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最常見的(de)(de)光(guang)伏(fu)(fu)技術是基于單(dan)晶硅太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能電池。由(you)于光(guang)譜損失，單(dan)晶太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能光(guang)伏(fu)(fu)電池的(de)(de)最大效率估(gu)計(ji)為32%，而目前(qian)模塊的(de)(de)典型(xing)效率高達20%以上。相比之下(xia)，太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能熱(re)水系統（SWH）的(de)(de)效率（太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能加熱(re)）通常為20-80%。

最近，一(yi)個來(lai)自瑞典和(he)中(zhong)國的研究團隊開(kai)發(fa)了一(yi)種(zhong)能源系統 ，據稱能夠(gou)將太陽能作為化(hua)學能儲存長達 18 年，并使太陽能熱水(shui)系統和(he)太陽能存儲組合的效(xiao)率高達 80%。

更關(guan)鍵的是，這種(zhong)儲能系統，還可(ke)以通過(guo)一種(zhong)超薄芯片作為發電機，集成(cheng)到耳(er)機、智能手表(biao)和電話等電子產品中(zhong)。

這個(ge)科學(xue)家團隊來自瑞典查爾(er)姆(mu)斯(si)理工(gong)大學(xue)，他們一直(zhi)致(zhi)力于將(jiang)太陽能(neng)(neng)(neng)直(zhi)接存儲在有機化(hua)學(xue)物(wu)質(zhi)的(de)化(hua)學(xue)鍵中(zhong)的(de)研(yan)究，并開發出(chu)了(le)MOlecular Solar Thermal (MOST) 系統，早在 2013 年就進行了(le)概念演示，該系統將(jiang)太陽能(neng)(neng)(neng)作為(wei)潛(qian)在化(hua)學(xue)能(neng)(neng)(neng)存儲在化(hua)學(xue)鍵中(zhong)的(de)光(guang)致(zhi)異構化(hua)中(zhong)，實現了(le)以(yi)液(ye)體介質儲(chu)存太陽能，該介質不僅可以根據需要從太陽(yang)中釋(shi)放(fang)能(neng)量，而且(qie)還可以運(yun)輸(shu)。

最(zui)近，瑞典(dian)查爾姆斯理工大學(xue)的科學(xue)家又與(yu)上(shang)海交通大學(xue)研(yan)究人員(yuan)合作，使這個太陽(yang)能(neng)儲能(neng)系統(tong)更(geng)進一步，將(jiang)其與(yu)緊(jin)湊型熱電發電機結合起來，將(jiang)太陽(yang)能(neng)轉化為(wei)電能(neng)。實驗(yan)證明它可(ke)以按需發電。

MOlecular Solar Thermal (MOST) 系(xi)統(tong)將太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)作為(wei)潛在化(hua)(hua)學能(neng)(neng)(neng)存(cun)儲(chu)在化(hua)(hua)學鍵中(zhong)的(de)(de)光致異(yi)構化(hua)(hua)中(zhong)，其核心是專門設計的(de)(de)碳、氫和(he)氮(dan)分子。當它與陽(yang)光接觸時，分子內的(de)(de)原子會重新排(pai)列以(yi)改變其形(xing)狀(zhuang)，并將其轉化(hua)(hua)為(wei)富含能(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)異(yi)構體，可以(yi)以(yi)液(ye)體形(xing)式儲(chu)存(cun)。

在(zai)(zai) MOST 系統(tong)中(zhong)，母體(ti)分子(zi)(zi)暴露于(yu)太陽(yang)光(guang)(guang)子(zi)(zi)并由此轉化(hua)(hua)(hua)(hua)為高能(neng)光(guang)(guang)異構體(ti)，這(zhe)是(shi)動力學(xue)穩(wen)定(ding)的(de)(de)(de)；同時它可(ke)以通(tong)過(guo)熱活化(hua)(hua)(hua)(hua)或(huo)使(shi)用(yong)催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑異構化(hua)(hua)(hua)(hua)回(hui)母體(ti)分子(zi)(zi)并釋放熱量。例如基于(yu)降冰(bing)片二烯-四環烷的(de)(de)(de)MOST系統(tong)，科學(xue)家們將一種叫做(zuo)降冰(bing)片二烯的(de)(de)(de)碳氫化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)暴露在(zai)(zai)光(guang)(guang)下(xia)，這(zhe)會改變其(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)鍵(jian)，將其(qi)變成四環烷，此過(guo)程中(zhong)太陽(yang)能(neng)作(zuo)為潛在(zai)(zai)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)能(neng)存(cun)(cun)儲在(zai)(zai)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)鍵(jian)中(zhong)。改變四環烷的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)或(huo)將其(qi)暴露于(yu)催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑會產生逆轉效果，并且以熱量的(de)(de)(de)形式釋放能(neng)量。該系統(tong)顯示出(chu)高達 966 kJ kg -1的(de)(de)(de)能(neng)量存(cun)(cun)儲密度(du)和超過(guo)幾個月的(de)(de)(de)存(cun)(cun)儲時間。

經(jing)過研究，高效 MOST 系統的(de)要(yao)求可(ke)概括為(wei)：

（1）母(mu)體化合物必(bi)須(xu)(xu)吸收大部分(fen)太陽(yang)(yang)光(guang)(guang)(guang)譜；（2）光(guang)(guang)(guang)異(yi)構體不(bu)得競爭吸收陽(yang)(yang)光(guang)(guang)(guang)；（3）光(guang)(guang)(guang)反應(ying)(ying)的(de)量(liang)子產率應(ying)(ying)為 100%；（4）存(cun)儲的(de)能(neng)量(liang)密度應(ying)(ying)超過(guo) 300 kJ kg -1；（5）光(guang)(guang)(guang)異(yi)構體必(bi)須(xu)(xu)在較長(chang)時間內保持穩定(ding)，并(bing)且(qie)（6）所有反應(ying)(ying)必(bi)須(xu)(xu)定(ding)量(liang)進行，例如允許多(duo)個太陽(yang)(yang)能(neng)儲存(cun)-釋放循(xun)環。

在MOST系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（分(fen)(fen)子太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)熱系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)）的(de)(de)基(ji)礎上(shang)，查爾姆斯(si)理(li)工大學(xue)(xue)的(de)(de)研究人員提出了一種分(fen)(fen)子太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)儲熱系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（MOST）和(he)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)熱水(shui)(shui)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（SWH）組成的(de)(de)混合(he)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)，使其有可(ke)(ke)能(neng)(neng)(neng)(neng)利用MOST系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)無法利用的(de)(de)亞帶隙光子。該混合(he)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)可(ke)(ke)以有效地利用太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)熱水(shui)(shui)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（SWH）的(de)(de)低能(neng)(neng)(neng)(neng)量光子，并在分(fen)(fen)子太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)儲熱系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（MOST）中以化學(xue)(xue)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)形式儲存(cun)高(gao)能(neng)(neng)(neng)(neng)量光子。通(tong)過使用降冰片二烯-四(si)環烷（NBD-QC）系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)儲存(cun)部分(fen)(fen)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)，可(ke)(ke)以為(wei)現(xian)有的(de)(de)低溫或中溫太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)熱水(shui)(shui)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（SWH）增加長期儲能(neng)(neng)(neng)(neng)和(he)按需輸送能(neng)(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)(neng)。

為了證明在(zai)(zai)SWH中加(jia)入基于(yu)MOST的(de)能量存儲的(de)效果(guo)，研(yan)究人員(yuan)設(she)計了一(yi)個(ge)微流控混合裝置(zhi)(zhi)。該混合裝置(zhi)(zhi)包含兩層(ceng)，SWH在(zai)(zai)底層(ceng)（深灰色），MOST在(zai)(zai)頂層(ceng)（淺灰色）。上層(ceng)MOST部分由(you)熔(rong)融石(shi)英(ying)微流控芯片構成；它(ta)允許來自太陽光譜(pu)的(de)高(gao)能量光子將降(jiang)冰(bing)片二烯（NBD）光化學地(di)(di)轉化為四環烷(wan)（QC）。如圖(tu)所示，能量低于(yu)降(jiang)冰(bing)片二烯（NBD）吸收(shou)起始點的(de)光子有效地(di)(di)穿過裝置(zhi)(zhi)的(de)上層(ceng)，并(bing)用于(yu)加(jia)熱下層(ceng)收(shou)集(ji)器中的(de)水(shui)，該收(shou)集(ji)器由(you)一(yi)個(ge)3D打印的(de)流動池構成，上面(mian)覆蓋(gai)著石(shi)英(ying)玻(bo)璃片。該裝置(zhi)(zhi)的(de)正面(mian)尺(chi)寸為≈2乘2厘米。

同時(shi)，為了(le)進一(yi)步評估降冰片二烯(xi)的(de)(de)性能(neng)，研究人(ren)員將最有希望的(de)(de)化(hua)(hua)合(he)物 ( 2 ) 在(zai) 60 °C 的(de)(de)溶液(ye)中進行了(le)循(xun)環(huan)測試（光異(yi)構(gou)化(hua)(hua)和隨后的(de)(de)熱反向轉換）。化(hua)(hua)合(he)物( 2 )經歷了(le) 127 次循(xun)環(huan)，降解可忽略不(bu)計，表現(xian)出出色的(de)(de)穩(wen)健性。此外，循(xun)環(huan)測試是在(zai)環(huan)境條(tiao)件下進行的(de)(de)（無脫氣），導致每個(ge)轉換循(xun)環(huan)降解 0.2%，這表明需(xu)要(yao)無氧環(huan)境以獲得(de)可忽略的(de)(de)降解。

“這項技術意味著(zhu)我們可以將太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)儲存(cun)在化學(xue)鍵中，并在需要時將能(neng)量(liang)以熱(re)量(liang)的形式釋放出來(lai)。” 團隊負責人 Kasper Moth-Poulsen 說。“混合太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)系統將化學(xue)能(neng)量(liang)儲存(cun)與水加熱(re)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電池板相結合，可以轉換 80% 以上的入(ru)射(she)陽(yang)(yang)光(guang)。”

由于(yu)MOST系統中的(de)一部分能(neng)量(liang)被儲存在化學鍵中，因此存在著(zhu)非常穩定(ding)的(de)長期儲存的(de)潛力，而(er)這(zhe)種儲存受限于(yu)儲存容量(liang)的(de)大(da)小。這(zhe)種能(neng)量(liang)可以以非常精確的(de)數量(liang)和高度的(de)可靠性進行運輸和交付。

同時，實驗系統展示(shi)的技術性(xing)能為397 kJ kg-1 = 110 W h kg-1（當前化(hua)(hua)合物：降冰片二烯），略低(di)于(yu)比(bi)亞迪磷酸鐵鋰刀(dao)片電(dian)池(chi)的140 W h kg-1；潛力(li)為966 kJ kg-1 = 268 W h kg-1（未取代的降冰片二烯），與現代鋰離子(zi)電(dian)池(chi)化(hua)(hua)學的能量密度(du)相比(bi)非(fei)常有(you)競(jing)爭力(li)，表明它可能是任何使用電(dian)池(chi)能量進行電(dian)阻性(xing)加熱的應用中可行的技術。它還(huan)超過了(le)大(da)多數普通(tong)相變(bian)材料（如石蠟(la)為200-270 kJ kg-1）的熔化(hua)(hua)焓。因此(ci)，從重量級能量密度(du)的角度(du)來(lai)看，MOST系統也具有(you)競(jing)爭力(li)。

此外，MOST系統展現除(chu)了強大的(de)可(ke)循(xun)環(huan)性能，如前所述，在循(xun)環(huan)測試（光異構化(hua)和隨后的(de)熱反向轉換），化(hua)合物( 2 )經歷(li)了 127 次循(xun)環(huan)，降解可(ke)忽略不計，表現出出色(se)的(de)穩健性。

MOST 技(ji)術的任(ren)(ren)何(he)未來更大(da)規模應(ying)用(yong)都(dou)面(mian)臨兩個主要(yao)挑(tiao)戰，它們共同構成(cheng)了長期研發的路線圖。進一步發展這種熱化學儲(chu)存技(ji)術要(yao)克服的第一個挑(tiao)戰可(ke)能(neng)是溶(rong)劑的毒性(xing)。減少毒性(xing)或(huo)消除溶(rong)劑將開辟更多的潛在(zai)應(ying)用(yong)，如可(ke)利用(yong)陽光充電(dian)的便攜(xie)式烹(peng)(peng)飪(ren)設備，并可(ke)在(zai)太陽落(luo)山時(shi)進行烹(peng)(peng)飪(ren)。其(qi)次，與任(ren)(ren)何(he)新技(ji)術一樣，MOST 技(ji)術還面(mian)臨著高成(cheng)本(ben)的挑(tiao)戰。在(zai)這種系(xi)統能(neng)夠在(zai)大(da)宗(zong)能(neng)源應(ying)用(yong)中與其(qi)他太陽能(neng)可(ke)再生技(ji)術競(jing)爭之前，需(xu)要(yao)通過大(da)規模生產組(zu)成(cheng)化學品來降低成(cheng)本(ben)。

MOST 系(xi)統通過(guo)吸收(shou)光子并將(jiang)(jiang)能量(liang)儲存(cun)在(zai)亞穩態光異構化(hua)狀態，其捕獲的能量(liang)可以(yi)在(zai)這(zhe)種液態下儲存(cun)長(chang)達 18 年(nian)，然后(hou)通過(guo)專門設計的催化(hua)劑將(jiang)(jiang)分子恢復到原來的形狀并將(jiang)(jiang)能量(liang)以(yi)熱量(liang)的形式釋放出來。

目前，查爾姆斯理(li)工(gong)大(da)學(xue)團隊現(xian)在與中國上海(hai)交(jiao)通(tong)大(da)學(xue)的科學(xue)家合(he)作，他們(men)使用(yong)緊(jin)湊型熱電發電機將(jiang)熱量(liang)轉化(hua)為電能。

查(cha)爾姆斯理(li)工大學研(yan)究員王志航說：“發電(dian)(dian)機是一種超薄芯(xin)片(pian)，可以(yi)集(ji)成(cheng)到耳機、智能手表和(he)電(dian)(dian)話等電(dian)(dian)子產品中。到目前為止(zhi)，我們只產生了少量(liang)電(dian)(dian)力，但新的結(jie)果表明這個概念(nian)確實有(you)效(xiao)，它(ta)看(kan)起(qi)來非(fei)常有(you)前途(tu)。”

據報道，概念驗證的(de)電流輸出(chu)高達(da) 0.1 nW（每單位體積的(de)功率(lv)輸出(chu)高達(da) 1.3 W m-3），這可能(neng)非常(chang)小(xiao)，但(dan)科學家(jia)們看到了他們的(de) MOST 系統的(de)巨大(da)潛(qian)力，它可以通過(guo)一次存儲數月或數年來(lai)解決太陽能(neng)的(de)間歇性問(wen)題，并可以按需(xu)利用它。

查爾默斯化學與(yu)化學工程(cheng)系教授、研究負責人 Kasper Moth-Poulsen 說：“這是一(yi)種全新的(de)太陽能(neng)發電方式。這意(yi)味(wei)著我(wo)們可(ke)以利用(yong)太陽能(neng)發電，不受天氣、時間、季節(jie)或地理(li)位置的(de)影響。它是一(yi)個封閉的(de)系統(tong)，可(ke)以在不產生二(er)氧(yang)化碳(tan)排放的(de)情況下(xia)運行。”

在證明了(le)該(gai)(gai)系統可以用來發電之后(hou)，該(gai)(gai)團(tuan)隊正專注(zhu)于改善其性能(neng)，同(tong)時致力于為小工具充電和(he)為家庭供暖提供經(jing)濟(ji)實惠(hui)的(de)(de)商業(ye)解(jie)決方案(an)。此外，該(gai)(gai)系統還可用于衛(wei)星(xing)熱控系統。在競爭激(ji)烈的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)領(ling)域，突破商業(ye)化的(de)(de)障(zhang)礙將是一個(ge)重(zhong)大而困(kun)難的(de)(de)挑(tiao)戰，但考慮到(dao)太(tai)陽(yang)能(neng)技(ji)術的(de)(de)創新性和(he)目(mu)前(qian)全世界(jie)淘汰化石燃料的(de)(de)趨勢(shi)，突破很可能(neng)正在發生。