未来新能源之争

发布时间：2021-08-25

小时候，村里有一位父辈告诫我，学好数理化，走到天下都不怕。那个时候懵懵懂懂，只知道有数学，哪知道理化是什么，后来上了初中，才知道是物理和化学两门学科，初步对这个世界简单的现象有一个浅薄的理解。长大后随着自己从事半导体工作，愈发觉得父辈的话有道理。

   今天，小编就聊聊能源中的数理化，数学就不用多说了，一切为能源转化过程的计算方式，物理为这些能源提供理论基础和物理现象应用，那化学呢？化学就是为能源寻找一种需要物理特性的材料基础。我们近代发生的大规模的战争，个人认为是能源之争，自从工业革命以来，以蒸汽机的发明，推动工业化时代的，加剧了煤炭，石油需求，再到爱迪生发明了电灯，推动了电气化时代，电气化时代演变成了硅的时代，硅是什么？硅就是沙子，光伏的接收太阳光面板一般都是硅片，（后面会重点聊光伏）硅片是由硅棒切割出来的，硅棒又是由硅料组成的，硅料的基本元素就是硅，一般在地球上是以二氧化硅的不同形态存在的，如石英，还有沙子，还有玻璃，水晶之类的，也是二氧化硅，为什么在众多的元素里面选择用硅呢？因为硅是一种很好的半导体材料，可以用化学元素周期表来看。

 

金属一般都是导电的，也就是导体，所以电线一般选择铝线或者铜线，还有一些东西，正常环境是不导电的，也就是绝缘体，如塑料。金属铜原子的外层只有一个电子，

很容易受到外界影响就跑了，变成自由电子也是铜导电的主要原因

 

绝缘体的外层一般有8个电子，比较稳定，不容易受到外力的影响。而导体和绝缘体中间的就是这个半导体，半导体可以应用到不同的需求上，可以做到不用的时候就不导电，要用的时候才导电，芯片集成电路，二极管，三极管光伏电池片都是一种半导体，半导体根据泡利不相容原理原子核周围的电子都是按照不同的能级逐层向外排列的。泡利不相容原理，也就是原子的能级，逐层排布，原子核周围的电子住在一个叫价带的地方，价带的上方是禁带，价带的上方就是导带原子最外层的电子居住在价带的边缘，容易受到外力的诱惑，如果穿过了禁带，到了导带呢，它就开始导电。

 

 

就像前面所说的铜元素最外层一个电子一样，金属物质的这个禁带比较短，甚至是没有，所以电子就很容易跑到导带，半导体中间的这个禁带要稍微宽一点，所以电子也不容易穿过去，但是如果受到了外力的影响，一般就是温度或者光照，如果达到2-4个电子伏特的能量。电子也可以穿过禁带到达导带就变成了导体，而绝缘体中间的这个禁带就非常的宽了，电子就很难穿过去到达导带，除非受到更强的外力的影响，一般要超过10个电子伏特，这么大的能量电子穿过禁带，也不在导带停留了，而是直接被击飞了，也就是电离辐射里面的电离，了解了半导体的这些特性就可以应用了，比如有些半导体的这个禁带是根据温度来变化，它的宽窄幅度这就可以做成温度传感器。通过禁带的宽窄变化来感知温度。还有一些半导体受光线的影响比较大，比如说楼道里灯的开关，白天光线比较强，晚上光线线很暗，可以做成光线传感器开关。再比如光伏电站，是由P型半导体和N型半导体组合的，太阳光照射到P/N结就可以发电，光照越好，发电越多，为什么光照越多，就能发更多电？这就是爱因斯坦的光电效应，简单来说，就是他提出了光量子这个概念，开启了量子力学的大门，但是他本人一生都是不相信量子力学的，还有普朗克，也是因为这方面的研究拿到了诺贝尔物理学奖，但是他至死都不能接受这个事实，量子力学确实是太反常了，很多物理学家都接受不了，甚至有些推论，最终得出的结论是，我们其实都生活在一个虚拟世界当中。

爱因斯坦的光电效应主要是分了三个部分，外部光电效应，内部光电效应，以及光伏效应。前面的都涉及到了量子力学，爱因斯坦本人都无法接受，小编就更加不懂了。

今天重点聊这个光伏效应，1839年，法国物理学家贝克勒尔最早发现了液体当中的光生伏特效应，福特就是电压的单位，光生伏特就是光照生成了电压。由于产生了电势差，造成了电子的流动，就产生了电流，这个发现对人类的贡献真的非常非常巨大，光生伏特效应最直接的应用，光生伏特，就是光伏，为什么晒一晒太阳就可以发电？光伏发电的原理到底是什么？这就前面提到的P/N节，每个硅原子最外层都有四个电子，而硅晶体里面的硅原子有时像手拉着手整齐地排列着的，每一个硅原子都可以和它上下左右四个邻居共享最外层的一个电子，这样每个硅原子最外层就会形成八个电子的稳定结构，这个由单一元素组成的半导体就叫做元素半导体，为了让里面的电子更活跃起来加一些其他元素叫做杂质半导体，在整齐排列的硅原子里加入一个磷原子，由于磷原子最外层有五个电子，它们之间共享之后会多出一个自由电子这就叫做N型半导体，同样道理在硅原子中加入一个硼原子，由于硼只有三个电子，与硅结合之后就会少一个电子形成一个空缺，这就叫做P型半导体，P就是这个代表正的，我们把P型半导体和N型半导体结合到一起就会形成这个P/N结，当太阳光照射到P/N节时，由于有了额外的能量就会有更多的自由电子以及空穴往两侧移动，当有导线接入时就能产生源源不断的电流了，这就是光伏发电的原理了，更重要的是整个发电的过程自由流动的只有电子流，流完之后又回到了源头，整个过程是没有任何的磨损和消耗，所以光伏电站非常的稳定，可以发电30年以上，没有二次转化，效率最高，无论爱因斯坦和普朗克是否接受量子力学是真的，无论我们生活在虚拟世界还是现实世界，能量守恒也是真的，所以少一次转化就多一份效率，其实，聊完这么多都是物理知识相关的，和化学有什么关系呢？我们一步一步慢慢引出光伏发电，从中一直在用硅这个材料，现在最先进的半导体材料已经不是硅了，而是新型材料碳化硅和氮化镓，我们科学家都是在化学元素周期表相邻的化学特性来复核新的材料，目前世界发现的元素就那么多，有时候，仿佛世界在轮回，比如石墨烯的发现，又回到了碳时代，而科学家对石墨烯材料特性在不停地开发，或许，5年后，又有一个重量级的发现，在7月份还看到一则振奋国人的消息，宁德时代开发出了钠离子电池，我们暂且不去评论是否技术成熟，总之，时间可以沉淀这个技术成熟，又或者再过2年，科学家低成本分离了水分子的H，造就了氢能源的普及。

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