光电效应与太阳能发电

1、光电效应与太阳能发电农水1101赵智鹏 201122061 张辉 2011002058太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置太阳光照在半导 体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子 由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。，一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一 电直接转换方式。（1）光一热一电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将 所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光一热转换过程；后一 个过程是热一电

2、转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本 很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投 资2025亿美元，平均1kW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于 特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。（2）光一电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一 电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接 转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管 就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

3、当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大 的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清 洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而 长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大 中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法 比拟的感觉到，仅仅依靠这种自上而下的气候政治，恐怕是不足以解决气候变化这个迫切危机了。 考虑到减缓气候变化和不断上涨的能源价格的最好办法，应该是增加使用非化石燃料能源的 比重。我们能使用的非化石燃料能源中在德班，一群政治家正在

4、为谁应该对气候变化负更多 的责任而吵得不可开交。这让人越来越，核能的安全性有很大的争议，风能和水能需要仔细 选址和环评，能利用地热能的地区有限，似乎只有太阳能是比较合适的可持续能源了。现在的太阳能技术并不是完全没有问题。太阳能发电技术中，使用最多的是光伏（PV）发 电。和光电效应类似，光伏材料中的电子接收到光能后会被激发，并进入不同的电子轨道， 从而使材料的两极间出现电压。这类材料的制造过程中也会产生一些重金属污染，虽然太阳能发电的单位污染比火电厂 要低得多。此外，太阳能发电遇到的最大问题，在于发电效率难以提高，因此具有一定规模 的太阳能电站需要占据大量的空地。在土地资源日益稀缺的今天，这也是

5、一大限制条件。所以，太阳能发电要有更大的发展，就需要提高发电的效率；同时也要让发电设备更容 易装配和利用。现在的光伏技术在这两方面似乎都遇到了瓶颈。首先，和光电效应一样，电子只有吸收一定波长的光线才会被激发，发生光伏效应。波 长较长的光线将直接穿透光伏材料，不产生任何作用，波长较短的光线则会给被激发的电子 过多的能量，让它们到处乱飞，不能有效形成电流。而且太阳照在光伏材料上，不可避免地会让它发热，这也影响了光伏材料发电的效率， 所以光伏材料的发电效率很难超过15%20%，也就是说它产生的电能只相当于照射在其上 阳光能量的五分之一或更少。光伏板本身也比较昂贵，而且需要专业人士设计安装，如果你希望

6、用光伏发电减少自己 的电费，恐怕得先省出一笔钱来作为投资。在农作物育种的时候，不乏这样的例子：一个品种的表现并不尽如人意，但它却可以帮 助改进另一个品种的缺点，产生杂交的优秀品种。技术的进步也是如此。1821年，德国物理学家塞贝克发现当两个不同金属材料的半圆焊接成一个圆环并被加 热后，能够吸引磁针，他认为这是一种“热磁效应”，但丹麦物理学家奥斯特指出，磁场的 出现是由于不同金属的温度差异使圆环中出现了电流，并称这种现象为热电现象。这一现象后来被命名为赛贝克效应，能产生这种现象的材料被称为热电材料。1954年， 一生致力于研究利用太阳能的美籍匈牙利科学家MariaTelkes利用太阳能和热电材料

7、实现了 太阳能发电，但发电效率只有可怜的1%。后人也没能在她的基础上把太阳能热电材料的效 率提高多少，而光伏发电技术的效率却很快达到了百分之十几，所以热电材料在太阳能发电 中的应用很快被遗忘了。在光伏发电似乎再无潜力可挖的今天，一些科学家却想到了热电材料。之前提到过，阳光中 波长较长的部分可以穿过光伏板而不能被其利用，那么为什么不在光伏板下面加一层热电材 料捕捉这部分阳光呢?纽约哥伦比亚大学的两位科学家尹惠明（音译）和杨大江（音译）进行了这样的实验。他们发现，热电材料确实可以捕捉到没有被光伏板吸收的部分阳光，但是产生的电力非常微 弱，从经济上说甚至不能补偿增加热电材料的成本。这一方面是由于穿过

8、光伏材料的部分阳光本来就是波长较长、能量较低的一部分，另一 方面则是因为热电材料的热绝缘性不佳，材料一面被加热后，另一面也会很快被加热，使得 被激发的电子到处乱窜而不能形成稳定的电流。要解决这个问题，直接的办法是用空调或者 水冷给热电材料的低温端降温一一用户不干了，本来装这个是用来发电的，结果最后还要耗 我的电费给它吹空调！为解决这个问题，麻省理工学院的陈刚（音译）提出将阳光按波长分离并分别送到光伏 板和热电材料的方法。简单地说，这就像用三棱镜把白色的阳光分离成赤橙黄绿青蓝紫七色， 绿色到紫色的部分送到光伏板上，而红色到黄色的部分用来加热热电材料。但是不难想到，如果仅仅简单地放一个三棱镜在太阳

9、能电池板上方，为了接收照射面积 为1平方米的阳光就得使用好几平方米的光伏板和热电板。所以，要有效地使用这种方法， 必须先把较大面积上的阳光集成一束，再把它按波长分开。集中阳光需要一套复杂的自动化 装置，跟踪太阳以获得最佳的入射角度，这又会大大增加太阳能发电的成本，只有大规模的 商业发电才能负担得起。对于普通人家，陈刚提出的解决办法是用放在真空玻璃容器中的铜 片来收集热能，铜片后面覆盖热电材料就能发电。使用普通的热电材料，这种方法也能达到 前所未有的5%的效率，虽然跟光伏发电比较还很低，但它成本低廉的优势足以抵消这个不 足。尹惠明和杨大江则转而使用纳米技术，改造材料的结构。2002年科学杂志上发表 的一篇文章成了他们工作的基础。通过控制半导体晶体的生长过程，科学家们可以制造只让 电子通过，而不让光子通过的材料。这样，热量就不会被光子从热电材料的热端带到冷端， 两边就可以始终维持比较大的电压差，从而提高热电材料的效率。如果把这种热电材料和光 伏发电结合起来，再加上用它截获的光能来加热水，能源效率可以达到50%。亚利桑那大学的查尔斯斯塔福德则希望更彻底地解决太阳能发电的成本问题。他提出 的方案是完全放弃使用光伏板，而改用经过改造的多酚乙烯聚合物。通过选择分子链上的功 能团，这样的聚合物有望做到让电子按一定的方向流动。光子在这种材料中则如同陷入蜘蛛 网，这样也能实现20