近年来,得益于太阳能电池板技术的快速进步,已成为发展最快的可再生能源。太阳能电池板设计之初即源于太空供能的考虑,今日民用的太阳能电池板是其衍生产品。
设想你要为人造卫星或载人飞船提供电能,只有两种可行的方法——太阳能或核能。前者不受携带的燃料体积的限制,无疑是星际远航的优质选择。但当我们离开熟悉的太阳系前往其他星系时,一个问题产生了:太阳能电池板在太阳系外能否正常的工作?
可能存在宜居行星的恒星系统
Credit: Schopp, et al
太阳能电池板的发电源于光电效应(Photoelectric effect)所产生电压,该效应于19世纪发现。科学家们注意到带电的金属块在紫外线照射下会释放电子,说明光具备粒子性。不久之后出现了一些利用光电效应发电的例子,但第一个真正的太阳能电池直到20世纪中期才出现。
从那时起,研究就集中在使太阳能电池更轻、更便宜与更高效上。现代太阳能电池板不仅可以利用紫外线,还可以利用可见光,在某些情况下还可以利用红外线。但所有的研究设计都以太阳(主要发射紫外线)为基础出发。
紫外线视角的太阳影像
Credit: NASA
与之相对的,多数系外行星围绕红矮星运行,红矮星的亮度峰值为红色或红外线,几乎不发射紫外线。因此,我们想要访问附近的恒星系,就需要有能够利用红矮星光线的太阳能电池板
《科学报告》近日刊载了一篇探讨太阳能电池板不同恒星光谱下效率的文章,着重比较了太阳和比邻星(最邻近的恒星)。天文学家将研究重心放在了可应用于制作大型太阳帆的有机光伏电池(OPVs)。
比邻星在夜晚天空中的方位(橙色标注处)
Credit:LCO,ESO
OPVs是一项前沿的技术,相比成熟的硅基电池颇具优势。OPVs可以调谐到不同的波长。太阳能电池的效率和它能产生最多能量的波长是基于所谓的带隙。从本质上讲,与电池材料结合的电子必须从光子中捕获足够的能量,以跨越带隙进入导带,然后它们就可以以电流的形式流动。使用不同的有机材料,我们可以调整带隙,以最好地适应可用的光
研究小组发现,虽然宽带隙对太阳光来说很好,但比邻星的光需要更窄的带隙。例如,模拟的宽带隙太阳能电池对太阳光的理论效率为18.9%,但对比邻星的理论效率仅为0.9%。相比之下,一个窄带隙模型对比邻星的理论效率为12.6%
不同类型恒星的理论光伏性能极限存在差异
Credit: Schopp, et al
因此,现有的太阳能电池板可以从红矮星上发电,但发电效率相对太阳而言大大降低了,无法收集到与太阳系相当的能量。
研究的结论意味着星际旅行需要更大更广的太阳能电池板去补充恒星光谱差异所损耗的发电效率,或者,新材料的问世将打破这一僵局。
——The End——
『天文湿刻』 牧夫出品
微信公众号:astronomycn
飞机、云、月亮、黑子与太阳
Credits:Doyle and Shannon Slifer
牧夫
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综合编译:贺柏翔
校对:牧夫天文校对组
后期:胡永葳
责任编辑:王启儒