太陽能電池跟電池有啥區別？

出品：科普中國

製作：苻歡

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

為什麽要寫這篇文章呢？其實事情的起因是這樣的。

充電電池的開路電壓（不放電時正負兩極之間的電位差）是由電池正、負極與電解材料決定的。這是由不同材質的電化學反決定的。也就是說，只要正負極材料一樣，不管電池多大、容量多大，電壓都是一樣的。而且1.5v/1.2v也只是標稱電壓,非實際電壓。比如1.2V的鎳鉻、鎳氫電池，標稱1.2V，充滿是1.4V甚至更高一些，放電可以到1V。

Figure2 鎳鎘電池（圖片來源：https://detail.1688.com/offer/537874620327.html?tracelog=mfny_detail_list）

電池裡的能源從哪兒來？

能源對於社會進步具有不可磨滅的巨大推進作用，近幾十年來，隨著人們對物質生活的更高要求，社會的發展對能源的需求越來越大，對各種能源開發，以及各種能源的利用率的提高迫在眉睫。

Figure3 不同能源的利用情況（圖片來源：https://new.qq.com/omn/20190220/20190220A0ACPW00）

可以發現，絕大多數能量的本源都是太陽能，太陽能是一種的熱異塵餘生能，是太陽經過熱核反應向外界釋放的能量。雖然最終到達地球的能量相對於太陽釋放的能量非常少，只有幾十億分之一，但是這卻是地球光熱能的主要來源，足以使得地球上的各種生物能夠生存繁衍下來。對於太陽能有許多優勢促使我們積極利用以滿足能源需求。首先，地球上到處都有太陽異塵餘生，而且有很多，Figure 4 展示了全球的太陽能平均異塵餘生量，可以看到雖然太陽能異塵餘生量在全球分布沿赤道向南北極遞減，但是分布極為廣泛。

Figure 4 全球平均太陽能異塵餘生量（圖片來源：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/SolarGIS-Solar-map-World-map-en.png.）

如何把太陽能轉化為電能？

太陽能電池的發展已經經歷了一百多年的時間，太陽能電池的工作基本原理是基於光伏效應（photovoltaic effect）。光伏效應是在 1839 年由當時只有 19 歲的法國物理學家Alexandre-Edmond Becquerel發現的。

Alexandre-Edmond Becquerel（圖片來源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_d627de6f0101nvjb.html）

說起他，可是一門三傑、在法國自然科學界大名鼎鼎的貝克賴爾家族的一員。他的父親Antoine César Becquerel（老貝克賴爾）是法國皇家科學院成員，一生在電化學領域成就卓著；他的兒子Antoine Henri Becquerel（小貝克賴爾）更是有名，因發現天然放射性，與居裡夫婦共同獲得1903年諾貝爾獎）

當前，世界各國對於太陽能的利用都出現持續且迅速的增長，而作為太陽能利用的重要組件光伏電池，產量也在持續增長。

光伏效應與光電效應

Figure 5 2010 年至 2017 年每年電池系統安裝量（圖片來源：百度學術）

Figure 6 2010 年至 2017 年累計電池系統安裝量（圖片來源：百度學術）

由圖可以看出，我國不僅光伏電池產量多，同時我國也逐漸取代德國，成為每年與累計光伏系統安裝最多的國家。

圖片來源：https://zhidao.baidu.com/question/1577493411329934900.html

其中 h 是普朗克常數，v 是光波頻率。按照愛因斯坦的粒子說理論解釋：光是由一份一份不連續的光子組成，當某一光子照射到對光靈敏的物質上時，它的能量可以被該物質中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量後，動能立刻增加;如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能在十億分之一秒時間內飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。

太陽能電池工作過程與光電效應形成電流的過程有著相似之處。基於光伏效應的太陽能電池工作可理解為以下過程：材料吸收光子產生載流子。如下圖所示。如果到達材料的光子能量小於帶隙 Eg，則不會被吸收。在一個電子從 Ei被激發到 Ef時就會在 Ei處產生一個空位。這個空位就會表現地像帶正電子的粒子，稱為空穴。打一個比方，這就相當於屋子裡面的座位是坐滿的，那大家串動座位都很難，只有幾個商量好的可以互相交換座位。而如果屋子裡面由於太熱（相當於材料吸收了一些能量），有幾個人出去了（相當於在材料中形成了空穴），那麽班級的座位就會流動起來。而電子和空穴的定向流動就形成了電流。而光伏效應（photovoltaic effect），就是兩種不同材料的接觸點在電磁異塵餘生的影響下產生電勢差。

圖片來源：溫金珂, 汪洪. Mg:Fe:LiNbO_3晶體的光折變和光生伏特效應[J]. 人工晶體學報, 1989(3):222-224.

光伏電池都有哪些種類？

晶體矽太陽能電池，這種材料間接帶隙為 1.12 eV，對應的波長為 1107 nm。這種太陽能電池轉換效率很高，但是成本較高且製備工藝繁瑣，對環境汙染嚴重。

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

薄膜太陽能電池，包括多晶矽薄膜太陽能電池、非晶矽太陽能電池以及多元化合物薄膜太陽能電池，這些太陽能電池由於製備方法多樣使得成本相比晶體矽太陽能電池低，且轉換效率也相對較高。但是由於這類材料會存在穩定性不高或者材料來源問題（銦、硒等稀有元素）以及存在的汙染問題限制了其發展。

圖片來源:http://www.ocn.com.cn/reports/2009792baomotyndc.shtml

有機太陽能電池，包含染料敏華太陽能電池、有機半導體以及目前發展迅速的有機無機雜化的鈣鈦礦太陽能電池。這一類太陽能電池因製備方法更加簡便，降低了對環境的汙染並且成本大大降低而被廣泛關注。

圖片來源：http://www.sohu.com/a/248935980_135814

參考文獻：

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

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