第一片實(shí)用型人造樹葉已經(jīng)誕生了兩年，而未來它又該如何發(fā)展？最近，研究人員發(fā)布了分析報(bào)告，為人造樹葉制定了完善的發(fā)展路線圖。
正在產(chǎn)生氫氣和氧氣的“人造樹葉”。
2011年科學(xué)家們就研制出了第一片可投入實(shí)用的人造樹葉原型，果殼網(wǎng)當(dāng)時也對此進(jìn)行了報(bào)道。最近，有關(guān)人造樹葉，科學(xué)家們又取得了一項(xiàng)新的進(jìn)展，使得人類距離更加有效地利用太陽能又近了一步。
來自麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員近日表示，他們對可將太陽能轉(zhuǎn)化為儲備能源的人造設(shè)備（即“人造樹葉”）進(jìn)行了多方面的細(xì)致研究，摸清了可能限制太陽能轉(zhuǎn)化效率的多項(xiàng)因素。在這份研究的基礎(chǔ)上，人們就能夠有根據(jù)地提升人造樹葉的轉(zhuǎn)化效率，最終打造出可用的、價(jià)格低廉的、有商業(yè)價(jià)值的人造樹葉產(chǎn)品。
所謂“人造樹葉”并非將光能轉(zhuǎn)化為電能輸送走的太陽能電池板，它的能源輸出是氫氣等可通過物理方式進(jìn)行儲備的物質(zhì)。等到需要時，人們可以通過燃燒等方式將能源轉(zhuǎn)化為電力的形式以供使用。
這份研究論文被發(fā)表在本周的《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，作者為麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授托尼奧·伯納斯西斯（Tonio Buonassisi）、哈佛大學(xué)教授丹尼爾·諾賽拉（Daniel Nocera）等，此研究是他們在2011年一項(xiàng)相關(guān)研究的后續(xù)部分，當(dāng)時他們制造了一個人造樹葉設(shè)備，將其置于水中并接受光照，該設(shè)備會吐出氫氣與氧氣氣泡，如下面這個視頻所示。
這種人造樹葉的原理很簡單，一塊普通的硅太陽能電池就可以將光能轉(zhuǎn)化為電能，然后在催化劑與電流的共同作用下，與設(shè)備接觸的水分子會被電解為氫氣與氧氣。研究人員們希望，這種設(shè)備能夠通過廉價(jià)的大眾材料制造出來，最終幫助發(fā)展中國家地區(qū)的民眾用上便宜方便的電。
研究人員卡桑德拉·考克斯（Casandra Cox）指出：“我們研究結(jié)果的意義重大之處在于，它涉及的全是人類已有的科技，但我們需要將這些技術(shù)整合應(yīng)用。我們指出了應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)，后來者可以分離變量，然后一項(xiàng)一項(xiàng)攻破?！瘪R克·溫克勒（Mark Winkler）補(bǔ)充道：“這是個卓越的分析，為人們規(guī)劃了該怎樣用目前的技術(shù)做出最好的產(chǎn)品?！?/p>
2011款的人造樹葉存在轉(zhuǎn)化效率低下的大問題：其光能轉(zhuǎn)化率不足4.7%。根據(jù)這份研究結(jié)果，人們應(yīng)該能夠?qū)⒋藬?shù)值提高到16%或更多，而且需要晶體硅一類的現(xiàn)成材料即可。
克勒表示，傳統(tǒng)思維認(rèn)為，硅太陽能電池?zé)o法高效地完成電解水的工作，但事實(shí)并非如此?！拔覀儗ψ约旱陌l(fā)現(xiàn)很吃驚，看來大家都不該盲信傳統(tǒng)思維?！?/p>
提高人造樹葉轉(zhuǎn)化功率的關(guān)鍵在于選用正確的太陽能電池和催化劑，而這樣一份深入的研究將為配對工作提供大量的幫助。有了上述研究結(jié)果，科研人員可以對人造樹葉的每個組件進(jìn)行獨(dú)立研究，之后再將其整合起來。
以電壓為例，伯納斯西斯表示，正常硅太陽能電池產(chǎn)生的電壓為0.7伏，但電離水的理想電壓為1.2伏以上，所以人們可以選擇將多個電池串聯(lián)。這樣雖然會造成一定的損耗，但卻能提高整體的轉(zhuǎn)化效率。再比如，伯納斯西斯指出，電子在運(yùn)動過程中遭遇的電阻也影響了人造樹葉的轉(zhuǎn)化效率，一個比較好的解決方法是，減少電子在水中位移的距離。
“在我們的模型中，關(guān)于影響轉(zhuǎn)化效率的因素，我們有一整個框架的內(nèi)容。” 伯納斯西斯透露，使用硅太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化效率為16%，而被人們認(rèn)為是更好替代品的砷化鎵電池（gallium arsenide cells）最大轉(zhuǎn)化效率可達(dá)18%。他們提出了模型和理論值，就是為了激發(fā)后來者去發(fā)揮聰明才智，從而達(dá)到這個目標(biāo)。“有了理論的基石，人們才能擁有向著完美值前進(jìn)的動力與勇氣?！?/p>
不過伯納斯西斯也指出，理論畢竟是理論，還需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。此前有許多關(guān)于太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的“理論最高值”已經(jīng)被現(xiàn)實(shí)所超越?！拔覀儾灰欢偸钦_，但這類研究能夠?yàn)閷淼陌l(fā)展指路，還能為研究人員設(shè)置一些導(dǎo)向目標(biāo)。”
文章編譯自： MIT MIT researchers develop solar-to-fuel roadmap for crystalline silicon
作者：David L. Chandler
