太阳能开发与利用（全新日光浴太阳能的开发和利用）

太阳能的开发和利用

不久之后，我们就可以用身上穿的衣服来为手机充电了，这时的日光浴便多了一层别样的意味。这是因为科研人员发明了一种柔性塑胶太阳能电池，这种电池能利用阳光中的红外线，并且可以在布、纸和其他材料表面形成一层柔性膜，这层膜可以把30%的太阳能转化为可利用的电能。由于这种电池能利用有弹性的材料来转化太阳能，因此可以把它与其他材料编织在一起，形成类似现在合成纤维的材料，然后把它做成可以穿在身上的太阳能板。这些新型太阳能板的制造方法与传统太阳能板类似，但它只比照相用的底片厚一点。一片缝在夹克背面的柔软的太阳能板价值不到10 英镑(约等于136 元人民币)，却可以在夏季外出散步时为手机充电。在可再生资源储量几近枯竭和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的开发和应用显得更加突出，太阳能建筑、太阳能灯、太阳能汽车等已进入应用阶段，还有许多对太阳能的开发正在酝酿中。人们期待着“太阳能时代”的到来。

太阳能电池工作原理

当太阳光照射到半导体上时，接受到阳光照射地方的电子就会变得活跃起来而脱离周围的电子。这样，它们原来占有的地方就形成一些“空洞”；这时，位于两个电极之间的电场就把带有负电荷的电子带到电池的一端，带有正电荷的空洞就移动到相反的一端从而形成电流。

太阳能电池的构造

一般的太阳能电池用两层半导体硅做成一个层状结构：将较薄的N 型半导体置于较厚的P型半导体上，两者相结合。

光伏效应

早在1839年，法国科学家贝克雷尔就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

半导体材料

硅是最理想的太阳能电池材料，其中的单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，光电转化效率可达23.3%。如果说单晶硅的特点是效率高、成本高，那么由其他材料制造的太阳能电池无疑是成本低、转化弱。与单晶硅太阳能电池相比，除多晶硅、碲化镉等外，其他材料电池的光电转化效率普遍未超过15%。

非晶硅

要做成硅太阳能电池，必须在硅片上表面附一层掺有不同杂质的薄膜以形成P-N结构。由于硅单晶的尺寸受到制造设备等因素的制约，所以目前最有吸引力的是非晶硅太阳能电池。半导体玻璃，即非晶硅，制造工艺比较简单，也可制造出很大尺寸的薄膜材料，适合于工业化大规模生产，因而显示出巨大的应用前景。

来自太阳的巨大能量

地球所接受到的太阳能只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的4 万倍，几乎可以说是“取之不尽，用之不竭”。而且，太阳能和石油、煤炭等化石燃料不同，不会导致全球性气候恶化，也不会造成环境污染。因此，太阳能的利用受到越来越多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新材料，以扩大太阳能的应用领域—发电、取暖、供水以及各种各样的太阳能动力装置。

太阳能电池

在将太阳能转化成电能的过程中，最核心的装置还要算太阳能电池。可以说，太阳能电池的开发、生产直接影响着太阳能发电的前景。太阳能电池或称“光电池”，是一种把太阳能直接转变为电能的半导体元件。半导体材料有一种效应叫作“光生伏打效应”，即当半导体材料受到光照时，其内的电荷分布状态发生变化，半导体两端会产生电位差，继而产生电流。

由许多太阳能电池构成的太阳能电池板

从光能到电能

当太阳光照射到P - N 结构的半导体时，光子所提供的能量会把半导体中的电子激发出来，产生“电子- 电洞”对，电子与电洞均会受到内建电位的影响，电洞往电场的方向移动，而电子则往相反的方向移动。如果我们用导线将此太阳电池与一负载连接起来，形成一个回路，就会有电流流过负载，光能便转换成了电能。

太阳能电站

这是世界上第一座太阳能发电站。它于1969年建于法国的奥黛罗市。它是利用反射的太阳光，把水烧至沸腾，然后再用水蒸气推动汽轮机来发电。

建筑中的太阳能

目前，太阳能技术在建筑中的应用主要包括：提供生活热水、采暖及太阳光伏发电技术的应用。其中，太阳能热水器是最为人们所熟悉的。据估算，每平方米太阳能热水器年平均节煤150千克，节电450 千瓦，减排二氧化碳100 千克。太阳能建筑中的采暖主要包括主动采暖空调技术与被动太阳房采暖技术，前者使用太阳能热水器与溴化锂制冷机结合，实施冬季采暖和夏季制冷，但由于成本偏高，目前仍处在示范阶段；而被动太阳房是一种将太阳能采暖技术和节能技术相结合的综合节能建筑，目前主要应用于学校、商店、农村住宅中。太阳光伏发电在建筑中的应用主要是照明和通讯，但尚处在示范阶段。随着太阳能电池成本的降低，太阳光伏发电技术在建筑中的应用会逐步地得到推广。

太空帆船

自从人类能够进行太空飞行以来，用作飞行动力的只有火箭发动机。而现在，人类找到了克服地球强大引力的新途径。俄罗斯于2003 年8 月发射了一艘特别的太空飞船——“宇宙1”太空帆船。这次试验性发射的目的在于检测借助太阳光的压力控制航天器飞行的可行性，这将为今后的星际飞行奠定可靠的技术基础。“宇宙1 号”是第一艘没使用发动机的太空船，升空后完全依靠太阳能获得动力。在没有空气阻力的宇宙空间里，太阳光子会连续撞击“宇宙1 号”的太阳能帆，使太阳能帆获得的动量逐渐增加，从而形成加速度。像“宇宙1 号”这样规格的航天器能在5 年内抵达冥王星，而传统宇宙飞船最快也要飞上9年。太阳光正作为一种新能源在星际旅行方面发挥着巨大作用，因此专家预计太阳能太空飞船有一天将超越传统的火箭发动机成为宇宙飞船的主要动力源。太阳能在资源贫乏的今天越来越被广泛地使用。

图为美国宇航局“水手10 号”宇宙飞船的太阳能电池装置。