薄膜太阳能电池与植物光合作用

薄膜太阳能电池与植物光合作用万文结（ 1006020216）（武汉工程大学，武汉， 430200）摘要随着煤炭、石油、天然气等化石燃料的迅猛消耗，以及由此导致的能源危机与日益严重的环境，加之世界人口在不断地攀爬，人类正面临着前所未有的挑战，关乎人类物种是否能长久延续，生物圈是否还能正常调节，因而各国政府正努力寻找新能源，以改善当前局面。太阳能作为一种清洁的，安全的，可靠的能源日趋受到人们的关注。植物光合作用离不开光，提高光合作用的效率，产生更多的有机物以满足人类社会的需求。将薄膜太阳能电池与植物光合作用有机结合，将能实现人类需求与改变需能面貌。关键词薄膜太阳能电池，光合作用中国分类号 TM615 文件标识码 A Thin film photoelectric cell and plan’ s photosynthesis Wan Wenjie Wuhan institute of technology , Wuhan ,430200 Abstract With the running out of coal ,fossil oil and natural gas, and the crisis of energy ,the terrible environment ,the increasing population of people, human are facing with great challenge ,concerning human whether can continue ,biosphere whether can operate normally ,so many government are searching for new energy ,thus the situation will be improved .Solar power is considered to be a clean ,safe , reliable energy which is paid much attention by people .Plants produce organic matter through photosynthesis need light. Enhance photosynthesis efficiency will create more organic matter to meet human ’ s need. Combining thin film photoelectric cell with plant ’ s photosynthesis will achieve human ’ s need and change the features Key words thin film photoelectric cell ； plant ’ s photosynthesis1 太阳能光伏发电（ 1） 光伏发电原理简介光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将光能转化为电能的一种发电模式。1893 年， 法国科学家贝克勒尔就发现了光照能使半导体的不同部位之间产生电位差， 这种现象称为“光生伏打现象” ，简称“光伏效应” 。P 型半导体和 N 型半导体结合后，在结合表面，电子从 N 型区向 P 型区流动，空穴从 P 型区向 N 型区流动，稳定后，在结合表面形成电势差， 产生由 N 型区指向 P型区的“内建电场” ，如图 1, 如图 2，即形成 PN 结 [1]。太阳光照射 PN 结时， 以光子的形式与组成 PN 结的原子的价电子发生碰撞，产生大量处于非平衡状态下的电子空穴对其中的非平衡少数载流子在内建电场Ei 的作用下，将 P 区的非平衡电子驱向 N 区， N 区中的非平衡空穴驱向 P 区， 从而使得 N 区有过剩的电子， P 区有过剩的空穴。这样在 PN 结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场 Eph。光生电场除一部分抵消内建电场外， 还使 P 型层带正电， N 型层带负电 ,在 N 区和 P 区之间的薄层产生光生电动势。当接外部电路时就会产生电流，输出电能。如图 3. （ 2）太阳能光伏电池分类及应用A 硅晶太阳能电池1， 单晶硅太阳能电池，光电转换效率最高， 实验转换效率为 24.7[2]， 单晶硅制作有直拉单晶法，区熔法，磁拉法。涉及到的技术有热氧化钝化表面技术，表面 V 型槽，倒金字塔技术，双层反射膜，陷光理论。2， 多晶硅太阳电池的实验室最高转换效率高达 20.3， 规模生产的多晶硅太阳能效率高达 10。多晶硅制作过程为高纯化硅的熔化，烧铸成正方形硅锭，切割机切成薄片，加工成电池。3， 非晶硅薄膜太阳能电池是在特定的基体上，通过物理或化学的方法淀积非晶硅薄膜形成 PN 结而制作的太阳能电池。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大， 是单晶硅的 40 倍。B 化合物太阳能电池化合物太阳能电池是由两种以上的半导体元素构成的太阳能电池。 目前， CdTe/CdS薄膜太阳能电池的转换效率高达 16.5，化合物太阳能电池由于包含某些稀少的元素，不利于大规模生产，某些构成元素有毒，会对环境造成污染。C 有机太阳能电池有机太阳能电池是指以有机材料构成核心部粉的新型太阳能电池。 主要有色素增感太阳能电池和有机薄膜太阳能电池两种。 有机太阳能电池载流子迁移率比无机载流子迁移率低， 有机太阳能电池有多种途径改变和提高材料光谱吸收能力， 扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传送能力 [3]。（ 3）太阳能光伏电池的改进传统太阳能电池的设计是让硅电池尽可能地多吸收光，以增加电子空穴对的数目，增大光生电流与光生电动势 [4]。PN 结中， P 型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素制得， N 型半导体是在本征半导体中掺入少量的五价杂质元素制得。 在 P 型半导体中， 电子为少数载流子， 空穴为多数载流子； 在 N 型半导体中，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 N型区主要吸收短波光子， P 型区主要吸收长波光子 [5]。当以非晶硅作为薄膜太阳能电池时，使 N 型区面对太阳光，并适当降低 P 型区的厚度， 使得部分长波光子通过， 且较普通太阳能电池如此安置时通过的长波光子多；使 P 型区面对太阳光，并适当降低 N 型区的厚度， 使得部分短波光子通过， 且较普通太阳能电池如此安置时通过的短波光子多。虽降低了光生电动势的大小， 但分别得到了长波光 红橙光，短波光 蓝紫光。（ 4）最大功率跟踪为使负载获得最大功率， 通常进行恰当的匹配 ， 通常进行恰当的匹配， 使负载电阻等于供电系统的电阻， 这样即可获得最大功率的输出。下图为简单的线性电路。， U为电源电压， R，为电压源的内阻， R。为负载电阻，则负载 R。上消耗的功率 P为上式中， U。、 R，均为常数，对 R。求导，可得令上式的左边为零， 即 Rl R0 时， 负载 R0 的功率 P 取得最大值。从太阳能电池阵列的输出功率特线曲线可以看出， 以最大功率点电压为界， 分为曲线的左、右两侧。由图可知，当阵列工作在电压大于最大功率点电压 Up， 即工作在最大功率点电压右边时， 阵列的输出功率随着太阳能电池输出电压的下降而增大； 当阵列工作电压小于最大功率点电压 Up， 即工作在最大功率点电压右边时， 阵列输出功率随着太阳能电池输出电压的下降而减小。最大功率点的跟踪 MPPT控制是一个自寻优过程，即通过控制太阳能电池阵列的端电压， 使阵列能在各种不同的同照和温度环境下智能化地输出最大功率 [6]。（ 5）太阳能光伏发电系统的基本组成太阳能电池板， 光伏发电系统中的能量转换器；太阳能控制器，为蓄电池提供最佳的充电电流和电压； 逆变器，将直流电转化为交流电；蓄电池，存储电能 [7]。2植物的光合作用1光合色素及光合反应过程光合作用是指绿色植物通过叶绿体， 利用光能， 把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程 [8]。人类通过饮食从各种食物中获得的糖类、脂类、蛋白质、维生素等有机物最初均来自植物的光合作用。光反应阶段 光合作用第一个阶段中的化学反应，必须有光能才能进行， 这个阶段叫做光反应阶段。 光反应阶段的化学反应是在叶绿体内的类囊体上进行的。暗反应阶段 光合作用第二个阶段中的化学反应， 没有光能也可以进行，这个阶段叫做暗反应阶段。 暗反应阶段中的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的。少数处于特殊状态下的叶绿素 a能吸收和转化光能，叶绿素 b、胡萝卜素、叶黄素和其他叶绿素 a能吸收传递光能。叶绿素 a 和合叶绿素 b 主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶红素主要吸收蓝紫光。 对光合作用最有效的光是 “红光” 和 “蓝紫光” 。通常在红光下光合作用最快，蓝、紫光次之，绿光最差。红光是被叶绿素吸收最多的光线部分，并能促进叶绿素的形成，具有最大的光合活性， 蓝紫光其次，它也能被光合色素吸收和利用。 绿光易被绿色叶子反射和透射， 因此很少被吸收利用，一般把绿光称为生理无效光 [9]。红色光可以增加果实内的糖分与维生素的含量，也能促进植物成熟；蓝色光能增加植物蛋白质的含量，用蓝色光照射大豆，大豆的成熟期可以提前 20 天，蛋白质的含量提高 2.1 . 当光子 打到系统里的色素分子时，电子会在分子之间移转，直到反应中心为止。反应中心有两种， 光系统一吸收光谱于 700nm达到高峰，系统二则是 680nm 为高峰。反应中心是由叶绿素 a 及特定蛋白质所组成的， 蛋白质的种类决定了反应中心吸收之波长。 反应中心吸收了特定波长的光线后，叶绿素 a 激发出了一个电子， 而旁边的酵素使水裂解成氢离子和氧原子， 多余的电子去补叶绿素 a 分子上的缺。 然后叶绿素 a 透过如图所示的过程， 生产 ATP 与 NADPH （还原型辅酶）分子，过程称之为电子传递链Electron Transport Chain [10]。在电子传递链过程及后续反应中即能生成小分子有机物。（ 2）光合作用强度指植物在光照下， 单位时间， 单位面积同化二氧化碳的量 [11]。二氧化碳的浓度，光照的长短与强弱，光的成分，温度的高低，必需矿质元素，水分等能决定光合作用强度的值。适当增加二氧化碳的浓度， 选择适当光源， 提高光照时间和强度有利于提高光合作用强度。3 薄膜电池与光合作用的结合上述设计的能让较多红橙光或蓝紫光通过的薄膜太阳能电池不仅使植物能吸收对其最有用的红橙光或蓝紫光， 而且当将薄膜太阳能电池所发的电在夜间对植物进行光照，能使植物的光合作用强度大大提高。过程白天时太阳光照射改进过的薄膜太阳能电池，红橙光或蓝紫光通过薄膜，该光为植物吸收， 进行光合作用， 产生蛋白质、糖类丰富的有机物。另一方面，射向薄膜太阳能电池的一部分光被吸收， 产生光生电流和光生电动势，输出光能。输出的光能经调制为蓄电池所存储。 在晚上时，将白天存储在蓄电池中的电能释放出来， 通过不同功率的灯泡对植物进行光照。 当遇到冬季寒冷的环境时， 薄膜太阳能电池此时又可作为温室挡住外面的风雪， 此外可将蓄电池中的一部分电能用来对温室的取暖， 适当升高温室里的温度， 因为适当的温度有利于光合作用的进行。夜间光照和合理光间断夜间进行光照，增加了光合作用的时间。植物的一生，不仅受昼夜变化的影响，也受到季节性变化的影响。植物的开花， 种子的萌发以及休眠的开始和结束， 都是在一年之中的某个季节或时刻发生的。 环境给植物这方面的信号是所谓光周期， 即昼夜的长短 [12] 。短日植物一般在夏末或秋冬季开花， 即需要短的光照或长的黑夜， 长日植物需要长的光照或短的黑夜。因此对于种植短日照的植物， 当其光照时间足够，需要长夜时， 在薄膜太阳能电池下铺设黑色薄膜， 防止光的进入， 提供植物需要的黑夜。 而薄膜太阳能电池也可正常在白天进行发电。对于长日照植物而言， 夜间光照使其尽早达到所需的光照量。4 太阳电池与未来家庭人类的生活离不开能量的输入和供应。 人类吃的东西最初来自于植物对光能的固定，人类的照明离不开电能，人类交通工具离不开汽油、 煤油， 人类的取暖离不开煤，但煤油、汽油、煤终有消耗完的一天。假使人类社会中需要电的东西能由太阳能光伏发电提供， 那么人类的环境将免遭严重的破坏，能耗不足的现象将得到改善。每家每户的墙壁和玻璃换作太阳能电池，屋顶铺以薄膜太阳能电池， 在白天即可进行光伏发电。将发出的电用蓄电池接受， 供给以电能作为动力的汽车， 供给日光灯以进行照明，供给电炉以获得热水， 供给大棚内的植物，对其在夜间进行光照， 缩短获得有机物的时间，获得更多的有机物。