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午夜阳光：让太阳能24小时不间断供电（２）

2013/6/20 14:51:36 作者：UPS应用来源：UPS应用
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不会再锈　　　　氧化铁还有一个相当重要的性质，那就是足够稳定。许多材料在水电解的侵蚀作用下都会变形，但是氧化铁可以坚持一年之久，还有人认为可以更久。原因在于，用海尔加特的话来说，“它已经锈得不能再锈了。”

　　不会再锈
　　
　　氧化铁还有一个相当重要的性质，那就是足够稳定。许多材料在水电解的侵蚀作用下都会变形，但是氧化铁可以坚持一年之久，还有人认为可以更久。原因在于，用海尔加特的话来说，“它已经锈得不能再锈了。”
　　
　　尽管用铁锈将太阳能转变成氢并不是最高效的(最近的研究显示，转化极限理论上是16.8%)，然而凭它的储量，完全可以用数量的丰富来弥补效率的不足。
　　
　　不过，这种灰姑娘似的材料还差一只水晶鞋。“目前它的表现还不怎么样，”美国加州理工学院的内特·路易斯(NateLewis)说，“这并不代表我们没办法让它表现良好。”
　　
　　铁锈的物理性质虽然刚好合适，但它并不能单枪匹马就将水电解。因此，过去10年的铁锈研究大多数都在解决一个问题：怎样将它内部的电子拉进水里。
　　
　　首先要解决的，就是哈迪和巴德在1975年面临的问题。氧化铁的导电性不是很好，因此不能凭借自身的力量将足够多的电子输送到表面，使它们发挥最大用处。它需要有人推上一把。有一个办法，是从一种被称为“串叠型电池”(tandemcell)的装置中获得额外的太阳能。1991年，瑞士联邦理工学院的工程师迈克尔·格莱策(MichaelGrätzel)在铁锈上涂了薄薄的一层二氧化钛。他先在这层涂料上染了色，使它能够吸收更多光子，从而创造出一款染料敏化的太阳能电池。这样就能在不动用硅的情况之下，简单而廉价地产生出电流。接着，他将这股电流导入下方的铁锈层，就“踢”出了刚好可以电解水的电子(参见《自然》第353卷737页)。
　　
　　格莱策这台装置达到了4%的转化率，可谓前所未有。不过，这需要再加上两层串叠型电池才能实现。要将电子“踢”上更高能级，就需要输入额外的能量。要不然，铁锈就会将电子吸回自己的结晶基体，在它们逃逸之前将它们重新吸收。
　　
　　对付这个问题只有一个办法，那就是把铁锈层弄得足够薄，薄到电子能够逃逸，薄到只有几十个纳米的地步。这一点在1975年，甚至上世纪90年代初，都是不可能做到的。但到了21世纪初，纳米技术取得了长足进步，人类终于有能力操纵材料的物理结构了。于是，一些减少铁锈厚度的巧妙方法被提了出来。
　　
　　在美国俄亥俄州的丹尼森大学，乔丹·卡兹(JordanKatz)已经制成了一种薄薄的涂层，由几纳米细的铁锈杆构成。如此纤细的铁锈杆为这种涂层带来了极大的表面积，还能让水渗进铁锈杆之间的纳米裂缝之中。这使得电子和空穴得以从材料中逃脱，与材料周围的水相遇。不过卡兹表示，这种材料的效率还远远没有达到能够市场化的水平。
　　
　　瑞士联邦理工学院的科学家找到了一种能够市场化的方法。为了协助电子逃逸，凯文·斯弗拉(KevinSivula)利用“云沉积”的方法创造出了纳米铁锈，具体做法是将雾状的铁溶液喷洒到材料表面。这种沉积法使氧化铁长成了一棵棵小小的“花椰菜”，在材料表面形成一片“树林”，创造出了某种分形结构，让电子得以从中逃逸。这种方法是可以大规模生产的。
　　
　　2012年，斯弗拉的团队造出了一台可以工作的装置，成本还没有玻璃贵，转化率却达到3.6%，与格莱策的装置效率相当，但它不用像后者那样依靠额外的串叠型电池帮忙(参见《自然·光子学》第6卷824页)。斯弗拉表示，他可以在未来几年内把转化率提高到10%。
　　
　　不过，他的目标可能面临着一重阻碍，而且吊诡的是，这个阻碍恰恰是由于铁锈层太薄了。任何电解材料都要解决一个基本的矛盾：一方面它要尽可能厚，另一方面却要尽可能薄。要薄，电子才有逃逸的机会;要厚，材料才可以多吸收光子。一层20纳米厚的材料只能吸收所有可吸收光子的18%;将厚度增加到1微米，它就能吸收差不多所有的光子——但这时，它们又会深陷在其中。
　　
　　为了解决这个矛盾，以色列理工大学的阿夫纳·罗斯柴德(AvnerRothchild)及其同事借用了量子力学。他们的装置用一层30纳米的铁锈膜捕获入射光线。光子一进入装置就被导入一个镜腔，腔内有两面相对成V形的镜子，将光子反复弹射，直到完全吸收。此外，向前和向后扩散的光波还会发生干涉，进一步促进光子的吸收，这个效果在薄膜表面尤为明显。这样，光子和空穴就能在被拉回之前轻易到达铁锈膜表面了。亏得这个设计，这台装置能够吸收71%的入射光子，但它又足够薄，电子能够从中逃脱。两个因素相加，使它的理论转化率达到了4.9%(参见《自然·材料学》，即将出版)。
　　
　　以氧化铁低下的标准来看，这个数字已经十分不错了，但还比不上那些商用的太阳能产品——问题是，真的就比不上吗?
　　
　　这就要说到铁锈真正的天才之处了，这也是它最终或许能以微弱的转化率击败硅的关键。斯弗拉指出，就算铁锈永远无法达到16%的最高转化率，但它实在便宜，可以大量生产——这正是他和其他铁锈研究者计划要做的事。卡兹也指出：“最关键的其实不是转化率，而是每瓦特的成本。”他还表示，就算转化率只有10%，“只要价格够低”，也能击败转化率高达50%的光伏电池，因为铁锈便宜到你可以喷洒在所有东西的表面上。
　　
　　这正是研究者的目标。按照斯弗拉的设想，他的铁锈“花椰菜”可以涂在类似墙纸的材料上，制成薄片状的太阳能电池，在任何地方都能生产出氢。偏远的沙漠城镇就是一个理想的场所，过滤后的污水可以用作电解的原料。
　　
　　

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