这是一个你可能习惯于看到太阳能电池的地方，但随着时间的推移，它们会越来越多。查看更多更新网格图片。 马丁·巴罗/盖蒂图片社

　　你可能见过带有太阳能电池的计算器 - 永远不需要的设备 电池 在某些情况下，甚至没有关闭按钮。只要有足够的 光，它们似乎永远有效。您可能还见过更大的太阳能电池板，也许在紧急路标，呼叫箱，浮标上，甚至在停车场为灯供电。

　　虽然这些较大的面板不像太阳能计算器那样常见，但它们就在那里，如果你知道在哪里看，就不难发现。事实上 光伏 - 曾经几乎只用于太空，早在1958年就为卫星的电气系统提供动力 - 越来越多地以不那么奇特的方式使用。这项技术一直在新设备中出现，从太阳镜到电动汽车充电站。

　　“太阳能革命”的希望已经飘荡了几十年 - 有一天我们都将使用来自 太阳.这是一个诱人的承诺，因为在阳光明媚的日子里，太阳光线每平方米地球表面释放出大约1000瓦的能量。如果我们能够收集所有这些能量，我们可以轻松地免费为我们的家庭和办公室供电。

　　在本文中，我们将研究太阳能电池，以了解它们如何将太阳能直接转化为电能。在这个过程中，您将了解为什么我们越来越接近每天使用太阳能，以及为什么在该过程变得具有成本效益之前，我们还需要做更多的研究。

　　光伏电池：将光子转换为电子

　　您在计算器上看到的太阳能电池和 卫星 也被称为光伏(PV)电池，顾名思义(照片的意思是“光”，伏打的意思是”电力“)，将阳光直接转化为电能。模块是一组电连接并封装成框架(通常称为太阳能电池板)的电池，然后可以分组到更大的太阳能电池阵列中，例如在内华达州内利斯空军基地运行的太阳能电池阵列。

　　光伏电池由称为半导体的特殊材料制成，例如硅，这是目前最常用的。基本上，当光线照射到电池时，其中一部分被半导体材料吸收。这意味着吸收光的能量被转移到半导体上。能量将电子击松，使它们自由流动。

　　光伏电池也都有一个或多个电场，迫使光吸收释放的电子沿某个方向流动。这种电子流是一种电流，通过在光伏电池的顶部和底部放置金属触点，我们可以吸取该电流以供外部使用，例如为计算器供电。该电流与电池的电压(这是其内置电场或电场的结果)一起定义了太阳能电池可以产生的功率(或瓦数)。

　　这是基本过程，但实际上还有更多。接下来，让我们更深入地了解光伏电池的一个例子：单晶硅电池。

　　走向太阳能，走向绿色

　　在现有房屋中添加太阳能电池板可能很昂贵 - 但还有很多其他方法可以让您的房屋更环保。了解更多关于您可以采取哪些措施来保护环境的信息，请访问探索频道 绿色星球.

　　硅如何制造太阳能电池

　　2009年5月，美国总统巴拉克·奥巴马、内华达州参议院多数党领袖哈里·里德和霍华德·贝洛特上校在内华达州内利斯空军基地检查了太阳能电池板。

　　美联社照片/查尔斯·达拉帕克硅具有一些特殊的化学性质，特别是其晶体形式。一 原子 的硅有14个电子，排列在三个不同的壳层中。前两个壳层 - 分别容纳两个和八个电子 - 完全充满。然而，外壳只有一半，只有四个电子。硅原子总是会寻找方法来填充它最后一个壳层，为此，它将与附近的四个原子共享电子。这就像每个原子与它的邻居牵手，只是在这种情况下，每个原子都有四只手连接到四个邻居。这就是形成 晶体结构，事实证明，这种结构对这种类型的光伏电池很重要。

　　唯一的问题是纯晶体硅是一种不良的电导体，因为它的电子都不能自由移动，这与铜等更优化导体中的电子不同。为了解决这个问题，太阳能电池中的硅具有 杂质 - 其他原子有目的地与硅原子混合 - 这稍微改变了事物的工作方式。我们通常认为杂质是不受欢迎的，但在这种情况下，没有它们，我们的细胞将无法工作。考虑硅，这里和那里有一个磷原子，也许每百万个硅原子一个。磷的外壳中有五个电子，而不是四个。它仍然与它的硅相邻原子结合，但从某种意义上说，磷有一个没有人可以牵手的电子。它不构成键的一部分，但在磷核中有一个正质子将其固定到位。

　　当能量以热的形式添加到纯硅中时，它会导致一些电子脱离它们的键并离开它们的原子。每种情况下都会留下一个洞。这些电子，称为 免费运营商，然后在晶格周围随机徘徊，寻找另一个落入的孔并携带电流。然而，纯硅中的它们太少了，所以它们不是很有用。

　　但是我们混合了磷原子的不纯硅是另一回事。敲开我们的一个“额外”磷电子需要更少的能量，因为它们没有与任何相邻原子结合。结果，这些电子中的大多数确实挣脱了，我们拥有比纯硅更多的自由载流子。故意添加杂质的过程称为 掺杂，当掺杂磷时，得到的硅被称为 N型 (“n”代表负数)因为自由电子的普遍存在。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硼元素，硼的外壳中只有三个电子而不是四个，成为P型硅。而不是自由电子， P型 (“p”代表正)具有自由开口并带有相反的(正)电荷。

　　接下来，我们将仔细研究当这两种物质开始相互作用时会发生什么。

　　太阳能电池剖析

　　在此之前，我们的两块独立的硅片是电中性的;有趣的部分从你把它们放在一起开始。那是因为没有 电场，单元格无法工作;当N型和P型硅接触时，场形成。突然，N侧的自由电子看到了P侧的所有开口，并且有一种疯狂的冲动来填充它们。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，那么整个安排就不会很有用。然而，就在 结，它们确实混合并形成某种屏障，使得N侧的电子越来越难交叉到P侧。最终，达到平衡，我们有一个电场将两侧分开。

　　该电场充当 二极管，允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧，但反之则不然。它就像一座小山——电子可以很容易地下山(到N侧)，但不能爬上去(到P侧)。

　　当轻时，以 光子，撞击我们的太阳能电池，它的能量分解电子 - 空穴对。每个具有足够能量的光子通常会释放一个电子，从而也产生自由空穴。如果这发生在离电场足够近的地方，或者如果自由电子和自由空穴碰巧徘徊在其影响范围内，场会将电子发送到N侧，将空穴发送到P侧。这会导致电中性的进一步破坏，如果我们提供外部电流路径，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 当前，并且电池的电场导致 电压.对于电流和电压，我们有 权力，这是两者的产物。

　　在我们真正使用我们的细胞之前，还剩下一些组件。硅恰好是一种非常有光泽的材料，它可以在光子完成工作之前就反弹，所以

　　一 防反射涂层 用于减少这些损失。最后一步是安装一些可以保护细胞免受元素影响的东西 - 通常是 玻璃盖板.光伏组件通常通过将几个单独的电池连接在一起以达到有用的电压和电流水平，并将它们放在带有正极和负极的坚固框架中制成。

　　我们的光伏电池吸收了多少阳光能量?不幸的是，可能不是很多。例如，在2006年，大多数太阳能电池板仅达到约12%至18%的效率水平。当年最先进的太阳能电池板系统终于克服了该行业长期以来40%的太阳能效率障碍 - 实现了40.7%[来源： 美国能源部].那么，为什么充分利用阳光明媚的日子如此具有挑战性呢?

　　太阳能电池中的能量损失

　　熟悉的彩虹景象只是更大电磁频谱的一小部分。

　　可见光只是 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，因此由能量水平组成。(见 光的工作原理 以很好地讨论电磁频谱。

　　光可以分成不同的波长，我们可以看到彩虹的形式。由于照射到我们细胞的光有 光子s 在广泛的能量范围内，事实证明，其中一些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，就好像它是透明的一样。还有一些光子有太多的能量。只需要一定量的能量，以电子伏特(eV)为单位并由我们的电池材料定义(晶体硅约为1.1 eV)，就可以敲松电子。我们称之为 带隙能量 的材料。如果光子的能量超过所需量，那么额外的能量就会损失。(也就是说，除非光子具有所需能量的两倍，并且可以产生多个电子 - 空穴对，但这种效应并不显着。仅这两种效应就可以解释入射到我们细胞上的辐射能量的损失约70%。

　　为什么我们不能选择一种带隙非常低的材料，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我们电场的强度(电压)，如果它太低，那么我们在额外电流中弥补的东西(通过吸收更多的光子)，我们失去了一个小的电压。请记住，功率是电压乘以电流。平衡这两种效应的最佳带隙约为 1.4 eV 对于由单一材料制成的电池。

　　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侧流向另一侧。我们可以用金属覆盖底部，允许良好的传导，但是如果我们完全覆盖顶部，那么光子就无法穿过不透明的导体，我们会失去所有的电流(在某些电池中，透明导体用于顶部表面，但不是全部)。如果我们只把触点放在细胞的两侧，那么电子必须行进很长的距离才能到达触点。请记住，硅是一种 半导体 - 它远不如传输电流的金属。其内阻(称为 串联电阻)相当高，高电阻意味着高损耗。为了尽量减少这些损耗，电池通常被金属接触网格覆盖，该网格缩短了电子必须行进的距离，同时仅覆盖电池表面的一小部分。即便如此，一些光子还是被网格阻挡了，不能太小，否则它自身的电阻会太高。

　　现在我们知道了太阳能电池是如何工作的，让我们看看用这项技术为房子供电需要什么。

　　为房屋提供太阳能供电

　　正如花朵最好对准阳光一样，太阳能电池板也是如此。

　　你会怎么做 权力 你的房子有太阳能?虽然这不像在屋顶上拍打一些模块那么简单，但也不是非常困难。

　　首先，并非每个屋顶都有正确的方向或 倾斜角度 充分利用 太阳的能量。理想情况下，北半球的非跟踪光伏系统应指向正南，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。太阳能电池板也应以尽可能接近该地区纬度的角度倾斜，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产生，可以使用不同的方向和/或倾斜度。当然，无论一天中的什么时候或一年中的什么时候，模块都不应该被附近的树木或建筑物遮蔽。在光伏组件中，即使只有一个电池有阴影，发电量也会显着减少。

　　如果你的房子有一个无阴影的朝南屋顶，你需要决定你需要什么尺寸的系统。这因您的事实而变得复杂 电力 生产取决于天气，这永远无法完全预测，并且您的电力需求也会有所不同。幸运的是，这些障碍很容易清除。气象数据给出了不同地理区域的平均月日照水平。这考虑到了降雨和阴天，以及海拔高度， 湿度 以及其他更微妙的因素。你应该为最糟糕的月份进行设计，这样你全年都有足够的电力。有了这些数据和您的平均家庭需求(您的水电费账单可以方便地让您知道您每月使用多少能源)，您可以使用简单的方法来确定您需要多少光伏组件。您还需要确定系统电压，您可以通过决定串联多少个模块来控制系统电压。

　　您可能已经猜到了我们必须解决的几个问题。首先，当太阳不照耀时，我们该怎么办?

　　解决太阳能问题

　　生活在天气预报员心血来潮的想法可能不会让大多数人感到兴奋，但三个主要选择可以确保即使太阳不合作，你仍然有力量。如果您想完全脱离电网生活，但不相信您的光伏电池板能够在紧要关头提供您需要的所有电力，您可以在太阳能供应不足时使用备用发电机。第二个独立系统涉及以下形式的储能： 电池.不幸的是，电池会给光伏系统增加很多成本和维护，但如果你想完全独立，目前这是必要的。

　　另一种方法是将您的房屋连接到公用电网，在需要时购买电力，并在生产超过使用量时将其出售。这样，该实用程序实际上充当无限的存储系统。但请记住，政府法规因地点而异，并且可能会发生变化。您当地的公用事业公司可能需要也可能不需要参与，回购价格可能会有很大差异。您可能还需要特殊设备，以确保您要出售的公用事业公司与他们自己的电力兼容。安全也是一个问题。公用事业公司必须确保，如果您附近发生停电，您的光伏系统不会继续将电力馈入线路工认为已经死亡的电力线。这是一种称为孤岛的危险情况，但可以通过反孤岛逆变器来避免这种情况——我们很快就会谈到这一点。

　　如果您决定改用电池，请记住，它们必须进行维护，然后在一定年限后更换。大多数太阳能电池板往往可以使用大约30年(提高寿命当然是一个研究目标)，但电池没有这种使用寿命[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，因此您需要一个通风良好的非金属外壳。

　　虽然通常使用几种不同类型的电池，但它们应该具有的一个共同特征是它们是 深循环电池.与浅循环电池的汽车电池不同，深循环电池可以释放更多储存的能量，同时仍保持长寿命。汽车电池在很短的时间内释放大电流 - 启动你的汽车 - 然后在你开车时立即充电。光伏电池通常必须在较长时间(例如夜间或停电期间)释放较小的电流，同时在白天充电。最常用的深循环电池是 铅酸蓄电池 (密封和通风)和 镍镉电池，两者都有各种优点和缺点。

　　完成太阳能设置

　　这个简单的示意图显示了住宅光伏系统通常如何形成。

　　如何工作2000用途 电池 需要安装另一个称为 充电控制器.如果电池没有过度充电或耗尽太多电量，它们的使用寿命会更长。这就是充电控制器的作用。电池充满电后，充电控制器不会让来自光伏模块的电流继续流入其中。同样，一旦电池耗尽到某个预定水平，通过测量电池电压进行控制，许多充电控制器在充电之前不会允许从电池中排出更多的电流。使用充电控制器对于延长电池寿命至关重要。

　　除了 储能 是那个 电力 由您的太阳能电池板产生，如果您选择使用它们，则从电池中提取，不是您的公用事业公司提供的形式或您家中的电器使用的形式。太阳能系统产生的电力是直流电，因此您需要一个 逆变器 将其转换为交流电。正如我们所讨论的，除了将直流电切换到交流电外，如果您的系统连接到电网，一些逆变器还设计用于防止孤岛。

　　大多数大型逆变器都允许您自动控制系统的工作方式。一些光伏组件，称为 交流模块，实际上每个模块中都内置了一个逆变器，无需大型集中式逆变器，并简化了布线问题。

　　投入安装硬件， 布线、接线盒、接地设备、过流保护、直流和交流断开等配件，你自己就有了一个系统。您必须遵守电气规范(国家电气规范中有一节专门针对光伏)，强烈建议具有光伏系统经验的持牌电工进行安装。一旦安装，光伏系统几乎不需要维护(特别是在不使用电池的情况下)，并且可以清洁安静地提供20年或更长时间的电力。

　　太阳能电池技术的发展

　　太阳能电池长期以来一直是卫星的支柱;他们将来会在哪里结束?

　　我们已经讨论了很多关于典型光伏系统如何运行的问题，但是有关成本效益的问题(我们将在下一节中详细介绍)刺激了无休止的研究工作，旨在开发和微调新方法，使太阳能与传统能源相比更具竞争力。

　　例如，单晶硅并不是光伏电池中唯一使用的材料。多晶硅用于降低制造成本，尽管由此产生的电池不如单晶硅高效。第二代太阳能电池技术包括所谓的 薄膜太阳能电池.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——而且它们一直变得更有效率。薄膜太阳能电池可以由多种材料制成，包括非晶硅(没有晶体结构)、砷化镓、二硒化铟铜和碲化镉。

　　提高效率的另一种策略是使用两层或多层具有不同带隙的不同材料。请记住，根据物质的不同，吸收不同能量的光子。因此，通过在表面上堆叠较高的带隙材料来吸收高能光子(同时允许低能量光子被下面的较低带隙材料吸收)，可以产生更高的效率。这样的细胞，称为 多结电池，可以有多个电场。

　　聚光光伏技术 是另一个有前途的发展领域。聚光光伏系统不是简单地收集和转换一部分阳光恰好照射下来并转化为电能，而是使用透镜和镜子等光学设备将更多的太阳能聚焦到高效的太阳能电池上。虽然这些系统的制造成本通常更高，但它们与传统的太阳能电池板设置相比具有许多优势，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技术都让公司梦想着各种各样的应用和产品，从太阳能飞机和太空发电站到光伏供电的窗帘、衣服和笔记本电脑外壳等更多日常用品。甚至纳米粒子的微型世界也没有被排除在外，研究人员甚至正在探索有机生产太阳能电池的潜力。

　　但是，如果光伏发电是免费能源的绝佳来源，那么为什么整个世界都不依靠太阳能呢?

　　太阳能发电成本

　　太阳能电池可能仍然有点贵，但它们每年都在变得更便宜。

　　有些人对太阳能的概念有缺陷。虽然确实如此 阳光 是免费的， 电力 光伏系统产生的不是。确定安装光伏系统是否物有所值涉及许多因素。

　　首先，你住在哪里的问题。生活在世界上阳光充足的地区的人们比那些定居在阳光较少的地方的人具有更大的优势，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。电费因地而异，因此居住在更北边的人如果电价特别高，可能仍想考虑使用太阳能。

　　接下来是安装成本;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。截至2009年，住宅太阳能电池板的安装成本平均在每瓦8至10美元之间[来源： 国家可再生能源实验室].系统越大，每瓦的成本通常就越低。同样重要的是要记住，许多太阳能发电系统并不能100%完全覆盖电力负荷。很有可能，你仍然会有电费，尽管它肯定会低于没有太阳能电池板的情况下。

　　尽管标价很高，但有几种潜在的方法可以为愿意升级和使用太阳能的居民和企业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 - 以及它的性能 - 它可以通过偶尔产生盈余的电力来帮助更快地收回成本。最后，考虑房屋价值估算也很重要。安装光伏系统预计将为房屋价值增加数千美元。

　　目前，太阳能发电仍然难以与公用事业公司竞争，但随着研究技术的改进，成本正在下降。倡导者相信，光伏有朝一日将在城市地区和偏远地区具有成本效益。部分问题在于需要大规模进行制造，以尽可能降低成本。然而，在价格降至竞争水平之前，对光伏的这种需求不会存在。这是第22条军规。即便如此，随着需求和组件效率的不断提高，价格下降，以及世界越来越意识到与传统电源相关的环境问题，光伏发电可能会有一个充满希望的未来。