細菌也能作太陽能電池 太陽能電池工作原理

• 2018年7月10日 FanTianQing來源：新浪網(wǎng) 1499 99
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據(jù)加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）官網(wǎng)近日消息，該校研究人員開發(fā)了一種便宜且可持續(xù)的方法，利用細菌將光轉(zhuǎn)化為能量來制造太陽能電池，這種新電池產(chǎn)生的電流密度比以前此類設備更強，且在昏暗光線下的工作效率與在明亮光線下一樣。

細菌也能作太陽能電池。

據(jù)加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）官網(wǎng)近日消息，該校研究人員開發(fā)了一種便宜且可持續(xù)的方法，利用細菌將光轉(zhuǎn)化為能量來制造太陽能電池，這種新電池產(chǎn)生的電流密度比以前此類設備更強，且在昏暗光線下的工作效率與在明亮光線下一樣。

研究人員表示，要在北歐和不列顛哥倫比亞省這樣陰雨天氣比較多的地方廣泛采用太陽能電池，這項創(chuàng)新邁出了重要一步。隨著技術進一步發(fā)展，這類由活體有機物制成——源于生物的（biogenic）太陽能電池效率可媲美傳統(tǒng)太陽能電池板內(nèi)使用的合成電池。

以前建造源于生物的電池時，采取的方法是提取細菌光合作用所用的天然色素，但這種方法成本高且過程復雜，需要用到有毒溶劑，且可能導致色素降解。

為解決上述問題，研究人員將色素留在細菌中。他們通過基因工程改造大腸桿菌，生成了大量番茄紅素。番茄紅素是一種賦予番茄紅色的色素，對于吸收光線并轉(zhuǎn)化為能量來說特別有效。研究人員為細菌涂上了一種可以充當半導體的礦物質(zhì)，然后將這種混合物涂在玻璃表面。他們采用涂膜玻璃作為電池陽極，生成的電流密度達0.689毫安/平方厘米，而該領域其他研究人員實現(xiàn)的電流密度僅為0.362毫安/平方厘米。

項目負責人、UBC化學和生物工程系教授維克拉姆帝亞·亞達夫表示：“我們記錄了源自生物的太陽能電池的最高電流密度。我們正在開發(fā)的這些混合材料，使其可通過經(jīng)濟且可持續(xù)的方法制造，且最終效率能與傳統(tǒng)太陽能電池相媲美?！?/p>

亞達夫相信，這一工藝會將色素的生產(chǎn)成本降低10%。他們的終極夢想是找到一種不會殺死細菌的方法，從而無限地制造色素。此外，這種源于生物的材料還可廣泛應用于采礦、深?？碧揭约捌渌凸猸h(huán)境等領域。

相關：太陽能電池工作原理

太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學上稱為太陽能光伏（Photovoltaic，縮寫為PV），簡稱光伏。

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應工作的晶硅太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的薄膜電池實施太陽能電池則還處于萌芽階段。

原理

太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結內(nèi)建電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

光—熱—電轉(zhuǎn)換

光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍。一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，只能小規(guī)模地應用于特殊的場合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。

光—電直接轉(zhuǎn)換

太陽能電池發(fā)電是根據(jù)特定材料的光電性質(zhì)制成的。黑體(如太陽)輻射出不同波長(對應于不同頻率)的電磁波， 如紅外線、紫外線、可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上，光子與導體或半導體中的自由電子作用產(chǎn)生電流。射線的波長越短，頻率越高，所具有的能量就越高，例如紫外線所具有的能量要遠遠高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉(zhuǎn)化為電能，值得注意的是光電效應于射線的強度大小無關，只有頻率達到或超越可產(chǎn)生光電效應的閾值時，電流才能產(chǎn)生。能夠使半導體產(chǎn)生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁帶寬度相關，譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV，因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產(chǎn)生光電效應。 太陽電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過程中不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，不會對環(huán)境造成污染。按照制作材料分為硅基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中硅電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形硅薄膜電池等。對于太陽電池來說最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換效率，在實驗室所研發(fā)的硅基太陽能電池中，單晶硅電池效率為25.0%，多晶硅電池效率為20.4%，CIGS薄膜電池效率達19.6%，CdTe薄膜電池效率達16.7%，非晶硅（無定形硅）薄膜電池的效率為10.1%

太陽電池是一種可以將能量轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是“硅”，它是不導電的，但如果在半導體中摻入不同的雜質(zhì)，就可以做成P型與N型半導體，再利用P型半導體有個空穴(P型半導體少了一個帶負電荷的電子，可視為多了一個正電荷)，與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產(chǎn)生電流，所以當太陽光照射時，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產(chǎn)生電子和空穴的對流，這些電子和空穴均會受到內(nèi)建電位的影響，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來，形成一個回路，這就是太陽電池發(fā)電的原理。

簡單的說，太陽光電的發(fā)電原理，是利用太陽電池吸收0.4μm～1.1μm波長(針對硅晶)的太陽光，將光能直接轉(zhuǎn)變成電能輸出的一種發(fā)電方式。

由于太陽電池產(chǎn)生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉(zhuǎn)換器，換成交流電，才能供電至家庭用電或工業(yè)用電。

太陽能電池的充電發(fā)展太陽能電池應用在消費性商品上，大多有充電的問題，過去一般的充電對象采用鎳氫或鎳鎘干電池，但是鎳氫干電池無法抗高溫，鎳鎘干電池有環(huán)保污染的問題。超級電容發(fā)展快速，容量超大，面積反縮小，加上價格低廉，因此有部份太陽能產(chǎn)品開始改采超級電容為充電對象，因而改善了太陽能充電的許多問題：

1.充電較快速，

2.壽命長5倍以上，

3.充電溫度范圍較廣，

4.減少太陽能電池用量(可低壓充電)。

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