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太阳能如何运作?

A. Paul Alivisatos,劳伦斯伯克利国家实验室副主任,以及Helios太阳能研究项目的领导者,在此阐明了这个问题

当阳光照射到太阳能电池板时,阳光的能量会释放太阳能电池中的电子,产生电流,我们可以利用这些电流为袖珍计算器、家庭,甚至火星上的科学站供电。


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在传统的晶体硅电池中,硅晶体中的原子通过共享电子结合在一起。当光被吸收时,这些键中的一些电子被激发到更高的能级。然后,这些电子可以比它们被束缚时更自由地在晶体中移动,从而使它们像电流一样流动。

想象一下,你有一个壁架——墙上的一个架子——你拿起一个球,把它扔到那个壁架上。这类似于将电子提升到更高的能级。一个光子,一个不可分割的光能量包,进入硅晶体,将电子撞到壁架上(更高的能级),它会停留在那里,直到我们来收集能量并使用电力。

研究人员不断寻找新的方法,并改进现有的方法,以提高这个过程的效率。晶体硅电池的功率效率在 22% 到 23% 之间,这意味着电池将照射到它们的光能的那么多转化为电能。您可能负担得起安装在屋顶上的电池效率较低,大约在 15% 到 18% 之间。性能最佳的太阳能电池,例如卫星上使用的电池,效率接近 50%。

这种转换率是一个重要的衡量标准,但我们太阳能界也关注电池的制造成本及其生产规模。在我看来,硅技术无法理想地扩展到大众市场规模,因为其原材料和制造工艺昂贵。如果研究人员能够开发出一种扩展性更好的技术,即使其能量转换效率不如晶体硅,我们也可能能够制造数百万英亩的这种材料来产生大量能量。许多公司和大学正在尝试使用各种材料,例如塑料和纳米粒子,以实现这一目标。

为什么我的声音在录制和播放时听起来如此不同?

Timothy E. Hullar,圣路易斯华盛顿大学医学院的耳科医生和助理教授,回复道

声音可以通过两条不同的路径到达内耳,而这些路径反过来又会影响我们的感知。气导声音从周围环境通过外耳道、鼓膜和中耳传播到耳蜗,即内耳中充满液体的螺旋形结构。骨导声音直接通过头部组织到达耳蜗。

当您说话时,声能会在您周围的空气中传播,并通过气导通过您的外耳到达您的耳蜗。声音也会从您的声带和其他结构直接传播到耳蜗,但您头部的机械特性会增强其更深、更低频率的振动。您说话时听到的声音是沿两条路径传播的声音的组合。当您听自己说话的录音时,您认为构成您“正常”声音一部分的骨导通路被消除,您只能听到不熟悉的孤立的气导成分。您可以通过戴上耳塞来体验相反的效果,这样您就只能听到骨导振动。

有些人内耳异常,这会增强他们对这种成分的敏感性,以至于他们自己的呼吸声变得难以承受,他们甚至可能听到眼球在眼眶中移动的声音。

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大众科学杂志 第 300 卷 第 1 期本文最初以“请教专家”为标题发表于大众科学杂志 第 300 卷 第 1 期(),第 108 页
doi:10.1038/scientificamerican0109-108
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