太陽能

背景提要

太陽是一個巨大的火球，它以光輻射的形式每秒向太空發(fā)射3.8×1020MW（兆瓦）的能量，相當(dāng)于每秒燒掉1.32×1016t標(biāo)準(zhǔn)煤放出的熱量，太陽光被大氣層反射、吸收之后還有70%投射到地面上。盡管如此，地球上一年接收到的太陽能仍然高達(dá)1.8×1018KW.h，每年地球獲得的總能量比目前地球耗費的能量還多。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。

太陽能利用的基本能量轉(zhuǎn)換方式為三種：光熱轉(zhuǎn)換，光化學(xué)轉(zhuǎn)換與光電轉(zhuǎn)換。光熱轉(zhuǎn)換的基本原理是通過反射、吸收或其他方式收集太陽輻射能，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。由于生產(chǎn)和生活中，熱能的消耗量所占比例很大，因此熱利用是當(dāng)前太陽能利用的重要方面，目前廣泛應(yīng)用在做飯、烘干谷物、供應(yīng)熱水、室內(nèi)供暖、高溫處理、太陽能水泵、農(nóng)業(yè)溫室等方面。光化學(xué)轉(zhuǎn)換是將陽光轉(zhuǎn)換為儲存的化學(xué)能。最常見的光化學(xué)轉(zhuǎn)換便是植物的光合作用。光合作用是把二氧化碳和水在陽光照射下，借助植物葉綠素，吸收光能轉(zhuǎn)化為碳水化合物的過程。而人工的光化學(xué)轉(zhuǎn)換則是利用太陽輻射將水進(jìn)行分解，得到氧氣與清潔可用的氫燃料。光電轉(zhuǎn)換就是太陽能的光能直接轉(zhuǎn)換為電能，太陽能電池就是目前常見的一種直接將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。目前太陽能電池已在燈塔、航標(biāo)、微波中繼站、無線電話、無人氣象站、金屬陰極保護(hù)，以及電子玩具、計算器、電子表等方面廣為應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展和材料價格的降低，太陽能電池在未來將會有更廣泛的應(yīng)用前景。

虹科固態(tài)光源應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域

應(yīng)用案例

人們在利用太陽能方面需要對制造的太陽能器件進(jìn)行表征與分析，通常利用傳統(tǒng)鹵素?zé)艋蚱胀ǖ目梢姽夤庠吹葘μ柲芷骷M(jìn)行性能評估。然而，這些光源都存在明顯缺點，無法精準(zhǔn)控制照明的輸出，使用壽命太短。因此，在太陽能領(lǐng)域?qū)梢苑€(wěn)定控制功率的照明光源，特別是對能夠模擬太陽光輸出的光源提出了迫切的需求。

虹科固態(tài)光引擎是固態(tài)光源的集成陣列，是一種高性能的照明系統(tǒng)，由包括LED、光管和激光在內(nèi)的固態(tài)技術(shù)混合組成。每個光源的波長、帶通、光功率和工作模式都可以根據(jù)應(yīng)用要求來選擇，實現(xiàn)輸出的精準(zhǔn)控制。另一方面，通過多個輸出波長的組合能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽光的模擬輸出，在太陽能領(lǐng)域具有絕佳的應(yīng)用前景。

01

用于太陽能電池測試平臺的MAGMA光源

太陽能電池，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，它只要被滿足一定照度條件的光照度，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(xué)上稱為太陽能光伏（Photovoltaic，縮寫為PV），簡稱光伏。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。因此，太陽能電池一直是科研界乃至工業(yè)應(yīng)用的熱門話題。

太陽能電池有許多種類，其中硅太陽能電池發(fā)展最為成熟，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。除此以外，多種新興材料也應(yīng)用于太陽能電池中，比如多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池與有機(jī)太陽能電池等。而如何對各種太陽能電池進(jìn)行完善準(zhǔn)確的參數(shù)表征與性能評估，從而選擇合適的材料與結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最大化的光電轉(zhuǎn)換效率，是目前太陽能電池制造領(lǐng)域最重要的問題之一。

人造光源對于光伏器件制造中的性能驗證以及新型光伏材料開發(fā)中光導(dǎo)率和量子效率等特性的表征至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，光伏器件的表征使用氙弧燈或鹵素?zé)魜斫铺柟庾V。然而，它們的光譜輸出不容易適應(yīng)受控調(diào)整，并且長時間（數(shù)周至數(shù)月）的測試受到其相對較短的工作壽命的限制。

虹科MAGMA光源的輸出光譜

虹科MAGMA固態(tài)光源采用現(xiàn)代固態(tài)照明技術(shù)來克服這些限制。MAGMA 光引擎集成了 21 個可單獨尋址的 LED 光源，范圍從 365 nm 到 1050 nm。LED 輸出被合并到一個公共光學(xué)序列中，該光學(xué)序列指向前面板上的光輸出端口通過調(diào)整LED陣列21個元件的相對輸出強(qiáng)度，可以合成用戶指定的光譜分布，例如AM1.5G太陽光譜，在太陽能電池的表征測試階段實現(xiàn)性能測試，是傳統(tǒng)鹵素?zé)舻膬?yōu)勢替代者。

02

用于太陽能光催化的SPECTRA光源

隨著全球變暖和化石資源的枯竭，我們依賴化石燃料的社會預(yù)計將轉(zhuǎn)向使用氫氣（H2）作為清潔和可再生能源的社會。為了實現(xiàn)這一點，通過光催化從水和太陽能中產(chǎn)生氫氣的光催化水分解反應(yīng)引起了很多關(guān)注。

與尋求直接從陽光中發(fā)電的光伏技術(shù)相比，人工光合作用的目標(biāo)是將陽光轉(zhuǎn)化為儲存的化學(xué)能。這可以通過在染料敏化光電合成電池（DSPEC）中將水進(jìn)行光化學(xué)分解成氫燃料和氧氣來實現(xiàn)。目前研究者們正在進(jìn)行廣泛的研究工作，以提高DSPEC效率。

DSPEC性能評估

寧波材料所先進(jìn)能源材料工程實驗室研究員汪德高與美國北卡羅萊納大學(xué)教堂山分校教授尤為、Thomas J. Meyer開展合作研究，報道了基于分子系統(tǒng)光電化學(xué)電池/光伏串聯(lián)電池高效分解水的研究。該串聯(lián)電池將染料敏化光電合成電池（DSPEC）加入有機(jī)光吸收基團(tuán)，利用可見光將水轉(zhuǎn)化為氧氣和氫氣。實驗結(jié)果表明，可見光吸收電極的太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率大為改進(jìn)，并為基于分子的太陽能燃料轉(zhuǎn)化效率提供了基準(zhǔn)。將DSPEC光電陽極與有機(jī)太陽能電池OSC結(jié)合，太陽能人工水分解制氫效率達(dá)到1.5％，相比之下，自然光合作用的效率僅為～1％，該方法大大提高了可見光驅(qū)動的水分解效率。

左：OSC外部連接帶有外部Pt陰極的DSPEC/PV串聯(lián)設(shè)備；右：顯示串聯(lián)電池的能級設(shè)計和電子傳輸過程

在這項研究中，研究人員使用了虹科SPECTRA光引擎的445 nm光輸出進(jìn)行性能評估。相較于其他可見光光源，虹科固態(tài)光源提供定量測定DSPEC效率所需的精確照明控制功能，包括波長切換時間低至10微秒，所有八個信號源均提供了TTL觸發(fā)輸入。每個通道都可以通過軟件進(jìn)行精確的控制，使光源輸出能夠保持穩(wěn)定，這主要得益于光源的反饋穩(wěn)定線性強(qiáng)度控制和線性強(qiáng)度控制系統(tǒng)。

虹科多通道固態(tài)光源

特點小結(jié)

虹科SPECTRA光源

虹科SPECTRA固態(tài)光源擁有8個可單獨控制的固態(tài)光源，提供了空前的性能。每個色帶在液體光導(dǎo)的末端提供大約半瓦的光功率。組成光源包括LED，專利的冷光燈和激光光源。光源的輸出通過內(nèi)部集成的帶通濾光片優(yōu)化。光輸出端口具有內(nèi)置適配器，可通過標(biāo)準(zhǔn)的3mm直徑的液態(tài)光導(dǎo)LLG連接到顯微鏡和其他生物分析儀器。為滿足需要快速（10us）切換的應(yīng)用，所有八個信號源均提供了TTL觸發(fā)輸入。

虹科MAGMA光源

虹科MAGMA固態(tài)光源在微處理器的控制下，整合了21個可獨立控制的固態(tài)光源，光譜不連續(xù)的光源輸出 ，從365nm到1050nm。光輸出端口有一個內(nèi)置的適配器，通過液態(tài)光波導(dǎo)（LLG）或光纖連接到顯微鏡和其他分析儀器。所有這些功能都組裝在一個緊湊的臺式設(shè)備中，有15 cm x 35 cm的占地面積。MAGMA有一個先進(jìn)的控制系統(tǒng)，其圍繞一個板載微處理器，帶有以太網(wǎng)連接和一個嵌入式命令庫。

通過不同命令不僅可以訪問顏色通道選擇、燈光輸出開關(guān)和輸出強(qiáng)度調(diào)整，而且還可以擴(kuò)展如下功能包括：光輸出功率的反饋調(diào)節(jié)、累計運行時間監(jiān)控、實時的光輸出功率監(jiān)控、實時電力消耗監(jiān)測、線性化輸出功率控制。

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