陳鐘謀教授的納米熱光伏電池發明記事

陳鐘謀教授的納米熱光伏電池發明記事目前，即使是在發達國家，能夠做到光電轉化率的最高水平也只有17?20%。然而，有一位中國的發明家一一陳鐘謀先生，卻已在光電轉化理論上有所突破，在光伏電池的結構設計上有所創新，從而使光電轉化效率躍升到了35%，并且已經成功地進行了小批量試生產。生產出來的10W、20W和80W新型高效光伏電池，性能穩定、使用效果良好，經中國科學院太陽光伏發電系統和風力發電系統質量中心檢測，產品技術性先進。陳鐘謀教授就此申請并獲得授權的發明專利，還被國家知識產權局有關部門評為重點專利。光伏電池的轉化率之所以低，主要是有兩方面原因。一是投射到電池極板表面的太陽光有30%左右會被反射掉，根本沒有被吸收。二是在被吸收的光線中，波長大于截止波長的光子不能產生電子一空穴對，因而也就不能實行光電轉換，等于是又一部分能量損失。這部分能量約占50%左右，因此，決定了光伏電池的轉化率在17%?20%。基于這一認知，陳先生創造性地提出了光伏電池理論的新觀點，即提高光電轉化率，必須使電池吸收光線的波長范圍更為寬泛。不僅能吸收可見光、還要包括紅外線，并且充分利用光電轉換過程中損耗的能量。因此，光伏電池極板的結構設計與功能，是提高光電轉化率的關鍵環節。憑借著多年從事電子器件研究的豐富經驗與科學素養，陳先生經過反復思考，設計完成了一種采用npn三層結構的光伏電池，并且使其具有了可以多子傳播的邊界條件。經過多次反復實驗，效果顯而易見，大幅度提高了光電轉換效率。在相同的光照與受光面積條件下，這種新型電池比國際最高水平的電池所能達到的0.92A/W高3.2倍，如果加上1.5伏的偏壓，則高出幾百倍。此外，其靈敏度增益在相同光源與輸出功率條件下，也相當于常規電池的7.5倍，轉化效率高達35%。中國工程院院士張光義先生認為這一發明：“創造性地提出了太陽能電池發展的新思路，所研制的新型高效納米光伏電池在未來光伏技術發展中占有重要地位，因為它不僅是一種環保能源，而且大大提高了太陽能電池的轉換效率，作為下一步產品化的前奏，此項工作具有十分重要的意義，將縮短我國與國際先進水平之間大約15年的差距，開發和推廣各種利用熱光電池的發電裝置和新型高效納米光伏電池的大批量生產將會進一步降低成本，加快太陽能光伏產業化的進程，為國家新型能源發展做出貢獻。從20世紀90年代中期開始研究、設計，直到2000年獲得“新型高效納米熱光伏電池”的發明專利權，陳鐘謀教授此后一直致力于這一發明的應用與推廣。可直到今天，這項從理論到設計均擁有自主知識產權的創新成果，仍然停留在小批量試生產的階段。盡管通過了中科院有關部門的技術鑒定，盡管有關領域的專家也對這一項成果給予了肯定，并且呼吁直至推薦將這一研發項目列入國家高新技術發展重點計劃，但“新型納米熱光伏電池”項目，幾年來仍然是在原地踏步。不要說大規模工業生產，連中試階段也還沒有提到議事日程。之所以如此，原因也很簡單。那就是缺乏資金支持來實施中試和大規模批量生產。正像太陽能利用開發的技術一樣，基本原理并不復雜，實際操作卻并不容易。新能源的開發利用是嶄新的科研領域。沒有豐富的經驗與理論可循。更遑論任何領域的創新都有尚未可知的風險存在。對于這樣一個極具誘惑、卻又風險未知的科研成果，誰能做出準確無誤又保證萬無一失的評估、判斷結論，從而為重大投資決策提供依據呢？據陳鐘謀教授介紹，幾年來，已有美國、日本、西班牙和國內一些知名企業先后找到他，就“新型納米熱光伏電池”項目反復磋商、洽談，除了一遍遍介紹其發明的原理和設計思路以外，陳先生也應邀一遍遍地做了許多次演示實驗。但最終卻大都是由于對方要求進一步的實驗，而不了了之。因為陳鐘謀作為一名退休的科技人員，在實驗資金、實驗場地、條件、材料等方面有諸多困難。同時，作為非職務發明人，他對于自身的發明也有著敏感的保護意識。因此，他往往要求在進一步實驗之前，對方能與他簽訂相應的協議并給予資金支持。而對方則由于顯而易見的原因猶豫不決。對此，陳鐘謀頗有感慨，“創新項目的特點就是高回報、高風險，怎么能只要高回報，不承擔高風險呢”？為了論證自己的發明具有的真實性、可行性。陳鐘謀找到了自己的老同學、老同事，他們都是多年從事電子器件研究的內行，請他們審查、論證。為了能找到慧眼識珠的開發商，陳鐘謀與幾個離退休的老干部、老專家成立了一個小公司，專門跑市場。前不久，還與江蘇一家科技開發企業合作，委托該公司中介這一項目的轉化、開發事宜。以中國工程院院士張光義為首的幾位知名人士，還準備就此上書當地政府領導，以期得到支持，使這一利國利民、利于可持續發展的新能源開發項目，得以實施。陳鐘謀作為電子工業部所屬研究所的工程師或高級工程師時所取得的成果，可以由所里、部里組織鑒定、評獎、立項、投產，而退休以后的陳鐘謀取得的成果，已屬于非職務發明，換句話說是個人行為。這就給他的發明成果轉化實施乃至于進一步的實驗論證，都帶來了困難。實際上，不只是陳鐘謀，全國成千上萬的非職務發明成果都有類似的情形。從表面上看，隨著改革開放的深入，經濟發展的迅猛，市場化運行規則的不斷完善，優秀的科研成果應該是有了更加廣闊的天地。可以得到國有或者民營企業的支持而轉化成生產力。但實際上顯然并非如此。失去了順理成章進入由政府立項、投資、評估、鑒定到評獎實施的“正規”途徑，“舉賢不避親”實際上很難。于是，非職務發明成果似乎只能選擇民營企業、民間資本作為支撐。然而民營企業的支持條件往往更加苛刻，除卻趨利避害的本能之外，民營企業往往還缺乏評估判斷的能力以及承擔風險的實力。所以，市場化的渠道也并不通暢，特別是像新型熱光伏電池這樣的科技含量較高的創新成果。據了解，將這一項目進行中試需幾百萬元，而大規模投產則需要投資1億元左右。顯然，這樣的投資規模遠非中、小民營企業所能承受，更不要說陳鐘謀個人。在全世界都極為重視并且尋求可再生、無污染的新能源之際，能夠大幅度提高太陽能光伏電池轉化率的新型電池若能實現生產，無疑具有重大的意義，但這一項目在理論突破和小試完成以后，至今已有5年多時間，不能得以實施、投產并且推向市場，也就失去了實際意義。而據陳先生介紹，發達國家在這一領域的最新進展，也已經采用了多層太陽能電池極板的吸光結構、使光電轉換率提高到了25%左右，只是由于成本較高，還沒有實際應用。言語當中，不無緊迫感與一絲憂慮。科研成果轉化，一直是我國科技體制改革的重要課題。改革開放和市場化經濟開拓了成果轉化的新途徑，但很明顯，這樣的新途徑需要一個完善的過程，社會的經濟基礎，人們的思想觀念，市場化規則的完善是大環境，而項目的評估，風險投資的來源，成熟的中介機構，企業家科學素養的提高則是急待解決的問題。以陳鐘謀的科研成果為例，急需進入市場，而市場也迫切需要這樣的先進技術，然而卻缺少一個有效的過渡平臺。陳先生已年近七旬，滿頭白發，只憑他個人奔走呼吁，在大海一般的市場面前，顯得是那樣孤單無助。很難說這種電池一經投產，便會風糜世界，可也許延宕下去，我們將錯失一次擁有原創性知識產權的先進技術的良機。陳鐘謀，男，1937年出生于江蘇省無錫市，畢業于前蘇聯莫斯科動力學院電子器件專業，曾經師從著名科學家伊凡?列別捷夫教授。在前蘇聯求學期間，即在導師指導下完成了“超高頻再生放大器可能性研究”課題，與其導師聯名所作論文被載入《蘇聯百科全書?電子學卷》。20世紀60年代中期回國以后，一直在電子工業部所屬研究部門從事科研工作，歷任課題組組長、車間主任、研究室主任等職。幾十年間，他參與或主持完成的科研成果有磁控管再生放大器、C波段兆瓦級磁控管、新一代夜視器件EBS-CCD的機理研究、色敏傳感器研究、微型高效寬光譜接觸器、硅寬勢阱半導體光電二極管等等。陳鐘謀曾被國防科委授予個人三等功；其成果曾獲部級科技進步一等獎5項；國家科技進步二等獎1項。作為新型熱光電池的專利發明人，陳鐘謀還被美國傳記研究所（ABI）列為“世界500名學術帶頭人”；被國際劍橋傳記中心（IBC）列為“20世紀2000名卓越科學家”。碳納米管讓太陽能光伏電池更便宜關鍵詞：碳納米管太陽能電池光伏美國西北大學的研究人員研發出了一種能改革太陽能電池生產方法的碳材料。這種新的太陽能電池材料是由碳納米管組成的透明導體，這為太陽能電池生產提供了另一種途徑。當前的太陽能電池技術依賴于一種相對較稀有的元素。地球上碳元素含量豐富，碳納米管有望促進太陽能的長遠發展，提供一種成本效益更高的太陽能電池制造方法。另外，這種材料擁有良好的柔韌性，使得制成的太陽能電池可以集成到織物和衣服中，為個人電子產品和軍事行動等提供便攜式的供電。這項研究成果被刊登在AdvancedEnergyMaterials雜志2011年10月期。太陽能電池是由多層結構組成，包括一個透明導體層，太陽光通過透明導體層進入電池，而電能通過這里傳出，因此這個導體必須是導電且透光的。同時具備這兩種特性的材料很少。目前，銦錫氧化物是透明導體中應用最多的材料，但這種材料有兩個缺點：易碎，且依賴于相對較稀有的元素銦。因此，對太陽能電池日益增長的需求將會極大地推高銦的價格。隨著太陽能技術的普及，銦的供應將可能出現不足。因此人們很希望有一種地球上含量豐富的元素，比如碳，能取代銦在太陽能技術中的位置。該研究團隊利用單壁碳納米管研制出了可以替代銦錫氧化物的材料，并進一步確定了效率最高的碳納米管的類型：金屬型碳納米管和半導體型碳納米管。研究人員發現，當這兩種碳納米管作為透明導體使用在有機太陽能電池中時，金屬型碳納米管的效率是半導體型碳納米管的50倍。新型光伏發電一一用納米粒子提高太陽能發電效率澳大利亞研究人員發現，利用納米粒子技術能大幅提高太陽能電池光電轉化效率。在傳統的硅基太陽能電池的制造中，很多人都利用等離子體效應，從而保證電池更加高效，但是卻沒有人利用這個效應來制造薄膜電池。澳大利亞國立大學的卡切波爾博士發現，她敷在一塊薄膜太陽能電池表面的銀納米粒子，并不會像鏡子一樣完全反射直接照射到其表面的光線。相反，粒子表面上形成的等離子體將使光子偏斜，這樣，這些光子會在薄膜電池內部來回反射，以便于長波長光的吸收。卡切波爾的測試設備的光電轉化效率比普通的薄膜太陽能電池高30%左右。如果卡切波爾能把她的納米粒子技術和大規模制造薄膜電池結合起來，很可能會改變太陽能電池技術領域的平衡，加速太陽能取代傳統化石燃料能源的步伐。碳納米管光伏電池首創：碳納米管太陽電池。研究了高功函數金屬/SWCNT/低功函數金屬結構的制備、光伏效應、光吸收特性。發現通過將高、低功函數的金屬分別作為與半導體性SWCNT焊接的漏極和源極，并選擇合適的柵絕緣層厚度、柵壓等器件參數，可導致在整根SWCNT中形成強內建電場以高效分離光生電子-空穴對，顯示良好的光伏效應。在太陽光照射下，器件可獲得0.31V的大的開路電壓，光生電流的響應時間只有90ms，可被應用作太陽能光伏微電池。同時一種電磁散射模型被用在有限元模擬方法中對器件中定向SWCNT陣列的實際光吸收進行估計。該模型將SWCNT對待作具有頻率相關復介電函數的介電圓柱體，將具體的器件結構及SWCNT間對光的各種散射和耦合加以考慮，較精確地計算出了SWCNT的光吸收，其提供了一種對處于系統中的一維納米材料光吸收進行評估的有效方法。基于實際吸收的入射光功率，器件的功率轉換效率高達12.6%。該結構FET高效光電轉換特性的發現不僅為在同一材料平臺上集成電子和光電子器件提供了一條新的途徑，而且證明了半導體性SWCNT可作為一種良好的光電能量轉換材料。首創一種高功函數金屬/SWCNT/低功函數金屬結構新型太陽能光伏電池，樣品器件已實現12.6%的內部功率轉換效率，理論效率可達60%。相關論文分別在Small,IEEETransactionsonNanotechnology,AppliedPhysicsLetters選為“封面文章”，被NatureChina雜志作為“研究亮點”刊登報道，并被Nanotechweb網、科學時報頭版等專題評價認為“開辟了一條全新的CNT光電子器件改善的途徑”，論文被跟蹤研究。金納米粒子改善光伏電池轉換率簡要內容：據美國物理學家組織網報道，美國加州大學洛杉磯分校的研究人員與來自中國和日本的同行通過將金納米粒子用于有機光電太陽能電池，助其增強了光吸收的能力，極大地提高了電池的光電轉化率。據美國物理學家組織網報道，美國加州大學洛杉磯分校的研究人員與來自中國和日本的同行通過將金納米粒子用