量子物理在生活中的应用

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1、量子物理在生活中的应用量子物理在生活中的应用太阳能电池太阳能电池1.量子力学量子力学量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，到今天已经一百多年了。经过玻尔、 德布罗意、玻恩、海森柏、薛定谔、狄拉克、爱因斯坦等许多物理大师的创新 努力，到 20 世纪 30 年代，初步建立了一套完整的量子力学理论。量子物理是 描述微小世界即原子和亚原子领域的物理学，它不同于描述我们所熟悉的 日常世界的“经典物理”学。经典物理与我们的常识是一致的，而这些常识又 是基于我们的感觉的。量子物理则不同，它违背常识。 尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的，但 它对日常生活的影响无比巨大。没有量

2、子力学作为工具，就不可能有化学、生 物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。没有量子力学就没有全 球经济可言，因为作为量子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。 同时，光子学的革命也将我们带入信息时代。量子物理的杰作改变了我们的世 界，科学革命为这个世界带来了的福音，也带来了潜在的威胁。2.太阳能太阳能太阳能（Solar Energy） ，一般是指太阳光的辐射能量，是一种清洁的可再生 能源，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存， 而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼 等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳

3、能的利用有被动 式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。 广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。3.太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理太阳光照在半导体 p-n 结上，形成新的空穴-电子对，在 p-n 结电场的作 用下，光生空穴由 n 区流向 p 区，光生电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形 成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电有两种方式，一 种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。3.1 光光热热电转换电转换光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能 集热器将所吸收的热能转换成工质

4、的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是 光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳 能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵 510 倍.一座 1000MW 的太阳能热电站需要投资 2025 亿美元，平均 1kW 的 投资为 20002500 美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规 模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。3.2 光光电直接转换电直接转换光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电 能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特 效应而将太阳光能直接转化为

5、电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳 光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。 当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方 阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性 三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长 期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能 电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电 池组，这是其它电源无法比拟的。4.影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法4.1 材料材料

6、4.1.1 厚度厚度 半导体芯片受光过程中，带正电的电洞往 p 型区移动，带负电的电子往 N 型区移动；受光后，电池若接有负载，则负电子由 N 区负电极流出负电再由 P 区正电极流入形成一太阳能电池。(图一)图一(受光后的太阳能电池) 依据此原理我们可以知道，太阳能电池愈薄，电子、电洞的移动路径愈短。4.2 制程制程4.2.1 电池与接线的电阻电池与接线的电阻 电池与接线间的电阻对太阳能电池转换效率的高低影响十分显著。尤其太 阳能电池模块是由多个电池串联而成，因此接点电阻影响甚大。因此，可在采用模块设计时改进横向布线及电池极板等布线结构，以降低电阻。并透过缩小 电池单元间隔、加大电池单元的排列

7、密度，提高模块的转换效率。此外，也可 将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。 4.2.2 串叠型电池串叠型电池 将太阳电池制成串叠型电池。把两个或两个以上的元件堆栈起来，能够吸 收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池放在下层，透过不 同材料的电池将光子的能量层层吸收，减少光能的浪费并获得比原来更多的光 能。4.3 表面处理表面处理(影响可用之阳光量影响可用之阳光量)4.3.1 抗反射层抗反射层 在太阳能电池的表面，会镀上一层抗反射层，主要的作用在于让太阳能吸 收的过程当中，仅少量的反射造成光能流失。抗反射层做得越好，所能运用的 光能自然更多，这也是太阳能电池的制造关键。 抗反射膜

8、的意思就是在基板上镀上一层比基板低折射率的材质，太阳能电 池所采用的抗反射膜材质不尽相同，如果能发展出最适合的材质，在太阳能电 池转换效率的提升上必是一大进步。 4.3.2 表面粗化处理表面粗化处理 将表面制成金字塔型的组织结构，可增加表面积，吸收更多太阳光。4.4 太阳光版角度太阳光版角度4.4.1 固定式太阳能光电版固定式太阳能光电版 不当的装设太阳能光电板会让光电板的日照效益事倍功半，由于所处纬度 的不同，太阳照射角度不同，因此太阳能光电板的架设角度也会影响到光电板 吸收阳光的效益。 若是处于赤道上，光电板须平放在水平面上的日照效益最高，而台湾位于 北回归线上，纬度为北纬 23.5 度。

9、加上白天太阳由东方升起后，行进的轨道会 在台湾的南方，所以架设太阳能光电板将板面朝南并将仰角设定为 23.5 度，将 可以得到最大的日照效益。 另外要注意的是，在架设太阳光电板的场地周围，须避免建筑物、植物或 其他可能会遮蔽太阳光照射太阳能光电板的遮蔽物，以利太阳能光电板可以完 全接收太阳光达到最大的发电效益。 4.4.2 转动式太阳能光电版转动式太阳能光电版 太阳日出日落，太阳能光电板在一天中每个时段所能接收的最大太阳光因 而不同，无法保持在最大值，因此有人设计出随着太阳的方向、角度而转动的 太阳能光电版，比固定式太阳能光电板更能接收最多的太阳光，达到最大的发 电效益。5.太阳能电池发展前景太阳能电池发展前景目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙 漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成 本还很高，发出 1kW 电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的 限制。 但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能 电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来利用太阳能开 辟广阔的前景。