反向太陽能電池：關於暗夜發電的種種可能_風聞

原創：牧夫天文

作者：Matt Williams

編譯：王茸

校對：王婧彧 張硯斌 尼安吉

編排：崔鬱

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接:

https://www.universetoday.com/144898/anti-solar-cells-could-generate-electricity-at-night/

如果人類想要在“人類世”這個聽起來有些喪同時也存在很多爭議的紀元好好生存下去，我們需要從對化石能源以及其他不可持續的能源依賴中漸漸脱離出來。基於此，大量的研發都以“可再生能源”為目標，這其中，最受矚目的對象一直是太陽能。

這裏要插播一下”人類世”這個紀元概念。人類世的英文名稱為“The Anthropocene”，由諾貝爾化學獎得主保羅·克魯岑(Paul Jozef Crutzen)提出，屬於地質學概念。有明顯生命痕跡的顯生宙分為古生代、中生代和新生代。新生代的生物標誌為被子植物與哺乳動物，重點來了，人類就處在新生代第四紀中的全新世。

那就安分於全新世不好嗎？為什麼還要造一個“人類世”這個概念呢？克魯岑的主張通俗來講是這樣的：18世紀工業革命開始，人類越來越聰明能幹，對於自然的改造和互動已經超過了其他歷史過往裏“霸佔”過地球的物種。這個代價之一就是，幾代人就要把之前幾百萬年的能源家底都要揮霍了。提出“人類世”這個概念，不僅是從地質學進行一種分類，更是一種更深入的研究人與自然關係的角度。那麼人類世能持續多久，這就又引出了一個很喪的説法，那就是再這樣禍害地球或者遇到其他不可抗拒力，人類還要多久就滅絕？或者從一個積極的角度講，人類要做些什麼才能活過“人類世”？

言歸正傳，我們説回太陽能。眾所周知太陽能的優點，但缺點也很明顯。太陽能只能在白天以及適宜的氣候條件下才可以獲取。如何突破這種限制呢？馬里蘭大學電氣與應用物理研究所(Institute for Research in Electronics and Applied Physics, IREAP)的研究者們最近發現了讓一種特定的光伏電池在夜間發電的方法。這些“反向太陽能”電池或許可以帶來一場可再生能源的革命。

這篇最近在2020年1月ACS Photonics上發表的研究，由加利福尼亞大學戴維斯分校研究助理、專注於可持續能源方向的研究生Tristan Deppe牽頭。任教於加利福尼亞大學戴維斯分校電氣與計算機工程系，並最近加入了馬里蘭大學電氣與應用物理研究所的Jeremy Munday教授也參與了這項研究。

關於太陽能以及反向太陽能電池的想象圖。

(Credit: Tristan Deppe/Jeremy Munday)

本質上，這種新型的光伏電池和常規的太陽能電池工作原理相同，只是反向而已。在傳統的太陽能電池中，一層基質（例如硅）利用温差來吸收太陽光並將其轉化為電能。基本上，因為太陽能電池比其接受的陽光温度低，吸收太陽光產生電能就是依據此原理。

同樣，比周圍環境温度更高的物體會向外釋放熱輻射。幾個世紀以來，人類一直利用這個現象將物體在夜間指向天空以維持穩定的温度（通過吸收在白天被太陽照射的物體釋放出的熱量）。應用此原理髮電的設備被稱為熱輻射電池。

Munday教授指出，在過去五年裏，對於這類電池的研發興趣一直高漲，特別是那些白天不接觸太陽光或避開指向太陽的發電設備（例如那些白天光照弱或者離太陽遠的高緯地區也可以被應用的發電設備）。多年來，科學家已經致力於將此概念應用到不同的場景中（比如回收發動機的餘熱等）。

西班牙PS10項目，世界上首個商用太陽能發電塔。

(Credit: Wikimedia Commons/afloresm)

Munday教授和Deppe同學在研究中考慮這樣的一個設備也可以用於可再生能源的範圍。正如教授近期所介紹的，這種指向夜空的熱輻射電池由於比外部空間的温度高，可以發出紅外光。

“我們正在考慮，假如我們能將一個這樣的設備放在温暖的環境並讓它指向天空……一個普通的太陽能電池將通過吸收太陽光來發電，產生電壓，驅動電流。在這種新的設備中，光被直接發散，電流電壓反向運動，仍然可以發電。當然你必須使用不同的材料，但是物理學的原理是一樣的。”

同樣的設備在無太陽直射或者遠離太陽的條件下也可以工作。為了讓設備配合傳統光伏進行全天候工作，需要進行額外的改造，但是反向太陽能電池卻可以在任何時候都發電。這種技術可以突破太陽能電網中的日夜週期限制。

也許我們最終就不需要等待大型空間太陽能矩陣來提供不間斷太陽能啦。對於空間觀測和宇航活動來説，真是個好消息！

『天文時刻』 牧夫出品

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影像來源及版權: NSO, NSF, AURA, Inouye Solar Telescope