一 . 能源革命和納米硅晶

　　我們處在一個劃時代的能源技術革命的前夜。這個技術革命的成功將創造人類的新能源利用歷史。

發展可再生新能源可以解決石化能源的枯竭，全球變暖的影響，以及環境污染的問題，對于維持人類生存及生活質量至關重要。太陽能的應用是解決上述問題的最好選擇，其理由有三：

1太陽能源豐富并且是可再生的；

2清潔且不會對生態造成影響，或產生污染；

3有現實可用的生產技術。

太陽是一座聚合核反應體，發射功率為3.8x1026 W。太陽輻射的光譜所包括的波長為10pm至10km，其中99%的能量集中在276nm至4960nm之間。地球年接受太陽的總能量為1.8x1018kwh，僅為太陽輻射總能量的20億分之一，卻是現在人類消耗能量的12000倍！！！

在人類使用的能源中，除直接用太陽的光能、熱能外，風能、水能、生物質能，及石化能源均來源于太陽能。然而我們一般所稱之太陽能利用，主要指熱利用和光電利用兩種。本計劃所指之太陽能利用，特指光電利用太陽能。光電利用（或稱“光伏”利用）為太陽能利用之核心。而光電利用則以太陽能電池之生產為整個太陽能應用之最重要核心。

在1988至1994年間，全球太陽能利用之成長率，每年平均在 15％至20%間。而全球太陽能電池產業1994—2004年10年里更增長17倍。而2005及2006年之光電利用，每年均以接近39%之成長率增加。今后太陽能利用之急速增長，將可預期。

太陽能電池分以下三種：無機太陽能電池，有機太陽能電池，以及光化學太陽能電池。有機太陽能電池仍處于早期階段，其轉化率很低（低于2%），目前沒有商業化。光化學太陽能電池目前還在研發階段，尚未應用。目前在應用層面上的主流產品全部為無機半導體太陽能電池板，目前在市場上可以見到以下三種無機半導體太陽能電池板：

  1.晶體硅：含單晶硅、多晶硅二種。其硅晶之純度需求為5個9（99.999%)純度以上。本材料之市場占有率約為80%以上。故此材料目前為太陽能電池之主流材料。

　　2.非晶硅：一般制成薄膜電池。制作太陽能電池約占市場的10%至15%。

　　3.其它無機半導體薄膜：目前尚處小批量制作階段。市場占有率約5至10%。

以上太陽能電池之所以不能代替現有能源,成為能源供應的主流,主要的瓶頸是： (1}價格太貴；  (2) 光電轉換效率太低。

 下表給出當前太陽能電池的光電轉換率。

可以看出,這兩代産品光電轉換率都很低,多晶硅又很貴,笫二代的薄膜電池光電效率則較硅晶電池更差。為了增加光電效率，薄膜電池可采用多層重疊。但多層薄膜電池之做法，又提高了電池的成本。此種情況常造成薄膜電池應用之限制因子。

另外,薄膜電池之應用仍受效率及光照容忍性/穩定性之限制。美國太空總署之太陽能電池在衛星之應用，在90年代采用了數次薄膜電池（取其重量輕之利）后，在2000年后又回到硅晶電池之應用，便是一例。

多層重疊薄膜電池的新組合電池材料，尚未有長期的使用記錄。而將來若大量生產薄膜電池，原材料的供應不足將使另一個必須考慮的因子。

納米硅晶的出現解決了這個瓶頚。

　　1. 納米硅晶的光電轉換率達到了40—50%。

　　2. 納米硅晶電池的造價為現代主流産品—多晶硅電池的五分之一。

　　3. 納米硅晶,由于進入量子級,可以吸收和轉化紅外光,紫外光,以及太陽光譜中的所有光。也就是說,陰天,下雨,納米太陽能電池也可以照常工作,這從根本上解決了一些特殊用戶,如太陽能汽車的最大困難。

　　4. 納米硅晶可以以隨意的形狀噴涂在各類建筑物,靣板,甚至于服裝上,這將是太陽能技術的一個大革命。

綜如上述,納米硅晶以其高轉換率,低價位,成為當代太陽能利用的最佳選擇。

二.納米硅晶的原理和技術

(一)原理和特色

電池用納米硅晶的顆粒在1—10納米之間,巳進入量子力學的適用范圍,我們稱其為量子點,這時的物質具有波、粒二重性,呈現所有微觀世界的屬性和特點。

1. 一個光子可產生數個載流子（Exctions）

 

在最近二年內，實驗證明在量子點時一個高能光子可以產生數個移動的電子出來。此在傳統太陽能材質是無法做到的。如前述，一般材質如帶隙適當，最多只能產生一個電子一電洞組合。而產生的一個電子（Exction），也常會因與臨近原子之撞擊，或其它阻力而停止其流動之壽命，即電流在達到電池之電極時便中止了。此也造成傳統電池材質低效率之因。

最近,對量子點電池之實驗發現一個高能之光子，最高可產生7個載流子。即,一個光子可以打出7個電子來。

　　　2. 可控制吸收之光譜范圍 (Controllable wavelengths)

 

傳統的太陽能電池僅能吸收某一特定光譜范圍的太陽光。然而用納米硅晶所制的薄膜電池，只要變化粒徑組成，便可涵蓋所有的光譜。

太陽能經過大氣層后的光譜（以AM1.5總輻射光譜為例）能量分布為：