本文来自中国科学院国家科学图书馆《科学研究动态监测快报》“先进能源科技专辑”，由国家能源局向本网供稿。请广大网民参考。

全球发展和人口的不断增长到2050年将会使得世界能源需求翻番。能够满足未来需求的最佳解决方案将是一个综合的能源构成：不但包括核能和化石燃料，还包括大量的可再生能源（如太阳能、风能和生物燃料等）。

在许多选项中，太阳能无疑是最丰富的可再生能源资源，其潜力足以满足现今以及可预见未来的能源需求。但要实现这一潜力必须大幅降低将太阳光转化为可利用电力、热量或燃料的成本。要实现这一点只能通过开发低成本、高度可扩展的技术，并且以有丰富来源的材料为基础。

作为其“替代能源与效率计划”（Alternative Energy & Efficiency Initiative）的一部分，美国能源部阿贡国家实验室（Argonne）的许多科研人员正在探索各种新的太阳能技术。计划旨在通过与工业界和其他研究机构合作以支持基础研究与应用研究的融合，来实现大规模利用太阳能的革命性进步。Argonne已与西北大学以及其他世界级研究型大学组建了Argonne-Northwestern太阳能研究中心（ANSER）。该中心的长期愿景是发展对于创造效率显著提升的太阳能燃料和太阳能发电技术所需要的基础理论、材料和方法。

图1 Argonne太阳能综合研究路径

Argonne的太阳能研究包括了四个主要领域：①下一代光伏技术，如有机太阳电池、复合太阳电池和染料敏化太阳电池等；②沉积到三维光伏器件上的透明导体；③太阳光聚光；④系统分析。Argonne的目标是在10年内，示范这些技术的成本能与化石燃料相竞争。

下一代光伏技术

目前的光伏技术拥有较好的性能，但其成本太高，无法直接与化石燃料相竞争。如果没有大量的政府补贴，传统光伏技术的增量式改进将不足以将其成本降至实现电网平价的水平，即相当于或低于燃煤发电成本。

因此需要开发有潜力实现极低成本生产的下一代技术。有机太阳电池、复合太阳电池和染料敏化太阳电池均是最有希望的低成本选项。需要基础科学研究以设计、合成和了解这些材料，以及基于这些材料的应用科学研究来优化性能和扩大设备组建的规模。此外，系统分析将深入揭示如阳光的变化性、地理和资源因素、规则和经济性等各种问题的复杂相互作用将会怎样影响上述技术的市场接受程度。

透明导体

光线必须从太阳电池的一面射入，而且这一面需要充当光伏设备的一个电极，因此透明导体对于几乎所有太阳电池而言均是至关重要的组件。在如今的光伏设备中，透明电极大部分由氧化铟锡制成。但全球的铟供应量有限，因此需要寻找替代物以减少或彻底消除铟的用量。Argonne有一支专家团队致力于研究原子层沉积（ALD）工艺，能够制备极薄的透明导电层薄膜。

ALD还能够提供理想的同形覆盖，即使是在那些染料敏化太阳电池需要的高度三维化的材料表面。利用ALD工艺沉积氧化铟锡将会提升下一代光伏器件的性能并降低其成本。将这一工艺扩展用于地球储量丰富的透明导体替代物将能够最终有望实现大规模生产高效太阳能设备。

太阳光聚光

太阳光资源充足但太过分散。另一个降低捕获太阳能成本的路线是利用廉价材料来收集大面积的太阳光。阳光要么直接用于小的、高性能太阳电池，要么用于加热工质流体，将热能转移给蒸汽轮机进行发电。Argonne有一个研究项目正在开发冷光（luminescent）太阳能聚光器用于前一种用途，能够在多种气候条件下运行；还有一个研究项目正在研究先进的传热流体用于后一种用途，在阳光充裕的地区性能最佳。由于许多因素会影响到这些技术的商业可行性，系统分析将就设备目标和合适的市场提供必需的指导。

Argonne还在详细探究大规模转向新的太阳能技术会产生的环境影响，并调查消费者会对这些技术做出何种反应。

光伏和聚光型太阳能热发电有希望为电网开创新的能源经济。进一步来看，将太阳光转化为化学燃料、从而替代交通领域的化石燃料也是一条大有前景的路线，Argonne正在为达成这一目标而开展基础工作。

近期研究焦点

①旨在产生低成本电力的“Homegrown”复合太阳电池

Argonne的科学家们正在不断改进制造太阳电池的工艺，通过创造半导体材料的纳米管，随后直接在纳米管里面“生长”聚合物。这一方法有潜力比目前商业化太阳电池使用工艺的成本低得多。

向纳米管中填充聚合物会导致弯曲和扭曲，这两者均会导致低效率，因为当纳米管延展时会产生气阱而且扭曲的聚合物不能够导电。为了试着避免这一问题，研究团队偶然产生一个主意，便是直接在纳米管内部生长聚合物。研究人员向纳米管中填充一个聚合物前驱体，并打开紫外光，使得聚合物在纳米管内部生长。戏剧性的是，这些设备的性能要胜过那些利用向纳米管中填充pre-grown聚合物制造出来的设备。

图2 在半导体纳米管阵列内部原位聚合能够提高设备性能

②利用原子层沉积改进染料敏化太阳电池

染料敏化太阳电池是一类薄膜光伏设备，有较大希望取代目前的技术。染料敏化太阳电池采用便宜丰富的材料通过低成本过程制造而成，但由于目前设备不高的单元转换效率和相对较差的稳定性阻碍了其广泛部署。

Argonne科学家们正在发展一种新颖的概念，利用由薄的、保形（conformal）薄膜组成的一种相互交错结构来取代传统的二氧化钛纳米粒子阵列，以减少集电时间。采用一种称为原子层沉积的工艺来沉积薄膜，这一工艺允许广泛的多种功能材料的高度控制生长。

评注：太阳能应该继续探索，但似乎应该关注更本质的科学问题：当一种低能量密度（强度）能源向高密度（强度）能源转换时，需要投入大量的能量或物质（体现为生产物质全过程的能量），其净能量产出是否使这种能源具备价值？或者说，其净能量产出是否内在地决定着有继续降低成本的前景？认真解答了这个问题，我们才会理智地决定是否该买国外花样频新的太阳能技术，而它曾经是、现在还是国外太阳能科技的主要产出。（季路成）（陈 伟 编译)