第1章　太陽能利用與太陽電池

1.1　太陽能與可再生能源

萬物生長靠太陽。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等），從根本上說也是遠古以來儲存下來的太陽能。太陽是離地球最近的一顆自己發(fā)光的天體，它給地球帶來了光和熱。太陽的活動來源于其中心部分，中心溫度高達1500萬攝氏度，在這里發(fā)生著核聚變， 太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。聚變產(chǎn)生能量并被釋放至太陽表面，通過對流過程散發(fā)出光和熱。太陽核心的能量需要通過幾百萬年才能到達它的表面，因此使太陽能夠發(fā)光。到現(xiàn)在為止太陽的年齡約為46億年，它還可以繼續(xù)燃燒約50億年。因此，可以說太陽能是取之不盡、用之不竭的能源。全球年消耗能量的總和只相當于太陽40min內(nèi)投射到地球表面的能量。太陽輻射能來源于其內(nèi)部的熱核反應(yīng)，每秒轉(zhuǎn)換的能量約為4×10²⁶J，基本上都是以電磁輻射的形式發(fā)射出來。通常將太陽看成是溫度6000K、波長0.3～3.0μm的輻射體，輻射波長的分布從紫外區(qū)到紅外區(qū)。盡管地球所接收到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十二億分之一，達到地球大氣層外的太陽輻射能在132.8～141.8mW/cm²之間，被大氣反射、散射和吸收之后，約有70%投射到地面，但已高達1.73×10¹⁵W；也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤燃燒的能量，是全球能耗的數(shù)萬倍。

從能源的利用特點劃分，能源分為可再生能源和不可再生能源。可再生能源是指原材料可以再生的能源，如風能、生物能、地熱能、水能和太陽能等能源。可再生能源不存在能源耗竭的可能，因此日益受到許多國家的重視，尤其是能源短缺的國家。

（1）風能

風能是地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣含量不同，因而引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動，即形成風。風能資源取決于風能密度和可利用的風能年累積時間（小時）。風能密度是單位迎風面積可獲得的風的功率，與風速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。據(jù)估算，全世界的風能總量約1300億千瓦。風能資源受地形影響較大，世界風能資源多集中在沿海和開闊大陸的收縮地帶。在自然界中，風是一種可再生、無污染而且儲量巨大的能源。隨著全球氣候變暖和能源危機，各國都在加緊對風力的開發(fā)和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，保護我們賴以生存的地球。風能利用主要有風能作為動力和風力發(fā)電兩種形式，其中又以風力發(fā)電為主。

（2）生物能

生物能是太陽能以化學能形式儲存在生物中的一種能量形式，一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用。光化學反應(yīng)不同于熱化學反應(yīng)，只要光的波長能被物質(zhì)所吸收，就是在較低溫度下依然可以進行。光化學應(yīng)用常見的有綠色植物的光合作用，通過植物的光合作用，太陽能把二氧化碳和水合成有機物（生物質(zhì)能）并放出氧氣。光合作用是地球上最大規(guī)模轉(zhuǎn)換太陽能的過程，現(xiàn)代人類所用燃料是遠古和當今光合作用所固定的太陽能。目前，光合作用機理尚不完全清楚，能量轉(zhuǎn)換效率一般只有百分之幾，對其機理的研究具有重大的理論意義和實際意義。

（3）地熱能

地熱能是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，是引致火山爆發(fā)及地震的能量。地球內(nèi)部的溫度高達7000℃，而在80～100km的深度處，溫度會降至650～1200℃。透過地下水的流動和熔巖涌至離地面1～5km的地殼，熱力被轉(zhuǎn)送至較接近地面的地方。高溫熔巖將附近的地下水加熱，這些加熱了的水最終會滲出地面。運用地熱能最簡單和最合乎成本效益的方法，就是直接取用這些熱源，并抽取其能量。地熱能的利用形式：①200～400℃直接發(fā)電及綜合利用；②150～200℃雙循環(huán)發(fā)電，制冷，工業(yè)干燥，工業(yè)熱加工；③100～150℃雙循環(huán)發(fā)電，供暖，制冷，工業(yè)干燥，脫水加工，回收鹽類，罐頭食品；④50～100℃供暖，溫室，家庭用熱水，工業(yè)干燥；⑤20～50℃沐浴，水產(chǎn)養(yǎng)殖，飼養(yǎng)牲畜，土壤加溫，脫水加工。現(xiàn)在許多國家為了提高地熱能利用率，采用梯級開發(fā)和綜合利用的辦法，如熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供、熱電冷三聯(lián)產(chǎn)、先供暖后養(yǎng)殖等。

（4）水能

水能是一種可再生能源，是清潔能源，是指水體的動能、勢能和壓力能等能量資源。廣義的水能資源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量資源；狹義的水能資源指河流的水能資源。水不僅可以直接被人類利用，它還是能量的載體。太陽能驅(qū)動地球上的水循環(huán)，使之持續(xù)進行。地表水的流動是重要的一環(huán)，在落差大、流量大的地區(qū)，水能資源豐富。隨著礦物燃料的日漸減少，水能是非常重要且前景廣闊的替代資源。目前世界上水力發(fā)電還處于起步階段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水運動均可以用來發(fā)電。

（5）太陽能

地面接收到的太陽能包括直接輻射能和散射輻射能。直接接收到不改變方向的太陽輻射稱為直接太陽輻射；被大氣層反射和散射后方向改變的太陽輻射稱為散射輻射。為了定量描述太陽能，需要引入一些概念。在地球位于日地平均距離處時，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積在單位時間內(nèi)所受到的太陽輻射的全譜總能量，稱為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)的數(shù)值為1353W/m²，常用單位為W/m²。將大氣對地球表面接收太陽光的影響程度定義為大氣質(zhì)量（AM）。大氣質(zhì)量是一個無量綱量，它是太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽光線在天頂角方向時穿過大氣路徑之比，并假定在標準大氣壓（101325Pa）和氣溫0℃時，海平面上太陽光垂直入射的路徑為1。AM數(shù)值不同，太陽光譜會產(chǎn)生不同的變化。當太陽輻射強度為太陽能常數(shù)時，大氣質(zhì)量記為AM₀，AM₀光譜適合于人造衛(wèi)星和宇宙飛船上的情況。大氣質(zhì)量AM₁的光譜對應(yīng)于直射到地球表面的太陽光譜（其入射光功率為925W/cm²）。圖1.1是AM₀和AM₁兩種條件下的太陽光譜，它們之間的差別是由大氣對太陽光的吸收引起的衰減造成的，主要來自臭氧層對紫外線的吸收和水蒸氣對紅外光的吸收，以及空氣中塵埃和懸浮物的散射。圖中太陽光譜輻照度E_λ=dE/dλ，其中E為單位波長間隔的太陽輻射度，給定波長λ。太陽光譜的這些特點對太陽能電池材料的選擇是一個很重要的因素。

圖1.1　AM₀和AM₁太陽光譜

太陽活動同地球上的一些現(xiàn)象存在密切關(guān)系。現(xiàn)在，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)太陽活動在以下幾方面對地球有顯著影響。太陽活動中的耀斑和黑子對地球的電離層、磁場和極區(qū)有顯著的地球物理效應(yīng)，使地面的無線電短波通信受到影響，甚至出現(xiàn)短暫的中斷，這被稱為“電離層突然騷擾”。這些反映幾乎與大耀斑的爆發(fā)同時出現(xiàn)。磁場沿磁力線下來，與色球?qū)託怏w相碰撞，使中性線兩側(cè)磁力線的足跟部位發(fā)光，成為人們所見到的耀斑。耀斑本身是磁場不穩(wěn)定的結(jié)果。正是由于磁場這種非平衡狀態(tài)，導致了耀斑的爆發(fā)，以達到磁場新的平衡，耀斑的爆發(fā)過程同時也是大量能量釋放過程。較大的耀斑爆發(fā)溫度可達幾千萬度甚至上億度，并且有很強的X射線、紫外線以及高能質(zhì)子放出。這些強烈的輻射光線增加了氫原子的壓力，使氫原子、離子及其他微粒以超過1000km/s的速度拋出，成為太陽的微粒輻射。“磁暴”現(xiàn)象說明整個地球是一個大磁場，地球的周圍充滿了磁力線。當耀斑出現(xiàn)時，其附近向外發(fā)射高能粒子，帶電的粒子運動時產(chǎn)生磁場，當它到達地球時，便擾亂原來的磁場，引起地磁的變動。發(fā)生磁暴時，磁場強度變化很大，對人類活動特別是與地磁有關(guān)的工作會有很大影響。太陽影響地球的現(xiàn)象還有極光現(xiàn)象：地球南北緯兩極地區(qū)，在晚上甚至在白天，常常可以看見天空中閃耀著淡綠色或紅色、粉紅色的光帶或光弧，叫作極光。這是因為來自太陽活動的帶電高能粒子流到達地球時，在磁場的作用下奔向極區(qū)，使極區(qū)高層大氣分子或原子激發(fā)或電離而產(chǎn)生光。太陽的遠紫外線和太陽風會影響大氣的密度，大氣密度的變化周期為11年，顯然與太陽活動有關(guān)。太陽活動還可能影響到大氣溫度和臭氧層，進而影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量和自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡。由于太陽活動對人類有影響，特別是在航天、無線電通信、氣象等方面影響顯著，因此，研究太陽活動，特別是太陽耀斑發(fā)生的規(guī)律，并設(shè)法進行預(yù)報，對太陽能的利用具有重要的價值。