太阳能电池转换极限在哪里？

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太阳能电池转换极限在哪里？
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2010年07月06日    来源：《中国能源报》   孙崇泉

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朱晓阳（音译）博士发现了一种可极大提高太阳能电池效率的方法。

　　

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编者按

　　人类应如何逐步摆脱对化石燃料的依赖？这是世界各国政府和科学家一直致力于解决的问题。可再生能源无疑是替代化石燃料的首选，而太阳能作为一种易获得、储量丰富的可再生能源，是研究人员努力发掘的焦点。然而太阳能电池转化效率低下却始终是人类利用太阳能的拦路虎。目前，常规太阳能电池最高转换效率仅为30%左右。但这一现状马上就会有革命性的突破。美国研究人员最近在太阳能电池技术上的新突破可能会让太阳能电池的转换效率连跳两级，从现在的30%直接增加到66%！

　　近日，在《科学》杂志上，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的化学家朱晓阳（音译）博士，通过对半导体纳米晶粒（又称量子点）的最新研究后表明，常规太阳能电池的转换效率可由现在的30%的极限效率提高到超过60%。


$ p- T% d) ^5 e　　束缚太阳能电池发展原因

　　太阳能电池的转换效率之所以会有如此飞越，是因为科学家发现了一种可以有效捕获在常规太阳能电池中以热能形式损耗掉的高能量太阳光的方法。目前使用中的大多硅太阳能电池最大转换效率仅为约31%，那是因为太阳光照射在太阳能电池上时，太阳光线中有很多能量太大以致于不能转换为可使用的电能，这些能量即以所谓的“热电子”的形式、以热能的方式损耗。
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　　如果这些高能太阳光线，即热电子能够被捕获，那么太阳光向电能的转换效率从理论上来说就可以提高到66%。德克萨斯大学材料化学中心的负责人、化学教授朱博士说，他们将转换效率如此惊人的太阳能电池称为“终极的太阳能电池”。而要制造出这样的电池，需要几个步骤。首先，热电子的冷却速度需要放缓；其次，在这些热电子失去它们所有能量之前，要能够将其俘获并尽快地使用。
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　　量子点解决难题
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6 c  b/ r! `- Q5 t! C8 ^　　朱博士介绍说，半导体纳米晶粒或量子点恰好可以满足上述利用“热电子”的要求，因为首先量子点可以让热电子释放热量的速度变慢，这一点在许多研究机构中已经得到证明。在2008年度《科学》杂志的一篇论文中，来自芝加哥大学的一个研究小组的研究成果表明，在胶状半导体纳米晶粒中可以确信能够达到热电子冷却速度减缓这一目的。而现在朱博士的研究小组已经解决了这个问题的关键第二步，即如何获得并利用这些热电子。

　　德州大学的研究发现，热电子可以由光激励硒化铅纳米晶粒中转移到二氧化钛组成的电子导体上，而二氧化钛电子导体目前已经被广泛应用，十分容易获取。
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' z! N" I& Q/ ^6 I1 H　　“如果我们能够取出这些热电子，那么我们可以让其为我所用。这种热电子转移方式的证明，表明了高效热载流子太阳能电池不再仅仅是一个理论上的概念，而同时也具有实验上的可能性。”朱博士介绍。尽管此次研究人员使用的是硒化铅量子点，但朱博士表示，他们的方法对其他的量子点材料也同样适用。

　　朱博士同时提醒人们，这仅仅是科学的一小步，人们还需要更多科学以及工程上的研究才能制造出一个转换效率高达66%的太阳能电池。

5 K3 w2 V% n+ U+ a　　另外值得一提的是，目前朱博士等人正致力于解决这一科学难题的第三个方面：将热电子连接到电导线。

　　朱博士说：“即使我们能从太阳能电池中取出这些热的、快速运动的电子，但是它们在连接导线上同样会以热能形式损失。因此我们下一步的目标就是调整连接到电导线的界面化学特性，以最大限度地减少这部分的额外能量损失。我们希望最大程度地获得太阳光线中的能量，这就是终极太阳能电池。”整个研究项目由美国能源部提供资金支持。


, D( A9 c7 v; i# S: X& s- t# e. Z　　外界反响热烈
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1 n+ f' Z: z. Q; {　　朱博士这一技术上的成就也让整个能源领域眼前一亮。有专家表示，这一进步是十分振奋人心的。相对于化石燃料发电，目前硅太阳能电池的成本过高，在没有大量的政府补贴情况下，利用太阳能发电的成本偏高。随着太阳能电池效率的提高，以及与化石能源相对持平或更低的电池生产成本，人类即将提前进入太阳能时代。化石燃料让人类付出了严重的环境代价，研究人员表示，随着科技的进步，有理由相信50年之内将百分之百地全部利用太阳能。

( n  B" f; q, Q2 a, l$ u, M' U' x3 K　　除了可再生能源行业外，即使与可再生能源相对的化石燃料行业的工作人员也为朱博士的研究鼓掌。一位美国石油行业普通工作人员柯蒂斯表示：“作为一个在石油工业及传统的下游工业时代的受益者，我为朱博士和他的合作伙伴而鼓掌！我们需要进行这种研究，先设置好一个实际的可再生能源目标，然后找出解决挡在前面的难题的办法。”
　　《中国能源报》 (2010-07-05 第11版)