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「豆腐太陽能」的科技奧秘:食材也可以做太陽能電池

喬恩‧梅傑 - ( Jon Major ) 2021/03/06 14:45 喬恩‧梅傑 - ( Jon Major ) 字級:
讀稿
「豆腐太陽能」的科技奧秘:食材也可以做太陽能電池

▲(圖/GETTY IMAGES)

 

人類很多發明以配方特別並嚴格保密而著名,比如某些牌子的碳酸飲料和令人垂涎的薯片之類,但太陽能電池板通常不會出現在這類發明清單的排頭位置上。然而人們發現,有幾種食材的成分若添加到太陽能電池中,會產生意想不到的作用。

不論你喜歡什麼食物,在你家中的廚房中至少可以找到一種這樣的食材。研究人員發現,在辣椒中產生刺痛感的化學物質辣椒素可以改善鈣鈦礦太陽能電池的性能。鈣鈦礦太陽能電池是太陽能電池板的組成部分。

在太陽能電池中加入辣椒素會使電池中的活性物質顆粒膨脹,使其能夠更有效地輸送電能。更重要的是,辣椒素讓電池從電子缺乏狀態變成了電子過剩狀態,從而改變電池的運作方式,能使更多的太陽能轉化為電能。就本質而言,加入辣椒素就是增加「電子」。這可能就是你品嚐印度辣味香料飯後會有舌頭灼燒疼痛感的同一原因,當然如果你特別能吃辣,又另當別論。

這種含有辣椒素的太陽能電池據報是效率最高的太陽能電池之一。加入從辣椒中提取的這種化學物質不是為了獲得新聞效應的嘩眾取寵之舉,而確實是為了提高太陽能電池性能的實際考慮。

為什麼最初會想到在太陽能電池板上添加辣椒呢?不幸的是,研究人員沒有對外分享他們是如何想到的。不過碰巧我在這個領域也有自己的食物配方。

2014年,我發表了一篇論文,展示了一種名為氯化鎂的化合物能顯著降低太陽能電池成本,不過是另一種類型的太陽能電池。聽說過氯化鎂這種化學物質嗎?如果你是素食主義者,你大有可能曾經將此種化合物吃落入肚。

這是一種與食鹽(氯化鈉)近似的鹽,可以從海水中提煉,其用途多多,但最受歡迎的是用於日本料理烹飪,稱之為鹵水(日文發音nigari),是製作豆腐的凝結劑。我的發現引起一些媒體對「豆腐太陽能」的報道,很有趣,是嗎?而我在學術會議上則被稱為「豆腐男孩」,就沒那麼有趣了。

日本料理烹調中一種常用的食材鹵水有能增強太陽能電池效率的功能,而且這種食材也很美味。
Getty Images
日本料理烹調中一種常用的食材鹵水有能增強太陽能電池效率的功能,而且這種食材也很美味。

這是否意味著太陽能電池研究特別注重與食品有關的化學物質?這當然並非如此。這種巧合更多的是與食物和化學兩領域之間有很多重疊,以及許多材料科學家「不妨試試看」的研究方法有關。

你可能認為大多數太陽能電池的研究是由物理學家完成的。這或多或少是正確的,我自己就是一個研究太陽能電池的物理學家。但我們的方法與粒子物理學家利用大型強子對撞機(large hadron collider)所做的工作或宇宙學研究方法幾乎沒有什麼共同之處。粒子物理學家通常投入的是繁重的計算和理論工作。換句話說,就是長時間盯著黑板作公式運算。

太陽能電池的研究實際上屬於一種涉及物理和化學的跨學科,即材料科學。新的太陽能電池技術或工藝的開發是勞動密集度很高的工作,典型的研究方法是花大量時間測試大量類似但相互略有不同的電池設計的性能。太陽能電池由多層不同材料組合,很難預測改變其中一個組件會對整個結構的性能產生什麼影響。

如果我在A層添加了某個東西,發生了變化,那麼在其上面的B、C和D層可能也會發生變化。同樣,如果我改變C層,我是否需要改變A層或B層的結構?而D層又會怎樣呢?你也許已能感覺到這是很難預測的,需要做大量實驗,因此這也激發了人們對這一領域創新的好奇心。

未來我們如果發現更多的食材用於太陽能電池,不需大驚小怪,因為這些食材通常是具有多用途的有機化合物
Science Photo Library
未來我們如果發現更多的食材用於太陽能電池,不需大驚小怪,因為這些食材通常是具有多用途的有機化合物。

可把設計太陽能電池想象成烘培蛋糕。要想知道在蛋糕中加入一種新成分後會如何,辦法是你需要先烘焙,然後試吃最終烘培出來的混合物,這比在烘焙前預測其外觀和味道要可靠得多。

說到底,我們吃的食物,就像太陽能電池一樣,是很多有機化合物的合成東西。雖然我們知道辣椒素來自食物辣椒,但辣椒素本質上只是一種有機化合物,其某種特性不但可調味墨西哥烤肉,也巧合的是能用於太陽能電池。

就我自己而言,我發明了用氯化鎂降低太陽能電池的方法,直到我寫論文的時候才發現氯化鎂也用來製作豆腐。遺憾的是,我不是在瀏覽素食貨架時受到啟發才有此發明。所以,將食材配方用於太陽能電池的方法並不像你剛讀到時所感到的那樣天馬行空。通常一些最初的邏輯是基於這些化合物固有的化學性質,然後再加上科學想象的發揮,由此往往會獲得有趣的突破。

所以,要是在不久的將來,你讀到一篇文章說添加肉豆蔻或其他什麼食料而大大改善了太陽能電池的效能,相信我,這個結果是源於已知該食材可能有此效果,出於好奇心做了新的嘗試,而不是因為無聊和食物最佳品嚐期即將到期便起了碰碰運氣的念頭。

請訪問 BBC Future 閲讀 英文原文

 

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