太陽能電池的發展歷史

1. 太陽能電池的歷史

術語「光生伏特（Photovoltaics）」來源於希臘語，意思是光、伏特和電氣的，來源於義大利物理學家亞歷山德羅·伏特的名字，在亞歷山德羅·伏特以後「伏特」便作為電壓的單位使用。
以太陽能發展的歷史來說，光照射到材料上所引起的「光起電力」行為，早在19世紀的時候就已經發現了。
1839年，光生伏特效應第一次由法國物理學家A.E.Becquerel發現。1849年術語「光－伏」才出現在英語中。
1883年第一塊太陽電池由Charles Fritts制備成功。Charles用硒半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結，器件只有1%的效率。
到了20世紀30年代，照相機的曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。
1946年Russell Ohl申請了現代太陽電池的製造專利。
到了20世紀50年代，隨著半導體物性的逐漸了解，以及加工技術的進步，1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發現在硅中摻入一定量的雜質後對光更加敏感這一現象後，第一個太陽能電池在1954年誕生在貝爾實驗室。太陽電池技術的時代終於到來。
自20世紀58年代起，美國發射的人造衛星就已經利用太陽能電池作為能量的來源。
20世紀70年代能源危機時，讓世界各國察覺到能源開發的重要性。
1973年發生了石油危機，人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。
在美國、日本和以色列等國家，已經大量使用太陽能裝置，更朝商業化的目標前進。
在這些國家中，美國於1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發電量可以高達16百萬瓦特。南非、波札那、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案，鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。
而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法，推廣每戶3,000瓦特的「市電並聯型太陽光電能系統」。在第一年，政府補助49%的經費，以後的補助再逐年遞減。「市電並聯型太陽光電能系統」是在日照充足的時候，由太陽能電池提供電能給自家的負載用，若有多餘的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候，所需要的電力再由電力公司提供。到了1996年，日本有2,600戶裝置太陽能發電系統，裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年後，已經有9,400戶裝置，裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。隨著環保意識的高漲和政府補助金的制度，預估日本住家用太陽能電池的需求量，也會急速增加。
在中國，太陽能發電產業亦得到政府的大力鼓勵和資助。2009年3月，財政部宣布擬對太陽能光電建築等大型太陽能工程進行補貼。

2. 光電池的發展歷史

1839年，安托石-貝克雷爾製造出了最早的光電池。貝克雷爾電池是一個圓柱體，內裝硝版酸鉛溶液，溶液中權進入一個鉛陽極和一個氧化銅陰極。這種電池一經陽光照射，就會供給電流。
1875年，德國技師維爾納-西門子是製成第一個硒光電池，並提議用於光量測定。西門子的光電池是根據1873年英國人史密斯發現的「內光電效應」提出的。
L.H.亞當斯於1876年指出，硒在光的作用下，不僅出現電阻的變化，而且在一定條件下還出現電動勢，從而發現了「阻擋層效應」。阻擋層效應則成了光電池的基本原理。光電池被廣泛地用於自動控制技術、信息電子學和測量技術。這些元件的性能約自1950年起，因半導體技術的發展而得到顯著改善。

3. 薄膜太陽能電池的發展歷史

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高分子新材料叢書回--高分子電池答材料

4. 太陽能電池的發展前景

《中國太陽能電池行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》數據顯示，回我國薄膜太陽能答電池產量呈現逐年快速增長態勢，由2009年的263MW飆漲至2015年的458MW，增勢強勁。
我國太陽能電池行業的發展歷史，從1958年研製出第一片晶體硅光伏電池開始，至今已走完從無到有、由小到大的進程。不過，我國太陽能電池市場存在不少問題，阻礙著行業進一步發展。
例如，上游原料和下游應用嚴重依賴海外，國內企業未能掌握相關核心技術，導致產業議價、抗風險能力弱；此外，多晶硅產業的弱勢地位，也長期困擾著太陽能電池行業。
總的來說，隨著光伏、光熱發電產業逐漸成熟，並進入繁榮期，太陽能電池有望保持穩定增長態勢。但是，在此過程中，國內企業要持續加大技術研發，打破國外壟斷，爭取更多話語權，提升國際競爭力。

5. 光伏發電的發展過程

早在1839年，法國科學家貝克雷爾（Becqurel）就發現，光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象後來被稱為「光生伏特效應」，簡稱「光伏效應」。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次製成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。
20世紀70年代後，隨著現代工業的發展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，傳統的燃料能源正在一天天減少，對環境造成的危害日益突出，同時全球約有20億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變人類的能源結構，維持長遠的可持續發展。
太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鍾到達地面的能量高達80萬千瓦時，假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×1012千瓦小時，相當於世界上能耗的40倍。正是由於太陽能的這些獨特優勢，20世紀80年代後，太陽能電池的種類不斷增多、應用范圍日益廣闊、市場規模也逐步擴大。
20世紀90年代後，光伏發電快速發展，到2006年，世界上已經建成了10多座兆瓦級光伏發電系統，6個兆瓦級的聯網光伏電站。美國是最早制定光伏發電的發展規劃的國家。1997年又提出「百萬屋頂」計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產佔世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規定了光伏發電上網電價，大大推動了光伏市場和產業發展，使德國成為繼日本之後世界光伏發電發展最快的國家。瑞士、法國、義大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發展計劃，並投巨資進行技術開發和加速工業化進程。
世界光伏組件在1990年——2005年年平均增長率約15%。20世紀90年代後期，發展更加迅速，1999年光伏組件生產達到200兆瓦。商品化電池效率從10%～13%提高到13%～15%，生產規模從1～5兆瓦/年發展到5～25兆瓦/年，並正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。光伏組件的生產成本降到3美元/瓦以下。 2011年，全球光伏新增裝機容量約為27.5GW，較上年的18.1GW相比，漲幅高達52%，全球累計安裝量超過67GW。全球近28GW的總裝機量中，有將近20GW的系統安裝於歐洲，但增速相對放緩，其中義大利和德國市場佔全球裝機增長量的55%，分別為7.6GW和7.5GW。2011年以中日印為代表的亞太地區光伏產業市場需求同比增長129%，其裝機量分別為2.2GW，1.1GW和350MW。此外，在日趨成熟的北美市場，新增安裝量約2.1GW，增幅高達84%。
其中中國是全球光伏發電安裝量增長最快的國家，2011年的光伏發電安裝量比2010年增長了約5倍，2011年電池產量達到20GW，約佔全球的65%。截至2011年底，中國共有電池企業約115家，總產能為36.5GW左右。其中產能1GW以上的企業共14家，占總產能的53%；在100MW和1GW之間的企業共63家，占總產能的43%；剩餘的38家產能皆在100MW以內，僅佔全國總產能的4%。規模、技術、成本的差異化競爭格局逐漸明晰。國內前十家組件生產商的出貨量佔到電池總產量的60%。
在今後的十幾年中，中國光伏發電的市場將會由獨立發電系統轉向並網發電系統，包括沙漠電站和城市屋頂發電系統。中國太陽能光伏發電發展潛力巨大，配合積極穩定的政策扶持，到2030年光伏裝機容量將達1億千瓦，年發電量可達1300億千瓦時，相當於少建30多個大型煤電廠。國家未來三年將投資200億補貼光伏業，中國太陽能光伏發電又迎來了新一輪的快速增長，並吸引了更多的戰略投資者融入到這個行業中來。
2015年上半年，全國累計光伏發電量190億千瓦時。
2015年9月7日，江蘇省首個供電所光伏發電項目在南京市浦口區正式並網運行，農村居民也用上了「綠色電」。接下來光伏發電項目將在農村變電所推廣。
2015年11月，安徽省來安縣全面啟動鄉村光伏發電項目，11個美好鄉村「空殼村」裝機容量為60KW以上的光伏電站進入招標程序。據初步估算，並網發電後各村每年能提供72000KWh清潔電能，村級集體經濟能增收5萬元以上。
2015年1-6月，全國新增光伏發電裝機容量773萬千瓦，截至2015年6月底，全國光伏發電裝機容量達到3578萬千瓦。
自2013年起，光伏發電連續3年新增裝機容量超過1000萬千瓦；截至2015年底，光伏發電累計裝機容量達到約4300萬千瓦，超過德國成為全球第一。此外，光伏產業正發力「走出去」。國家能源局數據顯示，2015年光伏電池及組件出口量達到2500萬千瓦以上，出口額達到144億美元。

6. 太陽能電池是怎麼發展的

當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行「陽光計劃」，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力。歐洲一些高水平的核研究機構也開始轉向可再生能源。在國際光伏市場巨大潛力的推動下，各國的太陽能電池製造業爭相投入巨資，擴大生產，以爭一席之地。

全球太陽能電池產業1994-2004年10年裡增長了17倍，太陽能電池生產主要分布在日本、歐洲和美國。2006年全球太陽能電池安裝規模已達1744MW，較2005年成長19%，整個市場產值已正式突破100億美元大關。2007年全球太陽能電池產量達到3436MW，較2006年增長了56%。

中國對太陽能電池的研究起步於1958年，20世紀80年代末期，國內先後引進了多條太陽能電池生產線，使中國太陽能電池生產能力由原來的3個小廠的幾百kW一下子提升到4個廠的4.5MW，這種產能一直持續到2002年，產量則只有2MW左右。2002年後，歐洲市場特別是德國市場的急劇放大和無錫尚德太陽能電力有限公司的橫空出世及超常規發展給中國光伏產業帶來了前所未有的發展機遇和示範效應。

目前，我國已成為全球主要的太陽能電池生產國。2007年全國太陽能電池產量達到1188MW，同比增長293%。中國已經成功超越歐洲、日本為世界太陽能電池生產第一大國。在產業布局上，我國太陽能電池產業已經形成了一定的集聚態勢。在長三角、環渤海、珠三角、中西部地區，已經形成了各具特色的太陽能產業集群。

中國的太陽能電池研究比國外晚了20年，盡管最近10年國家在這方面逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國外差距還是很大。政府應加強政策引導和政策激勵，盡快解決太陽能發電上網與合理定價等問題。同時可借鑒國外的成功經驗，在公共設施、政府辦公樓等領域強制推廣使用太陽能，充分發揮政府的示範作用，推動國內市場盡快起步和良性發展。

太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將佔到30%以上，而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的佔比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發電將占總電力的20%以上；到21世紀末，可再生能源在能源結構中將佔到80%以上，太陽能發電將佔到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。

7. 太陽能光伏電池是什麼時候發明的

太陽光發電的歷史可以追溯到1800年，貝克勒爾發現對某種半導體材料照射光後，會引起其伏安特性改變。最終，發現了光伏效應，並以此半導體製成太陽能光伏電池。1876年，英國科學家亞當斯等在研究半導體材料時發現了硒的光伏效應。1884年，美國科學家查爾斯製成了硒太陽能光伏電池，其轉換效率很低，僅有1％。其後，對氧化銅等半導體材料研究，同樣發現有光伏效應，所以也製成了以氧化銅等半導體材料為原料的太陽能光伏電池。
1954年，美國貝爾實驗室的皮爾松、佛朗等三名科學家利用硅晶體材料開發出性能良好的太陽能光伏電池，其轉換效率達6％，經過不斷改良後，成為現在的硅太陽能光伏電池。
太陽能光伏電池是1958年開始得到應用的。當時前蘇聯發射了人造衛星，美國也發射了人造衛星，在太空領域上，展開了激烈的競爭。前蘇聯發射的人造衛星使用的是原子能電池，美國發射的先驅者1號通信衛星採用的就是太陽能光伏電池。
由於太陽能光伏電池的價格特別高(高達1500美元／w)，而且剛開始性能還不穩定，因此僅用於航天器。到了20世紀60年代初才慢慢趨於穩定，70年代開始在航天器上大量使用。太陽能光伏電池的性能雖然已穩定，但價格還是很高，所以直到20世紀70年代初太陽能光伏電池還沒有得到廣泛應用，只可用於航天器、人造衛星、山頂上的差轉電台、海上航標燈、海島燈塔電源等，一些不計成本，必須用的場所。
到了1973年後，在石油危機的推動下，太陽能光伏電池進入了蓬勃發展時期，太陽能光伏電池開始在地面使用，而且地面用太陽能光伏電池的數量很快就大大超過了在航天器上的使用量。這個時期，不但出現了許多新型電池，而且因為引進了許多新技術，出現了鈍化技術、減反射技術、絨面技術、背表面場技術、異質結太陽能電池技術及聚光電池等非常有效的新技術。
1976年，美國ca公司的卡爾松發明了非晶硅太陽能光伏電池。該電池的轉換效率雖低於單晶硅，但製造時可以任意選配電壓電流比。
太陽能光伏電池的應用，到了20世紀80年代就比較廣泛了，特別是在民用電器上得到了廣泛應用，如太陽能計算器、太陽能手錶和太陽能手機充電器等。
這主要有兩個原因：一個是半導體集成電路的發展，使得電子產品消耗的電量大幅度下降，在室內燈光下，太陽能光伏電池也能產生電力，可以充分地使計算器等電子產品正常工作；另一個原因是電子產品工作所必需的電壓能從一個基片上得到，這樣一種新的集成型非晶硅太陽能光伏電池可以便宜地製造。太陽能光伏電池計算器實用化後，從手錶開始，逐漸推廣到各種電子產品的應用。
太陽能光伏電池除了可以用簡單的裝置就能夠直接發電這一優點外，在使用時還有如下的優點。
(1)不產生對環境有不良影響的排放氣體及有害物質，沒有雜訊。
(2)不僅在太陽光下可以發電，在熒光燈、白熾燈等擴散光下也可以發電。
(3)不需要更換電池。
(4)可以直接接到dc機械上。
(5)在使用場合就可以發電。
我國的太陽能光伏電池誕生的也比較早，而且我國也是應用較早的國家之一。
1959年，我國就誕生了第一隻有實用價值的太陽能光伏電池。1971年3月太陽能光伏電池首次應用於我國第二顆人造衛星(實踐1號)。而後，1973年太陽能光伏電池首次用於浮標燈。
20世紀70年代，我國開始生產太陽能光伏電池，70年代中末期引進國外關鍵設備和成套生產線，我國太陽能光伏電池的生產產業有了進一步的發展。

8. 太陽能的來歷

太陽能一般指太陽光的輻射能量。在太陽內部進行的由「氫」聚變成「氦」的原子核反應，不停地釋放出巨大的能量，並不斷向宇宙空間輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽內部的這種核聚變反應，可以維持幾十億至上百億年的時間。太陽向宇宙空間發射的輻射功率為380000000000000000000000kW的輻射值，其中20億分之一到達地球大氣層。到達地球大氣層的太陽能，30%被大氣層反射，23%被大氣層吸收，其餘的到達地球表面，其功率為800000億kW，也就是說太陽每秒鍾照射到地球上的能量就相當於燃燒500萬噸煤釋放的熱量。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風能，化學能，水的勢能等等。狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

人類對太陽能的利用有著悠久的歷史。我國早在兩千多年前的戰國時期，就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火；利用太陽能來乾燥農副產品。發展到現代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉換）和光電轉換兩種方式。太陽能發電一種新興的可再生能源利用方式。

使用太陽電池，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能，使用太陽能熱水器，利用太陽光的熱量加熱水，並利用熱水發電，利用太陽能進行海水淡化。現在，太陽能的利用還不很普及，利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題，但是太陽電池在為人造衛星提供能源方面得到了應用。

太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367kw/㎡。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。在海平面上的標准峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/㎡，相當於有102000TW 的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外），雖然太陽能資源總量相當於現在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。

盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鍾照射到地球上的能量就相當於500萬噸煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源於太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。為人類創造了一種新的生活形態，使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。

9. 太陽能電池的起源

太陽的光輝普照大地，它是明亮的使者，太陽的光除了照亮世界，使植物通過光合作用把太陽光轉變為各種養分，供人們食用，產生纖維質供人們做衣服，生長木材給我們建築房屋以外，太陽的光還可以通過太陽能電池轉變為電．太陽能電池是一種近年發展起來的新型的電池．太陽能電池是利用光電轉換原理使太陽的輻射光通過半導體物質轉變為電能的一種器件，這種光電轉換過程通常叫做「光生伏打效應」，因此太陽能電池又稱為「光伏電池」，用於太陽能電池的半導體材料是一種介於導體和絕緣體之間的特殊物質，和任何物質的原子一樣，半導體的原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，半導體硅原子的外層有4個電子，按固定軌道圍繞原子核轉動．當受到外來能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而成為自由電子，並在原來的位置上留下一個「空穴」，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的．如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由於這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號N代表．若把這兩種半導體結合，交界面便形成一個P－N結．太陽能電池的奧妙就在這個「結」上，P－N結就像一堵牆，阻礙著電子和空穴的移動．當太陽能電池受到陽光照射時，電子接受光能，向N型區移動，使N型區帶負電，同時空穴向P型區移動，使P型區帶正電．這樣，在P－N結兩端便產生了電動勢，也就是通常所說的電壓．這種現象就是上面所說的「光生伏打效應」．如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯、並聯起來，就能產生一定的電壓和電流，輸出功率．製造太陽電池的半導體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多．目前，技術最成熟，並具有商業價值的太陽電池要算硅太陽電池．

1953年美國貝爾研究所首先應用這個原理試製成功硅太陽電池，獲得6%光電轉換效率的成果．太陽能電池的出現，好比一道曙光，尤其是航天領域的科學家，對它更是注目．這是由於當時宇宙空間技術的發展，人造地球衛星上天，衛星和宇宙飛船上的電子儀器和設備，需要足夠的持續不斷的電能，而且要求重量輕，壽命長，使用方便，能承受各種沖擊、振動的影響．太陽能電池完全滿足這些要求，1958年，美國的「先鋒一號」人造衛星就是用了太陽能電池作為電源，成為世界上第一個用太陽能供電的衛星，空間電源的需求使太陽電池作為尖端技術，身價百倍．現在，各式各樣的衛星和空間飛行器上都裝上了布滿太陽能電池的「翅膀」，使它們能夠在太空中長久遨遊．我國1958年開始進行太陽能電池的研製工作，並於1971年將研製的太陽能電池用在了發射的第二顆衛星上．以太陽能電池作為電源可以使衛星安全工作達20年之久，而化學電池只能連續工作幾天．

空間應用范圍有限，當時太陽電池造價昂貴，發展受到限．70年代初，世界石油危機促進了新能源的開發，開始將太陽電池轉向地面應用，技術不斷進步，光電轉換效率提高，成本大幅度下降．時至今日，光電轉換已展示出廣闊的應用前景．

太陽能電池近年也被人們用於生產、生活的許多領域．從1974年世界上第一架太陽能電池飛機在美國首次試飛成功以來，激起人們對太陽能飛機研究的熱潮，太陽能飛機從此飛速地發展起來，只用了六七年時間太陽能飛機從飛行幾分鍾，航程幾公里發展到飛越英吉利海峽．現在，最先進的太陽能飛機，飛行高度可達2萬多米，航程超過4000公里．另外，太陽能汽車也發展很快．

在建造太陽能電池發電站上，許多國家也取得了較大進展．1985年，美國阿爾康公司研製的太陽能電池發電站，用108個太陽板，256個光電池模塊，年發電能力300萬度．德國1990年建造的小型太陽能電站，光電轉換率可達30％多，適於為家庭和團體供電．1992年美國加州公用局又開始研製一種「革命性的太陽能發電裝置」，預計可供加州1／3的用電量．用太陽能電池發電確實是一種誘人的方式，據專家測算，如果能把撒哈拉沙漠太陽輻射能的1％收集起來，足夠全世界的所有能源消耗．

在生產和生活中，太陽能電池已在一些國家得到了廣泛應用，在遠離輸電線路的地方，使用太陽能電池給電器供電是節約能源降低成本的好辦法．芬蘭製成了一種用太陽能電池供電的彩色電視機，太陽能電池板就裝在住家的房頂上，還配有蓄電池，保證電視機的連續供電，既節省了電能又安全可靠．日本則側重把太陽能電池應用於汽車的自動換氣裝置、空調設備等民用工業．我國的一些電視差轉台也已用太陽能電池為電源，投資省，使用方便，很受歡迎．

當前，太陽能電池的開發應用已逐步走向商業化、產業化；小功率小面積的太陽能電池在一些國家已大批量生產，並得到廣泛應用；同時人們正在開發光電轉換率高、成本低的太陽能電池；可以預見，太陽能電池很有可能成為替代煤和石油的重要能源之一，在人們的生產、生活中佔有越來越重要的位置．

光電效應與康普頓效應

我們已明確指出光的本質是電磁波，它具有波動的性質．但近代物理又證明，光除了具有波動性之外還具有另一方面的性質，即粒子性．至於光具有粒子性，最好的例證就是著名的「光電效應」和「康普頓效應」．由於光電效應與康普頓效應研究的都是光子與電子之間的相互作用，這就使有些人自然產生一個疑問：既然研究的對象相同，那麼，為什麼有時討論光電效應，有時又討論康普頓效應呢？到底兩種效應有什麼區別？有什麼聯系呢？下面我們就從光電效應的物理本質及規律，康普頓效應的物理本質及規律，光電效應與康普頓效應的關系這三個方面來回答這些問題．

1、光電效應的物理本質及規律

在麥克斯韋預言了電磁波的存在以後，為了證實電磁波的存在，德國物理學家赫茲於1887年首先發現用紫外光照射放電火花隙的負電極時，會使放電更易產生．爾後，其他物理學家都繼續對此進行了研究，發現用紫外光以及波長更短的X光照射一些金屬，同樣觀察到金屬表面有電子逸出的現象．於是，物理學家就把在光（包括不可見光）的照射下金屬表面逸出電子的現象稱為光電效應．所逸出的電子叫光電子，這一名字僅為了表示它是由於光的照射而從金屬表面飛出的這一事實．事實上它與通常的電子毫無區別．光電子的定向運動所形成的電流叫做光電流．光電效應的規律可歸納為以下幾點：

（1）飽和光電流與入射光的強度成正比，即單位時間內受光照射的電極（金屬）上釋放出來的電子數目與入射光的強度成正比．

（2）光電子的最大初動能（或遏止電壓）隨入射光的頻率線性地增加而與入射光的強度無關．

（3）當光照射某一金屬時，無論光的強度如何，照射時間多長，若入射光的頻率小於某一極限頻率，則都沒有光電子逸出，即不發生光電效應．

（4）只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會選出光電子，其時間間隔不超過 秒，幾乎是瞬時的，與入射光的強度無關．

在解釋上述光電效應的規律時，經典的波動理論遇到了不可克服的困難．為此，偉大的物理學大師——愛因斯坦於1905年提出了一個非凡的光量子假設．他認為光也具有粒子性，這些光粒子稱為光量子，簡稱光子．每個光子的能量是 ，h是普朗克常數， 是光的頻率．

按照光子假設，當光射到金屬表面時，金屬中的電子把光子的能量全部吸收，電子把這部分能量作兩種用途，一部分用來掙脫金屬對它的束縛，即用作逸出功W，餘下一部分轉換成電子離開金屬表面後的初動能 ．按能量守恆與轉換定律，應有：

這就是有名的愛因斯坦光電效應方程．

利用愛因斯坦光電效應方程能圓滿地解釋光電效應諸規律．

首先，根據光子假設，入射光的強度（即單位時間內通過單位垂直面積的光能）決定於單位時間里通過單位垂直面積的光子數．當入射光的強度增加時，單位時間里通過金屬表面的光子數也就增多，於是，光子與金屬中的電子碰撞次數也增多，因而單位時間里從金屬表面逸出的光電子也增多，這些逸出的光電子全部到達陽極便形成所謂的飽和電流．所以，飽和電流與入射光強度成正比．

其次，由愛因斯坦光電效應方程可知，對於一定的金屬而言，因逸出功W一定，故光電子的最大初動 能隨入射光頻率 成線性關系而與光強度無關．

第三，由愛因斯坦光電效應方程可見，如果入射光的頻率過低，以至於 ，那麼，金屬表面就根本不會有光電子逸出，盡管是入射光強度很大．顯然，只有當入射光的頻率 時，才會有光電流出現．事實上，這里的就是光電效應規律中所說的極限頻率，又名「紅限」，各種金屬的紅限各不相同．

第四，當光子與金屬中的電子相互作用時，電子能夠一次性全部吸收掉光子的能量，因而光電效應的產生無需積累能量的時間，幾乎是一觸即發．

2、康普頓效應的物理本質及規律

一般的光散射知識告訴我們，只有當光通過光學性質不均勻的媒質時，光散射現象才會發生．但是實驗發現，當波長很短的光（電磁波），如X射線、 射線等通過不含雜質的均勻媒質時，也會產生散射現象，且一反常態，在散射光中除有與原波長 相同的射線外，還有比原波長 大的射線（ ）出現．這現象首先由美國物理學家康普頓於1922～1923年間發現，並作出理論解釋，故稱康普頓效應，亦稱康普頓散射．

康普頓效應的規律可歸納成如下幾點：

（1）康普頓效應中波長的改變 與原入射光波長 和散射物質無關，而與散射方向有關．當散射角（散射線與入射線之間的夾角）增大時， 也隨之增大．

（2）康普頓效應隨散射物質原子量的增大而減弱．

經典波動理論同樣解釋不了上述康普頓效應的規律．為此，康普頓接受了愛因斯坦的光子假設，認為康普頓效應是由於光子與散射物質中的電子作彈性碰撞的結果．在輕原子中，原子核對電子的束縛較弱，電子的電離能只有幾個電子伏特，遠小於X光光子的能量（ 電子伏特），故在兩者碰撞過程中，可把電子看作是靜止且自由的．具體分析如下：設電子的靜止質量為 ，碰撞前，電子的能量為 ，動量為零；X光光子的能量為 ，動量為 ，碰撞後，電子獲得速度為v，能量為 ，動量為mv，X光光子的能量變為 ，動量變為 ，散射角為 ，如圖所示．碰撞過程因能量、動量都守恆，故有：

（1）

（2）

根據相對論，式中電子靜止質量 與運動質量m的關系為：

（3）

將（1）式移項平方得：

（2）式乘 得：

以上兩式相減得：

將（3）式兩邊平方後代入上式，得：

或：

由於 ，代入上式得：

（4）

式中：

（米）是一個常數，叫康普頓波長，若以 表示之，則（4）式可寫成：

（4′）

（4′）式常稱為康普頓公式．從公式的推導過程可見，在康普頓效應中，發生波長改變的原因是：當X光的光子與「自由電子」碰撞後，光子將沿某一方向（ 角）散射．同時，碰撞過程中把一部分能量傳遞給「自由電子」，這樣，散射光子的能量就小於入射光子的能量．因為光子能量與頻率成正比，所以散射光的波長就大於入射光的波長．

另外，原子中內層的電子一般都被原子核束縛得很緊密，特別是重原子中．光子與這些束縛電子碰撞，實際上是與整個原子碰撞，由於原子的質量比電子大得多，根據康普頓公式計算的波長改變數小得幾乎測不出．原子序數愈大，內層電子愈多，與原子核結合而成的原子也愈重，波長不改變的成分也愈多，即康普頓效應愈弱．

3、光電效應與康普頓效應的關系

光電效應與康普頓效應在物理本質上是相同的，它們研究的對象不是整個入射光束與散射物質，而是光束中的個別光子與散射物質中的個別電子之間的相互作用．與兩種效應相對應的愛因斯坦方程和康普頓公式都建立在光子假設基礎上．光電效應主要是產生光電子，而康普頓效應主要是產生波長改變的散射光，但也向電子傳遞動量．研究光電效應和康普頓效應時都用到了能量守恆定律．

光電效應與康普頓效應的主要差別首先表現在入射光波的波長不同．原則上，任何波長的光和電子碰撞後都能發生康普頓效應．但是，對於可見光和紅外光，效應中波長的相對改變太小不易觀察．如波長為4000埃的紫光，在散射角 時，其波長的改變 埃，則．然而，對波長 埃的X光，則 ，波長更短的 光，相對改變將達百分之百！所以，就一般而言，產生光電效應的光主要是可見光和紫外光，而產

生康普頓效應的光主要是波長很短的X射線和 射線等．

其次，在康普頓效應中，與入射光子相互作用的個別電子是作為「自由電子」身分出現的，考慮的是光子與自由電子的彈性碰撞，在此過程中，不僅能量守恆而且動量也守恆．實際上，只有在電子和原子核（實為原子實）之間的束縛能量遠小於光子能量時才正確．而在光電效應中，與入射光子相互作用的個別電子並沒有看作「自由電子」，而是以一種束縛態出現的．按理，我們必須同時考慮光子、電子和原子實三者的能量和動量變化．但是，由於原子實的質量比電子的質量大幾千倍以上，因此，原子實的能量變化很小，可以略去不計．愛因斯坦方程只表示出光子和電子之間的能量守恆而沒有相應的光子和電子的動量守恆關系式就是由於這個緣故．

由此可得結論：當光子從光子源發出，射入散射物質（一般指金屬）時，主要是與電子發生作用．如果光子的能量相當低（與電子束縛能同數量級），則主要產生光電效應，原子吸收光子而產生電離．如果光子的能量相當大（遠超過電子的束縛能）時，則我們可以認為光子對自由電子發生散射，而產生康普頓效應．更為有趣的是，當光子的能量大於一個兆電子伏特時，還能出現電子對效應（物質吸收光子後發射一對正、負電子的現象）．

10. 單晶,多晶硅,薄膜電池發展歷程及各種太陽能電池的有缺點 近幾年轉換效率

1）單晶硅太陽能電池
單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高的達到24%，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，但製作成本很大，以致於它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由於單晶硅一般採用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。
（2）多晶硅太陽能電池
多晶硅太陽電池的製作工藝與單晶硅太陽電池差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少，其光電轉換效率約12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界最高效率多晶硅太陽能電池)。 從製作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要便宜一些，材料製造簡便，節約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發展。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。從性能價格比來講，單晶硅太陽能電池還略好。
（3）非晶硅太陽能電池
非晶硅太陽電池是1976年出現的新型薄膜式太陽電池，它與單晶硅和多晶硅太陽電池的製作方法完全不同，工藝過程大大簡化，硅材料消耗很少，電耗更低，它的主要優點是在弱光條件也能發電。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低，目前國際先進水平為10%左右，且不夠穩定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減。 （4）多元化合物太陽電池 多元化合物太陽電池指不是用單一元素半導體材料製成的太陽電池。現在各國研究的品種繁多，大多數尚未工業化生產，主要有以下幾種：a) 硫化鎘太陽能電池b) 砷化鎵太陽能電池c) 銅銦硒太陽能電池(新型多元帶隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太陽能電池) Cu(In, Ga)Se2是一種性能優良太陽光吸收材料，具有梯度能帶間隙（導帶與價帶之間的能級差）多元的半導體材料，可以擴大太陽能吸收光譜范圍，進而提高光電轉化效率。以它為基礎可以設計出光電轉換效率比硅薄膜太陽能電池明顯提高的薄膜太陽能電池。可以達到的光電轉化率為18%，而且，此類薄膜太陽能電池到目前為止，未發現有光輻射引致性能衰退效應（SWE），其光電轉化效率比目前商用的薄膜太陽能電池板提高約50~75%，在薄膜太陽能電池中屬於世界的最高水平的光電轉化效率。
光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯後進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。光伏發電的優點是較少受地域限 制，因為陽光普照大地;光伏系統還具有安全可靠、無雜訊、低污染、無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電及建設同期短的優點。 光伏發電是根據光生伏特效應原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。不論是獨立使用還是並 網發電,光伏發電系統主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構成，不涉及機械部件,所以,光伏發電設備極為精 煉,可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。理論上講,光伏發電技術可以用於任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源 無處不在。太陽能光伏發電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用於一些小系 統和計算器輔助電源等。 國產晶體硅電池效率在10至13%左右，國外同類產品效率約18至23%。由一個或多個太陽能電池 片組成的太陽能電池板稱為光伏組件。目前，光伏發電產品主要用於三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區居民生活生產提供電力，還有微波中 繼電源、通訊電源等，另外，還包括一些移動電源和備用電源；二是太陽能日用電子產品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等；三是並網發電，這 在發達國家已經大面積推廣實施。我國並網發電還未起步，不過，2008年北京奧運會部分用電將會由太陽能發電和風力發電提供。