太阳能电池跟电池有啥区别?

〖发布时间:2019-05-29 16:32:33〗〖文章来源:科普中国网〗〖作者:〗〖责任编辑:gly〗


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  为什么要写这篇文章呢?其实事情的起因是这样的。

  

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  图片来源:作者自制

  充电电池的开路电压(不放电时正负两极之间的电位差)是由电池正、负极与电解材料决定的。这是由不同材质的电化学反决定的。也就是说,只要正负极材料一样,不管电池多大、容量多大,电压都是一样的。而且1.5v/1.2v也只是标称电压,非实际电压。比如1.2V的镍铬、镍氢电池,标称1.2V,充满是1.4V甚至更高一些,放电可以到1V。

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  Figure2 镍镉电池

  图片来源:

  https://detail.1688.com/offer/537874620327.html?tracelog=mfny_detail_list

  电池里的能源从哪儿来?

  能源对于社会进步具有不可磨灭的巨大推进作用,近几十年来,随着人们对物质生活的更高要求,社会的发展对能源的需求越来越大,对各种能源开发,以及各种能源的利用率的提高迫在眉睫。

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  Figure3 不同能源的利用情况

  图片来源:https://new.qq.com/omn/20190220/20190220A0ACPW00

  可以发现,绝大多数能量的本源都是太阳能,太阳能是一种的热辐射能,是太阳经过热核反应向外界释放的能量。虽然最终到达地球的能量相对于太阳释放的能量非常少,只有几十亿分之一,但是这却是地球光热能的主要来源,足以使得地球上的各种生物能够生存繁衍下来。对于太阳能有许多优势促使我们积极利用以满足能源需求。首先,地球上到处都有太阳辐射,而且有很多,Figure 4 展示了全球的太阳能平均辐射量,可以看到虽然太阳能辐射量在全球分布沿赤道向南北极递减,但是分布极为广泛。

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  Figure 4 全球平均太阳能辐射量

  图片来源:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/SolarGIS-Solar-map-World-map-en.png.

  如何把太阳能转化为电能?

  太阳能电池的发展已经经历了一百多年的时间,太阳能电池的工作基本原理是基于光伏效应(photovoltaic effect)。光伏效应是在 1839 年由当时只有 19 岁的法国物理学家Alexandre-Edmond Becquerel发现的。

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  Alexandre-Edmond Becquerel

  图片来源:

  http://blog.sina.com.cn/s/blog_d627de6f0101nvjb.html

  说起他,可是一门三杰、在法国自然科学界大名鼎鼎的贝克赖尔家族的一员。他的父亲Antoine César Becquerel(老贝克赖尔)是法国皇家科学院成员,一生在电化学领域成就卓著;他的儿子Antoine Henri Becquerel(小贝克赖尔)更是有名,因发现天然放射性,与居里夫妇共同获得1903年诺贝尔奖)

  当前,世界各国对于太阳能的利用都出现持续且迅速的增长,而作为太阳能利用的重要组件光伏电池,产量也在持续增长。

  光伏效应与光电效应

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  Figure 5 2010 年至 2017 年每年电池系统安装量

  图片来源:百度学术

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  Figure 6 2010 年至 2017 年累计电池系统安装量

  图片来源:百度学术

  由图可以看出,我国不仅光伏电池产量多,同时我国也逐渐取代德国,成为每年与累计光伏系统安装最多的国家。

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  图片来源:

  https://zhidao.baidu.com/question/1577493411329934900.html

  而光伏效应与光电效应相似。首先我们简单介绍一下什么是光电效应:光电效应是一个重要且神奇的现象,简单讲就是材料吸收高于其临界频率的光之后发出电子。在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。这个现象虽然早在1887年就被德国物理学家赫兹发现了。但却是在1905 年才被阿尔伯特·爱因斯坦正确的解释。爱因斯坦假定光由固定能量量子-光子组成。光子能量由如下公式计算:

  

  其中 h 是普朗克常数,v 是光波频率。按照爱因斯坦的粒子说理论解释:光是由一份一份不连续的光子组成,当某一光子照射到对光灵敏的物质上时,它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后,动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力,就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面,成为光电子,形成光电流。

  太阳能电池工作过程与光电效应形成电流的过程有着相似之处。基于光伏效应的太阳能电池工作可理解为以下过程:材料吸收光子产生载流子。如下图所示。如果到达材料的光子能量小于带隙 Eg,则不会被吸收。在一个电子从 Ei被激发到 Ef时就会在 Ei处产生一个空位。这个空位就会表现地像带正电子的粒子,称为空穴。打一个比方,这就相当于屋子里面的座位是坐满的,那大家串动座位都很难,只有几个商量好的可以互相交换座位。而如果屋子里面由于太热(相当于材料吸收了一些能量),有几个人出去了(相当于在材料中形成了空穴),那么班级的座位就会流动起来。而电子和空穴的定向流动就形成了电流。而光伏效应(photovoltaic effect),就是两种不同材料的接触点在电磁辐射的影响下产生电势差。

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  图片来源:温金珂, 汪洪. Mg:Fe:LiNbO_3晶体的光折变和光生伏特效应[J]. 人工晶体学报, 1989(3):222-224.

  光伏电池都有哪些种类?

  晶体硅太阳能电池,这种材料间接带隙为 1.12 eV,对应的波长为 1107 nm。这种太阳能电池转换效率很高,但是成本较高且制备工艺繁琐,对环境污染严重。 

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  图片来源:

  https://baike.sogou.com/historylemma?lId=49566194&cId=95887969

  薄膜太阳能电池,包括多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅太阳能电池以及多元化合物薄膜太阳能电池,这些太阳能电池由于制备方法多样使得成本相比晶体硅太阳能电池低,且转换效率也相对较高。但是由于这类材料会存在稳定性不高或者材料来源问题(铟、硒等稀有元素)以及存在的污染问题限制了其发展。

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  图片来源:http://www.ocn.com.cn/reports/2009792baomotyndc.shtml

  有机太阳能电池,包含染料敏华太阳能电池、有机半导体以及目前发展迅速的有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池。这一类太阳能电池因制备方法更加简便,降低了对环境的污染并且成本大大降低而被广泛关注。

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  图片来源:http://www.sohu.com/a/248935980_135814

  参考文献:

  L. Freris and D. Infield, Renewable Energy in Power Systems [B]. John Wiley & Sons Inc, Chichester, United Kingdom, 2008

  Jäger-Waldau, A., PV Status Report 2017 [B], EUR 28817 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2017.