塑料太阳能电池

王贞虎

你能够想象：为了随时随地获得取之不尽、用之不竭的太阳能，人们把太阳能电池喷刷在墙壁上、打印在纸张上，甚至是印刷在衣服上吗?不要以为这是遥不可及的事情，因为科学家们正在努力把这种“想象”变成现实。

据计算，太阳每一分钟向地球辐射的能源，比地球上人类一年所消耗能源的总和还要多。遗憾的是，如果要把所有的太阳光都转变成为电能，需要巨大的资金投入。而目前，我们在生活中所能买到的太阳能电池，绝大多数都是利用类似电脑芯片所使用的那种无机材料硅制作的，它的制作过程复杂且成本很高，需要拥有无尘埃的工作间和真空室等设备。这样使得目前太阳能电池的成本大约是普通电能成本的三到四倍，无法成为替代矿物燃料的能源，在市场上没有竞争力和广泛使用的可能性。

让人们高兴的是，科学家们在塑料和纳米技术这两个领域里所取得的进展，使我们开发廉价而又方便的太阳能电池成为可能。

塑料太阳能电池原理

塑料太阳能电池是由具有半导体性能的“塑料”薄膜构成，它被夹在两个电极之间。当太阳光照射到“塑料”上时，接受到阳光照射地方的电子就被激活变得活跃起来而脱离周围，这样它们原来占有的地方就形成一些“空洞”，而位于两个电极之间的电场这时就把带有负电荷的电子“诱骗”到电池的一端，带有正电荷的空洞就移动到相反的一端，从而形成电流，就这样利用“塑料”做成了太阳能电池。

然而，要利用有机材料制作太阳能电池就困难得多，比如利用有机塑料制作太阳能电池，要把电子约束在空洞里所需要的力比利用无机材料强大将近100倍，而且有机材料还常常出现结构上的“陷阱”，会妨碍或影响电子的移动性能。

另一方面，诸如塑料之类的有机材料吸收的太阳光要比无机材料吸收的少。迄今为止，塑料太阳能电池的光电转换率只有2.5％，而普通的无机材料太阳能电池板的光电转换率却达到了10％，无机太阳能电池的最高光电转换率可高达30％。所以，寻找这种具有半导体性能的“塑料”成了科学家所要努力的关键。

科学家们的努力

美国人艾伦·黑格等在20世纪70年代发现和开发了导电塑料，并因此获得2000年的诺贝尔化学奖。此后，人们一直在努力寻找具有半导体性能的“塑料”。

美国图森亚利桑那大学的科研人员一直在进行把有机太阳能电池溶液印刷在纸张或塑料上的试验。另一个太阳能电池研究小组则采用有机材料和无机材料的混合物来制作太阳能电池。采用这种方法，他们最近研制成功了利用无机纳米棒制作的太阳能电池。这种纳米棒很小，粗细只有一根头发丝的万分之一，其直径为7纳米，长为60纳米。他们把这种纳米棒镶嵌在一种塑料聚合物薄膜里面。目的是想把塑料薄膜的灵活柔韧性同无机材料半导体的高光电转换率的优点结合起来。

由于纳米棒极其微小，科学家利用量子效应，使其对太阳光的某些光谱的吸收能力提高了两倍，从而提高了电池的光电转换率。这个方法的另一个好处是：可以减少对价格昂贵的无机半导体材料的使用，而且生产时可以不需要一个无尘的工作间。

但是，这种太阳能电池目前还没有达到商用水平，要投入市场使用，其光电转换率尚需从目前的水平提高两到三倍才行。不过这两个研究小组都表示，他们能够在未来几年的时间里实现这个目标。

塑料太阳能电池的魅力在于：塑料聚合物能够在室温条件下以溶液的方式制作，因而成本低廉。同时，它具有广泛的应用前景，比如用于开发“智能衣服”，这样人们在散步时就能对随身听、单放机、掌上电器甚至移动电话进行充电。也许当这项研究成功时，人们今后对日光浴将会有一种全新的认识。