第451章 材料科学和精密制造

(去读书 www.qudushu.la)    他在“材料科学”下面写了一行字：多晶硅提纯——》西门子法——》高纯化学品——》耐腐蚀设备，然后他在这行字后面打了一个问号。

    他放下铅笔，靠在椅背上，闭上眼睛。

    他在想，有没有可能绕过晶体硅，走别的路线？

    碲化镉薄膜电池对材料纯度的要求比晶体硅低一个数量级，可以通过气相沉积或电化学沉积在玻璃或不锈钢箔上制备。

    但碲和镉都是稀有元素，在这个年代，国内有没有成熟的提纯和回收工艺？铜铟镓硒薄膜电池的效率更高。

    但铟和镓同样是稀缺资源，而且多层薄膜的组分控制极其复杂，需要精密的溅射设备和工艺参数，这些设备，在这个年代，甚至连概念都还没有。

    他睁开眼睛，在“材料科学”下面又加了一行字：薄膜路线——》碲化镉或铜铟镓硒——》稀有元素供应——》沉积设备。

    然后他在这行字后面也打了一个问号。

    他翻过一页，开始在第二页上写第二块内容：精密制造。

    有了多晶硅锭，还需要把它切成薄如蝉翼的硅片。

    现代切片使用的是金刚石线锯，可以将硅片切割到一百八十微米甚至更薄，切割损耗小，表面损伤轻。

    而他所在的时代，最先进的切片设备是内圆切割机，刀片本身的厚度就超过三百微米，切割损耗极大，切出来的硅片厚薄不均，表面损伤严重。

    要切出符合现代效率要求的硅片，需要亚微米级的精密机械定位和张力控制，这在七十年代的中国，是完全不可能实现的。

    他在“精密制造”下面写了一行字：金刚石线锯——》亚微米级定位——》张力控制，然后他在这行字后面重重地画了一个圈。

    他又想到电池制备的后续工序。

    制绒需要在硅片表面制作微米级的金字塔结构，以减少反射；扩散需要在高温下形成PN结；电极制备需要在硅片正面和背面制作精细的银电极和铝背场。

    每一道工序都需要超净环境、高精度设备和专用材料。

    七十年代国内半导体行业的洁净室标准通常是万级，而光伏电池制备需要百级甚至十级洁净室，温湿度控制、尘埃粒子过滤、静电防护，每一项都是巨大的挑战。

    他在“精密制造”下面又加了一行字：超净环境——》百级洁净室——》温湿度控制——》静电防护。

    然后他在这行字后面也画了一个圈。

    他翻过一页，开始在第三页上写第三块内容：电力电子。

    光伏板发出的是直流电，而且电压随光照变化剧烈。

    要把它变成可以并网或驱动交流负载的交流电，需要逆变器。

    要最大限度地利用光伏板的发电能力，需要最大功率点跟踪控制器，要保证系统的安全和稳定，需要保护、监测和通信系统。

    而所有这些，都离不开一个核心器件，高速开关功率半导体器件。

    现代逆变器的核心是IGBT或MOSFET，这两种器件都可以在高频率下开关，从而实现高效的电能变换。

    而七十年代，电力电子领域的主流是晶闸管，也就是可控硅，晶闸管只能控制导通，不能控制关断，开关频率极低，根本无法用于高效逆变。

    他在“电力电子”下面写了一行字：IGBT/MOSFET——》高速开关——》PWM逆变，然后他在这行字后面画了一个大大的问号。

    如果用晶闸管强行搭建逆变器，会是什么结果？

    只能做成笨重的工频变压器耦合式方波逆变器，效率低下，谐波巨大，体积和重量惊人，要输出正弦波，还需要庞大的滤波电感电容组件。

    整个系统可能比一台拖拉机还要重，效率却不到百分之七十。

    他在“电力电子”下面又加了一行字：晶闸管替代方案——》工频变压器耦合——》方波逆变——》效率低下。

    然后他在这行字后面画了一个箭头，指向另一个方向：电子管？汞弧整流器？

    他在这个方向后面打了一个问号，然后继续写道：模拟电路MPPT——》运算放大器——》伺服电机——》可靠性堪忧。

    他放下铅笔，揉了揉太阳穴。

    电力电子这块短板，是所有短板中最难弥补的之一。

    没有高速开关器件，逆变器的效率和体积就无法达到实用水平。

    而高速开关器件的制造，又依赖于微电子工业的整体水平，光刻、扩散、钝化、封装，每一项都是这个时代的薄弱环节。

    他翻过一页，开始在第四页上写第四块内容：辅助系统。

    储能、支架、线缆、接地、防雷——这些看似外设的环节，每一个都可能成为整个系统的瓶颈。

    储能方面，这个时代的铅酸电池能量密度低、循环寿命短、需要频繁维护。

    要支撑一个农场或一个村庄的夜间用电，需要数吨重的电池组，而且每隔几年就需要更换。

    现代磷酸铁锂电池的能量密度是铅酸电池的五倍以上，循环寿命是十倍以上，但这些技术在七十年代完全没有理论和技术基础。

    他在“辅助系统”下面写了一行字：铅酸电池——》能量密度低——》循环寿命短——》维护量大。

    然后他在这行字后面画了一个箭头，指向另一个方向：压缩空气储能？抽水蓄能？飞轮储能？

    他在这些方向后面都打了问号，然后继续写道：支架与跟踪系统——》手动调节——》最佳倾角固定——》发电量损失。

    他又加了一行字：专用线缆与连接器——》耐候耐紫外——》防水——》接地与防雷。

    他写完之后，放下铅笔，靠在椅背上，望着桌上那四页密密麻麻的草稿纸，沉默了很久。

    这四个方面的困难，每一个都是巨大的，每一个都需要投入大量的资源和时间才能克服。

    而最困难的不是某一个方面，而是这四个方面必须同步推进，缺一不可。材料科学跟不上，光伏板就造不出来；精密制造跟不上，造出来的光伏板效率低下、成本高昂；电力电子跟不上，发出来的电无法有效利用；辅助系统跟不上，整个系统无法稳定可靠地运行。

    他闭上眼睛，在脑海里反复推演着各种可能的路径。

    有没有一条路，可以绕过这些困难，在现有条件下实现一个虽然简陋、但可用的太阳能发电系统？去读书 www.qudushu.la