為什么要寫這篇文章呢？其實事情的起因是這樣的。 

圖片來源：作者自制 

　　充電電池的開路電壓（不放電時正負(fù)兩極之間的電位差）是由電池正、負(fù)極與電解材料決定的。這是由不同材質(zhì)的電化學(xué)反決定的。也就是說，只要正負(fù)極材料一樣，不管電池多大、容量多大，電壓都是一樣的。而且1.5v/1.2v也只是標(biāo)稱電壓,非實際電壓。比如1.2V的鎳鉻、鎳氫電池，標(biāo)稱1.2V，充滿是1.4V甚至更高一些，放電可以到1V。 


Figure2 鎳鎘電池 

圖片來源： 

　　https://detail.1688.com/offer/537874620327.html?tracelog=mfny_detail_list 

　　電池里的能源從哪兒來？ 

　　能源對于社會進(jìn)步具有不可磨滅的巨大推進(jìn)作用，近幾十年來，隨著人們對物質(zhì)生活的更高要求，社會的發(fā)展對能源的需求越來越大，對各種能源開發(fā)，以及各種能源的利用率的提高迫在眉睫。 

　　  


Figure3 不同能源的利用情況 

圖片來源：https://new.qq.com/omn/20190220/20190220A0ACPW00 

　　可以發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)能量的本源都是太陽能，太陽能是一種的熱輻射能，是太陽經(jīng)過熱核反應(yīng)向外界釋放的能量。雖然最終到達(dá)地球的能量相對于太陽釋放的能量非常少，只有幾十億分之一，但是這卻是地球光熱能的主要來源，足以使得地球上的各種生物能夠生存繁衍下來。對于太陽能有許多優(yōu)勢促使我們積極利用以滿足能源需求。首先，地球上到處都有太陽輻射，而且有很多，Figure 4 展示了全球的太陽能平均輻射量，可以看到雖然太陽能輻射量在全球分布沿赤道向南北極遞減，但是分布極為廣泛。 


Figure 4 全球平均太陽能輻射量 

圖片來源：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/SolarGIS-Solar-map-World-map-en.png. 

　　如何把太陽能轉(zhuǎn)化為電能？ 

　　太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了一百多年的時間，太陽能電池的工作基本原理是基于光伏效應(yīng)（photovoltaic effect）。光伏效應(yīng)是在 1839 年由當(dāng)時只有 19 歲的法國物理學(xué)家Alexandre-Edmond Becquerel發(fā)現(xiàn)的。 


Alexandre-Edmond Becquerel 

圖片來源： http://blog.sina.com.cn/s/blog_d627de6f0101nvjb.html 

　　    說起他，可是一門三杰、在法國自然科學(xué)界大名鼎鼎的貝克賴爾家族的一員。他的父親Antoine César Becquerel（老貝克賴爾）是法國皇家科學(xué)院成員，一生在電化學(xué)領(lǐng)域成就卓著；他的兒子Antoine Henri Becquerel（小貝克賴爾）更是有名，因發(fā)現(xiàn)天然放射性，與居里夫婦共同獲得1903年諾貝爾獎） 

　　當(dāng)前，世界各國對于太陽能的利用都出現(xiàn)持續(xù)且迅速的增長，而作為太陽能利用的重要組件光伏電池，產(chǎn)量也在持續(xù)增長。 

　　光伏效應(yīng)與光電效應(yīng) 


Figure 5 2010 年至 2017 年每年電池系統(tǒng)安裝量 

圖片來源：百度學(xué)術(shù) 


Figure 6 2010 年至 2017 年累計電池系統(tǒng)安裝量 

圖片來源：百度學(xué)術(shù) 

　　由圖可以看出，我國不僅光伏電池產(chǎn)量多，同時我國也逐漸取代德國，成為每年與累計光伏系統(tǒng)安裝最多的國家。 

圖片來源： 

https://zhidao.baidu.com/question/1577493411329934900.html 

　　而光伏效應(yīng)與光電效應(yīng)相似。首先我們簡單介紹一下什么是光電效應(yīng)：光電效應(yīng)是一個重要且神奇的現(xiàn)象，簡單講就是材料吸收高于其臨界頻率的光之后發(fā)出電子。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。這個現(xiàn)象雖然早在1887年就被德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)了。但卻是在1905 年才被阿爾伯特·愛因斯坦正確的解釋。愛因斯坦假定光由固定能量量子-光子組成。光子能量由如下公式計算： 

　　其中 h 是普朗克常數(shù)，v 是光波頻率。按照愛因斯坦的粒子說理論解釋：光是由一份一份不連續(xù)的光子組成，當(dāng)某一光子照射到對光靈敏的物質(zhì)上時，它的能量可以被該物質(zhì)中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量后，動能立刻增加;如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能在十億分之一秒時間內(nèi)飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。 

　　太陽能電池工作過程與光電效應(yīng)形成電流的過程有著相似之處。基于光伏效應(yīng)的太陽能電池工作可理解為以下過程：材料吸收光子產(chǎn)生載流子。如下圖所示。如果到達(dá)材料的光子能量小于帶隙 Eg，則不會被吸收。在一個電子從 Ei被激發(fā)到 Ef時就會在 Ei處產(chǎn)生一個空位。這個空位就會表現(xiàn)地像帶正電子的粒子，稱為空穴。打一個比方，這就相當(dāng)于屋子里面的座位是坐滿的，那大家串動座位都很難，只有幾個商量好的可以互相交換座位。而如果屋子里面由于太熱（相當(dāng)于材料吸收了一些能量），有幾個人出去了（相當(dāng)于在材料中形成了空穴），那么班級的座位就會流動起來。而電子和空穴的定向流動就形成了電流。而光伏效應(yīng)（photovoltaic effect），就是兩種不同材料的接觸點在電磁輻射的影響下產(chǎn)生電勢差。 

圖片來源：溫金珂, 汪洪. Mg:Fe:LiNbO_3晶體的光折變和光生伏特效應(yīng)[J]. 人工晶體學(xué)報, 1989(3):222-224. 

　　光伏電池都有哪些種類？ 

　　   晶體硅太陽能電池，這種材料間接帶隙為 1.12 eV，對應(yīng)的波長為 1107 nm。這種太陽能電池轉(zhuǎn)換效率很高，但是成本較高且制備工藝繁瑣，對環(huán)境污染嚴(yán)重。  

圖片來源： 

https://baike.sogou.com/historylemma?lId=49566194&cId=95887969 

　　薄膜太陽能電池，包括多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅太陽能電池以及多元化合物薄膜太陽能電池，這些太陽能電池由于制備方法多樣使得成本相比晶體硅太陽能電池低，且轉(zhuǎn)換效率也相對較高。但是由于這類材料會存在穩(wěn)定性不高或者材料來源問題（銦、硒等稀有元素）以及存在的污染問題限制了其發(fā)展。 

圖片來源:http://www.ocn.com.cn/reports/2009792baomotyndc.shtml 

　　有機(jī)太陽能電池，包含染料敏華太陽能電池、有機(jī)半導(dǎo)體以及目前發(fā)展迅速的有機(jī)無機(jī)雜化的鈣鈦礦太陽能電池。這一類太陽能電池因制備方法更加簡便，降低了對環(huán)境的污染并且成本大大降低而被廣泛關(guān)注。 

圖片來源：http://www.sohu.com/a/248935980_135814 

　　  

　　參考文獻(xiàn)： 

　　L. Freris and D. Infield, Renewable Energy in Power Systems [B]. John Wiley & Sons Inc, Chichester, United Kingdom, 2008 

　　J？ger-Waldau, A., PV Status Report 2017 [B], EUR 28817 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2017.  

太陽能電池跟電池有啥區(qū)別？

圖文簡介

摘要：太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了一百多年的時間，太陽能電池的工作基本原理是基于光伏效應(yīng)。基于光伏效應(yīng)的太陽能電池工作可理解為以下過程：材料吸收光子產(chǎn)生載流子。如果到達(dá)材料的光子能量小于帶隙 Eg，則不會被吸收。在一個電子從 Ei被激發(fā)到 Ef時就會在 Ei處產(chǎn)生一個空位。這個空位就會表現(xiàn)地像帶正電子的粒子，稱為空穴。電子和空穴的定向流動就形成了電流。