太阳能电池的起源

【专家解说】：　　太阳的光辉普照大地，它是明亮的使者，太阳的光除了照亮世界，使植物通过光合作用把太阳光转变为各种养分，供人们食用，产生纤维质供人们做衣服，生长木材给我们建筑房屋以外，太阳的光还可以通过太阳能电池转变为电．太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池．太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动．当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的．如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表．若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P－N结．太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，P－N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动．当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电．这样，在P－N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压．这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”．如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率．制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多．目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池．

　　1953年美国贝尔研究所首先应用这个原理试制成功硅太阳电池，获得6%光电转换效率的成果．太阳能电池的出现，好比一道曙光，尤其是航天领域的科学家，对它更是注目．这是由于当时宇宙空间技术的发展，人造地球卫星上天，卫星和宇宙飞船上的电子仪器和设备，需要足够的持续不断的电能，而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响．太阳能电池完全满足这些要求，1958年，美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个用太阳能供电的卫星，空间电源的需求使太阳电池作为尖端技术，身价百倍．现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池的“翅膀”，使它们能够在太空中长久遨游．我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上．以太阳能电池作为电源可以使卫星安全工作达20年之久，而化学电池只能连续工作几天．

　　空间应用范围有限，当时太阳电池造价昂贵，发展受到限．70年代初，世界石油危机促进了新能源的开发，开始将太阳电池转向地面应用，技术不断进步，光电转换效率提高，成本大幅度下降．时至今日，光电转换已展示出广阔的应用前景．

　　太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域．从1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几公里发展到飞越英吉利海峡．现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里．另外，太阳能汽车也发展很快．

　　在建造太阳能电池发电站上，许多国家也取得了较大进展．1985年，美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站，用108个太阳板，256个光电池模块，年发电能力300万度．德国1990年建造的小型太阳能电站，光电转换率可达30％多，适于为家庭和团体供电．1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太阳能发电装置”，预计可供加州1／3的用电量．用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式，据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1％收集起来，足够全世界的所有能源消耗．

　　在生产和生活中，太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用，在远离输电线路的地方，使用太阳能电池给电器供电是节约能源降低成本的好办法．芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠．日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业．我国的一些电视差转台也已用太阳能电池为电源，投资省，使用方便，很受欢迎．

　　当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置．

　　光电效应与康普顿效应

　　我们已明确指出光的本质是电磁波，它具有波动的性质．但近代物理又证明，光除了具有波动性之外还具有另一方面的性质，即粒子性．至于光具有粒子性，最好的例证就是著名的“光电效应”和“康普顿效应”．由于光电效应与康普顿效应研究的都是光子与电子之间的相互作用，这就使有些人自然产生一个疑问：既然研究的对象相同，那么，为什么有时讨论光电效应，有时又讨论康普顿效应呢？到底两种效应有什么区别？有什么联系呢？下面我们就从光电效应的物理本质及规律，康普顿效应的物理本质及规律，光电效应与康普顿效应的关系这三个方面来回答这些问题．

　　1、光电效应的物理本质及规律

　　在麦克斯韦预言了电磁波的存在以后，为了证实电磁波的存在，德国物理学家赫兹于1887年首先发现用紫外光照射放电火花隙的负电极时，会使放电更易产生．尔后，其他物理学家都继续对此进行了研究，发现用紫外光以及波长更短的X光照射一些金属，同样观察到金属表面有电子逸出的现象．于是，物理学家就把在光（包括不可见光）的照射下金属表面逸出电子的现象称为光电效应．所逸出的电子叫光电子，这一名字仅为了表示它是由于光的照射而从金属表面飞出的这一事实．事实上它与通常的电子毫无区别．光电子的定向运动所形成的电流叫做光电流．光电效应的规律可归纳为以下几点：

　　（1）饱和光电流与入射光的强度成正比，即单位时间内受光照射的电极（金属）上释放出来的电子数目与入射光的强度成正比．

　　（2）光电子的最大初动能（或遏止电压）随入射光的频率线性地增加而与入射光的强度无关．

　　（3）当光照射某一金属时，无论光的强度如何，照射时间多长，若入射光的频率小于某一极限频率，则都没有光电子逸出，即不发生光电效应．

　　（4）只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会选出光电子，其时间间隔不超过 秒，几乎是瞬时的，与入射光的强度无关．

　　在解释上述光电效应的规律时，经典的波动理论遇到了不可克服的困难．为此，伟大的物理学大师——爱因斯坦于1905年提出了一个非凡的光量子假设．他认为光也具有粒子性，这些光粒子称为光量子，简称光子．每个光子的能量是 ，h是普朗克常数， 是光的频率．

　　按照光子假设，当光射到金属表面时，金属中的电子把光子的能量全部吸收，电子把这部分能量作两种用途，一部分用来挣脱金属对它的束缚，即用作逸出功W，余下一部分转换成电子离开金属表面后的初动能 ．按能量守恒与转换定律，应有：

　　这就是有名的爱因斯坦光电效应方程．

　　利用爱因斯坦光电效应方程能圆满地解释光电效应诸规律．

　　首先，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数．当入射光的强度增加时，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的饱和电流．所以，饱和电流与入射光强度成正比．

　　其次，由爱因斯坦光电效应方程可知，对于一定的金属而言，因逸出功W一定，故光电子的最大初动 能随入射光频率 成线性关系而与光强度无关．

　　第三，由爱因斯坦光电效应方程可见，如果入射光的频率过低，以至于 ，那么，金属表面就根本不会有光电子逸出，尽管是入射光强度很大．显然，只有当入射光的频率 时，才会有光电流出现．事实上，这里的就是光电效应规律中所说的极限频率，又名“红限”，各种金属的红限各不相同．

　　第四，当光子与金属中的电子相互作用时，电子能够一次性全部吸收掉光子的能量，因而光电效应的产生无需积累能量的时间，几乎是一触即发．

　　2、康普顿效应的物理本质及规律

　　一般的光散射知识告诉我们，只有当光通过光学性质不均匀的媒质时，光散射现象才会发生．但是实验发现，当波长很短的光（电磁波），如X射线、 射线等通过不含杂质的均匀媒质时，也会产生散射现象，且一反常态，在散射光中除有与原波长 相同的射线外，还有比原波长 大的射线（ ）出现．这现象首先由美国物理学家康普顿于1922～1923年间发现，并作出理论解释，故称康普顿效应，亦称康普顿散射．

　　康普顿效应的规律可归纳成如下几点：

　　（1）康普顿效应中波长的改变 与原入射光波长 和散射物质无关，而与散射方向有关．当散射角（散射线与入射线之间的夹角）增大时， 也随之增大．

　　（2）康普顿效应随散射物质原子量的增大而减弱．

　　经典波动理论同样解释不了上述康普顿效应的规律．为此，康普顿接受了爱因斯坦的光子假设，认为康普顿效应是由于光子与散射物质中的电子作弹性碰撞的结果．在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，电子的电离能只有几个电子伏特，远小于X光光子的能量（ 电子伏特），故在两者碰撞过程中，可把电子看作是静止且自由的．具体分析如下：设电子的静止质量为 ，碰撞前，电子的能量为 ，动量为零；X光光子的能量为 ，动量为 ，碰撞后，电子获得速度为v，能量为 ，动量为mv，X光光子的能量变为 ，动量变为 ，散射角为 ，如图所示．碰撞过程因能量、动量都守恒，故有：

　　（1）

　　（2）

　　根据相对论，式中电子静止质量 与运动质量m的关系为：

　　（3）

　　将（1）式移项平方得：

　　（2）式乘 得：

　　以上两式相减得：

　　将（3）式两边平方后代入上式，得：

　　或：

　　由于 ，代入上式得：

　　（4）

　　式中：

　　（米）是一个常数，叫康普顿波长，若以 表示之，则（4）式可写成：

　　（4′）

　　（4′）式常称为康普顿公式．从公式的推导过程可见，在康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当X光的光子与“自由电子”碰撞后，光子将沿某一方向（ 角）散射．同时，碰撞过程中把一部分能量传递给“自由电子”，这样，散射光子的能量就小于入射光子的能量．因为光子能量与频率成正比，所以散射光的波长就大于入射光的波长．

　　另外，原子中内层的电子一般都被原子核束缚得很紧密，特别是重原子中．光子与这些束缚电子碰撞，实际上是与整个原子碰撞，由于原子的质量比电子大得多，根据康普顿公式计算的波长改变量小得几乎测不出．原子序数愈大，内层电子愈多，与原子核结合而成的原子也愈重，波长不改变的成分也愈多，即康普顿效应愈弱．

　　3、光电效应与康普顿效应的关系

　　光电效应与康普顿效应在物理本质上是相同的，它们研究的对象不是整个入射光束与散射物质，而是光束中的个别光子与散射物质中的个别电子之间的相互作用．与两种效应相对应的爱因斯坦方程和康普顿公式都建立在光子假设基础上．光电效应主要是产生光电子，而康普顿效应主要是产生波长改变的散射光，但也向电子传递动量．研究光电效应和康普顿效应时都用到了能量守恒定律．

　　光电效应与康普顿效应的主要差别首先表现在入射光波的波长不同．原则上，任何波长的光和电子碰撞后都能发生康普顿效应．但是，对于可见光和红外光，效应中波长的相对改变太小不易观察．如波长为4000埃的紫光，在散射角 时，其波长的改变 埃，则．然而，对波长 埃的X光，则 ，波长更短的 光，相对改变将达百分之百！所以，就一般而言，产生光电效应的光主要是可见光和紫外光，而产

　　生康普顿效应的光主要是波长很短的X射线和 射线等．

　　其次，在康普顿效应中，与入射光子相互作用的个别电子是作为“自由电子”身分出现的，考虑的是光子与自由电子的弹性碰撞，在此过程中，不仅能量守恒而且动量也守恒．实际上，只有在电子和原子核（实为原子实）之间的束缚能量远小于光子能量时才正确．而在光电效应中，与入射光子相互作用的个别电子并没有看作“自由电子”，而是以一种束缚态出现的．按理，我们必须同时考虑光子、电子和原子实三者的能量和动量变化．但是，由于原子实的质量比电子的质量大几千倍以上，因此，原子实的能量变化很小，可以略去不计．爱因斯坦方程只表示出光子和电子之间的能量守恒而没有相应的光子和电子的动量守恒关系式就是由于这个缘故．

　　由此可得结论：当光子从光子源发出，射入散射物质（一般指金属）时，主要是与电子发生作用．如果光子的能量相当低（与电子束缚能同数量级），则主要产生光电效应，原子吸收光子而产生电离．如果光子的能量相当大（远超过电子的束缚能）时，则我们可以认为光子对自由电子发生散射，而产生康普顿效应．更为有趣的是，当光子的能量大于一个兆电子伏特时，还能出现电子对效应（物质吸收光子后发射一对正、负电子的现象）．