铁锈对电子设备或许是个麻烦，但它可以让太阳能整夜供电

国际空间站上的太阳能电池板，转化率高达46%，

但是它由昂贵的稀土元素制成，造价高达十亿美元

斯弗拉利用铁锈制成的太阳能装置，成本还没有玻璃贵，转化率却达到了3.6％。图片来源：gizmag.com

　　不过，他的目标可能面临着一重阻碍，而且吊诡的是，这个阻碍恰恰是由于铁锈层太薄了。任何电解材料都要解决一个基本的矛盾：一方面它要尽可能厚，另一方面却要尽可能薄。要薄，电子才有逃逸的机会；要厚，材料才可以多吸收光子。一层20纳米厚的材料只能吸收所有可吸收光子的18％；将厚度增加到1微米，它就能吸收差不多所有的光子——但这时，它们又会深陷在其中。

　　为了解决这个矛盾，以色列理工大学的阿夫纳·罗斯柴德（AvnerRothchild）及其同事借用了量子力学。他们的装置用一层30纳米的铁锈膜捕获入射光线。光子一进入装置就被导入一个镜腔，腔内有两面相对成V形的镜子，将光子反复弹射，直到完全吸收。此外，向前和向后扩散的光波还会发生干涉，进一步促进光子的吸收，这个效果在薄膜表面尤为明显。这样，光子和空穴就能在被拉回之前轻易到达铁锈膜表面了。亏得这个设计，这台装置能够吸收71%的入射光子，但它又足够薄，电子能够从中逃脱。两个因素相加，使它的理论转化率达到了4.9％（参见《自然·材料学》，即将出版）。

　　以氧化铁低下的标准来看，这个数字已经十分不错了，但还比不上那些商用的太阳能产品——问题是，真的就比不上吗？

　　这就要说到铁锈真正的天才之处了，这也是它最终或许能以微弱的转化率击败硅的关键。斯弗拉指出，就算铁锈永远无法达到16％的最高转化率，但它实在便宜，可以大量生产——这正是他和其他铁锈研究者计划要做的事。卡兹也指出：“最关键的其实不是转化率，而是每瓦特的成本。”他还表示，就算转化率只有10％，“只要价格够低”，也能击败转化率高达50％的光伏电池，因为铁锈便宜到你可以喷洒在所有东西的表面上。

　　这正是研究者的目标。按照斯弗拉的设想，他的铁锈“花椰菜”可以涂在类似墙纸的材料上，制成薄片状的太阳能电池，在任何地方都能生产出氢。偏远的沙漠城镇就是一个理想的场所，过滤后的污水可以用作电解的原料。

　　氢的问题

　　当然了，在这个梦想能够实现之前，还有几个问题必须要解决。比如海尔加特指出，水一旦分解，“就等于造出了一枚炸弹”，因为氢和氧会剧烈反应，发生爆炸。还有一种比较温和但同样糟糕的结果，那就是分开的氢和氧又重新结合成水，只是温度比原来略高。

　　将氢气和氧气分开还算简单。在斯弗拉设计的电池里，就有一层薄膜把氢和氧吸到不同的地方，让它们分别形成气体。海尔加特的想法则有所不同：在他看来，如果根本用不着氧，又何必把它制造出来？因此，他设计用低档废水来“吃掉”氧。氧不会变成气体，而是和水中的有机化合物反应结合，只让氢气安全地析出到储存罐中。

太阳能或许将步入铁锈时代，但在这个梦想能够实现之前，还有几个问题必须要解决。图片来源：wordpress.com

　　最后还有一道难题：铁锈电池虽然可以用制造氢气的方式储存太阳能，储存环节却会遇到特有的困难。氢气是出了名的难以保存，一定要用昂贵、坚固、不会腐蚀、也不会爆炸的容器盛放。也正是这个困难，使得人人叫好的氢经济前途渺茫。

　　对此，科学家仍在研究种种方案。除了燃料电池的持续进步，好几种新的方法也在尝试之中。比如不久前，在澳大利亚的新南威尔士大学，研究者就用纳米级的硼氢化钠来储氢。硼氢化钠是一种盐，一般来说要加热到550℃，储存在其化学键内的氢才会释放出来；但是在纳米尺度下，它在50℃就开始放手了（大量析出仍需加热到350℃）。对于多种尺寸的便携储氢技术而言，这是一个前途光明的进展。

　　前途虽然光明，但这个进展或许并不是必须的。简单的罐装氢气，像露营燃料那样就地储存和燃烧，也能达到同样的目的。这正是“储存阳光”公司的负责人布莱恩·霍克罗夫（BrianHolcroft）所持的观点。在他看来，这样的简易装置在那些日光充裕但能源设施短缺的地方，比如肯尼亚，刚好可以有所作为。他已经同瑞士联邦理工大学合作，允许他的公司用“串叠型电池+氧化铁”的装置，在电网之外解决供电问题。他还迫不及待地想把这些装置弄上发达国家的屋顶，让屋主不接入电网就能获得氢燃料和电力。

　　或许，连串叠型电池都不是必要的。用铁锈中的电子分解水的实验已经进行了几十年，其中产生的灵感或许能将哈迪和巴德最初的梦想从过去推向未来：那将是一台由铁锈制成的光伏装置，尽管转化率不高，却可以储存太阳能。

　　“撇开转化率的问题，一块铁锈电池既可以生产燃料，又能发电，还可以两者同时进行，”卡兹说，“它可以在白天用电高峰时段发电，并在用电量下降时生产燃料。”考虑到太阳能发电的经济现状，哈迪和巴德在1975年产生的那道微弱电流，或许终将发展成惠及全球的可再生能源。或许，未来会是铁锈的时代。

　　编译自：《新科学家》，Midnightsun:Howtoget24-hoursolarpower