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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、锗、砷、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。
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。
角落里的“宝贝”——碲元素的发现
在中世纪时期的罗马尼亚，有一座号称“欧洲文化之都”的古老都市，名叫锡比乌。在锡比乌的北边有一座不知名的矿山，工人们挖掘出了一种没有见过的白色矿石，并且上交给了当时的监督赖兴施泰因。
这种矿石表面大部分是银白色，间或带有一些黄色，当地人称为“可疑金”。赖兴施泰因期初认为这是一种硫化铋，但经过分析，他发现这种矿石与硫化铋的性质相差甚远：“可疑金”被点燃后，发出浅蓝色的火焰。很快熄灭的它被加热熔化后，散发出一种臭萝卜的味道，让人感觉头昏恶心；跟硫酸反应生成红色溶液，溶于水后得到黑色沉淀。
而铋元素会一直显现金属银白，更没有那么离谱的臭味了。“难道这是一种新的元素？”赖兴施泰因因为缺少必要的实验器具，只能向当时的瑞典知名化学家伯格曼求助，邮寄了自已的实验笔记，并附带了一些矿石样品。
可惜的是，由于样品太少，伯格曼也只能判定这种矿石中的元素，确实不是铋。
转眼来到15年后，德国化学家克拉普罗特偶然得到了两块“可疑金”，但他并没有太过重视，将它们扔到了实验室的角落，那里堆满了各种实验物料。
有一天，克拉普罗特在办公室翻阅化学书籍时，读到了关于“可疑金”的相关论文。他赶紧把矿石翻了出来，并重新开始了实验。
他用王水溶解白色矿石，往滤液中加入氢氧化钠，得到白色沉淀。他再将白色沉淀烘干并与油混合，在烧瓶中加热，烧瓶内壁逐渐的出现一些银白色的金属颗粒。克拉普罗特将它命名为Tellurium，来自拉丁文Tellus，意为地球，翻译成中文是“碲”。
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。
神奇的发电玻璃——碲元素的应用
克拉普罗特在发现碲元素之后，又花了很长时间才真正的弄清了碲元素的性质。在地壳中碲元素极其稀少，只有含量较高的地方才能产生化合物。它和硒元素有一点很相像，都有一定毒性，碲粉如果吸入人体，会产生眩晕恶心感，甚至患上口臭等病症。
在工业应用上，碲元素也经历了很长时间的摸索，才正式走上历史舞台。
碲元素是金属合金的标准“强化剂”。在合金里加入极少的碲后，合金的机械强度和加工性能将被大大提高。它主要被用作高速钢催化剂、石油化工催化剂及化工制品等，并在半导体材料、航空航天等方面有着不凡的作用。
碲的化合物在现代化工业建设中也发挥着巨大的作用。把碲和铅按一定比例熔化制成的碲化铅，可用作红外线探索器的制造材料；碲燃烧生成的二氧化碲，可作防腐剂用，或用来测定各种疫苗中的细菌。
有一项神奇的发明也有碲元素的身影——发电玻璃。
所谓“发电玻璃”乃是外行说法，正确名称应该是“碲化镉薄膜太阳能电池”，简称CdTe电池，它是一种以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的薄膜太阳能电池。玻璃只是一个透光的衬底材料，不是技术性关键材料。这种太阳能电池组件分7层结构所组成。
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。
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%。
由于碲化镉发电玻璃具有极强的建材属性，所以它可以用于多种场合，该产品即便在弱光条件下也可通过光电转化产生电能，是一种绿色可回收可发电的多功能建筑材料，可替代砖头、幕墙等建材。
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。
碲化镉薄膜太阳能电池的优点
1、理想的禁带宽度：CdTe的禁带宽度一般为1.47eV，CdTe的光谱响应和太阳光谱非常匹配。
2、高光吸收率：CdTe的吸收系数在可见光范围高达104cm-1以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。
3、转换效率高：碲化镉薄膜太阳能电池的理论光电转换效率约为28%。
4、电池性能稳定：一般的碲化镉薄膜太阳能电池的设计使用时间为20年。
5、电池结构简单：制造成本低，容易实现规模化生产。
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
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”。
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。
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。
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。
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
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。
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多年设计建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发射升空，开始了它漫长的太空之旅。
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。
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。
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