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太陽能電池時代來臨①

南極冰山證實了CO2劇增

圖1所示的是南極冰床中儲存的CO2(二氧化碳)濃度與時間之間的

關(guān) 系 曲 線 ， 根 據(jù) 測 量 可 知 ，CO 2 在 1 8 世 紀 末 的 濃 度 大 約 是 2 8 0 p p m

(1ppm=1μL/L )，到20 世紀超過了300ppm ，從1960 年開始急劇增加，進

入21 世紀已經(jīng)超過350ppm 。2010 年日本氣象廳公布的數(shù)值顯示，該濃度

已經(jīng)達到390ppm 。

圖2是相同年代地球平均氣溫變化曲線，受到各種因素影響，在過去

100 年間全球溫度上升了0.74 ℃，由上可知，氣溫的變化趨勢與CO2濃度變

化曲線非常相似。

為什么CO2濃度增加會使地球環(huán)境溫度升高呢？這是因為空氣中的

CO2吸收了從地球放射到宇宙中的紅外線，地球仿佛成了一個巨大的塑料

大棚。英語中把它稱為"green house effect "，譯為"溫室效應"。

CO2主要由煤、石油等化石燃料燃燒產(chǎn)生。在我們的日常生活中，做

飯、洗澡、使用暖氣時所需的電能，一半以上都是由火力發(fā)電供給的，因

此，人類必須采取措施，減少CO2的排放。

2009 年1月，美國總統(tǒng)奧巴馬修正了部分原有政策，提出了以建設(shè)低碳

社會為目標的"綠色新政"。2009 年9月，當時的日本首相鳩山由紀夫在聯(lián)

合國大會上保障，日本將在2025 年之前把溫室氣體排放量減少25% 。

因此我們必須尋找化石燃料以外的新能源。作為化石燃料的替代

品，人們開始使用核能發(fā)電，但是隨著2011 年由地震導致的核電站事故的

發(fā)生，核能發(fā)電的安全性重新引起世人擔憂。因此，人們今后將會更加關(guān)

注可再生能源。

● CO2會給地球帶來"溫室效應"

● CO2主要由化石燃料燃燒產(chǎn)生

第1章 太陽光和太陽能電池(入門篇)

圖 1 大氣中CO2濃度隨時間變化曲線

圖 2 測量值隨時間的變化

圖中顯示的是在過去一萬年時間里大氣中CO2

濃度的變化規(guī)律(圖中放大的小圖是1750年之

后的變化規(guī)律)。1960年以后的數(shù)據(jù)來源于南

極冰床中儲存的CO2測量值(不同顏色表示不

同的研究工作)。1960年以后的數(shù)據(jù)(紅線)

來源于空氣中CO2的測量值，由此可以看到從

1900年開始，在最近的100年間CO2含量大幅

度上升

出處：IPCC 第四次報告書(2007

10000 5000 0

截至2005年的時間

350

300

250

(ppm) 400

350

300

1800 1900 2000

CO2

濃

度

截至1900年，全球平均氣溫保

持在13.7℃±0.2℃范圍內(nèi)，在

截至2005年的100年間，全球

平均氣溫上升了0.74℃

藍點表示潮位計的數(shù)據(jù)，紅線

是經(jīng)人造衛(wèi)星測定的數(shù)據(jù)。我

們可以看出，在截至2005年的

100年間，海平面大約升高了

150mm

積雪面積在80年間一共減少了

200萬km2，相當于日本國土面

積的5倍

出處：IPCC 第四次報告書(2007

14.5

14.0

13.5

40

36

32

-4

-150

-100

-50

50

-0.5

0.0

0.5

4

(106km2) (106km2)

(mm)

(℃) (℃)

1850 1900

年份

1950 2000

(a)地球平均氣溫

(b)地球平均海平面高度

(c)北半球積雪面積

1961年與1990年的差值

氣溫

作為化石燃料的煤、石油、天然氣以及核燃料的鈾，都被稱為枯竭

性能源。與此相對應的，自然界中能夠反復使用，并且可再生速率比消耗

速率快的能源，都稱為可再生能源。

可再生能源的基本源泉是太陽和月亮。如圖1所示，太陽能的利用可

以分為直接方式和間接方式，直接方式包括太陽能熱水器、太陽能電池

等，間接方式有通過水循環(huán)進行的水力發(fā)電，風循環(huán)進行的風力發(fā)電、帆

船行使等，除此之外，還有利用受惠于太陽光生長的植物進行的生物質(zhì)能

發(fā)電和生物酒精制造等。另外，還有利用月球引力所引起的潮位變化來進

行的潮汐發(fā)電、利用地球內(nèi)部巖漿產(chǎn)生的熱進行的地熱發(fā)電等。

除水力發(fā)電之外的所有可再生能源都稱為新能源。新能源總量僅占

一次能源供給總量的3%。而且，其中50%是利用垃圾發(fā)電，直接利用太

陽能發(fā)電方面的進展不大。

本書所描繪的太陽能電池，是以電能的形式輸出太陽能，這種方式

比直接利用太陽熱能更加方便。在光能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，主要利用的

是"光電效應"半導體物理現(xiàn)象。有關(guān)詳細內(nèi)容將在(011)和第6章中進

行具體解釋，這里只做簡單說明。半導體是在IC芯片中使用的材料。經(jīng)光

照射后，材料中會產(chǎn)生正電荷和負電荷。如果將這些正、負電荷進行有序

分離的話，在外部回路中就能產(chǎn)生電能。在這個過程中需要制作一個特定

的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)就是pn結(jié)二極管。半導體有p型半導體和n型半導體兩種

類型，因此我們首先要理解的就是如何利用這兩種不同類型半導體的結(jié)合

使電荷發(fā)生分離，利用光伏效應輸出電流。

002 太陽能電池時代來臨②

可再生能源中最容易獲取的能源

● 從大自然中產(chǎn)生，并且能夠再生的能源稱為可再生能源

● 熱水器、太陽能電池、水力發(fā)電、風力發(fā)電等都是由太陽

光產(chǎn)生的能量

第1章 太陽光和太陽能電池(入門篇)

圖 1 太陽等自然界中的可再生能源

圖 2 太陽能電池的發(fā)電原理

名 詞 解 釋

一次能源 化石燃料、鈾、太陽光等自然界中可以直接獲得的能源。電、煤氣、汽油等通

過加工獲得的能源稱為二次能源

太陽能熱水器和太陽能電池都是直接利用太陽光的設(shè)備。水力發(fā)電、

風力發(fā)電、帆船等都是利用由太陽光照引起的水、空氣循環(huán)的能量。

生物質(zhì)能發(fā)電和生物酒精利用的是在太陽光照下生長的植物

雨

風

風

風力發(fā)電

太陽能電池

太陽能

熱水器

生物質(zhì)能發(fā)電

水力發(fā)電

生物酒精

上升氣流

當太陽光照射在半導體表面上時，正、負電荷發(fā)生結(jié)合，此時

不能產(chǎn)生電流(如左圖所示)。如果內(nèi)部有pn結(jié)存在的話，可

以將正、負電荷分離，此時就可以產(chǎn)生電流(如右圖所示)

正電荷 負電荷

半導體

+ -

p型半導體 n型半導體

半導體pn結(jié)

-

-

+

+

光 光 光

光 光 光

照射到地球表面的太陽光

能量――1.37kW/m2

太陽能電池是通過接收太陽光來發(fā)電的裝置，因此，在學習太陽能

電池基礎(chǔ)知識之前，我們需要先估算一下太陽光中蘊含能量的大小。這將

對學習太陽能轉(zhuǎn)換效率的計算有所幫助。

首先，讓我們來計算一下太陽光照射在1m2(平方米)地面上會產(chǎn)生

多少能量。太陽是半徑為6.96103km 的氣體天體，太陽中的氫原子通過核

聚變轉(zhuǎn)化成氦原子，在這個過程中釋放出巨大的熱能。太陽表面溫度很

高，1s( 秒)放射出來的光的能量是3.851026J(焦耳)。假設(shè)照射在地球大

氣圈外的能量密度為P ，太陽能平均分布在以太陽為中心、半徑為

1.4961011m2的球面上，則

3.851026W

P=

4π(1.4691011m)2

≈1.37kW/m2

我們把它稱為太陽常數(shù)。

照射在地球表面的太陽光，在穿過大氣層的時候，部分能量被大氣

層中存在的氮氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳等氣體分子吸收，使到達地球

表面的太陽光能量密度比大氣層外的P值小。太陽光穿透空氣的量稱為

AM ，所以在大氣圈外是AM-0 ，從天空垂直入射時是AM-1 ，在中緯度地

帶(赤道區(qū)域)，考慮到太陽光要穿透大氣層的1.5 倍，所以稱為AM

1.5 。AM-1.5 的太陽光能量密度大約是1kW/m2。

如果太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是 的話，光照射在1m2面積上就可以

獲 得 1 k W 的 電 能 。 而 家 庭 中 實 際 使 用 的 太 陽 能 電 池 轉(zhuǎn) 換 效 率 是

10%～20% ，所以一塊邊長為1m 的正方形太陽能電池板上可以獲得的太陽

能是100～200W 。

003

● 地球大氣圈外照射的太陽能量密度P是1.37kW/m2

● 由于大氣層對太陽光的吸收，到達地球表面的太陽能量密

度大約是1kW/m2

第1章 太陽光和太陽能電池(入門篇)

圖1 照射在地球上的太陽光能量計算

圖 2 到達地球表面的太陽光能量計算

名 詞 解 釋

能量和功率 能量[單位為焦耳(J)]的流動稱為功率[單位為瓦特(W)]。1s內(nèi)通過1J的能量，

功率為1W(1J/s)

太陽每秒鐘釋放能量3.851026J

到達地球的太陽光能量(太陽

常數(shù))是1.37kW/m2

這是 AM-0 的能量密度

到達地球表面的太陽光能量密度

大約是1kW/m2

太陽到地球的距離是1.4961011m

41.8°

進入大氣層之前的太陽

光能量稱為AM-0，大約

是1.37kW/m2

當以傾斜角41.8°照射地球

表面時稱為AM-1.5，能量

密度是1kW/m2

垂直照射地球表面的

時候稱為AM-1，能量

密度大約是1.1kW/m2

地 表

太陽光穿過大氣層時產(chǎn)生衰減，由于太陽光穿過中緯度時

所通過的距離大約是低緯度時的1.5倍，所以衰減量更大