太阳能的转换

二、太阳能的转换

被选择性吸收面吸收的太阳辐射能，实际上已转换成为热能，然后传送到用热的地方利用，或者传送到储热器储存。如果吸收器达到的温度高，便可用来发电或作工业加工，如果吸收器达到的温度低，例如100℃左右，就可以用来加热水或作空间采暖。

太阳能的另一种重要的转换，就是直接由太阳辐射能转换为电能。

光照射在金属或绝缘体上时，除被表面反射掉一部分外，其余部分都被吸收，变为热能，使其温度升高。光照在半导体上，则和照在金属或绝缘体上截然不同。金属中自由电子很多，光照引起的导电性能的变化完全可以忽略。绝缘体在很高温度下都未能激发出更多的电子参加导电，这说明电子所受的束缚力很大，光照也不足以把电子释放出来，影响它的导电性能。在导电性能介于金属和绝缘体之间的半导体中，电子所受的束缚力远小于绝缘体，如可见光的光子能量，就能把它从束缚状态激发到自由导电状态，从而降低了它的电阻。这就是半导体的光电效应，它的应用就产生了光敏电阻器件。

表1-3　各种选择性吸收面的性质

当半导体内局部区域存在电场时，光生载流子将被电场吸附，而形成电荷积累。电场两侧由于电荷积累而产生光生电压，这叫做光生伏特效应，简称光伏效应，这就是太阳电池的原理。现在我们知道，半导体在光照之下产生光伏效应的核心就是半导体内存在一个电场区。如何产生这个电场区呢？如果使两个导电型相反的半导体紧密接触，就能产生这个电场区。掺人杂质的半导体，比较容易产生使其具有导电性的载流子。能提供电子的掺杂半导体称为电子导电（N型）半导体，如掺磷（P）的硅（Si）。能提供空穴的掺杂半导体称为空穴导电（P型）半导体，如掺硼（B）的硅。单独的N型和P型半导体都是电中性的，因为掺到它们里面的杂质是中性的。当两种不同类型半导体接触时，N型半导体中电子浓度比P型的高，而P型半导体中空穴浓度比N型高，因此各自向对方扩散，从而在界面的两侧各自形成一层与多数载流子电荷相反的离子区，称为耗尽层，如图1-8c所示。在耗尽层内形成一个静电场，阻挡双方的多数载流子向对方继续扩散。这样就造成了产生光伏效应的基本条件。由于这个电场区产生在P型和N型半导体的结合部，故称为P-N结。实际上，硅太阳电池的P-N结，并不是用两块不同导电类型的半导体接触形成的，而是采用杂质热扩散技术形成的，例如在一块P型半导体内，扩散进足够量的N型杂质，补偿原有的导电类型，建立反导电类型的方法。这样制造出来的太阳电池，就是把太阳辐射能直接转换为电能的基本器件。

太阳能的另一种重要转换方式是转换成生物质能。生物质是有机物中所有来源于动、植物的可再生物质。动物以植物为生，而绿色植物通过光合作用将太阳能转变为生物质的化学能，因此，生物质能都来源于太阳能。据估计，陆地上绿色植物利用的太阳能，约占到达地球表面太阳能的4‰～5‰，相当于400亿kW。水下绿色植物利用的太阳能，估计比陆地上植物要多好几倍。

风能实际上也来自太阳能。地球大气层吸收太阳辐射而被加热，由于受热不均而产生压力差，形成空气流动，就产生风，这时，太阳能就转变为风的动力能了。同样，水力能也来自太阳能。地球表面的水吸收太阳能而被加热，水蒸发为水蒸气，升到高空遇冷凝结，下降为雨、雪。下降的水由高处流向低处，就形成江河，于是太阳能就转变为水流的动力能了。

图1-8　P-N结的形成