光伏新材料：铁锈时代”的午夜太阳

 
　　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。