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2010年8月，英国王储查尔斯•菲利普取得其在伦敦皇家官邸（克拉伦斯宫）安装太阳能电池板的许可，引来英国媒体争相报道，并给查尔斯冠上了“阳光国王”的昵称。这座已经获得安装许可的皇室建筑拥有180年历史，即将加装的太阳能供电系统将给这座古宅穿戴上新能源时代的新装。您知道么，刚刚举行过婚礼的威廉王子，之前就是在此官邸宣布订婚消息的。阳光国王查尔斯率先垂范购买太阳能电池，是想让英国普通市民关注这一新兴产业。
预计，该皇家庭院初期工程由32块太阳能电池板组成，约为6千瓦峰值（kWp）系统，全年供电约4000度。这个用电量与英国普通家庭一年的用电量相当。特别有趣的是，我国知名太阳能企业无锡尚德集团很有可能成为英国皇室整体设备的供应商。由于施工过程要考虑保护古文物等因素，估计全套工程耗资150万元人民币。这么一套系统，哪怕安在普通中国老百姓的民房，成本也需20万元左右人民币，假若没有政策扶持，这样的皇家庭前燕是不大可能飞入寻常百姓家的。
太阳, 可说是取之不尽的能源。太阳能在世界各地的分布比较均匀，其每年辐射到地球表面的能量相当于全世界每年能源消耗总量的1万倍和全世界化石能源总量的1/10。那么，怎样的一套机器，能将太阳能转化为我们日常使用的电力呢？我们现在使用的太阳能供电系统，大致可以分为独立式和并网式。独立式太阳能系统比较适合偏远没有电网的地区，特点是需附加大容量的充电池蓄电。但是由于蓄电池本身比较昂贵，而且增加了系统的维护成本和废弃电池的回收成本，并网式系统目前更受用户的青睐。在并网式系统中，太阳能电池板阵列和与之功率、电压相匹配的逆变器相连。逆变器的功能是把太阳能电池板输出的直流电转换成民用交流电，再并入电网。智能电表不但能告诉用户消耗的电量，而且能报出自家的电池板产生并回馈给电网的电量，一入一出，减少了用户的实际电费，有时候甚至会因自家太阳能发电多于家庭用电而从供电公司得到“额外收入”。并网式系统经济实用，比较适合城镇，渐渐被市场认可。
所谓的“额外收入”，是在国家新能源政策扶植下的一种收入。德国、美国和日本是实施这一政策的先驱者。英国也于2010年4月份开始实施太阳能上网价。优惠政策实施的目的是希望政府资金吸引民间资金，带动技术创新，扶持新行业的发展，增加就业机会，寻找新的经济增长动力。等到太阳能技术成熟之时，太阳能电力成本将大大降低，优惠政策便可逐渐取消。届时，人们对石化能源的依赖度便大大降低。
从目前的市场价格来看，一套1kWp的并网式太阳能系统（含逆变器）价格大约是3～4万元人民币，单位价格是30～40元/瓦（约4美元/瓦）。 根据系统30年的寿命来计算，1美元/瓦大致可换算成0.05美元/千瓦时。也就是说，目前的太阳能供电价格约是1.5元/千瓦时，是常规火力发电的平均成本（0.3元/千瓦时）的5倍左右。因此，能否出现技术的革新从而降低单位电价成本，对于太阳能发电的应用前景至关重要。
太阳能电池基本原理和技术概况
太阳电池系统的核心器件，是怎么把阳光转化为电力资源的呢？先让我们来看下太阳能电池的工作原理，再对技术前沿进一步了解。太阳能电池由半导体材料制作而成。电子在半导体材料中处于一定的能量状态，而这些能量是不连续的，也就是说，在一个很大的能量值区域里电子不能存在，我们称之为半导体的禁带。电子只能在禁带之外，能量低的价带和能量高的导带上存在。当光线入射到半导体内，如果光子的能量大于禁带宽度，电子将吸收光子的能量，从低能的价带跃迁到高能的导带，并在价带上留下一空穴，这一过程我们简单称为“产生空穴电子对”。导带里的电子和价带上的空穴是能在外界电场的作用下移动的。那么，太阳能中的电场从何而来呢？原来，当不同类型（n型和p型）的半导体结合在一起并形成p-n结时，由于电子处在两个区域的能量状态是不同的，就会在结合处产生电势差。不妨把p-n结想象成一个有落差的河道。“水往低处流”，当光子被吸收激发出光生电子时，高能电子就像水流一样，由高处往低处流去并在那里聚集。由于电子带负电荷，空穴带正电荷，它们移动方向相反。这样大量的电子在n型半导体上聚集，而空穴则大量在p型半导体上聚集，一旦用电线把太阳能电池的两端接上外载负荷（例如灯泡），电荷就会形成电流，给外界供给电能。
太阳能电池的种类很多，根据其成本跟效率的关系，大致能分为三代产品。第一代产品，以单多晶硅为材料，是目前市面上的主要产品。第二代太阳能电池是薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池的主要优点是其制造工艺相对第一代硅基产品更为简单，生产过程中耗能低，材料轻薄，成本较低，其缺点是效率相对低一些。市面主要的产品有非晶硅、CdTe和铜铟镓硒。第三代太阳能电池目前还处在研发和试产阶段，新一代电池的产品种类很多，其技术要点是要充分吸太阳光谱中不同光波的能量，并减少电池的热损失。这种电池的主要代表是聚光型太阳能电池。
技术前沿
太阳能有一个重要特点就是能量密度低。在晴朗的天气里，每平方米接收到的太阳能约为1000W左右，而高效太阳能电池推广的障碍是单位造价过高。这对矛盾一直制约着太阳能电池的推广。聚光型太阳能电池发电站正是为解决这对矛盾而出现的。
简单地说，利用价格低廉的平面镜将太阳光束聚焦到一个比较小的面积，再利用高效太阳能电池收集这一能量。这个听上去不大难的设计，究竟有什么技术障碍呢？首先，当光聚集到一点时，产生的热量是惊人的，聚集的光热能把一片不锈钢板熔化。让太阳能电池耐得住高温的同时又不浪费热能，是聚光型太阳能电池技术突破的关键。
在太阳能电池的设计上，为了最大限度地利用光能，避免光能在半导体中转换成热能而丧失浪费，常用的做法是制作高效的多结电池。太阳光能谱中不同区域的光能被不同禁带宽度的太阳能电池所吸收，三个电池串联一起，电流一致，电压增大，达到增加输出功率、充分利用光电能转换的效果。想象一下彩虹，就是通过折射把太阳光中的多种色彩分离开来形成的。多结太阳能电池的原理就是把太阳光中不同颜色的光分别吸收，转变成电流再叠加一起输出。
美国SunPower公司2010年六月宣布新的硅太阳能电池效率记录是24.2%。在多结聚光型太阳能电池方面，美国Delaware大学2007年宣布42.8%的多结太阳能电池记录。在已被认可的记录上，德国慕尼黑弗朗霍夫实验室（Munich，Fraunhofer）于2009年公布了41.1%的多结太阳能电池记录。企业方面，波音公司的全资子公司Spectrolab Inc. 也于2009年宣布41.6%的多结电池效率，略微超过德国宣布的记录，该公司以往的产品主要为美国的卫星系统供电。
除了结构上的革新，太阳能电池材料方面的研究也在火热进行当中。一般来说，半导体材料吸收一个高于自身禁带宽度的光子后会产生一对空穴电子对。如果光能很大，产生的这对空穴电子具有很高的能量，部分能量就会变成热能消失。但是还有一种可能性，就是这样的高能空穴电子对还能继续激发出新的能量较低的空穴电子对。这样，高能的空穴电子对的多余能量就被进一步利用转化成电能，而不是以热量的形式散发出去。目前，这种新型纳米材料已经被开发出来，它的名字读者朋友也许很熟悉——碳纳米管。
近来，导电的有机物材料（即含碳化合物）产生了另一个研究热点。艾伦•黑格（Alan Heeger，2000年诺贝尔化学奖得主）等发现半导体有机物以来，各类新型柔性电子器件层出不穷（参阅作者刘川2009年9月发表于《自然与科技》总第175期的文章，《把显示器卷起带走》）。目前实验室里有机太阳能电池的最高效率约为7%。其产业化实现还有赖于解决有机半导体材料在氧气和潮湿环境中的效率衰减问题。
（作者为剑桥大学电子工程系和物理系博士，源峰能源协会成员。作者借此感谢剑桥大学华人学生学者联合会对本文给予的协助）
预计，该皇家庭院初期工程由32块太阳能电池板组成，约为6千瓦峰值（kWp）系统，全年供电约4000度。这个用电量与英国普通家庭一年的用电量相当。特别有趣的是，我国知名太阳能企业无锡尚德集团很有可能成为英国皇室整体设备的供应商。由于施工过程要考虑保护古文物等因素，估计全套工程耗资150万元人民币。这么一套系统，哪怕安在普通中国老百姓的民房，成本也需20万元左右人民币，假若没有政策扶持，这样的皇家庭前燕是不大可能飞入寻常百姓家的。
太阳, 可说是取之不尽的能源。太阳能在世界各地的分布比较均匀，其每年辐射到地球表面的能量相当于全世界每年能源消耗总量的1万倍和全世界化石能源总量的1/10。那么，怎样的一套机器，能将太阳能转化为我们日常使用的电力呢？我们现在使用的太阳能供电系统，大致可以分为独立式和并网式。独立式太阳能系统比较适合偏远没有电网的地区，特点是需附加大容量的充电池蓄电。但是由于蓄电池本身比较昂贵，而且增加了系统的维护成本和废弃电池的回收成本，并网式系统目前更受用户的青睐。在并网式系统中，太阳能电池板阵列和与之功率、电压相匹配的逆变器相连。逆变器的功能是把太阳能电池板输出的直流电转换成民用交流电，再并入电网。智能电表不但能告诉用户消耗的电量，而且能报出自家的电池板产生并回馈给电网的电量，一入一出，减少了用户的实际电费，有时候甚至会因自家太阳能发电多于家庭用电而从供电公司得到“额外收入”。并网式系统经济实用，比较适合城镇，渐渐被市场认可。
所谓的“额外收入”，是在国家新能源政策扶植下的一种收入。德国、美国和日本是实施这一政策的先驱者。英国也于2010年4月份开始实施太阳能上网价。优惠政策实施的目的是希望政府资金吸引民间资金，带动技术创新，扶持新行业的发展，增加就业机会，寻找新的经济增长动力。等到太阳能技术成熟之时，太阳能电力成本将大大降低，优惠政策便可逐渐取消。届时，人们对石化能源的依赖度便大大降低。
从目前的市场价格来看，一套1kWp的并网式太阳能系统（含逆变器）价格大约是3～4万元人民币，单位价格是30～40元/瓦（约4美元/瓦）。 根据系统30年的寿命来计算，1美元/瓦大致可换算成0.05美元/千瓦时。也就是说，目前的太阳能供电价格约是1.5元/千瓦时，是常规火力发电的平均成本（0.3元/千瓦时）的5倍左右。因此，能否出现技术的革新从而降低单位电价成本，对于太阳能发电的应用前景至关重要。
太阳能电池基本原理和技术概况
太阳电池系统的核心器件，是怎么把阳光转化为电力资源的呢？先让我们来看下太阳能电池的工作原理，再对技术前沿进一步了解。太阳能电池由半导体材料制作而成。电子在半导体材料中处于一定的能量状态，而这些能量是不连续的，也就是说，在一个很大的能量值区域里电子不能存在，我们称之为半导体的禁带。电子只能在禁带之外，能量低的价带和能量高的导带上存在。当光线入射到半导体内，如果光子的能量大于禁带宽度，电子将吸收光子的能量，从低能的价带跃迁到高能的导带，并在价带上留下一空穴，这一过程我们简单称为“产生空穴电子对”。导带里的电子和价带上的空穴是能在外界电场的作用下移动的。那么，太阳能中的电场从何而来呢？原来，当不同类型（n型和p型）的半导体结合在一起并形成p-n结时，由于电子处在两个区域的能量状态是不同的，就会在结合处产生电势差。不妨把p-n结想象成一个有落差的河道。“水往低处流”，当光子被吸收激发出光生电子时，高能电子就像水流一样，由高处往低处流去并在那里聚集。由于电子带负电荷，空穴带正电荷，它们移动方向相反。这样大量的电子在n型半导体上聚集，而空穴则大量在p型半导体上聚集，一旦用电线把太阳能电池的两端接上外载负荷（例如灯泡），电荷就会形成电流，给外界供给电能。
太阳能电池的种类很多，根据其成本跟效率的关系，大致能分为三代产品。第一代产品，以单多晶硅为材料，是目前市面上的主要产品。第二代太阳能电池是薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池的主要优点是其制造工艺相对第一代硅基产品更为简单，生产过程中耗能低，材料轻薄，成本较低，其缺点是效率相对低一些。市面主要的产品有非晶硅、CdTe和铜铟镓硒。第三代太阳能电池目前还处在研发和试产阶段，新一代电池的产品种类很多，其技术要点是要充分吸太阳光谱中不同光波的能量，并减少电池的热损失。这种电池的主要代表是聚光型太阳能电池。
技术前沿
太阳能有一个重要特点就是能量密度低。在晴朗的天气里，每平方米接收到的太阳能约为1000W左右，而高效太阳能电池推广的障碍是单位造价过高。这对矛盾一直制约着太阳能电池的推广。聚光型太阳能电池发电站正是为解决这对矛盾而出现的。
简单地说，利用价格低廉的平面镜将太阳光束聚焦到一个比较小的面积，再利用高效太阳能电池收集这一能量。这个听上去不大难的设计，究竟有什么技术障碍呢？首先，当光聚集到一点时，产生的热量是惊人的，聚集的光热能把一片不锈钢板熔化。让太阳能电池耐得住高温的同时又不浪费热能，是聚光型太阳能电池技术突破的关键。
在太阳能电池的设计上，为了最大限度地利用光能，避免光能在半导体中转换成热能而丧失浪费，常用的做法是制作高效的多结电池。太阳光能谱中不同区域的光能被不同禁带宽度的太阳能电池所吸收，三个电池串联一起，电流一致，电压增大，达到增加输出功率、充分利用光电能转换的效果。想象一下彩虹，就是通过折射把太阳光中的多种色彩分离开来形成的。多结太阳能电池的原理就是把太阳光中不同颜色的光分别吸收，转变成电流再叠加一起输出。
美国SunPower公司2010年六月宣布新的硅太阳能电池效率记录是24.2%。在多结聚光型太阳能电池方面，美国Delaware大学2007年宣布42.8%的多结太阳能电池记录。在已被认可的记录上，德国慕尼黑弗朗霍夫实验室（Munich，Fraunhofer）于2009年公布了41.1%的多结太阳能电池记录。企业方面，波音公司的全资子公司Spectrolab Inc. 也于2009年宣布41.6%的多结电池效率，略微超过德国宣布的记录，该公司以往的产品主要为美国的卫星系统供电。
除了结构上的革新，太阳能电池材料方面的研究也在火热进行当中。一般来说，半导体材料吸收一个高于自身禁带宽度的光子后会产生一对空穴电子对。如果光能很大，产生的这对空穴电子具有很高的能量，部分能量就会变成热能消失。但是还有一种可能性，就是这样的高能空穴电子对还能继续激发出新的能量较低的空穴电子对。这样，高能的空穴电子对的多余能量就被进一步利用转化成电能，而不是以热量的形式散发出去。目前，这种新型纳米材料已经被开发出来，它的名字读者朋友也许很熟悉——碳纳米管。
近来，导电的有机物材料（即含碳化合物）产生了另一个研究热点。艾伦•黑格（Alan Heeger，2000年诺贝尔化学奖得主）等发现半导体有机物以来，各类新型柔性电子器件层出不穷（参阅作者刘川2009年9月发表于《自然与科技》总第175期的文章，《把显示器卷起带走》）。目前实验室里有机太阳能电池的最高效率约为7%。其产业化实现还有赖于解决有机半导体材料在氧气和潮湿环境中的效率衰减问题。
（作者为剑桥大学电子工程系和物理系博士，源峰能源协会成员。作者借此感谢剑桥大学华人学生学者联合会对本文给予的协助）