王 洪 郝 梅

四 用途廣泛的太陽能電池

所謂太陽能電池，實質(zhì)上就是一種把光能變換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。這種電池是利用“光生伏打效應(yīng)”的原理制造出來的。所謂光生伏打效應(yīng)，是指當(dāng)某些物質(zhì)受到光的照射時，物質(zhì)內(nèi)部會出現(xiàn)電動勢或電流的現(xiàn)象。例如，當(dāng)陽光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓。如果我們用導(dǎo)線把PN結(jié)連接起來，就會出現(xiàn)電流。

所謂半導(dǎo)體，是指那些導(dǎo)電能力介乎導(dǎo)體(如銀、銅、鋁等各種金屬)和不導(dǎo)電的絕緣體(如橡膠、塑料等)之間的物質(zhì)，如硅、鍺等元素的晶體，都是半導(dǎo)體。兩種不同類型的半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其結(jié)合界面處就形成了PN結(jié)。

我們知道，一切物質(zhì)的原子，都是由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子組成的。電子循著一定的軌道圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，就像行星圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣。硅原子的外層有4個電子。它們都受到原子核引力的約束，每個電子都有其固定的旋轉(zhuǎn)軌道。

2011年9月29日發(fā)射的“天宮一號”衛(wèi)星太陽能電池板打開飛行測控示意圖。 攝影/張波/FOTOE

但是，當(dāng)太陽光照射在硅原子上時，其外層電子在外來能量的激發(fā)之下，就會擺脫原子核引力的束縛而離開原有的旋轉(zhuǎn)軌道，成為自由電子，并且同時在它原來所在的部位留出一個空位，科學(xué)家稱之為“空穴”。正因為電子是帶負(fù)電的，所以空穴就表現(xiàn)為帶正電的。在純凈的硅晶體內(nèi)，自由電子和空穴在數(shù)目上是相等的。

如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的硼、鎵、鋁等雜質(zhì)元素，那么它就變成了“空穴型的”半導(dǎo)體，用符號P表示；如果在硅晶體中摻入能夠施放電子的磷、砷、銻等雜質(zhì)元素，那么它就變成了“電子型的”半導(dǎo)體，用符號N表示。若是把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，則會由于電子和空穴的相互擴(kuò)散而在交界面處形成PN結(jié)，同時在結(jié)的兩邊形成“內(nèi)建電場”。由于這里的電阻值特別高，所以也稱之為“阻擋層”。

當(dāng)陽光照射PN結(jié)時，半導(dǎo)體的原子由于獲得了光能而釋放出電子，從而出現(xiàn)了電子-空穴時對，并在內(nèi)建電場的作用下而將電子驅(qū)向N型區(qū)，同時將空穴驅(qū)向P型區(qū)。這樣，在N型區(qū)便有過剩的電子，而在P型區(qū)則有過剩的空穴。在這種情況下，就在PN結(jié)的附近形成了與原來的內(nèi)建電場方向相反的“光生電場”。這個光生電場除了抵消原來內(nèi)建電場的作用以外，還使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電。于是，在N型區(qū)和P型區(qū)之間就產(chǎn)生了電動勢，從而出現(xiàn)了“光生伏打效應(yīng)”。此時若是將外電路接通，便會有電能輸出。

隨著太陽能的不斷開發(fā)利用，新疆首個百萬千瓦級光伏發(fā)電園區(qū)雛形漸顯，天山腳下的戈壁上一排排整齊碧藍(lán)色的太陽能發(fā)電板顯得格外耀眼，讓往日戈壁不再荒涼。攝影/cfp

單個太陽能電池不能直接作為電源來使用。在實際應(yīng)用中，是將幾片或幾十片單個的太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)起來，組成太陽能方陣，這樣便能獲得相當(dāng)大的電能。

目前實際使用的太陽能電池，大多是在N型硅單晶體的小片上用擴(kuò)散法滲進(jìn)一層硼，以得到PN結(jié)，然后再加上電極便成了太陽能電池。這種硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為18%。大批量生產(chǎn)時的太陽能電池，其效率只有10%左右。雖然太陽能電池的效率較低，其成本也較高，但這種電池的可靠性好，使用壽命長，沒有轉(zhuǎn)動部件，使用維護(hù)方便，所以得到了廣泛應(yīng)用。

太陽能電池起初主要應(yīng)用于空間技術(shù)領(lǐng)域，后來才擴(kuò)展到其它領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，世界上90%以上的人造衛(wèi)星和宇宙飛行器都是采用太陽能電池供電的。美國近些年來研制的新型太陽能電池，在地面上的光電轉(zhuǎn)換率為35.6%，在宇宙空間為30.8%。澳大利亞利用激光技術(shù)研制的太陽能電池，在不聚焦的條件下其光電轉(zhuǎn)換率可達(dá)24.2%，成本只相當(dāng)于柴油發(fā)電的水平。

單晶硅太陽能電池是目前所用太陽能電池的典型代表，它的光電轉(zhuǎn)換效率較高，工作性能穩(wěn)定可靠，可進(jìn)行批量生產(chǎn)，應(yīng)用較為普遍。

在太陽能電池方陣中，通常還裝有蓄電池，這是為了保證在夜晚及陰雨天能夠連續(xù)供電的一種儲能裝置。當(dāng)太陽光照射的時候，太陽能電池所產(chǎn)生的電能除了滿足當(dāng)時的需要之外，還把多余的電能儲存于蓄電池內(nèi)。

太陽能電池為人造衛(wèi)星和宇宙飛行器提供了方便而可靠的能源。1954年美國人皮爾遜等在貝爾實驗室制成了世界上第一個硅太陽能電池以后，1958年美國就發(fā)射了第一顆用太陽能供電的“先鋒”1號衛(wèi)星?，F(xiàn)在，在各式各樣的人造衛(wèi)星和宇宙飛行器上都安設(shè)了布滿太陽能電池的鐵翅膀，使它們得以在浩瀚無際的宇宙空間遠(yuǎn)航高飛。

人造衛(wèi)星和宇宙飛行器上的電子儀器設(shè)備很多，對電源的要求比較苛刻：要求電源的重量輕；使用壽命長；能連續(xù)不斷地進(jìn)行工作；并能承受各種沖擊、碰撞和振動的影響。太陽能電池完全能夠滿足這些要求，是人造衛(wèi)星和宇宙飛行器的理想能源。

根據(jù)人造衛(wèi)星對電源的特殊要求，通常將太陽能電池整齊地排列在電池板上，組成太陽能電池方陣。當(dāng)人造衛(wèi)星向著太陽運行時，電池方陣受太陽光照射而產(chǎn)生電能，給衛(wèi)星供電，并且同時給衛(wèi)星上的蓄電池充電；當(dāng)人造衛(wèi)星背著太陽運行時，蓄電池放電，以確保衛(wèi)星上的儀器設(shè)備能夠連續(xù)地進(jìn)行工作。

我國早在1958年就著手于太陽能電池的研制工作，并于1971年將我國自制的太陽能電池用在我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星上。這顆人造衛(wèi)星在太空中正常運行了8年多。

太陽能電池還代替燃油而應(yīng)用于飛機(jī)上。世界上第一架完全利用太陽能電池作動力的“太陽挑戰(zhàn)者”號飛機(jī)，已經(jīng)在國外試飛成功，其飛行時間長達(dá)4.5小時，飛行高度達(dá)4000米，飛行速度為60千米／小時。在這架飛機(jī)的尾翼和水平翼表面上，裝有1.6萬多個太陽能電池，其最大能量輸出為2.67千瓦。它是將太陽能變成電能，用電能來驅(qū)動單葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)，使飛機(jī)在空中飛行。

以太陽能電池為動力的小型汽車，已經(jīng)在墨西哥試制成功。這種汽車的外形像一輛三輪摩托車，其車頂上架設(shè)了一個裝有太陽能電池的大蓬。在陽光照射下，汽車以太陽能電池作為動力，以40千米／小時的速度向前行駛。不過，這輛汽車每天所獲得的電能只能供它行駛40分鐘，所以它還不能投入正常運行。這是有待于進(jìn)一步改進(jìn)之處。

1984年9月，我國也成功地試制成“太陽”號太陽能汽車。這標(biāo)志著我國太陽能電池的研制工作已達(dá)到國際先進(jìn)水平。此外我國還把太陽能電池用于給小型電臺的通信機(jī)充電。當(dāng)在野外使用小型電臺而無交流電源可供利用時，便可啟用這種太陽能電池小型電臺充電器。這種充電器使用起來極為方便，深受用戶歡迎。

太陽能電池也可以應(yīng)用于電話。有的國家在公路旁邊的每一根電線桿的頂端安裝一塊太陽能電池板，將陽光變成電能，然后給蓄電池充電，供電話機(jī)連續(xù)使用。蓄電池每充一次電可連續(xù)使用36個小時。由于太陽能電話安裝起來較為簡便，成本低廉，能實現(xiàn)無人管理，還能避免雷擊，所以有不少國家，都在山區(qū)、邊遠(yuǎn)地帶、沙漠地帶以及其它能源缺乏的地區(qū)，大力發(fā)展以太陽能電池為電源的電話。

芬蘭制成了一種用太陽能電池供電的彩色電視機(jī)，它是通過安裝在房屋頂上的太陽能電池板來提供電能的。同樣也可以將一部分電能儲存于蓄電池內(nèi)，供夜晚及陰雨天使用。

太陽能電池也可作為電視差轉(zhuǎn)機(jī)的電源。電視差轉(zhuǎn)機(jī)是既能接收來自主臺的電視信號，又能將這種信號經(jīng)過變頻、放大之后再發(fā)射出去的一種電視轉(zhuǎn)播裝置。

我國地域遼闊，一些遠(yuǎn)離電視發(fā)射臺的邊遠(yuǎn)城鎮(zhèn)、山區(qū)和海島等，往往收不到電視節(jié)目，需要設(shè)置電視差轉(zhuǎn)輸電線路來進(jìn)行供電，則勢必投資很大，因而采用太陽能電池來供電是最合適的。電視差轉(zhuǎn)機(jī)使用太陽能電池作電源，可以做到建臺快而投資省，并且使用維護(hù)方便，可以實行無人看守管理。目前我國已經(jīng)建成了一些用太陽能電池作電源的電視差轉(zhuǎn)臺，很受用戶歡迎。

太陽能的應(yīng)用越來越廣泛。今天，只要是太陽光能夠照射到的地方，就可以利用太陽能。尤其是那些能源短缺的孤島、山區(qū)和沙漠地帶，更是可以利用太陽能電池來進(jìn)行照明、抽水以及海水淡化等，此外對于燈塔照明、航標(biāo)燈、鐵路信號燈、畜牧用的電圍欄、殺滅害蟲的黑光燈、機(jī)場跑道識別燈、太陽能手術(shù)燈、氣象站電源、河流監(jiān)測和森林火災(zāi)預(yù)報等等，太陽能電池都大有用武之地。

五 池塘也可用來發(fā)電

新疆伊犁哈薩克族牧民在轉(zhuǎn)場途中使用的太陽能電池板。這種太陽能電池板主要解決牧民聽收音機(jī)的電源問題。 攝影/杜殿文/FOTOE

誰能相信，小小的池塘居然也可以用來發(fā)電!從原理上說，只要池塘中有水，那么它在陽光的照射下，就可以用來進(jìn)行發(fā)電。人們把這種發(fā)電方式叫做“太陽池發(fā)電”。所謂太陽池，就是利用太陽光來使水池中的水變熱，以便將太陽能收集并貯存起來。這種太陽能集熱方法，與太陽能熱水器的原理頗為相似。不過，用太陽能熱水器來貯存大量的熱能，需要另設(shè)蓄熱槽，而太陽池則不同，它本身就可以充當(dāng)貯存熱能的蓄熱槽。

一般的水池，當(dāng)陽光照射時，池水就會變熱，并引起水的對流，即熱水上升而冷水下沉。在溫度較高的水不斷地從池塘底部升到池面的過程中，便通過蒸發(fā)和反射而將熱能釋放到空氣中，這樣就使得池中的水溫大體上保持不變。但無論天氣多么熱，也無論經(jīng)過的時間多么長，水溫總是比周圍的氣溫要低。為了提高池中的水溫，人們想過許多辦法，其中，利用鹽水蓄熱的辦法是最行之有效的。這種利用鹽水蓄熱來提高水溫的辦法，最初是受到一種自然現(xiàn)象的啟示而產(chǎn)生的。那是在1902年，科學(xué)家們在考察羅馬尼亞的一個淺水湖的時候無意中發(fā)現(xiàn)，越是靠近湖底其水溫就越高。即便是在夏末秋初的時候，湖底的水溫有時也高達(dá)70℃。后來在其它一些湖泊中人們也看到了類似的現(xiàn)象。人們在驚異之余，很自然地提出了這樣的問題：為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?

經(jīng)過一段時間的分析研究之后，人們終于揭開了這個奧秘。原來，湖底水溫之所以升高，正是由于湖水中含有鹽分，而且是越近湖底處的水所含鹽分的濃度就越大。如果湖水不含鹽分，那么湖底處的熱水本應(yīng)該往上升(因為熱水的比重比冷水的小)而形成上下對流。但是，正由于湖水中含有鹽分，而當(dāng)其所含鹽分的濃度較大時，水的比重也較大，因而湖底含鹽濃度較大的熱水自然就難以上升，這樣一來就打亂了湖水的“熱升冷降”的循環(huán)過程。當(dāng)湖水無法形成對流時，熱量便在湖底處蓄積起來，并且越積越多，而湖面比重較小的一層水，就如同“鍋蓋”那樣，將湖底的熱能嚴(yán)嚴(yán)實實地封住。于是乎，湖底的水溫就會越來越高，可用來進(jìn)行發(fā)電。

在上個世紀(jì)50年代，以色列的科學(xué)家們就曾提出過建造太陽池電站的設(shè)想。70年代初，在以色列的特爾阿比卜市郊建造了第一座太陽池電站的實驗設(shè)備。這座電站的水池面積為1250平方米，其最大發(fā)電能力為6千瓦。在70年代末，以色列又在死海西南岸附近開辟了一個面積達(dá)7000平方米的水池，并進(jìn)行了發(fā)電試驗，其最高輸出功率可達(dá)150千瓦，而池底的水溫最高可達(dá)80℃。

以色列后來又在死海北岸附近的沙漠中建造了一座大型太陽池電站。這座電站擁有兩個太陽池：其中一個是由人工挖成的，池水面積約200平方米；另一個是利用天然洼地建造的，其池水面積達(dá)21.5萬平方米。兩個太陽池的水深均為4米。為防止池水滲入池底沙層中，在池底鋪設(shè)了一層聚乙烯薄膜。太陽池中的水可分為三層：最底層是蓄熱層，里面注入的是含鹽濃度為27.5%的死海海水(一般海水的平均含鹽濃度只有3.5%)。這種高濃度的鹽水吸收陽光熱能后蓄存起來，其水溫有時可達(dá)90℃以上。中間層是被稱做“心臟部位”的鹽水層，它是由多種不同濃度的鹽水一層層地依次重疊在一起而構(gòu)成的，越是往上其鹽分濃度就越低，比重也越小。這一層鹽水的主要作用在于防止上下對流，同時吸收來自蓄熱層的紅外線。最上面一層池水為覆蓋層，它由淡水(從地下抽上來的)組成，其作用是防止在刮風(fēng)、下雨或起浪的情況下鹽水層(中間層)遭到破壞；它同時又像一個巨大的“罩子”，用以阻止熱量的散失。對于這種大面積的太陽池，為了確保其水面不起浪，以色列人還在水面上設(shè)置了一層用塑料制成的“防浪網(wǎng)”。

美國一所大學(xué)做過類似的實驗：他們向一個小而淺的池塘里加進(jìn)一些鹽，在陽光的照射下，池塘里的水上下翻動，到后來水面不斷地冒小泡，用溫度計一量，水溫高達(dá)90℃，快要達(dá)到沸騰了!可以將這種熱水抽出來供取暖和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用，也可以用它來進(jìn)行發(fā)電。

如何將鹽水池的熱能轉(zhuǎn)換成電能?這正是太陽池電站所要完成的任務(wù)。

發(fā)電所用的熱能來自鹽水池的蓄熱層(下層)的熱水。當(dāng)這種熱水的溫度達(dá)到一定的數(shù)值后，用水泵將它抽出池外，然后送進(jìn)蒸發(fā)器的螺旋管里，利用熱水的熱能將環(huán)繞蒸發(fā)器的低沸點有機(jī)液體(如沸點只有40℃左右的氟利昂)加熱，使其氣化，再利用這種氣體驅(qū)動氣輪機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。

從氣輪機(jī)出來的氟利昂氣體，通過冷凝器之后就變成了液體，然后再被送回蒸發(fā)器。至于通過蒸發(fā)器而被降溫以后的熱水，則通過專門的管道被送回蓄熱層的底部。以色列建造的死海太陽池電站，運轉(zhuǎn)情況良好，并創(chuàng)造了發(fā)電能力高達(dá)2500千瓦的好成績，這也為它實施宏偉的“地中海-死海發(fā)電計劃”創(chuàng)造了有利條件。死海的水位比地中海的水面低400米左右，如果從地中海挖一條通向死海的水渠，那么地中海的海水就會流入死海。而地中海海水的鹽分濃度約為3.5%，這比死海海水的鹽分濃度低得多。這樣，在通過適當(dāng)調(diào)節(jié)之后，便可形成太陽池發(fā)電所需要的不同濃度的鹽水層。這樣一來，就把整個死海都變成了用來發(fā)電的“大太陽池”，估計其發(fā)電能力可高達(dá)150萬千瓦。以色列計劃在本世紀(jì)末或下一世紀(jì)之初，使太陽發(fā)電能力達(dá)到200萬千瓦的水平。

太陽池發(fā)電為進(jìn)一步開發(fā)利用太陽能開辟了新的途徑。同太陽能熱發(fā)電、太陽光發(fā)電等發(fā)電方式比較起來，太陽池發(fā)電的突出優(yōu)點是：①建造發(fā)電站的成本較低，幾乎不需要使用價格昂貴的不銹鋼、玻璃和塑料一類的材料，只要有一處淺水池和發(fā)電的設(shè)備就行了。②它能夠?qū)⒋罅康臒崃抠A存起來，可以常年不斷地利用陽光進(jìn)行發(fā)電，即便是在夜晚和陰雨天也能照常進(jìn)行。③發(fā)電成本低。

專家們認(rèn)為，太陽池發(fā)電是所有太陽能應(yīng)用技術(shù)中最為廉價和最便于推廣的一種新技術(shù)。

在美國，一個由政府資助的科學(xué)家組織對全國進(jìn)行了調(diào)查，以確定太陽池發(fā)電計劃和建造這種發(fā)電站的地址。美國已開辟了10個太陽池，供研究試驗之用，以大發(fā)明家愛迪生的姓氏命名的一家美國電力公司，在加利福尼亞的薩爾頓湖建造了一座發(fā)電能力為5000千瓦的太陽池電站。美國還計劃把洛杉磯西部的一個湖泊變成太陽池，建造一座太陽池電站，預(yù)計其發(fā)電能力可達(dá)60萬千瓦，能滿足35萬人生活用電的需要。

還可以利用太陽池來供應(yīng)熱水和取暖。美國在俄亥俄州的邁阿密斯堡，開辟了一個面積為2000平方米的太陽池，專門為一幢大樓和一家游泳場供應(yīng)熱水。

澳大利亞開辟了一個面積為3000平方米的太陽池。利用它來進(jìn)行發(fā)電，以便為偏僻地區(qū)供電，并用于進(jìn)行海水淡化和溫室供暖等。

日本農(nóng)林水產(chǎn)省土木試驗場開辟了四個8米見方而深度為2.5～3米的太陽池，用以為溫室栽培和水產(chǎn)養(yǎng)殖提供熱能。東京工業(yè)大學(xué)和名古屋工業(yè)試驗所等單位都在加緊對太陽池發(fā)電的研究試驗，太陽池的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。

在太陽池的推廣應(yīng)用中，科學(xué)家們也對它可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究。就當(dāng)前的實際應(yīng)用情況來看，太陽池在發(fā)電和供熱方面都還存在某些不足之處。例如，僅為一個3500人口的居民區(qū)供應(yīng)5000千瓦的電力，所需要的水池面積就達(dá)0.65平方千米，而且還要求池水中的含鹽濃度達(dá)13.5%以上。這個含鹽濃度幾乎接近海水平均含鹽量的4倍。