美国宇航局的太阳能探路者飞机
当我们头顶上有一座巨大的发电站，免费提供清洁、不间断的能源时，我们是否浪费了钻探石油和铲煤的时间？太阳，一个滚滚的球核电，有足够的燃料来驱动我们的太阳系再持续50亿年-而太阳能电池板可以改变这一点。能量变成无休止的，方便的电力供应。
太阳能可能看起来很奇怪或者是未来派，但它已经相当普遍了。你可能有太阳能石英表在你的手腕上或者太阳能口袋上计算器。许多人的花园里有太阳能灯。宇宙飞船和卫星通常也有太阳能电池板。美国航天局甚至开发了一架太阳能飞机！如全球变暖继续威胁着我们的环境，毫无疑问，太阳能将成为更重要的一种形式。可再生能源在未来。但是它到底是如何工作的呢？
我们可以从阳光中捕捉到的能量在日出和日落时是最小的，而在正午的时候是最大的，当太阳直接在头顶上的时候。（图一）
图一
平均而言，每平方米的地球表面接收164瓦的太阳能(这个数字我们稍后会更详细地解释)。换句话说，你可以在地球表面的每平方米上安装一盏非常强大(150瓦)的台灯，用太阳的能量照亮整个星球！或者，换句话说，如果我们用太阳能电池板覆盖撒哈拉沙漠的1%，我们就能产生足够多的太阳能。电来驱动整个世界。这就是太阳能的好处：太阳能有很多-这比我们所能使用的要多得多。
但也有不好的一面。太阳发出的能量以混合的形式到达地球灯和热。这两者都是极其重要的-光使植物生长，为我们提供食物，而热量则使我们保持足够的温暖以生存-但我们不能利用太阳的光或热直接运行电视或者一辆车。我们必须找到一些方法将太阳能转换成其他形式的能源，我们可以更容易地使用，比如电。这正是太阳能电池的作用。
A 太阳能电池是电子捕捉阳光并将其直接转化为电。这是一个成年人的手掌大小，八角形的形状，蓝色的黑色。太阳能电池通常被捆绑在一起，形成更大的单位叫做太阳能组件，将它们耦合成更大的单位，称为太阳能电池板(你在人们家里看到的黑色或蓝色的平板-通常每个屋顶都有几百个太阳能电池)或被切成芯片(为类似的小玩意提供电力)袖珍计算器和数字手表)。
这座房子的屋顶覆盖着16个太阳能电池板，每个电池板由10×6=60个小太阳能电池组成。在一个好的日子里，它可能产生大约4千瓦的电力。（图二）
图二
就像电池太阳能电池板中的电池是用来发电的，但如果电池的电池用化学物质发电，太阳能电池板的电池就会通过捕捉阳光发电。他们有时被称为光伏(PV)因为细胞使用阳光(“照片”来源于希腊语中的“光”)来制造电(“vtv”一词指的是意大利电力先驱。)阿尔桑德罗火山, 1745–1827)。
我们可以想到灯被称为光子因此，一束阳光就像一条明亮的黄色消防软管，向我们行进的数万亿光子发射。把太阳能电池插在它的路径上，它就能捕捉到这些高能光子，并将它们转化为电子流-一种电流。每个电池产生几伏特的电能，因此太阳能电池板的工作就是将许多电池产生的能量结合起来，产生有用的电流和电压。
一个太阳能电池。里克·米切尔提供的照片美国能源部/国家可再生能源实验室(DOE/NREL)。（图三）
图三
硅是晶体管(微型开关)在微芯片中制造-太阳能电池也以类似的方式工作。硅是一种叫做半导体。一些材料，特别是金属，让电很容易地流过它们，它们被称为导体。其他材料，如塑料类和木料不要真的让电通过它们，它们被称为绝缘体。像硅这样的半导体既不是导体，也不是绝缘体：它们通常不导电，但在某些情况下，我们可以让它们导电。
太阳能电池是由经过特殊处理的两层不同的硅层组成的三明治。掺杂所以他们会让电流以一种特殊的方式流过。下层是掺杂的，所以它的电子太少。它叫P型或者正极型硅(因为电子带负电，而这个层中的负电荷太少)。上层被掺杂，相反的方式，使它稍微太多的电子。它叫n型或负极型硅。(你可以在我们的文章中读到更多关于半导体和兴奋剂的文章。晶体管和集成电路.)
当我们在p型硅层上放置一层n型硅时，在结这两种材料(两种硅交汇的重要边界)。因此，即使我们把这个硅三明治连接到手电筒上，也不会有电流流动：灯泡不会亮起来。但如果我们把灯照在三明治上，就会有不寻常的事情发生。我们可以把光看作是一股充满能量的“光粒子”。光子。当光子进入我们的三明治时，它们把能量交给硅中的原子。传入的能量将电子从较低的p型层中击出，因此它们跨越势垒跳到n型层上方，并在电路周围流动。光线越亮，越多的电子跃起，流动的电流就越多。
这就是我们所说的光伏-光产生电压-这是科学家们所说的一种光电效应。
简单、单结太阳能电池的工作原理。（图四）
图四
太阳能电池是由n型硅(蓝色)和p型硅(红色)组成的三明治.它通过利用太阳光使电子在不同口味的硅之间的交界处跳跃而产生电能：
图表：太阳能电池的效率比较：第一次太阳能电池的效率仅为6%；迄今为止在实验室条件下生产的最有效的太阳能电池管理了46%。大多数细胞是第一代类型，理论上可以管理大约15%，在实践中可以管理8%。（图五）
图五
物理学的一条基本规则叫做能量守恒定律说我们不能神奇地创造能量或者让它消失在稀薄的空气中，我们所能做的就是把它从一种形式转化为另一种形式。这意味着太阳能电池不能产生比每秒接收光更多的电能。实际上，我们很快就会看到，大多数细胞将接收到的能量的10-20%转化为电能。典型的单结硅太阳电池的最大理论效率约为30%，被称为Shockley-Queisser极限。这本质上是因为阳光含有不同波长和能量的广泛混合光子，任何单结太阳能电池都将被优化，只能在某一频带内捕获光子，而浪费其余的光子。一些撞击太阳能电池的光子足够的能量可以击倒电子，因此它们被有效地浪费了，而有些人有太多的能量，多余的能量也被浪费了。最好的，尖端的实验室细胞可以在绝对完美的条件下，利用多个连接来捕捉不同能量的光子，达到46%的效率。
现实世界的家用太阳能电池板可能达到15%的效率，在这里或那里提供一个百分点，这不太可能变得更好。第一代单结太阳能电池不会达到肖克利-奎瑟极限的30%的效率，更不用说46%的实验室记录了。所有令人讨厌的现实世界因素都会侵蚀名义上的效率，包括面板的构造，面板的位置和角度，它们是否曾经在阴影中，你如何保持它们的清洁，它们有多热(温度的升高往往会降低它们的效率)，以及它们是否通风(允许空气在下面流通)来保持它们的凉爽。
今天你可以在人们的屋顶上看到的大多数太阳能电池基本上只是硅三明治，经过特殊处理(“掺杂”)，使它们成为更好的导体。科学家将这些经典的太阳能电池称为第一代太阳能电池，主要是为了区别于被称为第二代和第三代的两种不同的、更现代的技术。那有什么区别？
第一代
照片：第一代太阳能电池的彩色收藏。图片由NASA格伦研究中心(NASA-GRC)。（图六）
图六
世界上大约90%的太阳能电池是由结晶硅晶片(简称c-Si)制成的，这种晶片是从大型铸锭切片而成的，这些锭是在超级清洁的实验室中生长的，这个过程可能需要一个月的时间才能完成。锭体要么以单晶体的形式存在，要么以单晶体的形式存在。单晶或含有多个晶体(多晶、多晶硅或聚c-Si)。第一代太阳能电池的工作原理就像我们在上面的盒子里所展示的那样：它们使用n型和p型硅层之间的单一、简单的接合点，它们是从不同的锭中切割而成的。因此，n型钢锭可以用少量的磷、锑或砷作为掺杂剂加热大块硅，而p型锭则用硼作为掺杂剂。然后将n型和p型硅片熔合成结.此外，还增加了一些铃铛和口哨(就像增强光吸收的抗反射涂层，使光伏电池具有其特有的蓝色、前部防护玻璃和塑料衬垫，以及金属连接，这样电池就可以连接到一个电路中)，但简单的p-n结是大多数太阳能电池的本质。自从1954年以来，几乎所有的光伏硅太阳能电池都是这样工作的，当时贝尔实验室的科学家们开创了这项技术：将阳光照射在从沙子中提取出来的硅上，他们就产生了电。
第二代
照片：薄膜，第二代太阳能“面板”。发电薄膜是由非晶硅制成，固定在一个薄，灵活，相对便宜的塑料衬垫(“基板”)上。（图七）
图七
经典的太阳能电池是比较薄的晶片，通常只有一毫米深(约200微米，200μ米左右)。但它们是绝对的板与第二代细胞相比，俗称为薄膜太阳电池(Tpsc)或薄膜光电伏(Tfpv)，大约再薄100倍(几微米或百万分之一米深)。虽然大部分仍然是由硅(一种被称为非晶硅的不同形式，即a-Si，原子是随机排列，而不是精确有序地排列在一个规则的晶体结构)，但有些是由其他材料，特别是镉-碲(Cd-Te)和铜铟镓二硒化物(CIGS)。由于第二代太阳能电池非常薄、轻、灵活，因此可以被叠合在窗户、天窗、屋顶瓷砖和各种“基材”(包括支撑材料)上。金属, 玻璃杯，和聚合物(塑料)。第二代太阳能电池在灵活性方面获得的好处是，它们牺牲了效率：经典的、第一代太阳能电池的性能仍然好于它们。因此，虽然一流的第一代电池可能达到15%-20%的效率，非晶硅却难以达到7%以上，但最好的薄膜cd-Te电池只能管理大约11%，而cigs电池的效率不超过7%-12%。这就是为什么第二代电池尽管具有实际优势，但到目前为止对太阳能市场的影响相对较小的原因之一。
第三代
国家可再生能源实验室研究人员生产的第三代塑料太阳能电池。（图八）
图八
最新的技术结合了第一代和第二代电池的最佳特性。就像第一代细胞一样，它们的效率相对较高(30%或更高)。和第二代细胞一样，它们更有可能是由“简单”硅以外的材料制成的，比如非晶态硅、有机聚合物(制造有机光伏、OPV)、钙钛矿晶体，以及多个结(由多层不同半导体材料制成)。理想情况下，这将使它们比第一代或第二代电池更便宜、更高效、更实用。
“到达地球表面的太阳能总量可以满足现有全球能源需求的10，000倍以上。”
欧洲光伏产业协会/绿色和平组织，2011年.
理论上说是一大笔钱。让我们暂时忘掉太阳能电池，考虑一下纯净的阳光。多达1000瓦的原始太阳能直接照射到每平方米的地球上，直接指向太阳(这是在无云的日子里直接正午阳光的理论功率-太阳射线垂直于地球表面并给予最大的照度或日照，这在技术上是众所周知的)。在实践中，在我们校正了行星的倾斜和一天中的时间之后，在典型的北纬地区(即使是在无云的一天)，我们可能得到的最好值可能是每平方米100到250瓦。这意味着每天大约2到6千瓦时(取决于你是在像加拿大或苏格兰这样的北部地区，还是在亚利桑那州或墨西哥等更有吸引力的地方)。增加一整年的产量，使我们在700至2500千瓦时每平方米(700至2500单位电力)。更热的地区显然有更大的太阳能潜力：例如，中东每年接收的太阳能比欧洲多出50%至100%。
不幸的是，典型的太阳能电池只有15%的效率，所以我们只能捕获理论能量的一小部分。这就是为什么太阳能电池板需要这么大的原因：你可以制造的电量显然与你能负担得起的电池覆盖面积有直接的关系。一个太阳能电池(大约一个光盘大小)可以产生大约3-4.5瓦；一个由大约40个电池组成的典型太阳能组件(5排8个电池)可以产生大约100至300瓦；几个太阳能电池板，每个由大约3-4个模块组成，因此可以产生最大达数千瓦的绝对功率(可能刚好足以满足家庭的最高电力需求)。
对此的答案是经济、政治和技术因素的混合。从经济角度来看，在大多数国家，太阳能电池板产生的电力仍然比燃烧肮脏的、污染性的化石燃料所产生的电力更昂贵。世界对化石燃料基础设施有着巨大的投资，尽管强大的石油公司涉足了太阳能分支，但他们似乎更有兴趣用以下技术来延长现有石油和天然气储量的寿命。水力压裂(水力压裂)在政治上，石油、天然气和煤炭公司具有巨大的影响力和影响力，并抵制有利于太阳能和风能等可再生技术的环保法规。在技术上，正如我们已经看到的，太阳能电池是一项永久性的“正在进行中的工作”，世界上大部分的太阳能投资仍然是基于第一代技术。谁知道呢，也许还需要几十年的时间，最近的科学进步才能真正证明。
这类争论的一个问题是，它们只考虑了基本的经济和技术因素，而没有考虑隐藏的因素。环境石油泄漏之类的东西的成本，由于空气污染, 土地破坏来自煤炭开采，或气候变化，尤其是未来的成本，这是很难或不可能预测的。即使没有进一步的技术进步，提高对这些问题的认识也完全有可能加速化石燃料的转变；换句话说，我们无法再推迟普遍采用石油燃料的时候到了。可再生能源。归根结底，所有这些因素都是相互关联的。有了令人信服的政治领导，世界明天就可以致力于一场太阳能革命：政治可以迫使技术进步，从而改变太阳能的经济性。
光是经济本身就足够了。技术进步、制造业创新和规模经济继续压低太阳能电池和电池板的成本。据英国广播公司(BBC)的环境分析师称，仅在2008年至2009年间，罗杰·哈拉宾，价格下跌了30%，中国在太阳能制造业中的主导地位日益增强从那以后就一直把他们赶走。从2010年到2016年，大规模光伏发电的成本每年下降约10-15%。美国能源信息管理局总体而言，在过去十年里，转向太阳能的价格暴跌了大约90%，进一步巩固了中国对市场的控制。现在世界十大太阳能制造商中有六家是中国人；到了2016年，约占美国新太阳能发电量的三分之二来自中国、马来西亚和韩国。
阳能电池并不是利用阳光发电的唯一途径，甚至也不一定是最好的方式。我们也可以用太阳热能量(从阳光中吸收热量来加热你家里的水)，无源太阳(设计建筑以吸收阳光)和太阳能集热器(如图所示)。在这个版本中，16镜子收集阳光并将其集中在斯特林发动机(右边的灰色盒子)，这是一个非常高效的发电商。（图九）
图九
太阳的临界点预计会在它能够达到所谓的临界点时到达。网格奇偶这意味着，太阳能发电使你自己变得和你从电网购买的电力一样便宜。许多欧洲国家期望到2020年达到这一里程碑。太阳能在最近几年的增长率确实令人印象深刻，但重要的是要记住，太阳能仍然只占世界总能源的一小部分。例如，在英国，太阳能产业在2014年取得了“里程碑式的成就”，当时太阳能电池板的总装机容量几乎翻了一番，从大约2.8千瓦增加到5千瓦。但这仍然代表着几个大型发电站，最大限度输出量在英国大约60千兆瓦的总电力需求中，只有8%(考虑到云量之类的因素，它会减少到8%)。根据美国能源信息管理局在美国，光伏技术的发明，截至2017年，太阳能仅占美国总发电量的1.3%。现在，这个数字比前一年增长了50%(当时这个数字是0.9%)，是2014年的三倍多(当时太阳能仅为0.4%)。即使如此，它仍然比煤炭少25倍，比所有化石燃料少50倍。换句话说，即使美国太阳能发电增长了10倍，其发电量也不到今天煤炭发电量的一半(10×1.3=13%，而2016年煤炭产量为30.1%)。值得注意的是，世界上两次重要的年度能源审查-英国石油公司的“世界能源统计评论”和国际能源署的“关键的世界能源统计”-几乎没有提到太阳能，只是作为一个脚注。
这种情况很快就会改变吗？只是有可能。根据2016年牛津大学研究人员论文现在太阳能的成本下降得如此之快，到2027年将提供世界能源需求的20%，这将是一个比我们现在的水平更大的变化，而且增长率比任何人之前预测的都要快得多。这种增长速度还能继续下去吗？太阳能真的能在为时已晚之前改变气候变化吗？这是值得我们思考注意的地方！
1839：法国物理学家亚历山德-埃德蒙德·贝克勒尔(放射性先驱亨利·贝克勒尔的父亲)发现一些金属是光电的：当它们暴露在光下时会产生电能。
1873：英国工程师威洛比·史密斯发现硒是一种特别有效的光电导体(后来被Chester Carlson在他发明的复印机)。
1905年：德国出生的物理学家爱因斯坦研究出了光电效应的物理原理，这一发现最终为他赢得了诺贝尔奖。
1916年：美国物理学家罗伯特·米利肯从实验上证明了爱因斯坦的理论。
1940: 罗素·奥尔贝尔实验室无意中发现，掺杂的结半导体在受光照射时会产生电流。
1954年：贝尔实验室的研究人员达里尔·查平, 卡尔文·富勒，和杰拉尔德·皮尔森制造第一个实用的光伏硅太阳能电池，其效率约为6%(稍后版本管理11%)。他们于4月25日宣布了他们的发明-最初被称为“太阳能电池”。
1958年：先锋号、探索者号和人造卫星开始使用太阳能电池。
1962年：3600台贝尔太阳能电池被用于为电信卫星Telstar提供动力。Telstar是一颗开创性的通信卫星。
1997年：美国联邦政府宣布其百万太阳能屋顶计划-到2010年建造一百万个太阳能屋顶。
2002年：美国宇航局发射其探路者加太阳飞机。
2009年：科学家发现钙钛矿晶体作为第三代光伏材料具有巨大的潜力。
2014年：德国和法国科学家的合作创造了四结太阳能电池46%效率的新纪录。
2020年：预计太阳能电池将实现并网发电(你自己制造的太阳能发电将与从电网购买的电力一样便宜)。
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