蘇更林

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種非機(jī)械裝置。在人們看來，光伏電池應(yīng)該是不怕曬的“主兒”，似火驕陽(yáng)之下，應(yīng)該是光伏電池大有作為的時(shí)候。果真是這樣嗎？

光伏效應(yīng)與光電效應(yīng)

人類對(duì)于太陽(yáng)能的利用由來已久。太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換和利用可以分為光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種主要方式。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的利用方式。

1839年，法國(guó)科學(xué)家埃德蒙·貝克雷爾發(fā)現(xiàn)光照能在半導(dǎo)體材料的不同部位產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為光生伏打效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。

1905年，愛因斯坦用光量子假說成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)是一種當(dāng)光照射在導(dǎo)電材料上時(shí)，電子從導(dǎo)電材料中射出的現(xiàn)象。與光電效應(yīng)發(fā)生在單個(gè)導(dǎo)電板上有所不同，光伏效應(yīng)發(fā)生在兩個(gè)半導(dǎo)體板的邊界上，并且沿著邊界累積而形成一個(gè)電場(chǎng)。當(dāng)用導(dǎo)線把兩塊板連接起來時(shí)就會(huì)有電流流過。

最初的太陽(yáng)能電池就是根據(jù)光伏效應(yīng)設(shè)計(jì)制造的，當(dāng)電池的表面受到光照時(shí)，在外電路上就會(huì)有電流通過。

光伏發(fā)電，發(fā)熱不可避免

光伏電池是如何把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的呢？太陽(yáng)光是一種波長(zhǎng)范圍很廣的電磁輻射，當(dāng)照射在光伏電池上的時(shí)候，輻射可能會(huì)被反射、吸收或直接穿越。只有被吸收的那部分輻射才能轉(zhuǎn)化為電能。

對(duì)于硅半導(dǎo)體來說，在室溫下要從其原子上把電子“撞”下來大約需要1.11電子伏特。這就意味著只有被吸收的能量高于該能量的光子才能激發(fā)電子并產(chǎn)生電流。如果某個(gè)光子的能量為1.7電子伏特，而從硅原子上“撞”下一個(gè)電子所需的能量為1.11電子伏特，那么剩余的那部分能量（0.59電子伏特）就會(huì)以熱量的形式損失掉。當(dāng)然，還有其他的產(chǎn)熱因素會(huì)影響發(fā)電效率。其后果就是，這些因素協(xié)同作用，加熱了太陽(yáng)能電池組件，使其溫度高于環(huán)境溫度。

驕陽(yáng)似火，一把“雙刃劍”

人們?cè)詾樵隍滉?yáng)似火的盛夏，硅基光伏電池會(huì)異?！芭d奮”，產(chǎn)生出更多的電能，誰(shuí)知硅基光伏電池也喜歡涼爽的環(huán)境。當(dāng)然光子還是很需要的，畢竟是發(fā)電的“原材料”！

那么，太陽(yáng)能電池板的溫度對(duì)電輸出性能有著怎樣的影響呢？實(shí)際上，太陽(yáng)能電池板溫度高，同樣的光照條件下產(chǎn)生的能量會(huì)減少。

隨著溫度的升高，盡管短路電流（光伏電池正負(fù)極短路時(shí)的電流）基本不變或略有增加，但是開路電壓（光伏電池正負(fù)極開路時(shí)的電壓）會(huì)降低不少，幾乎呈線性關(guān)系。這樣的后果就是光伏電池轉(zhuǎn)換效率降低，輸出功率下降。

光伏電池的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度為25℃，如果太陽(yáng)板的溫度達(dá)到60℃以上，輸出功率的降低是不容忽視的。一般來說，硅基光伏電池組件每升高1℃，短路電流會(huì)增加0.04%，開路電壓會(huì)降低0.4%。

不過，盡管在同樣的光照條件下，溫度的升高會(huì)讓轉(zhuǎn)換效率有所降低，但在火熱的夏季，得益于陽(yáng)光充足而收獲的電量還是會(huì)比其他季節(jié)多。

如何為光伏電池降溫

光伏電池同其他電子設(shè)備一樣，在較低的溫度下具有更高的工作效率。由于光伏發(fā)電利用的是光而不是熱，所以光伏電池更適宜陽(yáng)光充足而又涼爽的工作環(huán)境。

酷暑盛夏，我們?cè)撊绾螢楣夥姵亟禍啬?？加一個(gè)遮陽(yáng)傘如何？不可！道理很簡(jiǎn)單，沒有了光的照射，光伏發(fā)電就成空。要不來點(diǎn)“防曬霜”？也不成！采用物理性防曬，無異于減少了對(duì)光的吸收;而采用化學(xué)性防曬，也無助于溫度的降低。

對(duì)于屋頂太陽(yáng)能面板來說，采用自然通風(fēng)冷卻是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。如安裝時(shí)在屋頂表面和面板之間留有一定的間隙，從而允許氣流對(duì)面板進(jìn)行冷卻。但要避免樹葉等雜物進(jìn)入間隙之中，以防因氣流不暢而導(dǎo)致溫度過高。

有人研究了不同冷卻方法對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電效率的影響。除了自然循環(huán)冷卻之外，強(qiáng)制循環(huán)冷卻以及太陽(yáng)能光伏光熱冷卻等也被納入實(shí)驗(yàn)研究之列，對(duì)于降低光伏電池溫度，提高發(fā)電效率無疑具有重要的指導(dǎo)意義。

光伏電池作為清潔能源的使者，已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活，并為我們帶來了一股低碳環(huán)保的清風(fēng)。

（選自《百科知識(shí)》2020年第13期）

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練習(xí)

1.本文說明的主要內(nèi)容是什么？

2.用簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言說明光伏電池是如何把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的。

3.文章中畫線的句子使用了什么說明方法？有什么作用？

4.如何給光伏電池降溫呢？

5.給光伏電池降溫還有哪些領(lǐng)域值得去研究？

（李傳鵬 設(shè)計(jì)）

（參考答案見75頁(yè)）