治理环境污染要靠科技（140915）

闵应骅

   在本月的IEEE Spectrum上，我看到一篇文章，“Solar’s Green Dilemma”，令我很惊奇。太阳能是最绿色的能源，怎么还会有环境污染的问题呢？我静下来读了这篇文章，学习了太阳能光电板的制造和使用过程中污染环境的问题，联想到环境污染治理，总算有所感悟。

从原理上说，当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到 P－N结后，空穴由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，形成电流。当光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压（叫做光生电压）。这种现象就是著名的光生伏特效应。

   从工程上说，利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术就是光伏发电。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。其核心部件是太阳能电池板，输出直流电存入蓄电池或输入公共电网。一般采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。

制造过程包括：多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等，就形成P－N结。然后采用丝网印刷，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂一层防反射涂层，电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件，就组成了大的电池板。一般在组件四周包铝框，正面覆盖玻璃，反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备，就可以组成发电系统。

   从2008年开始，太阳能光电板的生产由欧洲、日本和美国迁入中国、马来西亚、菲律宾和台湾，现在，接近一半的太阳能板生产是在中国。太阳能板生产严重影响环境和工人。太阳能现在主要用晶体制作的太阳能电池，通常是二氧化硅提炼成多晶硅。晶体需要从矿山提炼，工人有硅肺病的危险。初期把石英在高温炉子里提炼成冶金级硅，那是硬化钢和其他金属的物质。这需要很多能量，排放的二氧化碳和二氧化硫对硅精炼厂工人和直接环境影响不太大。下一步是要把冶金级硅变成多晶硅，产生剧毒的四氯化硅。这个提炼过程把盐酸和冶金级硅化合成三氯甲硅烷，与氢反应产生多晶硅和液体的四氯化硅。1吨多晶硅大约需要3-4吨四氯化硅。许多厂家重复使用四氯化硅获取硅，以节省能源，但这种再加工装备价值千万美元。所以，某些操作干脆丢掉副产品。如果随便倒掉进入水中就是污染。这又很难避免，假如四氯化硅释放盐酸，酸化土壤，散发有害臭气。当太阳能光电产业比较小的时候，光电管生产厂家从芯片生产厂家那里可以拿到纯度不够的废硅片。但当太阳能产业发展起来以后，显然不够使用。于是，在中国建造了许多多晶硅精炼厂，对废弃物没有严格的存储和处理的规定。据2008年3月华盛顿邮报报道洛阳中硅(硅)高科技有限公司过去9个月以来持续在工厂四周空地倾倒有毒废弃物四氯化硅，造成土地无法种植农作物，气味很大，影响人们的生活。四氯化硅为制造多晶硅时产生的副产品，为一种高度有毒的物质，将对环境造成严重污染。业界消息显示，由于该种物质回收再利用的成本昂贵，多数中国太阳能厂房均未装设或完全安装相关的回收设备。2011年，中国制订标准，规定公司至少回收四氯化硅废弃物的98.5%。美国科技人员正在研究用带乙醇的多晶硅替代带氯的化学品，从而彻底避免产生四氯化硅。

   不但多晶硅生产带来污染，而且，太阳能电池制造需要把大块的多晶硅切成圆片，使杂质进入硅片，从而产生光电效应。所有这些过程都需要危险化学品。譬如用氢氟酸清洁水，和磨光，对人体非常有害。2011年8月，浙江晶科太阳能控股有限公司，世界最大光伏公司之一，把氢氟酸溢出到木架桥河，杀死了几百条鱼，几十头猪。分析这些死猪发现，河水氢氟酸超标10倍。这种情况可以改善，罗门哈斯公司研究用氢氧化钠代替氢氟酸，虽然也有腐蚀性，但比较容易处理，对工人危险性小，废水也比较容易处理。
   虽然现在90%的太阳能光电板是用多晶硅制造的，现在有一个新办法，就是薄膜光电管技术。它把半导体材料一层一层地加在玻璃、金属或塑料衬底上，不需要切割圆片，特别是一片片玻璃出厂，组装起来就是太阳能光电板，避免了环境污染。当然，各层用什么材料还大有讲究，美国和欧洲都已有研究，不知道中国在这方面的研究怎么样？

   制造太阳能电池，毒性不是唯一的问题。太阳能电池板一般两年就要回收，有些公司甚至规定6个月。太阳能电池板在产生能量过程中还会排放碳，用碳密度值来衡量，即每发1度电排放多少千克二氧化碳。当然，用煤发电的碳密度是最高的。有研究表明，中国生产的太阳能电池板的碳排放量是欧洲生产的电池板碳排放量的两倍。

   水是另一个问题。水被用于冷却、化学过程和空气污染控制。但是，水的浪费是个大问题。在美国，太阳能光电板环境研究已经正式开始，也在促进制造过程环境、健康和安全性能评估方法的研究。美国太阳能工业协会制订了太阳能工业环节和社会责任承诺书，以防止职业伤害和疾病，防止和减少污染，减少自然资源的使用。

   现在，我们大家都认识到：我国GDP的高速增长带来了环境污染的问题。怎么解决？我觉得，我们需要从技术上一个一个领域来研究如何防止和减少污染，提出切实可行的办法，而不是光喊口号，天天挂在嘴上。单纯的行政处罚不行，因为行政办法除非是停产，可停产对经济的影响太大。挪走高污染企业也不是根本办法，因为挪走等于不污染这里，而去污染那里。所以，应该从技术入手，从根本上解决制造过程中的污染问题。当然也不是说只要靠科技就可以解决环境污染的问题，但是根本而且基础的途径。