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太陽能電池技術 效率上突破

廉價、高效、耐用、方便的太陽能電池是研究者的夢想

澳洲擬建的大型太陽能發電設備,占地直徑7公里,中心塔高1公里,將是世界最高建築。(法新社)

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【大紀元5月4日訊】石油、天然氣……這些經歷億萬年積累形成的能源正在不可逆地被消耗著,總有一天會坐吃山空。因此,科學家和工程師們在可持續能源的開發方面可謂費盡心機。太陽能作為取之不盡的能源,多年來一直是主要研究方向之一。

雖然對於太陽能的使用由來以久,但是鑒於能量轉化和保存技術上的困難,至今對太陽能的利用仍然不夠普及。世界各國在開發太陽能電池技術方面投入很大,近來在能量轉化效率方面也有不小的突破。

*太陽能的利用

嚴格的講,地球上的生命都靠太陽的能量生存。石油、煤這些當代最常用的能源,是遠古時期的生物將太陽能轉化為化學能保存下來的,甚至風力和水利能源也是來自於太陽。因此通常人類所說的太陽能是太陽輻射能量。

太陽能的利用主要有兩種,一種是所謂光電轉換,就是將太陽光的能量轉換為電能,大家經常聽說的太陽能電池就是屬於這一類。還有一種是光熱轉換,就是利用太陽能給水加熱。但是目前太陽能使用的成本很高,轉換效率也很低,這些因素都使得太陽能的實用性大打折扣。

技術突破:提高光電轉換效率

不過近來在太陽能電池的效率方面有一些技術上的突破,可能為太陽能的利用開闢廣闊的前景。有專家認為,在不久的將來,高效、廉價的太陽能電池可能廣泛用於手機、電腦、車輛、住房和辦公室。

–塑料電池

  塑料也能導電?不錯,加州大學聖巴巴拉分校的希格(Alan J. Heeger)不僅是導電塑料的發明者之一,還因此獲得了2000年的諾貝爾獎。希格現在再接再厲,開發了太陽能塑料電池。

  希格表示,通過對鈦氧層的化學改進等方法,將來的太陽能塑料電池的效率可以達到15%。希格和他的同事們已經研製了效率為5%到6%的塑料電池,據信這在同類電池中已經是最高的了。

  塑料電池的關鍵在於一種導電的聚合物,研究人員正在用它來開發廉價、高效、耐用的太陽能設備。改進後的塑料電池用途講十分廣泛。

–可作為玻璃塗層的薄膜電池

  瑞士研究人員開發了一種超薄燃料敏感型太陽能電池,其能源實用效率創造了太陽能電池的新高。

  太陽能電池的技術關鍵在於納米級的半導體晶體。在實驗條件下,這種超薄的二氧化鈦膜能量實用效率達到了11%,而一般的太陽能新電池的效率只有4%到5%。

  這類薄膜光敏設備的用途很光。據瑞士聯邦技術學院的化學家格雷策爾(Michael Graetzel)介紹說,可以將電池做成可彎折的薄膜,作為窗戶玻璃的塗層,從而為家居何辦公提供電力。如果作為帳篷表面的塗層,就可以為野外作業的人或士兵提供能源。

  可以預見,薄膜電池將廉價和方便性整合在一起,前景是廣闊的。研究人員估計,在兩到三年內,消費者就可以在市場上見到薄膜型太陽能電池。

–碳納米管電池

  另一種可以提高太陽能電池效率的技術是碳納米管技術。據美國諾特丹姆(Notre Dame)大學的科學家報告說,他們用碳納米管制作成的半導體太陽能電池可將光能量轉換效率提高一倍,達到10%。

  碳納米管半導體結構包括硫化鉻、氧化鋅和二氧化鈦等物質。據化學家卡馬特(Prashant Kamat)介紹說,碳納米管技術也可以添加在其他類型的太陽能電池中,例如染料敏電池或有機太陽能電池(它們的共同點在於利用導電聚合物),從而提高效率。

–設計新思路:構造立體化

  如何儘可能高效率的將光轉化成電能是太陽能電池技術發展的核心。一種新的思路尤然而生,這就是立體化的構造設計。

  你見到過曼哈頓的摩天大樓嗎?立體化太陽能電池是由一排排「塔結構」碳納米管構成。這些碳納米管的橫截面為40微米見方,高100微米,間距10微米。傳統設計的太陽能電池會反射大量的陽光,這是光能轉換效力低下的主要原因之一。新的立體化設計可以將光線舒服在「塔結構」之間並提高對光能的吸收。美國佐治亞理工學院的工程師萊迪(Jud Ready)的話說,這種設計的目的就在於儘可能的吸收每一個光子。

  另外,傳統的設計有很厚的塗層。立體化設計由於使光子吸收效率的增加,表面塗層的厚度就可以相應減少,從而使電子釋放的速度加快,進而光子轉換為電子的效率也同時增加。研究人員還介紹說,新的設計還能減少電池的大小、重量和機械複雜性。

  目前,這種太陽能電池還在研製中,並可望在不久的將來用於太空設備的電能供應。


使用太陽能電池的筆記本電腦。(法新社)

  
*太陽能-電能的應用

屋頂太陽能面板是目前運用最多的將太陽能轉化為電能的實例。太陽能面板實際上就是在陽光照射下會產生直流電的發電裝置,通常面板由半導體材料的光伏電池組成。太陽能板可以製成不同形狀,小的光伏電池可為手錶及計算機提供能源,大的光伏系統可以用於建築物表面,為房屋提供照明等。

歐美各國都很重視太陽能面板的應用。在日本,越來越多的民居設置太陽能光電板。位於日本中部的長野縣飯田市,居民在屋頂設置太陽能光電板的比率甚至達2%。

目前全球最大的屋頂太陽能面板系統位於德國南部比茲塔特(Buerstadt),面積為四萬平方公尺,每年的發電量為450萬千瓦時。(新紀元週刊第16期) @

視頻:三藩市鼓勵屋主安裝太陽能屋頂

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2007-05-09 11:05 AM
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