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最(zui)常見的光伏技術是基于單(dan)晶硅太(tai)陽能(neng)電池。由(you)于光譜損失，單(dan)晶太(tai)陽能(neng)光伏電池的最(zui)大效率(lv)估計為32%，而目(mu)前模塊的典型效率(lv)高達20%以上。相比之下，太(tai)陽能(neng)熱水系統（SWH）的效率(lv)（太(tai)陽能(neng)加(jia)熱）通常為20-80%。

最近(jin)，一(yi)個來自(zi)瑞典和(he)中國的研究團隊開發(fa)了一(yi)種能源系統 ，據稱能夠將太陽能作(zuo)為化(hua)學(xue)能儲存長達(da) 18 年(nian)，并(bing)使(shi)太陽能熱水系統和太陽能存儲組合的(de)效率(lv)高達(da) 80%。

更關鍵的是，這種儲能系統，還可以通過一種超(chao)薄芯片作為發(fa)電(dian)機，集成到耳機、智能手表和電(dian)話(hua)等電(dian)子產品(pin)中。

這個科(ke)學家團隊來自瑞(rui)典查爾姆斯理工大學，他(ta)們一直(zhi)致力于將太陽能(neng)直(zhi)接存儲(chu)(chu)在有(you)機(ji)化學物(wu)質(zhi)的化學鍵中(zhong)(zhong)的研究，并(bing)開(kai)發出了(le)MOlecular Solar Thermal (MOST) 系統，早在 2013 年就進(jin)行了(le)概念演(yan)示(shi)，該系統將太陽能(neng)作為(wei)潛在化學能(neng)存儲(chu)(chu)在化學鍵中(zhong)(zhong)的光致異(yi)構化中(zhong)(zhong)，實現了(le)以液體介(jie)質儲(chu)存太陽能(neng)，該(gai)介(jie)質不僅可以根(gen)據需要(yao)從太陽(yang)中釋放能(neng)量，而且(qie)還可以運輸。

最(zui)近，瑞典查爾姆(mu)斯理工大學(xue)的科學(xue)家又與上海交通大學(xue)研(yan)究人員合(he)作(zuo)，使這個太陽能(neng)儲能(neng)系統更(geng)進(jin)一步，將(jiang)其(qi)與緊湊型熱電(dian)(dian)發電(dian)(dian)機結(jie)合(he)起來，將(jiang)太陽能(neng)轉化為電(dian)(dian)能(neng)。實驗(yan)證明它(ta)可以(yi)按需發電(dian)(dian)。

MOlecular Solar Thermal (MOST) 系統將(jiang)(jiang)太陽(yang)(yang)能作為潛在化(hua)學(xue)能存儲在化(hua)學(xue)鍵中的(de)光致異(yi)構化(hua)中，其核(he)心是專門設計的(de)碳(tan)、氫(qing)和氮分子。當它與(yu)陽(yang)(yang)光接觸時(shi)，分子內(nei)的(de)原子會重新排列以改變(bian)其形狀，并將(jiang)(jiang)其轉化(hua)為富含(han)能量的(de)異(yi)構體(ti)，可以以液(ye)體(ti)形式儲存。

在(zai) MOST 系(xi)統(tong)中(zhong)，母體分(fen)子(zi)暴露(lu)于太(tai)(tai)陽光子(zi)并(bing)由此(ci)轉(zhuan)化為(wei)高(gao)能(neng)光異構(gou)(gou)體，這(zhe)是動力(li)學穩(wen)定的(de)；同時它可以(yi)通過(guo)熱(re)活化或(huo)使用催化劑異構(gou)(gou)化回母體分(fen)子(zi)并(bing)釋(shi)放熱(re)量。例如基于降(jiang)冰片二烯-四(si)環烷的(de)MOST系(xi)統(tong)，科學家們(men)將(jiang)(jiang)一種叫(jiao)做降(jiang)冰片二烯的(de)碳氫化合物(wu)暴露(lu)在(zai)光下，這(zhe)會(hui)改變(bian)其化學鍵(jian)，將(jiang)(jiang)其變(bian)成四(si)環烷，此(ci)過(guo)程中(zhong)太(tai)(tai)陽能(neng)作(zuo)為(wei)潛在(zai)化學能(neng)存儲(chu)在(zai)化學鍵(jian)中(zhong)。改變(bian)四(si)環烷的(de)溫度或(huo)將(jiang)(jiang)其暴露(lu)于催化劑會(hui)產生逆轉(zhuan)效果，并(bing)且以(yi)熱(re)量的(de)形式釋(shi)放能(neng)量。該系(xi)統(tong)顯示(shi)出高(gao)達 966 kJ kg -1的(de)能(neng)量存儲(chu)密度和超過(guo)幾個(ge)月(yue)的(de)存儲(chu)時間。

經過研(yan)究(jiu)，高效 MOST 系統的要求(qiu)可概(gai)括為(wei)：

（1）母體(ti)化(hua)合物必(bi)須(xu)吸收(shou)大部分太陽(yang)光(guang)譜(pu)；（2）光(guang)異構體(ti)不(bu)得競爭吸收(shou)陽(yang)光(guang)；（3）光(guang)反(fan)應(ying)(ying)的量子產率應(ying)(ying)為 100%；（4）存儲(chu)的能量密度應(ying)(ying)超過 300 kJ kg -1；（5）光(guang)異構體(ti)必(bi)須(xu)在較長時(shi)間內保持穩定(ding)，并且（6）所有反(fan)應(ying)(ying)必(bi)須(xu)定(ding)量進行，例如允許多個(ge)太陽(yang)能儲(chu)存-釋放循環。

在(zai)MOST系(xi)統（分(fen)子(zi)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能熱(re)系(xi)統）的(de)基礎(chu)上，查爾姆斯理工大學(xue)(xue)的(de)研究人員(yuan)提出了一種分(fen)子(zi)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能儲(chu)熱(re)系(xi)統（MOST）和太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能熱(re)水(shui)系(xi)統（SWH）組成的(de)混合太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能系(xi)統，使其有可能利用(yong)MOST系(xi)統無法利用(yong)的(de)亞帶隙光(guang)(guang)子(zi)。該混合太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能系(xi)統可以(yi)(yi)有效地利用(yong)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能熱(re)水(shui)系(xi)統（SWH）的(de)低能量光(guang)(guang)子(zi)，并在(zai)分(fen)子(zi)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能儲(chu)熱(re)系(xi)統（MOST）中(zhong)以(yi)(yi)化學(xue)(xue)能的(de)形式(shi)儲(chu)存(cun)高能量光(guang)(guang)子(zi)。通過使用(yong)降冰片二烯-四環烷(wan)（NBD-QC）系(xi)統儲(chu)存(cun)部分(fen)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能，可以(yi)(yi)為現(xian)有的(de)低溫(wen)或中(zhong)溫(wen)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能熱(re)水(shui)系(xi)統（SWH）增加長期儲(chu)能和按需輸(shu)送能量的(de)功能。

為了證(zheng)明在(zai)SWH中加(jia)入基于MOST的(de)能量(liang)存儲的(de)效(xiao)果(guo)，研究人員設計(ji)了一(yi)個微流控(kong)混合(he)(he)裝(zhuang)置(zhi)。該(gai)(gai)混合(he)(he)裝(zhuang)置(zhi)包含(han)兩層(ceng)(ceng)(ceng)，SWH在(zai)底層(ceng)(ceng)(ceng)（深灰色(se)），MOST在(zai)頂層(ceng)(ceng)(ceng)（淺灰色(se)）。上(shang)層(ceng)(ceng)(ceng)MOST部分由熔融(rong)石(shi)(shi)英微流控(kong)芯片構成(cheng)；它允許來自太陽光(guang)譜的(de)高(gao)能量(liang)光(guang)子(zi)將(jiang)降冰片二烯（NBD）光(guang)化學地轉化為四(si)環烷（QC）。如圖(tu)所示，能量(liang)低于降冰片二烯（NBD）吸收起(qi)始(shi)點的(de)光(guang)子(zi)有效(xiao)地穿過裝(zhuang)置(zhi)的(de)上(shang)層(ceng)(ceng)(ceng)，并(bing)用(yong)于加(jia)熱下(xia)層(ceng)(ceng)(ceng)收集器中的(de)水，該(gai)(gai)收集器由一(yi)個3D打印的(de)流動池構成(cheng)，上(shang)面(mian)覆蓋著石(shi)(shi)英玻(bo)璃片。該(gai)(gai)裝(zhuang)置(zhi)的(de)正面(mian)尺(chi)寸為≈2乘2厘米。

同(tong)時，為(wei)了進(jin)一步評估降(jiang)冰片(pian)二烯(xi)的(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)，研究人(ren)員將最(zui)有希(xi)望的(de)(de)(de)(de)化(hua)合物(wu) ( 2 ) 在(zai) 60 °C 的(de)(de)(de)(de)溶液中(zhong)進(jin)行(xing)了循(xun)環(huan)測(ce)試（光異(yi)構化(hua)和隨后的(de)(de)(de)(de)熱反向轉換）。化(hua)合物(wu)( 2 )經歷了 127 次循(xun)環(huan)，降(jiang)解(jie)可(ke)忽略不(bu)計，表現出出色的(de)(de)(de)(de)穩健(jian)性(xing)。此外，循(xun)環(huan)測(ce)試是在(zai)環(huan)境條件下進(jin)行(xing)的(de)(de)(de)(de)（無(wu)脫(tuo)氣），導致每(mei)個轉換循(xun)環(huan)降(jiang)解(jie) 0.2%，這表明需要無(wu)氧環(huan)境以獲得可(ke)忽略的(de)(de)(de)(de)降(jiang)解(jie)。

“這項技術(shu)意味著(zhu)我們可以將(jiang)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)儲存在化(hua)學(xue)鍵中，并在需要時(shi)將(jiang)能(neng)量以熱量的形式釋放(fang)出來。” 團隊(dui)負責人 Kasper Moth-Poulsen 說。“混合太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)系(xi)統將(jiang)化(hua)學(xue)能(neng)量儲存與水(shui)加熱太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電池(chi)板相結(jie)合，可以轉(zhuan)換 80% 以上的入射(she)陽(yang)(yang)光。”

由于MOST系統中的(de)一部分能量(liang)(liang)被儲(chu)存(cun)在化學鍵中，因(yin)此存(cun)在著(zhu)非(fei)常穩定(ding)的(de)長期儲(chu)存(cun)的(de)潛力，而這種儲(chu)存(cun)受限(xian)于儲(chu)存(cun)容量(liang)(liang)的(de)大小。這種能量(liang)(liang)可以(yi)以(yi)非(fei)常精(jing)確(que)的(de)數量(liang)(liang)和(he)高度的(de)可靠性進(jin)行(xing)運輸(shu)和(he)交付。

同(tong)時，實(shi)驗系(xi)統展示的(de)(de)技(ji)(ji)術性(xing)能為397 kJ kg-1 = 110 W h kg-1（當前化(hua)合物(wu)：降冰片(pian)二烯），略低(di)于比亞迪磷酸鐵鋰(li)刀片(pian)電(dian)池的(de)(de)140 W h kg-1；潛力為966 kJ kg-1 = 268 W h kg-1（未取代的(de)(de)降冰片(pian)二烯），與現代鋰(li)離子電(dian)池化(hua)學的(de)(de)能量密度(du)相(xiang)比非常有競爭(zheng)力，表明它(ta)可能是任何使(shi)用電(dian)池能量進行(xing)電(dian)阻性(xing)加(jia)熱的(de)(de)應用中可行(xing)的(de)(de)技(ji)(ji)術。它(ta)還超過了大多數普(pu)通相(xiang)變材料（如石蠟(la)為200-270 kJ kg-1）的(de)(de)熔化(hua)焓(han)。因此，從(cong)重量級能量密度(du)的(de)(de)角度(du)來看，MOST系(xi)統也(ye)具有競爭(zheng)力。

此外，MOST系統展現除了強大的(de)可(ke)循(xun)環(huan)性(xing)能，如前(qian)所(suo)述，在(zai)循(xun)環(huan)測試(shi)（光異構化(hua)和隨后的(de)熱反(fan)向轉換(huan)），化(hua)合物( 2 )經(jing)歷了 127 次循(xun)環(huan)，降解可(ke)忽略(lve)不計，表現出出色的(de)穩健性(xing)。

MOST 技(ji)術(shu)的任(ren)何未來(lai)(lai)更大規模應(ying)(ying)用(yong)都(dou)面臨(lin)兩個(ge)主要(yao)(yao)挑(tiao)戰，它們共同構(gou)成(cheng)了長期研發(fa)(fa)的路線圖。進一(yi)步(bu)發(fa)(fa)展這種熱(re)化學儲(chu)存(cun)技(ji)術(shu)要(yao)(yao)克服的第一(yi)個(ge)挑(tiao)戰可(ke)能(neng)(neng)是溶劑(ji)的毒性(xing)。減(jian)少(shao)毒性(xing)或消除溶劑(ji)將(jiang)開辟更多的潛在(zai)(zai)應(ying)(ying)用(yong)，如可(ke)利用(yong)陽光充電的便攜式烹飪(ren)設備(bei)，并可(ke)在(zai)(zai)太陽落山時進行烹飪(ren)。其(qi)次，與任(ren)何新技(ji)術(shu)一(yi)樣，MOST 技(ji)術(shu)還面臨(lin)著高成(cheng)本(ben)的挑(tiao)戰。在(zai)(zai)這種系統能(neng)(neng)夠(gou)在(zai)(zai)大宗能(neng)(neng)源應(ying)(ying)用(yong)中與其(qi)他太陽能(neng)(neng)可(ke)再生(sheng)技(ji)術(shu)競爭之前(qian)，需要(yao)(yao)通過大規模生(sheng)產組成(cheng)化學品來(lai)(lai)降低成(cheng)本(ben)。

MOST 系(xi)統通過吸收光子(zi)并將(jiang)能量儲(chu)存(cun)在(zai)亞穩態光異構化狀態，其捕獲的(de)能量可(ke)以(yi)(yi)在(zai)這種(zhong)液態下儲(chu)存(cun)長(chang)達 18 年，然后通過專門設(she)計的(de)催化劑將(jiang)分子(zi)恢復(fu)到(dao)原來的(de)形狀并將(jiang)能量以(yi)(yi)熱(re)量的(de)形式釋放出(chu)來。

目前，查爾姆斯理工大學(xue)團(tuan)隊現在與中國上海交通大學(xue)的科(ke)學(xue)家合作，他們使用(yong)緊(jin)湊型(xing)熱(re)電(dian)發電(dian)機將熱(re)量轉化為(wei)電(dian)能。

查爾姆斯理工(gong)大學(xue)研究員王志(zhi)航說(shuo)：“發(fa)電(dian)機(ji)是一種超薄(bo)芯(xin)片，可以集成到耳機(ji)、智能手表和電(dian)話等電(dian)子產(chan)品中。到目前為止，我們只產(chan)生了(le)少(shao)量電(dian)力，但新的結果(guo)表明這(zhe)個概(gai)念確實有效(xiao)，它看(kan)起來非常有前途。”

據報(bao)道(dao)，概(gai)念驗證的(de)(de)電流輸(shu)出高達(da) 0.1 nW（每單位體積的(de)(de)功率(lv)輸(shu)出高達(da) 1.3 W m-3），這可能(neng)非常小，但科學家們看到了他們的(de)(de) MOST 系(xi)統的(de)(de)巨大潛(qian)力(li)，它(ta)可以通(tong)過一次存儲數月(yue)或數年來解(jie)決太陽能(neng)的(de)(de)間歇性問(wen)題，并可以按需利用它(ta)。

查爾默(mo)斯(si)化學與(yu)化學工程系教(jiao)授、研(yan)究負責人 Kasper Moth-Poulsen 說：“這是一種全新(xin)的太(tai)陽(yang)能(neng)發電(dian)方(fang)式。這意味(wei)著(zhu)我(wo)們可以(yi)(yi)利用太(tai)陽(yang)能(neng)發電(dian)，不受天氣、時(shi)間、季節或地理位置的影響。它是一個封閉的系統，可以(yi)(yi)在不產(chan)生(sheng)二氧化碳排放(fang)的情況下(xia)運行。”

在證明了該系(xi)(xi)統可以用(yong)來(lai)發(fa)電之后，該團隊(dui)正(zheng)專注于(yu)(yu)改善其性能，同時(shi)致(zhi)力于(yu)(yu)為(wei)(wei)小工具充電和(he)為(wei)(wei)家庭供(gong)暖(nuan)提(ti)供(gong)經濟實惠的(de)商業解(jie)決方(fang)案。此外(wai)，該系(xi)(xi)統還可用(yong)于(yu)(yu)衛(wei)星熱控系(xi)(xi)統。在競爭激(ji)烈(lie)的(de)太陽(yang)能領域，突破(po)商業化(hua)的(de)障(zhang)礙將是(shi)一個(ge)重大而困難的(de)挑戰，但考慮(lv)到太陽(yang)能技術(shu)的(de)創(chuang)新性和(he)目前全世界淘汰化(hua)石燃(ran)料的(de)趨勢(shi)，突破(po)很可能正(zheng)在發(fa)生。