【硅材料作文开头万能初中】硅——我们不发电。我们只是太阳能的搬运工

英国《自然.能源》杂志8月在线发表的最新研究表明，中国市场的工商业太阳能系统电力已经比电网电力便宜。

此图显示了新功率容量中可再生能源的比重

这是将中国城市太阳能系统电价和电力产量总量与城市电网电力价格进行比较的结果。

现有电力能源的主要来源有火力、水力、核能、风力等4种

理想的新能源必须同时满足两个要求。一个是丰富而不枯竭。二是安全、干净，不会威胁人类或破坏环境

太阳能发电是新兴的可再生能源，被认为是21世纪世界主要能源之一

安全清洁的太阳能

太阳能利用方面分为太阳能发电和太阳能热发电。前面的方式很好理解。这是将吸收的太阳能转换为电能的装置。对矿业发展了解多少？

太阳照常升起，光电转换效率却上不去

光伏太阳能电池是将阳光转化为电力的薄硅，可用作计算器和其他小型设备、通信、个别住宅的屋顶板、发展中国家村庄的照明、抽水、医疗冷却等多种用途的能源。

大型阵列形式的太阳能电池也可以用于为卫星供电

嫦娥四号月球探测器也使用太阳能电池板

对电力的研究开始后，人们开始研究和制造简单的电池，随着对太阳能的研究，速度惊人地加快。

早在1839年，安托万-塞萨尔贝克勒尔(Antoine-Cesar Becquerel)就暴露在太阳下的化学电池产生电压，第一次将太阳光转化为电力的效率是1%。也就是说，1%的入射太阳光

安托万-塞萨尔贝克勒尔，他的名字是刻在埃菲尔铁塔上的72个名字之一

1873年，威洛史密斯(Willoughby Smith)发现硒对光敏感，1877年亚当斯(Adams)和戴(Day)发现，硒暴露在光下会产生电流。

保存的威洛比史密斯使用的原始塞伦峰

19世纪80年代查尔斯弗里茨(Charles Fritts)使用镀金硒制造了第一个太阳能电池，但遗憾的是，与将阳光转换为电力的第一个效率相比，此次转换效率仍然只有1%

但是弗里茨认为他的电池是革命性的，他预测太阳能电池将在当时的电力能源中占据一席之地。

查尔斯弗里茨(Charles Fritts)于1884年在纽约市屋顶安装了第一个太阳能电池板

1905年爱因斯坦对光电效应的解释重新激发了人们希望能实现更高效的太阳能发电。

但是，直到贝尔实验室科学家戈登皮尔森(Gordon Pearson)、达里尔查平(Darryl Chapin)和卡尔富勒(Cal Fuller)提出了1954年生产4%硅太阳能电池所需的理论知识。

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达里尔·查平

太阳能光伏发电——光电效应与光伏效应

光电效应是指光束照射物体时会使其发射出电子的物理效应，发射出来的电子称为“光电子”，即入射光中包含的能量被金属中的电子吸收，使电子有足够的能量“逃逸”出金属表面，也就是从金属表面发射出去

光电效应简单示意图

利用经典的麦克斯韦波理论，入射光越强，电子从金属中射出的能量就越大，也就是说，被射出的（光电）电子所携带的平均能量应该随着入射光的强度而增加

事实上，菲利普·冯·莱纳德（Philipp von Lenard）发现事实并非如此，相反，他发现发射电子的能量与入射辐射的强度无关

莱纳德发现从阴极发射的电子的能量（速度）仅取决于入射光的波长，而不取决于入射光的强度

爱因斯坦(1905年)成功地解决了这一悖论，他提出入射光由称为光子的单个量子组成，这些量子像离散粒子一样与金属中的电子相互作用，而不是作为连续的波

电子能量在阈值以上以简单的线性方式随频率增加

在爱因斯坦的模型中，增加光的强度对应于增加每单位时间(通量)的入射光子数，而每个光子的能量保持不变(只要辐射的频率保持不变)

爱因斯坦的伟大无需赘言

此时增加入射辐射的强度会导致更多的电子被抛出，但每个电子都会携带相同的平均能量，因为每个入射光子携带的能量都是相同的

这两个预测都得到了实验证实，此外，抛射电子的能量随频率的增加而增加的速率是可以测量的，这使人们能够确定普朗克常数h的值（每个光子携带的能量E=hf，其中h是普朗克常数，f是频率）

光电效应可能是光子存在以及光和电磁辐射的“粒子”性质的最直接和最令人信服的证据，也就是说，它为电磁场的量子化和麦克斯韦经典场方程式的局限性提供了不可否认的证据

1921年，阿尔伯特·爱因斯坦因解释光电效应和对理论物理学的贡献而获得诺贝尔物理学奖

1921年，爱因斯坦因光电效应研究而获得诺贝尔物理学奖

而我们今天说的光伏效应实际是内光电效应（光电效应分为外光电效应和内光电效应），从定义上说，光电效应是光伏效应的前提，光伏效应是光电效应作用于半导体这一特殊材料上

当太阳光照射太阳能光伏组件表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使硅原子上的电子发生了跃迁并成为自由电子，自由电子在P－N结两侧不断集聚并形成了电位差，当外部连通电路时，将有电流流过电路而产生一定的输出功率，从而产生了电能

光伏效应示意图

硅——我们不生产电，我们只是太阳能的搬运工

太阳能电池的基本组成部分是纯硅，它在自然状态下是不纯净的

纯硅源自二氧化硅，例如石英岩砾石（最纯净的二氧化硅）或碎石英，然后用磷和硼对得到的纯硅进行掺杂（处理），分别产生多余的电子和不足的电子，使半导体能够导电

石英石或石英碎屑中的二氧化硅被放进电弧炉中，然后施加碳弧释放氧气,产品是二氧化碳和熔融硅

电弧炉

这个简单工艺生产的硅只含有1%的杂质，这种纯净度的硅在许多行业都很有用，但在太阳能电池行业却不行

纯度99%的纯硅通过浮动区域法进一步提纯，太阳能电池是由硅棒制成的，这是一种具有单晶原子结构的多晶结构

硅棒

最常用的制作布勒的过程被称为柴氏拉晶法(Czochralski Method)，在这个过程中，将硅的晶种浸入熔化的多晶硅中，当晶种被抽出和旋转时，就形成了一个圆柱形的硅锭或“棒”，这样得到的硅棒会异常纯净，因为杂质往往会留在液体中

柴氏拉晶法

硅片是用圆锯一次切一片的，圆锯的内径是插进硅棒里的，或者用多线锯一次切很多片，然后对晶片进行抛光以去除锯痕

在硅片中掺入硼和磷的传统方法是在上述提到的柴氏拉晶法中引入少量的硼，然后，晶圆被背靠背密封，放入炉中，在磷气体存在的情况下加热到略低于硅的熔点(1410摄氏度)，磷原子“钻”进硅中，硅更具孔隙性，因为它接近成为液体

最近一种用磷掺杂硅的方法是使用一种小粒子加速器将磷离子射入硅棒，通过控制离子的速度来控制离子的穿透深度

电触点将每个太阳能电池相互连接，同时还要连接到产生电流的接收器，另外触点必须非常薄，这样才不会阻挡对电池的阳光

像钯/银、镍或铜这样的金属通过光刻胶真空蒸发，进行丝网加网处理，或仅仅沉积在部分被蜡覆盖的电池裸露部分上，触点就位后，在电池之间放置细条，最常用的带材是镀锡的铜带

银的使用

因为纯硅是有光泽的，它能反射35%的阳光，为了减少太阳光的损失，需要在硅片上涂上一层防反射涂层，最常用的涂层是二氧化钛和氧化硅，但也会使用其他材料

用于涂层的材料要么被加热，直到其分子沸腾进入硅并凝聚，要么材料经历溅射，在这个过程中，高压将分子从材料上击落，并将它们沉积在相对电极的硅上，另一种方法是让硅本身与含氧或含氮的气体反应，形成二氧化硅或氮化硅，接着将太阳能电池封装

最后

太阳能目前最大的优势是与煤炭、石油和天然气等化石燃料相比，用光来发电是免费的，而光伏作为高效优质能源，与传统能源结合使用，便成了当前产业拓展的重要任务

相信随着技术以及工艺的提高，太阳能发电还会有更大的提升

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参考资料：（图片来自网络）

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