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第11章 新型能源材料

1903年,一艘叫“高斯”号的考察船到南极进行探险。谁料刚到南极,就遇上了一场暴风雪,结果考察船被冰冻在茫茫的冰原中动弹不得,这可急坏了船长和船员们。因为船上的给养有限,如果长期困在冰海中,无异于等死。为了能让船逃离险境,开始是用大锤砸,然后用炸药炸,企图“杀出”

一条航路,但终因冰层太大而无济于事,人的力量面对这些冰层就好像蚍蜉撼大树。该想的办法都想了,船仍困在冰海中,大风雪过后,南极开始放晴。

突然,一个船员灵机一动,计上心来。原来他身上穿了一件黑色衣服,太阳一晒,觉得身上暖融融的。他立即向船长建议,把船上的黑煤屑和炭灰沿船的两侧和船头铺在冰面上。让太阳使黑煤屑变暖,融化冰块。这一招果然奏效。于是,船员们把船上所有的煤屑,甚至锅炉烟筒中的黑灰都搜集起来,在船的前方铺成了一条2公里长10米宽的黑色带,经过太阳光连日的照射,冰带终于融化,使考察船脱离了险境。

从这个故事我们知道,那些黑色的东西,是吸热本事最大反射热能的本事很小的材料。这可以说是最原始的吸收热能的材料。现在,我们把凡是能吸引能源、利用能源、节省能源以及提供能源的材料统称为能源材料。能源材料在能源动力发展史中,占有很重要的地位。

例如光电材料,就是非常重要的能源材料,它可以把太阳光的热能直接变成电能,因而诞生的光电池、光发电站等一系列能产生电的能源设备。

阳光“生”电材料

1876年,英国有两位科学家,一个叫W.G.亚当斯,一个叫A.E载。

他们在研究硒这种半导体材料时,偶然发现,硒经太阳光一晒,竟能像伏打电池那样,产生电流。当时,他们把这现象称为光伏打效应。从那时起,人们就已知道,光能可以直接转变成电能。但是,硒产生的光电效应很弱,光变电的转换效率很低,只有1%左右。就是说,相当于100瓦的光能照射硒,硒只是产生出1瓦的电能,因此没有什么实用价值。这样,光变电的现象没有受到充分重视,研究它的人也就“冷”了下来,直到20世纪50年代,光电效应仍然只作为一种罕见现象看待。

到1954年,美国的贝尔实验室在研究另一种叫做硅的这种半导体材料时,惊异地发现,当在硅中掺入一定的微量杂质后,光电效应非常明显,光转变成电的效率大为提高,达到10%左右。就在这一年,贝尔实验室把硅晶体切成薄片,在硅片的正面和背面分别涂上少量的硼和砷,受光照射后,硅片涂硼的一侧即产生正电,而涂砷的一侧产生负电,将金属导线从正面和北面各引出一个电极,就成了世界上第一个光伏打电池。

从此以后,大批人投入了光电材料的研究,光电材料的光电转化效率也不断提高。

1958年3月17日,美国首次在“先锋1号卫星”上用单晶硅光电池提供电源。只是这个光电池的功率小得可怜,只能供1个5毫瓦的辅助发射机的用电。自1959年后,全世界数以千计的卫星上几乎都装有利用太阳能的光电池,功率也逐步增加,有的高达20千瓦。我国1990年9月3日发射的“风云一号”气象卫星上,也采取了光电池。

最近几年,光电材料层出不穷,光电转换效率也不断提高,例如硅光电池的转换效率可达16%,一些新型的电光材料如砷化镓,转换效率可以超过20%。

太阳能光电池已经在人造卫星、无人灯塔、海上航标、摩托快艇、手表、计算器、路灯、钟塔、微波中继站等领域大量应用,并且出现了用太阳光电池开动的汽车、飞机。

阳光开动的汽车和飞机

1989年初,在澳大利亚达尔文市到阿德雷的公路上,疾驶着一辆装配精巧的外形像甲壳虫似的汽车,以平均时速67公里行驶了4小时54分钟,汽车却没有冒尾气的尾管。原来这是一辆根本不烧汽油,而是用太阳光电池作动力的汽车。它也没有油箱,只在尾部安了一个由8000块砷化镓太阳光电池和1500块单晶硅太阳能电池组成的阳光发电系统,在正午时,太阳光电池输出的电力可达1550瓦。汽车上的80伏交流电动机的重量仅5公斤,汽车就靠这个电动机驱动行驶,电力完全由光电材料提供。

1990年8月中旬,由日本三洋电器公司制造的一架太阳能飞机在美国进行横跨全美的飞行,飞越了约3600公里。飞机的动力是由700只太阳管提供的,太阳管由非晶硅这种光电材料制成。总的发电功率为300瓦,由于这架太阳能飞机的重量只有90公斤,300瓦的电力足以驱动一个直径约2.4米的推进器,而且飞机在空中大部分时间以滑翔为主。