无穷无尽的太阳能宝藏

无穷无尽的太阳能宝藏

从太阳源源不断地向地球辐射的光能，每小时有12.54×10⁷千焦。在寒冷的冬天，看起来很微弱的日照，照射在宽度为一草席大上面积上的光能，大约有1千瓦。自石油危机以来，已积极开展有效利用太阳能的研究，目前很多国家，投入相当大的人力和物力，争相研究太阳能电池，太力推广太阳能热水器，建造太阳房、太阳能游泳池、太阳能冰箱，并建成大型太阳能发电系统，仅仅几十年，已取得了可的成绩。

我们身边常看到的太阳能热水器，在有太阳照射时，流出来的热水河达70℃左右，即使在冬天，流出来的热水也有35℃左右。太阳能热水器有许多优点，是一种无废气、无噪音又无公害的热水器，据点是只能在白天、晴天时起作用，要是能把夏天的太阳能保存到冬天，该有多好！

热量长期储藏是很难的事，现在正开展各种各样的储存太阳能的研究。储存能理最简单的办法就是在地下建造大蓄热池，在里边装进水和蓄热剂，用夏天太阳加热的热水对它进行加热。蓄热剂通常使用硫酸钠、醋酸钠等，这些物质在室温下是固体，若是太阳能加热，它就变成液体，就是说太阳能以熔解热的方式储存起来。此外，也可用太阳光发电，以电能形式储存或以化学能形式储存。有一种名叫降冰片二烯的化合物，光照时它吸收光，分子结构发生变化，然后在其中加入催化剂，它又恢复为原来的分子结构，这时它将以前吸收的光能以热的形式释放出来，起到一种蓄热剂的作用。

太阳能电池可以使用在各个领域。人类最早用太阳能电池作为人造卫星的动力源是1958年3月17日美国发射的“先锋一号”卫星。太阳能电池种类繁多，主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、砷化镓电池和硫化镉电池等。最早的太阳能电池是1954年研制成功的PN结硅太阳电池，表面上有栅格形的表面电极，背部全部为背面电极，太阳能电池表面上镀一层防反射的氧化膜。硅片是制作硅太阳电池的基本材料，PN结是硅太阳电池的心脏，没有PN结便不能产生光电流。什么是PN结？由电子导电的半导体为N型半导体，由空穴（价电子带失去电子后成为空穴，为带正电荷的自由粒子，也有助于导电）导电的半导体称为P型半导体。具有一定能量的太阳光照射到半导体时，电子就被激发，同时在价电子带形成空穴。一个光子产生一个电子一空穴对，光照半导体时，电子空穴对被激发，形成“势垒”（具有较高能量），可能将受激发的电子一空穴对分开，从而形成光电流，这种“势垒”就是PN结。

由于早期的太阳能电池需要把硅单晶切成圆薄片，制造手续麻烦、价钱又贵，后来又研制了非晶硅太阳能电池，是将硅烷（SiH₄）这种气体硅化物通过放电分解，在玻璃板或不锈钢上形成硅的薄膜制成的，1微米的薄膜可以充分吸收太阳能，用这种材料可研制低成本的太阳能电池，但是效率不高。现在有人采用砷化镓、硫化镉做太阳能电池的材料，效率虽比硅太阳能电池低些，但成本只有硅太阳能电池的1/10左右。

目前，太阳能电池的研究方向主要是提高元件的转换效率和谋求大幅度降低成本。另外，太阳能电池的寿命也是当前重要的课题，寿命问题的关键在于透明保护膜的寿命，目前用作保护膜的材料有丙烯、硅橡胶等。我们期待研制出一些新型材料，能经受长时间紫外线照射，又能保持高的透明性。

另外，通过太阳光使水分解制造氢气，可以以氢气形式保存太阳能。氢气是自然界中最理想的燃料，它无公害，不影响大自然的生态平衡，可以长期储存，也可以远距离输送。氢的热值高，可以广泛用于不同用途的氢发动机。太阳能制氢就是以太阳能分解水制氢。大致有热分解水制氢、光化学分解水制氢、光电化学电池分解水制氢、模拟植物光合作用分解水制氢、太阳光配位催化分解水制氢。直接热分解水制氢是在高温太阳炉中将水或蒸气加热到3000开（K）以上，水中的氢和氧开始分解，优点是热效率高、无环境污染，缺点是分解水的加热温度很高，装置的具体结构设计困难，需要发展高温材料。如果在水中添加某种特殊光敏物质（如碘）作催化剂，吸收阳光的长波光能就可利用光化学反应分解水产生氢和氧。1972年有人利用N型二氧化钛（TiO₂）半导体电极作阳极，以铂（Pt）黑作阴极，制成太阳能光电化学电池，成功地实现了分解水制氢，在这里阴极产生氢气，阳极产生氧气，这方法很简单，但效率很低，只有0.4%左右，主要因为二氧化钛半导体只吸收太阳光中的紫外光和近紫外光，大部分光能不能吸收。应该选用能吸收差不多整个波长的太阳光的材料，才有可能提高制氢的转换效率。模拟植物的光合作用分解水制氢的过程早在20世纪40年代就为人们所发现。例如植物中的绿藻，在无氧条件下经阳光照射，可以放出氢气，但是要达到工程上制氢，就有一个效率和成本问题。一般的光合作用，光能利用率只有百分之几，并且对这一过程的了解还不很充分。因此，提高上述各种方法制氢的效率，寻求更好的太阳能分解水制氢的方法是我们努力的方向。