光伏新材料：铁锈时代”的午夜太阳

 
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。