太陽能電池，又稱光伏電池，是通過光電效應將光能直接轉換為電能的任何裝置。絕大多數的太陽能電池是用硅制造的，由于材料從非晶態硅(非晶態)到多晶態硅(單晶態)，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反應或需要燃料來產生電能，而且與發電機不同，太陽能電池沒有任何活動部件。

太陽能電池結構示意圖

一種常用的太陽能電池結構。在許多這樣的電池中，吸收層和后結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，可以作為中央發電站，將陽光轉化為電能，分配給工業、商業和居民用戶。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電力供應。在許多偏遠的陸地地區，太陽能電池板也被用來提供電力，在這些地區，傳統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的移動部件，也沒有需要補充的燃料，所以它為大多數空間裝置提供電力，從通信衛星到氣象衛星到空間站。(然而，由于遠離太陽的輻射能會擴散，太陽能對發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品，如電子玩具、手持式計算器和便攜式收音機。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。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河的盡頭?？俊＿@張照片是從奮進號航天飛機上拍攝的。

美國國家和航天局

雖然總的光電能源生產是微不足道的，它很可能增加，因為化石燃料資源的減少。事實上，根據2030年全球能源消耗預測計算，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想未來的“太陽能經濟”，在這個經濟中，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。

太陽能電池的結構和運行

太陽能電池，無論是用在中央發電站，衛星，還是計算器，都有相同的基本結構。光通過光學涂層或防反射層進入器件，該光學涂層或防反射層將光的損失降到最低;它通過促進光線傳輸到下面的能量轉換層，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，通過旋轉涂層或真空沉積技術在電池表面形成。

太陽能;太陽能電池

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

國家可再生能源實驗室

在防反射層下面的三個能量轉換層是頂部結層、構成器件核心的吸收層和后結層。需要另外兩層電接觸層來將電流輸出到外部負載并返回電池，從而完成電路。光進入的電池表面的電接觸層通常以某種網格的形式存在，并由如金屬這樣的良導體組成。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，從而覆蓋電池結構的整個背面。因為后面的層也必須是一個非常好的導電體，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，太陽能電池吸收體應能有效地吸收這些波長的輻射。強吸收可見光的材料屬于半導體一類物質。厚度在大約百分之一厘米或更小的半導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體材料包括硅、砷化鎵、磷化銦和硒化銅銦。

當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”(電子與固體中的特定原子結合)被激發到較高的“激發態”(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”電子處于隨機運動狀態，因此不可能有定向的直流電。然而，接點形成層的加入，會產生產生光電效應的內置電場。實際上，電場使流經電接觸層的電子集體運動，進入外部電路，在那里它們可以做有用的工作。

為了產生內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體(或相同的半導體具有不同的傳導類型)，或者它們可能是一種金屬和半導體。用于制造不同層次的太陽能電池的材料本質上與用于制造固態電子和微電子的二極管和晶體管的材料相同(參見電子學:光電子學)。太陽能電池和微電子設備擁有相同的基本技術。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，因為所產生的能量與照明面積成比例。微電子學的目標當然是在半導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化為植物中的化學能的過程。由于太陽能電池顯然不能在黑暗中產生電能，因此在許多應用中，它們在光下產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蓄電池進行充電。將光中的能量轉換成受激電子的能量，然后再轉換成存儲的化學能的順序與光合作用的過程極為相似。

太陽能板設計

大多數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其免受環境影響。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％），因此電池通常串聯在一起以增強電壓或并聯以增加電流。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準化的插座，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。完整的光伏系統可能包括許多太陽能電池板，用于容納不同電負載的電源系統，外部電路和蓄電池。光伏系統大致可分為獨立系統或并網系統。

太陽能電池

一位科學家檢查了一塊聚合物太陽能電池，它比傳統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

獨立系統包含一個太陽能電池板和一組直接連接到應用程序或負載電路的電池。電池系統對于補償夜間或陰天條件下電池沒有任何電力輸出至關重要。這大大增加了總成本。每個電池以面板規格確定的固定電壓存儲直流（DC）電，盡管負載要求可能有所不同。DC-DC轉換器用于提供DC負載所需的電壓電平，DC-AC逆變器向交流（AC）負載供電。獨立系統非常適合于遠程安裝，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。

并網系統通過兩種方式將太陽能電池板與公用電網整合在一起。公用事業公司在中午高峰期使用單向系統來補充電網。公司和個人使用雙向系統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中。并網系統的主要優點是不需要蓄電池。但是，由于系統復雜性的增加，抵消了相應的資本和維護成本的減少。需要逆變器和附加保護裝置，以將太陽能電池陣列的低壓直流輸出與高壓交流電網連接。此外，當住宅和工業太陽能系統將能量回饋至公用電網時，需要進行反向計量的費率結構。

并網太陽能電池系統。

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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。更為復雜的部署包括電機驅動的跟蹤系統，該系統會不斷調整面板的方向，以跟隨太陽的日常和季節性運動。這種系統僅適用于使用帶透鏡的高效聚光太陽能電池的大規模發電。

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，將光能轉換為電能。

安森路豹傳媒/agefotostock

太陽能電池的構造

太陽能電池基本上是結二極管，盡管其結構與傳統的p-n結二極管稍有不同。在相對較厚的n型半導體上生長非常薄的p型半導體層。然后，我們在p型半導體層的頂部應用一些較細的電極。

這些電極不會阻礙光到達薄的p型層。在p型層的正下方有一個p-n結。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，以保護太陽能電池免受任何機械沖擊。

太陽能電池的工作原理

當光到達p-n結時，光子可以通過非常薄的p型層輕松進入結中。光子形式的光能向結提供足夠的能量，以創建多個電子-空穴對。入射光破壞了結的熱平衡條件。耗盡區中的自由電子可以迅速到達結的n型側。

同樣，耗盡層中的孔可以很快到達結的p型側。一旦新產生的自由電子到達n型側，由于結的勢壘勢，它不能進一步越過結。

同樣，新產生的空穴一旦到達p型側就無法進一步穿過結，成為具有相同勢壘勢的結。隨著電子的濃度在一側（即結的n型側）變高而空穴的濃度在另一側（即結的p型側）變高，p-n結的行為將像小型電池。設置一個稱為光電壓的電壓。如果我們在結上連接一個小的負載，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準

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

太陽能電池的優勢

1.無污染

2.它必須持續很長時間

3.無需維護費用

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，無法產生能量，并且在晚上，我們也不會獲得太陽能

太陽能發電系統的用途

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

結論：盡管太陽能電池存在一些不利因素，但是隨著技術的進步，這些缺點有望克服，因為技術的進步，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。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。該電池的產率僅為1％，因此更像是“概念驗證”。第一個“現代”硅電池由RussellOhl在1941年開發。自1954年以來就存在第一塊晶體硅面板，其產率為4％。特別是對于太空旅行，這些很有趣，因為對于地面應用而言，功率太低。在接下來的幾年中，效率提高到了6％左右。

包含有機晶體的硅單重態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，英文為PV），其詞義不明確。大多數電池由一層硅材料制成。

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

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”。有一個帶有相應空穴的自由電子。由于不均勻的電荷分布，在界面處會產生電場，因此電子只能以一種方式運動。

結果，在面板的頂部和底部之間出現電壓差。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?。?00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％），生產過程非常復雜，但是所需的原材料（晶體硅）數量卻不足。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。結果是由一個硅晶體組成的圓形切片。

這些電池產量最高，但相對昂貴。多晶硅是通過將液態有機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模使用。這些技術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用。迄今為止產生的最高產量（約40％）屬于Spectrolab（波音公司的一部分）開發的電池。

該單元使用反射鏡和透鏡來增加入射光的強度。此外，他們制作不同的材料層（多結原理）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是所謂的有機細胞。這些電池根據成本效益較低的原理工作，但制造成本低廉，并且在科學已經完全崩潰的應用中具有靈活性。

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化為電能。畢竟，不同的材料具有不同的能量狀態，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。此技術的一種變體使用棱鏡在光線到達面板之前將其分開。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，將來有可能實現不低于40％的產率的光伏能量電池。然而，基于此的面板是如此昂貴，以至于它們在日常應用中還沒有引起人們的興趣。當他們可以控制太陽能電池中的熱量時，甚至可以利用它產生更多的電能。

另一種較便宜的提高面板效率的方法是通過光學儀器（透鏡，鏡子）將陽光捆綁在一起。畢竟，束光更強，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系統的焦點上，產量將大大提高。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帶的能差。正是這一性質決定了細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化為振動（熱）。因為太陽在所有波長下的發光效果都不一樣，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產量的關系。

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中的缺陷也起著至關重要的作用。為了克服所有這些限制并實現更高的效率，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。

太陽能電池的發展

1839年Antoine-CesarBecquerel太陽能電池的發展。貝克勒爾是在對電解液中的固體電極進行實驗時發現了光電效應的。弗里茨的設備是非常低效的能源轉換器;它們將吸收的光能中不到1%轉化為電能。盡管以今天的標準來看效率不高，這些早期的太陽能電池還是培養了一些人對豐富、清潔能源的憧憬。

那神圣的太陽景象，不再把他的能量無償地投入太空，而是通過光電池…，這些能量聚集在電庫里，使蒸汽機完全消失，煙霧被徹底壓制。

到1927年，另一種金屬半導體結的太陽能電池已經被證明是由銅和半導體氧化銅制成的。到了20世紀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換效率仍然不到1%。1941年，羅素·歐爾發明了硅太陽能電池，最終打破了這一僵局。13年后，在制造晶體管所需的硅技術迅速商業化的幫助下，另外三個美國研究人員——杰拉爾德·皮爾森、達里爾·查賓和卡爾文·福勒——展示了一種硅太陽能電池，當在陽光直射下使用時，其能量轉換效率可達6%。到20世紀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度，效率達到了37%。通過將不同的半導體光電池和電電池串聯起來，甚至有可能實現更高的效率，但會增加成本和復雜性。一般來說，太陽能電池的效率和成本差別很大。