十分昂貴，并且這些晶片必須非常厚（約0.3毫米，這對(duì)于太陽(yáng)能電池而言很厚）才能吸收落在其上的太陽(yáng)光，這將導(dǎo)致成本進(jìn)一步地增加。

硅太陽(yáng)能電池—通常被稱(chēng)作第一代太陽(yáng)能電池——在屋頂上作為熟悉的景色而被人們所使用。我們中心正在研發(fā)另一種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池，其被稱(chēng)為薄膜太陽(yáng)能電池，這是下一代太陽(yáng)能技術(shù)。正如其名字所暗示地，薄膜太陽(yáng)能電池是通過(guò)將太陽(yáng)能吸收材料的薄膜布置在通常為柔性的基底（例如玻璃或塑料），上而制成。這些太陽(yáng)能電池使用更少的材料，因此，它們比由硅制成的晶體太陽(yáng)能電池便宜。因?yàn)椴荒茉谌嵝曰咨贤扛簿w硅，因此我們需要不同的材料來(lái)作為太陽(yáng)能吸收器。

盡管薄膜太陽(yáng)能技術(shù)得以迅速發(fā)展，但是今天某些薄膜太陽(yáng)能電池的材料仍然是稀少和有害的。例如，碲化鎘中的鎘對(duì)于任何生物而言都是劇毒，并已知其能夠?qū)е氯祟?lèi)癌癥。碲化鎘在高溫條件下會(huì)分解成鎘和碲，因此將存在嚴(yán)重的吸入風(fēng)險(xiǎn)。

因?yàn)辄S鐵礦和CZTS無(wú)毒且相當(dāng)便宜，因此我們正嘗試使用黃鐵礦。黃鐵礦在地殼之間含量豐富，并能夠有效地吸收太陽(yáng)光的可見(jiàn)光譜。這些膜的厚度可以是一毫米的1/1000。

制造太陽(yáng)能電池，需要將這些材料結(jié)晶，可通過(guò)加熱來(lái)完成結(jié)晶過(guò)程。與硅的1200攝氏度或更高的結(jié)晶溫度相比，在600攝氏度以下就可將CZTS結(jié)晶，這將使得處理過(guò)程更加便宜。其性能與目前市售的高效銅銦鎵硒（CIGS）太陽(yáng)能電池類(lèi)似，卻以更便宜和更豐富的鋅和錫替代這些電池中的銦和鎵。

然而，目前，CZTS太陽(yáng)能電池的效率還較低。與更貴的CIGS太陽(yáng)能電池的20%的轉(zhuǎn)換效率相比，其僅能將落在其上的太陽(yáng)光的13%轉(zhuǎn)換成電力。

CZTS太陽(yáng)能電池具有達(dá)到30%效率的潛力。目前主要的挑戰(zhàn)有：（1）合成不含任何雜質(zhì)痕跡的高質(zhì)量的CZTS薄膜；（2）發(fā)現(xiàn)適合作為幫助收集陽(yáng)光在吸收層產(chǎn)生的電子的“緩沖層”的材料。

實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)生產(chǎn)出具有7%效率CZTS薄膜，而人們希望通過(guò)合成高品質(zhì)的CZTS層并找到合適的緩沖層，來(lái)盡快接近15%的效率。

黃鐵礦是能夠在非常低的溫度下就進(jìn)行結(jié)晶的潛在吸收器。實(shí)驗(yàn)室合成了黃鐵礦薄膜，并正在努力將薄膜堆成太陽(yáng)能電池。該過(guò)程十分具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楫?dāng)黃鐵礦暴露在濕熱環(huán)境中時(shí)，其很容易分解?？茖W(xué)家們正在研究如何在不影響其太陽(yáng)能吸收性能和機(jī)械性能的情況下使其更加穩(wěn)定。

在最近的一項(xiàng)研究中，美國(guó)斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員估計(jì)，在2050年，太陽(yáng)能發(fā)電可以提供高達(dá)美國(guó)電力的45%，為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要不斷降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本，并設(shè)法使太陽(yáng)能電池更具可持續(xù)性。豐富的，無(wú)毒材料是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的關(guān)鍵。

甘政濤，博士研究生

（中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所）

Gan Zhengtao， Doctoral Candate

（Institute of Mechanics，CAS）Sean-moran

Wildfires，Water and

Wildlife

May 13， 2016

http：//sci.keycane.com/2016/05/14/

wildfires-water-and-wildlife/