「好奇號」火星探測車，圖片來源：NASA
撰文 | 李研
責編 | 呂浩然
宇宙浩瀚，星漢燦爛。幾千年來，人們一直對地球之外的世界充滿了好奇。隨著二十世紀中葉航天技術的興起和不斷發展，人類探索太空的腳步也越邁越遠。
這其中，動力系統是航天探測器的關鍵元件。我們開著電動汽車行駛在平坦的公路上，如果不充電，只能走幾百公里。然而，10年前成功著陸火星的「好奇號」火星探測車，至今仍在崎嶇不平的火星表面順利運行著。「好奇號」重約900公斤，上面搭載有多臺儀器，但卻看不到我們熟悉的太陽能電池板。探測車行走時，會消耗大量能量，既然化學電池無法滿足這麼長時間的用電需求，又沒有太陽能助力，那麼它的動力來源是什麼呢？
讓我們帶著這個問題，了解一種非常稀有的化學元素——碲。
「最不容易折壽」的放射性同位素
碲的元素符號是Te，在元素週期表中屬ⅥA族，跟氧、硫同族，原子序數52，原子質量127.6。理論上，碲位於週期表中位於金屬和非金屬元素的交界處，理論上屬於非金屬，但單質卻有著酷似金屬的外觀，是一種重要的半導體材料。
黃色折線為金屬和非金屬元素的分界，灰色高亮區域的硼、矽、鍺、砷、銻、碲等元素，性質介於金屬與非金屬之間，常被稱為類金屬（Metalloid）；左上角為一個直徑3.5 cm的碲幣，圖片來源：Wikipedia
除了兼具金屬和非金屬的特性外，碲還有一些不平常的地方。例如，它的原子量比原子序數排在其後的碘還要大。碲的原子量是127.6，而碘只有126.9。之所以出現這種「顛倒」的現象，是由於同位素丰度差別的緣故。
自然界中存在的碲，穩定的同位素（主要為126Te）只佔三分之一，另外三分之二主要是質量數更大的放射性同位素128Te和130Te。這聽起來有些駭人，碲很危險嗎？實際上，碲的放射性同位素雖然佔比很高，但它們的半衰期卻長得驚人。其中130Te為8.2 × 1020年，而128Te的半衰期更是高達2.2 × 1024年，是所有元素的放射性同位素中「最不容易折壽」的。按照半衰期推算，1克純的128Te經過600多年，才會有一個原子的128Te發生衰變。所以天然碲礦石的放射性非常微弱，不會對人造成輻射損害。
各種元素在地殼中的含量：我們可以在黃色「最稀有元素「的區域找到像鉑（Pt）和金（Au）這樣的「貴金屬」元素 ，而碲作為唯一的「非金屬」也在其中。圖片來源：Wikipedia
在浩瀚宇宙中，碲並不罕見，但在地球上，碲意外的與很多貴金屬一樣成為十分稀有的固體元素，地殼中約十億個原子裡才有一個碲原子。究其原因，人們推測在地球形成初期，缺少氧氣和水的情況下，碲會與自由氫結合，形成易揮發的碲化氫（H2Te）氣體，從而使大量碲元素離開地球表面進入太空。因為同樣原因被損耗的，還有與碲同族的硒元素（Se）。所以，它們在地殼中的含量比元素週期表中的左鄰右舍都要明顯低很多，且碲的單質礦藏極難找到。然而，碲的發現時間卻並不算晚，這要歸功於弗朗茨-約瑟夫·穆勒（Franz-Joseph Müller），一位奧地利礦物學家。
被塵封的論文
1782年，穆勒正擔任奧地利特蘭西瓦尼亞地區（Transylvania，現屬於羅馬尼亞）的礦場監督官，他得到了一種獨特的礦石。這種礦石外表大部分是銀灰色的，間或摻雜有一些金黃，其中銀灰色部分與銻看起來很像，所以在當時也被稱為「銻金」（antimonalischer Goldkies）。
一塊碲金（sylvanite）礦石，圖片來源：fabreminerals.com
穆勒沒有「以貌取石」，而是把礦石帶回實驗室進行了研究。他發現，加熱礦石中銀灰色部分，會生成一種帶有臭蘿蔔味的白煙。它還可以跟硫酸反應生成紅色溶液，溶於水後又得到黑色沉澱，而這些都與銻的化學性質大相徑庭。因此，穆勒提出：礦石中很可能含有金和另一種未知金屬，而且這種新物質似乎同時具有金屬和非金屬特性。例如，它具有金屬的光澤，但在常溫下質地卻很脆，所以他稱這種新物質為「aurum paradoxum」，意思是「反常/不合邏輯的金（元素）」。
1783年，穆勒將他對「反常金屬「的大量觀察和實驗整理成了多篇論文，只可惜，他將這些論文都發表在了一本名不見經傳的德文科學期刊上。如果放到現在，即使沒什麼影響力的期刊，內容至少也能在網上檢索到。但在200多年前，期刊沒選對，論文可能真就進了故紙堆。因為期刊太小眾，他的文章發表後幾乎無人問津。
奧地利發行的紀念弗朗茨-約瑟夫·穆勒的郵票，圖片來源：colnect.com
多年後，不甘心的穆勒又將礦石樣本寄給了德國化學家克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）。1798年1月，克拉普羅特在柏林科學院宣讀了穆勒的論文。直到此時，已經塵封16年之久的關於特蘭西瓦尼亞礦石的研究才再次受到關注。
克拉普羅特自己經過實驗，確認了這種「反常金屬」就是一種新的元素，並將它取名為Tellurium（Te，碲），詞根「tellus「的原意是「地球」。他沒有貪圖名譽，事後一再聲明，穆勒才是碲的最早發現者。
馬丁·海因里希·克拉普羅特 （Martin Heinrich Klaproth，1743-1817），是普魯士王國的化學家。他不僅推進了碲元素的發現，還是鋯（1787年）、鈾（1789年）、鈦（1795年）、鈰（1803年）等元素的發現者，圖片來源：Wikipedia
支撐新能源的元素
雖然很早被發現，碲直到二十世紀50年代後期才成為一種具有工業實用價值的元素。傳統上，碲被大量用於冶金工業，是一些金屬合金的「強壯劑」，只要在這些合金中加入少量的碲，就能大大提高它們的機械強度和加工性能。例如，在金屬銅中加入碲能顯著改善銅的機械加工性能和抗腐蝕性能。十多年前，碲還曾廣泛用於製造可重複讀寫的光碟（CD-R，DVD-R）。
可重寫光碟的燒錄層（帶鐳射光澤）是由鍺、銻和碲的合金製成的，圖片來源：Wikipedia
如今，伴隨著新能源和高科技產業的蓬勃發展，碲的主要應用領域有了很大擴展。例如，電動車充電樁接觸材料要求抗電弧，而碲銅合金由於其優良的電學性能及易加工的特性，特別適用於電動汽車的充電樁聯結器。在新能源領域，碲在光電轉換及熱電轉換材料中，更是發揮著關鍵的作用。因此，本來就稀少的碲元素被美國化學會列為本世紀面臨嚴重短缺風險的元素，成為一種重要的戰略原料。
2019年全球碲消費量行業佔比，資料來源：華經情報網
「掛在牆上的油田」
一提到太陽能發電和光伏技術，我們很容易想到矽。實際上，晶體矽只是眾多太陽能電池中的一種，以碲化鎘（CdTe）為代表的薄膜太陽能電池是繼晶矽電池後出現的新一代光伏技術。
碲化鎘薄膜太陽電池是一種以P型碲化鎘半導體為吸光層材料的太陽能電池。碲化鎘半導體禁頻寬度約為1.45eV，與太陽光譜非常匹配，且具有較高的光吸收係數。光電轉化效率是衡量光伏電池性能的重要技術指標，目前報道的碲化鎘薄膜電池最高效率接近22％，稍遜於晶體矽的24%。
那麼問題來了：既然碲是地球上儲量最稀少的元素之一，光電轉化效率又並非最出眾，用它來製造光伏板，划算嗎？
實際上，碲化鎘薄膜電池具有一些其它太陽能電池無法比擬的優勢。
碲化鎘薄膜電池是在玻璃或其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而形成的光伏器件。它結構簡單，活性層用量少，製造能耗大大低於晶體矽和其他材料的太陽能電池。在已實現大規模量產的太陽能電池中，碲化鎘薄膜的能源回報時間是最短的，也具有最小的「碳足跡」（生產過程中排放的溫室氣體總和）。
晶體矽太陽能電池（a）和碲化鎘薄膜電池（b）的結構以及各組分所佔質量百分比。兩者相比，碲化鎘薄膜電池的結構更簡單，成本更低，圖片來源：參考文獻[5]
碲化鎘電池所需的吸光層非常的薄，一塊普通的玻璃，塗抹幾微米厚的碲化鎘薄膜後，不僅依舊透光，還能從絕緣體變身為遇光發電的半導體材料。這就為現代建築與清潔光伏能源的跨界融合創造了條件。現代城市裡的寫字樓，牆面主體結構很多就是幕牆玻璃。如果將傳統的幕牆玻璃更換為這種「發電玻璃「，就可以大大降低建築物對外部能源的需求。一平方米的碲化鎘玻璃每年可發電100~200度，幾千塊玻璃產生的電量，理論上相當於一口普通油井一年產油轉化成的發電量，堪稱「掛在牆上的油田」[15]。
由 「絲帶」狀曲面玻璃幕牆環繞的國家速滑館大量使用了碲化鎘薄膜「發電玻璃」作為建築材料，圖片來源: Wikipedia
不僅如此，如果以聚醯亞胺等柔性材料為基底，碲化鎘太陽能電池還可以製備成輕便、可彎折的柔性薄膜。這種便捷的「輕量級「太陽能電池，無疑可以降低運輸和搭載的成本，在太陽能無人機、航天器和人造衛星上具有光明的應用前景。
輕便、可彎折的柔性碲化鎘薄膜太陽能電池，圖片來源：參考文獻[6]
以上這些因素，使得碲化鎘在激烈的光伏技術競爭中嶄露頭角，成為僅次於矽的世界第二大常用太陽能電池材料。
溫差也可以發電
除了光能，生活中還有許多被廢棄的熱能，例如汽車的發動機、工廠鍋爐和機器運轉散發的熱量。如果能將這些低品質的熱量善加利用，是一筆相當可觀的能源。
1823年，德國人塞貝克（Thomas Johann Seebeck）發現了材料兩端的溫差可以產生電壓，這為熱和電之間的直接能量轉換提供了理論依據。
托馬斯·塞貝克（1770-1831）以及溫差轉換為電能的示意圖，圖片來源：Wikipedia
熱電材料的基本功能是當材料的一側被加熱時，就會自發地產生電能。一種好的熱電材料必須滿足兩種要求，一方面要儘可能地導電，而另外一方面要儘可能少傳熱量。這樣在電子順利通過的同時，溫度梯度還可以有效保持。然而，電導率一般和導熱率是相輔相成的，電導率高的材料導熱率也高。所以眾多材料中，只有少數幾種能實現有效的熱電轉換。這其中，含碲半導體，特別是碲化鉍（Bi2Te3），不僅熱電轉換效率高，而且在室溫區性能優異，是目前應用最廣的一類熱電材料。
碲化鉍一般通過摻雜銻或硒元素，形成P型碲化鉍或N型碲化鉍，應用在熱電轉化器件中，圖片來源：參考文獻[10]
熱電轉換技術不需使用機械運動部件就能夠將熱能轉換成電能，這不僅有助於應對當前日益嚴重的環境汙染和能源危機，而且對太空探索具有特別重要的意義。
讓我們再回到文章開頭提到的「好奇號」火星探測車的動力來源問題。這輛探索車之所以不依賴太陽能，還能在環境極為惡劣的火星表面順利運行，全賴一種被稱為「放射性同位素溫差發電（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG）」的技術。
「好奇號」火星探測車的動力部分由RTG提供，使用的放射性同位素為鈽-238（plutonium-238），熱電轉換依靠碲化鉛（PbTe）/TAGS熱電偶，其中TAGS是一種結合碲（Te）、銀（Ag）、鍺（Ge）和銻（Sb）的半導體材料，圖片來源：參考文獻[11-12]
由於太空探索任務可能位於太陽的陰影區，光照嚴重不足且環境溫度過低，這就限制了化學電池和太陽能電源的使用。而藉助碲合金等熱電材料，同位素溫差電池可以將放射性元素衰變產生的熱能直接轉變為電能。這相當於一個體積不大，壽命很長又十分可靠的「核能電池「，無疑是理想的動力來源。
從上世紀中葉起，美國先後在近50個空間飛行器、巡視器和外星探測車中使用了同位素溫差發電器作為電源。其中，美國「旅行者1號」行星探測器，更是創造了世界太空遠航史上的輝煌紀錄。它現在是離地球最遠（飛行近200億公里），也是第一個離開太陽系的人造飛行器。預計安裝的同位素溫差發電器可以保證旅行者號上搭載的科學儀器繼續工作至2025年。
我國2018年發射的嫦娥四號登月探測器，同樣也配置了同位素溫差電源。它不僅可以為月球車長期供能，還可以在極寒的月夜對搭載的精密儀器起到「保暖」的作用。
「嫦娥四號」登月探測器，由「玉兔二號」月球車拍攝，圖片來源：Wikipedia
太空「千里眼」
在太空探索中，碲的應用不僅侷限於光電和熱電轉換領域，它也在太空紅外探測中扮演了關鍵角色。紅外探測在太空探測中具有特別重要的意義，因為紫外線和可見光很容易被宇宙塵埃遮蔽。一架靈敏的紅外太空望遠鏡可以讓我們在宇宙中看得更遠。
想要獲得高性能的紅外望遠鏡，選用合適的高質量探測材料至關重要。碲的一些合金材料，例如碲化鉛（PbTe）、碲汞鎘（HgCdTe）和碲化錫（SnTe）等，是製造夜視鏡、紅外遙感和紅外雷達的良好材料。特別是1958年發現的三元合金半導體Hg1−xCdxTe（x＜1），具有禁頻寬度可調、響應速度快、量子效率高和低功耗等優點，迄今仍然是高性能光子型紅外探測器的最佳選擇。
就在2021年聖誕，耗資近百億美元，由256家公司、政府、學術機構參與，數千名科學家花費25多年設計建造的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）發射升空，開始了它漫長的太空之旅。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，圖片來源：aasnova.org
韋伯望遠鏡具有強大的紅外成像和光譜分析能力。在它巨大的鏡面後面是各種設備元件，為了使韋伯望遠鏡具有更高的紅外探測靈敏度，研發團隊投入了非常多的心血。其中，近紅外相機由亞利桑那大學和洛克希德馬丁公司合作建造，相機中的10個碲汞鎘探測器，完美覆蓋0.6～5μm的近紅外波長範圍，從而幫助望遠鏡看到更多、更古老的恆星和星系。
韋伯望遠鏡近紅外相機採用的2048×2048 HgCdTe焦平面陣列，圖片來源：參考文獻[14]
綜上，碲元素或許鮮為人知，但它很多領域都發揮著關鍵的作用。它幫助人類實現開拓外星的雄心壯志，也在協助我們應對地球上日趨嚴峻的能源危機。希望伴隨著科技創新和資源的合理利用，世界各國能攜手走上一條面向未來的可持續發展之路，這其中，合理利用碲元素將成為重要的一環。
參考文獻：
[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，碲化鎘薄膜太陽能電池產業發展現狀：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] 羅洪義等，深空探測中的鈽-238同位素電源，深空探測學報, 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] 牛廠磊等，深空探測先進電源技術綜述，深空探測學報，2020，7
[14] 蔡毅,碲鎘汞探測器的回顧與展望，紅外與鐳射工程，2022，51
[15] 國際能源網：「給點陽光就燦爛」的碲化鎘「發電玻璃」：https://www.in-en.com/article/html/energy-2297874.shtml
製版編輯｜Livan
本文經授權轉載自微信公眾號：賽先生作者：李研
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不代表中科院高能所立場
編輯：山樁上的紅妖豆
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