一 . 能源革命和納米硅晶

　　我們處在一個(gè)劃時(shí)代的能源技術(shù)革命的前夜。這個(gè)技術(shù)革命的成功將創(chuàng)造人類的新能源利用歷史。

發(fā)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(huán)境污染的問題，對(duì)于維持人類生存及生活質(zhì)量至關(guān)重要。太陽(yáng)能的應(yīng)用是解決上述問題的最好選擇，其理由有三：

1太陽(yáng)能源豐富并且是可再生的；

2清潔且不會(huì)對(duì)生態(tài)造成影響，或產(chǎn)生污染；

3有現(xiàn)實(shí)可用的生產(chǎn)技術(shù)。

太陽(yáng)是一座聚合核反應(yīng)體，發(fā)射功率為3.8x1026 W。太陽(yáng)輻射的光譜所包括的波長(zhǎng)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(yáng)的總能量為1.8x1018kwh，僅為太陽(yáng)輻射總能量的20億分之一，卻是現(xiàn)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(yáng)的光能、熱能外，風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能，及石化能源均來源于太陽(yáng)能。然而我們一般所稱之太陽(yáng)能利用，主要指熱利用和光電利用兩種。本計(jì)劃所指之太陽(yáng)能利用，特指光電利用太陽(yáng)能。光電利用（或稱“光伏”利用）為太陽(yáng)能利用之核心。而光電利用則以太陽(yáng)能電池之生產(chǎn)為整個(gè)太陽(yáng)能應(yīng)用之最重要核心。

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

太陽(yáng)能電池分以下三種：無機(jī)太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池，以及光化學(xué)太陽(yáng)能電池。有機(jī)太陽(yáng)能電池仍處于早期階段，其轉(zhuǎn)化率很低（低于2%），目前沒有商業(yè)化。光化學(xué)太陽(yáng)能電池目前還在研發(fā)階段，尚未應(yīng)用。目前在應(yīng)用層面上的主流產(chǎn)品全部為無機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池板，目前在市場(chǎng)上可以見到以下三種無機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)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(gè)9（99.999%)純度以上。本材料之市場(chǎng)占有率約為80%以上。故此材料目前為太陽(yáng)能電池之主流材料。

　　2.非晶硅：一般制成薄膜電池。制作太陽(yáng)能電池約占市場(chǎng)的10%至15%。

　　3.其它無機(jī)半導(dǎo)體薄膜：目前尚處小批量制作階段。市場(chǎng)占有率約5至10%。

以上太陽(yáng)能電池之所以不能代替現(xiàn)有能源,成為能源供應(yīng)的主流,主要的瓶頸是： (1}價(jià)格太貴；  (2) 光電轉(zhuǎn)換效率太低。

 下表給出當(dāng)前太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換率。

可以看出,這兩代産品光電轉(zhuǎn)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(yīng)用之限制因子。

另外,薄膜電池之應(yīng)用仍受效率及光照容忍性/穩(wěn)定性之限制。美國(guó)太空總署之太陽(yáng)能電池在衛(wèi)星之應(yīng)用，在90年代采用了數(shù)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(yīng)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(zhǎng)期的使用記錄。而將來若大量生產(chǎn)薄膜電池，原材料的供應(yīng)不足將使另一個(gè)必須考慮的因子。

納米硅晶的出現(xiàn)解決了這個(gè)瓶頚。

　　1. 納米硅晶的光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到了40—50%。

　　2. 納米硅晶電池的造價(jià)為現(xiàn)代主流産品—多晶硅電池的五分之一。

　　3. 納米硅晶,由于進(jìn)入量子級(jí),可以吸收和轉(zhuǎn)化紅外光,紫外光,以及太陽(yáng)光譜中的所有光。也就是說,陰天,下雨,納米太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能技術(shù)的一個(gè)大革命。

綜如上述,納米硅晶以其高轉(zhuǎn)換率,低價(jià)位,成為當(dāng)代太陽(yáng)能利用的最佳選擇。

二.納米硅晶的原理和技術(shù)

(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(jìn)入量子力學(xué)的適用范圍,我們稱其為量子點(diǎn),這時(shí)的物質(zhì)具有波、粒二重性,呈現(xiàn)所有微觀世界的屬性和特點(diǎn)。

1. 一個(gè)光子可產(chǎn)生數(shù)個(gè)載流子（Exctions）

 

在最近二年內(nèi)，實(shí)驗(yàn)證明在量子點(diǎn)時(shí)一個(gè)高能光子可以產(chǎn)生數(shù)個(gè)移動(dòng)的電子出來。此在傳統(tǒng)太陽(yáng)能材質(zhì)是無法做到的。如前述，一般材質(zhì)如帶隙適當(dāng)，最多只能產(chǎn)生一個(gè)電子一電洞組合。而產(chǎn)生的一個(gè)電子（Exction），也常會(huì)因與臨近原子之撞擊，或其它阻力而停止其流動(dòng)之壽命，即電流在達(dá)到電池之電極時(shí)便中止了。此也造成傳統(tǒng)電池材質(zhì)低效率之因。

最近,對(duì)量子點(diǎn)電池之實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)高能之光子，最高可產(chǎn)生7個(gè)載流子。即,一個(gè)光子可以打出7個(gè)電子來。

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

 

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池僅能吸收某一特定光譜范圍的太陽(yáng)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(yáng)能經(jīng)過大氣層后的光譜（以AM1.5總輻射光譜為例）能量分布為：