3月31日凌晨1时35分,经过22个小时的飞行之后,正在进行环球飞行的“阳光动力2号”降落在了重庆江北国际机场。
“阳光动力2号”依靠太阳能,实现零燃油、零排放、昼夜不间断飞行,这是它获得无数媒体关注的最重要原因。很多人都知道太阳光能发电,但具体是一个怎样的过程呢?
跟半导体有关
硅真是一个好东西,计算机、IT离不开它,太阳能发电也离不开它。
硅原子的最外层有4个电子,这是不完美的结构,要想发不离8,硅原子的最外层迫切需要8个电子,为此,它们不得不抱团取暖,互相借力,当很多硅原子在一起时,每个硅原子共享相邻4个硅原子的4个电子,同时也把自身最外层的4个电子共享出去,如此,它们组成了稳定的硅晶体。
硅晶体是不良导体,因为它没有无所事事的自由电子,现在,我们就来改造它。磷原子(P)的最外层有5个电子,把磷原子掺杂进硅晶体,那么硅晶体就多出了一个自由电子。
硅晶体中无数的硅原子被磷原子取而代之,就多出了很多的自由电子,于是,它就导电了。此时,我们已经做成了一个半导体,它的名字叫“N型半导体”,为了让你一辈子都能记住N型半导体的由来,你可以把“N”想象成一个百无聊奈的自由电子在走“N”字型闲逛。
以上,是掺杂有5个最外层电子的磷原子,那么,假如掺杂的是最外层只有3个电子的铝(AI)呢?
硅晶体掺杂诸如铝、硼这样的三价原子后,就制成了另一种半导体,叫做“P型半导体”,为了记住它,我们可以把“P”想象成一个需要电子去填充的空穴。
P型半导体也是导电的,这是因为,施加外电场后,P型半导体中的电子会逆电场方向依次填补空穴,同时呢,空穴也就沿电场方向移动,于是,电流产生了。
PN结
说了半天的N型半导体和P型半导体,它俩有啥用?非常有用,如果你把它俩对接在一起的话。
如果一块半导体晶体的一侧是N型半导体,另一侧是P型半导体,那么中间相连的接触面就叫PN结。
PN结是许多电子元件,例如二极管、各种晶体管的物质基础。而晶体管被认为是现代历史上最伟大的发明之一,在重要性方面可以与印刷术,汽车和电话等发明相提并论。
现在我们已经知道,在N型半导体中,自由电子的浓度很高,而在P型半导体中,空穴的浓度很高。根据扩散的原理,物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
所以,在PN结中,会有很多自由电子从N型半导体中扩散到P型半导体中,带来的结果是,本来N型半导体是电中性的,不带电,但因为失去一部分电子后,就带正电了。
而在P型半导体中,因为很多自由电子跑过来,填满了不少空穴,导致空穴浓度降低了,本来P型半导体也是电中性的,现在多出了很多电子,所以带上了负电。
PN结中,一侧带上正电,一侧带上负电,就在接触面形成了一个内部的电场。
阳光是怎么发电的?
说完了PN结,和PN结里面的内电场,现在,我们终于可以进入正题--阳光是怎么变成电流的?
在光电效应中,我们知道,一定频率以上的光可以从金属中打出电子。这告诉我们,光的能量是可以作用在电子上。
当太阳光照射到一般的半导体上时,会产生电子与空穴对,即,阳光在半导体中产生一个自由电子时,就会同时产生一个空穴,因为电子在阳光能量的作用下离开本该待的位置,成为自由电子时,那个位置必然缺乏一个电子,空穴就产生了。
不过,在一般的半导体中,阳光产生的自由电子和空穴很快就结合在一起了,自由电子和空穴的生命周期很短。
但是在PN结半导体中,就不同了。
因为PN结中有内电场,当太阳光在PN结中产生电子和空穴对时,电子会在内电场的作用下,向N型半导体中移动,同理,空穴向P型半导体中移动。
此时,如果PN结两端接通导线,就可以产生电流了。
以上,就是太阳能发电的原理。
阳光动力2号
阳光动力2号没有使用任何燃料,完全使用太阳能,真正实现了零燃油,零排放,其机翼、机身和水平尾翼上共安装有17248个厚度仅为135微米的单晶硅太阳能电池板,覆盖面积高达269.5平方米,每天可以产生340度电。
为实现夜间飞行,阳光动力2号还安装有蓄电池,白天产生的多余电力储存在锂离子聚合物电池中,电池的总重量为633千克。
出于节约电力的考虑,飞机白天将爬升到8500米高空飞行,在那里,飞行员将承受严寒,想象珠穆朗玛峰山顶的温度,你就能体会,阳光动力2号,不仅是太阳能飞机极限的挑战,也是飞行员身体素质的挑战。
环球之旅最艰难的,恐怕应该是跨越海洋带来的,从一个洲飞到另一个洲,跨越整个大洋,一个驾驶员需要连续飞行5天5夜以上,吃喝拉撒睡,全在一个3.8立方米大小的驾驶舱里进行。
阳光动力2号的下一站是我国的南京,祝愿飞行员安德烈·波许博格和贝特朗·皮卡尔一帆风顺。