[科普中国]-潜力无穷的太阳能应用

近日，印度建成了一个完全依靠太阳能供电的飞机场。飞机场的电全部由太阳能板所产生的电量提供，这个机场现在已经可以完全脱离传统的电力供应。

这个太阳能机场建在印度南部喀拉拉邦科钦，科钦国际机场现在成为了全球第一个完全由太阳能来供应电力的机场。科钦机场是印度首个国际机场，据2012年的统计，它印度第四繁忙的机场，有第七繁忙的国际客运量。
众所周知，人类的发展需要寻找能够代替传统能源的新型的清洁能源，其中一个重要的方面就是对太阳能的开发和利用。科钦机场用太阳能来供应电力的改造就是一次很好的实践。
太阳能电池是一种直接将阳光转化为电能的电子器件。太阳能电池的结构是怎样的？它又是如何将太阳能转化为电能的呢？
太阳能电池的基本结构
太阳能电池是一种直接将阳光转化为电能的电子器件。光线照射在太阳能电池上产生出光生电流和电压，从而获得电功率。这一转变过程首先需要材料吸收光线，使电子获得更高的能量，接着具有更高能量的电子从电池移动到外电路中，释放出额外的这部分能量，再回到太阳能电池中。

太阳能电池工作的基本过程：
产生光生载流子——收集光生载流子从而产生电流——产生较大的光生电压——将产生的功率分配给负载及寄生电阻。
光生电流的过程
在太阳能电池中产生“光生电流”包括两个重要的过程。首先是吸收入射光子产生电子空穴对。当入射光子的能量高于带隙间能量时可以产生电子空穴对。p型材料中的电子与n型材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内，以相对稳定的状态存在，直到复合。当载流子复合后，光生电子空穴对将消失，没有电流和功率产生。
接下来是pn结收集这些光生载流子的过程。采用pn结结构产生的自建电场，可以在空间上分离电子与空穴从而阻止其复合。当光生少子到达pn结边缘，将被自建电场迅速所驱动，迅速通过pn结，成为多数载流子。当太阳能电池的基极与发射极相联（即电池被短路）时，光生载流子将通过外电路。
光生伏特效应
对光生载流子的收集并不能直接对产生功率做出贡献，除了电流，还要有电压，才能形成功率的产生。太阳能电池中的电压由“光伏效应”产生。
对光生载流子的收集过程使得在pｎ结中ｎ型一侧聚集电子，在ｐ型一侧聚集空穴。在短路电流状态下，载流子流出器件形成光生电流。
如果光生载流子被阻止流出太阳能电池，则对光生载流子的收集使得pn结的n型一侧电子数目增加，同时ｐ型一侧的空穴数目增加。这种电荷的分离在pn结上产生了一个方向与自建电场相反的电场，从而消弱了净电场。
产生的电场对正向扩散电流来说是一个势垒，而电场的削弱增加了扩散电流，当pn结上产生新的电势，一个新的平衡随即产生。
中国需要大力发展太阳能
同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点。
能源枯竭的威胁可能来的更早。人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技术落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早。
能源供需缺口将越来越大。2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，短缺25％以上。
过度依赖煤炭，环境影响更加严重。煤炭几乎满足了我国一次能源需求的70％，66％的城市大气颗粒物的含量和22％的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍。环境专家估计，大气中90％的二氧化硫和70％的烟尘来自于燃煤。
煤废料的处理仍是问题。煤炭开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素。
人类的发展需要寻找能够代替传统能源的新型的清洁能源，其中一个重要的方面就是太阳能的开发和利用。