18新利最新登入太阳能电池板是如何工作的?

你在发电站上看到的太阳能电池板卫星也被称为光伏板，或光伏电池，顾名思义(photo意为“光”，voltaic意为“光”)。电)，将阳光直接转化为电能。模块是一组电连接的电池板，并包装成一个框架(更常见的是太阳能电池板)，然后可以组合成更大的太阳能阵列，就像内华达州内利斯空军基地的一个。

光伏电池是由一种叫做半导体的特殊材料制成的，比如目前最常用的硅。基本上，当光照射到面板上时，半导体材料会吸收其中的一部分。这意味着吸收光的能量被转移到半导体。能量将电子击散，使它们自由流动。

PV太阳能电池板利用一个或多个电场来迫使因光吸收而释放的电子向特定方向流动。这种电子流就是电流，通过在PV电池的顶部和底部放置金属触点，我们可以将电流抽出来供外部使用，比如为计算器供电。这个电流，加上电池的电压(这是其内置电场的结果)，决定了太阳能电池可以产生的功率(或瓦数)。

这是基本过程，但其实还有更多。接下来，让我们更深入地了解PV面板的一个例子:单晶硅面板。

硅有一些特殊的化学性质尤指其结晶形式。一个原子硅有14个电子，排列在三个不同的壳层中。前两层——分别容纳2个和8个电子——是完全满的。然而，外层只有一半是满的，只有四个18新利最新登入电子。

硅原子总是想办法填满它的最后一层，为了做到这一点，它会和附近的四个原子共用电子。就像每个原子都牵着它的邻居的手，只不过在这种情况下，每个原子有四只手和四个邻居连在一起。这就形成了晶体结构这种结构对这种类型的PV电池很重要。

唯一的问题是纯晶体硅是电的不良导体，因为它的电子都不能自由移动，不像铜等更优导体中的电子。

为了解决这个问题，太阳能电池板中的硅杂质——其他原子有意地与硅原子混合在一起——这稍微改变了事情的工作方式。我们通常认为杂质是不受欢迎的东西，但在这种情况下，我们的细胞没有它们就无法工作。假设硅原子中有一个磷原子，也许每一百万个硅原子中就有一个磷原子。

磷的外层有5个电子，而不是4个。它仍然和相邻的硅原子成键，但在某种意义上，磷有一个电子，没有人可以牵着手。它不构成键的一部分，但是磷原子核中有一个带正电的质子把它固定住了。

当能量被加到纯硅例如，它以热的形式存在，可以导致一些电子脱离化学键，离开原子。每个箱子都留下一个洞。这些电子叫做免费的航空公司，然后在晶格中随机徘徊，寻找另一个可以掉进去的洞，并携带电流。18新利最新登入然而，在纯硅中，它们的数量很少，所以用处不大。

但是掺杂了磷原子的不纯硅就完全不同了。释放一个“多余的”磷电子所需的能量要少得多，因为它们没有与任何相邻的原子成键。结果，大部分电子都脱离了束缚，我们的自由载流子比纯硅的要多得多。

故意添加杂质的过程叫做兴奋剂，当掺杂磷时，得到的硅被称为硅n型(“n”代表负)，因为自由电子普遍存在。n型掺杂硅是比纯硅更好的导体。

典型太阳能电池的另一部分掺杂了元素硼，它的外层只有三个电子，而不是四个，变成了p型硅。没有自由电子，p型(“p”代表正)有自由开口，带相反的(正)电荷。

接下来，我们将仔细看看当这两种物质开始相互作用时会发生什么。

直到现在，我们的两块独立的硅片电中性l;当你把它们放在一起时，有趣的部分就开始了。那是因为没有电场，细胞不会工作;当n型硅和p型硅接触时，电场就形成了。突然间，N侧的自由电子看到P侧的所有空位，就会疯狂地去填满它们。

所有的自由电子都填满了所有的自由空穴吗?不。如果他们这样做了，那么整个安排就没有多大用处了。18新利最新登入然而，就在结它们会混合并形成某种势垒，使得N侧的电子越来越难跨越到P侧。最终，达到平衡，我们有一个电场分开两边。

这个电场就像二极管，允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧，而不是相反。这就像一座小山——电子可以很容易地下山(到N侧)，但不能爬上山(到P侧)。

当光，在形式光子撞击我们的太阳能电池板，它的能量将电子空穴对分开。每个具有足够能量的光子通常只会释放一个电子，从而产生一个自由空穴。如果这发生在离电场足够近的地方，或者如果一个自由电子和自由空穴碰巧进入了电场的影响范围，电场就会把电子送到N侧，把空穴送到P侧。

这将导致电中性的进一步破坏，如果我们提供一个外部电流路径，电子将通过路径流向P侧，与电场发送到那里的空穴结合，在此过程中为我们做功。电子流提供了当前的，而细胞的电场会引起a电压．有电流和电压，我们有权力，即两者的乘积。

在真正使用单元格之前，还剩下几个组件。硅恰好是一种非常闪亮的材料，它可以在光子完成工作之前将光子反射出去，所以抗反射涂层用于减少这些损失。

最后一步是安装一些可以保护电池免受各种因素(通常是a)伤害的东西玻璃盖板．光伏组件通常是通过将几个单独的太阳能电池板连接在一起来实现有用的电压和电流水平，并将它们放在一个带有正负端子的坚固框架中。

不幸的是，将太阳能转化为可用能源的过程并不完美。截至2019年在美国，市售太阳能电池板的效率不到30%，这意味着三分之二的潜在聚光太阳能被浪费了。在实验室环境中，一些研究人员已经能够达到47%的效率，但他们使用的定向光束比我们周围的室外阳光强几倍。

到目前为止，解决这一效率问题的唯一切实可行的办法是在更大的面积上安装更多的太阳能电池板，但这大大增加了在房地产和自然资源上建造太阳能发电厂的成本。从金钱的角度来看，与所收集的能量相比，太阳能曾经是建造成本最高的能源之一。18新利最新登入然而，价格呈下降趋势近年来，光伏发电带来了更符合风力发电成本的建设。

一个有效的可替代光伏系统被称为聚光太阳能发电厂。这种方法不用硅板，而是用大量的抛光镜子来捕捉阳光。这些镜子可以跟随太阳的运动把光对准一个大塔被称为中央接收器。接收器里有一个大罐的化学溶液，被称为熔盐，可以加热到超过1000华氏度(538摄氏度)。热量可以被抽走，从而驱动传统的蒸汽轮机在白天和晚上工作。

聚光太阳能产生的能量是典型太阳能电池板阵列的几倍，但它需要大片平坦的地面，所产生的热量对人类和野生动物都有危害。由于这些原因，发电厂往往位于相对无人居住的地区，如莫哈韦沙漠．

可见光只是地球的一部分电磁波谱．电磁辐射不是单色的——它由一系列不同的波长组成，因此也有不同的能级。

光可以被分离成不同的波长，我们可以看到彩虹的形式。由于照射到我们细胞的光具有广泛能量的光子，因此其中一些光子没有足够的能量来改变电子-空穴对。它们会简单地穿过细胞，就像它是透明的一样。还有一些光子的能量太大了。只需要一定的能量，以电子伏特(eV)测量，并由我们的电池材料定义(晶体硅约1.1 eV)，就可以使电子松动。

我们称之为带隙能一种材料。如果一个光子的能量超过所需的量，那么额外的能量就会损失。(也就是说，除非一个光子具有所需能量的两倍，并且可以产生多个电子-空穴对，但这种效应并不显著。)仅这两种影响就可以解释约70%的损失辐射能量发生在我们手机上的意外。

为什么我们不能选择一种带隙非常小的材料，这样我们就可以使用更多的光子呢?不幸的是，我们的带隙也决定了电场的强度(电压)，如果它太低，那么我们在额外的电流中所弥补的(通过吸收更多的光子)，我们失去了一个小电压。记住，功率等于电压乘以电流。平衡这两种效应的最佳带隙在附近1.4电动汽车对于由单一材料制成的细胞。

我们还有其他损失。我们的电子必须通过外部电路从电池的一边流到另一边。我们可以用金属覆盖底部，这样导电性能就很好，但如果我们完全覆盖顶部，那么光子就无法穿过不透明导体，我们就失去了所有的电流(在一些太阳能电池板中，透明导体被用在顶部表面，但不是全部)。如果我们只把触点放在电池的两侧，那么电子必须经过非常长的距离才能到达触点。

记住，硅是半导体在传输电流方面，它远不如金属。它的内阻(称为串联电阻)是相当高的，高电阻意味着高损失。为了尽量减少这些损失，电池通常被金属接触栅格覆盖，缩短了电子必须移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。即便如此，一些光子还是会被栅格挡住，栅格不能太小，否则栅格自身的电阻就会太高。

现在我们知道了太阳能电池的工作原理18新利最新登入，让我们来看看用这项技术为一所房子供电需要什么。

你要怎么做权力你的房子太阳能？虽然这并不像在屋顶上安装一些模块来开始太阳能生产那么简单，但也不是很难做到。

首先，不是每个屋顶都有正确的方向或倾角充分利用太阳的能量。北半球的非跟踪光伏系统在理想情况下应该指向真正的南方，尽管面向更东和更西的方向也可以工作，尽管牺牲了不同程度的效率。

太阳能电池板的倾斜角度也应尽可能接近该地区的纬度，以便全年吸收最大数量的能量。如果你想在早上或下午，和/或夏天或冬天最大限度地产生能量，可以使用不同的方向和/或倾角。当然，这些模块不应该被附近的树木或建筑物遮蔽，无论是一天中的时间还是一年中的时间。在光伏组件中，即使只有一块面板是遮阳的，发电量也会显著降低。

如果你的房子没有遮阳，朝南的屋顶，你需要决定你需要多大的系统。这是复杂的事实，你的电力生产取决于天气这是永远无法完全预测的，而且你的电力需求也会有所不同。

幸运的是，这些障碍很容易清除。气象数据提供了不同地理区域的月平均日照水平。这考虑到了降雨和阴天，以及海拔，湿度还有其他更微妙的因素。你应该为最差的月份设计，这样你全年都有足够的电力。

有了这些数据和你的平均家庭需求(你的水电费账单方便地让你知道你每个月使用了多少能源)，你可以使用简单的方法来确定你需要多少光伏组件。18新利最新登入您还需要确定系统电压，您可以通过决定串联连接多少个模块来控制系统电压。18新利最新登入

你可能已经猜到了一些我们要解决的问题。首先，没有阳光的时候我们该做什么?

大多数人可能不会因为天气预报员的心血来潮而感到兴奋，但有三个主要的选择可以确保即使太阳不合作，你也能拥有电力。如果你想活下去完全脱离电网但不要相信你的光伏电池板能在紧要关头提供你所需的所有电力，当太阳能供应不足时，你可以使用备用发电机。

第二个独立系统涉及能量存储的形式电池产生电能不幸的是，电池会给光伏系统增加大量的成本和维护，但如果你想完全独立，它是目前必不可少的。

另一种选择是将你的房子连接到公用电网，在你需要的时候购买电力，当你生产的电力超过你的使用量时出售。这样，该实用程序就像一个实际上无限的存储系统。但请记住，政府的规定因地区而异，可能会发生变化。您当地的公用事业公司可能被要求参与，也可能不被要求参与，回购价格可能会有很大差异。

你可能还需要特殊的设备，以确保你想卖给公用事业公司的电力与他们自己的兼容。安全也是一个问题。公用事业公司必须确保，如果你的社区停电，你的光伏系统不会继续向电线输送电力，而电线工人会认为电线已经断了。这是一种叫做孤岛效应但它可以通过防孤岛逆变器来避免——我们很快就会讲到。

如果你决定用电池代替，请记住它们必须进行维护，并在一定年限后更换。大多数太阳能电池板倾向于这样持续了大约30年(提高寿命当然是一个研究目标)，但电池没有那么长的使用寿命[来源:国家可再生能源实验室]。光伏系统中的电池也可能非常危险，因为它们储存的能量和它们所含的酸性电解质，所以你需要一个通风良好的非金属外壳。

虽然几种不同类型的电池被普遍使用，但它们都有一个共同的特点，那就是它们都是深度放电的电池．不像你的汽车电池，这是一个浅循环电池，深循环电池可以释放更多的储存能量，同时仍然保持长寿命。汽车电池在很短的时间内释放大电流来启动汽车，然后在你开车时立即充电。

PV电池通常必须在较长时间内放电较小的电流(例如在夜间或停电期间)，而在白天充电。最常用的深循环电池是铅酸电池(密封和通风)和镍镉电池这两种方法各有利弊。

锂离子电池在太阳能应用中也越来越普遍。它们比旧的设计有更大的储能潜力，但也更昂贵。如果过度充电或储存在炎热的环境中，它们还存在过热甚至起火的风险。

电池的使用需要安装另一种称为电池的组件充电控制器．如果电池没有过度充电或过度耗电，电池的续航时间会更长。这就是电荷控制器的作用。一旦电池充满电，充电控制器就不会让来自光伏组件的电流继续流入电池。

同样，一旦电池被耗尽到一定的预定水平，通过测量电池来控制电压在美国，许多充电控制器将不允许更多的电流从电池中排出，直到电池再次充电。充电控制器的使用对于延长电池寿命是必不可少的。

另外一个问题是能量储存你的太阳能电池板产生的电力，如果你选择使用它们，从你的电池中提取的电力，不是由你的公用事业提供的，也不是由你家里的电器使用的。

太阳系产生的电是直流电，所以你需要一个逆变器把它转换成交流电。正如我们所讨论的，除了将直流转换为交流，如果您的系统连接到电网，一些逆变器还设计为防止孤岛。

大多数大型逆变器将允许您自动控制系统的工作方式。18新利最新登入有的PV模块，叫做交流模块实际上，每个模块都内置了一个逆变器，这样就不需要一个大型的中央逆变器，并简化了布线问题。

再加上安装硬件，布线、接线盒、接地设备、过流保护、直流和交流断线等配件，你就拥有了自己的一个系统。您必须遵循电气规范(在国家电气规范中有一个章节是关于光伏的)，强烈建议由具有光伏系统经验的持牌电工进行安装。一旦安装，PV系统只需要很少的维护(特别是在不使用电池的情况下)，并且可以清洁、安静地供电20年或更长时间。

我们已经讨论了很多典型的光伏系统是如何运行的，但是18新利最新登入关于成本效益(我们将在下一节详细讨论)激发了无休止的研究努力，旨在开发和微调新方法，使太阳能与传统能源相比越来越有竞争力。

例如，单晶硅并不是用于光伏电池板的唯一材料。多晶硅被用于降低制造成本，尽管由此产生的电池不如单晶硅高效。第二代太阳能电池板技术由所谓的薄膜太阳能电池板．

虽然它们也倾向于牺牲一些效率，但它们的生产更简单、更便宜——而且它们的效率一直在提高。薄膜太阳能电池板可以用多种材料制成，包括非晶硅(没有晶体结构)、砷化镓、二硒化铜铟和碲化镉。

另一种提高效率的策略是使用两层或多层具有不同带隙的不同材料。记住，不同的物质会吸收不同能量的光子。因此，通过在表面堆叠高带隙材料来吸收高能光子(同时允许低能量光子被下面低带隙材料吸收)，可以产生更高的效率。这样的小组被称为多结板，可以有多个电场。

聚光光伏技术是另一个有发展前景的领域。聚光光伏系统不是简单地收集和转换一部分碰巧照下来的阳光并将其转化为电能，而是使用透镜和镜子等光学设备将更多的太阳能集中到高效的太阳能电池板上。

尽管这些系统的制造成本一般较高，但与传统的太阳能电池板相比，它们有许多优势，并鼓励进一步的研究和开发工作。

所有这些不同版本的太阳能电池板技术让公司梦想着各种应用和产品，从太阳能飞机和太空发电站到更多的日常用品，如太阳能窗帘、衣服和笔记本电脑包。甚至连纳米颗粒的微型世界也没有被遗漏，研究人员甚至在探索有机生产太阳能电池板的潜力。

但是，如果光伏发电是如此美妙的自由能源来源，那么为什么不是整个世界都使用太阳能呢?

有些人对太阳能有错误的认识。虽然这是事实阳光是免费的，而由光伏系统产生的电力则不是。在决定安装光伏系统是否物有所值时，涉及到很多因素。

首先，你住在哪里是一个问题。生活在阳光充足地区的人比那些居住在阳光较少地区的人有更大的优势，因为他们的光伏系统通常能够产生更多的电力。一个地区的公用事业成本应该在此基础上考虑在内。各地的电费差异很大，所以如果电费特别高，住在北部的人可能仍然会考虑使用太阳能。

其次是安装成本;正如您可能从我们对家用光伏系统的讨论中注意到的那样，需要相当多的硬件。在2010年到2020年之间，国家可再生能源实验室判断每瓦平均成本一个家用太阳能系统的价格从7.53美元下降到2.71美元。由于太阳能装置的成本仅为10年前的三分之一多一点，住宅电池板已成为房主更有吸引力的选择。政府税收优惠也可能进一步降低成本。

尽管价格高昂，但对于愿意升级和使用太阳能的居民和企业来说，有几种潜在的方法来支付光伏系统的成本。这些可以以联邦和州税收优惠、公用事业公司退税和其他融资机会的形式出现。

此外，根据太阳能电池板设置的大小以及它18新利最新登入的性能，它可以通过偶尔产生过剩的电力来帮助更快地收回成本。最后，房屋价值评估也很重要。安装一套光伏系统有望为一套房子增加数千美元的价值。

目前，太阳能在与公用事业公司的竞争中仍有一些困难，但随着研究改进技术，成本正在下降。支持者们相信，总有一天，光伏发电将在城市地区和偏远地区都具有成本效益。

部分问题在于，制造需要大规模进行，以尽可能降低成本。然而，在价格下降到具有竞争力的水平之前，对光伏的这种需求18新利最新登入是不存在的。这是一个两难的选择。即便如此，随着需求和组件效率的不断提高，价格的下降，以及世界越来越意识到与传统电源相关的环境问题，光伏可能会有一个充满希望的未来。

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最初发表于2000年4月1日