青少年喜欢的科技前研:飞速发展的太阳能电池技术

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青少年喜欢的科技前研:飞速发展的太阳能电池技术插图

在电池这个家族中,有着人们熟悉的干电池、蓄电池、汞锌电池、镰电池等众多的成员。值得注意的是,近年来,这个“家族”又增添了一位后来居上的年轻伙伴——太阳能电池。

太阳能电池又称充电池或光伏电池,它是以半导体为材料,应用光电转换原理制成的。半导体是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质,两种不同类型的半导体结合在一起,结合面就形成一个“结”,太阳能电池的奥妙就在这个“结”上。

和任何物质的原子一样,半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成。如半导体硅原子的外层就有4个电子,按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时,这些电子就会脱离轨道而成为自由电子,并在原来的位置上留下一个“空穴”,在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺人能够俘获电子的硼、鲸等元素,它就成了空穴型半导体,通常用符号P表示;如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素,它就成了电子型半导体,以符号N代表。若把这两种半导体结合,交界面便形成一个P N结。P-N结就像一堵墙,阻碍着电子和空穴的移动。当受到阳光照射时,电子接受光能驱向N型区,使N型区带负电,同时空穴驱于P型区,使P型区带正电。这样,在P-N结两旁便产生了电动势,也就是通常所说的电压。科学家把这种现象叫作“光生伏打现象”。如果用导线连接P-N结两端,便会产生电流。

1953年,美国贝尔电话公司就是应用这个原理,制成了世界上第一个硅太阳能电池。尽管当时这种电池的光电转换效率很低,单个太阳能电池不能直接作为电源使用,需要多个太阳能电池一起作用才能获得需要的电能。但光电池的出现,好比一道曙光,使人们的眼睛为之一亮,尤其是航天领域的科学家,对它更是注目。

卫星和宇宙飞船上的电子仪器和设备,需要足够的持续不断的电能,而且要求重量轻,寿命长,使用方便,能承受各种冲击、振动的影响。太阳能电池能完全满足这些要求,是航天事业的理想能源,而令其他所有电池相形见绌。

1958年,美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源,成为世界上第一个用太阳能供电的卫星。太阳能电池一下子使卫星电源可以安全工作达20年之久,从而取代了只能连续工作几天的化学电池。现在,各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池的“铁翅膀”,使它们能够在太空中长久邀游。我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作,并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上,随后,又向高效能的砷化镶太阳能电池迈进。1991年,我国砷化镍太阳能电池试验成功,并在“风云一号”气象卫星上正常使用,使我国成为继美、日、俄后的第四个拥有砷化镖太阳能电池太空试验数据的国家。

太阳能电池不仅是太空骄子,也被人们生产、生活的许多领域视为至宝。从1974年,世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来,无污染,噪音小,节能耐用的太阳能飞机便飞速地发展起来,从飞行几分钟,航程几公里到飞越英吉利海峡,航程2000多公里,只用了六七年时间。现在,最先进的太阳能飞机,飞行高度可达2万多米,航程超过4000公里。在建造太阳能电池发电站上,许多国家也取得了较大进展。1985年,美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站,用108个太阳板,256个光电池模块,年发电能力300万度。德国1990年建造的小型太阳能电站,光电转换率可达30%多,适于为家庭和团体供电。1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太阳能发电装置”,预计可供加州1/3的用电量。用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式,据专家测算,如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1%收集起来,足够全世界的所有能源消耗。

生活中,太阳能电池电话已在一些国家得到了应用。约旦的一些公路两旁,常见到“顶着”太阳能电池板的电线杆,司机随时可以使用这种太阳能电池电话。芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机,太阳能电池板就装在住家的房顶上,还配有蓄电池,保证电视机的连续供电,既节省了电能又安全可靠。日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。我国的一些电视差转台也已用太阳能电池为电源,投资省,使用方便,很受欢迎。

当前,太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化;小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产,并得到广泛应用;光电转换技术日益成熟,转换率逐步提高;可以预见,太阳能电池——这个电池家族的后起之秀,很有可能作为替代化石燃料的重要能源,在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。

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