英國《自然.能源》雜志8月在線發(fā)表的最新研究表明，中國市場的工商業(yè)太陽能系統(tǒng)電力已經(jīng)比電網(wǎng)電力便宜。

此圖顯示了新功率容量中可再生能源的比重

這是將中國城市太陽能系統(tǒng)電價(jià)和電力產(chǎn)量總量與城市電網(wǎng)電力價(jià)格進(jìn)行比較的結(jié)果。

現(xiàn)有電力能源的主要來源有火力、水力、核能、風(fēng)力等4種

理想的新能源必須同時(shí)滿足兩個(gè)要求。一個(gè)是豐富而不枯竭。二是安全、干凈，不會威脅人類或破壞環(huán)境

太陽能發(fā)電是新興的可再生能源，被認(rèn)為是21世紀(jì)世界主要能源之一

安全清潔的太陽能

太陽能利用方面分為太陽能發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。前面的方式很好理解。這是將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。對礦業(yè)發(fā)展了解多少？

太陽照常升起，光電轉(zhuǎn)換效率卻上不去

光伏太陽能電池是將陽光轉(zhuǎn)化為電力的薄硅，可用作計(jì)算器和其他小型設(shè)備、通信、個(gè)別住宅的屋頂板、發(fā)展中國家村莊的照明、抽水、醫(yī)療冷卻等多種用途的能源。

大型陣列形式的太陽能電池也可以用于為衛(wèi)星供電

嫦娥四號月球探測器也使用太陽能電池板

對電力的研究開始后，人們開始研究和制造簡單的電池，隨著對太陽能的研究，速度驚人地加快。

早在1839年，安托萬-塞薩爾貝克勒爾(Antoine-Cesar Becquerel)就暴露在太陽下的化學(xué)電池產(chǎn)生電壓，第一次將太陽光轉(zhuǎn)化為電力的效率是1%。也就是說，1%的入射太陽光

安托萬-塞薩爾貝克勒爾，他的名字是刻在埃菲爾鐵塔上的72個(gè)名字之一

1873年，威洛史密斯(Willoughby Smith)發(fā)現(xiàn)硒對光敏感，1877年亞當(dāng)斯(Adams)和戴(Day)發(fā)現(xiàn)，硒暴露在光下會產(chǎn)生電流。

保存的威洛比史密斯使用的原始塞倫峰

19世紀(jì)80年代查爾斯弗里茨(Charles Fritts)使用鍍金硒制造了第一個(gè)太陽能電池，但遺憾的是，與將陽光轉(zhuǎn)換為電力的第一個(gè)效率相比，此次轉(zhuǎn)換效率仍然只有1%

但是弗里茨認(rèn)為他的電池是革命性的，他預(yù)測太陽能電池將在當(dāng)時(shí)的電力能源中占據(jù)一席之地。

查爾斯弗里茨(Charles Fritts)于1884年在紐約市屋頂安裝了第一個(gè)太陽能電池板

1905年愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋重新激發(fā)了人們希望能實(shí)現(xiàn)更高效的太陽能發(fā)電。

但是，直到貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家戈登皮爾森(Gordon Pearson)、達(dá)里爾查平(Darryl Chapin)和卡爾富勒(Cal Fuller)提出了1954年生產(chǎn)4%硅太陽能電池所需的理論知識。

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達(dá)里爾·查平

太陽能光伏發(fā)電——光電效應(yīng)與光伏效應(yīng)

光電效應(yīng)是指光束照射物體時(shí)會使其發(fā)射出電子的物理效應(yīng)，發(fā)射出來的電子稱為“光電子”，即入射光中包含的能量被金屬中的電子吸收，使電子有足夠的能量“逃逸”出金屬表面，也就是從金屬表面發(fā)射出去

光電效應(yīng)簡單示意圖

利用經(jīng)典的麥克斯韋波理論，入射光越強(qiáng)，電子從金屬中射出的能量就越大，也就是說，被射出的（光電）電子所攜帶的平均能量應(yīng)該隨著入射光的強(qiáng)度而增加

事實(shí)上，菲利普·馮·萊納德（Philipp von Lenard）發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此，相反，他發(fā)現(xiàn)發(fā)射電子的能量與入射輻射的強(qiáng)度無關(guān)

萊納德發(fā)現(xiàn)從陰極發(fā)射的電子的能量（速度）僅取決于入射光的波長，而不取決于入射光的強(qiáng)度

愛因斯坦(1905年)成功地解決了這一悖論，他提出入射光由稱為光子的單個(gè)量子組成，這些量子像離散粒子一樣與金屬中的電子相互作用，而不是作為連續(xù)的波

電子能量在閾值以上以簡單的線性方式隨頻率增加

在愛因斯坦的模型中，增加光的強(qiáng)度對應(yīng)于增加每單位時(shí)間(通量)的入射光子數(shù)，而每個(gè)光子的能量保持不變(只要輻射的頻率保持不變)

愛因斯坦的偉大無需贅言

此時(shí)增加入射輻射的強(qiáng)度會導(dǎo)致更多的電子被拋出，但每個(gè)電子都會攜帶相同的平均能量，因?yàn)槊總€(gè)入射光子攜帶的能量都是相同的

這兩個(gè)預(yù)測都得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此外，拋射電子的能量隨頻率的增加而增加的速率是可以測量的，這使人們能夠確定普朗克常數(shù)h的值（每個(gè)光子攜帶的能量E=hf，其中h是普朗克常數(shù)，f是頻率）

光電效應(yīng)可能是光子存在以及光和電磁輻射的“粒子”性質(zhì)的最直接和最令人信服的證據(jù)，也就是說，它為電磁場的量子化和麥克斯韋經(jīng)典場方程式的局限性提供了不可否認(rèn)的證據(jù)

1921年，阿爾伯特·愛因斯坦因解釋光電效應(yīng)和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1921年，愛因斯坦因光電效應(yīng)研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

而我們今天說的光伏效應(yīng)實(shí)際是內(nèi)光電效應(yīng)（光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)），從定義上說，光電效應(yīng)是光伏效應(yīng)的前提，光伏效應(yīng)是光電效應(yīng)作用于半導(dǎo)體這一特殊材料上

當(dāng)太陽光照射太陽能光伏組件表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使硅原子上的電子發(fā)生了躍遷并成為自由電子，自由電子在P－N結(jié)兩側(cè)不斷集聚并形成了電位差，當(dāng)外部連通電路時(shí)，將有電流流過電路而產(chǎn)生一定的輸出功率，從而產(chǎn)生了電能

光伏效應(yīng)示意圖

硅——我們不生產(chǎn)電，我們只是太陽能的搬運(yùn)工

太陽能電池的基本組成部分是純硅，它在自然狀態(tài)下是不純凈的

純硅源自二氧化硅，例如石英巖礫石（最純凈的二氧化硅）或碎石英，然后用磷和硼對得到的純硅進(jìn)行摻雜（處理），分別產(chǎn)生多余的電子和不足的電子，使半導(dǎo)體能夠?qū)щ?/p>

石英石或石英碎屑中的二氧化硅被放進(jìn)電弧爐中，然后施加碳弧釋放氧氣,產(chǎn)品是二氧化碳和熔融硅

電弧爐

這個(gè)簡單工藝生產(chǎn)的硅只含有1%的雜質(zhì)，這種純凈度的硅在許多行業(yè)都很有用，但在太陽能電池行業(yè)卻不行

純度99%的純硅通過浮動區(qū)域法進(jìn)一步提純，太陽能電池是由硅棒制成的，這是一種具有單晶原子結(jié)構(gòu)的多晶結(jié)構(gòu)

硅棒

最常用的制作布勒的過程被稱為柴氏拉晶法(Czochralski Method)，在這個(gè)過程中，將硅的晶種浸入熔化的多晶硅中，當(dāng)晶種被抽出和旋轉(zhuǎn)時(shí)，就形成了一個(gè)圓柱形的硅錠或“棒”，這樣得到的硅棒會異常純凈，因?yàn)殡s質(zhì)往往會留在液體中

柴氏拉晶法

硅片是用圓鋸一次切一片的，圓鋸的內(nèi)徑是插進(jìn)硅棒里的，或者用多線鋸一次切很多片，然后對晶片進(jìn)行拋光以去除鋸痕

在硅片中摻入硼和磷的傳統(tǒng)方法是在上述提到的柴氏拉晶法中引入少量的硼，然后，晶圓被背靠背密封，放入爐中，在磷氣體存在的情況下加熱到略低于硅的熔點(diǎn)(1410攝氏度)，磷原子“鉆”進(jìn)硅中，硅更具孔隙性，因?yàn)樗咏蔀橐后w

最近一種用磷摻雜硅的方法是使用一種小粒子加速器將磷離子射入硅棒，通過控制離子的速度來控制離子的穿透深度

電觸點(diǎn)將每個(gè)太陽能電池相互連接，同時(shí)還要連接到產(chǎn)生電流的接收器，另外觸點(diǎn)必須非常薄，這樣才不會阻擋對電池的陽光

像鈀/銀、鎳或銅這樣的金屬通過光刻膠真空蒸發(fā)，進(jìn)行絲網(wǎng)加網(wǎng)處理，或僅僅沉積在部分被蠟覆蓋的電池裸露部分上，觸點(diǎn)就位后，在電池之間放置細(xì)條，最常用的帶材是鍍錫的銅帶

銀的使用

因?yàn)榧児枋怯泄鉂傻模芊瓷?5%的陽光，為了減少太陽光的損失，需要在硅片上涂上一層防反射涂層，最常用的涂層是二氧化鈦和氧化硅，但也會使用其他材料

用于涂層的材料要么被加熱，直到其分子沸騰進(jìn)入硅并凝聚，要么材料經(jīng)歷濺射，在這個(gè)過程中，高壓將分子從材料上擊落，并將它們沉積在相對電極的硅上，另一種方法是讓硅本身與含氧或含氮的氣體反應(yīng)，形成二氧化硅或氮化硅，接著將太陽能電池封裝

最后

太陽能目前最大的優(yōu)勢是與煤炭、石油和天然氣等化石燃料相比，用光來發(fā)電是免費(fèi)的，而光伏作為高效優(yōu)質(zhì)能源，與傳統(tǒng)能源結(jié)合使用，便成了當(dāng)前產(chǎn)業(yè)拓展的重要任務(wù)

相信隨著技術(shù)以及工藝的提高，太陽能發(fā)電還會有更大的提升

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參考資料：（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

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