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百年光伏:光伏发电的发现、原理、论证及工业化历程

2023-05-30 13:07:23 708

摘要:上期我们讲到了光伏发电的原理是爱因斯坦1905年发表的《关于光的产生与转换的一个启发性观点》,论文详细阐述了光电效应。但是,实际上光电效应的理论推导是一个漫长的过程,做出贡献的也不止爱因斯坦。一、光电效应的发现和理论论证1839年,时年仅1...

上期我们讲到了光伏发电的原理是爱因斯坦1905年发表的《关于光的产生与转换的一个启发性观点》,论文详细阐述了光电效应。

但是,实际上光电效应的理论推导是一个漫长的过程,做出贡献的也不止爱因斯坦。

一、光电效应的发现和理论论证

1839年,时年仅19岁的法国科学家A.E.贝克雷尔在他父亲的实验室中发现了光生伏特效应,为了纪念他的发现,光生伏特效应也称“贝克雷尔效应”。海因里希.赫兹、哈儿瓦克斯都对光电效应的发现做出了贡献,其中哈儿瓦克斯证明了在紫外光的照射下本来不带电的金属物体会获得正电,随后埃尔斯特和盖特尔首次在真空管中研究光电效应并制成了第一支光电管。皮埃尔居里和他的同事首先发现可以由X射线激发光电效应。1899年汤姆逊在研究阴极射线时认为,紫外光诱发的光电效应是由电子的发射构成的。1902年,勒纳德用碳弧光源研究光电效应时,发现光电子的能量只随着光的频率的增大而增大。

同时,在黑体辐射的研究中,普朗克提出了“能量元”的概念,并认为能量元取决于频率。柏林帝国物理研究所的鲁本斯和库尔鲍姆在实验中以极高的精度证实了普朗克公式的正确性。普朗克是伟大的,他提出了能量量子化的概念,标志着量子力学的诞生。

爱因斯坦 图片来源:百度百科

也是在以上研究的基础上,为解释光电效应,爱因斯坦提出了光量子的概念,指出光具有波粒二象性,为光电效应提出了简单图景:一个光量子把他所有的能量交给一个电子,它所能传递的能量独立于其他光量子的存在。爱因斯坦得出了光电效应方程为: Emax = hυ-W.这里,υ为入射辐射的(单色) 频率,W为逸出功.爱因斯坦指出: 光电效应方程能够解释勒纳德的观察结果(光电子数目随光的强度增加而增加,可是光电子的动能只与光的频率有关,与光的强度无关),光电效应方程在量子论发展史上第二次出现了普朗克常量 h,它给出了崭新有力的预言:即E应随ν线性变化。

至此,光伏发电的理论基础---光电效应有了理论的坚实支撑,从此光伏的发展开始进入快车道。

二、光伏电池的工业化探索

但是从理论到大规模的工业应用又是另外一个漫长的过程。

太阳能电池板的生产

1916年,波兰化学家扬·柴可拉斯基发现了提纯单晶硅的拉晶工艺,但是由于工艺的限制,直到20世纪50年代这项技术才开始实际应用于半导体晶圆的生产,目前这种工艺还在不断发展。

1934年,无数科学家们开始了新的太阳能电力领域开始研发,这个领域就是对薄膜太阳能电池,通过实验得出,在材料中掺杂金属杂质可以提高光电转换效率。

1940年,美国半导体专家拉塞尔·奥尔首次做出有基本p-n结的二极管,这为光伏电池板的制造奠定了坚实的基础,推进了光伏发电从实验室走向工业化。

1953年,美国物理学家达里尔·查賓,杰拉尔德·皮尔森和化学家卡尔文·绍瑟·福勒制造出晶体硅太阳能电池,从此,太阳能电池开始了逐步大规模运用。

1958年,美国首次在人造卫星上面使用太阳能电池板,从此以后,太阳能电池板已成为各种航天器的标配,并得到了大规模的运用。

1976年,澳大利亚通过光伏电池站为其内陆的电信网络供电,并取得了成功。

进入20世纪90年代,全球各主要经济体相继启动了太阳能屋顶计划,光伏发电的应用更加广泛,到了2015年,全球范围内光伏系统的额定功率达到了200GW。

屋顶太阳能发电系统

三、结语

到了今天,随着中国这个超级工业强国和巨大市场充分涉足光伏领域,光伏电池的生产成本、光电转换效率都在不断地提高,集中式光伏发电厂和分布式光伏发电系统都取得了大规模的应用。2022年,中国的新增发电容量中,光伏占到了其中的近50%,可以说,光伏发电已经进入到了一个不可逆的发展阶段。

集中式太阳发电工程

好了今天就讲到这里,感谢大家的阅读。

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