第451章 材料科學和精密製造
他在「材料科學」下面寫了一行字：多晶矽提純——》西門子法——》高純化學品——》耐腐蝕設備，然後他在這行字後面打了一個問號。
他放下鉛筆，靠在椅背上，閉上眼睛。
他在想，有沒有可能繞過晶體矽，走別的路線？
碲化鎘薄膜電池對材料純度的要求比晶體矽低一個數量級，可以通過氣相沉積或電化學沉積在玻璃或不鏽鋼箔上製備。
但碲和鎘都是稀有元素，在這個年代，國內有沒有成熟的提純和回收工藝？銅銦鎵硒薄膜電池的效率更高。
但銦和鎵同樣是稀缺資源，而且多層薄膜的組分控制極其複雜，需要精密的濺射設備和工藝參數，這些設備，在這個年代，甚至連概念都還沒有。
他睜開眼睛，在「材料科學」下面又加了一行字：薄膜路線——》碲化鎘或銅銦鎵硒——》稀有元素供應——》沉積設備。
然後他在這行字後面也打了一個問號。
他翻過一頁，開始在第二頁上寫第二塊內容：精密製造。
有了多晶矽錠，還需要把它切成薄如蟬翼的矽片。
現代切片使用的是金剛石線鋸，可以將矽片切割到一百八十微米甚至更薄，切割損耗小，表面損傷輕。
而他所在的時代，最先進的切片設備是內圓切割機，刀片本身的厚度就超過三百微米，切割損耗極大，切出來的矽片厚薄不均，表面損傷嚴重。
要切出符合現代效率要求的矽片，需要亞微米級的精密機械定位和張力控制，這在七十年代的中國，是完全不可能實現的。
他在「精密製造」下面寫了一行字：金剛石線鋸——》亞微米級定位——》張力控制，然後他在這行字後面重重地畫了一個圈。
他又想到電池製備的後續工序。
制絨需要在矽片表面製作微米級的金字塔結構，以減少反射；擴散需要在高溫下形成PN結；電極製備需要在矽片正面和背面製作精細的銀電極和鋁背場。
每一道工序都需要超淨環境、高精度設備和專用材料。
七十年代國內半導體行業的潔淨室標準通常是萬級，而光伏電池製備需要百級甚至十級潔淨室，溫濕度控制、塵埃粒子過濾、靜電防護，每一項都是巨大的挑戰。
他在「精密製造」下面又加了一行字：超淨環境——》百級潔淨室——》溫濕度控制——》靜電防護。
然後他在這行字後面也畫了一個圈。
他翻過一頁，開始在第三頁上寫第三塊內容：電力電子。
光伏板發出的是直流電，而且電壓隨光照變化劇烈。
要把它變成可以併網或驅動交流負載的交流電，需要逆變器。
要最大限度地利用光伏板的發電能力，需要最大功率點跟蹤控制器，要保證系統的安全和穩定，需要保護、監測和通信系統。
而所有這些，都離不開一個核心器件，高速開關功率半導體器件。
現代逆變器的核心是IGBT或MOSFET，這兩種器件都可以在高頻率下開關，從而實現高效的電能變換。
而七十年代，電力電子領域的主流是晶閘管，也就是可控矽，晶閘管只能控制導通，不能控制關斷，開關頻率極低，根本無法用於高效逆變。
他在「電力電子」下面寫了一行字：IGBT/MOSFET——》高速開關——》PWM逆變，然後他在這行字後面畫了一個大大的問號。
如果用晶閘管強行搭建逆變器，會是什麼結果？
只能做成笨重的工頻變壓器耦合式方波逆變器，效率低下，諧波巨大，體積和重量驚人，要輸出正弦波，還需要龐大的濾波電感電容組件。
整個系統可能比一台拖拉機還要重，效率卻不到百分之七十。
他在「電力電子」下面又加了一行字：晶閘管替代方案——》工頻變壓器耦合——》方波逆變——》效率低下。
然後他在這行字後面畫了一個箭頭，指向另一個方向：電子管？汞弧整流器？
他在這個方向後面打了一個問號，然後繼續寫道：模擬電路MPPT——》運算放大器——》伺服電機——》可靠性堪憂。
他放下鉛筆，揉了揉太陽穴。
電力電子這塊短板，是所有短板中最難彌補的之一。
沒有高速開關器件，逆變器的效率和體積就無法達到實用水平。
而高速開關器件的製造，又依賴於微電子工業的整體水平，光刻、擴散、鈍化、封裝，每一項都是這個時代的薄弱環節。
他翻過一頁，開始在第四頁上寫第四塊內容：輔助系統。
儲能、支架、線纜、接地、防雷——這些看似外設的環節，每一個都可能成為整個系統的瓶頸。
儲能方面，這個時代的鉛酸電池能量密度低、循環壽命短、需要頻繁維護。
要支撐一個農場或一個村莊的夜間用電，需要數噸重的電池組，而且每隔幾年就需要更換。
現代磷酸鐵鋰電池的能量密度是鉛酸電池的五倍以上，循環壽命是十倍以上，但這些技術在七十年代完全沒有理論和技術基礎。
他在「輔助系統」下面寫了一行字：鉛酸電池——》能量密度低——》循環壽命短——》維護量大。
然後他在這行字後面畫了一個箭頭，指向另一個方向：壓縮空氣儲能？抽水蓄能？飛輪儲能？
他在這些方向後面都打了問號，然後繼續寫道：支架與跟蹤系統——》手動調節——》最佳傾角固定——》發電量損失。
他又加了一行字：專用線纜與連接器——》耐候耐紫外——》防水——》接地與防雷。
他寫完之後，放下鉛筆，靠在椅背上，望著桌上那四頁密密麻麻的草稿紙，沉默了很久。
這四個方面的困難，每一個都是巨大的，每一個都需要投入大量的資源和時間才能克服。
而最困難的不是某一個方面，而是這四個方面必須同步推進，缺一不可。材料科學跟不上，光伏板就造不出來；精密製造跟不上，造出來的光伏板效率低下、成本高昂；電力電子跟不上，發出來的電無法有效利用；輔助系統跟不上，整個系統無法穩定可靠地運行。
他閉上眼睛，在腦海里反覆推演著各種可能的路徑。
有沒有一條路，可以繞過這些困難，在現有條件下實現一個雖然簡陋、但可用的太陽能發電系統？
他放下鉛筆，靠在椅背上，閉上眼睛。
他在想，有沒有可能繞過晶體矽，走別的路線？
碲化鎘薄膜電池對材料純度的要求比晶體矽低一個數量級，可以通過氣相沉積或電化學沉積在玻璃或不鏽鋼箔上製備。
但碲和鎘都是稀有元素，在這個年代，國內有沒有成熟的提純和回收工藝？銅銦鎵硒薄膜電池的效率更高。
但銦和鎵同樣是稀缺資源，而且多層薄膜的組分控制極其複雜，需要精密的濺射設備和工藝參數，這些設備，在這個年代，甚至連概念都還沒有。
他睜開眼睛，在「材料科學」下面又加了一行字：薄膜路線——》碲化鎘或銅銦鎵硒——》稀有元素供應——》沉積設備。
然後他在這行字後面也打了一個問號。
他翻過一頁，開始在第二頁上寫第二塊內容：精密製造。
有了多晶矽錠，還需要把它切成薄如蟬翼的矽片。
現代切片使用的是金剛石線鋸，可以將矽片切割到一百八十微米甚至更薄，切割損耗小，表面損傷輕。
而他所在的時代，最先進的切片設備是內圓切割機，刀片本身的厚度就超過三百微米，切割損耗極大，切出來的矽片厚薄不均，表面損傷嚴重。
要切出符合現代效率要求的矽片，需要亞微米級的精密機械定位和張力控制，這在七十年代的中國，是完全不可能實現的。
他在「精密製造」下面寫了一行字：金剛石線鋸——》亞微米級定位——》張力控制，然後他在這行字後面重重地畫了一個圈。
他又想到電池製備的後續工序。
制絨需要在矽片表面製作微米級的金字塔結構，以減少反射；擴散需要在高溫下形成PN結；電極製備需要在矽片正面和背面製作精細的銀電極和鋁背場。
每一道工序都需要超淨環境、高精度設備和專用材料。
七十年代國內半導體行業的潔淨室標準通常是萬級，而光伏電池製備需要百級甚至十級潔淨室，溫濕度控制、塵埃粒子過濾、靜電防護，每一項都是巨大的挑戰。
他在「精密製造」下面又加了一行字：超淨環境——》百級潔淨室——》溫濕度控制——》靜電防護。
然後他在這行字後面也畫了一個圈。
他翻過一頁，開始在第三頁上寫第三塊內容：電力電子。
光伏板發出的是直流電，而且電壓隨光照變化劇烈。
要把它變成可以併網或驅動交流負載的交流電，需要逆變器。
要最大限度地利用光伏板的發電能力，需要最大功率點跟蹤控制器，要保證系統的安全和穩定，需要保護、監測和通信系統。
而所有這些，都離不開一個核心器件，高速開關功率半導體器件。
現代逆變器的核心是IGBT或MOSFET，這兩種器件都可以在高頻率下開關，從而實現高效的電能變換。
而七十年代，電力電子領域的主流是晶閘管，也就是可控矽，晶閘管只能控制導通，不能控制關斷，開關頻率極低，根本無法用於高效逆變。
他在「電力電子」下面寫了一行字：IGBT/MOSFET——》高速開關——》PWM逆變，然後他在這行字後面畫了一個大大的問號。
如果用晶閘管強行搭建逆變器，會是什麼結果？
只能做成笨重的工頻變壓器耦合式方波逆變器，效率低下，諧波巨大，體積和重量驚人，要輸出正弦波，還需要龐大的濾波電感電容組件。
整個系統可能比一台拖拉機還要重，效率卻不到百分之七十。
他在「電力電子」下面又加了一行字：晶閘管替代方案——》工頻變壓器耦合——》方波逆變——》效率低下。
然後他在這行字後面畫了一個箭頭，指向另一個方向：電子管？汞弧整流器？
他在這個方向後面打了一個問號，然後繼續寫道：模擬電路MPPT——》運算放大器——》伺服電機——》可靠性堪憂。
他放下鉛筆，揉了揉太陽穴。
電力電子這塊短板，是所有短板中最難彌補的之一。
沒有高速開關器件，逆變器的效率和體積就無法達到實用水平。
而高速開關器件的製造，又依賴於微電子工業的整體水平，光刻、擴散、鈍化、封裝，每一項都是這個時代的薄弱環節。
他翻過一頁，開始在第四頁上寫第四塊內容：輔助系統。
儲能、支架、線纜、接地、防雷——這些看似外設的環節，每一個都可能成為整個系統的瓶頸。
儲能方面，這個時代的鉛酸電池能量密度低、循環壽命短、需要頻繁維護。
要支撐一個農場或一個村莊的夜間用電，需要數噸重的電池組，而且每隔幾年就需要更換。
現代磷酸鐵鋰電池的能量密度是鉛酸電池的五倍以上，循環壽命是十倍以上，但這些技術在七十年代完全沒有理論和技術基礎。
他在「輔助系統」下面寫了一行字：鉛酸電池——》能量密度低——》循環壽命短——》維護量大。
然後他在這行字後面畫了一個箭頭，指向另一個方向：壓縮空氣儲能？抽水蓄能？飛輪儲能？
他在這些方向後面都打了問號，然後繼續寫道：支架與跟蹤系統——》手動調節——》最佳傾角固定——》發電量損失。
他又加了一行字：專用線纜與連接器——》耐候耐紫外——》防水——》接地與防雷。
他寫完之後，放下鉛筆，靠在椅背上，望著桌上那四頁密密麻麻的草稿紙，沉默了很久。
這四個方面的困難，每一個都是巨大的，每一個都需要投入大量的資源和時間才能克服。
而最困難的不是某一個方面，而是這四個方面必須同步推進，缺一不可。材料科學跟不上，光伏板就造不出來；精密製造跟不上，造出來的光伏板效率低下、成本高昂；電力電子跟不上，發出來的電無法有效利用；輔助系統跟不上，整個系統無法穩定可靠地運行。
他閉上眼睛，在腦海里反覆推演著各種可能的路徑。
有沒有一條路，可以繞過這些困難，在現有條件下實現一個雖然簡陋、但可用的太陽能發電系統？