从太阳获取能量

电是相当古老的——是有史以来最古老的东西之一。人们认为宇宙大约有137亿年的历史，电——电荷的流动——几乎在宇宙的所有时期都存在。但直到最近两个世纪，人类才学会了如何让电荷在电路中流动，并为我们做事;也就是发电。五十年后，我们的孩子会怀疑地看着我们，问:“你烧东西来发电?”我们会回答——是的，但前提是我们意识到可再生能源的廉价和高效…

首先，在考虑电的时候，我们需要谈一谈电荷。我们知道电荷的三个基本原理:

1.有两种类型。

2.不同的电荷相互吸引。

3.同性电荷相互排斥。

没有人真正知道为什么电荷是这样的;它似乎只是我们宇宙的一个事实。

今天，我们知道了八种使电荷流动的方法。其中一些方法在日常生活中很常见，而另一些方法则不太常见，也不太容易理解。但它们都有一个共同点——它们都是一种将电荷从一个地方移动到另一个地方的方式——发电。

1.静电(当材料相互摩擦时电荷移动)

正是这种电造成了闪电，也是气球粘在头发上的原因。

2.化学电(发生化学反应时电荷移动)

这种类型的电力为我们所有的电池供电——从手电筒里的小碱性电池到汽车里的大铅酸电池。大自然发明了利用电化学的有趣方法:电鳗被认为是在大约5亿年前进化而来的，通过它身体侧面特殊细胞的化学反应，电鳗可以积累足够的电压，向猎物发出巨大的电击，使猎物昏迷足够长的时间，从而杀死它。

3.压电(当某些晶体受到挤压时，电荷会移动)

这种电是当你在燃气打火机上按压扳机时产生的。当压电晶体被压缩时，电荷向两端移动。如果你继续挤压，电压可以大到足以电离空气并产生迷你闪电——例如，当你点燃煤气炉时看到的火花。

4.热电(某些晶体受热时电荷移动)

虽然不太为人所知，但当类似压电晶体的晶体被加热时，就会发生热释电，迫使不同的电荷流向晶体的两端。它们的用途并不广泛，但它们可以用作热传感器，也可能用于核聚变发电机。

5.热电效应(通过加热连接在一起的两种不同金属来移动电荷)。

这种类型的电依赖于金属的固有特性及其密度。热电发电机为卡西尼-惠更斯号宇宙飞船提供动力，该飞船仍在环绕土星运行。卡西尼-惠更斯号发电机的热量是由钚的放射性衰变提供的。

6.Nuclearvoltaics(原子放射性衰变时从原子上飞出的电荷)

真正的大原子(如铀、钚或铯——如图)是不稳定的。这意味着一段时间后，它们分裂成更小的部分其中一些部分带电荷。由于与放射性原子一起工作的危险，目前还没有人找到利用核能发电的方法。

7.电磁(电荷因磁铁移动而移动)

世界上大约95%的电力是由电磁产生的。

我们宇宙的基本原理之一是，当磁铁移动时，电场就会流动。

自19世纪以来，我们一直在使用煤、柴油、天然气、水和核衰变产生的热量、潮汐和吹来的风来转动电线内的磁铁来发电。

这是一种奇妙的发电方式，几乎肯定会伴随我们很长一段时间。

8.光电(通过吸收光而移动的电荷)。

1839年，法国科学家亚历山大-爱德蒙·贝克勒尔发现了光电效应。

贝克勒尔使用了覆盖有氯化银的铂片，发现当光线照射在铂片上时，铂片会产生电能。

那时候，效率还不到1%，但从那以后我们已经取得了长足的进步。

光之所以能产生电，有三个原因:

1.光有能量;

2.物质有电荷;

3.当某些材料吸收光时，这些电荷就会被激发并四处移动。

太阳能电池是一种利用这些特性来发电的装置。

太阳能电池

太阳能电池有点像台球桌，白球代表一个光子，其他球是电荷载体。

当光(白球)照射到太阳能电池(台球桌)上时，它使电荷载体(彩色球)移动。如果光线有足够的能量，它就会激发这些球，使它们移动到太阳能电池的边缘(我们需要一个特殊的台球桌——一个在外面有口袋的台球桌)，在那里它们可以被收集起来发电。就是这样。

最容易理解的太阳能电池是由两种材料组成的。一种材料有很多自由的负电荷载体(电子)。这被称为n型材料。

第二种是具有大量自由正电荷载流子(称为空穴-没有电子)的材料，称为p型材料。当这两种类型彼此靠近时，在它们之间的连接处就会形成电场。

重要的是，当光照射在这个结构上时，正电荷和负电荷都形成了。由于p型和n型材料之间的电场，这些电荷被推到电池的相反边缘。

所以，如果你把太阳能电池的两端连接到外部电线上，完成电路，那么电流就可以流动了……

这是一个了不起的设备，一个真正了不起的发明——对于想要了解更多的感兴趣的读者来说，PVCDROM网站是一个很好的资源:http://www.pveducation.org/pvcdrom。对于想要了解更多关于太阳能电池材料的基础物理的读者来说，Kittel的“固态物理导论”和Sze的“半导体器件”是很好的介绍。

太阳能电池效率

太阳能电池最重要的衡量标准可能是效率。

在这种情况下，效率通常指的是电池输出的电量，与照射在电池上的阳光量相比。

更精确地说，效率被定义为每秒从电池输出的电能(功率)与每秒照射到电池的光能(入射能量)之比。

η= (V x I)/(入射能量)

符号η表示效率，V为电压，I为电流。电压和电流的乘积(v1)就是输出功率。对于上面讨论的结构——一个p-n结，任何人通过将其置于阳光直射下所能获得的最大效率是31%。

因此，在阳光明媚的日子里，从一平方米的单p-n结太阳能电池中获得的能量的理论极限约为300瓦——足以为微波炉供电。效率的限制是由于太阳的颜色和它离地球的距离。

下面的图表显示了到达地球的阳光能量。它显示了落在每平方米地球上的强度(W) (m)²)，每波长光(纳米)¹）.

现在的问题是，在这个图的某个地方必须画一条垂直线。这条线代表我们的太阳能电池材料的带隙-台球桌的宽度。带隙是电荷在被适当激发之前需要吸收的能量。它被称为“太阳光谱”。

对于能量高于带隙的光(线左边的光)，我们的电荷将被激发，我们的太阳能电池将输出电流。这是一件好事——我们的电池需要电流，这样就有足够的电量来给灯泡、烤面包机和吹风机供电。

能量小于带隙(线右边)的光要么不被细胞吸收——直接穿过，要么以无用的方式被吸收——产生热量。因此，为了增加电池的电流，我们需要将带隙线向右移动——这样在带隙线的左边就有更多的光可以吸收。

但是,功率输出为:功率(W) =电压(V) x电流(I)

这很重要，因为这意味着即使电流非常非常高，如果电池的输出电压很低，那么输出功率也会很低。现在电池的电压与电池的带隙直接相关，随着带隙能量的增加而增加——在上图的左边。

所以我们有一个权衡:

由于效率η由:η=(电压x电流)/(入射能量)给出，我们的线在光谱上有一个最大的“最佳位置”。

对于地球上的阳光，“最佳位置”线大约在1200nm处，对应的最高效率约为31%。

第三代光伏

现在，我们想做得比31%更好，有几种方法可以做到。

第一种也是最简单的方法是将光集中到太阳能电池上。所以，如果我们拿一个大放大镜，或者一面大镜子，把它对准我们的电池，它看起来就好像太阳变得更亮了，或者更近了一点。这是因为我们从一个大的区域收集光，并将其集中在一个较小的区域。这样，我们可以得到大约40%的最高效率。

但我们可以做得更好，有很多很多的想法，从上转换器和下转换器，到多激子产生和量子点，到热光电，到选择性接触和热载体电池。

在本文的最后部分，我们将只讨论其中的两个理念:多结电池-目前保持世界效率纪录的电池，以及等离子——下一代纳米结构光伏的开端。

多结电池

2009年，多结电池突破了40%的效率门槛，2020年之前，效率很可能达到50%。目前，火星探测器和大多数绕地球运行的卫星都使用多结电池来发电。

它们如何超过31%是通过在太阳光谱上有不止一条带隙线。它们通过一堆电池来实现这一点，每个电池的带隙略低于上面的电池。通过这种方式，最高能量的光(紫色)被第一个电池吸收，而第一个电池对所有低能量的光(蓝色、绿色、黄色和红色)是透明的。然后第二个细胞吸收紫色(蓝色)之后能量最高的光，同时对能量较低的光(绿色、黄色和红色)透明，以此类推。

这种电池的理论最大效率约为86%。这是卡诺极限用于地球上的太阳能转换在地球上没有办法超越这个极限——这是一个基本的极限。但我们可以继续接近。

纳米光电

这将是太阳能电池设计的下一次革命。仍然没有办法超越基本的效率极限，但会有一些令人兴奋的新方法来接近它们。

一种想法是等离子。“等离子体”是指电荷和光能够共振的一种特殊方式。当合适波长的光照射到某些金属上时，金属内部的电子就像弹簧一样前后移动。这种前后移动依次形成了一个移动的电场——这种耦合被称为等离子体激元。通过在纳米尺度上构造金属，这些共振可以被调谐。应用于太阳能电池的两个想法是纳米粒子等离子体和纳米空洞等离子体。

这个想法是利用电场热点来增加太阳能电池中你想要的区域的吸收。通过这种方式，光和电荷可以被引导到太阳能电池的最佳位置，从而在一个结构中增加电流、电压和效率。

世界各地都在进行等离子体光伏的研究，包括在剑桥大学物理系的纳米光子学中心，我正在那里用等离子体纳米空隙制造太阳能电池，并观察它们发光。

半导体的工作原理

现在，对于想要了解更多关于pn结工作原理的基本物理的读者，我们需要对半导体物理做一个简短的介绍。

最常见的太阳能电池材料是硅，它可以作为讨论半导体的一个很好的例子。硅有四个价电子，当它处于晶体中时，它喜欢和其他硅共享价电子。

图中的小电子和空穴显示了一个电子被激发，在晶体希望它在的间隙中留下一个“空穴”。在这种情况下，激发电子所需的能量是由晶体的热量提供的——即使在室温下也会发生这种情况。

有趣的是，如果一个邻近的电子突然进入这个空穴——它会在它刚出来的地方留下一个空穴——物理学家认为这是空穴本身在移动。

前面的图表显示了纯“本征”硅。当你在结构中引入另一个原子时，比如在价带中多了一个电子的磷，自由电子的数量就会发生变化。

在第二张图中，附着在磷原子上的额外电子已经脱离(同样是由于室温下提供的热能)，现在能够在晶格中四处游荡。上面的材料现在被称为n型硅。

如果我们在结构中引入硼而不是磷，自由空穴的数量就会增加。这是因为硼的价电子带少了一个电子。

在第三张图中，现在有一个自由的洞，它可以四处游荡。上述材料被称为p型硅。

当p型和n型这两种材料相互接触时，就形成了p-n结构。