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太阳能电池浅谈

(2014-03-31 17:20:39)
分类: 环境X档案

本期撰文/冯烁


    谈到未来能源,就不得不提太阳能。由于太阳的寿命比地球要长,我们基本可以认为太阳能是不会枯竭的能源。虽然目前太阳能的利用占不到人类能源消费的1%,但是各国基本上都出台了扶持太阳能产业的相关政策,相信太阳能将逐渐拥有自己的历史舞台。

    利用太阳能可分为两大块,一种是通过光热转换原理,收集热能直接使用或发电。另一种则是利用光电转换原理,我们这次要讲的也是这种形式——光伏太阳能电池。

                太阳能电池浅谈

常见三大光伏电池出没地点:住宅房顶,商业建筑楼顶,大规模的发电厂  

    首先,我来回答一些大(bi)(jiao)(qi)(guai)的问题。

    ——太阳能电池技术是什么工作原理?

    光是由带能量的光子组成的。当阳光照在光伏材料,光子要么通过,被反射或吸收。如果光子被吸收,​​其能量将激发光伏材料中原子的电子。运用一些技术手段可以使得产生的电子逸出原子轨道进入电路,形成电流。发光二极管(LED)也是由类似材料制成的,并利用相同的物理原理,只是它是由电转换成光的逆过程。

            太阳能电池浅谈

       橙色光束照到光伏电池后,部分光子的能量被吸收转换为自由电子。由于光伏电池中含有红蓝两部分分别为“富电子”和“缺电子”的P型和N型半导体,自由电子扩散到电极从而进入电路。(来源:http://www.apec-vc.or.jp/e/modules/tinyd00/index.php?id=74

    ——太阳能电池存储能量吗? 

    NONONO。太阳能电池只是将太阳光转换成电流,必须立即使用或储存在蓄电池中以备后用。

    ——太阳能电池没有太阳还工作么?

    YESYESYES。前面给大家提到了太阳能电池的工作原理,其实只要有光照到电板上,产生了一定的光子吸收,就会有电流。当然在一般多云的气象条件天下,电池产生的电能可能只有晴天条件下的一半左右。

    ——为什么太阳能电板都不是平摆着的?

    其实除开为了更大面积的接受阳光照射之外,更重要的一点是为了保持安装在室外的电板能够顺利排水,尽可能的保持干燥、干净。

    在轻松的问答环节之后,我们不得不面对一个严峻的问题——太阳能利用的能流密度低。平均说来,北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下,地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。因此需要相当大的采光集热面才能满足使用要求,从而使装置占地面积大、用料多,成本增加。这也是为什么太阳能技术出现了半个世纪多,却鲜在民用领域展露头角的原因。

    为了解决基于硅材料的太阳能电板安装困难、费用高的问题,人们研发出了薄膜型的太阳能电池。不过这类材料因为用料主要来自镉、碲(有毒),铟、镓(稀有昂贵)材料,不适合大规模开发。最近10年,材料科学界比较火的是开发有机太阳能薄膜电池。相比于它的前辈而言,它拥有三大优势——1.无需高耗能提炼超纯度的硅板,得到富勒烯以及有机共轭分子相对而言较为经济;2.生产成膜技术简单;3.安装简单。

                太阳能电池浅谈

    有机太阳能电板效率在经历了一波学界大牛之间疯狂的破纪录竞赛之后,从2008年的5%跃升至2013年的12%(http://optics.org/news/4/1/36)。虽然还远落后于单晶硅电板的能源转换率——20%以上,但是学界对于有机太阳能电板的工业化定位也只是“10+10”,也即能够以10%的效率运行10年。现在摆在学界面前的难题是如何才能让有机太阳能电板中的工作材料在室外条件下稳定工作10年不出现材料氧化等衰老问题。从近一年顶级专业期刊报导的工作来看,大牛们还是在朝着提高效率的方向做着一些机理性的工作,似乎还没有人涉足材料的耐候性研究,亦或是因为时间还不够长的缘故。

    总之,虽然目前通过太阳能电板利用太阳能还有着各种技术难关有待攻克,但是太阳能作为绿色安全的永不枯竭的能源被人们利用起来是必然的趋势。

编者注:本期作者冯烁是美国科罗拉多州立大学化学博士研究生。他从事高分子可控合成,环境友好型高分子材料设计工作。


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