制造“陽光捕獲器”所用的鎢絲在顯微鏡下的結構圖
太陽熱能可直接轉化為電
為了用太陽光發(fā)電，人們可以使用光伏電池直接將太陽光轉化為電，或者使用太陽光的熱量將水加熱，接著讓產生的水蒸氣驅動渦輪來發(fā)電。目前，這兩個領域都有一些比較成熟的相關技術。但是，或許從理論上來說，我們還有第三條路可走，那就是直接用熱來發(fā)電，而不需要蒸汽或者渦輪。在這種情況下，幾乎所有的入射能量都能被轉化為電，然而，標準的太陽能電池因為對某些頻率的太陽光非常敏感，而對其他頻率的太陽光不敏感，所以只能將部分太陽能轉化為電。而且，與加熱水再發(fā)電方法不同的是，第三種方法并不需要麻煩的力學過程。這樣的一套系統(tǒng)一旦建立好，不需要太多的人力和管理就可以很好地運行。
美中不足的是，這種將陽光轉化為熱能再轉化為電能的裝置，在陽光直接照射下無法讓水的溫度比沸水更高。原因在于，當水的溫度遠高于開水的溫度時，其吸收熱量的速度和散熱的速度一樣快。這就有點令人抓狂了，因為這類直接轉化需要達到700攝氏度才能變得很有效率，而不使用特殊且昂貴的聚光球面鏡來聚集入射光根本無法做到這一點。
但現(xiàn)在，美國麻省理工學院的科學家皮特·博莫爾和同事在《納米研究快報》雜志上指出，他們研制出了一種陽光捕獲器，能夠不使用聚光球面鏡來聚集入射的太陽光。
新陽光捕獲器由鎢絲制成
博莫爾提出的“陽光捕獲器”是經過復雜方式處理過的一層纖薄的鎢（它是一種耐熱金屬）。其面對太陽的表面滿滿覆蓋著極其微小的凹洞；另一面則蝕刻成光子晶體結構且面朝特殊類型的由砷化銦鎵制成的太陽能電池，光子晶體結構使得這一面能夠有選擇地散發(fā)出頻率能夠最大限度地被太陽能電池所接受的紅外線輻射。而且，正反兩面都能由制造計算機芯片的光刻法制造而成。
正是這些直徑僅為3/4微米、深為3微米、分開排列在一個4/5微米寬的網格中的凹洞發(fā)揮了捕獲光線的作用。當設備對齊使得凹洞直指太陽時，大部分入射光會穿過這些凹洞進入底部，在此處被鎢吸收。就像熱力學定律指出的那樣，這些光線旋即會釋放出來并輻射出去。然而，來自于一個凹洞內部的熱輻射在逃入外面的世界時，很可能會遇到凹洞的壁。如此一來，整個吸收和再輻射過程又再次發(fā)生，結果會使凹洞的鎢變得非常熱。
為了將熱變成電，光子晶體會將熱導向太陽能電池內。光子晶體是一個蝕刻在鎢絲表面的規(guī)則的幾何圖案，只要對這些圖案進行很好地調諧，它可以強化特定頻率的紅外線，并抑制某些頻率的紅外線，盡量釋放出能最有效地被砷化銦鎵太陽能電池所捕獲的紅外線，以增強其吸收效率。
根據(jù)博莫爾的計算，新系統(tǒng)的光電轉化效率能高達37%。而現(xiàn)在不使用鏡子聚集入射光的標準硅基太陽能電池的最大轉化效率僅為28%，使用鏡子的標準硅基太陽能電池的最大轉化效率為31%，因此，最新研究在光電轉化效率上有了明顯提升。當然，下一步是盡量讓其變成現(xiàn)實，博莫爾對計算結果的準確性非常有信心。
人們一般用鎢絲來制造白熾燈的燈絲。但是，鎢絲的這種作用正在變得“過氣”，因為它們會將很多通過它們的電能轉化為熱而非光。具有諷刺意義的是，正是這一缺點不僅讓鎢絲獲得新生，而且也有助于解決能源短缺問題。
