光伏新材料:铁锈时代”的午夜太阳

来源:新华网发布时间:2014-01-29 09:56:59
 据《文汇报》报道,利用太阳能发电采暖,是节能减排、减少雾霾污染的有效途径之一。然而,困扰太阳能发电最棘手的问题之一是黑夜,随着雾霾天气的增多,即便是白天的太阳能应用也受到了挑战。在这种背景下,一种极普通的物质——铁锈,成了国际科技界关注的新宠。只要能让铁锈的电子行动自如,它就能变成一种神奇的材料,为廉价地进行太阳能发电提供有效的途径。

  突破太阳能应用瓶颈神奇物质进入研究视野

电极上哪怕生出零星的铁锈,都会让大多数工程师感到惊慌失措。但是,肯尼思·哈迪和艾伦·巴德这一对伙伴却利用这种最廉价的材料,探寻出了廉价的太阳能发电方法。他们大致的原理是对铁锈进行电流诱导,制成电极,只要接触到微弱的可见光,电极就会产生功率虽小、但仍可利用的电流来。

这段插曲发生在1975年,其时正值硅作为新兴材料的“佼佼者”脱颖而出的时期。硅的非凡效率使它成为太阳能光伏电池的支柱,从那时以来一直在市场上独占鳌头,铁锈压根儿就没有堪与比肩的电气性质。在德克萨斯大学取得的小小突破被束之高阁,人们想到铁锈的唯一场合,是他们发现有必要予以清除的时候。

但是,在过去几年里,聚光灯重又开始投射到这种神奇的物质上。虽然在将太阳能转变为电力的效率方面,二氧化铁(铁锈)无法和硅相提并论,但是它能做一些硅做不到的事,例如帮助太阳能的储存。困扰太阳能发电最棘手的问题之一是黑夜,而呈薄片状的铁锈也许正能在突破这一瓶颈制约上发挥作用。

太阳能研究差不多一味将注意力投注到效率上。太阳每天使地球沐浴在够我们消耗一年的能量之中,但收获这份“上苍恩赐”却不是一件轻而易举的事。即使是现有的最先进技术也只会将46%的太阳能转变成电力,而且那还有赖于规范化的理想条件,国际空间站斥资数十亿美元用代价高昂的稀土元素制成的太阳能电池板便是一例。安置在地面上基于硅的、更加廉价的太阳能光电板,其效率充其量也只有15%~20%。

现在迫切需要的是设法将多余的能源存储起来,以便在没有阳光照耀之际可供使用。在某种程度上正是因为只能在生成瞬间使用的缘故,这种表面上看似无穷尽的资源在所有再生能源中所占的份额是微不足道的,而成本却是化石燃料的20倍。

最显而易见的解决方案是电池,但由于能源密度偏低,加上整幢建筑的供电系统每过几年需要更新的高额成本,使它们只成为少数富人的选项。一个稳妥得多的太阳储能办法是用它来制氢。这个元素的化学键称得上威力无比,每公斤的存储容量是标准锂离子电池的170倍。此外,氢还是名副其实的“多面手”,你一旦将它捕获就可以付诸任何用途。如果融入燃料电池,它就可以和氧重新结合而按实际需要发电;它和一氧化碳结合后会变成甲醇生物燃料;存储得法,甚至还会像任何其他气体燃料那样燃烧。

要将光伏电池的动力转变为氢,最简单的办法是利用该动力来运转电解槽,藉以让水(H2O)裂变为氢和氧。简单或许是简单,但也不见得怎么有效。在标准光伏电池所能捕获的仅为15%的太阳辐射中,另有30%会在转换过程中丢失。等你忙完这一切的时候,恐怕还是配备可充电的电池来得划算。

 
  铁锈“库存量”丰富经电解获取水中动力

更加稳妥的选项是物色一些廉价的导电材质,它们既能完全绕过光伏电池,又能简单易行地用太阳的光子来电解水和制造氢。

要让一种材料直接对水进行电解,它必须在受到光子撞击时释放具有合适能量的电子。当这些电子受到足够的激励而撤离材料时,它们会残留下称之为洞孔的缺口。为了填补这些洞孔,水分子会捐出属于它自身的一个电子。这样一来,电子和洞孔就会通过相互配合而使水得以氧化并转变为氢和氧。

硅不是适宜干这活儿的工具,它的电子缺乏合适的能量。所有的材质需要各自不同、准确无误的能量才有望让电子挣脱原子的束缚。硅原子只需要1.11eV(电子伏特)即可松开一个电子,但是促成水裂变则要求电子至少达到1.23eV的能量。

对于实际中迫切需要的材料,可以用异质化合物来研制。例如美国博林格林州立大学的工程师将硒化锌和硫化镉晶体同铂催化剂相结合而使合适的电子得以释放。但复杂的工艺和稀缺的材料孕育而成的装置,因商业化成本过高而难以应用。

于是,研究人员开始将目光重新投向铁锈。二氧化铁具有高达2.1eV的能源“命中率”,它还不带任何毒性,而且非常便宜。更为重要的是,它的“库存量”简直丰富到无所不在的地步。

纳米技术操控物理结构成本低廉令硅黯然失色

铁锈的稳定性同样十分重要。很多材料受到水裂解的腐蚀后会发生变形,但二氧化铁在腐蚀性环境中能维持长达一年,有人认为其耐蚀时间可能会更长,因为正如伦敦帝国理工学院的克劳斯·海尔加德所描述的,“它不像是会生锈变形的样子。”

铁锈不是世界上最擅长将太阳能转变成氢的“高手”,最近的研究成果表明其理论极限值为16.8%。但光凭其来源丰富这一点就意味着数量是能弥补质量不足的。

不过,这种“灰姑娘式”的材料依然缺失一只水晶鞋。“它迄今为止的表现不甚理想,”加州理工学院的纳特·刘易斯说,“那并不意味着我们无法让它有更好的表现。”

铁锈具有适合电解水的物理属性,但仅凭这一点并不意味着它能独力完成使命。所以,过去十年的铁锈研究大多是围绕着水中诱导电子而展开的。

需要解决的第一个问题,就是当年让哈迪和巴德陷于两难困境的同样障碍。二氧化铁的导电性不是很好,无法靠自身力量将足够的电子往外发送到更能发挥作用的边缘上。它需要得到来自外界的刺激,一个办法就是从所谓的串叠型电池装置中获取额外的太阳能。1991年,瑞士联邦理工学院(EPFL)洛桑分校的工程师迈克尔·格雷策尔,利用为强化对光子吸收而用染料经过处理的薄层二氧化钛研制成染料敏化太阳能电池。在没有硅的情况下,这是一条生成电流既简易又廉价的捷径。只要将最终形成的电流反馈给底下的铁锈层,它们就能推出适合对水电解的正确电子。

 
格雷策尔的装置前所未有地达到了4%的效率。然而,那需要另外使用2个串叠型电池。额外能量对于提升电子形成更高的能级是必不可少的。要是没有这些能量,铁锈就会将电子往回抽吸到结晶阵列中,趁它们尚未变纯净之前重新予以吸收。

唯一的解决办法就是形成稀薄到足以让电子逃逸的铁锈层,其厚度大约为几十纳米。这在1975年甚至稍晚的90年代初期都是不可能办到的。然而,纳米技术在进入21世纪后取得了长足进步,不仅使得操控材料的物理结构成为可能,也催生了不少精致得令人称奇的解决方案。

丹尼森大学的乔丹·卡茨研发出由几纳米宽的铁锈杆构成的薄涂层。如此窄小的宽度赋予装置以极大的表面积,同时也使水得以渗入锈杆间的纳米微隙中。这样可让电子和洞孔从材料中逃逸,进而同四周的水相汇合。但是卡茨表示,他远没有找到一种效率达到市场需求的材料。

瑞士理工学院的研究人员找到了一条切实可行的途径。为了协助电子逃逸,凯文·希弗拉利用“云”沉淀物创造纳米锈,其中包括给表面喷洒雾状的铁溶液。这种沉淀方法会促使二氧化铁生长成大片的森林,里面尽是呈花椰菜状的显微“树木”,从而形成了那种允许电子逃走、但还可以大批量生产的分形表面积。

去年,希弗拉小组研制成一个工作装置,使用的无非是玻璃这种谈不上昂贵的材料。它的效率达到3.6%,与卡茨的装置不相上下,但无需借助于额外的串叠型电池。希弗拉声称,不出两三年的时间,他就能把效率提高到10%。

但是,他的目标可能会在锈层非常薄时遇到一个悖论式问题而遭受挫折。选用任何电解材料都会面临一个基本矛盾,那就是要同时做得尽可能厚和尽可能薄。如果希望电子有任何逃逸的冲劲,恐怕还是以稀薄为好。若要吸收尽可能多的光子,那就需要铁锈层稍微偏厚一些。20纳米的电解层只会把可吸收的光子总量吸收18%。厚度增加到1微米以后,则能将它们近乎全部捕获,但在那种情况下又难免会形成堵塞。

为了解决这个难题,以色列理工大学的艾夫纳·罗特席尔德和他的团队转而求助于量子物理学。他们的装置将输入光诱捕到30纳米的铁锈薄膜上。光子进入装置后被迫挤入一个以V形镜面相向的小室内,镜面在那里将它们来回地折射到被吸收为止。更何况,随之而来的是向前后传播的光波以及它们之间进一步增强吸收效应的干扰,尤其是在靠近薄膜表面的部位上,电子和洞孔有可能在重新结合前轻易地抵达表面。装置幸亏经过这一微调才得以将输入光吸收71%,同时又薄得能让电子逃逸,最终形成了4.9%的理论效率。

按照二氧化铁的低标准来看,那已经是够令人印象深刻的,却并不完全适合用作商品原料。这里终于触及到铁锈的真正“天赋”,尽管它的效率低得无以复加,为什么最终还是会令硅黯然失色呢?希弗拉说,就算它绝对达不到16%这个最大值,但依然是价格低廉的,可以大批量地进行制备。“归根结蒂,重要的不是效率而是每瓦电力的成本。”卡茨说。他表示,即使效率只有10%,只要“价格公道”也会强于50%的光伏电池,因为每个表面用铁锈涂覆一遍花不了多少钱。

而这恰恰是研究人员所追求的目标。希弗拉认为可以把他的铁“花椰菜”混合物涂抹到类似墙纸的物体上,成片成片地打印出太阳能电池,无论在什么地方都可以生成氢。沙漠中孤独的前哨基地会变成美好的家园,工艺处理可以使用经过滤的废水。

提供非电网式供能可望成为全球再生能源

当然,在这个梦想实现之前还有一些问题必须解决。例如一旦水发生裂变,“实际上等于制造了一颗炸弹,”海尔加德说,因为氧和氢会以爆炸的方式发生反应。一个更加温和却同样糟糕的结局是:氢与氧只要经过结合就会形成比先前略微更热的水。

海尔加德的设计是用低品位的废水将氧“吃掉”。它非但没有变成气体,反而同水中的有机化合物实行结合,撇下氢冒着气泡安全地返回存储罐。

用铁锈获取太阳能还剩下最后一道难关:通过制氢固然可以存储太阳能,同时存储本身也会带来一定的问题。气体的密封难度是众所周知的,如果不依靠价格昂贵、质地坚固且不易受到腐蚀的材料就会随时发生爆炸。这个问题甚至让备受期待的氢经济断送了整个前程。

 
研究人员始终在探索解决这个问题的一系列对策。除了不断改进燃料电池的质量外,还有多种新颖的方法正在酝酿之中,例如澳大利亚新南威尔士大学的研究人员最近利用纳米硼氢化钠进行存储。盐按惯例必须加热到550℃才会释放存储在化学键中的氢,但它在纳米尺度下经过诱导达到50℃时就会这么做。这对于按多种规格携带氢来说是一个大有前途的进展。

虽说大有前途,但未必有这个实际需求。就地存储、燃烧起来像篝火的简装氢气罐也有异曲同工之妙。太阳储能公司经理布赖恩·霍尔科洛夫特认为,这正是它可望在像肯尼亚那样阳光明媚、但能源基础设施匮乏的国家立即找到的用武之地。他和瑞士理工学院合作的结果,是利用串叠型电池和二氧化铁设置为公司提供了非电网式的能源解决方案。他希望这些装置同样能推广到发达国家的房屋顶上,使拥有这种装置的人不必通过电网就能获得氢燃料和电力。

也许,它们并不需要串叠型电池。数十年来对铁锈电子诱导水裂变这个过程的洞察,确保了哈迪和巴德独辟蹊径的梦想必定会从过去一直延续到未来,靠的是效率不见得高超、但配备以相应储能设施的铁锈光电装置。

“如果全然不在乎效率的话,那么铁锈电池是可以通过运作而制造燃料或发电的,也可以同时兼顾两头。”卡茨说,“它可以在白天电力需求达到高峰时发电,需求不高时则代之以燃料生产。”考虑到太阳能的经济现实,哈迪和巴德在1975年开掘的细微电流还可能衍变成一种覆盖全球范围的再生能源。也许,现在该是进入“铁锈时代”了。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/201401/29/48380.html
责任编辑:carol
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
美国法官废除特朗普限制风能和太阳能税收优惠的政策来源:光伏 发布时间:2026-06-10 16:49:59

美国哥伦比亚特区地区法院法官科琳·科拉-科特利裁定,撤销特朗普政府于2023年8月出台的国税局新规。该规则取消了清洁能源项目申请联邦税收抵免长期适用的“5%成本支出”标准,仅允许极小规模项目适用简化程序,大幅提高了风能和太阳能项目获得30%税收抵免及额外奖金的门槛。法官认为,国税局未就废除这一沿用十年的“正在建设”认定标准提供充分法律依据,故将该规则发回重新审议。此案由环保组织、消费者团体、旧金山市政府及清洁能源企业联合提起,主张新规将抬高电力成本、阻碍项目落地。裁决被视为对特朗普政府限制清洁能源政策的又一次司法否定,旨在维护税收优惠制度的稳定性与可预期性。

高景太阳能申请光伏组件及其制备方法专利,显著提升了光伏组件在严苛环境下的长期可靠性来源:金融界 发布时间:2026-05-29 17:57:44

青海高景太阳能科技有限公司、广州高景太阳能科技有限公司及高景太阳能股份有限公司联合申请了一项名为“一种光伏组件及其制备方法”的发明专利(公开号CN122121274A,申请日为2026年3月)。该专利聚焦提升光伏组件在高温、高湿等严苛环境下的长期可靠性,核心在于创新性地采用双层级功能涂层结构:前板玻璃侧设含离子捕捉剂的第一涂层,背板玻璃及边框侧设含片状纳米屏障填料的第二涂层,分别从化学捕获和物理阻隔两个维度协同抑制电势诱导衰减(PID)效应。该方案提供了一种高效、低成本的外部防护新路径。文中还简要介绍了三家申请企业的成立时间、所在地、主营业务及知识产权布局概况。

美国ITC发布对TOPCon太阳能电池、组件等产品的337部分终裁来源:中国贸易救济信息网 发布时间:2026-05-28 22:20:05

2026年5月27日,美国国际贸易委员会(ITC)就针对TOPCon太阳能电池及相关产品的337调查(案号337-TA-1494)作出部分终裁,决定不对行政法官于4月27日发布的初裁(No.7)进行复审,正式批准比亚迪美国公司(BYD America LLC)以第三人身份介入该案。该调查始于2026年3月26日,源于美国First Solar公司2月24日的申请,指控涉案产品侵犯其美国专利号9130074,并请求发布排除令与禁止令。调查涵盖全球多家光伏企业,包括阿特斯、晶澳、晶科、天合光能、韩华Q CELLS、润阳、越南Sunergy、日本Toyo等数十家国内外制造商及在美关联实体。

Enel以1.4亿美元收购美国270兆瓦的太阳能产品组合,并扩展至三个新州来源:路透社 发布时间:2026-05-21 12:20:29

意大利电力公司Enel周一表示,已同意以约1.4亿美元收购美国七座太阳能电站,总装机容量约为270兆瓦。该交易通过EnelGreenPower北美部门进行,负责弗吉尼亚州、北卡罗来纳州和南卡罗来纳州的Enel工厂,年均产量约为0.4太瓦时,Enel表示。交易预计将于2026年底完成,但需获得监管批准,Enel表示,该交易符合其在可再生能源发电能力方面加速增长的战略,包括通过收购所谓一级国家的运营资产。

27.41%!陕西师范大学赵奎&刘生忠&林雪平大学高峰最新Nature:配体的立体电子调控用于钙钛矿太阳能电池来源:钙钛矿产业网 发布时间:2026-05-15 09:06:21

2026年5月13日,陕西师范大学赵奎、刘生忠、瑞典林雪平大学高峰共同通讯在Nature在线发表题为“Stereoelectronicmanipulationofligandsforperovskitesolarcells”的研究论文。该研究通过配体吸附拓扑结构的立体电子调控,协同解决了界面缺陷钝化与电荷传输的矛盾,实现高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。这项研究为钙钛矿太阳能电池的界面设计提供了新范式,有望推动钙钛矿太阳能电池迈向商业化。配体立体电子调控策略钙钛矿太阳电池的光电性能和稳定性

苏州大学申请单晶钙钛矿薄膜表面处理专利,提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性来源:金融界 发布时间:2026-05-07 09:34:29

国家知识产权局信息显示,苏州大学;苏州益恒能源科技有限公司申请一项名为“一种单晶钙钛矿薄膜的表面处理方法、钙钛矿电池及其制备方法”的专利,公开号CN121985709A,申请日期为2026年4月。本发明优化了单晶钙钛矿薄膜表面,同时提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。

法国限制中国制造的太阳能组件来源:bankinfosecurity 发布时间:2026-04-10 17:06:41

政府表示,目前超过80%的关键光伏组件来自中国。立陶宛因担心远程接入,于2024年实际上禁止中国逆变器进入其太阳能和风能装置。路透社2025年5月报道,美国能源专家在一些中国制造逆变器中发现了未公开的通信设备,这些设备可能以绕过公用事业公司防火墙的方式与国内通信。盖尔克指出,鉴于北京对非中国设备的限制,限制中国进入欧洲太阳能市场的理由基于互惠性存在强烈理由。

池州合洪新能源申请太阳能发电板支撑结构专利,更利于调整太阳能板的倾斜角度来源:金融界 发布时间:2026-04-03 09:00:17

国家知识产权局信息显示,池州合洪新能源有限公司申请一项名为“一种太阳能发电板的支撑结构”的专利,公开号CN121770448A,申请日期为2025年12月。专利摘要显示,本发明涉及太阳能板支撑支架领域,尤其涉及一种太阳能发电板的支撑结构。利用调节组件能够直接调整后立柱的整体高度,更利于调整太阳能板的倾斜角度,同时调节组件、第一辅助支撑组件和第二辅助支撑组件均能够对后立柱起到支撑定位作用。

通威太阳能申请异质结太阳电池及其制备方法专利,提高抗紫外性能的同时确保钝化效果来源:金融界 发布时间:2026-03-30 11:08:43

国家知识产权局信息显示,通威太阳能(成都)有限公司申请一项名为“异质结太阳电池及其制备方法、光伏组件”的专利,公开号CN121728834A,申请日期为2026年2月。本申请的异质结太阳电池能在提高抗紫外性能的同时,确保钝化层的钝化效果。通过天眼查大数据分析,通威太阳能(成都)有限公司参与招投标项目387次,财产线索方面有商标信息15条,专利信息1731条,此外企业还拥有行政许可865个。

全球最大太阳能电站、风电场及电池储能项目:不断被刷新的实时排行榜来源:WebProNews 发布时间:2026-03-26 13:34:46

在中国西部的某处,一座太阳能电站横跨沙漠地形,其容量在十年前看来荒谬绝伦。在北海,海上风力涡轮机排列成的阵列如此庞大,产生的电力可与核电站媲美。而在得克萨斯州和澳大利亚,电池储能设施的扩容速度如此之快,以至于六个月前创下的纪录如今已显得过时。可再生能源纪录被刷新的惊人速度,本身已成为一个故事。 “可再生能源纪录追踪器”(Renewables Record Tracker)是由开发者罗宾·霍克斯(Robin Hawkes)维护的一个开源项目,它收录了全球最大的可再生能源设施——太阳能、陆上风电、海上风电和电池储能——并进行地理映射。 该数据库读起来就像一个从未静止的排行榜。它揭示的不仅是单个项目...

布鲁克·罗林斯与 2025 年保守派太阳能政治的关键转折点来源:El-Balad.com 发布时间:2026-03-23 17:06:38

布鲁克·罗林斯正成为美国政治话语转变中的一个焦点:一股保守派倾向的信息浪潮,在反风政策及言论持续强化的同时,对太阳能表达了更友好的态度。 这一转折点并非单一的政策宣布,而是一连串快速传递的信号——包括社交媒体背书、民调叙事和审批动态——共同表明,在一个常将可再生能源视为“政治雷区”的联盟内部,太阳能的战略定位正在被重新构建。 当布鲁克·罗林斯成为更广泛太阳能宣传转向的一部分时会发生什么? 当前局势以对比为特征。1 月下旬,唐纳德·特朗普总统在 Truth Social 上分享了一段视频,似乎支持家庭屋顶太阳能,称其可释放电网工业部分的能源并助美国与中国竞争。这种姿态伴随着对风能持续的敌意,造成...