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太陽能電池發(fā)電原理
太陽能電池是一對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)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(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P－N結(jié)。
當(dāng)光線照射太陽能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P－N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)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(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.865%。太陽也是太陽系里惟一自己發(fā)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(huì)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(huì)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?zé)岷突鹕奖l(fā)的能量外,地面上大部分能源均直接或間接同太陽有關(guān)。
太陽是一個(gè)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(zhì)量約為1.99×1027t(是地球質(zhì)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(nèi)部中心區(qū)域的溫度則高達(dá)幾千萬度。太陽的能量主要來源于氫聚變成氦的聚變反應(yīng),每秒有6.57×1011kg的氫聚合生成6.53×1011kg的氦,連續(xù)產(chǎn)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(dá)到地球大氣層上邊緣(“上界”),由于穿越大氣層時(shí)的衰減,最后約8.5×1013kW到達(dá)地球表面,這個(gè)數(shù)量相當(dāng)于全世界發(fā)電量的幾十萬倍。
根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算,氫的儲量足夠維持600億年,而地球內(nèi)部組織因熱核反應(yīng)聚合成氦,它的壽命約為50億年,因此,從這個(gè)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(jié)構(gòu)和能量傳遞方式簡要說明如下。
太陽的質(zhì)量很大,在太陽自身的重力作用下,太陽物質(zhì)向核心聚集,核心中心的密度和溫度很高,使得能夠發(fā)生原子核反應(yīng)。這些核反應(yīng)是太陽的能源,所產(chǎn)生的能量連續(xù)不斷地向空間輻射,并且控制著太陽的活動(dòng)。根據(jù)各種間接和直接的資料,認(rèn)為太陽從中心到邊緣可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)和太陽大氣。
(1)核反應(yīng)區(qū)
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在太陽半徑25%(即0.25R)的區(qū)域內(nèi),是太陽的核心,集中了太陽一半以上的質(zhì)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(chǎn)生的能量占太陽產(chǎn)生的總能量的99%,并以對流和輻射方式向外輻射。氫聚合時(shí)放出伽瑪射線,這種射線通過較冷區(qū)域時(shí),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(qū)
在核反應(yīng)區(qū)的外面是輻射區(qū),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(chǎn)生的能量通過這個(gè)區(qū)域由輻射傳輸出去。
(3)對流區(qū)
在輻射區(qū)的外面是對流區(qū)(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(qū)內(nèi),能量主要靠對流傳播。對流區(qū)及其里面的部分是看不見的,它們的性質(zhì)只能靠同觀測相符合的理論計(jì)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(zhì)有明顯區(qū)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(gè)層次發(fā)出。太陽的連續(xù)光譜基本上就是光球的光譜,太陽光譜內(nèi)的吸收線基本上也是在這一層內(nèi)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(gè)太陽半徑之遠(yuǎn)。嚴(yán)格說來,上述太陽大氣的分層僅有形式的意義,實(shí)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(xù)地改變的。
可見,太陽并不是一個(gè)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(shí),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(xué)科研人員利用納米材料在實(shí)驗(yàn)室中成功“再造”葉綠體，以極其低廉的成本實(shí)現(xiàn)光能發(fā)電。
葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的場所，能有效將太陽光轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。此次課題組并非在植物體外“拷貝”了一個(gè)葉綠體，而是研制出一種與葉綠體結(jié)構(gòu)相似的新型電池———染料敏化太陽能電池，嘗試將光能轉(zhuǎn)化成電能。在上海市納米專項(xiàng)基金的支持下，經(jīng)過3年多實(shí)驗(yàn)與探索，這塊仿生太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已超過10％，接近11％的世界最高水平。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、華東師大納光電集成與先進(jìn)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(jié)構(gòu)———中空玻璃夾著一層納米“夾心”，光電轉(zhuǎn)化的玄機(jī)就藏在這層幾十微米厚的復(fù)合薄膜中。納米“夾心”的“配方”十分獨(dú)特：染料充當(dāng)“捕光手”，納米二氧化鈦則是“光電轉(zhuǎn)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(diǎn)“佐料”———一種由納米熒光材料制成的量子點(diǎn)，讓不同波長的陽光都能對上“捕光手”的“胃口”。只要不斷改進(jìn)“配方”，納米“夾心”的光電轉(zhuǎn)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(jià)的原材料和簡單的制作工藝。據(jù)估算，染料敏化電池的成本僅相當(dāng)于硅電池板的1／10。同時(shí)，它對光照條件要求不高，即便在陽光不太充足的室內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)化率也不會(huì)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(fā)電，一邊發(fā)光，實(shí)現(xiàn)能源自給自足。
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