太阳能电池的光明未来

世界需要能源，如果我们想保持气候稳定，那么最好是清洁能源。与此同时，太阳让我们沐浴在数千倍于太阳的阳光中比我们目前消耗的能量还要多，而且我们知道如何用太阳能电池把太阳的能量转化为电能。

但是，今天市场上的太阳能电池，尽管它们越来越便宜，但在将光转化为电的能力方面，它们远没有达到应有的效率。事实上，最好的电池的效率明显低于30%。

为了解决这个效率低下的问题，我们首先需要一个关于光是什么以及太阳能电池如何工作的速成课程。光由称为光子的微小能量粒子组成。例如，红光由具有特定能量的“红”光子组成。当这些光子撞击太阳能电池时，电池内的电子就会被释放出来，然后接通电路，正是这些电子给了我们电流。

但是为了让一个光子释放出一个电子，它需要有最小的能量。另一方面，如果光子携带的能量比这个最小值更大，那么剩余的能量就会以热量的形式浪费掉。问题就在这里。

太阳光中含有各种能量的光子。它可以分为三个部分。我们能看到的可见光;高能紫外线(UV)和低能红外线(IR)，前者会导致晒伤，后者则是我们感受到的热量。

对于硅太阳能电池来说，红色光子的能量只比释放一个电子所需的能量多一点。因此，这种硅基电池非常有效地利用了红色光子。另一方面，蓝色和紫外线光子有更多的能量和可以每个光子分别释放两个甚至三个电子。但是，由于我们把这些高能光子的剩余能量都以热能的形式损失掉了，所以蓝光的效率降低了一半，紫外线的效率降低了三分之一。最后，我们有太阳光的低能部分。红外光子，或热射线，比红色光子的能量少。它们中的大多数没有足够的能量被太阳能电池利用，就像可见光穿过你家的窗户一样穿过太阳能电池。

所以硅太阳能电池的转换效率红色的光转化为电能是非常好的，即使是对性能差的电池也是如此。但是随着光子能量的增加，效率稳步下降。在天平的另一端，大部分红外部分的效率为零。

这就是为什么今天的太阳能电池只有20%左右的效率。如果太阳发出的是纯红色而不是全光谱，能源危机就会发生吗几年前就解决了!但如果我们能把阳光变成红色呢?

这并不像看起来那么牵强。事实上，你所需要的只是一些能吸收你想要改变的光的东西，以及一些能发出你想要的颜色的东西。我们已经这样做了几十年。荧光灯包含一个紫外线光源(管内蒸汽中的汞原子)，玻璃内部的白色涂层将紫外线转化为可见光。洗衣剂和纸张中使用的光学增白剂也利用了这种效应，将紫外线转化为蓝光，让你的衣服看起来闪闪发光。

这是一个一对一的转换(称为退)，将一个紫外线光子转换成一个可见光光子。但是太阳能电池不会从中受益，因为额外的能量仍然会以热量的形式损失掉。相反，我们需要的是一个一对二的转换，通过将一个高能光子分裂成两个中等能量光子(称为下变频)，以及通过将两个低能光子结合到一种介质中的二比一转换能量光子(称为上变频)。向上和向下转换比向下转换要棘手得多。不同之处在于，洗衣粉只需要吸收光并以不同的波长重新发射，而新的太阳能材料必须至少包括一个额外的步骤，要么将光子一分为二，要么将两个光子结合在一起。这让一切都变得复杂了。很多。

可以将一个高能光子转化为两个低能量光子的材料已经存在。但是，不幸的是，它们要么需要在自然阳光中不存在的能量光子(如x射线)，要么不是很有效。将两个低能光子结合成一个高能光子的材料也已经存在。除其他用途外，它们还用于标记生物标本中的蛋白质。但是这些材料需要高强度的单色光，比如激光，所以它们也不能在广谱阳光下工作。

幸运的是，我们知道许多材料可以吸收和发射颜色非常适合太阳能电池的光。例如，我们可以将防晒霜中吸收紫外线的部分(二氧化钛)与用于在电视屏幕上产生红色光点的化学物质(铕)混合在一起，得到一种将一个紫外线光子向下移到一个红色光子的材料。

现在我们需要的是中间部分，光子合成器或分配器，来制作一个上下转换器。虽然没有那么多的候选人，但还是有一些。镧系元素(如铕)，也被称为稀土或f金属，是目前在这方面做得最好的一类材料。镧系元素的问题在于，它们一次只能处理非常窄的光子范围;例如，一种化合物可以转换980纳米的光子，但不能转换950纳米的光子。过渡金属，或d金属，如铁或钛，可以处理更大范围的光子，但它们在分裂或结合光子方面效率不高。还有其他类型的材料，如有机或碳化合物，它们能很好地吸收光子，而且价格相当便宜，但它们很少能分裂或结合光子，而且通常会随着时间的推移而降解。

因此，挑战是双重的。首先，我们必须找到一个好的中间组件，分离器或组合器，它与系统的其他两个部分，吸收器和发射器兼容。其次，我们必须以非常精确和有效的方式将各个部分组合在一起。这几乎肯定需要我们在原子水平上控制化学反应，因为许多像这样的复杂材料会自发地重新排列成我们想要的构型，而不是我们想要的构型。

但我们已经取得了长足的进步。我们现在知道如何制造高效的下转换(一对一)材料，我们也开始对上转换和下转换材料的需求有了很好的了解。而且，通过纳米技术，我们还发现了在原子水平上控制材料的新方法。因此，通过大量的努力，也许再加上一点运气，我们将设法为太阳能电池制造出高效的光转换材料。

当我们设法制造这些转换材料时，它们不需要物理地连接到太阳能电池本身。它可以放在太阳能电池上面，也可以放在玻璃或者电池前有塑料盖。此外，所有的硅太阳能电池在将红光转化为电能方面都非常有效，无论是旧的还是新的。这意味着我们不仅可以将效率提高一倍，还可以将其用于现有的太阳能电池。我们甚至可以想象购买这些装在喷雾罐里的新材料，然后简单地喷到我们的旧细胞上。可以说，效率在一个罐子里。当我们做到这一点时，太阳能电池的效率就有可能翻倍，太阳能不仅清洁，而且便宜高效。