2008年9月19日

12 歲小朋友設計出「革命性」的太陽能板?

在 slashdot 上看到這則新聞:7th-Grader Designs Three Dimensional Solar Cell。啥?七年級生能設計三維太陽能板?

這篇報導說的,這個設計能吸收可見光和紫外線,吸收光的能力是市售產品的 500 倍!還是最尖端三維太陽能板的 9 倍!剎時之間,好像全球的能源問題因為救世主的出現得救了,這位七年級生還想找業者來製造。

有沒有太誇張啊?

不過在這裡先更正一下許多網友犯的錯誤:不少人把光吸收率(light absorption)誤以為是效率(efficiency),這兩個是太陽能板的不同性質,光吸收率是效率的一環。

太陽能板的效率是指在標準測試條件(STC)下吃掉一瓦太陽來的光能所能輸出的最大電能瓦數。

有關光電轉換的效率問題,我畫了一個「流程圖」方便說明:



要把光能轉換成電能,必須要過五關斬六將:不能被表面反射、不能穿透、要打到光電材料、能量要夠、運氣要好才能打出光電子、歐姆損失要少、還要躲過電洞致命的吸引力,實在有太多機會和途徑會把能量轉成沒用的熱能了,因此通常太陽能板的效率都不好。

補充一下太陽能板效率的標準測試條件。根據 Wikipedia 的說法,測量太陽能板效率的標準測試條件是:

  • 温度 = 25oC
  • Air mass 1.5 光譜
  • 照度 1000 W/m2
一般太陽能板的效率會隨温度上升而下降,隨照度上升而上升,所以有的設計會在板子前面加聚光透鏡。光譜則會很顯著地影響效率,所以必須定義一個包括這三個項目的標準測試條件,才能比較不同太陽能板的效率。

光譜對效率的影響可以這樣理解:低頻的光能量不足以產生光電子,效率為0,太高頻的光產生出來的光電子有太多動能,常會在流動過程中撞到晶格失去能量(失去的能量轉變為熱能),只有光子能量剛好比材料的能溝(energy gap)多一點的會有較高的效率。

因為這個問題,有些太陽能板利用多層材料來捕捉不同頻率的光子:外層的能溝大,抓高頻光子;內層的能溝小,抓穿透外層進來的低頻光子。這樣對整個光譜加起來的效率會比較高。

根據 Wikipedia 的 Solar Cell 一文,目前市面上的效率最好的是 Emcore Photovoltaics 和 Spectrolab 這兩家美國公司的產品,可達 38%。從 Google 搜尋查到實驗室中的最高效率記錄是 University of Delaware 所創的 42.8%

如果十二歲的 William Yuan 的突破是在效率,那 38% * 500 = 19000%,一瓦的太陽能可以產生 190 瓦的電能,能量守恒定律要改寫了!喂喂喂,瑞典的諸公們,看到了沒?現在趕快換今年的物理得獎者還來得及。

言歸正傳,William Yuan 的工作倒底是什麼?

在網路上找不到原始資料。

因為這個原因,Wikipedia 上有關他的條目也有人提議刪除,因為不確定這則新聞到底是真是假。

這個新聞是從美國奧勒岡州 Beaverton 市的地方報 Beaverton Valley Times 的報導開始的,這位就讀該市 Meadow Park Middle School 七年級的十二歲小朋友是今年奧勒岡州唯一得到 Davidson Fellow 獎學金的學生。

對於不住在奧勒岡州的人來說,不是什麼大事。

事情會鬧大到在網際網路上到處傳,當然是因為替代能源的豐富想像力。

在今年八月公佈的 2008 Davidson Fellow 獎學金名單中,William Yuan 獲得美金 $25,000 元獎學金,是三個等級的第二等(五萬、兩萬五、一萬),如果如此「革命性」、「一舉解決人類能源問題」的發明只能得二等獎,那一等獎的一定是光速飛行吧?

Davidson 基金會有個網頁介紹得獎者和得獎原因,我引用其中對 William Yuan 的描述:
In his project, “High Efficient 3-Dimensional Nanotube Solar Cell for Visible and UV Light,” William invented a novel solar panel that enables light absorption from visible to ultraviolet light. He designed carbon nanotubes to overcome the barriers of electron movement, doubling the light-electricity conversion efficiency. William also developed a model for solar towers and a computer program to simulate and optimize the tower parameters. His optimized design provides 500 times more light absorption than commercially-available solar cells and nine times more than the cutting-edge, three-dimensional solar cell.
我看到了幾個關鍵字:3D solar cell、nanotube、light absorption、UV、towers。

怎麼覺得有點熟悉?好像在哪裡看過?

Google 搜尋一下 3D solar cell nanotube...



第三筆和第四筆是這個新聞,但重要的是第一筆和第二筆,講的都是 2007 年 Georgia Tech Research Institute (GTRI) 的研究成果。

有沒有可能 William Yuan 的工作只是重述 GTRI 的研究?

GTRI 去年宣佈的研究成果,發表在 2007 年 3 月的 JOM 期刊
R. E. Camacho et. al., "Carbon Nanotube Arrays for Photovoltaic Applications," JOM 59, No. 3, p. 39.
GTRI 的網站上有論文的全文

我花了點時間讀完這篇論文以後,我對 William Yuan 的工作有了個猜測:

我認為 William Yuan 的工作極可能是利用 GTRI 發明的太陽能板設計,再用一個最佳化程式尋找 Nanotube 幾何形狀的最佳參數。

在談我為什麼如此認定之前,讓我先把 GTRI 的論文介紹一下。你可以先去看看 GTRI 做的介紹動畫,可以讓你對他們做了什麼有簡單的認識。

簡單地說,為了增加太陽能板對光子的吸收,GTRI 的研究人員做出了像城市高樓大厦般的三維結構,讓光子一進入「街道」中就會在「大厦」之間反射,再讓「大厦」都塗有光電材料來吸收光子,就能大幅提升吸收率。比方說,即使吸收率原本只有 50%,來回反射 8 次還不被吸收的機率就降到 0.58,吸收率就變成 99.5% 了。

想法很簡單,但要如何蓋出微觀的高樓?

GTRI 的人用奈米碳管(carbon nanotube)來蓋微觀高樓。

做法是在矽基板鍍了上百萬個微觀金屬片(每片寬度看來不到 0.1 mm),在每一片上長出一條長長細細的奈米碳管,寬度應該是 1 micron 或更小,再在奈米碳管外用分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)長出一層碲化鎘(CdTe)和一層硫化鎘(CdS)形成半導體的 P-N junction 當光電材料,最後再用離子輔助沉積法鍍上一層透明的摻錫氧化銦(氧化銦 In2O3 和氧化錫 SnO2 的混合物,簡稱 ITO)來傳導電流並和外界隔離。下面是論文中的示意圖(圖中的 TCO 應是 ITO 的筆誤):



這個研究用上奈米碳管是很有意思的作法,因為奈米碳管不但強度高可以當支架,沿著長軸方向的導電性又好,可以把電洞的電導到金屬片上。此外,因為有多次吸收機會,光電材料可以比一般太陽能板的薄,減少光電子被電洞吃回去(recombination)的機率。

有了這樣的三維結構,光的反射率應該會低很多,我引用論文中的資料圖:



要比較的是 CNT+CdTe 和 Si 這兩條線。在長波長部分這個設計和矽晶太陽能板優劣互見,但很明顯地在 540nm 以下的波長反射率就比矽小得多:只有 0.5%,而論文中說矽的反射率差不多是 50%。你可能注意到,400 nm 以下的已經是紫外線了,換句話說,藉由三維結構的多次反射,連原本很難吸收的紫外線也可以被吸收了,這代表更多可用的太陽能。

不過可惜的是(還好的是)在地球表面的紫外線沒那麼多,記得臭氧層嗎?不然你我早就得皮膚癌了。太陽的光譜如下圖(來自 Wikipedia),地表的是紅色的部分,可以看到短於 400nm 的照度劇烈下降,到大約 300nm 就幾乎是0了。換句話說,雖然三維太陽能板可以吸收紫外線,但這個因素對整體效率的提升助益很有限。



GTRI 做出來的三維太陽能板「單位面積產出的光電流」可達 44.4 mA/cm2,是市售產品的 63 倍,這也是他們的主打文宣。這裡要小心,因為功率是電流和電壓的乘積,光電流有 63 倍不代表輸出功率有 63 倍,也不代表效率高了 63 倍。在效率部分,論文中畫了實測出來的效率和光入射角度的關係圖,不用想也知道從正上方直射下來(圖中的 90o)的時候效率低,有個偏角時候效率高。



效率最高是在 45o 的時候,是 90o 的兩倍(7% / 3.5% = 2)。增加一倍固然很厲害,但這 7% 的效率未免也太爛了吧?論文中自己寫到,CdTe 效率的理論上限是 29%,目前做到最好的只達到 16%,那... 7% 是怎麼回事?

現在講完 GTRI 的研究,再回頭看 William Yuan 的工作...
  • "High Efficient 3-Dimensional Nanotube Solar Cell for Visible and UV Light"、
  • "He designed carbon nanotubes to overcome the barriers of electron movement"、
  • "doubling the light-electricity conversion efficiency"、
  • "developed a model for solar towers"、
  • "a computer program to simulate and optimize the tower parameters"...
除了最後一句有關「電腦模擬和最佳化」的部分,是不是和 GTRI 的研究一模一樣?

在實驗室長出一個用奈米碳管支撐出來的三維太陽能板,我覺得不太可能是 12 歲的小朋友能做的,不是說他無法學會這些東西,但待過固態物理實驗室的碩士班學生大概都知道,從完全不會到長出第一個有功能的樣品,要花多少時間在實驗室裡!更不用說 GTRI 的太陽能板要好幾道手續、用好幾個不同的儀器去長,這些儀器都很貴重,沒有執照恐怕是不能操作的。12 歲的小孩,不太可能拿到執照,也不太可能有足夠的時間耗在實驗室裡煉樣品。

所以我認為他的貢獻是最後一段:寫了個電腦程式去計算在不同的幾何參數下的吸收能力,然後求最佳的幾何。

這樣的程式不用模擬幾百萬個塔,只要用到幾個相鄰的塔就夠了,把塔高、塔寬、塔間距、薄膜厚度、薄膜的吸收係數和波長的關係等參數寫進去,然後把不同波長不同入射角的光當輸入,跑個蒙地卡羅就能得到總吸收能力,再對前幾個幾何參數求最佳化,這差不多是大三到碩士班可以做的題目。

如果 12 歲的小朋友做得出來,的確值得獎勵,差不多是二等獎的程度吧!也許 William Yuan 找到了吸收能力比 GTRI 原始設計高 9 倍的幾何參數呢!但我好奇他是否先用 GTRI 的參數和結果校正過他的程式?

他還在 2008 Intel Northwest Science Expo(就是科展啦!)用 "High Efficiency 3-Dimensional Nanotube Solar Cells for Visible and UV Light" - 幾乎一模一樣的題目得到了物理電磁學組第二名,詳見得獎名單。有趣的是,科展他是和 Vashnav Pandey 這位同學共同參加的,代表這工作是兩個人合作的,怎麼到了 Davidson 獎學金就一人獨飛了?

如果我的猜測沒錯,小朋友的工作真的是電腦模擬,那就算他找到更好的參數,那也只是 7% * 2 = 14%,離解決能源問題還遠得很,更不用說離商業太陽能板的 38% 還差一大截。當然,如果能把效率 42.8% 的分光多材料設計和三維結構結合,也許有新希望也說不定...

2008年9月16日

摻鉻的葡萄酒

今天看到 CodeWeavers 花了十一天把 2008/9/3 公開的 Google Chrome 瀏覽器的開放原始碼專案 Chromium 移植到 Intel Mac 和 Linux 上了。

不用太興奮,這不是 Google 說的 Chrome Mac 版或 Linux 版,而是摻鉻的葡萄酒WINE)。

這個叫做 CrossOver Chromium 的東東,可以從這裡下載得到,但是沒有原始碼!

下載了 52 MiB 的 dmg 檔到手邊的 Intel MacBook,安裝起來約 139 MiB。可以跑,速度還可以接受,Omnibox 的 suggest 功能也正常,移動 Tab 順序時背後應該透明的地方變黑色了,把 Tab 拉出來變成獨立視窗沒問題,可惜拉的時候 Tab 內容就一片空白。這些都是小問題,但無法輸入中文是個大問題,每個字根都變成方塊。



CodeWeavers 自己也說,編出個 CrossOver Chromium 不是要給大家在日常生活中用,而是火力展示,引用 Jeremy White 的話:

In just 11 days, we were able to bring a modern Windows application across to Mac and Linux. Imagine what we can do for you.
換句話說,就像 CodeWeavers 的公司宗旨寫的,這是要證明 CodeWeavers 利用 WINE 把 Window 應用程式移植到 Mac 和 Linux 上的實力;照 Jeremy White 的說法,他們為了移植 chromium 還寫了新的 winhttp DLL 給 https 用。

這個摻鉻的葡萄酒,喝起來有點苦味。

2008年9月15日

Plurk source code 蛛絲馬跡:Python & MySQL

昨天開始玩 Plurk,先不說 Plurk 和 Twitter 或 Jaiku 的差異性在哪裡,網路早就有文章在討論了。有趣的是,今天在噗一個浪的時候,竟然看到了這個畫面:



顯然 Plurk:

  • 是用 Python 寫的 :-)
  • 用了符合 WSGI 架構的 amiweb,原始碼在 Skelotonz 專案裡,但今天下載到的和 Plurk 裡的行數不太一樣,也許 Plurk 用的是稍舊的版本,或是自己改過。
  • 也用了 werkzeug 的 utils.py,本來想放個 link 指到 werkzeug 的 mercurial repository 的,無奈 werkzeug 的伺服器沒裝好,今天放在 mercurial 最新版的原始碼目錄是看得到的,但要看 utils.py 檔案內容就「Internal Server Error」了。
  • 還用了 pastetranslogger.py
  • 最後死在 MySQLdb 要連 MySQL 資料庫的時候,找不到 plurk_group006 這個資料庫。
是有人在「整理」資料庫時「不小心」弄爛了嗎? XD

2008年9月12日

Google Chrome 真的比較快嗎?

Google Chrome 推出已經九天了,網路上的新聞和部落格文章數也數不清,我只想談一件事:Google Chrome 真的比較快嗎?

目前看到的文章大多說二件事:

  1. Google Chrome 啟動極快,一按就發
  2. Google Chrome 的 V8 Javascript 引擎真的快:cnet 的 Stephan Shankland 跑 V8 的五個 benchmarkKai Schmerer 跑 SunSpider benchmark,結果都是 Google Chrome 最快。
啟動是從自己的硬碟把程式讀入記憶體執行,沒有什麼外在變因,應該大部分的使用者都會有一致的感覺:真的比較快。

Javascript benchmark 是從網站下載 Javascript 到記憶體執行,只計執行時間,不計下載時間,所以可以針對 Javascript 引擎的效能做控制變因的比較。

可是使用者關心的速度真的是 Javascript 跑得快不快嗎?

別儍了!

使用者要的是從「打完網址按 ENTER」到「網頁顯示到可以閱讀的程度」之間的速度,也就是 end-to-end 的速度,Javascript 只是眾多影響速度的因素之一,其他如網路的速度、HTML rendering 的速度、載入和執行 plug-in 的速度等等因素,也都會影響。

這一版的 Google Chrome 的 HTML rendering 是 WebKit 525.13,效能和同是用 WebKit 的 Safari 應該接近。

在 9/3 的記者會,Google 決定不展示 Javascript benchmark,而是實地用一隻小 Javascript 程式去下載和顯示 4 個在台灣蠻流行的網站,反覆幾次,計時。這就是 end-to-end 的速度。

有人說過 Never live demo 嗎?

在記者會前我們試了幾次都是 Google Chrome 小幅領先 Firefox 3.0.1、明顯贏過 IE 7。沒想到在記者會當場, 依序跑完 IE 和 Firefox 之後,跑 Google Chrome 竟然小輸給 Firefox! 囧rz

眼睛雪亮的讀者大概都猜得出來為什麼會這樣:網路塞車狀況和被連網站當時的負載都會影響跑出來的結果。此外,這些網站用了大量的 Flash,Google Chrome 每頁的 Flash 都要生新的程序來執行,多了一些作業系統的 overhead,即使 Javascript 狂勝結果總共也只是小贏,運氣差一點碰到網路小塞車就輸了...

可見雖然 V8 大勝 Firefox 3.0 或 IE 7 的 Javascript 引擎,並不保證 end-to-end 永遠會贏啊!


後記:

Firefox 3.1 預定會使用 TraceMonkey,目前的 nightly build 裡已經有了,Brendan Eich 做了 TraceMonkey 和 V8 的速度評比,結果是互有優劣,遞迴的程式 V8 快 10 倍,但在日期相關的部分 V8 慢 4.2 倍,處理 64 進位表示的字串也慢了 4 倍。可以想見,TraceMonkey 和 V8 這兩個 open source 的 Javascript 引擎往後在技術上互別苗頭、互學絕招,還有不少好戲可看,這是刺激的時代!

受益的是誰?當然是你我這些愛上網的使用者囉!

嗯... 在 Redmond 的工程師們一定是在天人交戰吧?該自己寫個更厲害的 Javascript 引擎扳回 IE 8 beta 2 在 SunSpider 大輸 Google Chrome 3.8 倍的顏面?還是該把 V8 或是 TraceMonkey 放進 IE?

啊!我知道了,一定是用出各種手段^H^H力量^H^H方法和管道來宣傳 Silverlight,讓全球的網頁開發者唾棄 Javascript!

2008年9月10日

Large Hadron Collider 要開光了,會有黑洞吃掉地球嗎?

昨天晚上在電視新聞上看到 CERNLarge Hadron Collider (LHC) 加速器將於中歐時間 2008 年 9 月 10 日開始有質子束運行,也就是「開光」啦!(其他網路新聞:slashdotScientific AmercianBBC,啊 ~ Google news search 比較快啦!)

真想不到台灣的電視新聞這麼重視實驗粒子物理!

然後電視就播出下面這段 YouTube video,模擬微觀黑洞從 LHC 生成,再逐漸吃掉附近的物質,最後把整個地球吃掉的畫面。哦,原來今天是世界末日,難怪要上新聞。




CERN 是 Tim Berners-Lee 當初發明 World Wide Web 的地方,可說是沒有 CERN 就沒有 Yahoo!.Google.MySpace.Facebook.Wikipedia.奇摩.無名,等等讓人類找到資訊.找到同好.找到老友的好東西,難道 CERN 也是毀滅全人類的殺手?

在我說為什麼不可能之前,先留幾張歷史性的畫面。


LHC 處女航之 CERN 首頁




LHC 「保證安全」(關心 LHC 內部是否安全的人不多吧?大家最關心的還是地球!)



LHC 的降温狀態,整個 27 公里的加速器全部都在 4.5oK 以下了。




哦,除了黑洞之外,LHC 在 Dan BrownAngels and Demons 書中還是製造出反物質炸彈的地方,大家對尖端科技的想像力還真是令人欽佩。

言歸正傳,到底地球會不會在今天-2008 年 9 月 10 日-因為 LHC 的微觀黑洞而滅亡呢?

答案是:絕對不會!

我怎麼能這麼肯定?我對宇宙有這麼透徹的認識嗎?

當然是沒有,不然我早該拿諾貝爾獎了? *笑*

今天 LHC 不會有微觀黑洞啦!因為今天開光後,只有孤伶伶的幾顆質子聚成一團(a bunch)沿著同一方向在 LHC 的隧道裡繞圈圈,沒有反方向跑的質子,不會碰撞,當然就沒有反應,更不會有微觀黑洞這種反應產物。 XD

LHC 加速器的啟動是分好幾個階段的:

  • 玩玩單方向的幾顆 0.45 TeV 的質子
  • 玩雙向的(像不像 juggling 啊?只是兩個沙袋跑反方向)
  • 試撞
  • 再來就逐漸要上軌道了:更大(每團質子要加到三四百億顆)、更多(156 團)、更高(能量提升到 7 TeV)、更準(聚焦)
  • 玩真的碰撞囉!
真的碰撞要到明年了,所以今天還可以輕輕鬆鬆喝咖啡過日子,不用擔心地球會不見。(其實地球真的不見也沒什麼好擔心了。)

那是不是要趕快造架太空船移民到火星去?

根據 UC Santa Barbara 的 Steven B. Giddings 和 CERN 的 Michelangelo M. Mangano這篇 96 頁的論文,是不必急著移民火星的。

結論簡單說,如果在 LHC 的運轉期間會發生黑洞吞掉地球的事情,那地球早就被宇宙射線和大氣碰撞所產生的黑洞吃掉了,你也不會在這裡看我的部落格。

你強烈要求要有數據證明?

我佩服你的求知慾,來!我端些數字出來。
  • LHC 碰撞頻率 = 每次兩團質子交叉平均約 30 個碰撞 / 每 25 ns 一次交叉 = 1.2 GHz。
  • LHC 碰撞次數 = LHC 碰撞頻率 * LHC 運轉時間 = 1.2 GHz * 20 年(應該不到 20 年,高估一下)= 7.6 * 1017
  • LHC 碰撞能量 = 7 TeV + 7 TeV = 14 TeV。
  • 14 TeV 的碰撞能量相當於 109 PeV 的宇宙射線質子撞到大氣中的質子的能量(請用相對論計算質心能量就知道了)。
  • 109 PeV 的宇宙射線的通量大約是 10-19 m-2 sr-1 sec-1 GeV-1,把能量大於 109 GeV 的、從所有角度來的宇宙射線加起來(就是積分),懶得算了,估數量級吧,大約是 100 km-1 year-1(每年每平方公里被 100 個能量大於 109 GeV 的宇宙射線打到)。這是這樣算的:因為 1 km-1 year-1 是好幾千 PeV 以上的宇宙射線的總合,能量每降 10 倍總通量就上升 30 倍左右,扳一扳手指,差不多就是 O(102) km-1 year-1下圖是宇宙射線在地球量到的通量與能量的關係圖。

    cosmic ray flux


  • 地球壽命大約是 45 億年,地球截面積約 1.28 * 108 km2
  • 地球誕生到現在,這種碰撞已經發生了大約 100 * 4.5 * 109 * 1.28 * 108 = 5.8 * 1019。如果 LHC 在 20 年內會毀掉地球,那地球已經毀滅了 76 次。
既然你還在讀這篇部落格,表示地球連一次毀滅都沒有,所以微觀黑洞就算在 LHC 生成也應該是無害的。

你不服氣?說宇宙射線裡產生的黑洞跑得很快,咻一下就過去了,來不及吃掉地球,LHC 產生的跑得很慢,會留在日內瓦一口一口把地球吃掉。

相對論學得不錯喔!速度的部分說得很對,這就是那 96 頁論文花了很大的力氣在講的,微觀黑洞和週遭物質的交互作用、吸聚過程、和霍金蒸發的問題。這部分牽涉到黑洞理論(廣義相對論)和微觀粒子的理論(場論),學問太大,我也不怎麼會。不過有個簡單的論述總結:同樣的宇宙射線不止會打到地球,也不斷地在撞擊太陽、恒星、白矮星、中子星... 等等天體,如果 LHC 會產生能吃掉年輕又小隻的地球的黑洞,那老扣扣又極高密度的中子星,早就把高能量的微觀黑洞擋下來,被吃得一乾二淨了。現在還看得到不少這種中子星,就是有力的反證。

也許我有偏見,但予其憂心度日、甚至寄死亡威脅信給 LHC 的物理學家們,還是悠閒地喝喝咖啡好了。

Google 也為 LHC 處女航做了好棒的 Doodle 耶!貼個 screenshot。