一 . 能源革命和纳米硅晶
我们处在一个划时代的能源技术革命的前夜。这个技术革命的成功将创造人类的新能源利用历史。
发展可再生新能源可以解决石化能源的枯竭,全球变暖的影响,以及环境污染的问题,对于维持人类生存及生活质量至关重要。太阳能的应用是解决上述问题的最好选择,其理由有三:
1太阳能源丰富并且是可再生的;
2清洁且不会对生态造成影响,或产生污染;
3有现实可用的生产技术。
太阳是一座聚合核反应体,发射功率为3.8x1026 W。太阳辐射的光谱所包括的波长为10pm至10km,其中99%的能量集中在276nm至4960nm之间。地球年接受太阳的总能量为1.8x1018kwh,仅为太阳辐射总能量的20亿分之一,却是现在人类消耗能量的12000倍!!!
在人类使用的能源中,除直接用太阳的光能、热能外,风能、水能、生物质能,及石化能源均来源于太阳能。然而我们一般所称之太阳能利用,主要指热利用和光电利用两种。本计划所指之太阳能利用,特指光电利用太阳能。光电利用(或称“光伏”利用)为太阳能利用之核心。而光电利用则以太阳能电池之生产为整个太阳能应用之最重要核心。
在1988至1994年间,全球太阳能利用之成长率,每年平均在 15%至20%间。而全球太阳能电池产业1994—2004年10年里更增长17倍。而2005及2006年之光电利用,每年均以接近39%之成长率增加。今后太阳能利用之急速增长,将可预期。
太阳能电池分以下三种:无机太阳能电池,有机太阳能电池,以及光化学太阳能电池。有机太阳能电池仍处于早期阶段,其转化率很低(低于2%),目前没有商业化。光化学太阳能电池目前还在研发阶段,尚未应用。目前在应用层面上的主流产品全部为无机半导体太阳能电池板,目前在市场上可以见到以下三种无机半导体太阳能电池板:
1.晶体硅:含单晶硅、多晶硅二种。其硅晶之纯度需求为5个9(99.999%)纯度以上。本材料之市场占有率约为80%以上。故此材料目前为太阳能电池之主流材料。
2.非晶硅:一般制成薄膜电池。制作太阳能电池约占市场的10%至15%。
3.其它无机半导体薄膜:目前尚处小批量制作阶段。市场占有率约5至10%。
以上太阳能电池之所以不能代替现有能源,成为能源供应的主流,主要的瓶颈是: (1}价格太贵; (2) 光电转换效率太低。
下表给出当前太阳能电池的光电转换率。
太阳能电池种类
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实验室效率
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实际应用效率
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第一代太阳能电池 (硅晶电池)
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多晶硅
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23 – 25%
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14 – 17%
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单晶硅
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18 – 20%
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13 – 15%
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第二代太阳能电 池
(薄膜电池)
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非晶薄膜(a-Si)
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12 -13%
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5 – 9%
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CdTe
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11 – 17%
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8 – 10%
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CIGS/CIS
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18 – 19%
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9 – 12%
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GaAs
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20 -30%
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-------
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薄膜晶硅
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20 – 22%
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7 – 9%
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可以看出,这兩代産品光电转换率都很低,多晶硅又很贵,笫二代的薄膜电池光电效率则较硅晶电池更差。为了增加光电效率,薄膜电池可采用多层重叠。但多层薄膜电池之做法,又提高了电池的成本。此种情况常造成薄膜电池应用之限制因子。
另外,薄膜电池之应用仍受效率及光照容忍性/稳定性之限制。美国太空总署之太阳能电池在卫星之应用,在90年代采用了数次薄膜电池(取其重量轻之利)后,在2000年后又回到硅晶电池之应用,便是一例。
多层重叠薄膜电池的新组合电池材料,尚未有长期的使用记录。而将来若大量生产薄膜电池,原材料的供应不足将使另一个必须考虑的因子。
纳米硅晶的出现解决了这个瓶頚。
1. 纳米硅晶的光电转换率达到了40—50%。
2. 纳米硅晶电池的造价为现代主流産品—多晶硅电池的五分之一。
3. 纳米硅晶,由于进入量子级,可以吸收和转化红外光,紫外光,以及太阳光谱中的所有光。也就是说,阴天,下雨,纳米太阳能电池也可以照常工作,这从根本上解决了一些特殊用户,如太阳能汽车的最大困难。
4. 纳米硅晶可以以随意的形状喷涂在各类建筑物,靣板,甚至于服装上,这將是太阳能技术的一个大革命。
综如上述,纳米硅晶以其高转换率,低价位,成为当代太阳能利用的最佳选择。
二.纳米硅晶的原理和技术
(一)原理和特色
电池用纳米硅晶的颗粒在1—10纳米之间,巳进入量子力学的适用范围,我们称其为量子点,这时的物质具有波、粒二重性,呈现所有微观世界的属性和特点。
在最近二年内,实验证明在量子点时一个高能光子可以产生数个移动的电子出来。此在传统太阳能材质是无法做到的。如前述,一般材质如带隙适当,最多只能产生一个电子一电洞组合。而产生的一个电子(Exction),也常会因与临近原子之撞击,或其它阻力而停止其流动之寿命,即电流在达到电池之电极时便中止了。此也造成传统电池材质低效率之因。
最近,对量子点电池之实验发现一个高能之光子,最高可产生7个载流子。即,一个光子可以打出7个电子來。
传统的太阳能电池仅能吸收某一特定光谱范围的太阳光。然而用纳米硅晶所制的薄膜电池,只要变化粒径组成,便可涵盖所有的光谱。
太阳能经过大气层后的光谱(以AM1.5总辐射光谱为例)能量分布为:
太阳光波长(nm)
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能量分布(%)
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叙述
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0—350
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1.25
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不可见光(紫外线光
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350—900
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66.85
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400-760nm为可见光
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900—1600
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23.75
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>760nm为红外线光
(不可见光)
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>1600
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8.15
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一般太阳能电池材质,仅能吸收某一特定范围之光谱。虽然目前薄膜电池可采叠层以增加光谱之涵盖率,但仍无法完全涵盖。,纳米晶体太阳能电池之光谱涵盖率,则可由晶粒大小来调整。故同一材质便可涵盖所有光谱范围。尤其是阴雨天,传统太阳能电池常失效。但在阴雨天,太阳之不可见光仍能透过云层抵达地面。所以纳米晶体电池仍能发挥作用。此也是传统电池无法达到的。一般而言,小的量子点吸收较短的光波(例如蓝光、紫光,或紫外线等),而大的量子点吸收长波,包含红外线波。目前尚在进行研发的是量子点的形状亦可影响波长的吸收。纳米硅晶在2nm以下,可吸收紫外光。当直径小于3.5nm时,太阳的蓝光至紫外光可有效吸收。而红光及红外光部分在7—10nm可有效吸收。如此,在纳米硅晶所制的薄膜电池,只要变化粒径之组成,便可涵盖所有的光谱。甚至阴雨天也可吸收到达地面之不可见光。
传统半导体材料的带隙能量固定,而产生电流的太阳光子(Photon)必须正好有符合的能量以移动材质中的价电子(Valence electron)。如果光子能量少于带隙能量,则此太阳能便穿透材质而不产生电流,部分太阳能转为热能而材质发热而不发电。如果此光子能量大于带隙能量太多,则多余之能量亦发热。顶多一个光子仅能产生一个载流子(电子),其余能量均浪费掉。这是在传统太阳能电池中太阳能损失高达70%的原因。而如果用量子点材料做太阳能电池,就可以调整带隙以满足能量转换的需要。
量子点因径粒小,可紧密地三维排列。因此造成电子耦合(electronic Coupling)效应并形成小隙带(minibands)。这种现象促成电子可作长程传导而不在材质内寿命终止,常称为热电子传导效应。另一种效应为撞击离子化(Impact Ionizaion)。这种效应使得一个载流子有可能激发出多个电子,故增加电流量。
量子点产品可以做成多种形状,例如柱状、毛穗状、管状等,也可以涂在任何形状的表面如玻璃窗,屋瓦表面,汽车表面,甚至衣服表面等等。这些产品形状之多样性(Versatile in form)也是其它太阳能电池所没有的优点。
因纳米硅晶之高效吸收率,一般不用如传统式的叠层薄膜需数层以达效果。因其巨导电性及电流方向之可控性,传统pn结之电池做法亦可免除。而因纳米晶体尚有其它特性,故尚可作其它应用,例如:
·LED; ·激光; ·放大器; ·生物监测仪;
·量子计算机;·医学用途(如癌细胞之检测);·等等
(二)生产技术
1. 纳米硅晶的传统工艺技术:
⑴物理气相沉积法(physical vapor deposition,简称PVD);
⑵ 化学气相沉积法(chemical vapor deposition,简称CVD);
⑶ 脉冲激光沉积法(pulse laser deposition,简称PLD);
⑷ 化学溶胶—凝胶法(Sol—Gel);
⑸ 电沉积法。
以上诸法,生产工艺复杂而昂贵,直到最近开发成功湿化学法生产纳米硅晶,其工艺简单,制造成本低廉,使纳米硅晶进入实用阶段的曙光已现。
目前在实验室已经能够采用湿化学法成功制造出纳米硅。本项目的实验室工艺是在钛容器中,先将长链碳氢化物(作为反应之Ligand)与某种有机物溶剂先混合加热。其次再加入纯硅原子。此硅原子成长为所需粒径尺寸之硅量子点。其粒子之尺寸可轻易由Ligand浓度控制。在上述硅晶粒子成长定形后,将有机物溶剂蒸发回收即可得到纯纳米硅晶。此硅晶粒子大小一般控制在100-2000原子数。
上述过程放大到工业化生产时可分为以下几个单元:配体和溶剂的准备及升温、硅原子的制备及注入、硅晶在反应其中的成长及控制、反应完成后溶剂的蒸发及后处理。目前在实验室阶段,上述各阶段的基本技术参数已经掌握,并获得了控制硅晶尺寸的操作经验,但是对于工业化生产尚需重点解决上述单元操作规模放大以后的稳定性与经济性问题:
具体包括:
1.反应器材料选择——重点在于腐蚀性及寿命评价
2.反应器内均相及反应条件的控制相关技术:包括温度、搅拌等特别 是配体浓度的添加与控制是获得预期尺寸晶粒的关键
3.硅原子的制备技术,大规模生产过程中硅原子的生产及注入方式需进行优化 ,必须保证注入反应体系的硅具有很好的分散性,不能产生局部积聚
4. 后处理工艺是获得产品的关键步骤,规模扩大以后的具体工艺尚需研究,其关键问题在于如何保持溶液状态下获得的晶粒不产生聚集。其与后此工艺的连续性操作也需研究。
5. 这些问题可以在目前实验室阶段得到的参数和经验进行优化设计,并最终获得工业化的工艺参数。
本项目将采用最近开发成功的湿化学法生产纳米硅晶,与上述其它方法相比,在生产费用比较上,以及生产粒径与粒径分配之可控性,以本法最佳。因本法保密关系,仅能做下简单叙述:生产是在钛容器中,温度400-600℃左右,并且在一种有机溶剂和一种长链有机配体存在的条件下进行的。向上述容器中加入纯硅原子,硅晶粒子的尺寸可由配体浓度控制。生产结束后溶剂可以回收再利用。可以根据所需吸收的光谱范围来调配不同尺寸的纳米硅晶。然后可以根据需求制成不同的类型的产品,如不同的形状和设计等。
这种生产方法可以简化传统的多晶硅或单晶硅太阳能电池的生产方法,就可以避免前面讨论过的非常长的传统生产链条如上游、中游和下游的生产厂。这样,生产太阳能电池所需的能源、劳动力、材料以及生产时间就能大为减少。将传统的太阳能电池生产链条上的所有生产厂整合为只有一个工厂。因此太阳能电池的生产成本就能大幅降低。
三.社会经济效益
纳米硅晶投入生产和应用,將会带来巨大的社会经济效益。
近十年来全球太阳能市场每年平均以30%的速度增长。最近在美国百万屋顶计划,德国的一万屋顶计划,以及其他国家诸如日本,澳大利亚,英国以及欧洲国家,其国家太阳能基金的推动下,其国内光伏市场的增长更加迅猛。据统汁,仅美国联邦和州政府十年内将投入的补助将达1000億美元。据计,2007年全球太阳能电池总生产能力为2400兆瓦,但其需求量为5000兆瓦。到了2008年,太阳能电池的总产能将上升到5000兆瓦,而需求量则增长为10000兆瓦。这样的求大于供的现象在2008年以后将维持数年。
目前,日本仍旧是全球最大的太阳能电池供应国(拥有46%的市场占有率),排在第二、三的国家是欧盟(28%)及美国(9%)。中国正逐步成为世界第四大太阳能电池生产国。世界十大太阳能电池生产公司为:Sharp, Q Cells, Kyocera, BP Solar, Sanyo, Mitsubishi Electric, RWE, Shell Solar, Motech, and Suntech(无锡尚德).这10家企业生产了世界大约89%的太阳能电池。
在巨大的太阳能电池需求驱动下,很多现有的太阳能生产企业均在扩大他们的生产规模,很多大型新兴公司同样正在建造大型太阳能电池生产工厂。例如:Sharp(日本)在06年将其生产规模从315MW上升到400MW。太阳能世界AG(德国)2009年准备将其生产规模提高到500MW。太阳能源(美国)2008年准备将其生产规模提高到300MW。能源转换仪器公司(美国)2010年准备将其生产规模提高到300MW。纳米太阳能(美国)2008年将建立一个产能430MW的新工厂。无锡尚德(中国)近期准备将其生产规模提升到240MW。
试想,这样巨大的市场,我们以纳米硅晶代替价格昂贵、制造繁复的多晶硅,双方成本相差5倍,將会获得多么大的经济效益。
我们作过专门的计算,投入$6.6億美元,可建造一个生产纳米硅晶太阳能电池产量400MW的製造厂和一个20 MW的纳米硅晶太阳能示范电厂,这个规模相当于世界第一的日本夏普工厂的产量,但由于其成本低,利润高(年利率超过30%),五年即可回收全部投资。
当前,多晶硅 电池仍为主流产品(占市场80%),随着纳米硅晶的问世,以其低成本、高效率和广泛的应用范围,必将取代多晶硅,成为统治性的主流産品,也就是 说,
如果我们抓着这个契机,国际太阳能数千甚至于数万億美元的市场将为纳米硅晶所占领所控制。
纳米硅晶也可以用于生产其他产品,例如:LED,利用纳米硅晶太阳能电池产生的直接的电流,为用户直接使用,DC到AC的转化也不需要了。LED只需要传统照明系统十分之一的能量,这将是照明系统节能的一次革命,而这一革命在美国已经拉开了序幕,可以预言,纳米硅晶在LED中的应用,亦将获得不亚于太阳能应用的巨大社会经济效益。
纳米硅晶生产,因品质要求,均在洁净环境中完成,尤其是生产主体部分,如生产纳米硅晶之反应罐,均系”密闭系统”,无不当排气及排液,有机溶剂将循环使用,基本实行”零排放政策”。
在节能方面,比起多晶硅的生产耗电量相差极大,是当前太阳能电池生产中最为节能的方法。
纳米硅晶,对中国是更大喜讯。
中国大陸约有28,000个无电村庄,和大约700万户无电户,仅农村和边远地区的濽在市场就有3,000兆瓦。
以目前多晶硅的昂贵的价格,生产制造的耗能和环境污染,在中国无法推广光伏太阳能应用,而纳米硅晶,无论从价格、耗能、无污染等各方面的优点,势将在中国大量普及,带来巨大的社会经济效益。
至于总的社会效益,纳米硅晶的广泛应用,將逐渐代替现有传统能源,从根本上解决石化能源枯竭及环境污染,並使千家万户得到光明。