這是一個你可能習慣于看到太陽能電池的地方，但隨著時間的推移，它們會越來越多。查看更多更新網格圖片。 馬丁·巴羅/蓋蒂圖片社

　　你可能見過帶有太陽能電池的計算器 - 永遠不需要的設備 電池 在某些情況下，甚至沒有關閉按鈕。只要有足夠的 光，它們似乎永遠有效。您可能還見過更大的太陽能電池板，也許在緊急路標，呼叫箱，浮標上，甚至在停車場為燈供電。

　　雖然這些較大的面板不像太陽能計算器那樣常見，但它們就在那里，如果你知道在哪里看，就不難發現。事實上 光伏 - 曾經幾乎只用于太空，早在1958年就為衛星的電氣系統提供動力 - 越來越多地以不那么奇特的方式使用。這項技術一直在新設備中出現，從太陽鏡到電動汽車充電站。

　　“太陽能革命”的希望已經飄蕩了幾十年 - 有一天我們都將使用來自 太陽.這是一個誘人的承諾，因為在陽光明媚的日子里，太陽光線每平方米地球表面釋放出大約1000瓦的能量。如果我們能夠收集所有這些能量，我們可以輕松地免費為我們的家庭和辦公室供電。

　　在本文中，我們將研究太陽能電池，以了解它們如何將太陽能直接轉化為電能。在這個過程中，您將了解為什么我們越來越接近每天使用太陽能，以及為什么在該過程變得具有成本效益之前，我們還需要做更多的研究。

　　光伏電池：將光子轉換為電子

　　您在計算器上看到的太陽能電池和 衛星 也被稱為光伏(PV)電池，顧名思義(照片的意思是“光”，伏打的意思是”電力“)，將陽光直接轉化為電能。模塊是一組電連接并封裝成框架(通常稱為太陽能電池板)的電池，然后可以分組到更大的太陽能電池陣列中，例如在內華達州內利斯空軍基地運行的太陽能電池陣列。

　　光伏電池由稱為半導體的特殊材料制成，例如硅，這是目前最常用的?；旧希敼饩€照射到電池時，其中一部分被半導體材料吸收。這意味著吸收光的能量被轉移到半導體上。能量將電子擊松，使它們自由流動。

　　光伏電池也都有一個或多個電場，迫使光吸收釋放的電子沿某個方向流動。這種電子流是一種電流，通過在光伏電池的頂部和底部放置金屬觸點，我們可以吸取該電流以供外部使用，例如為計算器供電。該電流與電池的電壓(這是其內置電場或電場的結果)一起定義了太陽能電池可以產生的功率(或瓦數)。

　　這是基本過程，但實際上還有更多。接下來，讓我們更深入地了解光伏電池的一個例子：單晶硅電池。

　　走向太陽能，走向綠色

　　在現有房屋中添加太陽能電池板可能很昂貴 - 但還有很多其他方法可以讓您的房屋更環保。了解更多關于您可以采取哪些措施來保護環境的信息，請訪問探索頻道 綠色星球.

　　硅如何制造太陽能電池

　　2009年5月，美國總統巴拉克·奧巴馬、內華達州參議院多數黨領袖哈里·里德和霍華德·貝洛特上校在內華達州內利斯空軍基地檢查了太陽能電池板。

　　美聯社照片/查爾斯·達拉帕克硅具有一些特殊的化學性質，特別是其晶體形式。一 原子 的硅有14個電子，排列在三個不同的殼層中。前兩個殼層 - 分別容納兩個和八個電子 - 完全充滿。然而，外殼只有一半，只有四個電子。硅原子總是會尋找方法來填充它最后一個殼層，為此，它將與附近的四個原子共享電子。這就像每個原子與它的鄰居牽手，只是在這種情況下，每個原子都有四只手連接到四個鄰居。這就是形成 晶體結構，事實證明，這種結構對這種類型的光伏電池很重要。

　　唯一的問題是純晶體硅是一種不良的電導體，因為它的電子都不能自由移動，這與銅等更優化導體中的電子不同。為了解決這個問題，太陽能電池中的硅具有 雜質 - 其他原子有目的地與硅原子混合 - 這稍微改變了事物的工作方式。我們通常認為雜質是不受歡迎的，但在這種情況下，沒有它們，我們的細胞將無法工作?？紤]硅，這里和那里有一個磷原子，也許每百萬個硅原子一個。磷的外殼中有五個電子，而不是四個。它仍然與它的硅相鄰原子結合，但從某種意義上說，磷有一個沒有人可以牽手的電子。它不構成鍵的一部分，但在磷核中有一個正質子將其固定到位。

　　當能量以熱的形式添加到純硅中時，它會導致一些電子脫離它們的鍵并離開它們的原子。每種情況下都會留下一個洞。這些電子，稱為 免費運營商，然后在晶格周圍隨機徘徊，尋找另一個落入的孔并攜帶電流。然而，純硅中的它們太少了，所以它們不是很有用。

　　但是我們混合了磷原子的不純硅是另一回事。敲開我們的一個“額外”磷電子需要更少的能量，因為它們沒有與任何相鄰原子結合。結果，這些電子中的大多數確實掙脫了，我們擁有比純硅更多的自由載流子。故意添加雜質的過程稱為 摻雜，當摻雜磷時，得到的硅被稱為 N型 (“n”代表負數)因為自由電子的普遍存在。N型摻雜硅是比純硅更好的導體。

　　典型太陽能電池的另一部分摻雜了硼元素，硼的外殼中只有三個電子而不是四個，成為P型硅。而不是自由電子， P型 (“p”代表正)具有自由開口并帶有相反的(正)電荷。

　　接下來，我們將仔細研究當這兩種物質開始相互作用時會發生什么。

　　太陽能電池剖析

　　在此之前，我們的兩塊獨立的硅片是電中性的;有趣的部分從你把它們放在一起開始。那是因為沒有 電場，單元格無法工作;當N型和P型硅接觸時，場形成。突然，N側的自由電子看到了P側的所有開口，并且有一種瘋狂的沖動來填充它們。所有的自由電子都填滿了所有的自由空穴嗎?不。如果他們這樣做了，那么整個安排就不會很有用。然而，就在 結，它們確實混合并形成某種屏障，使得N側的電子越來越難交叉到P側。最終，達到平衡，我們有一個電場將兩側分開。

　　該電場充當 二極管，允許(甚至推動)電子從P側流向N側，但反之則不然。它就像一座小山——電子可以很容易地下山(到N側)，但不能爬上去(到P側)。

　　當輕時，以 光子，撞擊我們的太陽能電池，它的能量分解電子 - 空穴對。每個具有足夠能量的光子通常會釋放一個電子，從而也產生自由空穴。如果這發生在離電場足夠近的地方，或者如果自由電子和自由空穴碰巧徘徊在其影響范圍內，場會將電子發送到N側，將空穴發送到P側。這會導致電中性的進一步破壞，如果我們提供外部電流路徑，電子將通過路徑流向P側，與電場發送到那里的空穴結合，在此過程中為我們做功。電子流提供 當前，并且電池的電場導致 電壓.對于電流和電壓，我們有 權力，這是兩者的產物。

　　在我們真正使用我們的細胞之前，還剩下一些組件。硅恰好是一種非常有光澤的材料，它可以在光子完成工作之前就反彈，所以

　　一 防反射涂層 用于減少這些損失。最后一步是安裝一些可以保護細胞免受元素影響的東西 - 通常是 玻璃蓋板.光伏組件通常通過將幾個單獨的電池連接在一起以達到有用的電壓和電流水平，并將它們放在帶有正極和負極的堅固框架中制成。

　　我們的光伏電池吸收了多少陽光能量?不幸的是，可能不是很多。例如，在2006年，大多數太陽能電池板僅達到約12%至18%的效率水平。當年最先進的太陽能電池板系統終于克服了該行業長期以來40%的太陽能效率障礙 - 實現了40.7%[來源： 美國能源部].那么，為什么充分利用陽光明媚的日子如此具有挑戰性呢?

　　太陽能電池中的能量損失

　　熟悉的彩虹景象只是更大電磁頻譜的一小部分。

　　可見光只是 電磁波譜.電磁輻射不是單色的 - 它由一系列不同的波長組成，因此由能量水平組成。(見 光的工作原理 以很好地討論電磁頻譜。

　　光可以分成不同的波長，我們可以看到彩虹的形式。由于照射到我們細胞的光有 光子s 在廣泛的能量范圍內，事實證明，其中一些沒有足夠的能量來改變電子 - 空穴對。它們會簡單地穿過細胞，就好像它是透明的一樣。還有一些光子有太多的能量。只需要一定量的能量，以電子伏特(eV)為單位并由我們的電池材料定義(晶體硅約為1.1 eV)，就可以敲松電子。我們稱之為 帶隙能量 的材料。如果光子的能量超過所需量，那么額外的能量就會損失。(也就是說，除非光子具有所需能量的兩倍，并且可以產生多個電子 - 空穴對，但這種效應并不顯著。僅這兩種效應就可以解釋入射到我們細胞上的輻射能量的損失約70%。

　　為什么我們不能選擇一種帶隙非常低的材料，這樣我們就可以使用更多的光子呢?不幸的是，我們的帶隙也決定了我們電場的強度(電壓)，如果它太低，那么我們在額外電流中彌補的東西(通過吸收更多的光子)，我們失去了一個小的電壓。請記住，功率是電壓乘以電流。平衡這兩種效應的最佳帶隙約為 1.4 eV 對于由單一材料制成的電池。

　　我們還有其他損失。我們的電子必須通過外部電路從電池的一側流向另一側。我們可以用金屬覆蓋底部，允許良好的傳導，但是如果我們完全覆蓋頂部，那么光子就無法穿過不透明的導體，我們會失去所有的電流(在某些電池中，透明導體用于頂部表面，但不是全部)。如果我們只把觸點放在細胞的兩側，那么電子必須行進很長的距離才能到達觸點。請記住，硅是一種 半導體 - 它遠不如傳輸電流的金屬。其內阻(稱為 串聯電阻)相當高，高電阻意味著高損耗。為了盡量減少這些損耗，電池通常被金屬接觸網格覆蓋，該網格縮短了電子必須行進的距離，同時僅覆蓋電池表面的一小部分。即便如此，一些光子還是被網格阻擋了，不能太小，否則它自身的電阻會太高。

　　現在我們知道了太陽能電池是如何工作的，讓我們看看用這項技術為房子供電需要什么。

　　為房屋提供太陽能供電

　　正如花朵最好對準陽光一樣，太陽能電池板也是如此。

　　你會怎么做 權力 你的房子有太陽能?雖然這不像在屋頂上拍打一些模塊那么簡單，但也不是非常困難。

　　首先，并非每個屋頂都有正確的方向或 傾斜角度 充分利用 太陽的能量。理想情況下，北半球的非跟蹤光伏系統應指向正南，盡管面向更東和更西的方向也可以工作，盡管犧牲了不同程度的效率。太陽能電池板也應以盡可能接近該地區緯度的角度傾斜，以全年吸收最大的能量。如果您想最大限度地提高上午或下午和/或夏季或冬季的能量產生，可以使用不同的方向和/或傾斜度。當然，無論一天中的什么時候或一年中的什么時候，模塊都不應該被附近的樹木或建筑物遮蔽。在光伏組件中，即使只有一個電池有陰影，發電量也會顯著減少。

　　如果你的房子有一個無陰影的朝南屋頂，你需要決定你需要什么尺寸的系統。這因您的事實而變得復雜 電力 生產取決于天氣，這永遠無法完全預測，并且您的電力需求也會有所不同。幸運的是，這些障礙很容易清除。氣象數據給出了不同地理區域的平均月日照水平。這考慮到了降雨和陰天，以及海拔高度， 濕度 以及其他更微妙的因素。你應該為最糟糕的月份進行設計，這樣你全年都有足夠的電力。有了這些數據和您的平均家庭需求(您的水電費賬單可以方便地讓您知道您每月使用多少能源)，您可以使用簡單的方法來確定您需要多少光伏組件。您還需要確定系統電壓，您可以通過決定串聯多少個模塊來控制系統電壓。

　　您可能已經猜到了我們必須解決的幾個問題。首先，當太陽不照耀時，我們該怎么辦?

　　解決太陽能問題

　　生活在天氣預報員心血來潮的想法可能不會讓大多數人感到興奮，但三個主要選擇可以確保即使太陽不合作，你仍然有力量。如果您想完全脫離電網生活，但不相信您的光伏電池板能夠在緊要關頭提供您需要的所有電力，您可以在太陽能供應不足時使用備用發電機。第二個獨立系統涉及以下形式的儲能： 電池.不幸的是，電池會給光伏系統增加很多成本和維護，但如果你想完全獨立，目前這是必要的。

　　另一種方法是將您的房屋連接到公用電網，在需要時購買電力，并在生產超過使用量時將其出售。這樣，該實用程序實際上充當無限的存儲系統。但請記住，政府法規因地點而異，并且可能會發生變化。您當地的公用事業公司可能需要也可能不需要參與，回購價格可能會有很大差異。您可能還需要特殊設備，以確保您要出售的公用事業公司與他們自己的電力兼容。安全也是一個問題。公用事業公司必須確保，如果您附近發生停電，您的光伏系統不會繼續將電力饋入線路工認為已經死亡的電力線。這是一種稱為孤島的危險情況，但可以通過反孤島逆變器來避免這種情況——我們很快就會談到這一點。

　　如果您決定改用電池，請記住，它們必須進行維護，然后在一定年限后更換。大多數太陽能電池板往往可以使用大約30年(提高壽命當然是一個研究目標)，但電池沒有這種使用壽命[來源： 國家可再生能源實驗室].光伏系統中的電池也可能非常危險，因為它們儲存的能量和它們所含的酸性電解質，因此您需要一個通風良好的非金屬外殼。

　　雖然通常使用幾種不同類型的電池，但它們應該具有的一個共同特征是它們是 深循環電池.與淺循環電池的汽車電池不同，深循環電池可以釋放更多儲存的能量，同時仍保持長壽命。汽車電池在很短的時間內釋放大電流 - 啟動你的汽車 - 然后在你開車時立即充電。光伏電池通常必須在較長時間(例如夜間或停電期間)釋放較小的電流，同時在白天充電。最常用的深循環電池是 鉛酸蓄電池 (密封和通風)和 鎳鎘電池，兩者都有各種優點和缺點。

　　完成太陽能設置

　　這個簡單的示意圖顯示了住宅光伏系統通常如何形成。

　　如何工作2000用途 電池 需要安裝另一個稱為 充電控制器.如果電池沒有過度充電或耗盡太多電量，它們的使用壽命會更長。這就是充電控制器的作用。電池充滿電后，充電控制器不會讓來自光伏模塊的電流繼續流入其中。同樣，一旦電池耗盡到某個預定水平，通過測量電池電壓進行控制，許多充電控制器在充電之前不會允許從電池中排出更多的電流。使用充電控制器對于延長電池壽命至關重要。

　　除了 儲能 是那個 電力 由您的太陽能電池板產生，如果您選擇使用它們，則從電池中提取，不是您的公用事業公司提供的形式或您家中的電器使用的形式。太陽能系統產生的電力是直流電，因此您需要一個 逆變器 將其轉換為交流電。正如我們所討論的，除了將直流電切換到交流電外，如果您的系統連接到電網，一些逆變器還設計用于防止孤島。

　　大多數大型逆變器都允許您自動控制系統的工作方式。一些光伏組件，稱為 交流模塊，實際上每個模塊中都內置了一個逆變器，無需大型集中式逆變器，并簡化了布線問題。

　　投入安裝硬件， 布線、接線盒、接地設備、過流保護、直流和交流斷開等配件，你自己就有了一個系統。您必須遵守電氣規范(國家電氣規范中有一節專門針對光伏)，強烈建議具有光伏系統經驗的持牌電工進行安裝。一旦安裝，光伏系統幾乎不需要維護(特別是在不使用電池的情況下)，并且可以清潔安靜地提供20年或更長時間的電力。

　　太陽能電池技術的發展

　　太陽能電池長期以來一直是衛星的支柱;他們將來會在哪里結束?

　　我們已經討論了很多關于典型光伏系統如何運行的問題，但是有關成本效益的問題(我們將在下一節中詳細介紹)刺激了無休止的研究工作，旨在開發和微調新方法，使太陽能與傳統能源相比更具競爭力。

　　例如，單晶硅并不是光伏電池中唯一使用的材料。多晶硅用于降低制造成本，盡管由此產生的電池不如單晶硅高效。第二代太陽能電池技術包括所謂的 薄膜太陽能電池.雖然它們也傾向于犧牲一些效率，但它們的生產更簡單、更便宜——而且它們一直變得更有效率。薄膜太陽能電池可以由多種材料制成，包括非晶硅(沒有晶體結構)、砷化鎵、二硒化銦銅和碲化鎘。

　　提高效率的另一種策略是使用兩層或多層具有不同帶隙的不同材料。請記住，根據物質的不同，吸收不同能量的光子。因此，通過在表面上堆疊較高的帶隙材料來吸收高能光子(同時允許低能量光子被下面的較低帶隙材料吸收)，可以產生更高的效率。這樣的細胞，稱為 多結電池，可以有多個電場。

　　聚光光伏技術 是另一個有前途的發展領域。聚光光伏系統不是簡單地收集和轉換一部分陽光恰好照射下來并轉化為電能，而是使用透鏡和鏡子等光學設備將更多的太陽能聚焦到高效的太陽能電池上。雖然這些系統的制造成本通常更高，但它們與傳統的太陽能電池板設置相比具有許多優勢，并鼓勵進一步的研究和開發工作。

　　所有這些不同版本的太陽能電池技術都讓公司夢想著各種各樣的應用和產品，從太陽能飛機和太空發電站到光伏供電的窗簾、衣服和筆記本電腦外殼等更多日常用品。甚至納米粒子的微型世界也沒有被排除在外，研究人員甚至正在探索有機生產太陽能電池的潛力。

　　但是，如果光伏發電是免費能源的絕佳來源，那么為什么整個世界都不依靠太陽能呢?

　　太陽能發電成本

　　太陽能電池可能仍然有點貴，但它們每年都在變得更便宜。

　　有些人對太陽能的概念有缺陷。雖然確實如此 陽光 是免費的， 電力 光伏系統產生的不是。確定安裝光伏系統是否物有所值涉及許多因素。

　　首先，你住在哪里的問題。生活在世界上陽光充足的地區的人們比那些定居在陽光較少的地方的人具有更大的優勢，因為他們的光伏系統通常能夠產生更多的電力。一個地區的公用事業成本應該在此基礎上考慮在內。電費因地而異，因此居住在更北邊的人如果電價特別高，可能仍想考慮使用太陽能。

　　接下來是安裝成本;正如您可能從我們對家用光伏系統的討論中注意到的那樣，需要相當多的硬件。截至2009年，住宅太陽能電池板的安裝成本平均在每瓦8至10美元之間[來源： 國家可再生能源實驗室].系統越大，每瓦的成本通常就越低。同樣重要的是要記住，許多太陽能發電系統并不能100%完全覆蓋電力負荷。很有可能，你仍然會有電費，盡管它肯定會低于沒有太陽能電池板的情況下。

　　盡管標價很高，但有幾種潛在的方法可以為愿意升級和使用太陽能的居民和企業支付光伏系統的成本。這些可以以聯邦和州稅收優惠、公用事業公司退稅和其他融資機會的形式出現。此外，根據太陽能電池板設置的大小 - 以及它的性能 - 它可以通過偶爾產生盈余的電力來幫助更快地收回成本。最后，考慮房屋價值估算也很重要。安裝光伏系統預計將為房屋價值增加數千美元。

　　目前，太陽能發電仍然難以與公用事業公司競爭，但隨著研究技術的改進，成本正在下降。倡導者相信，光伏有朝一日將在城市地區和偏遠地區具有成本效益。部分問題在于需要大規模進行制造，以盡可能降低成本。然而，在價格降至競爭水平之前，對光伏的這種需求不會存在。這是第22條軍規。即便如此，隨著需求和組件效率的不斷提高，價格下降，以及世界越來越意識到與傳統電源相關的環境問題，光伏發電可能會有一個充滿希望的未來。