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地球能量的源泉--太阳
太阳的能量来自于太阳内部的核聚变，其所蕴藏的能量非常巨大，并且不断向外辐射。据粗略估计，太阳向宇宙全方位辐射的总能量流为4×10^26 J/s。其中，向地球输送的光和热，每分钟达250亿亿卡的热能（2.5×10^18 cal/min），换算成煤炭能源，大致相当于燃烧4亿吨所产生的能量。单单一年的时间（按365天计算），太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类现有各种能源在同一年中所提供能量的上万倍[1]。所以说，太阳是地球能量的源泉，而地面上能够接受到的能量大小、光谱分布等具体状况，就是我们未来利用太阳能的直接依据。
图1 太阳辐射示意图（图片来源：h.ttp://www.360doc.com/content/18/0628/21/16806734_766191096.shtml略有修改)
太阳能是可再生能源中的优良选择
对太阳能的利用，最主要的思路是太阳能发电。现今的太阳能发电主要包括两大方面，一是光热发电，二是光伏发电。光热发电是需要在直接辐射太阳能较高的地方，并辅以聚光条件才能具有利用价值。世界范围内西班牙地区的光热发电尝试较多，中科院电工研究所亦于北京延庆建有太阳能热发电示范电站。
图2 位于西班牙塞维利亚的塔式太阳能光热电站
（图片来源：MuhammadB H, Danish A, Keitumetse C M, et al. Solar energy-A look into powergeneration, challenges, and a solar-powered future. [J]. International Journal ofEnergy Research, 2019, 43(3):1049-1067.）
光伏发电是指利用一种能产生“光伏效应（将光能转换成电能）”的器件来发电，其载体是太阳电池，商业化的产品是以电池板组件的形式直接转换太阳的辐射能。简单的说，光伏发电可以用在地球上任何有阳光的地方。光伏发电产生的电能应用大致分三种。第一种是独立应用，可细分为分布式和一家一户的各自使用。尤其是在中国的偏远山区和海岛中，光伏发电的独立应用就显得非常灵活。
图3 海上的独立光伏系统
（图片来源：https://b2b.hc360.com/viewPics/supplyself_pics/）365546039.html
第二种是并网应用，就是将光伏电站产生的电能，输入到广阔的城市用电市场。从最初的辅助能源，逐渐向着替代、乃至成为发电主力的能源形式发展，最终实现光伏领域常提起的“平价上网”的目标。
第三种是从独立应用衍生出的一些新型光伏应用的产品。例如，图5中的薄膜太阳能发电伞（汉伞）是一款集离网供电、储电、夜间照明、终端充电四大功能于一身的产品。伞布表面通过车缝工艺铺设了一层大功率柔性铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池板，功率可达50.8瓦，内置138 wh（瓦时）容量的储能电池，可供小型电器充电。图6所示为建筑薄膜光伏发电墙-汉墙，该产品将铜铟镓硒薄膜太阳能技术植入到建筑玻璃中，让玻璃成为“发电体”，再通过一些技术方案，与建筑外墙结合在一起，让建筑外墙成为“发电墙”。
图5 薄膜太阳能发电伞-汉伞
（图片来源:http://www.hanergyshop.com/wap/goods）
图6 光伏建筑一体化（BIPV）的薄膜太阳能产品-汉墙
（图片来源：http://www.hanergymobileenergy.com/content/）solarBuildingSeries/solarBuildingSeries_2670.htmll
除了汉伞和汉墙，还有很多新型光伏应用的产品，如光伏住宅屋顶、光伏充电式海洋气象浮标观测仪、市政用光伏智能井盖等等。这说明，光伏产品的创新型应用为人类生活提供了极大的便利。
太阳电池工作原理
光伏发电，最简单地说就是当具有特殊结构的半导体器件，受到光照射时将产生直流电压（或电流）；当光照停止后，电压（或电流）就会立即消失。太阳电池就是利用光伏效应产生电力输出的半导体器件。在一个低掺杂的n型半导体衬底上，通过硼（B）扩散形成浅结p型发射层，构成pn结，再在该层上制备金属栅极、减反射膜，以增加进入电池的入射光并有效收集电流。当太阳光照射在太阳电池上时，具有足够能量的光子会将其中的电子进行激发，产生电子-空穴对。在空间电荷的电场作用下被相互分离，电子向带正电的N区运动，空穴向带负电的P区运动。在稳态下，外电路呈现出开路电压，倘若在外电路接上负载，太阳电池就会输出电流，对外电路做功。
图7 典型晶硅太阳电池的结构示意图（林新璐绘）
结 语
笔者作为太阳电池领域的一线科研工作者，深感发展大规模太阳能源将是非常光荣而艰巨的事业。以光伏发电为例，当今中国的光伏产业在经历了多年的快速发展之后，在2018年经历了行业低谷，“531”政策的实施使得光伏补贴降低、产品利润下降、企业盈利能力堪忧。但与此同时，也加速了中上游企业的“洗牌”，淘汰落后产能，促进企业加大技术创新投入，加速光伏补贴完全退出市场，促使我国光伏平价上网时代更早的到来。无论外部环境如何，对光伏领域的科研工作者来说，太阳电池的效率和成本仍是最核心的问题。随着越来越多的科研工作者们投入到各类太阳电池的研发之中，我国在光伏材料、器件及应用方面都取得了重大进展，相信未来的太阳能产业，必定会进一步地发展与扩大。
参考文献：
[2] Muhammad B H,Danish A, Keitumetse C M, et al. Solar energy-A look into power generation,challenges, and a solar-powered future. [J]. International Journal of EnergyResearch, 2019, 43(3):1049-1067.
来源：中科院电工研究所供稿