太阳能电池的工作原理

你在计算器和卫星又称光伏电池，顾名思义(photo意为“光”，photovoltaic意为“光伏”)。电)，将阳光直接转化为电能。一个模块是一组电池连接在一起，然后封装成一个框架(通常称为太阳能电池板)，然后可以分组成更大的太阳能阵列，就像内华达州内里斯空军基地运行的那个。

光伏电池由称为半导体的特殊材料制成，例如硅，目前最常使用。基本上，当光撞击电池时，它的某部分被吸收在半导体材料内。这意味着吸收光的能量被转移到半导体。能量敲击电子松散，使它们自由流动。

PV电池也均具有一个或多个电场，其用来用光吸收强制电子释放以在一定方向上流动。这种电子流量是电流，并且通过将金属触点放置在PV电池的顶部和底部，我们可以绘制电流关闭外部使用，例如，为计算器供电。该电流与电池电压（这是其内置电场或场的结果）一起定义太阳能电池可以产生的功率（或瓦数）。

这是最基本的过程，但其实还有更多。在下一页，让我们深入了解一个PV电池的例子:单晶硅电池。

硅有一些特殊的化学性质，尤其是在晶体形态下。一个原子硅有14个电子，排列在三个不同的电子层中。前两个电子层——分别有2个和8个电子——是完全填满的。然而，外层只有4个电子，只有一半是满的。硅原子总是想办法填满它的最后一层，为了做到这一点，它会与附近的四个原子共享电子。就像每个原子都和它的邻居有手一样，除了在这种情况下，每个原子有四个手和四个邻居相连。这就是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，因为没有它的电子可以自由地走动，与像铜更优化导体的电子。为了解决这个问题，在太阳能电池中的硅具有杂质——其他原子故意混入硅原子中——这稍微改变了一些事情的运行方式。我们通常认为杂质是不受欢迎的东西，但在这种情况下，我们的细胞没有杂质就不能工作。考虑硅和磷原子在这里或那里，也许每一百万个硅原子有一个磷原子。磷的外层有5个电子，而不是4个。它仍然和它的硅原子相连，但从某种意义上说，磷只有一个电子没有人可以和它相连。它不是化学键的一部分，但是在磷原子核中有一个带正电的质子把它固定住。

什么时候能源以热量的形式加入纯硅，例如，它会导致少量电子免除它们的粘合并离开它们的原子。在每种情况下留下一个孔。这些电子称为免费的航空公司，然后在晶体晶格周围随机游荡，寻找另一个可以掉进去并携带电流的洞。然而，它们在纯硅中太少了，所以用处不大。

但是我们不纯的硅，其中磷原子混合在不同的故事中。敲击我们的“额外”磷电子之一需要更少的能量，因为它们没有与任何相邻原子的结合捆绑。结果，大多数这些电子确实折断了，我们有更多的免费载体比我们在纯硅中的载体。将杂质添加杂质的过程称为兴奋剂，并且当与磷掺杂，所得到的硅被称为n型（对于消极的“N”）因为自由电子的普及。n型掺杂硅是比纯硅的更好的导体。

在普通太阳能电池的另一部分掺杂元素硼，硼的外层只有3个电子，而不是4个电子，变成了p型硅。没有自由电子，p型（“P”为阳性）有自由开口，携带相反的（阳性）电荷。

在下一页，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。

在这以前，这两块分开的硅是电中性的;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，细胞无法工作;当n型硅和p型硅接触时，电场形成。突然间，N边的自由电子看到了P边的所有开口，然后疯狂地涌向它们。所有的自由电子会填满所有的自由空穴吗?不。如果他们这样做了，那么整个安排就不会很有用了。然而，就在结它们确实会混合，形成某种势垒，使得N边的电子越来越难越过P边。最终，达到平衡，我们有一个电场把两边分开。

这个电场起a的作用二极管它允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧，但不能反过来。它就像一座山——电子可以很容易地往下走(到N边)，但不能爬(到P边)。

当光，以光的形式光子，撞击我们的太阳能电池，它的能量会分解电子-空穴对。每个有足够能量的光子通常只会释放一个电子，也会产生一个自由空穴。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边，空穴送到P边。这将进一步破坏电中性，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，与电场在那里形成的洞结合，在这一过程中为我们做功。电子流提供了当前的和细胞的电场引起电压．对于电流和电压，我们有力量，这是两者的产物。

在我们真正使用cell之前，还剩下一些组件。硅恰好是一种很有光泽的材料，它可以在光子完成任务之前将其反射出去，所以

一个抗反射涂层用于减少这些损失。最后一步是安装一些东西来保护细胞不受各种因素的影响——通常是玻璃盖板．通常通过将几个单独的电池连接在一起以实现有用的电压和电流水平来制造PV模块，并将其放入具有正极和负端子的坚固框架中。

我们的光伏电池吸收多少阳光能量？不幸的是，可能不是一个很可怕的。例如，在2006年，大多数太阳能电池板才达到效率水平约为12％至18％。最尖端的太阳能电池板系统最终曾在业界在太阳能效率的长期40％的屏障上迈出了它的方式 - 实现了40.7％[来源：美国能源部]．那么，为什么要充分利用晴天如此困难呢?

可见光只是一部分电磁波谱．电磁辐射是不是单色的 - 它是由一定范围的不同的波长，因此能量水平的组成。（看光线如何运作以便更好地讨论电磁波谱。)

光可以被分成不同的波长，我们可以看到彩虹的形式。因为照在我们手机上的光线光子年代在大范围的能量中，结果是它们中的一些没有足够的能量来改变电子-空穴对。它们会像透明的一样穿过细胞。还有一些光子有太多的能量。仅需要一定的能量，以电子伏(eV)为单位，并由我们的电池材料定义(晶体硅约1.1 eV)，就可以将一个电子击散。我们称之为带隙能量的材料。如果一个光子的能量大于所需要的量，那么多余的能量就会丢失。(也就是说，除非一个光子具有所需能量的两倍，并能产生一个以上的电子-空穴对，但这种效应并不显著。)仅这两种效应就能解释入射到我们细胞上的辐射能量损失的大约70%。

为什么我们不能选择带隙很小的材料，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)，如果它过低，那么我们通过吸收更多的光子来弥补额外的电流，我们就会因为电压小而损失。记住,力量为电压乘以电流。平衡这两种影响的最佳带隙是在附近1.4电动汽车对于由单个材料制成的电池。

我们也有其他损失。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，以获得良好的传导，但如果我们完全覆盖顶部，那么光子就无法通过不透明导体，我们就失去了所有的电流(在一些电池中，顶部表面使用了透明导体，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，它远不如金属好。它的内阻(称为系列抵抗）是相当高的，和高电阻装置的高损耗。为了尽量减少这些损耗，细胞通常是由缩短了电子必须行进而仅覆盖在细胞表面的一小部分的距离的金属接触栅格覆盖。即便如此，一些光子被网格，也不能太小，否则它自身的电阻会过高受阻。

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一所房子供电需要什么。

你会怎么做力量你的房子有太阳能?虽然这并不像在屋顶上拍打一些模块那样简单，但也不是很难做到。

首先，不是每个屋顶有正确的方向或倾角充分利用太阳的能源。非跟踪北半球光伏系统最好应该向真正的指向南方，虽然方向是面对更多东风与西风方向可以通过牺牲不同程度的效率的工作了，虽然。太阳能电池板也应以一定的角度尽量靠近该地区的纬度，尽可能吸收能量全年的最高金额倾斜。如果你想最大限度地提高能源生产的上午或下午不同的方向和/或倾斜，可以使用和/或夏季或冬季。当然，模块应该永远不会被附近的树木或建筑物，一天不管时间或者一年的时间阴影。在PV模块，如果甚至只是其小区中的一个被遮蔽，电力生产可显著降低。

如果您有一个带有未遮挡的南方屋顶的房子，您需要决定您需要的尺寸系统。这是你的事实的复杂性电生产取决于天气，而天气永远无法完全预测，你的电力需求也会变化。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月平均日照水平。这要考虑到降雨和多云天气，以及海拔高度，湿度以及其他更微妙的因素。你应该为最坏的月份设计，这样全年都有足够的电力。有了这些数据和你的平均家庭需求(你的公用事业账单方便地让你知道你每个月用了多少能源)，你可以用简单的方法来确定你需要多少光伏组件。你还需要决定一个系统电压，你可以通过决定串联多少个模块来控制它。

您可能已经猜到了一对夫妇，我们就必须解决的问题。首先，我们应该做些什么时候没有太阳？

大多数人可能不会因为天气预报员的突发奇想而兴奋不已，但有三种主要的选择可以确保即使在太阳不配合的情况下，你仍然有电力可用。如果你想完全脱离电网生活，但又不相信你的光伏电池板能在紧急情况下提供你需要的所有电力，你可以在太阳能供应不足时使用备用发电机。第二个独立的系统涉及能量存储的形式电池．不幸的是，电池可以为光伏系统增加大量成本和维护，但是如果您想完全独立，它目前是必要的。

另一种选择是将你的房子连接到公用事业电网，在你需要的时候购买电力，当你生产的电力超过你使用的电力时，再把它卖回去。这样，该实用程序实际上充当了一个无限的存储系统。不过要记住，政府的规定因地区而异，而且可能会发生变化。你当地的公用事业公司可能会也可能不会被要求参与，而且回购价格可能会有很大的变化。你可能还需要特殊设备来确保你想卖给公用事业公司的电力与他们自己的电力兼容。安全也是一个问题。公共事业公司必须确保，如果你的社区发生停电，你的光伏系统不会继续将电力输送到电线，而电线工人会认为这些电线已经死了。这是一个危险的情况叫做孤岛效应，但它可以通过反孤岛逆变器来避免——我们将在下一页讨论这个问题。

如果你决定用电池代替，请记住，它们必须进行维护，并在一定的年限后更换。大多数太阳能电池板的寿命一般在30年左右(提高寿命当然是一个研究目标)，但电池就是没有这种有用的寿命[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酸性电解质，所以你需要一个通风良好的非金属外壳。

虽然常用的电池有好几种，但它们有一个共同的特点，那就是它们都是深度放电的电池．不像你的汽车电池，它是浅循环电池，深循环电池可以放电更多的储存的能量，同时仍然保持很长的寿命。汽车电池在很短的时间内释放大电流以启动汽车，然后在你驾驶时立即充电。光伏电池在白天充电时，通常需要在较长时间内(如夜间或停电时)放电较小的电流。最常用的深循环电池是铅酸电池(密封和通风)和镍镉电池，两者都有不同的利弊。

在下一页中，我们将深入挖掘太阳能为你省钱所需要的组件。

的使用电池需要安装另一个组件，称为充电控制器．如果电池不过度充电或耗电过多，它们的续航时间会更长。这就是电荷控制器的作用。一旦电池完全充电，充电控制器就不会让光伏模块的电流继续流入电池。同样，一旦电池被耗尽到预定的水平，通过测量电池电压来控制，许多充电控制器将不允许更多的电流从电池中被耗尽，直到它们被重新充电。使用充电控制器对延长电池寿命至关重要。

另外一个问题是能量储存是,电通过您的太阳能电池板产生的，如果你选择使用它们从你的电池中提取，是不是多数民众赞成由您提供的工具，或在您家中的电器使用的形式。由太阳能系统产生的电力是直流电，所以你需要一个逆变器把它转换成交流电。就像我们在上一页讨论过的，除了将直流转换为交流，一些逆变器也被设计用来防止系统连接到电网时产生孤岛。

大多数大型逆变器将允许您自动控制您的系统如何工作。一些光伏组件被称为交流模块，实际上已经在每个模块中内置了一个逆变器，消除了对大型中央逆变器的需要，并简化了布线问题。

加上安装硬件，布线、分线盒、接地设备、过流保护、直流和交流断开等附件，而你自己就有了一个系统。您必须遵守电气规范(在国家电气规范中有一节是专门针对光伏的)，并且强烈建议由具有光伏系统经验的持证电工进行安装。一旦安装，光伏系统需要的维护非常少(特别是在不使用电池的情况下)，并将提供清洁和安静的电力20年或更长时间。

我们已经讨论了很多关于一个典型的光伏系统是如何运行的，但是关于成本效益的问题(我们将在下一页深入讨论)已经促使人们进行了无休止的研究，旨在开发和微调新的方法，使太阳能与传统能源越来越有竞争力。

例如，单晶硅是不是在PV电池中使用的唯一材料。多晶硅以试图切割制造成本所使用的，虽然所得到的细胞不是那样有效的单晶硅。第二代太阳能电池技术包含了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——而且它们的效率一直在提高。薄膜太阳能电池可以由多种材料制成，包括非晶态硅(没有晶体结构)、砷化镓、二硒化铜铟和碲化镉。

另一个提高效率的策略是使用带有不同带隙的两层或多层不同材料。记住，根据物质的不同，不同能量的光子被吸收。因此，通过在表面堆叠更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较低的带隙材料吸收)，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。不是简单地收集和转换一部分碰巧照射下来的阳光并转换成电能，集中光伏系统使用光学设备，如透镜和镜子，将更多的太阳能集中到高效的太阳能电池上。尽管这些系统的制造成本通常较高，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努力。

所有这些不同版本的太阳能电池技术让公司梦想着各种应用和产品，从太阳能飞机和太空电站到更多的日常用品，如pv供电的窗帘、衣服和笔记本电脑包。甚至纳米粒子的微型世界也没有被忽视，研究人员甚至在探索有机太阳能电池的潜力。

但是，如果光伏是一种如此美妙的免费能源，那么为什么整个世界都不使用太阳能呢?

有些人对太阳能的概念是有缺陷的。虽然这是真的阳光是免费的,电由PV系统产生的能量是不存在的。在决定安装一个光伏系统是否物有所值时，涉及到很多因素。

首先，有您的居住问题。生活在世界上的阳光明媚的地区的人在开始时比那些少阳光普照的地方定居更大的优势，因为他们的光伏发电系统一般都能够产生更多的电力。公用事业在一个地区的成本应在最重要的是被分解。电价从地方到另一个地方差别很大，所以有人居住更远的北部仍可能需要考虑，如果他们的速度特别高去太阳。

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。截至2009年，一个住宅太阳能电池板安装的平均价格在每瓦8到10美元之间[来源:国家可再生能源实验室]．系统越大，每瓦特的成本就越低。同样重要的是要记住，许多太阳能系统并不能在100%的时间内完全覆盖电力负荷。很有可能，你仍然会有一个电费账单，尽管它肯定会比没有太阳能板的时候要低。

尽管价格不菲，但对于愿意升级和使用太阳能的居民和企业来说，有几种潜在的方式来支付光伏系统的成本。这些措施包括联邦和州的税收优惠、公用事业公司的退税和其他融资机会。此外，根据太阳能电池板的大小和性能，它可以通过偶尔产生多余的电力来帮助自己更快地收回成本。最后，考虑到房屋价值估算也很重要。安装一个光伏系统预计将为一个家庭增加数千美元的价值。

现在，太阳能仍然遇到与公用事业公司竞争的困难，但由于研究改善了技术，成本下降。倡导者有信心PV将有一天在城市地区和遥控器中具有成本效益。部分问题的是，制造需要大规模完成，以尽可能地降低成本。然而，在价格下降到竞争水平之前，对PV的需求不会存在。这是一个捕获-22。即便如此，随着需求和模块效率不断上升，价格下降，世界也越来越意识到与传统电源相关的环境问题，它可能的光伏有希望的未来。

有关太阳能电池和相关主题的更多信息，请查看下一页的链接。