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。

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。

1. 一个光子可产生数个载流子（Exctions）

 

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。

　　　2. 可控制吸收之光谱范围 (Controllable wavelengths)

 

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：