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，相當于每秒燒掉1.32×1016t標準煤放出的熱量，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換方式為三種：光熱轉換，光化學轉換與光電轉換。光熱轉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，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用。由于生產和生活中，熱能的消耗量所占比例很大，因此熱利用是當前太陽能利用的重要方面，目前廣泛應用在做飯、烘干谷物、供應熱水、室內供暖、高溫處理、太陽能水泵、農業(yè)溫室等方面。光化學轉換是將陽光轉換為儲存的化學能。最常見的光化學轉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，吸收光能轉化為碳水化合物的過程。而人工的光化學轉換則是利用太陽輻射將水進行分解，得到氧氣與清潔可用的氫燃料。光電轉換就是太陽能的光能直接轉換為電能，太陽能電池就是目前常見的一種直接將太陽輻射轉換成電能的半導體器件。目前太陽能電池已在燈塔、航標、微波中繼站、無線電話、無人氣象站、金屬陰極保護，以及電子玩具、計算器、電子表等方面廣為應用，隨著技術的發(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用前景。

虹科固態(tài)光源應用于太陽能領域

應用案例

人們在利用太陽能方面需要對制造的太陽能器件進行表征與分析，通常利用傳統(tǒng)鹵素燈或普通的可見光光源等對太陽能器件進行性能評估。然而，這些光源都存在明顯缺點，無法精準控制照明的輸出，使用壽命太短。因此，在太陽能領域對可以穩(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、光管和激光在內的固態(tài)技術混合組成。每個光源的波長、帶通、光功率和工作模式都可以根據應用要求來選擇，實現輸出的精準控制。另一方面，通過多個輸出波長的組合能夠實現對太陽光的模擬輸出，在太陽能領域具有絕佳的應用前景。

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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，在應用中居主導地位。除此以外，多種新興材料也應用于太陽能電池中，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太陽能電池等。而如何對各種太陽能電池進行完善準確的參數表征與性能評估，從而選擇合適的材料與結構實現最大化的光電轉換效率，是目前太陽能電池制造領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)中光導率和量子效率等特性的表征至關重要。傳統(tǒng)上，光伏器件的表征使用氙弧燈或鹵素燈來近似太陽光譜。然而，它們的光譜輸出不容易適應受控調整，并且長時間（數周至數月）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)光源采用現代固態(tài)照明技術來克服這些限制。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序列中，該光學序列指向前面板上的光輸出端口通過調整LED陣列21個元件的相對輸出強度，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性能測試，是傳統(tǒng)鹵素燈的優(yōu)勢替代者。

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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計將轉向使用氫氣（H2）作為清潔和可再生能源的社會。為了實現這一點，通過光催化從水和太陽能中產生氫氣的光催化水分解反應引起了很多關注。

與尋求直接從陽光中發(fā)電的光伏技術相比，人工光合作用的目標是將陽光轉化為儲存的化學能。這可以通過在染料敏化光電合成電池（DSPEC）中將水進行光化學分解成氫燃料和氧氣來實現。目前研究者們正在進行廣泛的研究工作，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)光電化學電池/光伏串聯電池高效分解水的研究。該串聯電池將染料敏化光電合成電池（DSPEC）加入有機光吸收基團，利用可見光將水轉化為氧氣和氫氣。實驗結果表明，可見光吸收電極的太陽能到氫能的轉化效率大為改進，并為基于分子的太陽能燃料轉化效率提供了基準。將DSPEC光電陽極與有機太陽能電池OSC結合，太陽能人工水分解制氫效率達到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串聯設備；右：顯示串聯電池的能級設計和電子傳輸過程

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)定線性強度控制和線性強度控制系統(tǒng)。

虹科多通道固態(tài)光源

特點小結

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。光源的輸出通過內部集成的帶通濾光片優(yōu)化。光輸出端口具有內置適配器，可通過標準的3mm直徑的液態(tài)光導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置的適配器，通過液態(tài)光波導（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備中，有15 cm x 35 cm的占地面積。MAGMA有一個先進的控制系統(tǒng)，其圍繞一個板載微處理器，帶有以太網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、燈光輸出開關和輸出強度調整，而且還可以擴展如下功能包括：光輸出功率的反饋調節(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。