光伏神灯照万家
作者：文/曹虎????来自：科学大众杂志社????点击数：6547
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???30亿年的光伏电池
???绿色是地球生命的特征，绿色植物通过光合作用，将太阳能转变成化学能，贮存在淀粉、脂肪和蛋白质等有机物中。于是，地球上的生物便有了生活之源。生产者——消费者——分解者的物质循环，给大自然带来了勃勃生机，动物和人也有了生存的空间。为什么生命的轮回要从植物开始？秘密全在植物中的叶绿素。
???1864年，德国科学家萨克斯将绿色的叶片首先在暗处放置几个小时，以消耗掉叶中的营养物质，然后一半遮光，另一半曝光，再用碘蒸气处理，结果证明绿叶的光合作用会产生淀粉。他追根究底，接着又发现了光合作用来自于叶绿体。20世纪初，科学家维尔斯台特又弄清了叶绿素的分子结构，这时候人们才对光合作用有了本质的认识。
???原来，分布在叶绿体片层薄膜上的叶绿素，不仅能吸收光，还能使光能转换成电能。受光激发产生的电子流，经过一系列的传递，交给了一种带正电的有机物。失去电子的叶绿素则变成了强氧化剂，使水氧化成氧分子和氢离子，叶绿素从水中获得电子并恢复常态之后，继续进行失得电子的循环，这些电子流就是电能。植物学家揭示了叶绿素将光能变成电能，再由电能变成化学能的秘密，却忽视了叶绿素能将太阳能变成电能的奇迹。叶绿素是大自然创作的光伏电池，从地球上出现蓝藻开始，这种光伏电池已经运行了30亿年。而人类制造出第一只光伏电池，却是在20世纪50年代的后期。
???半导体光伏发电原理
???光伏打电池，也称作太阳能电池，实际上是一只半导体二极管。当它吸收光子后，半导体内的电子就从一端跃到另一端，在中间形成电子和空穴。电子和空穴分别移向电池的两极，便产生了电压差。电流流向灯具，灯具就光芒四射了，而多余的电能则贮存在电池中。光伏电池每一个单元产生的电流是有限的，所以，实用的光伏电池必须由很多单元组合，才能保证有足够的电力。
???为了提高光电转换效率，通常采用多质结电池，也就是将两个或多个太阳能电池组成一个系列。目前，多质结太阳能实验电池的效率最高已达32%。问题是单晶硅价格很高，在加工过程中损耗又很大，目前的生产水平是生产1KW（千瓦）的合格模件，要消耗10Kg的高纯晶体硅，这使得光伏电池的生产成本一直居高不下。由于单晶硅的光吸收系数低，成本又高，现在科技人员便采用沉积法，在基质上沉积出0.5微米的硅薄膜，再用它制成像叶绿体的片层结构式电池。这种薄膜晶体硅太阳能电池，光电效率为15%，单片功率1KW，性能稳定可靠，已达到实用化水平。如江苏无锡尚德太阳能电力有限公司生产的太阳能电池和组件，使用寿命长达几十年，生产规模30MW（兆瓦），是我国目前最大的光伏电池生产商。
????为了进一步降低成本，科学家又用掺氢和其他杂质的方法，生产出了非晶硅太阳能光伏材料。这种材料沉积温度低，可以在玻璃、不锈钢和塑料基质上，生成1平方米的大型模板，可组装出20MW的大型光伏发电系统。但目前的商品组件光电效率只有10%，需要把效率提高到15%~20%，才能使其成为太阳能电站的理想光伏发电材料。
???百万光伏屋顶生辉
???在清洁能源中，除水能、风能、地热能、自然冷能和核能外，太阳能是最洁净的能源。随着光伏发电的实用化，为了减少温室气体的排放，许多发达国家都盯上了光伏电池。早在1990年，德国政府就在千家屋顶安装了1~5KW的光伏发电系统。光伏发电，无声无息，也不排放烟尘和废气，并入电网后又不怕长时间的阴雨，几十年的使用寿命又抵消了较高的安装费，故此深受用户欢迎，只用了几年时间就发展到将近50MW。美国为了实现2010年减少7%的温室气体的排放目标，实施了“百万太阳能屋顶计划”，要在学校、机关、商业中心和住宅，安装100万套太阳能发电系统，容量为3?025MW，这相当于5个中等火力电厂。专家估计，由于规模效应，光伏电价也会从现在的每度电15美分，降至每度电7美分。
???日本是个能源缺乏的岛国，从20世纪70年代石油危机开始，就投入了大量的财力和人力研究光伏发电，在连续几个五年计划的能源项目中，也把利用太阳能作为重点。全球10大太阳能电池厂日本占有4家，光伏组件的产量居世界第一，光伏屋顶也连年增加，从农村试点向城市发展，到2010年将安装100套光伏发电系统，其中50万套用于独立发电供应乡村。科学家们认为，光电与常规电竞争的临界值是每瓦3美元，预计到2010年就能实现，届时，千千万万的用户屋顶便会靓丽生辉了。
???光明工程边疆喜洋洋
???2002年10月，我国神舟5号载人飞船发射升空，进入预定轨道后，飞船张开了两扇闪闪发亮的“翅膀”，这便是我国科学家自行设计制造的光伏电池板。中国的能源向来以煤为基础，但是燃煤对环境污染十分严重，这使我国一直戴着二氧化碳排放大国的帽子。为了切实执行蒙特利尔环境议定书，减少温室气体的排放，我国一直在进行清洁能源的研究，太阳能利用就是其中的一项。我国现在虽有4条单晶硅太阳能电池生产线，2条非晶硅太阳能电池生产线，而且从1973年开始，光伏电池也已应用于航标灯，但规模不大，年产光伏电池才4MW，跟发达国家相比有很大的距离。然而走遍中国的城乡，屋顶遍布的却都是太阳能热水器，这种实用的光能利用装置是中国特有的城乡风景线，堪称世界第一。
???加入WTO后，我国成了世界贸易组织的一员，在开发大西北的热潮中，许多国家的太阳能电池厂商都十分看好我国的光伏发电市场，并且纷纷抛出捐赠的绣球。继荷兰政府向新疆赠送价值1500万美元的10万套用户光伏发电系统后，日本、美国和欧洲的一些光伏电池公司也相继解囊相赠，接连启动示范项目。虽然，捐赠都有其商业目的，但是在客观上却推动了我国光伏发电事业的发展。为了解决边疆人民的用电，我国制定了“光明工程”计划。到2005年，西北地区的光伏发电容量已经达到100MW，通过与风力发电互补，解决了800万人的照明和用电。按计划，我国在2010年要使边疆的2000万少数民族和牧民摆脱无电状态，用上太阳能光伏电池。光伏发电给边疆带来了光明，给牧民带来了希望，大大缩短了东西部地区发展的差异。
???光伏技术再展新貌
???技术发展无止境。进入21世纪后，在科学家的努力下，光伏发电技术不断进步。科学家将光伏发电同建筑组建结合在一起，研制出不同型号的光伏建筑一体化材料，有屋顶、窗户、遮阳板、屋檐、护栏和外墙等。这些组件色彩多样，与建筑环境相统一，既是建材又能发电，还降低了造价，实现了发电、建筑和环保三丰收。特别是科学家设计的光伏玻璃幕墙材料，色彩斑斓，选择的余地也很大，不但减轻了楼宇的自重，还特别环保。如新建的瑞士联邦银行大楼，屋顶和外墙都采用一体化材料，使光伏系统的造价下降到每瓦6美元，成为21世纪绿色建筑的典范，指引着建筑发展的方向。为了实现绿色奥运的承诺，我国北京2008年奥运会的鸟巢工程场馆，也将安装无锡尚德电力公司的光伏发电系统，这标志着我国的绿色能源技术开始在节能建筑上使用。
???前文提到，硅材料的高价位，一直是制约光电技术发展的瓶颈。于是，科学家新研制出了一种硅的替代品——燃料敏化半导体材料和导电聚合物材料。特别是聚合物材料是一种有机半导体，成本低，易加工，但光电转换效率不理想。科学家们开动脑筋，对有机导电薄膜材料开展研究，最近终于取得了突破。他们在导电塑料溶液中加入纳米粒子，用类似喷墨打印的方法，将溶液喷到一个平面上，自组装成太阳能电池的基本单元，或在导电塑料中加入二氧化钛微粒，制成太阳能薄膜，使捕获光的效率提高。
???特别有意义的是，将来可以使太阳能电池材料与油漆或涂料配合，喷涂在建筑物、汽车外壳上，为住宅和机动车提供电能。科学家又试验用三种不同吸收波段材料叠加在一起，制成光伏电池，使光电转化率提高到30%，但这种材料价格十分昂贵，仅能用在航天器等高科技领域，民用产品暂时还不能使用。
???太阳能电池在晚上和阴雨天都不能发电，而宇宙空间内365个昼夜都是阳光灿烂的。早在上世纪60年代，就有科学家提出建造太空太阳能电站的设想。科学家经过研究认为，随着光伏发电系统的实用化，建造太空电站的条件已经成熟。太空太阳能电站的电力可以采用微波发送的方式传输到地球上，然后再转换成电能。随着航天技术的新发展，专家们预计到2020年，地球人建造的第一座太空光伏实验电站将会升空发电，届时人类对太阳能的利用也必将进入了一个全新的时代。
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