太阳能的光明未来也将存在缺陷和不完美

太阳能电池板代表着高科技能源的典范——光滑、安静、清洁、优雅。

几十年来，工程师们通过使用纯度更高的硅来捕获更多太阳能，从而使太阳能电池板的效率越来越高。

然而，这种对完美的追求可能即将结束，因为科学家发现他们可以产生更多的太阳能——不是通过消除原材料的缺陷，而是通过接受它们。

《科学》杂志发表的一项新研究表明，太阳能的未来在于有机-无机混合钙钛矿——一种性能可能胜过纯硅的不完美材料。

为了了解其工作原理，让我们看一下传统太阳能电池的内部。

在玻璃板和防反射涂层下面，有两层薄薄的硅。顶层拥有过剩的电子，而底层则缺少电子。当光粒子穿过顶层时，它们会将过剩的电子撞出。新释放的电子穿过硅的底层，流过电池内衬的金属板。从那里，它们通过电线到达最终目的地——无论是手机、笔记本电脑还是电动汽车。

并非所有电子都能驱动雪佛兰 Volt 或为 iPad 充电。有些电子会偏离轨道，因为硅中的微观缺陷。太阳能电池要有效运行，硅的纯度必须达到 99.999%。即便如此，太阳能电池也只能将太阳能的四分之一转化为电能。

2009 年，日本科学家证明，硅可以被有机-无机杂化钙钛矿(HOIP) 取代。与硅不同，HOIP 即使在充满缺陷的情况下也能发挥作用。

这是个大事。理论上，假设研发方面取得重大突破，硅可以将高达 33% 的太阳能转化为电能。不到十年的时间里，HOIP 的效率从 4% 跃升至 22%。研究表明，理论上的极限可能要高得多。

“我们正在讨论将太阳能电池的效率提高一倍的可能性，”哥伦比亚大学博士生、论文合著者 Prakriti Joshi 说道。

科学家表示，对于 HOIP 来说，缺陷不是问题，因为电子获得了一种隐形场，可以帮助它们避免与材料中的众多缺陷相撞。与硅相比，电子在穿过 HOIP 时会损失能量，速度要慢几个数量级。

哥伦比亚大学化学教授、论文共同作者朱晓阳表示：“这表明我们可以将太阳能电池的效率提高到远远超出许多人想象的水平。”

问题是，HOIP 含有铅，而且可溶于水，这意味着 HOIP 可能会溶解在雨水中，并将铅泄漏到地下，从而可能污染水源。但科学家表示，有了这项研究的新见解，将有可能制造出模仿 HOIP 的环保材料。

“现在我们可以回过头来设计环保材料，真正解决大家担心的这个问题，”朱说。“这一原则将使人们能够开始设计太阳能新材料。”

实际上，科学家们正在冲过一场漫长的比赛的终点线。太阳能量必须穿越 9300 万英里的太空才能到达太阳能电池的表面。最后一小段，即两层薄薄的硅，是最困难的部分。更高效、更不完美的材料可能很快就会让更多的太阳能量流过太阳能电池板，照亮我们的家园。

Jeremy Deaton 为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻通讯社。您可以通过 @deaton_jeremy 关注他。