化学突破开启太阳能硅基光伏新时代

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3 |/ _. j, J2 J# u4 ?( y; {3 l' G4 m　针对当今人类面临的严峻能源挑战，化学家们在想些什么、做些什么？来自中、美、英、德、日等5个国家太阳能领域的一流科学家，去年在德国召开了第一届化学科学与社会研讨会（CS3），并于前不久发布了《用阳光驱动世界》白皮书。科学家针对大规模利用太阳能所面临的关键问题，提出了创新性的解决思路，这对于引领世界太阳能研究、推动太阳能技术进步具有重要意义。自今日起刊登“太阳能驱动世界”系列报道，与读者分享世界顶级科学家们集体智慧的结晶。　　科学家们估算，如果人类继续以现有的方式使用能源，到2050年全球总能量消耗将在现有水平翻一番以上。《用阳光驱动世界》白皮书强调，化石燃料是一种不可持续的资源，而太阳能已被公认为是最具潜力的替代能源，太阳每小时向地球提供的能量比全世界一年所消耗的能量还要多。我们今天所面临的科学挑战是：如何使太阳能利用满足人类的需要？
0 }. g- }. k$ P1 M3 a" q7 F3 y　　国际化学界在寻求用太阳能来解决21世纪全球能源问题时发出了自己的声音。
5 B) m9 B+ D' E　　太阳能利用核心在化学
2 g( ]) I3 m  |3 J' [1 |　　为了推动利用太阳能解决全球能源危机的国际合作和开创新思维，来自中、德、美、英、日等5个国家化学会的30位顶级科学家在去年召开的第一届化学科学与社会研讨会（CS3）上，将焦点集中于几个问题：怎样才能获得人类所需规模的太阳能？如何转化和储存太阳能？用太阳能满足世界能源需求必须解决的最紧迫问题是什么？
7 ^2 K, [+ Y% X5 T9 M2 J　　在CS3研讨基础上形成的白皮书指出：化学在认识太阳能的潜力方面将扮演核心角色。因为能量从一种形式转化为另一种形式，几乎都涉及到化学反应。要想用经济可行且可持续的方法开发驱动这些化学反应的新材料和新工艺，首先要在分子水平上理解这些化学反应。
　　投资化学就是投资未来
　　对上述问题的深入探讨，使科学家们形成了这样的共识：
% |3 z  B: a' H: R( E; z　　首先，今天的科学就是明天的技术。对于能源问题没有最佳的单一解决办法，科学家与社会应该共同探索下一代可选择的各种能源，寻求一个经济上可行且可持续的解决办法。由于提前预测科学突破或者判断今天我们探索的技术在未来是否先进是困难的，因此不应对科学研究预设前提。
　　其次，人类对化学的投资就是对未来发展的投资。要确认太阳能的潜力，必须制定一个有效的化学基础研究计划。新材料的发现和新工艺的设计，对于促使太阳能发展成为人类可以大规模应用的能源是必不可少的工作。
, D0 v* o. b6 Y+ w/ G　　再次，今天化学专业的学生就是明天的能源科学家。人类社会需要新一代能源科学家不懈探索，开辟在太阳能俘获、转化和储存方面的创新途径。因此开发可大规模使用太阳能的技术需要长期的努力，应鼓励年轻人在更宽广的范围内，关注开发太阳能过程中所面临的科学挑战。
$ f; d9 @5 s& b% ]" U, Y　　开发用得起的太阳能技术
# A$ N( v/ `  l+ K　　硅基光伏（PV）电池目前是利用太阳能的最普遍方法，但纯硅片的昂贵成本限制了它的广泛使用。无论多么有效的能量转换技术，只有在成本可承受的情况下才可能推广应用。白皮书发布的内容显示，对于开发有效且经济上可行的太阳能技术，科学家提出了优先研究目标。
　　目标一：把太阳能变为化学燃料这里指的是模拟自然界中植物光合作用的人工光合成，把太阳能转化为化学能。要实现这一目标，化学家们必须开发并商业化生产出用于人工光合成的两个主要工艺过程——光解水和CO2还原的化学催化剂，这种催化剂必须是以地球上资源丰富且价廉的材料为原料。同时，采用不需要外部牺牲电子给体的方式，把光解水和CO2还原结合起来，创制出“人工树叶”。
. b1 m* D* p9 g( ~5 {1 u* k　　目标二：获得已存在于自然界的太阳能这一目标是指通过非农作物生物质把自然界转化到植物中的太阳能，间接地提取出来，变成生物燃料。要完成这一目标，化学家们必须开发出能用来创制更多生物质的生物化学方法；同时开发出能够改善生物质转化效率的催化过程。
　　目标三：把太阳能转化为电能生产成本过高限制了将太阳能直接转化为电能的PV电池的广泛应用。要普及PV电池，化学家们必须开发出低成本、无毒、地球上储量丰富的下一代PV材料。
5 v7 Y% X, x! j$ P: {　　目标四：储存新收集和转化的太阳能在利用太阳能的过程中，人们不仅需要将太阳能转化为其他形式的能源，还需要开发将转化后的能源储存起来以备使用的系统，这是一个高难度的课题。在构建低成本、可持续发展的太阳能储存系统之前，化学家们必须开发出低成本、以地球上高丰度元素制备、可用于构建太阳能转换和储存系统的新型催化剂和材料。