太陽能電池，又稱光伏電池，是通過光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的任何裝置。絕大多數(shù)的太陽能電池是用硅制造的，由于材料從非晶態(tài)硅(非晶態(tài))到多晶態(tài)硅(單晶態(tài))，效率提高，成本降低。與電池或燃料電池不同，太陽能電池不利用化學(xué)反應(yīng)或需要燃料來產(chǎn)生電能，而且與發(fā)電機(jī)不同，太陽能電池沒有任何活動部件。

太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖

一種常用的太陽能電池結(jié)構(gòu)。在許多這樣的電池中，吸收層和后結(jié)層都是由相同的材料制成的。

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太陽能電池可以被排列成大組，稱為陣列。這些陣列由成千上萬個獨立的電池組成，可以作為中央發(fā)電站，將陽光轉(zhuǎn)化為電能，分配給工業(yè)、商業(yè)和居民用戶。小得多的太陽能電池，通常被稱為太陽能電池電池板或簡稱太陽能電池板，已被房主安裝在屋頂上，以取代或增加他們的傳統(tǒng)電力供應(yīng)。在許多偏遠(yuǎn)的陸地地區(qū)，太陽能電池板也被用來提供電力，在這些地區(qū)，傳統(tǒng)的電力來源要么無法獲得，要么安裝成本高昂。由于太陽能電池沒有需要維護(hù)的移動部件，也沒有需要補(bǔ)充的燃料，所以它為大多數(shù)空間裝置提供電力，從通信衛(wèi)星到氣象衛(wèi)星到空間站。(然而，由于遠(yuǎn)離太陽的輻射能會擴(kuò)散，太陽能對發(fā)射到太陽系外行星或星際空間的太空探測器來說是不夠的。)太陽能電池還被用于消費產(chǎn)品，如電子玩具、手持式計算器和便攜式收音機(jī)。在這類裝置中使用的太陽能電池可以利用人造光(例如白熾燈和熒光燈)以及陽光。

國際空間站

國際空間站(ISS)是1998年開始分段建造的。到2000年12月，部分完成的空間站的主要組成部分包括美國建造的連接節(jié)點Unity和兩個俄羅斯建造的單元——zarya，一個動力模塊和Zvezda，最初的生活區(qū)。一艘搭載了國際空間站第一批3名宇航員的俄羅斯宇宙飛船在茲維茲達(dá)河的盡頭停靠。這張照片是從奮進(jìn)號航天飛機(jī)上拍攝的。

美國國家和航天局

雖然總的光電能源生產(chǎn)是微不足道的，它很可能增加，因為化石燃料資源的減少。事實上，根據(jù)2030年全球能源消耗預(yù)測計算，全球能源需求將由太陽能電池板滿足，其運行效率為20%，覆蓋地球表面約496,805平方公里(191,817平方英里)。由于硅是地殼中第二豐富的元素，對材料的需求將是巨大的，但也是可行的。這些因素使得太陽能的支持者們設(shè)想未來的“太陽能經(jīng)濟(jì)”，在這個經(jīng)濟(jì)中，廉價、清潔、可再生的太陽能幾乎可以滿足人類所有的能源需求。

太陽能電池的結(jié)構(gòu)和運行

太陽能電池，無論是用在中央發(fā)電站，衛(wèi)星，還是計算器，都有相同的基本結(jié)構(gòu)。光通過光學(xué)涂層或防反射層進(jìn)入器件，該光學(xué)涂層或防反射層將光的損失降到最低;它通過促進(jìn)光線傳輸?shù)较旅娴哪芰哭D(zhuǎn)換層，有效地捕捉照射到太陽能電池上的光線。防反射層通常是硅、鉭或鈦的氧化物，通過旋轉(zhuǎn)涂層或真空沉積技術(shù)在電池表面形成。

太陽能;太陽能電池

太陽能發(fā)電廠產(chǎn)生兆瓦的電力。電壓是由特殊處理過的半導(dǎo)體材料如硅制成的太陽能電池產(chǎn)生的。

國家可再生能源實驗室

在防反射層下面的三個能量轉(zhuǎn)換層是頂部結(jié)層、構(gòu)成器件核心的吸收層和后結(jié)層。需要另外兩層電接觸層來將電流輸出到外部負(fù)載并返回電池，從而完成電路。光進(jìn)入的電池表面的電接觸層通常以某種網(wǎng)格的形式存在，并由如金屬這樣的良導(dǎo)體組成。由于金屬阻擋光線，柵格線盡可能的薄和寬間距，而不影響電池產(chǎn)生的電流的收集。背面電接觸層沒有這種完全相反的限制。它只需要作為一個電觸點，從而覆蓋電池結(jié)構(gòu)的整個背面。因為后面的層也必須是一個非常好的導(dǎo)電體，它總是由金屬制成。

由于太陽光和人造光中的大部分能量在可見的電磁輻射范圍內(nèi)，太陽能電池吸收體應(yīng)能有效地吸收這些波長的輻射。強(qiáng)吸收可見光的材料屬于半導(dǎo)體一類物質(zhì)。厚度在大約百分之一厘米或更小的半導(dǎo)體可以吸收所有入射的可見光;由于接點形成層和接觸層要薄得多，太陽能電池的厚度基本上就是吸收器的厚度。太陽能電池中使用的半導(dǎo)體材料包括硅、砷化鎵、磷化銦和硒化銅銦。

當(dāng)光線照射到太陽能電池上時，吸收層中的電子從較低能量的“基態(tài)”(電子與固體中的特定原子結(jié)合)被激發(fā)到較高的“激發(fā)態(tài)”(電子可以在固體中移動)。在沒有連接形成層的情況下，這些“自由”電子處于隨機(jī)運動狀態(tài)，因此不可能有定向的直流電。然而，接點形成層的加入，會產(chǎn)生產(chǎn)生光電效應(yīng)的內(nèi)置電場。實際上，電場使流經(jīng)電接觸層的電子集體運動，進(jìn)入外部電路，在那里它們可以做有用的工作。

為了產(chǎn)生內(nèi)建的電場和攜帶電流，用于兩個連接點形成層的材料必須與吸收器不同。因此，這些可能是不同的半導(dǎo)體(或相同的半導(dǎo)體具有不同的傳導(dǎo)類型)，或者它們可能是一種金屬和半導(dǎo)體。用于制造不同層次的太陽能電池的材料本質(zhì)上與用于制造固態(tài)電子和微電子的二極管和晶體管的材料相同(參見電子學(xué):光電子學(xué))。太陽能電池和微電子設(shè)備擁有相同的基本技術(shù)。然而，在太陽能電池制造中，人們試圖建造一個大面積的裝置，因為所產(chǎn)生的能量與照明面積成比例。微電子學(xué)的目標(biāo)當(dāng)然是在半導(dǎo)體芯片或集成電路中制造更小尺寸的電子元件，以增加其密度和運行速度。

光伏過程與光合作用具有某些相似性，光合作用是將光能轉(zhuǎn)化為植物中的化學(xué)能的過程。由于太陽能電池顯然不能在黑暗中產(chǎn)生電能，因此在許多應(yīng)用中，它們在光下產(chǎn)生的能量的一部分被存儲起來，以在沒有光的情況下使用。儲存這種電能的一種常用方法是對電化學(xué)蓄電池進(jìn)行充電。將光中的能量轉(zhuǎn)換成受激電子的能量，然后再轉(zhuǎn)換成存儲的化學(xué)能的順序與光合作用的過程極為相似。

太陽能板設(shè)計

大多數(shù)太陽能電池的面積為幾平方厘米，并通過玻璃或透明塑料的薄涂層保護(hù)其免受環(huán)境影響。由于典型的10厘米×10厘米（4英寸×4英寸）太陽能電池僅產(chǎn)生約2瓦的電能（入射到其表面的光能的15％到20％），因此電池通常串聯(lián)在一起以增強(qiáng)電壓或并聯(lián)以增加電流。太陽能或光伏（PV）模塊通常由36個互連的電池組成，這些電池在鋁框架內(nèi)層壓到玻璃上。繼而，這些模塊中的一個或多個可被布線并框架在一起以形成太陽能電池板。太陽能電池板的單位表面積能量轉(zhuǎn)換效率略低于單個電池，這是因為組件中不可避免的無源區(qū)域以及電池之間的性能差異。每個太陽能電池板的背面都裝有標(biāo)準(zhǔn)化的插座，因此其輸出可以與其他太陽能電池板組合在一起以形成一個太陽能電池陣列。完整的光伏系統(tǒng)可能包括許多太陽能電池板，用于容納不同電負(fù)載的電源系統(tǒng)，外部電路和蓄電池。光伏系統(tǒng)大致可分為獨立系統(tǒng)或并網(wǎng)系統(tǒng)。

太陽能電池

一位科學(xué)家檢查了一塊聚合物太陽能電池，它比傳統(tǒng)的硅太陽能電池更輕巧，更靈活且更便宜。

帕特里克·阿拉德（PatrickAllard），REA/Redux

獨立系統(tǒng)包含一個太陽能電池板和一組直接連接到應(yīng)用程序或負(fù)載電路的電池。電池系統(tǒng)對于補(bǔ)償夜間或陰天條件下電池沒有任何電力輸出至關(guān)重要。這大大增加了總成本。每個電池以面板規(guī)格確定的固定電壓存儲直流（DC）電，盡管負(fù)載要求可能有所不同。DC-DC轉(zhuǎn)換器用于提供DC負(fù)載所需的電壓電平，DC-AC逆變器向交流（AC）負(fù)載供電。獨立系統(tǒng)非常適合于遠(yuǎn)程安裝，在這種情況下，鏈接到中央電站的費用過高。例如抽水作原料，向燈塔，電信中繼站和山間小屋供電。

并網(wǎng)系統(tǒng)通過兩種方式將太陽能電池板與公用電網(wǎng)整合在一起。公用事業(yè)公司在中午高峰期使用單向系統(tǒng)來補(bǔ)充電網(wǎng)。公司和個人使用雙向系統(tǒng)來滿足其部分或全部電力需求，并將多余的電力反饋到公用電網(wǎng)中。并網(wǎng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點是不需要蓄電池。但是，由于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，抵消了相應(yīng)的資本和維護(hù)成本的減少。需要逆變器和附加保護(hù)裝置，以將太陽能電池陣列的低壓直流輸出與高壓交流電網(wǎng)連接。此外，當(dāng)住宅和工業(yè)太陽能系統(tǒng)將能量回饋至公用電網(wǎng)時，需要進(jìn)行反向計量的費率結(jié)構(gòu)。

并網(wǎng)太陽能電池系統(tǒng)。

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太陽能電池板最簡單的部署是在傾斜的支撐框架或支架（稱為固定支架）上。為了獲得最大效率，固定支架應(yīng)面向北半球的南部或南半球的北部，并且與水平方向的傾斜角應(yīng)比夏季的本地緯度小15度，比夏季的本地緯度大25度。冬季。更為復(fù)雜的部署包括電機(jī)驅(qū)動的跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)會不斷調(diào)整面板的方向，以跟隨太陽的日常和季節(jié)性運動。這種系統(tǒng)僅適用于使用帶透鏡的高效聚光太陽能電池的大規(guī)模發(fā)電。

從這個觀點來看，非晶硅非常有吸引力。特別是非晶硅涂層的屋面瓦和其他光伏材料已被引入建筑設(shè)計中，并用于休閑車、輪船和汽車。

薄膜太陽能電池，例如用于太陽能電池板的電池，將光能轉(zhuǎn)換為電能。

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太陽能電池的構(gòu)造

太陽能電池基本上是結(jié)二極管，盡管其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的p-n結(jié)二極管稍有不同。在相對較厚的n型半導(dǎo)體上生長非常薄的p型半導(dǎo)體層。然后，我們在p型半導(dǎo)體層的頂部應(yīng)用一些較細(xì)的電極。

這些電極不會阻礙光到達(dá)薄的p型層。在p型層的正下方有一個p-n結(jié)。我們還在n型層的底部提供了一個集電電極。我們用薄玻璃封裝整個組件，以保護(hù)太陽能電池免受任何機(jī)械沖擊。

太陽能電池的工作原理

當(dāng)光到達(dá)p-n結(jié)時，光子可以通過非常薄的p型層輕松進(jìn)入結(jié)中。光子形式的光能向結(jié)提供足夠的能量，以創(chuàng)建多個電子-空穴對。入射光破壞了結(jié)的熱平衡條件。耗盡區(qū)中的自由電子可以迅速到達(dá)結(jié)的n型側(cè)。

同樣，耗盡層中的孔可以很快到達(dá)結(jié)的p型側(cè)。一旦新產(chǎn)生的自由電子到達(dá)n型側(cè)，由于結(jié)的勢壘勢，它不能進(jìn)一步越過結(jié)。

同樣，新產(chǎn)生的空穴一旦到達(dá)p型側(cè)就無法進(jìn)一步穿過結(jié)，成為具有相同勢壘勢的結(jié)。隨著電子的濃度在一側(cè)（即結(jié)的n型側(cè)）變高而空穴的濃度在另一側(cè)（即結(jié)的p型側(cè)）變高，p-n結(jié)的行為將像小型電池。設(shè)置一個稱為光電壓的電壓。如果我們在結(jié)上連接一個小的負(fù)載，將有很小的電流流過它。

光伏電池的V-I特性

太陽能電池材料

用于此目的的材料的帶隙必須接近1.5ev。常用的材料是-

1.硅

2.砷化鎵

3.碲化鎘

4.二硒化銅銦

太陽能電池所用材料的標(biāo)準(zhǔn)

1.必須具有從1ev到1.8ev的帶隙

2.它必須具有高的光吸收率

3.它必須具有高電導(dǎo)率

4.原料必須足夠多，并且原料成本必須低

太陽能電池的優(yōu)勢

1.無污染

2.它必須持續(xù)很長時間

3.無需維護(hù)費用

太陽能電池的缺點

1.它具有很高的安裝成本

2.效率低

3.在陰天期間，無法產(chǎn)生能量，并且在晚上，我們也不會獲得太陽能

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的用途

1.它可以用來給電池充電

2.用于照度計

3.它用于為計算器和手表供電

4.它可用于航天器以提供電能

結(jié)論：盡管太陽能電池存在一些不利因素，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些缺點有望克服，因為技術(shù)的進(jìn)步，太陽能板的成本以及安裝成本將降低，因此每個人都可以努力安裝系統(tǒng)。此外，政府非常重視太陽能，因此幾年后，我們可以期望每個家庭以及每個電氣系統(tǒng)都由太陽能或可再生能源供電。

太陽能電池的工作原理是由查爾斯·弗里茨（CharlesFritts）于1883年提出的。用金薄層覆蓋硒材料層。該電池的產(chǎn)率僅為1％，因此更像是“概念驗證”。第一個“現(xiàn)代”硅電池由RussellOhl在1941年開發(fā)。自1954年以來就存在第一塊晶體硅面板，其產(chǎn)率為4％。特別是對于太空旅行，這些很有趣，因為對于地面應(yīng)用而言，功率太低。在接下來的幾年中，效率提高到了6％左右。

包含有機(jī)晶體的硅單重態(tài)裂變太陽能電池的原理。：M。Künsting/HZB

實際上，光伏面板是大量電池的集合。電池也稱為光伏電池（光伏系統(tǒng)，英文為PV），其詞義不明確。大多數(shù)電池由一層硅材料制成。

用這種硅制成半導(dǎo)體，在頂部添加一層磷。底部有一層硼（有關(guān)更多說明，請參見半導(dǎo)體頁）。他們將其放置在兩個玻璃板之間進(jìn)行保護(hù)。

一旦陽光照射到太陽能面板上，電子就會在這種輻射的影響下從面板頂部“脫離”。有一個帶有相應(yīng)空穴的自由電子。由于不均勻的電荷分布，在界面處會產(chǎn)生電場，因此電子只能以一種方式運動。

結(jié)果，在面板的頂部和底部之間出現(xiàn)電壓差。如果連接頂部和底部，則電流將流過電線。由于電池兩端的電壓非常低（僅為半伏），因此面板中通常會同時放置幾個電池。

不同種類

混合逆變器然后必須放置一個逆變器（變壓器）。逆變器可確保將一系列PV面板的電壓（通常約為24VDC）轉(zhuǎn)換為230V的交流電。

pv電池的另一種類型是所謂的薄膜電池。顧名思義，這些電池比晶體電池薄（100到200倍）。電池具有撓性并且重量輕，使其易于在各種表面上使用。

薄膜太陽能電池的效率要低得多（約6％），生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，但是所需的原材料（晶體硅）數(shù)量卻不足。這使得單位面積的電池比晶體電池便宜。但是，這種較低的價格并不能彌補(bǔ)效率的損失，因此，對于薄膜電池而言，您沒有或幾乎沒有更好的選擇。

有三種類型的可用于光伏電池的硅：單晶硅，多晶硅和非晶硅。所謂的Czochralsi工藝可得到單晶硅：將一根棒插入熔融硅的容器中。結(jié)果是由一個硅晶體組成的圓形切片。

這些電池產(chǎn)量最高，但相對昂貴。多晶硅是通過將液態(tài)有機(jī)硅倒入方形而制成的。隨著冷卻，各種各樣的硅晶體會生長，但并不是所有硅晶體都可以無縫連接。這種形式比較便宜，但是回報也較低。

最后一種類型的非晶硅根本不包含晶體。這種材料是最便宜的，但成本效益也最低。

還可以使用其他材料，但是這些材料太昂貴而無法大規(guī)模使用。這些技術(shù)通常會獲得很高的回報，但是由于價格昂貴，它們通常會在太空旅行中找到應(yīng)用。迄今為止產(chǎn)生的最高產(chǎn)量（約40％）屬于Spectrolab（波音公司的一部分）開發(fā)的電池。

該單元使用反射鏡和透鏡來增加入射光的強(qiáng)度。此外，他們制作不同的材料層（多結(jié)原理）以利用更多的波長。子電池的材料是鎵銦亞磷酸鹽，砷化鎵銦和鍺。

一種新的非常有前途的技術(shù)是所謂的有機(jī)細(xì)胞。這些電池根據(jù)成本效益較低的原理工作，但制造成本低廉，并且在科學(xué)已經(jīng)完全崩潰的應(yīng)用中具有靈活性。

效率最高的是像篩子一樣工作的電池。這些電池由不同材料的不同層組成，每個層將一部分陽光轉(zhuǎn)化為電能。畢竟，不同的材料具有不同的能量狀態(tài)，因此吸收不同的波長。

陽光的大部分都有效，而不僅僅是反射。此技術(shù)的一種變體使用棱鏡在光線到達(dá)面板之前將其分開。每種類型的光都照射在另一種光伏電池上，因此大部分陽光是有效的。

利用這些技術(shù)，將來有可能實現(xiàn)不低于40％的產(chǎn)率的光伏能量電池。然而，基于此的面板是如此昂貴，以至于它們在日常應(yīng)用中還沒有引起人們的興趣。當(dāng)他們可以控制太陽能電池中的熱量時，甚至可以利用它產(chǎn)生更多的電能。

另一種較便宜的提高面板效率的方法是通過光學(xué)儀器（透鏡，鏡子）將陽光捆綁在一起。畢竟，束光更強(qiáng)，因此原則上可以從面板釋放更多的電子。

通過將太陽能電池放置在光學(xué)系統(tǒng)的焦點上，產(chǎn)量將大大提高。在澳大利亞，人們正在研究一種植物，該植物能“照著”太陽，并保持光線始終聚焦在面板上。

每種材料都有其特性。這些特性之一就是所謂的帶隙，即電子必須橋接以從價帶躍遷到導(dǎo)帶的能差。正是這一性質(zhì)決定了細(xì)胞吸收了太陽輻射的哪一部分。

其他輻射的能量不足以“喚醒”電子并穿過材料，或者能量太大以至于原子吸收它并轉(zhuǎn)化為振動（熱）。因為太陽在所有波長下的發(fā)光效果都不一樣，所以這意味著某些材料的最大效率要比其他材料更好。下圖顯示了對于某些材料，能帶隙與最大可實現(xiàn)產(chǎn)量的關(guān)系。

帶隙不僅限制了太陽能電池的效率。材料的反射特性和晶體基質(zhì)中的缺陷也起著至關(guān)重要的作用。為了克服所有這些限制并實現(xiàn)更高的效率，必須將幾個元素組合在一起。在此，未被第一層吸收的光在第二層上反射。

太陽能電池的發(fā)展

1839年Antoine-CesarBecquerel太陽能電池的發(fā)展。貝克勒爾是在對電解液中的固體電極進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的。弗里茨的設(shè)備是非常低效的能源轉(zhuǎn)換器;它們將吸收的光能中不到1%轉(zhuǎn)化為電能。盡管以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看效率不高，這些早期的太陽能電池還是培養(yǎng)了一些人對豐富、清潔能源的憧憬。

那神圣的太陽景象，不再把他的能量無償?shù)赝度胩眨峭ㄟ^光電池…，這些能量聚集在電庫里，使蒸汽機(jī)完全消失，煙霧被徹底壓制。

到1927年，另一種金屬半導(dǎo)體結(jié)的太陽能電池已經(jīng)被證明是由銅和半導(dǎo)體氧化銅制成的。到了20世紀(jì)30年代，硒電池和氧化銅電池都被用于感光裝置，如照相用的光度計。然而，這些早期的太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率仍然不到1%。1941年，羅素·歐爾發(fā)明了硅太陽能電池，最終打破了這一僵局。13年后，在制造晶體管所需的硅技術(shù)迅速商業(yè)化的幫助下，另外三個美國研究人員——杰拉爾德·皮爾森、達(dá)里爾·查賓和卡爾文·福勒——展示了一種硅太陽能電池，當(dāng)在陽光直射下使用時，其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)6%。到20世紀(jì)80年代末，硅電池以及由聚光器制成的太陽能電池通過透鏡將太陽光集中到電池表面，由于增加了收集能量的強(qiáng)度，效率達(dá)到了37%。通過將不同的半導(dǎo)體光電池和電電池串聯(lián)起來，甚至有可能實現(xiàn)更高的效率，但會增加成本和復(fù)雜性。一般來說，太陽能電池的效率和成本差別很大。