太阳能电池是怎么工作的

法国科学家亚历山大·埃德蒙·贝可勒尔发现了光生伏特效应

太阳中心通过氢转变为氦的核聚变反应释放大量能量，功率约为3.90×1023千瓦，这些能量以电磁波的形式射向四面八方，约8.5×1013千瓦到达地球表面，相当于全世界发电量的几十万倍。太阳能是一种资源丰富，可免费使用，又无需运输的能源。正是这些优势让太阳能在人类社会的很多方面发挥着不可替代的作用。太阳能电池，也叫作“光电池”，或者“太阳能芯片”。它只要被阳光照射到，就可以输出电流，是一种环保的发电方式。太阳能电池作为太阳能的一种重要应用，已经广泛地进入了人们的日常生活当中。那么，为什么太阳能电池能把光转化成电呢？

太阳能电池能把光转化为电，其基本原理是光生伏特效应。光生伏特效应最早于1839年由法国物理学家亚历山大·埃德蒙·贝可勒尔发现，是指在光照射下的半导体或半导体与金属组合的部位之间产生电势差的现象。当半导体（如硅）吸收了太阳光子，其中的电子会被激发到一个较高能量的激发态之中。它与所属原子的绑定就变得“松了”，从而可以在材料中运动。由于太阳能电池的特殊构造（比如半导体pn结）具有定向的内部电场，电子就只能在某个特定的方向上运动，形成电流供电。根据构成电池的导体或半导体材料的光电性质不同，发电本领也有差异，比如在室温下，只有波长小于1100纳米的光才能使晶体硅发电。

太阳能电池原理图

1883年第一块太阳能电池诞生，器件是用硒半导体覆盖一层金形成的半导体金属结，它的发电效率仅有1%。第一块具有实际应用价值的太阳能电池1954年诞生于贝尔实验室，20世纪60年代美国的卫星已经开始利用太阳能电池作为能量来源。1973年能源危机之后，各国开始认识到太阳能开发的重要性。

一般认为，太阳能电池的材料发生了四次重大变化。第一代太阳能电池以单晶硅、多晶硅、非晶硅为原料，发展最长久技术也最成熟。目前市场上大量生产的单晶硅与多晶硅的太阳能电池平均效率约为15%。质量较好的单晶硅片转换效率可以达到25%。第二代薄膜太阳能电池可分为碲化镉、砷化镓、铜铟硒化物、铜铟镓硒化物等。第三代太阳能电池是利用有机物和纳米科技，如光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池等。第四代太阳能电池则是针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。

太阳能电池板

目前，太阳能电池广泛应用于军事、航天、工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，但其成本偏高，因此大规模使用受到一定限制。随着太阳能电池制造技术的改进、各种光电转化装置的发明，以及各国对环境保护和清洁再生能源的巨大需求，太阳能的使用规模一定会越来越大，前景非常广阔。（封东来　崔傅成）

【微博士】太空发电厂

美国和日本两国正在进行“卫星太阳能发电厂”计划。这个计划具体来说就是在太空中找到一个能够不断接受太阳光的地方，例如在赤道附近上空，发射具有太阳能电池或热能发电系统的人造卫星，利用人造卫星在太空中吸收太阳能来发电。由于免除了昼夜、温差及气候等因素影响，人造卫星可以连续不停且稳定地接收太阳能，再把它转换为电能，然后以微波的方式传回地球，经过地球微波接收站接收后，再转换成电能，输送到各个地方。

【微问题】太阳能汽车怎么才能充分利用太阳光充电呢？

【关键词】荧光　光电效应　太阳能电池　燃料电池