太阳能电池，又称光伏电池，是通过光电效应将光能直接转换为电能的任何装置。绝大多数的太阳能电池是用硅制造的，由于材料从非晶态硅(非晶态)到多晶态硅(单晶态)，效率提高，成本降低。与电池或燃料电池不同，太阳能电池不利用化学反应或需要燃料来产生电能，而且与发电机不同，太阳能电池没有任何活动部件。

一种常用的太阳能电池结构。在许多这样的电池中，吸收层和后结层都是由相同的材料制成的。

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太阳能电池可以被排列成大组，称为阵列。这些阵列由成千上万个独立的电池组成，可以作为中央发电站，将阳光转化为电能，分配给工业、商业和居民用户。小得多的太阳能电池，通常被称为太阳能电池电池板或简称太阳能电池板，已被房主安装在屋顶上，以取代或增加他们的传统电力供应。在许多偏远的陆地地区，太阳能电池板也被用来提供电力，在这些地区，传统的电力来源要么无法获得，要么安装成本高昂。由于太阳能电池没有需要维护的移动部件，也没有需要补充的燃料，所以它为大多数空间装置提供电力，从通信卫星到气象卫星到空间站。(然而，由于远离太阳的辐射能会扩散，太阳能对发射到太阳系外行星或星际空间的太空探测器来说是不够的。)太阳能电池还被用于消费产品，如电子玩具、手持式计算器和便携式收音机。在这类装置中使用的太阳能电池可以利用人造光(例如白炽灯和荧光灯)以及阳光。

国际空间站

国际空间站(ISS)是1998年开始分段建造的。到2000年12月，部分完成的空间站的主要组成部分包括美国建造的连接节点Unity和两个俄罗斯建造的单元——zarya，一个动力模块和Zvezda，最初的生活区。一艘搭载了国际空间站第一批3名宇航员的俄罗斯宇宙飞船在兹维兹达河的尽头停靠。这张照片是从奋进号航天飞机上拍摄的。

美国国家航空和航天局

虽然总的光电能源生产是微不足道的，它很可能增加，因为化石燃料资源的减少。事实上，根据2030年全球能源消耗预测计算，全球能源需求将由太阳能电池板满足，其运行效率为20%，覆盖地球表面约496,805平方公里(191,817平方英里)。由于硅是地壳中第二丰富的元素，对材料的需求将是巨大的，但也是可行的。这些因素使得太阳能的支持者们设想未来的“太阳能经济”，在这个经济中，廉价、清洁、可再生的太阳能几乎可以满足人类所有的能源需求。

太阳能电池的结构和运行

太阳能电池，无论是用在中央发电站，卫星，还是计算器，都有相同的基本结构。光通过光学涂层或防反射层进入器件，该光学涂层或防反射层将光的损失降到最低;它通过促进光线传输到下面的能量转换层，有效地捕捉照射到太阳能电池上的光线。防反射层通常是硅、钽或钛的氧化物，通过旋转涂层或真空沉积技术在电池表面形成。

太阳能;太阳能电池

太阳能发电厂产生兆瓦的电力。电压是由特殊处理过的半导体材料如硅制成的太阳能电池产生的。

国家可再生能源实验室

在防反射层下面的三个能量转换层是顶部结层、构成器件核心的吸收层和后结层。需要另外两层电接触层来将电流输出到外部负载并返回电池，从而完成电路。光进入的电池表面的电接触层通常以某种网格的形式存在，并由如金属这样的良导体组成。由于金属阻挡光线，栅格线尽可能的薄和宽间距，而不影响电池产生的电流的收集。背面电接触层没有这种完全相反的限制。它只需要作为一个电触点，从而覆盖电池结构的整个背面。因为后面的层也必须是一个非常好的导电体，它总是由金属制成。

由于太阳光和人造光中的大部分能量在可见的电磁辐射范围内，太阳能电池吸收体应能有效地吸收这些波长的辐射。强吸收可见光的材料属于半导体一类物质。厚度在大约百分之一厘米或更小的半导体可以吸收所有入射的可见光;由于接点形成层和接触层要薄得多，太阳能电池的厚度基本上就是吸收器的厚度。太阳能电池中使用的半导体材料包括硅、砷化镓、磷化铟和硒化铜铟。

当光线照射到太阳能电池上时，吸收层中的电子从较低能量的“基态”(电子与固体中的特定原子结合)被激发到较高的“激发态”(电子可以在固体中移动)。在没有连接形成层的情况下，这些“自由”电子处于随机运动状态，因此不可能有定向的直流电。然而，接点形成层的加入，会产生产生光电效应的内置电场。实际上，电场使流经电接触层的电子集体运动，进入外部电路，在那里它们可以做有用的工作。

为了产生内建的电场和携带电流，用于两个连接点形成层的材料必须与吸收器不同。因此，这些可能是不同的半导体(或相同的半导体具有不同的传导类型)，或者它们可能是一种金属和半导体。用于制造不同层次的太阳能电池的材料本质上与用于制造固态电子和微电子的二极管和晶体管的材料相同(参见电子学:光电子学)。太阳能电池和微电子设备拥有相同的基本技术。然而，在太阳能电池制造中，人们试图建造一个大面积的装置，因为所产生的能量与照明面积成比例。微电子学的目标当然是在半导体芯片或集成电路中制造更小尺寸的电子元件，以增加其密度和运行速度。

光伏过程与光合作用具有某些相似性，光合作用是将光能转化为植物中的化学能的过程。由于太阳能电池显然不能在黑暗中产生电能，因此在许多应用中，它们在光下产生的能量的一部分被存储起来，以在没有光的情况下使用。储存这种电能的一种常用方法是对电化学蓄电池进行充电。将光中的能量转换成受激电子的能量，然后再转换成存储的化学能的顺序与光合作用的过程极为相似。

太阳能板设计

大多数太阳能电池的面积为几平方厘米，并通过玻璃或透明塑料的薄涂层保护其免受环境影响。由于典型的10厘米×10厘米（4英寸×4英寸）太阳能电池仅产生约2瓦的电能（入射到其表面的光能的15％到20％），因此电池通常串联在一起以增强电压或并联以增加电流。太阳能或光伏（PV）模块通常由36个互连的电池组成，这些电池在铝框架内层压到玻璃上。继而，这些模块中的一个或多个可被布线并框架在一起以形成太阳能电池板。太阳能电池板的单位表面积能量转换效率略低于单个电池，这是因为组件中不可避免的无源区域以及电池之间的性能差异。每个太阳能电池板的背面都装有标准化的插座，因此其输出可以与其他太阳能电池板组合在一起以形成一个太阳能电池阵列。完整的光伏系统可能包括许多太阳能电池板，用于容纳不同电负载的电源系统，外部电路和蓄电池。光伏系统大致可分为独立系统或并网系统。

太阳能电池

一位科学家检查了一块聚合物太阳能电池，它比传统的硅太阳能电池更轻巧，更灵活且更便宜。

帕特里克·阿拉德（Patrick Allard），REA / Redux

独立系统包含一个太阳能电池板和一组直接连接到应用程序或负载电路的电池。电池系统对于补偿夜间或阴天条件下电池没有任何电力输出至关重要。这大大增加了总成本。每个电池以面板规格确定的固定电压存储直流（DC）电，尽管负载要求可能有所不同。 DC-DC转换器用于提供DC负载所需的电压电平，DC-AC逆变器向交流（AC）负载供电。独立系统非常适合于远程安装，在这种情况下，链接到中央电站的费用过高。例如抽水作原料，向灯塔，电信中继站和山间小屋供电。

并网系统通过两种方式将太阳能电池板与公用电网整合在一起。公用事业公司在中午高峰期使用单向系统来补充电网。公司和个人使用双向系统来满足其部分或全部电力需求，并将多余的电力反馈到公用电网中。并网系统的主要优点是不需要蓄电池。但是，由于系统复杂性的增加，抵消了相应的资本和维护成本的减少。需要逆变器和附加保护装置，以将太阳能电池阵列的低压直流输出与高压交流电网连接。此外，当住宅和工业太阳能系统将能量回馈至公用电网时，需要进行反向计量的费率结构。

并网太阳能电池系统。

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太阳能电池板最简单的部署是在倾斜的支撑框架或支架（称为固定支架）上。为了获得最大效率，固定支架应面向北半球的南部或南半球的北部，并且与水平方向的倾斜角应比夏季的本地纬度小15度，比夏季的本地纬度大25度。冬季。更为复杂的部署包括电机驱动的跟踪系统，该系统会不断调整面板的方向，以跟随太阳的日常和季节性运动。这种系统仅适用于使用带透镜的高效聚光太阳能电池的大规模发电。

从这个观点来看，非晶硅非常有吸引力。特别是非晶硅涂层的屋面瓦和其他光伏材料已被引入建筑设计中，并用于休闲车、轮船和汽车。

薄膜太阳能电池，例如用于太阳能电池板的电池，将光能转换为电能。

太阳能电池的构造

太阳能电池基本上是结二极管，尽管其结构与传统的p-n结二极管稍有不同。在相对较厚的n型半导体上生长非常薄的p型半导体层。然后，我们在p型半导体层的顶部应用一些较细的电极。

这些电极不会阻碍光到达薄的p型层。在p型层的正下方有一个p-n结。我们还在n型层的底部提供了一个集电电极。我们用薄玻璃封装整个组件，以保护太阳能电池免受任何机械冲击。

太阳能电池的工作原理

当光到达p-n结时，光子可以通过非常薄的p型层轻松进入结中。光子形式的光能向结提供足够的能量，以创建多个电子-空穴对。入射光破坏了结的热平衡条件。耗尽区中的自由电子可以迅速到达结的n型侧。

同样，耗尽层中的孔可以很快到达结的p型侧。一旦新产生的自由电子到达n型侧，由于结的势垒势，它不能进一步越过结。

同样，新产生的空穴一旦到达p型侧就无法进一步穿过结，成为具有相同势垒势的结。随着电子的浓度在一侧（即结的n型侧）变高而空穴的浓度在另一侧（即结的p型侧）变高，p-n结的行为将像小型电池。设置一个称为光电压的电压。如果我们在结上连接一个小的负载，将有很小的电流流过它。

光伏电池的V-I特性

太阳能电池材料

用于此目的的材料的带隙必须接近1.5ev。常用的材料是-

1.硅

2.砷化镓

3.碲化镉

4.二硒化铜铟

太阳能电池所用材料的标准

1.必须具有从1ev到1.8ev的带隙

2.它必须具有高的光吸收率

3.它必须具有高电导率

4.原料必须足够多，并且原料成本必须低

太阳能电池的优势

1.无污染

2.它必须持续很长时间

3.无需维护费用

太阳能电池的缺点

1.它具有很高的安装成本

2.效率低

3.在阴天期间，无法产生能量，并且在晚上，我们也不会获得太阳能

太阳能发电系统的用途

1.它可以用来给电池充电

2.用于照度计

3.它用于为计算器和手表供电

4.它可用于航天器以提供电能

结论：尽管太阳能电池存在一些不利因素，但是随着技术的进步，这些缺点有望克服，因为技术的进步，太阳能板的成本以及安装成本将降低，因此每个人都可以努力安装系统。此外，政府非常重视太阳能，因此几年后，我们可以期望每个家庭以及每个电气系统都由太阳能或可再生能源供电。

太阳能电池的工作原理是由查尔斯·弗里茨（Charles Fritts）于1883年提出的。用金薄层覆盖硒材料层。该电池的产率仅为1％，因此更像是“概念验证”。第一个“现代”硅电池由Russell Ohl在1941年开发。自1954年以来就存在第一块晶体硅面板，其产率为4％。特别是对于太空旅行，这些很有趣，因为对于地面应用而言，功率太低。在接下来的几年中，效率提高到了6％左右。

包含有机晶体的硅单重态裂变太阳能电池的原理

实际上，光伏面板是大量电池的集合。电池也称为光伏电池（光伏系统，英文为PV），其词义不明确。大多数电池由一层硅材料制成。

用这种硅制成半导体，在顶部添加一层磷。底部有一层硼（有关更多说明，请参见半导体页）。他们将其放置在两个玻璃板之间进行保护。

一旦阳光照射到太阳能面板上，电子就会在这种辐射的影响下从面板顶部“脱离”。有一个带有相应空穴的自由电子。由于不均匀的电荷分布，在界面处会产生电场，因此电子只能以一种方式运动。

结果，在面板的顶部和底部之间出现电压差。如果连接顶部和底部，则电流将流过电线。由于电池两端的电压非常低（仅为半伏），因此面板中通常会同时放置几个电池。

不同种类

混合逆变器然后必须放置一个逆变器（变压器）。逆变器可确保将一系列PV面板的电压（通常约为24V DC）转换为230V的交流电。

pv电池的另一种类型是所谓的薄膜电池。顾名思义，这些电池比晶体电池薄（100到200倍）。电池具有挠性并且重量轻，使其易于在各种表面上使用。

薄膜太阳能电池的效率要低得多（约6％），生产过程非常复杂，但是所需的原材料（晶体硅）数量却不足。这使得单位面积的电池比晶体电池便宜。但是，这种较低的价格并不能弥补效率的损失，因此，对于薄膜电池而言，您没有或几乎没有更好的选择。

有三种类型的可用于光伏电池的硅：单晶硅，多晶硅和非晶硅。所谓的Czochralsi工艺可得到单晶硅：将一根棒插入熔融硅的容器中。结果是由一个硅晶体组成的圆形切片。

这些电池产量最高，但相对昂贵。多晶硅是通过将液态有机硅倒入方形而制成的。随着冷却，各种各样的硅晶体会生长，但并不是所有硅晶体都可以无缝连接。这种形式比较便宜，但是回报也较低。

最后一种类型的非晶硅根本不包含晶体。这种材料是最便宜的，但成本效益也最低。

还可以使用其他材料，但是这些材料太昂贵而无法大规模使用。这些技术通常会获得很高的回报，但是由于价格昂贵，它们通常会在太空旅行中找到应用。迄今为止产生的最高产量（约40％）属于Spectrolab（波音公司的一部分）开发的电池。

该单元使用反射镜和透镜来增加入射光的强度。此外，他们制作不同的材料层（多结原理）以利用更多的波长。子电池的材料是镓铟亚磷酸盐，砷化镓铟和锗。
一种新的非常有前途的技术是所谓的有机细胞。这些电池根据成本效益较低的原理工作，但制造成本低廉，并且在科学已经完全崩溃的应用中具有灵活性。

效率最高的是像筛子一样工作的电池。这些电池由不同材料的不同层组成，每个层将一部分阳光转化为电能。毕竟，不同的材料具有不同的能量状态，因此吸收不同的波长。

阳光的大部分都有效，而不仅仅是反射。此技术的一种变体使用棱镜在光线到达面板之前将其分开。每种类型的光都照射在另一种光伏电池上，因此大部分阳光是有效的。

利用这些技术，将来有可能实现不低于40％的产率的光伏能量电池。然而，基于此的面板是如此昂贵，以至于它们在日常应用中还没有引起人们的兴趣。当他们可以控制太阳能电池中的热量时，甚至可以利用它产生更多的电能。

另一种较便宜的提高面板效率的方法是通过光学仪器（透镜，镜子）将阳光捆绑在一起。毕竟，束光更强，因此原则上可以从面板释放更多的电子。

通过将太阳能电池放置在光学系统的焦点上，产量将大大提高。在澳大利亚，人们正在研究一种植物，该植物能“照着”太阳，并保持光线始终聚焦在面板上。

每种材料都有其特性。这些特性之一就是所谓的带隙，即电子必须桥接以从价带跃迁到导带的能差。正是这一性质决定了细胞吸收了太阳辐射的哪一部分。

其他辐射的能量不足以“唤醒”电子并穿过材料，或者能量太大以至于原子吸收它并转化为振动（热）。因为太阳在所有波长下的发光效果都不一样，所以这意味着某些材料的最大效率要比其他材料更好。下图显示了对于某些材料，能带隙与最大可实现产量的关系。

带隙不仅限制了太阳能电池的效率。材料的反射特性和晶体基质中的缺陷也起着至关重要的作用。为了克服所有这些限制并实现更高的效率，必须将几个元素组合在一起。在此，未被第一层吸收的光在第二层上反射。

太阳能电池的发展

1839年Antoine-Cesar Becquerel太阳能电池的发展。贝克勒尔是在对电解液中的固体电极进行实验时发现了光电效应的。弗里茨的设备是非常低效的能源转换器;它们将吸收的光能中不到1%转化为电能。尽管以今天的标准来看效率不高，这些早期的太阳能电池还是培养了一些人对丰富、清洁能源的憧憬。

那神圣的太阳景象，不再把他的能量无偿地投入太空，而是通过光电池…，这些能量聚集在电库里，使蒸汽机完全消失，烟雾被彻底压制。

到1927年，另一种金属半导体结的太阳能电池已经被证明是由铜和半导体氧化铜制成的。到了20世纪30年代，硒电池和氧化铜电池都被用于感光装置，如照相用的光度计。然而，这些早期的太阳能电池的能量转换效率仍然不到1%。1941年，罗素·欧尔发明了硅太阳能电池，最终打破了这一僵局。13年后，在制造晶体管所需的硅技术迅速商业化的帮助下，另外三个美国研究人员——杰拉尔德·皮尔森、达里尔·查宾和卡尔文·福勒——展示了一种硅太阳能电池，当在阳光直射下使用时，其能量转换效率可达6%。到20世纪80年代末，硅电池以及由聚光器制成的太阳能电池通过透镜将太阳光集中到电池表面，由于增加了收集能量的强度，效率达到了37%。通过将不同的半导体光电池和电电池串联起来，甚至有可能实现更高的效率，但会增加成本和复杂性。一般来说，太阳能电池的效率和成本差别很大。