从黑暗中产生电光源的反向太阳能电池

大多数太阳能电池板通过一种称为光伏效应的原理——即光照在某些材料上会产生电流的物理过程，从太阳中产生电能。然而，美国加州大学洛杉矶分校和斯坦福大学的科学家发明了一种新型“反向太阳能电池”，可利用夜间地球辐射的热量产生电光源，在黑暗中发电，弥补太阳能的限制。辐射冷却的概念为当夜晚天空凉爽时，地面比空气暖和，物体将热量辐射到大气中，从而使地面温度低于环境空气。利用此概念，科学家开发了反向太阳能电池这种耗能极低的被动冷却系统，利用温度交换将其转换为电能。研究人员指出，地球上有13亿人缺乏可靠的电力供应，虽然有太阳能电池，但借助太阳能电池板进行电池存储的方式成本很高，而这种夜间发电的“反向太阳能电池”有助于为全世界的离网地区提供可靠的能源。

科学家从一个可将温差转换为电能的商用热电模块着手研究。他们将其一面固定在一个直径为20 cm、涂有一层商用黑色油漆的铝制圆盘上，然后把它放在一个覆盖聚酯薄膜的塑料附件上，并使用透明盖子遮盖。被遮盖的一面朝向天空向天空辐射热量，使其温度低于周围空气温度。另一面为未加涂层的直径为20 cm的铝盘，该面通过周围空气进行加热，使其温度与周围空气一致。涂漆的圆盘则充当辐射发射器，当热量从地球表面辐射到空气中时，热量通过热电模块进入圆盘，之后圆盘将热量向上辐射。白天，“反向太阳能电池”吸收太阳光，利用太阳传递到圆盘的热量及散发到外部环境的热量进行发电，到了夜间，两个盘面就会产生几摄氏度的温差。

研究人员选择了一个无云的晚上，对“反向太阳能电池”进行了测试。虽然天空辐射冷却产生的能量比太阳能电池直接从太阳获取的能量很少，每m2仅产生25毫瓦的电量，但足以在晚上点亮一个LED灯泡，也能供其它小型电子设备使用，如电量大约为1毫瓦的助听器，或耗电量大约为5毫瓦的激光笔。在地中海或沙漠等干燥、温暖的气候条件下效率更高，每m2铝制圆盘能产生0.5 W的电量。这款概念验证设备采用现成的低成本商品组件制造，总成本不到30美元，易大规模生产。

有关的研究人员表示，为了让地球保持大致恒定的温度，来自太阳的能量须与地球热辐射出去的热量相当，这意味着可供“反向太阳能电池”使用的能量非常大，虽然该装置效率不高，即使在极限状态下运行也无法与太阳能相提并论，但它的寿命只受热电模块寿命的限制，与电池寿命无关。而热电模块的寿命与太阳能电池板相比可延长一个数量级，且适用范围更广，提供了在夜间太阳能电池板无法工作时的全新发电方法。

目前，“反向太阳能电池”仅是一个概念的验证，未来在采用更好的保温材料、增加散热器面积或加强顶板周围保温性等更理想的条件下，发电量将进一步提升。“反向太阳能电池”的改善型版本很可能在未来的某一天为一个家庭提供连续照明，为手机充电、或为偏远地区及资源匮乏地区的电子设备供电。