第1章 太阳能利用与太阳电池
1.1 太阳能与可再生能源
万物生长靠太阳。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等），从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能。太阳是离地球最近的一颗自己发光的天体，它给地球带来了光和热。太阳的活动来源于其中心部分，中心温度高达1500万摄氏度，在这里发生着核聚变， 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。聚变产生能量并被释放至太阳表面，通过对流过程散发出光和热。太阳核心的能量需要通过几百万年才能到达它的表面，因此使太阳能够发光。到现在为止太阳的年龄约为46亿年，它还可以继续燃烧约50亿年。因此，可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的能源。全球年消耗能量的总和只相当于太阳40min内投射到地球表面的能量。太阳辐射能来源于其内部的热核反应，每秒转换的能量约为4×1026J，基本上都是以电磁辐射的形式发射出来。通常将太阳看成是温度6000K、波长0.3～3.0μm的辐射体，辐射波长的分布从紫外区到红外区。尽管地球所接收到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十二亿分之一，达到地球大气层外的太阳辐射能在132.8～141.8mW/cm2之间，被大气反射、散射和吸收之后，约有70%投射到地面，但已高达1.73×1015W；也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤燃烧的能量，是全球能耗的数万倍。
从能源的利用特点划分，能源分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源是指原材料可以再生的能源，如风能、生物能、地热能、水能和太阳能等能源。可再生能源不存在能源耗竭的可能，因此日益受到许多国家的重视，尤其是能源短缺的国家。
（1）风能
风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源取决于风能密度和可利用的风能年累积时间（小时）。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦。风能资源受地形影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带。在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。风能利用主要有风能作为动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。
（2）生物能
生物能是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用。光化学反应不同于热化学反应，只要光的波长能被物质所吸收，就是在较低温度下依然可以进行。光化学应用常见的有绿色植物的光合作用，通过植物的光合作用，太阳能把二氧化碳和水合成有机物（生物质能）并放出氧气。光合作用是地球上最大规模转换太阳能的过程，现代人类所用燃料是远古和当今光合作用所固定的太阳能。目前，光合作用机理尚不完全清楚，能量转换效率一般只有百分之几，对其机理的研究具有重大的理论意义和实际意义。
（3）地热能
地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达7000℃，而在80～100km的深度处，温度会降至650～1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1～5km的地壳，热力被转送至较接近地面的地方。高温熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。地热能的利用形式：①200～400℃直接发电及综合利用；②150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；③100～150℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品；④50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；⑤20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。现在许多国家为了提高地热能利用率，采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供、热电冷三联产、先供暖后养殖等。
（4）水能
水能是一种可再生能源，是清洁能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源。水不仅可以直接被人类利用，它还是能量的载体。太阳能驱动地球上的水循环，使之持续进行。地表水的流动是重要的一环，在落差大、流量大的地区，水能资源丰富。随着矿物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景广阔的替代资源。目前世界上水力发电还处于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水运动均可以用来发电。
（5）太阳能
地面接收到的太阳能包括直接辐射能和散射辐射能。直接接收到不改变方向的太阳辐射称为直接太阳辐射；被大气层反射和散射后方向改变的太阳辐射称为散射辐射。为了定量描述太阳能，需要引入一些概念。在地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量，称为太阳常数。太阳常数的数值为1353W/m2，常用单位为W/m2。将大气对地球表面接收太阳光的影响程度定义为大气质量（AM）。大气质量是一个无量纲量，它是太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶角方向时穿过大气路径之比，并假定在标准大气压（101325Pa）和气温0℃时，海平面上太阳光垂直入射的路径为1。AM数值不同，太阳光谱会产生不同的变化。当太阳辐射强度为太阳能常数时，大气质量记为AM0，AM0光谱适合于人造卫星和宇宙飞船上的情况。大气质量AM1的光谱对应于直射到地球表面的太阳光谱（其入射光功率为925W/cm2）。图1.1是AM0和AM1两种条件下的太阳光谱，它们之间的差别是由大气对太阳光的吸收引起的衰减造成的，主要来自臭氧层对紫外线的吸收和水蒸气对红外光的吸收，以及空气中尘埃和悬浮物的散射。图中太阳光谱辐照度Eλ=dE/dλ，其中E为单位波长间隔的太阳辐射度，给定波长λ。太阳光谱的这些特点对太阳能电池材料的选择是一个很重要的因素。
图1.1 AM0和AM1太阳光谱
太阳活动同地球上的一些现象存在密切关系。现在，人们已经发现太阳活动在以下几方面对地球有显著影响。太阳活动中的耀斑和黑子对地球的电离层、磁场和极区有显著的地球物理效应，使地面的无线电短波通信受到影响，甚至出现短暂的中断，这被称为“电离层突然骚扰”。这些反映几乎与大耀斑的爆发同时出现。磁场沿磁力线下来，与色球层气体相碰撞，使中性线两侧磁力线的足跟部位发光，成为人们所见到的耀斑。耀斑本身是磁场不稳定的结果。正是由于磁场这种非平衡状态，导致了耀斑的爆发，以达到磁场新的平衡，耀斑的爆发过程同时也是大量能量释放过程。较大的耀斑爆发温度可达几千万度甚至上亿度，并且有很强的X射线、紫外线以及高能质子放出。这些强烈的辐射光线增加了氢原子的压力，使氢原子、离子及其他微粒以超过1000km/s的速度抛出，成为太阳的微粒辐射。“磁暴”现象说明整个地球是一个大磁场，地球的周围充满了磁力线。当耀斑出现时，其附近向外发射高能粒子，带电的粒子运动时产生磁场，当它到达地球时，便扰乱原来的磁场，引起地磁的变动。发生磁暴时，磁场强度变化很大，对人类活动特别是与地磁有关的工作会有很大影响。太阳影响地球的现象还有极光现象：地球南北纬两极地区，在晚上甚至在白天，常常可以看见天空中闪耀着淡绿色或红色、粉红色的光带或光弧，叫作极光。这是因为来自太阳活动的带电高能粒子流到达地球时，在磁场的作用下奔向极区，使极区高层大气分子或原子激发或电离而产生光。太阳的远紫外线和太阳风会影响大气的密度，大气密度的变化周期为11年，显然与太阳活动有关。太阳活动还可能影响到大气温度和臭氧层，进而影响到农作物的产量和自然生态系统的平衡。由于太阳活动对人类有影响，特别是在航天、无线电通信、气象等方面影响显著，因此，研究太阳活动，特别是太阳耀斑发生的规律，并设法进行预报，对太阳能的利用具有重要的价值。