太阳能的开发潜力(二)

四　用途广泛的太阳能电池

所谓太阳能电池，实质上就是一种把光能变换成电能的能量转换器。这种电池是利用“光生伏打效应”的原理制造出来的。所谓光生伏打效应，是指当某些物质受到光的照射时，物质内部会出现电动势或电流的现象。例如，当阳光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压。如果我们用导线把PN结连接起来，就会出现电流。

所谓半导体，是指那些导电能力介乎导体(如银、铜、铝等各种金属)和不导电的绝缘体(如橡胶、塑料等)之间的物质，如硅、锗等元素的晶体，都是半导体。两种不同类型的半导体结合在一起，在其结合界面处就形成了PN结。

我们知道，一切物质的原子，都是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的。电子循着一定的轨道围绕着原子核旋转，就像行星围绕着太阳旋转一样。硅原子的外层有4个电子。它们都受到原子核引力的约束，每个电子都有其固定的旋转轨道。

但是，当太阳光照射在硅原子上时，其外层电子在外来能量的激发之下，就会摆脱原子核引力的束缚而离开原有的旋转轨道，成为自由电子，并且同时在它原来所在的部位留出一个空位，科学家称之为“空穴”。正因为电子是带负电的，所以空穴就表现为带正电的。在纯净的硅晶体内，自由电子和空穴在数目上是相等的。

如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、镓、铝等杂质元素，那么它就变成了“空穴型的”半导体，用符号P表示；如果在硅晶体中掺入能够施放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么它就变成了“电子型的”半导体，用符号N表示。若是把这两种半导体结合在一起，则会由于电子和空穴的相互扩散而在交界面处形成PN结，同时在结的两边形成“内建电场”。由于这里的电阻值特别高，所以也称之为“阻挡层”。

当阳光照射PN结时，半导体的原子由于获得了光能而释放出电子，从而出现了电子一空穴时对，并在内建电场的作用下而将电子驱向N型区，同时将空穴驱向P型区。这样，在N型区便有过剩的电子，而在P型区则有过剩的空穴。在这种情况下，就在PN结的附近形成了与原来的内建电场方向相反的“光生电场”。这个光生电场除了抵消原来内建电场的作用以外，还使P型区带正电，N型区带负电。于是，在N型区和P型区之间就产生了电动势，从而出现了“光生伏打效应”。此时若是将外电路接通，便会有电能输出。

单个太阳能电池不能直接作为电源来使用。在实际应用中，是将几片或几十片单个的太阳能电池串联或并联起来，组成太阳能方阵，这样便能获得相当大的电能。

目前实际使用的太阳能电池，大多是在N型硅单晶体的小片上用扩散法渗进一层硼，以得到PN结，然后再加上电极便成了太阳能电池。这种硅太阳能电池的光电转换效率约为18％。大批量生产时的太阳能电池，其效率只有10％左右。虽然太阳能电池的效率较低，其成本也较高，但这种电池的可靠性好，使用寿命长，没有转动部件，使用维护方便，所以得到了广泛应用。

太阳能电池起初主要应用于空间技术领域，后来才扩展到其它领域。据统计，世界上90％以上的人造卫星和宇宙飞行器都是采用太阳能电池供电的。美国近些年来研制的新型太阳能电池，在地面上的光电转换率为35.6％，在宇宙空间为30.8％。澳大利亚利用激光技术研制的太阳能电池，在不聚焦的条件下其光电转换率可达24.2％，成本只相当于柴油发电的水平。

单晶硅太阳能电池是目前所用太阳能电池的典型代表，它的光电转换效率较高，工作性能稳定可靠，可进行批量生产，应用较为普遍。

在太阳能电池方阵中，通常还装有蓄电池，这是为了保证在夜晚及阴雨天能够连续供电的一种储能装置。当太阳光照射的时候，太阳能电池所产生的电能除了满足当时的需要之外，还把多余的电能储存于蓄电池内。

太阳能电池为人造卫星和宇宙飞行器提供了方便而可靠的能源。1954年美国人皮尔逊等在贝尔实验室制成了世界上第一个硅太阳能电池以后，1958年美国就发射了第一颗用太阳能供电的“先锋”1号卫星。现在，在各式各样的人造卫星和宇宙飞行器上都安设了布满太阳能电池的铁翅膀，使它们得以在浩瀚无际的宇宙空间远航高飞。

人造卫星和宇宙飞行器上的电子仪器设备很多，对电源的要求比较苛刻：要求电源的重量轻；使用寿命长；能连续不断地进行工作；并能承受各种冲击、碰撞和振动的影响。太阳能电池完全能够满足这些要求，是人造卫星和宇宙飞行器的理想能源。

根据人造卫星对电源的特殊要求，通常将太阳能电池整齐地排列在电池板上，组成太阳能电池方阵。当人造卫星向着太阳运行时，电池方阵受太阳光照射而产生电能，给卫星供电，并且同时给卫星上的蓄电池充电；当人造卫星背着太阳运行时，蓄电池放电，以确保卫星上的仪器设备能够连续地进行工作。

我国早在1958年就着手于太阳能电池的研制工作，并于1971年将我国自制的太阳能电池用在我国发射的第二颗人造卫星上。这颗人造卫星在太空中正常运行了8年多。

太阳能电池还代替燃油而应用机上。世界上第一架完全利用太阳能电池作动力的“太阳挑战者”号飞机，已经在国外试飞成功，其飞行时间长达4.5小时，飞行高度达4000米，飞行速度为60千米／小时。在这架飞机的尾翼和水平翼表面上，装有1.6万多个太阳能电池，其最大能量输出为2.67千瓦。它是将太阳能变成电能，用电能来驱动单叶螺旋桨旋转，使飞机在空中飞行。

以太阳能电池为动力的小型汽车，已经在墨西哥试制成功。这种汽车的外形像一辆三轮摩托车，其车顶上架设了一个装有太阳能电池的大蓬。在阳光照射下，汽车以太阳能电池作为动力，以40千米／小时的速度向前行驶。不过，这辆汽车每天所获得的电能只能供它行驶40分钟，所以它还不能投入正常运行。这是有待于进一步改进之处。

1984年9月，我国也成功地试制成“太阳”号太阳能汽车。这标志着我国太阳能电池的研制工作已达到国际先进水平。此外我国还把太阳能电池用于给小型电台的通信机充电。当在野外使用小型电台而无交流电源可供利用时，便可启用这种太阳能电池小型电台充电器。这种充电器使用起来极为方便，深受用户欢迎。