陈钟谋教授的纳米热光伏电池发明记事

陈钟谋教授的纳米热光伏电池发明记事目前，即使是在发达国家，能够做到光电转化率的最高水平也只有17〜20%。然而，有一位中国的发明家一一陈钟谋先生，却已在光电转化理论上有所突破，在光伏电池的结构设计上有所创新，从而使光电转化效率跃升到了35%，并且已经成功地进行了小批量试生产。生产出来的10W、20W和80W新型高效光伏电池，性能稳定、使用效果良好，经中国科学院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量中心检测，产品技术性先进。陈钟谋教授就此申请并获得授权的发明专利，还被国家知识产权局有关部门评为重点专利。光伏电池的转化率之所以低，主要是有两方面原因。一是投射到电池极板表面的太阳光有30%左右会被反射掉，根本没有被吸收。二是在被吸收的光线中，波长大于截止波长的光子不能产生电子一空穴对，因而也就不能实行光电转换，等于是又一部分能量损失。这部分能量约占50%左右，因此，决定了光伏电池的转化率在17%〜20%。基于这一认知，陈先生创造性地提出了光伏电池理论的新观点，即提高光电转化率，必须使电池吸收光线的波长范围更为宽泛。不仅能吸收可见光、还要包括红外线，并且充分利用光电转换过程中损耗的能量。因此，光伏电池极板的结构设计与功能，是提高光电转化率的关键环节。凭借着多年从事电子器件研究的丰富经验与科学素养，陈先生经过反复思考，设计完成了一种采用npn三层结构的光伏电池，并且使其具有了可以多子传播的边界条件。经过多次反复实验，效果显而易见，大幅度提高了光电转换效率。在相同的光照与受光面积条件下，这种新型电池比国际最高水平的电池所能达到的0.92A/W高3.2倍，如果加上1.5伏的偏压，则高出几百倍。此外，其灵敏度增益在相同光源与输出功率条件下，也相当于常规电池的7.5倍，转化效率高达35%。中国工程院院士张光义先生认为这一发明：“创造性地提出了太阳能电池发展的新思路，所研制的新型高效纳米光伏电池在未来光伏技术发展中占有重要地位，因为它不仅是一种环保能源，而且大大提高了太阳能电池的转换效率，作为下一步产品化的前奏，此项工作具有十分重要的意义，将缩短我国与国际先进水平之间大约15年的差距，开发和推广各种利用热光电池的发电装置和新型高效纳米光伏电池的大批量生产将会进一步降低成本，加快太阳能光伏产业化的进程，为国家新型能源发展做出贡献。从20世纪90年代中期开始研究、设计，直到2000年获得“新型高效纳米热光伏电池”的发明专利权，陈钟谋教授此后一直致力于这一发明的应用与推广。可直到今天，这项从理论到设计均拥有自主知识产权的创新成果，仍然停留在小批量试生产的阶段。尽管通过了中科院有关部门的技术鉴定，尽管有关领域的专家也对这一项成果给予了肯定，并且呼吁直至推荐将这一研发项目列入国家高新技术发展重点计划，但“新型纳米热光伏电池”项目，几年来仍然是在原地踏步。不要说大规模工业生产，连中试阶段也还没有提到议事日程。之所以如此，原因也很简单。那就是缺乏资金支持来实施中试和大规模批量生产。正像太阳能利用开发的技术一样，基本原理并不复杂，实际操作却并不容易。新能源的开发利用是崭新的科研领域。没有丰富的经验与理论可循。更遑论任何领域的创新都有尚未可知的风险存在。对于这样一个极具诱惑、却又风险未知的科研成果，谁能做出准确无误又保证万无一失的评估、判断结论，从而为重大投资决策提供依据呢？据陈钟谋教授介绍，几年来，已有美国、日本、西班牙和国内一些知名企业先后找到他，就“新型纳米热光伏电池”项目反复磋商、洽谈，除了一遍遍介绍其发明的原理和设计思路以外，陈先生也应邀一遍遍地做了许多次演示实验。但最终却大都是由于对方要求进一步的实验，而不了了之。因为陈钟谋作为一名退休的科技人员，在实验资金、实验场地、条件、材料等方面有诸多困难。同时，作为非职务发明人，他对于自身的发明也有着敏感的保护意识。因此，他往往要求在进一步实验之前，对方能与他签订相应的协议并给予资金支持。而对方则由于显而易见的原因犹豫不决。对此，陈钟谋颇有感慨，“创新项目的特点就是高回报、高风险，怎么能只要高回报，不承担高风险呢”？为了论证自己的发明具有的真实性、可行性。陈钟谋找到了自己的老同学、老同事，他们都是多年从事电子器件研究的内行，请他们审查、论证。为了能找到慧眼识珠的开发商，陈钟谋与几个离退休的老干部、老专家成立了一个小公司，专门跑市场。前不久，还与江苏一家科技开发企业合作，委托该公司中介这一项目的转化、开发事宜。以中国工程院院士张光义为首的几位知名人士，还准备就此上书当地政府领导，以期得到支持，使这一利国利民、利于可持续发展的新能源开发项目，得以实施。陈钟谋作为电子工业部所属研究所的工程师或高级工程师时所取得的成果，可以由所里、部里组织鉴定、评奖、立项、投产，而退休以后的陈钟谋取得的成果，已属于非职务发明，换句话说是个人行为。这就给他的发明成果转化实施乃至于进一步的实验论证，都带来了困难。实际上，不只是陈钟谋，全国成千上万的非职务发明成果都有类似的情形。从表面上看，随着改革开放的深入，经济发展的迅猛，市场化运行规则的不断完善，优秀的科研成果应该是有了更加广阔的天地。可以得到国有或者民营企业的支持而转化成生产力。但实际上显然并非如此。失去了顺理成章进入由政府立项、投资、评估、鉴定到评奖实施的“正规”途径，“举贤不避亲”实际上很难。于是，非职务发明成果似乎只能选择民营企业、民间资本作为支撑。然而民营企业的支持条件往往更加苛刻，除却趋利避害的本能之外，民营企业往往还缺乏评估判断的能力以及承担风险的实力。所以，市场化的渠道也并不通畅，特别是像新型热光伏电池这样的科技含量较高的创新成果。据了解，将这一项目进行中试需几百万元，而大规模投产则需要投资1亿元左右。显然，这样的投资规模远非中、小民营企业所能承受，更不要说陈钟谋个人。在全世界都极为重视并且寻求可再生、无污染的新能源之际，能够大幅度提高太阳能光伏电池转化率的新型电池若能实现生产，无疑具有重大的意义，但这一项目在理论突破和小试完成以后，至今已有5年多时间，不能得以实施、投产并且推向市场，也就失去了实际意义。而据陈先生介绍，发达国家在这一领域的最新进展，也已经采用了多层太阳能电池极板的吸光结构、使光电转换率提高到了25%左右，只是由于成本较高，还没有实际应用。言语当中，不无紧迫感与一丝忧虑。科研成果转化，一直是我国科技体制改革的重要课题。改革开放和市场化经济开拓了成果转化的新途径，但很明显，这样的新途径需要一个完善的过程，社会的经济基础，人们的思想观念，市场化规则的完善是大环境，而项目的评估，风险投资的来源，成熟的中介机构，企业家科学素养的提高则是急待解决的问题。以陈钟谋的科研成果为例，急需进入市场，而市场也迫切需要这样的先进技术，然而却缺少一个有效的过渡平台。陈先生已年近七旬，满头白发，只凭他个人奔走呼吁，在大海一般的市场面前，显得是那样孤单无助。很难说这种电池一经投产，便会风糜世界，可也许延宕下去，我们将错失一次拥有原创性知识产权的先进技术的良机。陈钟谋，男，1937年出生于江苏省无锡市，毕业于前苏联莫斯科动力学院电子器件专业，曾经师从著名科学家伊凡•列别捷夫教授。在前苏联求学期间，即在导师指导下完成了“超高频再生放大器可能性研究”课题，与其导师联名所作论文被载入《苏联百科全书•电子学卷》。20世纪60年代中期回国以后，一直在电子工业部所属研究部门从事科研工作，历任课题组组长、车间主任、研究室主任等职。几十年间，他参与或主持完成的科研成果有磁控管再生放大器、C波段兆瓦级磁控管、新一代夜视器件EBS-CCD的机理研究、色敏传感器研究、微型高效宽光谱接触器、硅宽势阱半导体光电二极管等等。陈钟谋曾被国防科委授予个人三等功；其成果曾获部级科技进步一等奖5项；国家科技进步二等奖1项。作为新型热光电池的专利发明人，陈钟谋还被美国传记研究所（ABI）列为“世界500名学术带头人”；被国际剑桥传记中心（IBC）列为“20世纪2000名卓越科学家”。碳纳米管让太阳能光伏电池更便宜关键词：碳纳米管太阳能电池光伏美国西北大学的研究人员研发出了一种能改革太阳能电池生产方法的碳材料。这种新的太阳能电池材料是由碳纳米管组成的透明导体，这为太阳能电池生产提供了另一种途径。当前的太阳能电池技术依赖于一种相对较稀有的元素。地球上碳元素含量丰富，碳纳米管有望促进太阳能的长远发展，提供一种成本效益更高的太阳能电池制造方法。另外，这种材料拥有良好的柔韧性，使得制成的太阳能电池可以集成到织物和衣服中，为个人电子产品和军事行动等提供便携式的供电。这项研究成果被刊登在AdvancedEnergyMaterials杂志2011年10月期。太阳能电池是由多层结构组成，包括一个透明导体层，太阳光通过透明导体层进入电池，而电能通过这里传出，因此这个导体必须是导电且透光的。同时具备这两种特性的材料很少。目前，铟锡氧化物是透明导体中应用最多的材料，但这种材料有两个缺点：易碎，且依赖于相对较稀有的元素铟。因此，对太阳能电池日益增长的需求将会极大地推高铟的价格。随着太阳能技术的普及，铟的供应将可能出现不足。因此人们很希望有一种地球上含量丰富的元素，比如碳，能取代铟在太阳能技术中的位置。该研究团队利用单壁碳纳米管研制出了可以替代铟锡氧化物的材料，并进一步确定了效率最高的碳纳米管的类型：金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。研究人员发现，当这两种碳纳米管作为透明导体使用在有机太阳能电池中时，金属型碳纳米管的效率是半导体型碳纳米管的50倍。新型光伏发电一一用纳米粒子提高太阳能发电效率澳大利亚研究人员发现，利用纳米粒子技术能大幅提高太阳能电池光电转化效率。在传统的硅基太阳能电池的制造中，很多人都利用等离子体效应，从而保证电池更加高效，但是却没有人利用这个效应来制造薄膜电池。澳大利亚国立大学的卡切波尔博士发现，她敷在一块薄膜太阳能电池表面的银纳米粒子，并不会像镜子一样完全反射直接照射到其表面的光线。相反，粒子表面上形成的等离子体将使光子偏斜，这样，这些光子会在薄膜电池内部来回反射，以便于长波长光的吸收。卡切波尔的测试设备的光电转化效率比普通的薄膜太阳能电池高30%左右。如果卡切波尔能把她的纳米粒子技术和大规模制造薄膜电池结合起来，很可能会改变太阳能电池技术领域的平衡，加速太阳能取代传统化石燃料能源的步伐。碳纳米管光伏电池首创：碳纳米管太阳电池。研究了高功函数金属/SWCNT/低功函数金属结构的制备、光伏效应、光吸收特性。发现通过将高、低功函数的金属分别作为与半导体性SWCNT焊接的漏极和源极，并选择合适的栅绝缘层厚度、栅压等器件参数，可导致在整根SWCNT中形成强内建电场以高效分离光生电子-空穴对，显示良好的光伏效应。在太阳光照射下，器件可获得0.31V的大的开路电压，光生电流的响应时间只有90ms，可被应用作太阳能光伏微电池。同时一种电磁散射模型被用在有限元模拟方法中对器件中定向SWCNT阵列的实际光吸收进行估计。该模型将SWCNT对待作具有频率相关复介电函数的介电圆柱体，将具体的器件结构及SWCNT间对光的各种散射和耦合加以考虑，较精确地计算出了SWCNT的光吸收，其提供了一种对处于系统中的一维纳米材料光吸收进行评估的有效方法。基于实际吸收的入射光功率，器件的功率转换效率高达12.6%。该结构FET高效光电转换特性的发现不仅为在同一材料平台上集成电子和光电子器件提供了一条新的途径，而且证明了半导体性SWCNT可作为一种良好的光电能量转换材料。首创一种高功函数金属/SWCNT/低功函数金属结构新型太阳能光伏电池，样品器件已实现12.6%的内部功率转换效率，理论效率可达60%。相关论文分别在Small,IEEETransactionsonNanotechnology,AppliedPhysicsLetters选为“封面文章”，被NatureChina杂志作为“研究亮点”刊登报道，并被Nanotechweb网、科学时报头版等专题评价认为“开辟了一条全新的CNT光电子器件改善的途径”，论文被跟踪研究。金纳米粒子改善光伏电池转换率简要内容：据美国物理学家组织网报道，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员与来自中国和日本的同行通过将金纳米粒子用于有机光电太阳能电池，助其增强了光吸收的能力，极大地提高了电池的光电转化率。据美国物理学家组织网报道，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员与来自中国和日本的同行通过将金纳米粒子用