出品：科普中国

制作人：付欢

出品单位：中国科学院计算机网络信息中心

为什么要写这篇文章？其实，事情的起因是这样的。

充电电池的开路电压（不放电时正负极之间的电位差）是由电池的正负极和电解材料决定的。这是由不同材料的电化学反应决定的。换句话说，只要正负极材料相同，无论电池尺寸或容量如何，电压都会相同。而1.5v/1.2v只是标称电压，并不是实际电压。例如，1.2V的镍铬或镍氢电池标称电压为1.2V。充满电时为1.4V甚至更高，放电时可达1V。

电池中的能量从何而来？

能源对于社会进步有着不可磨灭的巨大推动作用。近几十年来，随着人们对物质生活的要求越来越高，社会发展对能源的需求也越来越大。各种能源的开发，以及各种能源利用率的提高迫在眉睫。

如何将太阳能转化为电能？

太阳能电池的发展已经经历了一百多年。太阳能电池的基本工作原理是基于光伏效应。光伏效应是由法国物理学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔于1839年发现的，当时他只有19岁。

说起他，他是在法国自然科学界赫赫有名的贝克勒尔家族的成员。他的父亲安东尼·塞萨尔·贝克勒尔（Sr. Becquerel）是法国皇家科学院院士，一生在电化学领域取得了杰出成就；他的儿子安托万·亨利·贝克勒尔（Junior Becquerel）更因发现天然放射性以及与居里的密切关系而闻名。夫妇俩共同获得1903年诺贝尔奖）

目前，世界各国太阳能利用持续快速增长，作为太阳能利用重要组成部分的光伏电池产量也在持续增长。

光伏效应和光电效应

从图中可以看出，我国不仅生产大量光伏电池，而且还逐步取代德国成为每年累计光伏系统安装量最多的国家。

光伏效应与光电效应类似。首先我们简单介绍一下什么是光电效应：光电效应是一个重要而神奇的现象。简而言之，材料在吸收高于其临界频率的光后发射电子。在高于一定频率的电磁波照射下，某些材料内部的电子会被光子激发，形成电流，即光电。虽然这一现象早在1887年就被德国物理学家赫兹发现，但直到1905年才被爱因斯坦正确解释。爱因斯坦假设光是由固定能量的量子——光子组成。光子能量通过以下公式计算：

其中h 是普朗克常数，v 是光波的频率。根据爱因斯坦的粒子理论，光是由离散的光子组成的。当光子照射光敏材料时，其能量可以被材料中的电子吸收。吸收。电子吸收光子的能量后，其动能立即增大；如果动能增加到足以克服原子核对其的引力，它就可以在十亿分之一秒内飞出金属表面，变成光电子，形成光电流。

太阳能电池的工作过程类似于通过光电效应产生电流的过程。基于光伏效应的太阳能电池的运行可以理解为以下过程：材料吸收光子产生载流子。如下图所示。如果到达材料的光子的能量小于带隙Eg，则它不会被吸收。当电子从Ei 激发到Ef 时，Ei 处会产生空位。这个空位的行为就像带有正电子的粒子，称为空穴。打个比方，这相当于如果房间里的座位满了，大家就很难交换座位了。只有少数同意的人才能互相交换座位。而如果几个人出去因为房间太热（相当于材料吸收了一些能量）（相当于材料形成了孔洞），那么班级里的座位就会流动。电子和空穴的定向流动形成电流。光伏效应是两种不同材料的接触点在电磁辐射的影响下产生的电势差。

光伏电池有哪些类型？

晶体硅太阳能电池，这种材料的间接带隙为1.12 eV，对应波长为1107 nm。这种太阳能电池转换效率很高，但成本高，制备工艺繁琐，并且造成严重的环境污染。

有机太阳能电池包括含染料太阳能电池、有机半导体以及目前快速发展的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。此类太阳能电池因其制备方法更简单、减少环境污染、成本大幅降低而受到广泛关注。

参考：

L. Freris 和D. Infield，电力系统中的可再生能源[B]。 John Wiley Sons Inc，英国奇切斯特，2008 年

Jger-Waldau, A.2017 年光伏状况报告[B]，EUR 28817 EN，欧盟出版办公室，卢森堡，2017 年。