太阳能电池发电原理

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$ [9 I7 A+ J1 C- D5 @: m* x　　  光合太阳能电池片太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。
　　当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。
　　太阳简介
　　太阳是离地球最近的一颗恒星,也是太阳的中心天体,它的质量占太阳系总质量的99.865%。太阳也是太阳系里惟一自己发光的天体,它给地球带来光和热。如果没有太阳光的照射,地面的温度将会很快地降低到接近绝对零度。由于太阳光的照射,地面平均温度才会保持在14℃左右,形成了人类和绝大部分生物生存的条件。除了原子能、地热和火山爆发的能量外,地面上大部分能源均直接或间接同太阳有关。
　　太阳是一个主要由氢和氦组成的炽热的气体火球,半径为6.96×105km(是地球半径的109倍)，质量约为1.99×1027t(是地球质量的33万倍)，平均密度约为地球的1/4。太阳表面的有效温度为5762K,而内部中心区域的温度则高达几千万度。太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应,每秒有6.57×1011kg的氢聚合生成6.53×1011kg的氦,连续产生3.90×1023kW能量。这些能量以电磁波的形式,以3×105km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之一,即有1.77×1014kW达到地球大气层上边缘(“上界”),由于穿越大气层时的衰减,最后约8.5×1013kW到达地球表面,这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。
& E) Q3 z" I" ?( t" N7 `) h7 L- }　　根据目前太阳产生的核能速率估算,氢的储量足够维持600亿年,而地球内部组织因热核反应聚合成氦,它的寿命约为50亿年,因此,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是取之不尽、用之不竭的。
: I- ?- r' B, y& y- F/ T0 E　　太阳的结构和能量传递方式简要说明如下。
5 c5 c- G" T9 @, |2 S- N　　太阳的质量很大,在太阳自身的重力作用下,太阳物质向核心聚集,核心中心的密度和温度很高,使得能够发生原子核反应。这些核反应是太阳的能源,所产生的能量连续不断地向空间辐射,并且控制着太阳的活动。根据各种间接和直接的资料,认为太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气。
% f. U& ~) K$ v3 g9 R* A' g$ p　　(1)核反应区
　　在太阳半径25%(即0.25R)的区域内,是太阳的核心,集中了太阳一半以上的质量。此处温度大约1500万度(K),压力约为2500亿大气压(1atm=101325Pa),密度接近158g/cm3。这部分产生的能量占太阳产生的总能量的99%,并以对流和辐射方式向外辐射。氢聚合时放出伽玛射线,这种射线通过较冷区域时,消耗能量,增加波长,变成X射线或紫外线及可见光。
3 j! N. I% d5 r　　(2)辐射区
" Z6 B1 c/ K2 D　　在核反应区的外面是辐射区,所属范围从0.25～0.8R,温度下降到13万度,密度下降为0.079g/cm3。在太阳核心产生的能量通过这个区域由辐射传输出去。
　　(3)对流区
　　在辐射区的外面是对流区(对流层),所属范围从0.8～1.0R,温度下降为5000K,密度为10－8g/cm3。在对流区内,能量主要靠对流传播。对流区及其里面的部分是看不见的,它们的性质只能靠同观测相符合的理论计算来确定。
" W# U; r1 m: p; x  ~　　(4)太阳大气
$ q2 f8 l/ ?* u( p2 J+ i　　大致可以分为光球、色球、日冕等层次,各层次的物理性质有明显区别。太阳大气的最底层称为光球,太阳的全部光能几乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光谱,太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。光球的厚度约为500km。色球是太阳大气的中层,是光球向外的延伸,一直可延伸到几千公里的高度。太阳大气的最外层称为日冕,是冕是极端稀薄的气体壳,可以延伸到几个太阳半径之远。严格说来,上述太阳大气的分层仅有形式的意义,实际上各层之间并不存在着明显的界限,它们的温度、密度随着高度是连续地改变的。
　　可见,太阳并不是一个一定温度的黑体,而是许多层不同波长放射、吸收的辐射体。不过,在描述太阳时,通常将太阳看作温度为6000K、波长为0.3～3.0μm的黑色辐射体。
　　太阳能利用新近展
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　　日前从上海市科委获悉，华东师范大学科研人员利用纳米材料在实验室中成功“再造”叶绿体，以极其低廉的成本实现光能发电。
- f- M$ x$ g  H$ [2 C  g/ l　　叶绿体是植物进行光合作用的场所，能有效将太阳光转化成化学能。此次课题组并非在植物体外“拷贝”了一个叶绿体，而是研制出一种与叶绿体结构相似的新型电池———染料敏化太阳能电池，尝试将光能转化成电能。在上海市纳米专项基金的支持下，经过3年多实验与探索，这块仿生太阳能电池的光电转化效率已超过10％，接近11％的世界最高水平。
/ Y7 J: B) ]; K- O5 k: u5 _; v. I) I　　项目负责人、华东师大纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心主任孙卓教授展示了新型太阳能电池的“三明治”结构———中空玻璃夹着一层纳米“夹心”，光电转化的玄机就藏在这层几十微米厚的复合薄膜中。纳米“夹心”的“配方”十分独特：染料充当“捕光手”，纳米二氧化钛则是“光电转换器”。为了让染料尽可能多“吃”太阳光，科研人员还别出心裁地撒了点“佐料”———一种由纳米荧光材料制成的量子点，让不同波长的阳光都能对上“捕光手”的“胃口”。只要不断改进“配方”，纳米“夹心”的光电转化效率就能一次次提高。
　　作为第三代太阳能电池，染料敏化电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的1／10。同时，它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转化率也不会受到太大影响。另外，它还有许多有趣用途。比如，用塑料替代玻璃“夹板”，就能制成可弯曲的柔性电池；将它做成显示器，就可一边发电，一边发光，实现能源自给自足。
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- g% L- a( w" \: p$ s1 T　　太阳能是一种洁净和可持续产生的能源，发展太阳能科技可减少在发电过程中使用矿物燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题
) S7 Y" x% F8 o( N太阳能利用基本方式可以分为如下4大类。　　
3 X/ I% w6 d& Q. v9 }8 i! \% |（1）光热利用　　
' l/ C) [1 o- R0 a6 }& T它的基本原来是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（＜200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（＞800℃）。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。　　
1 ]3 k! J$ X& _8 W4 R/ k+ h7 |; U5 n（2）太阳能发电　　
未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种。　　
①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。　　
; M: H7 J8 {0 Q1 H# l②光—电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。　　（3）光化利用　　
这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。　　
6 s- A4 s" m, g# J8 V# C" r% J（4）光生物利用　　
3 ~. g0 N9 z0 k5 s+ p通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。我国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。