自然辩证法论文 唯物辩证法.doc

物理电子学的唯物辩证法研究 XX （河南大学物理与电子学院 河南开封 475004）摘要：物理电子学是近代物理学,电子学,光学,光电子学,量子电子学及相关技术与学科的交叉与融合,主要在电子工程和信息科学技术领域进行基础和应用研究.激光的发明标志着电子学的工作频段延伸到了光学频段,产生了光电子学,导波光学与集成光学等新兴学科分支,并已成为电子信息科学发展新技术的基础.近年来本学科发展特别迅速,促进了电子科学与技术其它二级学科以及信息与通信系统,光学工程等相关一级学科的拓展,形成了若干新的科学技术增长点,如光波与光子技术,信息显示技术与器件,高速光通信系统与网络等,成为二十一世纪信息科学与技术的重要基石之一. 物理电子学研究粒子物理、等离子体物理、激光，太阳能电池等物理前沿对电子工程和信息科学的概念和方法所产生的影响，及由此而形成的电子学的新领域和新生长点。本学科重研究在强辐照、低信噪比、高通道密度等极端条件下，处理小时间尺度信号的技术，以及这些技术在广泛领域内的应用前景。自然辩证法对人们进行科学研究具有重要指导意义【1】。关键词 物理电子学 光电子学 太阳能电池中图分类号：文献标识码：文章编号：1047530911XX引言在物理电子学领域中，光电子学是个很重要的方向，在联系人类与自然越来越和谐的领域里，光电子学无疑会是让科研工作者和环保主义者很兴奋的，在解决能源与环境问题上，光电子学很好的吸引了人们的眼球，其中太阳能电池的出现，是人类看到了福音，太阳能电池领域在现阶段以及在将来都将会是一个不管是众多国家还是众多企业都会考虑投入的一个领域。能源危机是当前世界各国最关心的焦点之一，传统的化石能源支撑了人类至今的工业化。但是这是一种有限的资源，据BP世界能源统计2007估计，按照目前的使用状况，全球石油还可以开采42年，天然气还可以开采63年，煤炭还可以开采295年。另一方面，化石能源的开采带来的环境的恶化。京都议定书为此制订了限制温室气体排放的时间表，人类社会和经济的持续发展，在要求节约能源的同时，急需开发新能源，尤其是可再生的绿色能源，其中太阳能的直接利用被认为是最佳的选择之一。目前，太阳能的利用有许多途径，直接的如太阳能热水器，太阳能电池等，间接的可以包括风力发电，水力发电，生物能等这是科技工作者应当作出贡献的领域。电池行业是世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛研究重视【2】。2太阳能电池的原理及发展2.1什么是太阳能电池太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器收稿日期：作者简介：XX（1986），男，湖南湘乡人，XXXX物理与电子学院硕士研究生，主要研究方向：物理电子学。件，光照射半导体产生电压，其反应成为光生伏特效应，太阳能电池所用半导体材料，和其他介于导体和绝缘体之间的半导体材料一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个PN结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。2.2太阳能电池的工作原理 太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理【3】。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。（1） 光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元，平均1kW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。（2） 光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的2.3太阳能电池的发展历程1953年美国贝尔研究所首先应用这个原理试制成功硅太阳电池，获得6%光电转换效率的成果。太阳能电池的出现，好比一道曙光，尤其是航天领域的科学家，对它更是注目。这是由于当时宇宙空间技术的发展，人造地球卫星上天，卫星和宇宙飞船上的电子仪器和设备，需要足够的持续不断的电能，而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响。太阳能电池完全满足这些要求，1958年，美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个用太阳能供电的卫星，空间电源的需求使太阳电池作为尖端技术，身价百倍。现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池的“翅膀”，使它们能够在太空中长久遨游。我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。以太阳能电池作为电源可以使卫星安全工作达20年之久，而化学电池只能连续工作几天。空间应用范围有限，当时太阳电池造价昂贵，发展受到限。70年代初，世界石油危机促进了新能源的开发，开始将太阳电池转向地面应用，技术不断进步，光电转换效率提高，成本大幅度下降。时至今日，光电转换已展示出广阔的应用前景太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域。从1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几公里发展到飞越英吉利海峡。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。另外，太阳能汽车也发展很快在建造太阳能电池发电站上，许多国家也取得了较大进展。1985年，美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站，用108个太阳板，256个光电池模块，年发电能力300万度。德国1990年建造的小型太阳能电站，光电转换率可达30多，适于为家庭和团体供电。1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太阳能发电装置”，预计可供加州13的用电量。用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式，据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1收集起来，足够全世界的所有能源消耗在生产和生活中，太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用，在远离输电线路的地方，使用太阳能电池给电器供电是节约能源降低成本的好办法。芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠。日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。我国的一些电视差转台也已用太阳能电池为电源，投资省，使用方便，很受欢迎当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置随着生产规模的不断扩大、技术的日益提高，单晶硅太阳电池的成本也逐渐下降，年每峰瓦单晶硅太阳电池的成本已经降到美元以下。单晶硅太阳电池虽然在现阶段的大规模应用和工业生产中占主导地位，但是也暴露了许多缺点，其主要问题是成本过高。受单晶硅材料价格和单晶硅电池制备过程的影响，若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。作为单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳电池，其中包括非晶硅薄膜太阳电池，硒铟铜和碲化镉薄膜电池，多晶硅薄膜太阳电池。在这几种薄膜电池中，最成熟的产品当数非晶硅薄膜太阳电池，在世界上已经有多家公司在生产该种电池的产品，其主要优点是成本低，制备方便，但也存在严重的缺点，即非晶硅电池的不稳定性，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，另外非晶硅薄膜太阳电池的效率也较低。一般在到，硒铟铜和碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池高，成本较单晶硅电池低，并且易于大规模生产，还没有效率衷减问题，似乎是非晶硅薄膜电池的一种较好的替代品，在美国已有一些公司开始建设这种电池的生产线。但是这种电池的原材料之一镉对环境有较强的污染，与发展太阳电池的初衷相背离，而且硒、铟、碲等都是较稀有的金属，对这种电池的大规模生产会产生很大的制约。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远较单晶硅少，又无效率衷减问题，并用有可能在廉价底材上制备，其成本预期要远低于体单晶硅电池，实验室效率已达，远高于非晶硅薄膜电池的效率。因此，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳电池，现在已经成为国际太阳能领域的研究热点太阳能电池在科研工作者的不懈努力下，经历了低级到高级的发展，它将朝着一个更低成本，更高效率，应用更广的美好前景发展开去。3 自然辩证法与太阳能电池科研的关系.自然辩证法与科学技术科学技术史与自然辩证法都是20世纪80年代后在中国得到迅速发展的学科，由于自然辩证法作为法定的研究生必修学位课，因此无论是从事该领域研究与教学人员的数量，还是科学技术史学会规模方面，发展都极为迅速。科学技术史对自然辩证法具有基础性作用，自然辩证法的发展在很大程度上得益于科学技术史研究的进展，下面仅就这一问题略作分析。上世纪80年代初自然辩证法的研究内容局限于自然观、科学观和科学方法论三个方面4,后来随着科学、技术概念的明晰，自然辩证法内容扩展为自然观、科学观与技术观、科学方法论与技术方法论,以及科学技术与社会等方面5。人类的科学活动目的在于认识自然，科学的历史就是一部人类对自然界的认识不断深化的历史，也是人类的自然观不断丰富和发展的历史，因此科学史是研究自然观的基础，而科学观和科学方法论的研究更必须以科学发展的历史为基础，由此总结从事科学研究的人物的思想与行为。技术观、技术方法论的研究则要以技术史为基础，从中分析总结出具有思想性、共性的理论。由于科学技术史对自然辩证法具有的基础性作用以及自然辩证法自身的性质所决定，不但在自然辩证法的教学中，经常要用科学技术史的例子作为理论的佐证,而且科学技术史中的许多事例又常是自然辩证法某项专题研究的基础资料。在20世纪80年代初,中国科学技术史学会和中国自然辩证法研究会成立不久，国务院即发出“注意研究世界新技术革命与我国的对策”的指示，国家各部委和各级政府在此基础上制定自己的发展规划和发展战略。中国自然辩证法研究会在于光远、李昌、钱三强的领导下，发起了“中国技术发展战略思想”的研究热潮，而研究世界新技术革命必须对技术的历史，特别是近现代史有所了解,许多从事科学技术史、自然辩证法研究的人投入到这一研究中，澄清了许多模糊认识，弄清了科学与技术的概念及其联系与区别，拓展了自然辩证法的研究范围。科学技术史与自然辩证法这两大学科之间的影响是相互的，自然辩证法的许多研究思想与成果也影响科学技术史的研究，并为科学技术史的研究提供理论及方法论方面的支持。传统的科学技术史研究方法大体有三类，第一类是发掘、考证和记录历史史实；第二类是根据经过一定考证或核实的史料进行比较性研究，归纳分析出一些可以阐明“法则”或“规律”的内容;第三类是挖掘史实及其逻辑关系，以一定的历史背景,通过“虚构”、“想像”等手法,编纂出类“故事”情节，进行历史的、艺术的再创造,以完成科学技术史的撰写。无论哪一类,研究者必须有一定理论思维或观念作为指导，并掌握一定的研究方法论，而这恰是自然辩证法所能提供的。许多从事科学技术史研究的人，努力总结人类认识与改造自然的经验教训，在科学技术发展战略及可持续发展战略研究方面作出贡献,丰富了科学技术史的研究内容。3.2太阳能电池科研的分析方法与辩证法思想我们科研工作者在涉猎太阳能电池领域时，要应用到那些具体的辩证法思想和方法论呢？根据对辩证唯物主义中的方法论的考察，总结出有如下几条：（1）整体与部分的辩证关系：辩证唯物主义认为，事物是普遍联系的。整体和部分是普遍联系的一种形式，二者既相互区别，又相互联系、不可分割。整体和部分的辩证关系，要求我们既着眼于整体，又要搞好局部。因而我们必须处理好项目中的总体和局部的关系，在抓总体的时候，也记得局部的处理。研究者们在研发太阳能电池时，紧密的把这个思想贯彻在研发过程中，紧密的处理好了太阳能电池在应用工具里局部的作用，或者太阳能电池作为整体与它的组成部分的良好关系，以其实现太阳能电池的最大作用。（2）矛盾的普遍性和特殊性的辩证关系：矛盾的普遍性是指各种矛盾的共同性、共同点，或叫“共同本质”；矛盾的特殊性是不同事物各自的特点、特性，或叫“特殊本质”。矛盾的普遍性和特殊性是相互联结的。二方面，普遍性寓于特殊性之中，并通过特 殊性表现出来，没有特殊性也就没有普遍性；另一方面，特殊性也离不开普遍性，任何事物总是和同类事物中的其他事物有共同之处，总要服从于这一类事物的 一般规律，不包括特殊性的普遍性也是没有的。对于项目总的各项指标参数，我们不可能的要求所有的都处于最佳，而是一种总体上的性能最佳，也就是在尽可能满足各项指标要求的逾度的情况下，是总体性能达到最佳！ 各种参数性能不可能最佳，这个可以看作是矛盾的普遍性；各参数可以达到一种总体上的平衡值，这可以当作是矛盾的特殊性。工作者们尽力将这些思想贯彻在太阳能电池的发展历程中，纵观的开发出了不同种类的效率高的太阳能电池。（3）主要矛盾和次要矛盾的辩证关系 辩证唯物主义认为，在事物发展过程中处于支配地位、对事物发展起主导作用的矛盾，叫主要矛盾；其他处于从屑地位、对事物发展不起决定作用的矛盾，叫次要矛盾。既然主要矛盾在事物发展过程中处于支配地位，起着决定作用，因此我们在观察和处理复杂问题的时候，就要首先抓住它的主要矛盾，也就是项目中的关键因素。只要关键因素，主要矛盾，主要难点处理好了，那整个项目也就有了能够解决的可能。研究者们处理好了太阳能电池发展过程中的主要矛盾和次要矛盾之间的辩证关系，太阳能的利用在人类历史上迈上了一个又一个新的高度，自然，环境，能源，社会达到了一个很和谐关系中。（4）内因和外因的辩证关系辩证唯物主义认为，在事物发展过程中，内因和外因同时