太阳能开发成果及应用技术

开发太阳能

Solar Energy

太阳是离地球最近的恒星，“万物生长靠太阳”，一句朴素的话道出了它对地球上生物繁衍生息所起的决定性作用。太阳象征了光明、向上、力量、希望和一切积极美好的事物，不论东方还是西方的神话传说中，都可以找到对太阳神的崇拜。而现在和将来，人类社会的持续飞速发展，还会越来越多地依赖太阳的赐予。

我们知道，科技的发展、生活的便利，都离不开大量能源的消耗，而石油、煤炭、天然气等传统资源的可开采量越来越少，总有一天会消耗殆尽，并且利用这些资源的同时给环境带来了污染。因此，为了经济的可持续发展和保护人类赖以生存的环境，必须大量开发绿色可再生能源，而太阳能则是未来新能源供应的主体。目前，利用太阳能主要有发热和发电两种途径。太阳能的热利用是聚集太阳光，把水加热成为热水甚至蒸汽以供工业和生活所需。太阳能发电则可以利用加热得到的蒸汽来推动发电机发电，而更重要的途径是通过光伏材料，直接把太阳光能转化为电能。那么，什么是光伏材料，为什么用太阳光照射一下，就可以获得电能呢？下面我们就通过一个演示实验来揭开其中的奥秘。

实验装置

太阳能电池特性研究与应用综合实验仪（如图1所示）、实验专用信号源等。

图1　太阳能电池特性研究与应用综合实验仪

图2　太阳能演示仪的结构示意图

现象观察

用碘钨灯白光光源来代替太阳光作为实验光源，照射太阳能电池板。在光照的作用下，该电池板会产生光电流，让该电流对法拉第电容充电，充电完成后，就可以作为电池对外供电。再通过升压电路，可以把太阳能电池的电压升高以满足特定设备，譬如手机、平板电脑、照相机中的闪光灯以及便携式视频显示装置等设备的用电要求。

现象解密

图3　（a）PN结的形成示意图（b）太阳能电池的结构示意图

为什么用太阳光照射一下，我们就可以得到电流呢？原来，这是利用了半导体的光电效应。我们以常用的硅材料来说明太阳能电池的工作原理。我们知道，硅原子周围有4个电子。在工艺上，可以向硅晶体里面掺入硼、磷等元素使其成为掺杂半导体。因为硼原子周围只有3个电子，当把硼原子掺入硅晶体后，硅晶体中会产生一些多余的空穴，而多余的电子很少。因为存在较多的空穴，这种掺杂半导体就称为P（positive）型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，而电子为少子。类似地，如果把磷原子掺入晶体硅中，则会产生一些多余的电子，这种掺杂半导体称为N（negative）型半导体。在N型半导体中，电子为多子，空穴为少子。

如果把P型和N型半导体如图3（a）那样结合，就会在结合界面处存在空穴和电子的浓度差。P型半导体内的空穴和N型半导体内的电子都要向对方扩散，扩散的结果是在P型半导体一侧界面附近留下带负电的电子，而在N型半导体一侧留下带正电的空穴。于是在它们的交界面处形成了一层很薄的空间电荷层，此薄层就是PN结。(www.xing528.com)

当太阳光照到PN结上时，会形成新的光生空穴-电子对。PN结中形成的内建电场，会阻止多子扩散，促进少子漂移。也就是说，P型半导体内产生的空穴和N型半导体内产生的电子，被空间电荷层阻挡而越不过PN结。而P型半导体产生的电子和N型半导体内产生的空穴会在内建电场作用下漂移通过PN结。这样，光照产生的空穴-电子对被内建电场分离，光生空穴被拉入P型半导体内，电子被拉入N型半导体内，如图3（b）所示。这样会导致在P型半导体的外边缘有空穴积累，而在N型半导体的边缘有电子积累，因此就产生了光生电势差。如果用导线连接，就有结电流从P型半导体流向N型半导体。这就是太阳能电池的工作原理。

应用拓展

目前人类利用太阳能处于初级阶段，主要利用方式有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房和太阳能发电等方式。对于太阳能的热利用，大量的太阳能热水器已经进入千家万户。

图4　太阳能发电站

而直接把光能转化为电能，即利用太阳能来发电的利用方式，有更为广泛的开发潜力和利用价值。现在太阳能发电电厂在世界各地都有，图4就是某太阳能发电站的全景。另外，利用太阳能电池制作许多小电器、路灯和遮阳伞等生活用品，在我们的生活中也越来越普遍。这些器件的共同特点就是节能而环保。图5给出了一些利用太阳能电池制作的器件。太阳能也可能是未来直接利用在交通工具上的替代能源。现在太阳能已经用在汽车和一些飞行器上，如图6所示。2007年在澳洲举办的太阳能车赛中，得奖者完成了从达尔文到阿德雷德之间3012公里的比赛，平均时速可高达90km/h。

图5　太阳能电池制作的生活器件

（a）蘑菇灯（b）太阳能花（c）太阳能路灯（d）太阳能遮阳伞（可对手机等电器充电）

图6　太阳能在一些交通工具上的应用

虽然在太阳能的利用上，人类已经取得了长足的进步，但还远远不够。同学们在以后的学习和生活中，努力思考去制造出效率更高的太阳能电池，为我们生活更加绿色环保做出自己的贡献。

思考题

1.太阳能电池的工作原理是什么？它同普通电池有什么区别？

2.列举生活中有哪些太阳能的利用？

3.思考并试着设计一种利用太阳能的小发明或小制作。