[2011.12.31] 构建更好的日光捕捉器

太阳能

构建更好的日光捕捉器

一种获取太阳能的新奇方法或许能助其提高效率

Dec 31st 2011 | from the print edition

想要利用日光发电，人们可以使用光电池；或者用日光中的热能烧开水，再用所得蒸汽推动涡轮机。这都是业已成熟的技术。但原则上还有第三种方法：免去蒸汽或涡轮机直接利用热能。这种方法跟标准的太阳能电池（它们只对某些光频敏感，其他的不行）不同，几乎所有入射能量都可转换。但它与开水法也不同，不必涉及麻烦的机械过程。这样的装置一经设立，只需极少的管理即可持续工作。

遗憾的是，当以此法，让未经聚焦的日光直接照射这种可以依次将其转化为热能与电能的装置时，其温度并不比开水高多少。原因是，根据热力学定律，当装置的温度明显高于开水时，它向外界散发热量的速率必定会与它吸收外界热量的速率持平。事实证明这很令人头疼，因为采用这种方式的能量转换器需要达到700摄氏度方能真正有效率，而这在不用昂贵的特制抛物面镜聚焦入射光时是不可能的。

但麻省理工学院的彼得•波米尔（Peter Bermel）及其同事们认为，他们已经发现了一种可以避开这一困难的方法。他们在《纳米研究快讯》（Nanoscale Research Letters）上描述了他们发明的一种不用镜子聚集日光中能量的方法。实际上这就是一种日光捕捉器。

波米尔博士所建议的捕捉器是一张经过相当复杂处理的钨（一种耐热金属）箔，它朝向太阳的一面遍布微型凹陷，而另一面则正对由一种叫砷化铟镓的材料制成的特殊太阳能电池。这层表面被雕刻成一种叫做光化晶体的结构，这就让它可以发射其频率最易被太阳能电池吸收的红外辐射。这两层表面都将使用制造计算机芯片的光刻法技术制作。

这些凹陷直径为0.75微米，排列成间距0.8微米的网格，就是它们在捕捉日光。当把装置按上面的凹陷正对太阳的方位校准以后，大部分进入凹陷的入射辐射到达凹陷底部，在那里被钨吸收。根据热力学定律，辐射必将很快被再次发射出去。

但在逃逸进入外界之前，来自凹陷内部的热辐射更可能会与凹陷壁相撞。一旦相撞，整个吸收和再次辐射的过程便又重新开始。其结果会让有凹陷的金属钨温度比平整的金属箔片能够达到的温度高得多。

为使热能转化成电能，需要通过光化晶体将之导向太阳能电池。光化晶体是一种刻蚀在钨表面的规则几何图案，其作用是放大某些频率的红外辐射并压制其它频率的红外辐射。

诀窍在于以改变图案细节的方法调整晶体，使尽量多的电磁波辐射以砷化铟镓最能有效捕获的频率发射。这一捕获过程会击出物质内部的电子，从而形成电流。

根据波米尔博士的计算，这一装置可将37%的太阳能转化为电能。与此相比，不用抛物面镜聚焦入射光线的硅基标准太阳能电池的最高效率是28%，使用聚焦装置的最高效率是31%。这是一个显著的提高。下一步当然是实物试验，但波米尔博士对其理论计算很有信心。

作为材料，钨大量用于白炽电灯灯丝。但当电流通过钨丝时，它把过多的电能转化成热能而不是光能，因此白炽灯不时兴了。反向进行这一过程不但可以让钨获得新生，而且也可能有助于解决世界上可再生能量短缺的问题。这真是绝妙的讽刺。