太陽能電池發電原理

太陽能電池是一對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體為例描述光發電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成P－N結。

當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生了越遷，成為自由電子在P－N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。

太陽簡介

太陽是離地球最近的一顆恒星,也是太陽的中心天體,它的質量占太陽系總質量的99.865%。太陽也是太陽系里惟一自己發光的天體,它給地球帶來光和熱。如果沒有太陽光的照射,地面的溫度將會很快地降低到接近絕對零度。由于太陽光的照射,地面平均溫度才會保持在14℃左右,形成了人類和絕大部分生物生存的條件。除了原子能、地熱和火山爆發的能量外,地面上大部分能源均直接或間接同太陽有關。

太陽是一個主要由氫和氦組成的熾熱的氣體火球,半徑為6.96×105km(是地球半徑的109倍)，質量約為1.99×1027t(是地球質量的33萬倍)，平均密度約為地球的1/4。太陽表面的有效溫度為5762K,而內部中心區域的溫度則高達幾千萬度。太陽的能量主要來源于氫聚變成氦的聚變反應,每秒有6.57×1011kg的氫聚合生成6.53×1011kg的氦,連續產生3.90×1023kW能量。這些能量以電磁波的形式,以3×105km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太陽總輻射的二十二億分之一,即有1.77×1014kW達到地球大氣層上邊緣(“上界”),由于穿越大氣層時的衰減,最后約8.5×1013kW到達地球表面,這個數量相當于全世界發電量的幾十萬倍。

根據目前太陽產生的核能速率估算,氫的儲量足夠維持600億年,而地球內部組織因熱核反應聚合成氦,它的壽命約為50億年,因此,從這個意義上講,可以說太陽的能量是取之不盡、用之不竭的。

太陽的結構和能量傳遞方式簡要說明如下。

太陽的質量很大,在太陽自身的重力作用下,太陽物質向核心聚集,核心中心的密度和溫度很高,使得能夠發生原子核反應。這些核反應是太陽的能源,所產生的能量連續不斷地向空間輻射,并且控制著太陽的活動。根據各種間接和直接的資料,認為太陽從中心到邊緣可分為核反應區、輻射區、對流區和太陽大氣。

(1)核反應區

在太陽半徑25%(即0.25R)的區域內,是太陽的核心,集中了太陽一半以上的質量。此處溫度大約1500萬度(K),壓力約為2500億大氣壓(1atm=101325Pa),密度接近158g/cm3。這部分產生的能量占太陽產生的總能量的99%,并以對流和輻射方式向外輻射。氫聚合時放出伽瑪射線,這種射線通過較冷區域時,消耗能量,增加波長,變成X射線或紫外線及可見光。

(2)輻射區

在核反應區的外面是輻射區,所屬范圍從0.25～0.8R,溫度下降到13萬度,密度下降為0.079g/cm3。在太陽核心產生的能量通過這個區域由輻射傳輸出去。

(3)對流區

在輻射區的外面是對流區(對流層),所屬范圍從0.8～1.0R,溫度下降為5000K,密度為10－8g/cm3。在對流區內,能量主要靠對流傳播。對流區及其里面的部分是看不見的,它們的性質只能靠同觀測相符合的理論計算來確定。

(4)太陽大氣

大致可以分為光球、色球、日冕等層次,各層次的物理性質有明顯區別。太陽大氣的最底層稱為光球,太陽的全部光能幾乎全從這個層次發出。太陽的連續光譜基本上就是光球的光譜,太陽光譜內的吸收線基本上也是在這一層內形成的。光球的厚度約為500km。色球是太陽大氣的中層,是光球向外的延伸,一直可延伸到幾千公里的高度。太陽大氣的最外層稱為日冕,是冕是極端稀薄的氣體殼,可以延伸到幾個太陽半徑之遠。嚴格說來,上述太陽大氣的分層僅有形式的意義,實際上各層之間并不存在著明顯的界限,它們的溫度、密度隨著高度是連續地改變的。

可見,太陽并不是一個一定溫度的黑體,而是許多層不同波長放射、吸收的輻射體。不過,在描述太陽時,通常將太陽看作溫度為6000K、波長為0.3～3.0μm的黑色輻射體。

太陽能利用新近展

日前從上海市科委獲悉，華東師范大學科研人員利用納米材料在實驗室中成功“再造”葉綠體，以極其低廉的成本實現光能發電。

葉綠體是植物進行光合作用的場所，能有效將太陽光轉化成化學能。此次課題組并非在植物體外“拷貝”了一個葉綠體，而是研制出一種與葉綠體結構相似的新型電池———染料敏化太陽能電池，嘗試將光能轉化成電能。在上海市納米專項基金的支持下，經過3年多實驗與探索，這塊仿生太陽能電池的光電轉化效率已超過10％，接近11％的世界最高水平。

項目負責人、華東師大納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心主任孫卓教授展示了新型太陽能電池的“三明治”結構———中空玻璃夾著一層納米“夾心”，光電轉化的玄機就藏在這層幾十微米厚的復合薄膜中。納米“夾心”的“配方”十分獨特：染料充當“捕光手”，納米二氧化鈦則是“光電轉換器”。為了讓染料盡可能多“吃”太陽光，科研人員還別出心裁地撒了點“佐料”———一種由納米熒光材料制成的量子點，讓不同波長的陽光都能對上“捕光手”的“胃口”。只要不斷改進“配方”，納米“夾心”的光電轉化效率就能一次次提高。

作為第三代太陽能電池，染料敏化電池的最大吸引力在于廉價的原材料和簡單的制作工藝。據估算，染料敏化電池的成本僅相當于硅電池板的1／10。同時，它對光照條件要求不高，即便在陽光不太充足的室內，其光電轉化率也不會受到太大影響。另外，它還有許多有趣用途。比如，用塑料替代玻璃“夾板”，就能制成可彎曲的柔性電池；將它做成顯示器，就可一邊發電，一邊發光，實現能源自給自足。

太陽能是一種潔凈和可持續產生的能源，發展太陽能科技可減少在發電過程中使用礦物燃料，從而減輕空氣污染及全球暖化的問題。