反向太阳能电池：关于暗夜发电的种种可能

来源：牧夫天文

作者：Matt Williams

原文链接:

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

如果人类想要在“人类世”这个听起来有些丧同时也存在很多争议的纪元好好生存下去，我们需要从对化石能源以及其他不可持续的能源依赖中渐渐脱离出来。基于此，大量的研发都以“可再生能源”为目标，这其中，最受瞩目的对象一直是太阳能。

这里要插播一下”人类世”这个纪元概念。人类世的英文名称为“The Anthropocene”，由诺贝尔化学奖得主保罗·克鲁岑(Paul Jozef Crutzen)提出，属于地质学概念。有明显生命痕迹的显生宙分为古生代、中生代和新生代。新生代的生物标志为被子植物与哺乳动物，重点来了，人类就处在新生代第四纪中的全新世。

那就安分于全新世不好吗？为什么还要造一个“人类世”这个概念呢？克鲁岑的主张通俗来讲是这样的：18世纪工业革命开始，人类越来越聪明能干，对于自然的改造和互动已经超过了其他历史过往里“霸占”过地球的物种。这个代价之一就是，几代人就要把之前几百万年的能源家底都要挥霍了。提出“人类世”这个概念，不仅是从地质学进行一种分类，更是一种更深入的研究人与自然关系的角度。那么人类世能持续多久，这就又引出了一个很丧的说法，那就是再这样祸害地球或者遇到其他不可抗拒力，人类还要多久就灭绝？或者从一个积极的角度讲，人类要做些什么才能活过“人类世”？

言归正传，我们说回太阳能。众所周知太阳能的优点，但缺点也很明显。太阳能只能在白天以及适宜的气候条件下才可以获取。如何突破这种限制呢？马里兰大学电气与应用物理研究所(Institute for Research in Electronics and Applied Physics, IREAP)的研究者们最近发现了让一种特定的光伏电池在夜间发电的方法。这些“反向太阳能”电池或许可以带来一场可再生能源的革命。

这篇最近在2020年1月ACS Photonics上发表的研究，由加利福尼亚大学戴维斯分校研究助理、专注于可持续能源方向的研究生Tristan Deppe牵头。任教于加利福尼亚大学戴维斯分校电气与计算机工程系，并最近加入了马里兰大学电气与应用物理研究所的Jeremy Munday教授也参与了这项研究。

关于太阳能以及反向太阳能电池的想象图。

(Credit: Tristan Deppe/Jeremy Munday)

本质上，这种新型的光伏电池和常规的太阳能电池工作原理相同，只是反向而已。在传统的太阳能电池中，一层基质（例如硅）利用温差来吸收太阳光并将其转化为电能。基本上，因为太阳能电池比其接受的阳光温度低，吸收太阳光产生电能就是依据此原理。

同样，比周围环境温度更高的物体会向外释放热辐射。几个世纪以来，人类一直利用这个现象将物体在夜间指向天空以维持稳定的温度（通过吸收在白天被太阳照射的物体释放出的热量）。应用此原理发电的设备被称为热辐射电池。

Munday教授指出，在过去五年里，对于这类电池的研发兴趣一直高涨，特别是那些白天不接触太阳光或避开指向太阳的发电设备（例如那些白天光照弱或者离太阳远的高纬地区也可以被应用的发电设备）。多年来，科学家已经致力于将此概念应用到不同的场景中（比如回收发动机的余热等）。

西班牙PS10项目，世界上首个商用太阳能发电塔。

(Credit: Wikimedia Commons/afloresm)

Munday教授和Deppe同学在研究中考虑这样的一个设备也可以用于可再生能源的范围。正如教授近期所介绍的，这种指向夜空的热辐射电池由于比外部空间的温度高，可以发出红外光。

“我们正在考虑，假如我们能将一个这样的设备放在温暖的环境并让它指向天空……一个普通的太阳能电池将通过吸收太阳光来发电，产生电压，驱动电流。在这种新的设备中，光被直接发散，电流电压反向运动，仍然可以发电。当然你必须使用不同的材料，但是物理学的原理是一样的。”

同样的设备在无太阳直射或者远离太阳的条件下也可以工作。为了让设备配合传统光伏进行全天候工作，需要进行额外的改造，但是反向太阳能电池却可以在任何时候都发电。这种技术可以突破太阳能电网中的日夜周期限制。

也许我们最终就不需要等待大型空间太阳能矩阵来提供不间断太阳能啦。对于空间观测和宇航活动来说，真是个好消息！