[科普中国]-太阳的赠礼：太阳能的原理及应用难题

在《三体I·地球往事》中有这样一段话：“我们可以没有海鸟，但不能没有石油，你能想象没有石油是什么样子吗？去年送你的生日礼物，那辆漂亮的法拉利，我许诺你十五岁以后能开它，可如果没有石油，它就是一堆废铁，你永远开不了······”

的确，人类及万物的活动都离不开能源。随着经济的不断发展、人口的持续增长、技术的爆炸式进步，我们对能源的需求量也日益增加。但目前，我们所能依赖的也主要是媒、石油、天然气等化石燃料。在一点点榨干这些地球亿万年才形成的宝贵资源的同时，环境污染问题也浮出了水面。全球气候变暖、海平面上升、沙漠化扩大、雾霾严重，这些能源消耗的副作用正在理所当然地侵蚀着我们的家园。

今年8月份北极圈惊现32℃的罕见气温也再次引发了我们对全球变暖问题的重视，二氧化碳等温室气体的排放是引发这一问题的主要原因，但归根到底还是人类对化石燃料的使用何时才能终结？

石油是有限的，但阳光是无限的。跨越将近1.5亿千米的距离，太阳为我们送来了光和热，取之不尽，用之不竭。有了光，我们对黑暗不再恐惧；有了热，驱散严寒和潮湿，给我们一具健康的身体。用一句话来形容再合适不过：太阳驱动世界。地球上万物生长、各地气候的形成和演变都离不开太阳。太阳还是一切能源的根本来源，没有太阳，风能、水能、潮汐能、地热能等便不复存在。

那太阳能是如何产生的呢？我们知道，太阳内部充满着两种气体——氢和氦，不断进行着由氢聚变成氦的核反应，释放出巨大的能量。据了解，太阳每秒钟要释放3.6×10^26焦耳的热量，如此巨大的能量将太阳变成了一个炙热的大火球，可远观而不可亵玩焉！这些能量以电磁波的形式，光速穿越太空射向宇宙的四面八方，不过只有22亿分之一的能量到达地球。虽然只有这看似极小部分的太阳能到达地球，却足以提供我们这颗行星全部的能量。以我们人类每年消耗的总能量是5×10^20焦耳为计，也只相当于0.85小时的太阳辐射到地球的能量。如此看来，我们能使用的太阳能非常可观。

其实早在3000年前，我们的祖先就在使用太阳能。《古今注》中记载：“阳燧，以铜为之，形如镜，照物则影倒，向日则火生”。这里的阳燧就是古代的太阳灶。只是古人知道的并不多，现在我们知道，除了集热用途外，使用最广泛的就是太阳的发电用途，只要有阳光的地方，就可以利用太阳能发电。在此我们做一个类比，植物通过光合作用将太阳能转化为化学能储存在植物体内，主要部位是植物体内的叶绿体；而太阳能发电就是根据太阳光照射到半导体上能够产生电流的效应（光生伏特效应）将太阳能转化为电能的，主要元件是太阳能电池（板），又称为光伏电池。

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池。基于硅这种半导体，才慢慢发展成今天的光伏发电产业。如果是纯净的硅，那就可以认为它是绝缘体，而不是半导体，因为它几乎处于不导电状态，所以往往需要在硅里面掺杂其它的元素来提高硅的导电性能。在硅中掺入磷元素，就变为N型硅；掺入硼元素，就变为P型硅。一个硅太阳能电池中就存在一层N型硅和一层P型硅，N型硅和P型硅的交界处会形成一个PN结，这是太阳能电池的核心，所以太阳能电池板就是一块大面积的PN结。

在N型硅中存在多余的电子，而P型硅中有对应的位置来存放N型硅中的电子，这就是空穴。当太阳光照射到电池上时，电子和空穴吸收一定能量的光子，会使电子带负电，空穴带正电，它们可以自由移动，使得电池内部产生正负相反的电势差（电压）。如果这时在电池上加一个小灯泡，就会有电流通过，灯泡便会亮起来。

从这我们就可以知道，太阳能的获取条件是相当便利了，只要有一块太阳能电池板，就可以发电，可以用来给手机充电，可以提供照明，也可以给汽车提供动力。并且，太阳能电池是应用电子和空穴的移动来提供电力的，本身没有任何损耗，所以它的使用寿命特别长，目前市场应用的晶体硅太阳能电池寿命可达20-35年。

既然太阳能的获取如此便利，电池的寿命还如此之长，那为什么我们在市场上并没有见到多少太阳能产品？并且，我国是全球最大的电力生产与消费国，比如2016年全国598970亿千瓦·时的电力生产总量中，太阳能发电量仅占1.11%，而火电生产量占据71.60%的主导地位。是什么原因导致我们不能大规模使用太阳能呢？

这方面的原因主要有三个：太阳能（阳光）分布不均匀、系统成本高、发电效率低。有些地方阳光充足，日照时间长，适合建设大规模的太阳能光伏发电系统，比如我国西部的青藏高原、甘肃北部、新疆南部等地区，尤其是被称为“日光城”的拉萨市，全年日照时数可以达到3000小时以上；而像广东、浙江、四川等地，常年多阴雨，日照时数不足2000小时，能利用的太阳能资源条件较差。

如何提高太阳能电池的发电效率也是一大挑战。如果阳光照射到电池表面，这部分阳光的能量没有被电池吸收，而是反射了，那就浪费了，就没有转化为电力。目前最高效的太阳能电池也只能把44.5%的太阳能转化为电能，这是乔治·华盛顿大学于2017年设计出的锑化镓（GaSb）基太阳能电池。注意，这个效率是在实验室里获得的，而真正商用系统的发电效率仅15%-20%左右，与之形成鲜明对比的就是火力发电60%的转换效率。太阳能的转换效率低也正是阻碍光伏发电大面积商用推广的瓶颈。

太阳能发电系统的成本太高。不过近年来，太阳能光伏组件的原材料成本有所下降、技术工艺逐步升级，也导致它的系统成本也在逐年下降，截止2017年系统成本已经下降约70%，但仍高于火力和水力等常规发电方式。

另外，我们一直认为太阳能是一种环保无污染的清洁能源，说法没错，在使用它的过程中确实是没有任何污染的，但太阳能电池（尤其是晶体硅电池）的制造过程却是高能耗、高污染。晶体硅电池的主要原料是纯净硅（Si）。硅是地球上含量仅次于氧的元素，但其主要存在形式是沙子（SiO2），硅的熔点为1414℃，一般要在电弧炉中将硅砂还原成冶金级的硅，而眼下大多数电力都靠焚烧化石燃料产生，所以二氧化碳的排放就不可避免了。将冶金级的硅精炼，除去内部的杂质，让其纯度达到99.9999%以上的晶体硅，要经过多道物理和化学工序的处理，不仅需要消耗大量的能量，还会有剧毒的四氯化硅的产生，如何处理掉这些有毒液体又是一个新的问题。

有问题，就会有解决办法，只是我们的科技水平还不到位！

总有一天，我们会实现电影《阿凡达》里的场景，小到手持式电子设备，中到汽车飞机，大到固定建筑物，都有尺寸不一的光伏发电系统来供能，这就是未来的生态城市！所以，从现在开始吧，用清洁的能源，为美好生活注入绿色动力！