太陽能的開發和利用

不久之後，我們就可以用身上穿的衣服來為手機充電了，這時的日光浴便多了一層别樣的意味。這是因為科研人員發明了一種柔性塑膠太陽能電池，這種電池能利用陽光中的紅外線，并且可以在布、紙和其他材料表面形成一層柔性膜，這層膜可以把30%的太陽能轉化為可利用的電能。由于這種電池能利用有彈性的材料來轉化太陽能，因此可以把它與其他材料編織在一起，形成類似現在合成纖維的材料，然後把它做成可以穿在身上的太陽能闆。這些新型太陽能闆的制造方法與傳統太陽能闆類似，但它隻比照相用的底片厚一點。一片縫在夾克背面的柔軟的太陽能闆價值不到10 英鎊(約等于136 元人民币)，卻可以在夏季外出散步時為手機充電。在可再生資源儲量幾近枯竭和生态環境日益惡化這兩大危機的夾擊下，太陽能的開發和應用顯得更加突出，太陽能建築、太陽能燈、太陽能汽車等已進入應用階段，還有許多對太陽能的開發正在醞釀中。人們期待着“太陽能時代”的到來。

太陽能電池工作原理

當太陽光照射到半導體上時，接受到陽光照射地方的電子就會變得活躍起來而脫離周圍的電子。這樣，它們原來占有的地方就形成一些“空洞”；這時，位于兩個電極之間的電場就把帶有負電荷的電子帶到電池的一端，帶有正電荷的空洞就移動到相反的一端從而形成電流。

太陽能電池的構造

一般的太陽能電池用兩層半導體矽做成一個層狀結構：将較薄的N 型半導體置于較厚的P型半導體上，兩者相結合。

光伏效應

早在1839年，法國科學家貝克雷爾就發現，光照能使半導體材料的不同部位之間産生電位差。這種現象後來被稱為“光生伏打效應”，簡稱“光伏效應”。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶矽太陽能電池，誕生了将太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。

半導體材料

矽是最理想的太陽能電池材料，其中的單晶矽太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟，光電轉化效率可達23.3%。如果說單晶矽的特點是效率高、成本高，那麼由其他材料制造的太陽能電池無疑是成本低、轉化弱。與單晶矽太陽能電池相比，除多晶矽、碲化镉等外，其他材料電池的光電轉化效率普遍未超過15%。

非晶矽

要做成矽太陽能電池，必須在矽片上表面附一層摻有不同雜質的薄膜以形成P-N結構。由于矽單晶的尺寸受到制造設備等因素的制約，所以目前最有吸引力的是非晶矽太陽能電池。半導體玻璃，即非晶矽，制造工藝比較簡單，也可制造出很大尺寸的薄膜材料，适合于工業化大規模生産，因而顯示出巨大的應用前景。

來自太陽的巨大能量

地球所接受到的太陽能隻占太陽表面發出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當于全球所需總能量的4 萬倍，幾乎可以說是“取之不盡，用之不竭”。而且，太陽能和石油、煤炭等化石燃料不同，不會導緻全球性氣候惡化，也不會造成環境污染。因此，太陽能的利用受到越來越多國家的重視，大家正在競相開發各種光電新技術和光電新材料，以擴大太陽能的應用領域—發電、取暖、供水以及各種各樣的太陽能動力裝置。

太陽能電池

在将太陽能轉化成電能的過程中，最核心的裝置還要算太陽能電池。可以說，太陽能電池的開發、生産直接影響着太陽能發電的前景。太陽能電池或稱“光電池”，是一種把太陽能直接轉變為電能的半導體元件。半導體材料有一種效應叫作“光生伏打效應”，即當半導體材料受到光照時，其内的電荷分布狀态發生變化，半導體兩端會産生電位差，繼而産生電流。

由許多太陽能電池構成的太陽能電池闆

從光能到電能

當太陽光照射到P - N 結構的半導體時，光子所提供的能量會把半導體中的電子激發出來，産生“電子- 電洞”對，電子與電洞均會受到内建電位的影響，電洞往電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果我們用導線将此太陽電池與一負載連接起來，形成一個回路，就會有電流流過負載，光能便轉換成了電能。

太陽能電站

這是世界上第一座太陽能發電站。它于1969年建于法國的奧黛羅市。它是利用反射的太陽光，把水燒至沸騰，然後再用水蒸氣推動汽輪機來發電。

建築中的太陽能

目前，太陽能技術在建築中的應用主要包括：提供生活熱水、采暖及太陽光伏發電技術的應用。其中，太陽能熱水器是最為人們所熟悉的。據估算，每平方米太陽能熱水器年平均節煤150千克，節電450 千瓦，減排二氧化碳100 千克。太陽能建築中的采暖主要包括主動采暖空調技術與被動太陽房采暖技術，前者使用太陽能熱水器與溴化锂制冷機結合，實施冬季采暖和夏季制冷，但由于成本偏高，目前仍處在示範階段；而被動太陽房是一種将太陽能采暖技術和節能技術相結合的綜合節能建築，目前主要應用于學校、商店、農村住宅中。太陽光伏發電在建築中的應用主要是照明和通訊，但尚處在示範階段。随着太陽能電池成本的降低，太陽光伏發電技術在建築中的應用會逐步地得到推廣。

太空帆船

自從人類能夠進行太空飛行以來，用作飛行動力的隻有火箭發動機。而現在，人類找到了克服地球強大引力的新途徑。俄羅斯于2003 年8 月發射了一艘特别的太空飛船——“宇宙1”太空帆船。這次試驗性發射的目的在于檢測借助太陽光的壓力控制航天器飛行的可行性，這将為今後的星際飛行奠定可靠的技術基礎。“宇宙1 号”是第一艘沒使用發動機的太空船，升空後完全依靠太陽能獲得動力。在沒有空氣阻力的宇宙空間裡，太陽光子會連續撞擊“宇宙1 号”的太陽能帆，使太陽能帆獲得的動量逐漸增加，從而形成加速度。像“宇宙1 号”這樣規格的航天器能在5 年内抵達冥王星，而傳統宇宙飛船最快也要飛上9年。太陽光正作為一種新能源在星際旅行方面發揮着巨大作用，因此專家預計太陽能太空飛船有一天将超越傳統的火箭發動機成為宇宙飛船的主要動力源。太陽能在資源貧乏的今天越來越被廣泛地使用。

圖為美國宇航局“水手10 号”宇宙飛船的太陽能電池裝置。

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