“光陷阱”太陽(yáng)能光伏電池
1995年，剛剛拿到物理學(xué)學(xué)位的凱利·卡奇波決定投身于當(dāng)時(shí)看來(lái)毫無(wú)前途可言的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)。這是個(gè)充滿未知的冒險(xiǎn)，“我甚至感覺自己會(huì)失業(yè)。”卡奇波回憶說(shuō)。事實(shí)證明她的選擇是正確的。2006年，已經(jīng)是博士后的的卡奇波打開了一道顯著提高薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換率的大門。
與傳統(tǒng)的晶硅太陽(yáng)能電池相比，使用非晶硅或碲化鎘等半導(dǎo)體材料制成的薄膜太陽(yáng)能電池具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，但是效率往往不盡人意。這是因?yàn)?，如果薄膜電池的厚度不及射入光線的波長(zhǎng)，光線很難被電池吸收和轉(zhuǎn)化。厚度只有幾微米（一微米等于百萬(wàn)分之一米）的薄膜電池只能吸收太陽(yáng)光中波長(zhǎng)接近紅外線的部分。結(jié)果這種電池的光電轉(zhuǎn)換率只有8%至12%，與硅電池14%至19%的效率相比有不小的差距。
卡奇波現(xiàn)在是澳大利亞國(guó)立大學(xué)的一名研究人員，她從2002年以來(lái)一直在研究如何提高薄膜太陽(yáng)能電池的效率，具有奇特光學(xué)特性的等離子體吸引了她的注意。受到光線刺激時(shí)，等離子體能夠在金屬表面形成一種光波?？ㄆ娌òl(fā)現(xiàn)，如果將這些金屬換成納米顆粒，并鍍?cè)诒∧す桦姵乇砻嫔?，射入的光線可以使這些微粒震動(dòng)，從而有效地讓光線散射，電池因此能夠吸收波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光線。如此一來(lái)，入射光線就像是進(jìn)入了“陷阱”，被更多地吸收而不是逃逸。
卡奇波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種“光陷阱”能夠?qū)⒈∧る姵氐陌l(fā)電量提升30%。而在卡奇波之前，還從未有人在薄膜太陽(yáng)能電池上嘗試等離子體?！都夹g(shù)評(píng)論》評(píng)論稱，如果卡奇波能夠?qū)⑦@種納米顆粒技術(shù)整合到現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的光伏產(chǎn)業(yè)中，整個(gè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的“技術(shù)天平“將發(fā)生傾斜。已有數(shù)家公司向卡奇波拋來(lái)橄欖枝，但她還是希望能在商業(yè)化推廣前進(jìn)一步完善技術(shù)。此外，澳大利亞的斯威本國(guó)立科技大學(xué)也正在與光伏巨頭Suntech Power合作，研發(fā)自己的等離子體薄膜電池，他們預(yù)計(jì)在4年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
太陽(yáng)能生物燃料
當(dāng)活躍于生物技術(shù)領(lǐng)域的風(fēng)投公司Flagship Ventures總裁努巴·阿費(fèi)彥決定發(fā)明一種全新的可再生燃料時(shí)，他選擇了一條與眾不同的道路，“既然生物燃料最終的來(lái)源是二氧化碳和水，為什么一定要打玉米、柳枝稷或者海藻的主意？”
阿費(fèi)彥萌生了一個(gè)念頭：讓二氧化碳直接轉(zhuǎn)化成燃料。這個(gè)有些“瘋狂”的念頭可行嗎？答案似乎是肯定的。阿費(fèi)彥為此成立了一家名為Joule Biotechnologies 的生物技術(shù)公司，憑借基因改造技術(shù)，這家公司成功地用光合作用將二氧化碳高效轉(zhuǎn)化成乙醇生物燃料，在此之前，沒(méi)有人成功過(guò)。研究人員需要在特殊的生物反應(yīng)器中培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因光合微生物，整個(gè)過(guò)程不消耗淡水、也不需要很大的空間，只需要陽(yáng)光。這些微生物在陽(yáng)光的刺激下會(huì)不斷地“分泌”出燃料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓阿費(fèi)彥相信，這個(gè)技術(shù)單位面積內(nèi)的產(chǎn)能要比傳統(tǒng)的玉米乙醇高出100倍，同時(shí)開發(fā)成本比化石燃料要低很多。
《技術(shù)評(píng)論》認(rèn)為，如果阿費(fèi)彥所言得以實(shí)現(xiàn)，石油的地位“岌岌可危”。傳統(tǒng)的生物燃料，比如玉米乙醇，往往需要消耗大量淡水和農(nóng)田。這種新型的生物燃料則擺脫了對(duì)水和大面積土地的需求，唯一可能限制其發(fā)展的將是整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的成本。目前Joule Biotechnologies并沒(méi)有開展大規(guī)模生產(chǎn)，他們希望能進(jìn)一步改進(jìn)微生物和生物反應(yīng)容器。但是已經(jīng)有其他公司試圖擴(kuò)大這一技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模，比如美國(guó)新興高科技公司Synthetic Genomics以及明尼蘇達(dá)大學(xué)的生物科學(xué)研究院。
“綠色”水泥
水泥是混凝土的重要原料，傳統(tǒng)的水泥制作工藝要求在1450℃的高溫下粉碎石灰?guī)r、粘土和沙石，這些熱量需要由煤炭或天然氣來(lái)提供。毫無(wú)疑問(wèn)，水泥在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，以常見的波特蘭水泥為例，每生產(chǎn)一噸水泥就會(huì)帶來(lái)0.8噸左右的二氧化碳排放量，當(dāng)它最終與水混合用于建筑時(shí)，每噸水泥能吸收0.4 噸的二氧化碳，因此每噸傳統(tǒng)水泥的碳足跡為0.4 噸。去年全球水泥產(chǎn)量為28億噸，這些水泥帶來(lái)的碳排占到當(dāng)年全球碳排總量的5%。
英國(guó)的Novacem公司正試圖改變這一現(xiàn)狀，公司的首席科學(xué)家尼克勞斯·瓦拉索普魯斯采取了逆向思維，讓水泥在硬化過(guò)程中大量吸收二氧化碳，從而中和其在生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)的碳排。這一思路得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之處在于用鎂硅酸鹽取代先前的基礎(chǔ)原料石灰?guī)r。
瓦拉索普魯斯發(fā)現(xiàn)，鎂硅酸鹽水泥具備良好的硬度，但卻不會(huì)像石灰?guī)r那樣，在制造過(guò)程中釋放出大量二氧化碳。這種“綠色”水泥不需要高溫操作（只需650℃），這使得它在生產(chǎn)過(guò)程中的碳排降至0.5噸左右。同時(shí)在硬化過(guò)程中還能夠不斷與大氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鹽，這個(gè)過(guò)程不僅能加強(qiáng)水泥的硬度，還能夠吸收大致0.6噸的二氧化碳，這使得水泥的最終碳排幾乎為零。
“綠色”水泥正在向傳統(tǒng)的波特蘭水泥發(fā)出強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，但最大的挑戰(zhàn)恐怕不是技術(shù)，而是觀念。美國(guó)西北大學(xué)環(huán)境工程系教授哈姆林·杰寧斯指出：“他們是在向一個(gè)非常保守的行業(yè)引進(jìn)一個(gè)非常新的材料，問(wèn)題很棘手。”無(wú)論如何，Novacem已經(jīng)將“綠色”水泥的年產(chǎn)量目標(biāo)定在50萬(wàn)噸，這個(gè)產(chǎn)量足以讓新水泥在價(jià)格上與波特蘭水泥相抗衡。
