太陽能發電：讓１＝２

在清潔能源的兄弟姐妹中，太陽能是最環保的一種。太陽向地球輻射光的能量每秒達3.83×1026焦（占太陽總輻射能量的 22億分之一）這相當于500噸，標準煤燃燒放出的能量，而且是取之不盡，用之不竭。上世紀50年代，美國人發明的實用太陽能電池，光電效率只有4%，但人造衛星從此有了可靠的電源。

價格太高

2001年，從澳大利亞新南威爾士大學歸國創業的施正榮，帶著 10多項國際太陽能技術發明專利，和另外七家股東合伙，在江蘇省無錫市創辦了“無錫尚德太陽能電力有限公司”，從事晶體硅太陽電池、組件和光伏發電系統的研究、制造和銷售．公司第一條太陽能電池生產線在2002年9月投產，2003年尚德公司開始盈利，2004年凈利就潤達1845萬美元。3年后產能已到120兆瓦，成為中國最大，世界十大太陽能電池生產商之一。2005年12月14日，尚德太陽能在美國紐約證券交易所上市。2006年無錫尚德全年盈利潤1.489億美元，比2005年增長117.2%，2007年光伏電池總產達420兆瓦，又上新臺階。

尚德的太陽能電池，80%遠銷歐美發達國家，國內的份額只有二成不到。太陽能電池的投資成本遠比火電和水電高，發展中國家一般用不起，現在火力發電上網電價每度為人民幣0.35元，而太陽能發電每度的上網電價是3.5元，為普通發電機組上網電價的10倍。人人都看好的清潔能源，價格為什么這樣高呢？

太陽能電池的原材料多晶硅，是用石英生成的。我國目前多晶硅生產存在工藝設備落后，生產規模小，創新能里不強，產能低，基礎研究資金投入不足等問題，因此供需矛盾突出，多數需要靠進口。多晶硅主產地是美國、日本和德國，年產多晶硅24000噸，而全球市場需求量為26201噸。由于市場供不應求，多晶硅的價格大幅度上漲，電池多晶硅由幾年前的13美元1千克，猛漲到現在的46美元。由于中國的需求量大，國內外盯上了我國的多晶硅市場，國內市場多晶硅每千克已高達85～100美元，遠高于國際。原材料價格高，生產出的電池組價高，太陽能電價也就高。

光伏電池實際上是一只半導體二極管，它吸收光子后，電子就從一端躍到另一端，在中間形成電子空穴，電子和空穴分別移向電池大的兩極，產生電壓差生成電流。但是，現在的半導體材料，光電轉換的效率十分有限，世界第一只實用光伏電池的效能只有4%，現在一般市售的太陽能電池板的光電轉換率只有11%～14%。澳大利亞新南威爾士大學創造的最高效率為24.7%，無錫尚德太陽能研制的最新光伏電池，采用綜合能效技術，效率已達到35%。但與最先進的超臨界火電機組45.4%的效率相比，還有很大的差距。由于太陽能電力價格太高，目前光伏發電占世界電力的份額很小，無法同傳統電力競爭。

轉換新探

光電是清潔能源的主打技術，但它的低效率卻成了發展的瓶頸。自光伏電池發明以來，科學家一直在研究提高效率的辦法。1982年，美國科學家推斷，在有些半導體中，1個光子可以產生多個電子，使光電效率成倍提高。他們用了進20年的時間研究這些半導體的結構和性質，預言在超微晶體中，1個光子至少可以產生2個或2個以上的電子。2004年，美國新墨西哥州國家實驗室的物理學家維托克#8226;克里莫夫，終于用出色的實驗設計，使1個光子產生了2個電子，并記錄在案。

在半導體材料中，1個電子自由移動并放電時，會在晶體中留下1個“空穴”，這種僅維持1微秒左右狀態的“電子—空穴”對叫“激子”（激發電子）。激子的能量來自太陽光子，太陽光有七色，但每種光譜的能量是不一樣的，有的能量只能生成1個激子，有的如紅外和紅端的能量較小，還不足以生成1個激子；而有的如藍紫和紫外端能量大，能產生2個或2個以上的激子。在多晶硅材料中，由于光子的能級和晶體材料結構不相匹配，每個光子無論多有效，也只能生成1個電子，多余的能量以熱能的形式散發了。克里莫夫和他的助手，用光激發4～8納米的半導體材料硒化鉛晶體，使每個光子產生出多個激子。他們用5×1014秒的激光，照射硒化鉛樣品，接著再用另一束千分之幾納秒的激光探查樣品，看硒化鉛吸收了多少個光子。如果只產生1個激子，下一時段只能吸收1個光子，但他們監測到，第二時段吸收了多個光子，最多一次檢測到吸收了7個光子，也就是說這個高能光子激發出了7個激子！

1個光子產生2個電子，電能增加了1倍，產生4個電子電能就增加了4倍，這可能嗎？如果可能，事情是怎樣發生的？這還是一個謎。克里莫夫認為，當1個高能光子撞擊材料時，形成的電子能量比實際需要的多，成了“超受激電子”，在納秒級的時間里，它通過意外的碰撞，將多余的能量傳遞給了另外的“未受激電子”，就發生了1個光子產生2個過多個激子的物理過程。美國科學家諾澤克分析說，1個高能光子的撞擊，能使電子占有兩種能態：一個同單個激子的生成相一致，另一個與多個激子的生成相一致，它們可以在極短的時間內疊加成為電子，使得到的電量加倍。

克里莫夫的天才實驗打開了科學家的思路：如果對晶體材料進行革新，采用納米技術，將太陽能電池元件制成分子大小，就能成倍提高光伏發電的效率，降低太陽能發電的成本。

解決難題

科學家們說干就干，一場研制微晶材料的戰斗打響了。在多晶硅太陽能電池中，電子與空穴從維持到分開的時間為1 微秒。按計算，在新材料中，“電子-空穴”對的形成與分開的時間是幾十微微秒。要在納秒級的時間將電子與空穴分開，是一個極具挑戰性的課題。但是，不解決空穴瞬時吸收問題，要實現光電增效，提高太陽能電池的效率只能是一句空話。要將多個電子同空穴分開，一種可行的方法是在晶體中摻進能提取空穴的導電聚合物。在光子形成“電子-空穴”對后，將空穴移入導電聚合物，再移至電極上，電子就會在超微晶體間躍動到另一個電極生成電流。克里莫夫同德州大學的物理學家合作，決定研制這種新材料。經過千百次試驗，他們發現要將聚合物溶入晶體，讓分子間緊密接觸比登天還難，試驗暫時以失敗告終。尋找與陽光匹配的超微晶體，也是一條技術路線，但電子在現有的超微晶體中傳導效率太低，會限制電流的輸出總量，這也是一個難題。實驗用的納米硒化鉛不但有毒，合成相當麻煩，而且只有高能端的光子才能將它激發，不是理想的材料。

讓分子間緊密接觸比登天還難，試驗暫時以失敗告終。尋找與陽光匹配的超微晶體，也是一條技術路線，但電子在現有的超微晶體中傳導效率太低，會限制電流的輸出總量，這也是一個難題。實驗用的納米硒化鉛不但有毒，合成相當麻煩，而且只有高能端的光子才能將它激發，不是理想的材料。

美國伯克里大學的納米材料科學家楊培東提出另一條技術路線。楊培東畢業于中國科技大學，后赴美國哈佛大學攻讀化學博士。在伯克里大學材料實驗室，他領導的實驗小組用硅和鍺這兩種材料，制造出一種只有發絲千分之一粗細的“多層結構”納米線，實現了二維半導體界面功能向一維的轉移，使半導體界面的接觸面積大大縮小。分子尺寸上的二維向一維轉換，實際就是在納米導線上制造出了世界上最小的激光器——納米激光器。它在微型發光二極管、激光器，到太陽能電池板等方面有廣泛應用。用它收集太陽能導出電荷的實驗表明，電子和空穴能飛速地通過一系列的超微金屬絲，到達各自的電極，就像汽車在高速公路上行駛，沒有阻攔。但能否得到加倍的電量，還需要進一步實驗和研究。

仿生增效

最近，美國華人科學家發現，飛蛾的眼部依序排列的“鼓包”結構，讓整個復眼幾乎不反光。如果應用于太陽能電池，就有可能大大增強光線的吸收。科學家將懸浮有納米顆粒的液體置于硅片上，并令硅片旋轉，通過納米顆粒的自組裝，按照“蛾眼”結構的模板分散，并涂上一層仿生膜。這種新的涂膜方法，可以讓硅片對光線的反射降至2% 以下，大大提高陽光的吸收率。而沒有涂層的太陽能電池板，光的反射率為35%~40%。

硅材料的高價位，一直使光伏發電的成本居高不下。科學家已經在導電塑料溶液中加入納米粒子，用類似噴墨打印的方法，將溶液噴到一個平面上，自組裝成太陽能電池的基本元件。或是在導電塑料中加入二氧化鈦微粒，制成太陽能薄膜，使捕獲光的效率提高。特別有意義的是，將來可以使太陽能電池材料與油漆或涂料配合，噴涂在建筑物、汽車外殼上，為住宅和機動車提供電能。科學家又試驗用三種不同吸收波段材料疊加在一起，制成光伏電池，使光能轉化率提高到30%以上。

太陽能電池在晚上和陰雨天都不能發電，而在宇宙空間365 天晝夜陽光燦爛。經過科學家們的研究，認為隨著光伏發電系統的實用化，建造太空電站的條件已經成熟。太空太陽能電站的電力可以用微波方式送到地球，再轉換成電能。隨著航天技術的進一步發展，專家們預計，到2020 年，地球人建造的第一座太空光伏實驗電站將升空發電，與此同時，地面太陽能發電的瓶頸也將得以解決。屆時，廉價的太陽能電力就會源源不斷地進入電網，人類對太陽能的利用就進入了新的時代。