火星车为何能一跑十年？多亏了电池里有它
撰文 | 李研
责编 | 吕浩然
宇宙浩瀚，星汉灿烂。几千年来，人们一直对地球之外的世界充满了好奇。随着二十世纪中叶航天技术的兴起和不断发展，人类探索太空的脚步也越迈越远。
这其中，动力系统是航天探测器的关键组件。我们开着电动汽车行驶在平坦的公路上，如果不充电，只能走几百公里。然而，10年前成功着陆火星的“好奇号”火星探测车，至今仍在崎岖不平的火星表面顺利运行着。“好奇号”重约900公斤，上面搭载有多台仪器，但却看不到我们熟悉的太阳能电池板。探测车行走时，会消耗大量能量，既然化学电池无法满足这么长时间的用电需求，又没有太阳能助力，那么它的动力来源是什么呢？
让我们带着这个问题，了解一种非常稀有的化学元素——碲。
“最不容易折寿”的放射性同位素
碲的元素符号是te，在元素周期表中属ⅵa族，跟氧、硫同族，原子序数52，原子质量127.6。理论上，碲位于周期表中位于金属和非金属元素的交界处，理论上属于非金属，但单质却有着酷似金属的外观，是一种重要的半导体材料。
黄色折线为金属和非金属元素的分界，灰色高亮区域的硼、硅、、、锑、碲等元素，性质介于金属与非金属之间，常被称为类金属（metalloid）；左上角为一个直径3.5 cm的碲币，图片来源：wikipedia
除了兼具金属和非金属的特性外，碲还有一些不平常的地方。例如，它的原子量比原子序数排在其后的碘还要大。碲的原子量是127.6，而碘只有126.9。之所以出现这种“颠倒”的现象，是由于同位素丰度差别的缘故。
自然界中存在的碲，稳定的同位素（主要为126te）只占三分之一，另外三分之二主要是质量数更大的放射性同位素128te和130te。这听起来有些骇人，碲很危险吗？实际上，碲的放射性同位素虽然占比很高，但它们的半衰期却长得惊人。其中130te为8.2 × 1020年，而128te的半衰期更是高达2.2 × 1024年，是所有元素的放射性同位素中“最不容易折寿”的。按照半衰期推算，1克纯的128te经过600多年，才会有一个原子的128te发生衰变。所以天然碲矿石的放射性非常微弱，不会对人造成辐射损害。
各种元素在地壳中的含量：我们可以在黄色“最稀有元素“的区域找到像铂（pt）和金（au）这样的“贵金属”元素 ，而碲作为唯一的“非金属”也在其中。图片来源：wikipedia
在浩瀚宇宙中，碲并不罕见，但在地球上，碲意外的与很多贵金属一样成为十分稀有的固体元素，地壳中约十亿个原子里才有一个碲原子。究其原因，人们推测在地球形成初期，缺少氧气和水的情况下，碲会与自由氢结合，形成易挥发的碲化氢（h2te）气体，从而使大量碲元素离开地球表面进入太空。因为同样原因被损耗的，还有与碲同族的硒元素（se）。所以，它们在地壳中的含量比元素周期表中的左邻右舍都要明显低很多，且碲的单质矿藏极难找到。然而，碲的发现时间却并不算晚，这要归功于弗朗茨-约瑟夫·穆勒（franz-joseph müller），一位奥地利矿物学家。
被尘封的论文
1782年，穆勒正担任奥地利特兰西瓦尼亚地区（transylvania，现属于罗马尼亚）的矿场监督官，他得到了一种独特的矿石。这种矿石外表大部分是银灰色的，间或掺杂有一些金黄，其中银灰色部分与锑看起来很像，所以在当时也被称为“锑金”（antimonalischer goldkies）。
一块碲金（sylvanite）矿石，图片来源：fabreminerals.com
穆勒没有“以貌取石”，而是把矿石带回实验室进行了研究。他发现，加热矿石中银灰色部分，会生成一种带有臭萝卜味的白烟。它还可以跟硫酸反应生成红色溶液，溶于水后又得到黑色沉淀，而这些都与锑的化学性质大相径庭。因此，穆勒提出：矿石中很可能含有金和另一种未知金属，而且这种新物质似乎同时具有金属和非金属特性。例如，它具有金属的光泽，但在常温下质地却很脆，所以他称这种新物质为“aurum paradoxum”，意思是“反常/不合逻辑的金（元素）”。
1783年，穆勒将他对“反常金属“的大量观察和实验整理成了多篇论文，只可惜，他将这些论文都发表在了一本名不见经传的德文科学期刊上。如果放到现在，即使没什么影响力的期刊，内容至少也能在网上检索到。但在200多年前，期刊没选对，论文可能真就进了故纸堆。因为期刊太小众，他的文章发表后几乎无人问津。
奥地利发行的纪念弗朗茨-约瑟夫·穆勒的邮票，图片来源：colnect.com
多年后，不甘心的穆勒又将矿石样本寄给了德国化学家克拉普罗特（martin heinrich klaproth）。1798年1月，克拉普罗特在柏林科学院宣读了穆勒的论文。直到此时，已经尘封16年之久的关于特兰西瓦尼亚矿石的研究才再次受到关注。
克拉普罗特自己经过实验，确认了这种“反常金属”就是一种新的元素，并将它取名为tellurium（te，碲），词根“tellus“的原意是“地球”。他没有贪图名誉，事后一再声明，穆勒才是碲的最早发现者。
马丁·海因里希·克拉普罗特 （martin heinrich klaproth，1743-1817），是普鲁士王国的化学家。他不仅推进了碲元素的发现，还是锆（1787年）、、钛（1795年）、铈（1803年）等元素的发现者，图片来源：wikipedia
支撑新能源的元素
虽然很早被发现，碲直到二十世纪50年代后期才成为一种具有工业实用价值的元素。传统上，碲被大量用于冶金工业，是一些金属合金的“强壮剂”，只要在这些合金中加入少量的碲，就能大大提高它们的机械强度和加工性能。例如，在金属铜中加入碲能显著改善铜的机械加工性能和抗腐蚀性能。十多年前，碲还曾广泛用于制造可重复读写的光盘（cd-r，dvd-r）。
可重写光盘的刻录层（带镭射光泽）是由锗、锑和碲的合金制成的，图片来源：wikipedia
如今，伴随着新能源和高科技产业的蓬勃发展，碲的主要应用领域有了很大扩展。例如，电动车充电桩接触材料要求抗电弧，而碲铜合金由于其优良的电学性能及易加工的特性，特别适用于电动汽车的充电桩连接器。在新能源领域，碲在光电转换及热电转换材料中，更是发挥着关键的作用。因此，本来就稀少的碲元素被美国化学会列为本世纪面临严重短缺风险的元素，成为一种重要的战略原料。
2019年全球碲消费量行业占比，数据来源：华经情报网
“挂在墙上的油田”
一提到太阳能发电和光伏技术，我们很容易想到硅。实际上，晶体硅只是众多太阳能电池中的一种，以碲化镉（cdte）为代表的薄膜太阳能电池是继晶硅电池后出现的新一代光伏技术。
碲化镉薄膜太阳电池是一种以p型碲化镉半导体为吸光层材料的太阳能电池。碲化镉半导体禁带宽度约为1.45ev，与太阳光谱非常匹配，且具有较高的光吸收系数。光电转化效率是衡量光伏电池性能的重要技术指标，目前报道的碲化镉薄膜电池最高效率接近22％，稍逊于晶体硅的24%。
那么问题来了：既然碲是地球上储量最稀少的元素之一，光电转化效率又并非最出众，用它来制造光伏板，划算吗？
实际上，碲化镉薄膜电池具有一些其它太阳能电池无法比拟的优势。
碲化镉薄膜电池是在玻璃或其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而形成的光伏器件。它结构简单，活性层用量少，制造能耗大大低于晶体硅和其他材料的太阳能电池。在已实现大规模量产的太阳能电池中，碲化镉薄膜的能源回报时间是最短的，也具有最小的“碳足迹”（生产过程中排放的温室气体总和）。
晶体硅太阳能电池（a）和碲化镉薄膜电池（b）的结构以及各组分所占质量百分比。两者相比，碲化镉薄膜电池的结构更简单，成本更低，图片来源：参考文献[5]
碲化镉电池所需的吸光层非常的薄，一块普通的玻璃，涂抹几微米厚的碲化镉薄膜后，不仅依旧透光，还能从绝缘体变身为遇光发电的半导体材料。这就为现代建筑与清洁光伏能源的跨界融合创造了条件。现代城市里的写字楼，墙面主体结构很多就是幕墙玻璃。如果将传统的幕墙玻璃更换为这种“发电玻璃“，就可以大大降低建筑物对外部能源的需求。一平方米的碲化镉玻璃每年可发电100~200度，几千块玻璃产生的电量，理论上相当于一口普通油井一年产油转化成的发电量，堪称“挂在墙上的油田”[15]。
由 “丝带”状曲面玻璃幕墙环绕的国家速滑馆大量使用了碲化镉薄膜“发电玻璃”作为建筑材料，图片来源: wikipedia
不仅如此，如果以聚酰亚胺等柔性材料为基底，碲化镉太阳能电池还可以制备成轻便、可弯折的柔性薄膜。这种便捷的“轻量级“太阳能电池，无疑可以降低运输和搭载的成本，在太阳能无人机、航天器和人造卫星上具有光明的应用前景。
轻便、可弯折的柔性碲化镉薄膜太阳能电池，图片来源：参考文献[6]
以上这些因素，使得碲化镉在激烈的光伏技术竞争中崭露头角，成为仅次于硅的世界第二大常用太阳能电池材料。
温差也可以发电
除了光能，生活中还有许多被废弃的热能，例如汽车的发动机、工厂锅炉和机器运转散发的热量。如果能将这些低品质的热量善加利用，是一笔相当可观的能源。
1823年，德国人塞贝克（thomas johann seebeck）发现了材料两端的温差可以产生电压，这为热和电之间的直接能量转换提供了理论依据。
托马斯·塞贝克（1770-1831）以及温差转换为电能的示意图，图片来源：wikipedia
热电材料的基本功能是当材料的一侧被加热时，就会自发地产生电能。一种好的热电材料必须满足两种要求，一方面要尽可能地导电，而另外一方面要尽可能少传热量。这样在电子顺利通过的同时，温度梯度还可以有效保持。然而，电导率一般和导热率是相辅相成的，电导率高的材料导热率也高。所以众多材料中，只有少数几种能实现有效的热电转换。这其中，含碲半导体，特别是碲化铋（bi2te3），不仅热电转换效率高，而且在室温区性能优异，是目前应用最广的一类热电材料。
碲化铋一般通过掺杂锑或硒元素，形成p型碲化铋或n型碲化铋，应用在热电转化器件中，图片来源：参考文献[10]
热电转换技术不需使用机械运动部件就能够将热能转换成电能，这不仅有助于应对当前日益严重的环境污染和能源危机，而且对太空探索具有特别重要的意义。
让我们再回到文章开头提到的“好奇号”火星探测车的动力来源问题。这辆探索车之所以不依赖太阳能，还能在环境极为恶劣的火星表面顺利运行，全赖一种被称为“放射性同位素温差发电（radioisotope thermoelectric generator，rtg）”的技术。
“好奇号”火星探测车的动力部分由rtg提供，使用的放射性同位素为钚-238（plutonium-238），热电转换依靠碲化铅（pbte）/tags热电偶，其中tags是一种结合碲（te）、银（ag）、锗（ge）和锑（sb）的半导体材料，图片来源：参考文献[11-12]
由于太空探索任务可能位于太阳的阴影区，光照严重不足且环境温度过低，这就限制了化学电池和太阳能电源的使用。而借助碲合金等热电材料，同位素温差电池可以将放射性元素衰变产生的热能直接转变为电能。这相当于一个体积不大，寿命很长又十分可靠的“核能电池“，无疑是理想的动力来源。
从上世纪中叶起，美国先后在近50个空间飞行器、巡视器和外星探测车中使用了同位素温差发电器作为电源。其中，美国“旅行者1号”行星探测器，更是创造了世界太空远航史上的辉煌纪录。它现在是离地球最远（飞行近200亿公里），也是第一个离开太阳系的人造飞行器。预计安装的同位素温差发电器可以保证旅行者号上搭载的科学仪器继续工作至2025年。
我国2018年发射的嫦娥四号登月探测器，同样也配置了同位素温差电源。它不仅可以为月球车长期供能，还可以在极寒的月夜对搭载的精密仪器起到“保暖”的作用。
“嫦娥四号”登月探测器，由“玉兔二号”月球车拍摄，图片来源：wikipedia
太空“千里眼”
在太空探索中，碲的应用不仅局限于光电和热电转换领域，它也在太空红外探测中扮演了关键角色。红外探测在太空探测中具有特别重要的意义，因为紫外线和可见光很容易被宇宙尘埃遮蔽。一架灵敏的红外太空望远镜可以让我们在宇宙中看得更远。
想要获得高性能的红外望远镜，选用合适的高质量探测材料至关重要。碲的一些合金材料，例如碲化铅（pbte）、碲汞镉（hgcdte）和碲化锡（snte）等，是制造夜视镜、红外遥感和红外雷达的良好材料。特别是1958年发现的三元合金半导体hg1−xcdxte（x＜1），具有禁带宽度可调、响应速度快、量子效率高和低功耗等优点，迄今仍然是高性能光子型红外探测器的最佳选择。
就在2021年圣诞，耗资近百亿美元，由256家公司、政府、学术机构参与，数千名科学家花费25多年设计建造的发射升空，开始了它漫长的太空之旅。
詹姆斯·韦伯太空望远镜，图片来源：aasnova.org
韦伯望远镜具有强大的红外成像和光谱分析能力。在它巨大的镜面后面是各种设备组件，为了使韦伯望远镜具有更高的红外探测灵敏度，研发团队投入了非常多的心血。其中，近红外相机由亚利桑那大学和洛克希德马丁公司合作建造，相机中的10个碲汞镉探测器，完美覆盖0.6～5μm的近红外波长范围，从而帮助望远镜看到更多、更古老的恒星和星系。
韦伯望远镜近红外相机采用的2048×2048 hgcdte焦平面阵列，图片来源：参考文献[14]
综上，碲元素或许鲜为人知，但它很多领域都发挥着关键的作用。它帮助人类实现开拓外星的雄心壮志，也在协助我们应对地球上日趋严峻的能源危机。希望伴随着科技创新和资源的合理利用，世界各国能携手走上一条面向未来的可持续发展之路，这其中，合理利用碲元素将成为重要的一环。
参考文献：
[1] curiosity rover：https://en.wikipedia.org/wiki/curiosity_(rover)
[2] tellurium：https://en.wikipedia.org/wiki/tellurium
[3] ossi horovitz, müller von reichenstein and the tellurium, https://www.researchgate.net/publication/271645524
[4] von reichenstein, f.j.m. (1783). "versuche mit dem in der grube mariahilf in dem gebirge fazeby bey zalathna vorkommenden vermeinten gediegenen spiesglanzkönig". physikalische arbeiten der einträchtigen freunde in wien (in german). 1783 (1.quartal): 63–69.
[5] thomas maani et al. environmental impacts of recycling crystalline silicon (c-si) and cadmium telluride (cdte) solar panels. science of the total environment. 735: 138827 doi:10.1016/j.scitotenv.2020.138827 (2020)
[6] kranz, l. et al. doping of polycrystalline cdte for high-efficiency solar cells on flexible metal foil. nat. commun. 4:2306 doi: 10.1038/ncomms3306 (2013).
[7] julian christoph perrenoud, low temperature grown cdte thin film solar cells for the application on flexible substrates, phd dissertation.
[8] 董瑞青，碲化镉薄膜太阳能电池产业发展现状：http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=7911
[9] thomas johann seebeck: https://en.wikipedia.org/wiki/thomas_johann_seebeck
[10] muhammad usman ghani et al. future impact of thermoelectric devices for deriving electricity by waste heat recovery from ic engine exhaust. doi: 10.24081/nijesr.2016.1.0016
[11] 罗洪义等，深空探测中的钚-238同位素电源，深空探测学报, 2020, 7(1): 61
[12] robert l. cataldo and gary l. bennett；u.s. space radioisotope power systems and applications: past, present and future.
[13] 牛厂磊等，深空探测先进电源技术综述，深空探测学报，2020，7
[14] 蔡毅,碲镉汞探测器的回顾与展望，红外与激光工程，2022，51
[15] 国际能源网：“给点阳光就灿烂”的碲化镉“发电玻璃”：https://www.in-en.com/article/html/energy-2297874.shtml
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