樹葉在風中搖曳，產生光影變化，可用於發電？

近日，瑞典林雪平大學開發出一種創新方案，當材料上的光線發生變化，進而產生溫度變化時，利用熱電效應發電。

背景

作為新能源代表，太陽能具有清潔、環保、可再生、易獲取等諸多優點。目前，市面上流行的太陽能採集系統，大多基於光伏技術，需要持續不斷的陽光照射，以達到最好的運行效果。然而，這畢竟是理想情況，事實上天氣條件和太陽光線都會不斷發生變化。

為了保證雨天情況下太陽能電池的發電效率，筆者曾經介紹過中國蘇州大學功能納米與軟物質研究院孫寶全教授課題組與孫旭輝教授課題組合作的創新成果：一種混合型太陽能電池，將傳統太陽能電池與摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）相結合，既可以利用陽光發電，也可以利用雨滴發電。

（圖片來源：參考資料【2】）

那麼，當太陽光線發生變化時，例如物體從陽光下進入陰影中，有什麼方法能更加有效地利用能量呢？

創新

近日，瑞典林雪平大學（ Link?ping University）開發出一種創新方案，未來我們有望藉助風中搖曳的樹葉獲取能量。該校科研人員開發出一種方法和材料，當光線發生變化時（從光到影，反之亦然），這種材料會產生出電脈衝。

（圖片來源：Thor Balkhed）

林雪平大學有機電子實驗室有機光子學和納米光學研究組首席研究員、講師 Magnus Jonsson 表示：「植物及其光合作用系統，會持續地受到光與影的影響。我們從中汲取靈感，開發出一種組合材料，它隨著陽光與陰影之間的熱量變化而產生電力。」

研究成果已經通過實驗和計算機模擬驗證，發表於《Advanced Optical Materials》雜誌。

技術

之前，Magnus Jonsson 及其團隊通過與瑞典哥德堡大學合作開發出一種小型納米天線（nanoantennas），能夠吸收光線併產生熱量。2017年，他們一起在《 Nano Letters 》雜誌上發表過一篇文章，描述了當這種納米天線集成到窗戶玻璃中時，是如何減弱冷氣流並節省能量的。這種天線的尺寸大約是幾十納米，它能對近紅外線作出反應併產生熱量。

最近，Magnus Jonsson 研究小組的博士生 Mina Shiran Chaharsoughi 在此基礎上展開了更進一步的開發，這項新技術將小型納米天線與熱電薄膜相結合，創造出微小的光學發電機。「熱電」意味著當材料受熱或者受冷時會產生電壓。溫度變化引起電荷移動，在電路中生成電流。天線由小型金屬盤組成，這個案例中使用的是金納米盤，直徑為160納米（0.16微米）。它們放置在基底上，並塗有聚合物薄膜，從而製造出熱電特性。

Magnus Jonsson 表示：「納米天線可通過大面積表面製造，數十億個小盤均勻地分布於其上。在我們的案例中，金屬盤之間的間隔約為0.3微米。我們使用金和銀，但是它們也可以通過鋁或銅製造。」

隨後，在聚合物的幫助下，納米天線產生的熱量被轉化為電力。首先，需要極化聚合物薄膜，以製造出穿過它的電偶極子，在正負電荷之間具有明顯區別。極化的程度影響了產生能量的量級，而聚合物薄膜厚度似乎一點影響也沒有產生。Mina Shiran Chaharsoughi 表示：「我們迫使材料中發生極化，並且這種被極化的狀態保持很長時間。」

為了更加清晰地展示這一效應，Mina Shiran Chaharsoughi 進行了實驗，在風扇產生的氣流中，握住一個有樹葉的嫩枝。樹葉的運動，在光學發電機上製造出光與影，由此產生小的電脈衝，為外部電路供電。

（圖片來源：Thor Balkhed）

價值

Magnus Jonsson 表示：「這項研究仍然處於早期階段。但是，我們未來想要使用樹上陽光與陰影之間的自然變化獲取能量。」

這項研究更接近現實的應用，可以在光學研究中找到，例如納米級的光檢測，其他的應用也許會在光學計算中發現。

關鍵字

太陽能、溫差發電、光學

參考資料

【1】https://liu.se/en/news-item/tradens-lov-kan-hjalpa-oss-skorda-energi

【2】Yuqiang Liu, Na Sun, Jiawei Liu, Zhen Wen, Xuhui Sun, Shuit-Tong Lee, Baoquan Sun.Integrating a Silicon Solar Cell with a Triboelectric Nanogenerator via a Mutual Electrode for Harvesting Energy from Sunlight and Raindrops. ACS Nano, 2018; DOI: 10.1021/acsnano.8b00416

【3】Mina Shiran Chaharsoughi, Daniel Tordera, Andrea Grimoldi, Isak Engquist, Magnus Berggren, Simone Fabiano, Magnus P. Jonsson.Hybrid Plasmonic and Pyroelectric Harvesting of Light Fluctuations. Advanced Optical Materials, 2018; 1701051 DOI: 10.1002/adom.201701051

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