用太陽(yáng)能照亮世界

肖　嬌　曹建明　徐　林

當(dāng)今世界，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染、資源耗竭等問(wèn)題已經(jīng)引起了社會(huì)廣泛的關(guān)注—全球化石燃料資源儲(chǔ)量十分有限，石油剩余探明儲(chǔ)量中國(guó)約可以使用15年，世界約45年；煤炭剩余探明儲(chǔ)量中國(guó)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(huì)污染環(huán)境，所有這些問(wèn)題給全球帶來(lái)的影響是巨大甚至毀滅性的。

面對(duì)能源危機(jī)，各個(gè)國(guó)家、組織和機(jī)構(gòu)都在尋找可持續(xù)、無(wú)污染的新能源。太陽(yáng)能作為一種開(kāi)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(guó)的廣泛關(guān)注，我國(guó)也在這方面做了大量工作。遺憾的是，許多年過(guò)去了，在人們看來(lái)，似乎太陽(yáng)能發(fā)電一直是一個(gè)距離遙遠(yuǎn)的概念和符號(hào)，可以感覺(jué)到它的美好但又“親近不得”。那么太陽(yáng)能發(fā)電的“門(mén)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(shí)華麗登場(chǎng)呢?這些都是人們想解開(kāi)的迷局……

沙子中的世界

沙子是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)不過(guò)的東西了，它的主要成分是二氧化硅，“硅”是我們這個(gè)星球上儲(chǔ)量最豐富的物質(zhì)之一。自從19世紀(jì)科學(xué)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(yáng)能電池的主要原材料。硅可以通過(guò)石英砂提純得到，當(dāng)硅材料的純度達(dá)到太陽(yáng)能級(jí)硅標(biāo)準(zhǔn)，即99.9999％時(shí)，便可以用來(lái)制作太陽(yáng)能電池。

硅原料經(jīng)過(guò)一系列的處理工藝，得到單個(gè)的太陽(yáng)能電池。由于單個(gè)太陽(yáng)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?，所以將許多單個(gè)的太陽(yáng)能電池通過(guò)一定的方式串、并聯(lián)起來(lái)，便形成了太陽(yáng)能電池組件，最后進(jìn)行封裝就得到可以滿足人們生活需要的太陽(yáng)能電池。

太陽(yáng)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(dāng)器件接收到太陽(yáng)光后，會(huì)在器件內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對(duì)，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(jiǎn)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(yáng)能電池技術(shù)又可以稱為“光伏發(fā)電技術(shù)”。

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

得天獨(dú)厚的太陽(yáng)能電池

地球上所有的能源都可以被認(rèn)為是來(lái)自太陽(yáng)的，地球上所有的生物，也都離不開(kāi)太陽(yáng)。太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，也是對(duì)太陽(yáng)能利用的方式之一。太陽(yáng)能電池在能源領(lǐng)域中，有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)地位：

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

從材料的供給來(lái)看，太陽(yáng)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(shuō)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(yáng)光能量的供給來(lái)看，地球上每年接收的太陽(yáng)輻射能量非常豐沛。在白天標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照條件下，假定發(fā)電效率僅為10％，則整個(gè)地球表面每年可以提供的太陽(yáng)能發(fā)電量相當(dāng)于當(dāng)今整個(gè)世界能耗的100倍。我國(guó)太陽(yáng)能資源也非常豐富，陸地表面每年接收的太陽(yáng)輻射能相當(dāng)于1000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國(guó)108萬(wàn)平方千米荒漠的陽(yáng)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(wàn)億千瓦時(shí)以上，相當(dāng)于目前全國(guó)總用電量的5倍還多。

除此之外，太陽(yáng)能發(fā)電不會(huì)像核能那樣具有輻射傷害危險(xiǎn)，也不會(huì)有核廢料那樣難處理的問(wèn)題；太陽(yáng)能發(fā)電也不會(huì)像三峽水利發(fā)電那樣，可能會(huì)破壞周邊的環(huán)境，帶來(lái)生態(tài)問(wèn)題。在能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，還有什么能源能夠具有太陽(yáng)能這樣多的優(yōu)勢(shì)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(gè)方面：一是為無(wú)電場(chǎng)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(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、路燈和各種草地?zé)艟叩?，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(yáng)能電池首先應(yīng)用于空間場(chǎng)合。我國(guó)1971年首次將太陽(yáng)能電池應(yīng)用于東方紅二號(hào)衛(wèi)星，太陽(yáng)能電池陣是星上電能的直接來(lái)源，如果沒(méi)有太陽(yáng)能電池陣，整個(gè)衛(wèi)星將無(wú)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(yáng)能電池。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)飛船上共使用了11690片電池，系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)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(yùn)行、返回的全過(guò)程中，太陽(yáng)能電池陣是飛船唯一主動(dòng)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(yáng)能建筑——尚德光伏研發(fā)中心大樓在無(wú)錫落成，該樓擁有全球最大的光電幕墻，總面積達(dá)6900平方米。據(jù)了解，該大樓由2552塊太陽(yáng)能電池板組成，能夠自行發(fā)電，設(shè)計(jì)容量達(dá)1兆瓦，年發(fā)電量為100萬(wàn)千瓦時(shí)。每年可替代標(biāo)準(zhǔn)煤300余噸，減排二氧化碳約605噸。

沙漠之光

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

太陽(yáng)能電池現(xiàn)狀與前景

1839年法國(guó)學(xué)者貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的3位科學(xué)家首次制成實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池，當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率僅為6％。我國(guó)從1958年開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池，1971年

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

近幾年來(lái)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(zhǎng)率為45％；2007年全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到3436兆。這幾年來(lái)，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在世界光伏市場(chǎng)的拉動(dòng)下快速成長(zhǎng)：2002年太陽(yáng)能電池產(chǎn)量?jī)H約6兆瓦；2005年達(dá)到145.7兆瓦，年增長(zhǎng)率為191％；2006年達(dá)到370兆瓦，年增長(zhǎng)率為154％，占世界總產(chǎn)量的15％，我國(guó)已經(jīng)成為世界太陽(yáng)能電池的主要供應(yīng)國(guó)之一。在產(chǎn)業(yè)布局上，我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢(shì)。在長(zhǎng)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(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群，并帶來(lái)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(gè)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(jìn)一步提高，光伏產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)也將進(jìn)一步擴(kuò)大，光伏能源在世界一次性能源消費(fèi)中所占的比重將逐漸增加。

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當(dāng)然，我國(guó)光伏行業(yè)的發(fā)展也存在一些問(wèn)題。首先，我國(guó)光伏市場(chǎng)嚴(yán)重滯后于國(guó)外光伏產(chǎn)業(yè)。中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)目前的快速發(fā)展是靠國(guó)外(主要是德國(guó))快速發(fā)展的光伏市場(chǎng)所拉動(dòng)的：其次，我國(guó)太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域“兩頭在外”——生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的原材料95％以上必須從國(guó)外進(jìn)口，而生產(chǎn)出的太陽(yáng)能電池產(chǎn)品95％以上是銷往國(guó)外；此外，國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)沒(méi)有相應(yīng)政策的大力扶持，抗風(fēng)險(xiǎn)能力較差。

光伏的發(fā)展趨勢(shì)

隨著光伏行業(yè)技術(shù)的提高和市場(chǎng)對(duì)整個(gè)行業(yè)需求的增加，太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)將日趨優(yōu)化和完善。比如薄膜電池，即第二代太陽(yáng)能電池——在國(guó)際市場(chǎng)光伏效應(yīng)材料持續(xù)緊張的背景下，薄膜太陽(yáng)能電池已成為光伏市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)和新熱點(diǎn)。薄膜太陽(yáng)能電池本身具備低成本的潛力，因?yàn)樗闹圃靸H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(shí)具有較高的生產(chǎn)能力。第三代太陽(yáng)能電池——包括疊層太陽(yáng)能電池、沖擊離子化太陽(yáng)能電池即量子點(diǎn)電池、多能帶電池、熱載流子電池、多載流子太陽(yáng)電池等等高效的新概念電池。

未來(lái)的光伏

對(duì)于未來(lái)的光伏，人們有著許多美好的設(shè)想：開(kāi)發(fā)具有得天獨(dú)厚優(yōu)勢(shì)的沙漠太陽(yáng)能資源，可以使廣袤的沙漠、戈壁灘為人類做貢獻(xiàn)；太空太陽(yáng)能電站可以不受近地空間自然條件的影響——太陽(yáng)光線不會(huì)被大氣阻攔減弱，沒(méi)有雨、雪、霜、露、云、煙等的影響，也沒(méi)有白天黑夜之分，這樣，太陽(yáng)能電池可以連續(xù)不斷地接受太陽(yáng)光線，并把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，其效率比地球上的太陽(yáng)能電站要高得多；太陽(yáng)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(dāng)作建材，又能發(fā)電，一舉兩得，能夠進(jìn)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(zhēng)已經(jīng)打響，光伏行業(yè)的發(fā)展也蓄勢(shì)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(guó)的光伏能照亮中國(guó)，照亮世界!

責(zé)任編輯趙檸