太阳能电池时代来临①

南极冰山证实了CO2剧增

图1所示的是南极冰床中储存的CO2(二氧化碳)浓度与时间之间的

关 系 曲 线 ， 根 据 测 量 可 知 ，CO 2 在 1 8 世 纪 末 的 浓 度 大 约 是 2 8 0 p p m

(1ppm=1μL/L )，到20 世纪超过了300ppm ，从1960 年开始急剧增加，进

入21 世纪已经超过350ppm 。2010 年日本气象厅公布的数值显示，该浓度

已经达到390ppm 。

图2是相同年代地球平均气温变化曲线，受到各种因素影响，在过去

100 年间全球温度上升了0.74 ℃，由上可知，气温的变化趋势与CO2浓度变

化曲线非常相似。

为什么CO2浓度增加会使地球环境温度升高呢？这是因为空气中的

CO2吸收了从地球放射到宇宙中的红外线，地球仿佛成了一个巨大的塑料

大棚。英语中把它称为"green house effect "，译为"温室效应"。

CO2主要由煤、石油等化石燃料燃烧产生。在我们的日常生活中，做

饭、洗澡、使用暖气时所需的电能，一半以上都是由火力发电供给的，因

此，人类必须采取措施，减少CO2的排放。

2009 年1月，美国总统奥巴马修正了部分原有政策，提出了以建设低碳

社会为目标的"绿色新政"。2009 年9月，当时的日本首相鸠山由纪夫在联

合国大会上保障，日本将在2025 年之前把温室气体排放量减少25% 。

因此我们必须寻找化石燃料以外的新能源。作为化石燃料的替代

品，人们开始使用核能发电，但是随着2011 年由地震导致的核电站事故的

发生，核能发电的安全性重新引起世人担忧。因此，人们今后将会更加关

注可再生能源。

● CO2会给地球带来"温室效应"

● CO2主要由化石燃料燃烧产生

第1章 太阳光和太阳能电池(入门篇)

图 1 大气中CO2浓度随时间变化曲线

图 2 测量值随时间的变化

图中显示的是在过去一万年时间里大气中CO2

浓度的变化规律(图中放大的小图是1750年之

后的变化规律)。1960年以后的数据来源于南

极冰床中储存的CO2测量值(不同颜色表示不

同的研究工作)。1960年以后的数据(红线)

来源于空气中CO2的测量值，由此可以看到从

1900年开始，在最近的100年间CO2含量大幅

度上升

出处：IPCC 第四次报告书(2007

10000 5000 0

截至2005年的时间

350

300

250

(ppm) 400

350

300

1800 1900 2000

CO2

浓

度

截至1900年，全球平均气温保

持在13.7℃±0.2℃范围内，在

截至2005年的100年间，全球

平均气温上升了0.74℃

蓝点表示潮位计的数据，红线

是经人造卫星测定的数据。我

们可以看出，在截至2005年的

100年间，海平面大约升高了

150mm

积雪面积在80年间一共减少了

200万km2，相当于日本国土面

积的5倍

出处：IPCC 第四次报告书(2007

14.5

14.0

13.5

40

36

32

-4

-150

-100

-50

50

-0.5

0.0

0.5

4

(106km2) (106km2)

(mm)

(℃) (℃)

1850 1900

年份

1950 2000

(a)地球平均气温

(b)地球平均海平面高度

(c)北半球积雪面积

1961年与1990年的差值

气温

作为化石燃料的煤、石油、天然气以及核燃料的铀，都被称为枯竭

性能源。与此相对应的，自然界中能够反复使用，并且可再生速率比消耗

速率快的能源，都称为可再生能源。

可再生能源的基本源泉是太阳和月亮。如图1所示，太阳能的利用可

以分为直接方式和间接方式，直接方式包括太阳能热水器、太阳能电池

等，间接方式有通过水循环进行的水力发电，风循环进行的风力发电、帆

船行使等，除此之外，还有利用受惠于太阳光生长的植物进行的生物质能

发电和生物酒精制造等。另外，还有利用月球引力所引起的潮位变化来进

行的潮汐发电、利用地球内部岩浆产生的热进行的地热发电等。

除水力发电之外的所有可再生能源都称为新能源。新能源总量仅占

一次能源供给总量的3%。而且，其中50%是利用垃圾发电，直接利用太

阳能发电方面的进展不大。

本书所描绘的太阳能电池，是以电能的形式输出太阳能，这种方式

比直接利用太阳热能更加方便。在光能转换为电能的过程中，主要利用的

是"光电效应"半导体物理现象。有关详细内容将在(011)和第6章中进

行具体解释，这里只做简单说明。半导体是在IC芯片中使用的材料。经光

照射后，材料中会产生正电荷和负电荷。如果将这些正、负电荷进行有序

分离的话，在外部回路中就能产生电能。在这个过程中需要制作一个特定

的结构，这个结构就是pn结二极管。半导体有p型半导体和n型半导体两种

类型，因此我们首先要理解的就是如何利用这两种不同类型半导体的结合

使电荷发生分离，利用光伏效应输出电流。

002 太阳能电池时代来临②

可再生能源中最容易获取的能源

● 从大自然中产生，并且能够再生的能源称为可再生能源

● 热水器、太阳能电池、水力发电、风力发电等都是由太阳

光产生的能量

第1章 太阳光和太阳能电池(入门篇)

图 1 太阳等自然界中的可再生能源

图 2 太阳能电池的发电原理

名 词 解 释

一次能源 化石燃料、铀、太阳光等自然界中可以直接获得的能源。电、煤气、汽油等通

过加工获得的能源称为二次能源

太阳能热水器和太阳能电池都是直接利用太阳光的设备。水力发电、

风力发电、帆船等都是利用由太阳光照引起的水、空气循环的能量。

生物质能发电和生物酒精利用的是在太阳光照下生长的植物

雨

风

风

风力发电

太阳能电池

太阳能

热水器

生物质能发电

水力发电

生物酒精

上升气流

当太阳光照射在半导体表面上时，正、负电荷发生结合，此时

不能产生电流(如左图所示)。如果内部有pn结存在的话，可

以将正、负电荷分离，此时就可以产生电流(如右图所示)

正电荷 负电荷

半导体

+ -

p型半导体 n型半导体

半导体pn结

-

-

+

+

光 光 光

光 光 光

照射到地球表面的太阳光

能量――1.37kW/m2

太阳能电池是通过接收太阳光来发电的装置，因此，在学习太阳能

电池基础知识之前，我们需要先估算一下太阳光中蕴含能量的大小。这将

对学习太阳能转换效率的计算有所帮助。

首先，让我们来计算一下太阳光照射在1m2(平方米)地面上会产生

多少能量。太阳是半径为6.96103km 的气体天体，太阳中的氢原子通过核

聚变转化成氦原子，在这个过程中释放出巨大的热能。太阳表面温度很

高，1s( 秒)放射出来的光的能量是3.851026J(焦耳)。假设照射在地球大

气圈外的能量密度为P ，太阳能平均分布在以太阳为中心、半径为

1.4961011m2的球面上，则

3.851026W

P=

4π(1.4691011m)2

≈1.37kW/m2

我们把它称为太阳常数。

照射在地球表面的太阳光，在穿过大气层的时候，部分能量被大气

层中存在的氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳等气体分子吸收，使到达地球

表面的太阳光能量密度比大气层外的P值小。太阳光穿透空气的量称为

AM ，所以在大气圈外是AM-0 ，从天空垂直入射时是AM-1 ，在中纬度地

带(赤道区域)，考虑到太阳光要穿透大气层的1.5 倍，所以称为AM

1.5 。AM-1.5 的太阳光能量密度大约是1kW/m2。

如果太阳能电池的转换效率是 的话，光照射在1m2面积上就可以

获 得 1 k W 的 电 能 。 而 家 庭 中 实 际 使 用 的 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 是

10%～20% ，所以一块边长为1m 的正方形太阳能电池板上可以获得的太阳

能是100～200W 。

003

● 地球大气圈外照射的太阳能量密度P是1.37kW/m2

● 由于大气层对太阳光的吸收，到达地球表面的太阳能量密

度大约是1kW/m2

第1章 太阳光和太阳能电池(入门篇)

图1 照射在地球上的太阳光能量计算

图 2 到达地球表面的太阳光能量计算

名 词 解 释

能量和功率 能量[单位为焦耳(J)]的流动称为功率[单位为瓦特(W)]。1s内通过1J的能量，

功率为1W(1J/s)

太阳每秒钟释放能量3.851026J

到达地球的太阳光能量(太阳

常数)是1.37kW/m2

这是 AM-0 的能量密度

到达地球表面的太阳光能量密度

大约是1kW/m2

太阳到地球的距离是1.4961011m

41.8°

进入大气层之前的太阳

光能量称为AM-0，大约

是1.37kW/m2

当以倾斜角41.8°照射地球

表面时称为AM-1.5，能量

密度是1kW/m2

垂直照射地球表面的

时候称为AM-1，能量

密度大约是1.1kW/m2

地 表

太阳光穿过大气层时产生衰减，由于太阳光穿过中纬度时

所通过的距离大约是低纬度时的1.5倍，所以衰减量更大