太阳能翻番
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作者: 猛犸
商业的考虑令人们不得不在成本和收益之间找到最好的平衡，人们开始寻找更好的材料，砷化镓开始重新进入视野
日本地震和海啸引起的核电站泄漏事故，让各国对于核电的态度又变得更谨慎了一些。虽然和传统的煤电相比，核电的确是更干净更安全的能源方式，但是单单是“核”这个字，就已经足以唤起人们心中潜藏的恐怖想象，这种状况并非短期内便可以扭转。
而且，和传统化石燃料一样，核原料总量有限而正在消耗，更好的核聚变发电技术还遥遥无期；在另一面，则是越来越大的能源需求，仿佛一方永远也填不满的贪婪大口。中国已经在2009年超过美国，成为世界上能源消耗量最大的国家，预计到了2035年，中国的电力需求会增长2倍，仅仅到2025年，中国新增的发电量就会等于目前美国的总装机容量。
美国能源情报署认为，目前全球耗电量大约为1250万兆瓦，并且将在二十年后达到1690万兆瓦。而根据国际能源署的预测，到2035年，世界一次能源需求上升36%，将会达到167亿吨油当量。化石燃料依然是主导能源，但是它们的比例将逐渐下降，让位于可再生能源：太阳能、风能、潮汐能、洋流能、水能、生物质能，等等――这些能源中的大多数，也只是太阳能的不同形式；在目前的技术条件下，仅仅是直接利用太阳能，每年即可产出580太瓦左右的电能，足够使用四十年，而目前，太阳能发电量仅仅只有0.008太瓦。
我们的太阳只是浩渺宇宙中一个毫不起眼的小点，无论是体积还是温度，都没什么特别之处。这颗黯淡的橙黄色恒星每秒钟会将400万吨的质量转化成能量，其中只有22亿分之一会到达地球，但是每小时到达地球的太阳能就已经足够人类使用一整年。
那么，为什么不直接向太阳要能量？
你是电，你是光
法国科学家Alexandre-Edmond Becquerel在1838年发现，光照能让半导体的不同部位出现电位差，但是这种现象并没有得到太多的关注。直到1883年，美国发明家Charles Fritts制备出第一块光电池，但是效率低得可怜：只有1%。
1887年，德国物理学家Heinrich Hertz再次发现了这种光能转化为电能的现象，并且一度命名为“赫兹效应”。1902年，Herts的学生Philipp Lenard对这种效应进行了整理，将之命名为“光电效应”，但是依然不明白产生这种效应的原因。直到1905年，20世纪最伟大的科学家之一Albert Einstein发表了那篇《关于光的产生和转化的一个启发性观点》论文，才用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。
但是直到半个世纪之后，随着对于半导体材料的深入了解，人们才真正制造出有实用价值的光电池。1946年，美国发明家Russell Ohl申请了一个太阳能电池的制造专利，但是第一块太阳能电池，却是在1954年诞生于美国贝尔实验室。Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller和Gerald Pearson在硅中掺杂了的其他元素的原子，终于制造出了转换效率达到6%的太阳能电池――与当年汽车发动机的能量转化效率差不多。虽然效率不高，但是它意味着人类终于进入了太阳能发电时代。
虽然名为“太阳能电池”，但是它其实是一种利用光电效应的发电装置。当光线照射到半导体材料上时，会产生几种不同的光电效应；而作为能量来源，人们最关心是“光生伏打效应”（PV，Photovoltaics Effect），即光能转化为电能的过程。
掺杂了其他原子的半导体材料有些有趣的性质。作为最广泛使用的半导体材料，硅元素的最外层有4个电子，会与相邻硅原子共享，从而达到每个硅原子最外层都有8个电子的稳定晶体结构。当人们在纯净的硅元素中掺进磷原子的时候，情况就会变得不同：磷原子的最外层有5个电子，这也就意味着多出了一个没有与相邻原子结合的电子。当这种掺杂了磷原子的硅获得能量时，这个自由电子就会离开磷原子而四处游荡，试图找一个缺乏电子的地方（被叫做空穴）安身。因为拥有多余的电子，掺杂了磷元素的硅被叫做“N型半导体材料”，与拥有多余空穴的“P型半导体材料”对应。
掺杂了硼的硅就是一种P型半导体材料。硼原子的最外层只有3个电子，自然地拥有一个空穴。当P型硅和N型硅放在一起时，N型硅中的电子就会向P型硅中的空穴狂奔，两者交界处的空穴会很快地被填满，阻碍了更多电子和空穴的结合，随即形成了一个二极管结构：P侧的电子可以容易地到达N侧，但是却不能回来。光子携带的能量将会释放电子-空穴对，涌向N侧的电子和滞留在P侧的空穴便形成一个电场。只需要一条连接P侧和N侧的导线，我们就能获得源源不断的电流。
在人们还没有意识到化石能源短缺的时代，太阳能电池也只能用于少数特别的用途，例如为无法接电的人造卫星提供能量。在20世纪70年代的能源危机时，各国才开始重视这种不依赖化石燃料的能量来源，而硅电池也开始获得了广泛应用。
但是，即使使用最纯净的单晶硅，所制造的太阳能电池效率也只能达到25%，而无法获得进一步的提升；而成本更低的多晶硅电池的最高效率只有20.4%，就已经到了尽头。历经五十年的发展，却只有300%的性能提升，这种速度和现在这个遵循摩尔定律的信息时代显得格格不入；更何况这只是实验室数据，在大规模生产时，还要再打一个折扣。
之所以太阳能电池的效率这么低，主要是因为太阳光中的光子所携带的能量不同。地球所接受到的来自太阳的电磁辐射，绝大部分的波长在150?4000纳米之间，而人类可以看到的可见光范围仅仅在390?770纳米之间。只有足够的能量才能够打开太阳能电池的电子-空穴对――对于硅电池来说，在25摄氏度左右时，这种被称为“带隙能量”的能量值大约是1.1电子伏特。一些光子没有足够的能量驱动电子，它们只会穿过去，就好像电池是透明的一样；而另外一些光子的能量又太强，多于1.1电子伏特的部分会损失掉。仅仅这两种效应，就会造成大约70%的能量浪费；而出于导电的需要，硅电池表面还需要镀上金属导线网络，又会损失一部分光能。
而如果我们选择带隙能量较低的材料来制造电池，又会在增大电流的同时损失电压。最优的材料需要平衡这两种效应，而根据计算结果来看，单一材料制成的电池，最合适的带隙能量应该是1.4电子伏特左右。
更多一点，再多一些
出于商业的考虑，人们不得不在成本和收益之间找到最好的平衡。目前主要使用的太阳能电池有两大类：硅电池和薄膜电池。总的来说，硅电池的成本高效率也比较高，而薄膜电池的成本低一些，效率也低一些。但是最高的效率也只有四分之一，这并不能让人满意。人们开始寻找更好的材料，砷化镓开始重新进入人们的视野。
实际上，早在1956年，砷化镓太阳能电池就已经被发明出来，并且作为早期人造卫星的能量来源。在正常温度下，它的带隙能量是1.42电子伏特，还能够在600摄氏度时依然保持稳定，以及具有很强的抗辐射能力，是最合适的太阳能电池单体材料。
但是在之后的几十年中，砷化镓最常见的用途却是在半导体产业。它的一些电子特性比硅材料要好，更适合用于高频率和高功率的场合。在上世纪80年代，人们甚至认为砷化镓将会取代硅而成为制造电脑的主要材料，而砷化镓的高成本，却让这种设想无法成为现实。
不过，从90年代开始，砷化镓作为民用太阳能电池的潜力，逐渐显露了出来。1990年，美国太阳能研究所的Jerry Olson等人提出了使用磷铟镓和砷化镓制造双接面太阳能电池的方案，在没有经过优化的情况下，能量转化效率就已经达到27.3%，超过了最好的单晶硅电池。
所谓双接面太阳能电池，实际上是一种“各取所需”思路的产物。不同材料的带隙能量不同，也就意味着它们可以针对性地吸收不同波长的光子。这种双界面太阳能电池把磷铟镓放在顶层，以吸收较高能量的光子；而带隙较低的砷化镓放在下方，用来吸收较低能量的光子。也可以说，这种技术的实质，是将磷铟镓二极管和砷化镓二极管串联了起来。
2000年，Spectrolab开发出了磷铟镓/砷化镓/锗的三接面太阳能电池，获得了2001年《R&D》杂志评选的年度100创新奖。这三种材料各有所长：磷铟镓电池可以最有效地吸收300-500纳米波长的电磁波，砷化镓电池能够吸收600?900纳米波长的电磁辐射，锗电池的长项则是吸收900?1800纳米波长的光子。到去年10月，这种三接面太阳能电池已经能够达到42.4%的转化效率，是目前最高效的太阳能电池。
但是，直接使用这种三接面太阳能电池并不合算――原因依然是成本。开发者在试图降低成本时，想到了一个好主意：使用类似放大镜的聚焦方式将太阳能聚焦到电池上，减少材料的用量，就能大幅降低成本。而三接面电池可耐受高温的特征，让这种设想变成了成为了商品化的太阳能电池器件。
现在，这种聚焦式太阳能电池已经成了砷化镓电池的主流形式。然而问题也就随之而来：材料带隙能量和温度有关，为了保持高效运行，冷却系统是必不可少的部分；而为了保证聚光镜片的焦点落在面积不大的太阳能电池上，一套能够随着太阳的运行而自动调整方向的追踪系统也是必需品。仅就散热技术来说，就需要考虑热传导、对流、辐射等多种情况，而高倍聚焦的电池，又会对追踪系统提出更高的要求。砷化镓三接面太阳能电池的系统，比传统太阳能电池系统复杂得多，而随着系统复杂度的增加，组装技术也不能像传统硅电池那样粗放。
这些问题，加上砷化镓等材料本身的成本，让这种高效太阳能电池的价格依然偏高。不过，技术问题总是可以解决的。例如，就在去年5月，美国伊利诺伊大学的Jongseung Yoon和Sungjin Jo等人在《自然》杂志上发表了一篇文章，论述了他们开发出的砷化镓生产新技术。这种技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后再利用特定的溶剂，把砷化镓层分离出来。这种方法可以同时生成多层砷化镓晶片，也就大大降低了生产成本。虽然目前使用这种技术制造的砷化镓晶片面积还偏小，但是毕竟展示了一种新的可行性；而散热系统和追踪系统所需的技术，也能够在几年之内成熟起来。
随着人们对环境问题的愈加重视，太阳能电池的未来必然是一条光明大道。在未来的几十年之中，我们将会亲眼见证可再生能源的兴起和化石能源的衰落；而我们留给后代的，也将会是一个更加洁净和更加充裕的地球。
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