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主题：【原创】有机太阳能：中国发展的的一个战略选择（之一） -- 井底望天
家园 【原创】有机太阳能：中国发展的的一个战略选择（之一） 一
为啥俺要在中国大力推广有机太阳能？那篇关于“太阳能三国演义”的文章已经谈到战略上的意义。
俺的“未来世界之新格局”，立意也在于此。就是人家一方面加强控制新能源的技术和专利壁垒，比如说美国在硅晶体太阳能，德国在精密机械太阳热能等等上面，然后另一方面压制你中国，和传统能源告别，比如说如果允许烧煤的话，中国的煤还可以烧不少年头，把你逼到新能源上面。
那么俺提出的办法，就是要跳出人家为你设下的圈套。跳出来，以夷制夷。就是说抢占新能源和高科技的先发地位。
先谈俺最近亲眼见到的两件事。一个是俺们的研发人员，为了申请专利，去检阅了关于OLED，就是有机光电的专利，发现真是多如牛毛。大概是任何人做梦想到的东西，差不多都被日本鬼子们给申请了。现在有机太阳能上面，还有好大空间，如果中国不努力的话，再混2年，就被别人给玩死了。
第二件是俺一位在欧洲做研发的兄弟，因为由于一个材料要从英国购买。结果看到了他的中文名字，人家说，俺们在中国没有销售渠道，不能卖。兄弟说，俺是在欧洲啊。结果2个月没有下文。结果还要他的一位老外同事出面，才可以搞定。
中国在高速铁路上，有一个聪明的操作，就是投资中国之星的研发。这个研发的意义，不光是对中国未来的高铁技术产权国有化有帮助，而且增加了中国在技术转移谈判上的砝码，直接把西方在技术上的封锁和漫天要价打了下来。
在民用核电方面，中国走的是同样的路，那么这条路子应该在太阳能上面也要实行。那就是不光要利用有机太阳能的先发优势，还要利用这个技术，把西方在其他太阳能技术，比如说高精度硅的提炼上面，把西方的技术封锁和坐地起价的垄断打破。
那么，俺们要回答的是这么两个问题：
第一，有机太阳能是不是确实具有技术上的优势，可以和现有的硅晶体太阳能竞争？
第二，如果答案是肯定的，那么中国有没有可能抢占这个优势？
对这两个问题，答案都是肯定的。
先说第二个问题，现在俺们所知的世界先进水平，大概是4个团队，其中两个在美国，两个在欧洲。
在美国的两个团队，都是走的是大分子有机太阳能方向，英文叫做Polymer Solar Cell。一个团队是由美国加州大学圣塔克拉分校的Alan J. Heeger教授领军，于2001年成立，不过在2005年转做有机太阳能的Konarka公司。Heeger教授本人是科技大牛人，曾于2000年获得诺贝尔化学奖。现在这个团队的总转换率已经做到6.1%。
另一个团队，是由美国加州大学洛杉矶分校的华裔教授杨阳领军，于2006年成立的Solarmer公司。这个公司刚刚宣布他们的转换率达到了6.77%。
在欧洲的两个团队，一个是由德国德累斯顿技术大学Karl Leo教授领军，在2006年成立的Heliatek公司。他们走的是小分子，英文叫Small Melocule的路子。他们现在可以做到5.9%的转换率水平。
第二个团队，就是俺现在关注，主要由海外华人科学家拥有专利，希望能在中国开花结果的团队。因为现在正在从事融资操作，不方便透露这个团队的成员的姓名。但是俺可以保证的是，这个团队的技术道路，和前面三个世界级领先的团队，有不同之处，是开辟了一条全新的道路。在转换率上，基本上和杨阳教授的水平一致。
从这个技术的分布来看，两个华裔技术团队掌握的技术，现在都是出于领先状态。中国没有什么理由，不去抢夺这个技术高地。
二
这里俺就开始回答第一个问题，就是有机太阳能有没有后发的优势？
要了解这个问题，就先要对传统太阳能技术，进行一个简单的介绍。
首先地球上蕴藏的各种化石燃料、水力资源、风能资源都源自太阳对地球的辐照。因此，将太阳能直接转化成电能将是解决能源问题的一个好方案。
太阳能电池将太阳光能直接转化为电能，在发电过程中不需要消耗燃料，没有污染和碳排放，没有活动部件的磨损，是一种清洁的发电方式。但由于目前的太阳能电池制造成本过于高昂，加上生产过程中对自然环境较为严重的污染，太阳能电池还不能广泛应用。
现今的太阳能电池产业诞生于20世纪50年代，源自美国的硅半导体太阳能电池技术。在过去的五十多年中，产业化生产的太阳能电池技术主要可以分为二代；而此外尚有多种“第三代”太阳能光伏发电技术在向产业化努力。
图1 三代太阳能电池（从左到右）：第一代）晶体硅太阳太阳能电池、（第二代）无机薄膜太阳能电池、（第三代）有机太阳能电
第一代太阳能电池以晶体硅太阳能电池为代表，包括多晶硅电池和经过拉晶提纯后的单晶硅制作的电池。1954年，美国的贝尔实验室发明了晶体硅太阳能电池。经过多年的发展，虽然与晶体硅太阳能电池相关的技术有许多进步，但其基本原理——通过氧化再还原提纯硅料的办法没有改变。由于必须采用高纯度的硅片，晶体硅太阳能电池的制造过程中能耗高、污染高。再加上复杂的工艺、昂贵的生产设备以及生产过程中的大量能量消耗，若无大力度的政府补贴，晶体硅电池很难与传统能源竞争。
而为一些企业所推崇的“物理法”（也称冶金法）硅料提纯工艺，虽然从原理上看能相对于传统生产方法（改良西门子法等）降低成本，但这种生产工艺仍有大量问题没有解决。而且，冶金法仍以初硅为原材料，初硅生产过程中的高能耗和高污染依旧不可避免。
综合以上原因，目前晶体硅太阳能电池的售价在20元以上，而且多数利润掌握在国外硅料供应商手中。从中期看（十年左右），晶体硅太阳能电池的价格下降空间并不大。
第二代太阳能光伏技术，是通过气相沉积法制造的无机半导体薄膜电池。用于沉积无机半导体的透明电极基片可以是玻璃基片，也可以是柔性基片。第二代太阳能电池实现了较低的生产成本，但与第一代的晶体硅电池相比，无机薄膜太阳能电池的光电转换效率偏低，而且往往还光照下还会发生效率的衰减。
根据无机半导体薄膜材料的不同，目前的主要第二代太阳能薄膜电池包括铜铟镓硒（CIGS）电池、碲化镉（CdTe）电池和非晶体硅（a-Si）电池几大类。然而这些电池的生产设备依然昂贵，生产效率又受到高真空过程的的影响，因此第二代太阳能电池的发电成本依然不能与传统能源竞争。更严重的是，碲化镉电池中的镉元素对土壤和生物体还有严重的毒害作用，电池过了使用年限之后必须回收处理。而且应用在铜铟镓硒电池中的铟元素以及应用在碲化镉电池中的碲元素在地表中蕴藏量都很低，无法支撑这两种电池的大量生产。
目前我国正在大量引进第二代太阳能电池生产线。这些第二代太阳能电池生产企业虽然可望获取一定的经济利益，但无法从根本上解决中国的能源问题。
图2 污染严重的粗硅生产企业。
通宝推：樱木花道,家园 今天新闻在说中国光伏产业泡沫破裂 家园 【文摘】中国光伏泡沫破灭 千亿元投资半数打“水漂” 家园 【原创】有机太阳能：中国发展的一个战略选择（之五） 九
本来这个太阳能系列，主要的目的是对业外人士，进行科普，希望可以让中国各个省市的经济开发区的头头们看到，把有机太阳能作为一个主要的扶持选项。不过有业内人士出来抗议，说俺写得不清不楚，误导了现在刚入行的小弟弟和小妹妹们，这里就只好对有机太阳能技术，给予更为清晰的介绍。
有机太阳能，现在来讲，主要是从材料上来区分，可以说是两条道路：一条是高分子，一条是小分子。
图一 高分子有机材料
高分子有什么好处呢？就是可以溶解于普通的溶液里。不要小看了这个好处，你生产硅晶体电池和无机薄膜电池，可是要一大套复杂和成本昂贵的生产设备和工艺。而这个高分子溶液，你可以向给你自己的家里油漆房子那样，用涂抹法，用喷射法，或者用滚筒发，就可以生产了。这也是为啥，这个电池的成本可以大幅度降下来的原因。
但是高分子材料的缺点也不小，就是分散度高，不容易提纯，吸光率较低。
不容易合成是因为材料导电的结构比较复杂，这个会增加合成的成本。吸光率比较低，就必须用比较厚的薄膜来采光，而这样又增加了激子和载流子的传输距离，导致光电转化率的降低。可是人家高分子本来就是分散度高，载流子的迁移率偏低，这样就影响的效率。
图2 采取混合异质结构解决效率问题，甲为平面异质结构，乙为混合异质结构
那么如何解决这个问题？那就是将电池做成混合异质结构，将电池的给体和受体混在一起，一方面增加两种材料的接触面积，另一方面缩短激子扩散到界面上所需要穿越的距离。
这个方法是当时在Alan Heeger实验室工作的中国学者俞刚博士首创。现在基本上所有高分子提高效率的研究，都集中在如何将这个结构做得更好和更稳定。
但这个方法也有其问题，就是在强光照射下，和高温下，这个结构的稳定性可能是一个问题。虽然Konarka通过荷兰的测试机构，在65摄氏度的条件下，通过的测试。显然在这方面的技术研发肯定还要下更多的功夫。
而有机材料的天然性质，总是倾向于相同材料的聚集，所以这种混合异质结构，最后就会回到上图甲那样的平面异质结构，从而带来转换率的下降。而当转换率跌到了原先的一半，俺们通常的定义，就是这个电池的寿命到此为止了。
那么这种高分子的电池寿命现在有多长了？根据测试结果，大概是在3-5年之间。现在Konarka在2007年初生产出来的电池，仍然在实际运作。而去年由德国一些大学研发出来的新工艺，有希望将这个寿命增加到5年，甚至以上。
有机电池的另一个需要考虑的问题，就是电池的封装。
因为有机材料的原因，自然接触氧气后，就会氧化，因此封装就是要把电池和空气中的氧气隔开。根据实验证明，对空气进行有效隔绝后，有机太阳能电池的转换率，在几年内没有多大变化。
十
有机太阳能电池的另外一条道路，就是小分子材料。
图三 小分子有机材料
小分子材料的好处，那就是正好和高分子相反。有机小分子容易合成和提纯，因此成本在材料上，比高分子更便宜。
而因为小分子的纯度高，那就是吸光率要更高，其载流子的迁移率要更高。
这就意味什么？那就是不同于高分子材料，你不必去搞什么混合异质结构，采取平面异质结构，就是传统的双层膜就成了。这样你就避免了结构解体这个高分子材料面临的大问题。那么自然小分子电池的寿命就要比高分子长得多了。
因为没有这个缺陷，小分子电池的寿命，就完全决定于你封装材料和工艺水平。以现有的技术，小分子要做到10年的寿命，没有太大问题。如果封装技术提高的话，经过努力，小分子电池的寿命是可以达到20年的。
当然小分子的缺点，也正好和高分子倒了过来。那就是因为小分子的结构过于刚性化，通常是不能溶解于普通溶液。因此小分子电池的制造工艺，是不可能用俺们说到的那些非常便宜的涂抹方法的。
这个技术的工艺方法，就是用真空蒸镀法。因为真空工艺的能耗高，这样生产的成本就会上去了。
那么大家就要举起双手，问一个问题：
“那么俺们可不可用一种方法，既可以用高分子材料的溶解优点，可以在成本比较低的生产设备上生产，又可以有小分子的优点，在转换率和寿命上，比较占优？”
这个问题问得很好。听到这个问题的时候，俺们团队的科学家们已经在捂着嘴巴，偷偷的笑了。
是的。俺们的技术道路，就是这条将高分子和小分子结合为一体的第三个方向。
俺们可以做到的就是，不需要做混合异质结构，只要用传统的双层膜结构，因此可以解决电池寿命短和稳定性差的问题。
俺们还可以做到的就是，不需要高昂的真空过程，用溶液调试，用涂抹，喷射，丝网和滚筒的方式，就可以生产。
俺们更可以做到的还有，可以通过对材料的改进，做到这个材料，对太阳光谱吸收幅度的扩大。同时，还可以增加不同材料，对太阳光谱的不同波段进行吸收，开发出转换率更高的层叠电池。
本来业界的普遍看法是，在2011年，应该可以突破10%的光电转换率。不过随着这两年的不断突破，大家已经同意10%，就是2010年以内的事情。Alan Heeger老兄，拍着胸脯说，俺认为2012年，12%应该会突破。而邓青云老爷子，也对俺们这条路子信心十足，认为首先突破10%的几率最大。
而大家的眼光都是盯在2015年，目标是转换率达到15%，这个就是和无机太阳能电池要在这个时间，争取把成本降低到1美元的生死之战了。
中原初逐鹿，投笔事戎轩。突然想起了唐初名相魏征的这句诗。是值得大干一场的时候了。
家园 花 恭喜：你意外获得【通宝】一枚
鲜花已经成功送出。
此次送花为【有效送花赞扬，涨乐善、声望】
家园 一篇很实际的太阳能电池信息和分析文章 http://dotyenergy.com/Markets/PV_Solar.htm
下面这篇出自伯克利劳伦斯国家实验室关于太阳能的报告（可能是给美国能源部长朱棣文作参考用的）
http://eetd.lbl.gov/ea/EMS/reports/lbnl-1516e.pdf
家园 【原创】有机太阳能： 中国发展的一个战略选择（之四) 七
现在舆论界对第三代太阳能技术，是一个比较宽松的定义。其中被人称或者被自称的，包括多PN结层太阳能，HIT太阳能，聚光太阳能技术等等，事实上都只是对前两代技术的修修补补。
比如说最近的一家以色列公司GreenSun Energy做的技术改进，就是在硅基电池的外层涂上一层荧光粉，通过这个染料，吸收太阳光后，重新通过电池可以接受的光谱，放射出来。另外的一些公司，搞的就是聚光技术，比如说美国的Cool Earth Solar用的是气球原理，通过气球原理，把气球的一半涂上金属原料，就把太阳光聚焦了。
图一 Cool Earth Solar的聚光技术
而真正在原理上有革命性技术突破的，主要是两个技术。一个是染料敏化太阳能电池技术，一个就是俺大力鼓吹的有机太阳能电池技术。这两种技术才是第三代太阳能技术的真正代表。
染料敏化太阳能电池，是瑞士科学家Micheal Graetzel的发明。虽然俺并不完全赞同老先生的技术道路，但毕竟他还是俺们的老师和顾问，因此对老爷子的尊重还是免不了的。
此种电池以有机染料为吸光材料，以二氧化钛晶体薄膜为电子传输材料，通过有机染料对二氧化钛晶体的电子注入实现光电转化。这种技术概念相对于传统电池中的无机PN结来说是一个巨大的进步，因为采用此种材料的太阳能电池无须再依赖高纯度的无机半导体材料，从而可以极大地降低电池成本。然而由于染料敏化太阳能电池需要采用液态电解液作为空穴传输层，由此产生的生产工艺问题尚未很好解决。
现在在这个电池技术上领先的是日本大公司夏普，澳洲公司Dyesol和以色列公司3GSolar。
有机太阳能电池技术，则源自1980年代科学界对有机半导体异质结的研究。其基本结构是由透明电极、电极缓冲层、有机电子给体、有机电子受体以及金属电极组成。给体和受体两种有机半导体材料既是吸光材料，又是载流子传输材料。有机半导体材料中的电子被入射光激发后形成激子，并通过给体向受体的电子注入来完成光电转化。
图二 甲：双层膜有机太阳能电池的能级示意图，乙：光电转化的四个步骤。1. 电子给体吸收光子形成激子；2. 激子扩散到给体/受体界面上；3. 在界面上激子分离为自由电子和空穴；4. 自由载流子在内建电场作用下移动到两个电极上。
有机太阳能的给体和受体两种有机半导体材料，既是吸光材料，又是载流子传输材料。有机半导体材料中的电子被入射光激发后形成激子，并通过给体向受体的电子注入来完成光电转化。
与染料敏化太阳能电池类似，有机太阳能电池也无须依赖高纯度的无机半导体。而且有机太阳能电池的原材料与染料敏化太阳能电池相比更为低廉，完全固态的有机太阳能电池，生产工艺也更为简单。
因此俺们可以说，有机太阳能最大的竞争优势，就是成本低廉。以俺们自己的技术来推算，生产出来的产品每峰瓦，保守估计大概是0.30美分左右，就是2-3元人民币。而且成本下降还有空间。
这个成本，基本上是硅晶体太阳能的10分之一，是第二代薄膜太阳能的3分之一。而通过工艺的优化，和规模效应的出现，这个成本是可以降低到1元人民币，就是说大概0.15美元一峰瓦。那么在电价上是什么概念呢？
那就是以现在的成本计算，俺们的技术可以做到上网电价低于现在火电上网价格，完全不需要国家财政补贴，就已经可以盈利了。
八
那么现在的硅晶体太阳能的价格如何呢？
据今年3月22日中国开标的敦煌10兆瓦太阳能电站特许权招标项目的数字，平均报价低于1.5人民币一度电。最低的是0.69元。这个结果已经相当不错，得益于目前硅晶体原料的大幅度降价。
不过据当事人透露，这个消息令国家发改委能源所，可再生能源光伏专委会等等相关部门，大吃一惊。根据从中国硅晶体太阳能的龙头企业无锡尚德，苏州阿特斯，和江苏中能了解的信息，太阳能电池的组件成本大概是15-18元 （相对于俺们的2-3元），加上其他逆变和输配电，电站建设安装和土地等等成本，大概是26-33元。那对俺们来说，就大概是13-18元左右。
而对屋顶太阳能设备，现在的硅晶体太阳能大概是22-29元，俺们大概是10-16元的水平了。
今年4月28日，太阳能行业的13家大企业发表了《洛阳宣言》，号称要在2012年实现上网电价1元每千瓦的目标。而俺们就要争取在2012年，做到上网电价2毛钱的目标。
从这里大家可以看出，在成本上，有机太阳能占有的强大优势。
那么人家自然要避免谈你的优势，而要集中力量来攻击你的弱势。而对有机太阳能攻击最主要的一个地方，就是光电转换率。
这些人就会说，哼，你的有机太阳能，转换率不就是6-7%吗？人家硅晶体可是到了16-18%，而且最新的实验室里做到了21-22%呢！你永远也做不到硅晶体的转换率。
对这种说法，俺也是，哼，不看一看你的高成本！要是光靠高转换率，那硅晶体也算不了老大吧！干嘛不把人家GaInP/GaInAs/Ge拿出来啊？人家这个材料的光电转换率可是41%，超过了硅晶体的物理极限33%了。干嘛不拿这个在航天飞机，宇宙飞船，太空站和卫星上用的太阳能电池，装在俺家的房顶上呢？一句话，就是成本太高了。
那么有机太阳能的光电转换率提高的前景如何呢？最近俺们刚刚和Alan Heeger这位诺贝尔获得者聊过天。他的估计是大概在2012年，有机太阳能转换率可以突破12%。而有机光电的祖师爷邓青云老先生，也觉得俺们的这条道路，非常有可能首先突破10%。而这个也是俺们的近期目标。
从下面这个光电转换率图线，可以看出有机太阳能正在进入一个快速提升阶段，而这正是因为近2年来，在有机太阳能的原理和机理上得到了理论上的突破，大家的研发方向非常清晰而带来的结果。
图三 有机太阳能光电转换率的历史曲线