用太陽能照亮世界

肖　嬌　曹建明　徐　林

當今世界，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染、資源耗竭等問題已經(jīng)引起了社會廣泛的關(guān)注—全球化石燃料資源儲量十分有限，石油剩余探明儲量中國約可以使用15年，世界約45年；煤炭剩余探明儲量中國約可以使用81年，世界約230年。不僅如此，化石能源的燃燒還會污染環(huán)境，所有這些問題給全球帶來的影響是巨大甚至毀滅性的。

面對能源危機，各個國家、組織和機構(gòu)都在尋找可持續(xù)、無污染的新能源。太陽能作為一種開發(fā)潛力巨大的新能源和可再生能源，早已引起了世界各國的廣泛關(guān)注，我國也在這方面做了大量工作。遺憾的是，許多年過去了，在人們看來，似乎太陽能發(fā)電一直是一個距離遙遠的概念和符號，可以感覺到它的美好但又“親近不得”。那么太陽能發(fā)電的“門檻”究竟有多高?遲遲不能產(chǎn)業(yè)化的癥結(jié)在哪里?這種新能源又將何時華麗登場呢?這些都是人們想解開的迷局……

沙子中的世界

沙子是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姴贿^的東西了，它的主要成分是二氧化硅，“硅”是我們這個星球上儲量最豐富的物質(zhì)之一。自從19世紀科學家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了一切，包括人類的思維。硅是電子儀器設(shè)備的核心材料，也是太陽能電池的主要原材料。硅可以通過石英砂提純得到，當硅材料的純度達到太陽能級硅標準，即99.9999％時，便可以用來制作太陽能電池。

硅原料經(jīng)過一系列的處理工藝，得到單個的太陽能電池。由于單個太陽能電池的輸出能量太低，不能滿足我們?nèi)粘Ｉ钪衅餍邓枰碾娏鳌㈦妷褐担詫⒃S多單個的太陽能電池通過一定的方式串、并聯(lián)起來，便形成了太陽能電池組件，最后進行封裝就得到可以滿足人們生活需要的太陽能電池。

太陽能電池之所以能夠發(fā)電，它的工作原理是“光生伏特效應(yīng)”。光生伏特效應(yīng)(如圖1所示)是指當器件接收到太陽光后，會在器件內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對，從而可以形成電流電壓。光生伏特效應(yīng)是描述光子能量轉(zhuǎn)換為電子能量的現(xiàn)象，一般把光生伏特效應(yīng)簡稱為“光伏效應(yīng)”，應(yīng)用了光伏效應(yīng)的器件也稱為“光伏器件”，太陽能電池技術(shù)又可以稱為“光伏發(fā)電技術(shù)”。

太陽能電池發(fā)電的過程是這樣的：電池在太陽光的照射下，吸收了太陽光的能量，通過光生伏特效應(yīng)，在電池中產(chǎn)生了電勢差，如果用導(dǎo)線連接起來，兩端就有了一定的電壓和電流可以用來照明或者播放CD、MP3等電子設(shè)備，這樣就和我們平時所用的鋰離子電池有相同的作用，這也是太陽能電池名稱的由來。

得天獨厚的太陽能電池

地球上所有的能源都可以被認為是來自太陽的，地球上所有的生物，也都離不開太陽。太陽能電池的開發(fā)和應(yīng)用，也是對太陽能利用的方式之一。太陽能電池在能源領(lǐng)域中，有著無與倫比的優(yōu)勢地位：

作為一種新型能源，太陽能電池有著很多化石能源不具備的優(yōu)勢。太陽能電池能量來源于太陽光的能量，使用時不會排放任何污染物質(zhì)，因而不會對環(huán)境造成污染。并且太陽能電池的壽命很長，一般可以穩(wěn)定使用20年～30年，并且這個數(shù)字也將隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷地更新。太陽能電池使用一定年限之后，經(jīng)過一些簡單的工藝提純就可以再利用，不會像化石能源那樣使用后留下廢棄物。

從材料的供給來看，太陽能電池應(yīng)用的主要原材料是硅，硅約占地殼總重量的27.72％，其豐度僅次于氧，可以說是取之不盡，用之不竭，資源豐富，方便利用，并有利于降低材料的成本。從太陽光能量的供給來看，地球上每年接收的太陽輻射能量非常豐沛。在白天標準太陽光照條件下，假定發(fā)電效率僅為10％，則整個地球表面每年可以提供的太陽能發(fā)電量相當于當今整個世界能耗的100倍。我國太陽能資源也非常豐富，陸地表面每年接收的太陽輻射能相當于1000億噸標準煤。我國108萬平方千米荒漠的陽光也很充沛，如果利用1/10的荒漠安裝光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，每年可以發(fā)電10萬億千瓦時以上，相當于目前全國總用電量的5倍還多。

除此之外，太陽能發(fā)電不會像核能那樣具有輻射傷害危險，也不會有核廢料那樣難處理的問題；太陽能發(fā)電也不會像三峽水利發(fā)電那樣，可能會破壞周邊的環(huán)境，帶來生態(tài)問題。在能源和環(huán)境問題日益嚴重的今天，還有什么能源能夠具有太陽能這樣多的優(yōu)勢呢?

光伏發(fā)電的應(yīng)用

光伏發(fā)電產(chǎn)品的應(yīng)用十分廣泛，主要有如下幾個方面：一是為無電場合提供電源、作為備用電源以及微波中繼站電源等；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、路燈和各種草地燈具等，這種路燈不僅節(jié)能，還能凈化空氣，美化環(huán)境；三是并網(wǎng)發(fā)電，和常規(guī)電網(wǎng)一樣，給我們的家庭提供電力資源。除了這些日常生活的應(yīng)用以外，光伏發(fā)電產(chǎn)品在其他方面，尤其在一些高精尖的領(lǐng)域，也發(fā)揮了不可代替的作用。

航空事業(yè)

太陽能電池首先應(yīng)用于空間場合。我國1971年首次將太陽能電池應(yīng)用于東方紅二號衛(wèi)星，太陽能電池陣是星上電能的直接來源，如果沒有太陽能電池陣，整個衛(wèi)星將無法工作。在“神七”飛船上也布置了密密麻麻的單晶硅高效單體太陽能電池。據(jù)統(tǒng)計，整個飛船上共使用了11690片電池，系統(tǒng)通過太陽能電池，把光能轉(zhuǎn)換成電能，源源不斷地輸送到飛船中的其他系統(tǒng)。在飛船發(fā)射、在軌運行、返回的全過程中，太陽能電池陣是飛船唯一主動提供能源的子系統(tǒng)。

建筑行業(yè)

2009年2月，全球最大的單體太陽能建筑——尚德光伏研發(fā)中心大樓在無錫落成，該樓擁有全球最大的光電幕墻，總面積達6900平方米。據(jù)了解，該大樓由2552塊太陽能電池板組成，能夠自行發(fā)電，設(shè)計容量達1兆瓦，年發(fā)電量為100萬千瓦時。每年可替代標準煤300余噸，減排二氧化碳約605噸。

沙漠之光

沙漠由于其嚴酷的自然環(huán)境而一直為人類所敬畏，并避而遠之，極少觸及，然而沙漠中卻蘊涵了豐富的能源。在廣袤無垠的沙漠上建立長方形太陽能發(fā)電站，通過利用這片沙漠上豐富的太陽能源能夠降低碳排放量。比如美國莫哈韋沙漠中的一個太陽能電廠，其利用的裝置上環(huán)繞著中心部分有大量的陽光反射板，它能積聚驚人的太陽能。此系統(tǒng)在我國也得以應(yīng)用——它作為國家支援西部地區(qū)“光明工程”的一部分，為中國西部許多無電家庭提供電力。

太陽能電池現(xiàn)狀與前景

1839年法國學者貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，1954年美國貝爾實驗室的3位科學家首次制成實用的單晶硅太陽能電池，當時的轉(zhuǎn)換效率僅為6％。我國從1958年開始研究太陽能電池，1971年

首次將太陽能電池應(yīng)用于東方紅二號衛(wèi)星上，1973年開始將太陽能電池用于地面設(shè)施。

近幾年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，從2001年到2006年，5年的平均年增長率為45％；2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達到3436兆。這幾年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)在世界光伏市場的拉動下快速成長：2002年太陽能電池產(chǎn)量僅約6兆瓦；2005年達到145.7兆瓦，年增長率為191％；2006年達到370兆瓦，年增長率為154％，占世界總產(chǎn)量的15％，我國已經(jīng)成為世界太陽能電池的主要供應(yīng)國之一。在產(chǎn)業(yè)布局上，我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢。在長三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已經(jīng)形成了各具特色的太陽能產(chǎn)業(yè)集群，并帶來顯著的綜合效益，為世界所矚目。

雖然光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展到了一定的階段，也具有了一定的規(guī)模，但這只是一個起步階段。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，新材料的不斷發(fā)現(xiàn)和利用，光伏電池的效率將進一步提高，光伏產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢也將進一步擴大，光伏能源在世界一次性能源消費中所占的比重將逐漸增加。

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當然，我國光伏行業(yè)的發(fā)展也存在一些問題。首先，我國光伏市場嚴重滯后于國外光伏產(chǎn)業(yè)。中國光伏產(chǎn)業(yè)目前的快速發(fā)展是靠國外(主要是德國)快速發(fā)展的光伏市場所拉動的：其次，我國太陽能光伏領(lǐng)域“兩頭在外”——生產(chǎn)太陽能電池的原材料95％以上必須從國外進口，而生產(chǎn)出的太陽能電池產(chǎn)品95％以上是銷往國外；此外，國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)沒有相應(yīng)政策的大力扶持，抗風險能力較差。

光伏的發(fā)展趨勢

隨著光伏行業(yè)技術(shù)的提高和市場對整個行業(yè)需求的增加，太陽能電池的設(shè)計將日趨優(yōu)化和完善。比如薄膜電池，即第二代太陽能電池——在國際市場光伏效應(yīng)材料持續(xù)緊張的背景下，薄膜太陽能電池已成為光伏市場發(fā)展的新趨勢和新熱點。薄膜太陽能電池本身具備低成本的潛力，因為它的制造僅僅需要少量的高成本活性材料，并且適合完全集成加工，同時具有較高的生產(chǎn)能力。第三代太陽能電池——包括疊層太陽能電池、沖擊離子化太陽能電池即量子點電池、多能帶電池、熱載流子電池、多載流子太陽電池等等高效的新概念電池。

未來的光伏

對于未來的光伏，人們有著許多美好的設(shè)想：開發(fā)具有得天獨厚優(yōu)勢的沙漠太陽能資源，可以使廣袤的沙漠、戈壁灘為人類做貢獻；太空太陽能電站可以不受近地空間自然條件的影響——太陽光線不會被大氣阻攔減弱，沒有雨、雪、霜、露、云、煙等的影響，也沒有白天黑夜之分，這樣，太陽能電池可以連續(xù)不斷地接受太陽光線，并把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，其效率比地球上的太陽能電站要高得多；太陽能發(fā)電與建筑一體化材料構(gòu)成了分布式發(fā)電模式，它既能當作建材，又能發(fā)電，一舉兩得，能夠進一步降低發(fā)電成本，有利于大量推廣應(yīng)用……

能源的戰(zhàn)爭已經(jīng)打響，光伏行業(yè)的發(fā)展也蓄勢待發(fā)，我們有理由相信光伏行業(yè)將在能源史上留下濃墨重彩的一筆，也期待我國的光伏能照亮中國，照亮世界!

責任編輯趙檸