鉅大LARGE | 點擊量：1996次 | 2019年02月25日
太陽能電池的工作原理是什么
您可能見過使用太陽能電池的計算器——從不需要電池的計算器，有時這種計算器甚至沒有關(guān)閉按鈕。只要有足夠的光，這些計算器似乎就可以一直工作下去。您可能見過更大的太陽能電池板——在緊急交通標(biāo)志、公共電話亭、浮標(biāo)甚至停車場中和電源指示燈上都能看到這樣的電池板。盡管這些大型面板不像太陽能計算器那樣常見，但它們確實存在，如果您知道相應(yīng)的位置，便會很容易發(fā)現(xiàn)它們。太陽能電池還裝在人造衛(wèi)星上，用來為其供電。
在近20年中，您可能不斷聽到“太陽能革命”這一說法--講的是有一天我們會全部使用從太陽獲得的免費電能。這是一個誘人的承諾：在天氣晴朗、陽光明媚的日子里，太陽向地球表面輻射的能量約為1,000瓦每平方米，如果我們可以將這些能量全部收集起來，就可以輕松地為住宅和辦公室提供免費電力。
光伏電池：將光子轉(zhuǎn)換為電子
您看到的計算器和衛(wèi)星的太陽能電池也被稱為光伏（PV）電池，顧名思義（照片，意思是“光”和光伏，意思是“電“），將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。一個模塊是一個電氣連接的電池組，并打包成一幀（俗稱的太陽能電池板），這樣就可以組合成更大的太陽能電池陣列，像一個操作系統(tǒng)在內(nèi)利斯空軍基地，內(nèi)華達(dá)州。
特殊材料制成的光伏電池，稱為半導(dǎo)體如硅，這是目前最常用的使用。基本上，當(dāng)光照射的細(xì)胞內(nèi)的半導(dǎo)體材料，它的某些部分被吸收。這意味著，所吸收的光的能量被轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體。能源敲門電子松動，使他們能夠自由流動。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
光伏電池也都具有一個或多個電場作用迫使光吸收所釋放的電子，以在一定的方向流動。這種電子流是一個電流，并通過將金屬觸點的PV電池的頂部和底部的，我們可以得出，供外部使用，也就是說，一個計算器供電電流切斷。這個電流，連同細(xì)胞的電壓（這是一個結(jié)果，其內(nèi)置在電場或字段）定義的功率（或功率）的太陽能電池單元，可以制作。
這是基本的過程，但真的更。在接下來的頁面中，讓我們更深入地了解一個光伏電池：單晶硅電池成一個例子。
硅如何使太陽能電池
硅有一些特殊的化學(xué)性質(zhì)，特別是在其結(jié)晶形式。硅原子有14個電子，安排在三個不同的炮彈。前兩發(fā)炮彈-2至8個電子分別持有-完全充滿。的外殼，但是，是僅有四個電子只有半滿。硅原子總是會尋找途徑，以填補其最后的外殼，而要做到這一點，將分享附近有四個原子的電子。這就像每個原子與鄰國持有手中，不同的是在這種情況下，每個原子有四手接合的四個鄰居。這就是形成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)果是重要的這種類型的光伏電池。
唯一的問題是，純晶體硅是電的不良導(dǎo)體，因為沒有它的電子可以自由走動，不像更優(yōu)化的，如銅導(dǎo)體中的電子。為了解決這個問題，在太陽能電池中的硅雜質(zhì)-其他原子的硅原子故意混在-它改變了工作位。我們通常認(rèn)為雜質(zhì)是不可取的，但在這種情況下，我們的細(xì)胞是行不通的，沒有他們。考慮硅的磷原子在這里和那里，也許每一百萬個硅原子中的一個。磷有五個電子，在其外殼，而不是四個。它仍然債券，其硅鄰原子，但在某種意義上，磷，沒有任何人執(zhí)子之手，有一個電子。它不形成一個鍵的一部分，但它保持在磷核有一個正的質(zhì)子。
當(dāng)能量被添加到純硅，例如熱的形式中，它可能會導(dǎo)致一些電子掙脫他們的債券和離開他們的原子。留下一個洞，在每一種情況下。這些電子，所謂的自由載流子，然后帶著周圍的結(jié)晶晶格中隨機尋找另一個孔落入以承載電流。不過，也有純硅中很少有這樣的，他們是非常有用的。
但是，我們的純硅與磷原子混合，是一個不同的故事。少了很多的精力，因為他們沒有太大的在任何相鄰原子的債券敲松之一的“額外”的磷電子。因此，這些電子掙脫，我們有更多的自由載流子，比我們在純硅。添加雜質(zhì)的目的的方法，被稱為摻雜，并用磷摻雜時，所得到的硅被稱為N型（為負(fù)的“n”），因為自由電子的患病率。N-型摻雜的硅比純硅是一種更好的導(dǎo)體。
一個典型的太陽能電池單元的其他部分被摻雜的元素硼，只有三個在其外殼中的電子，而不是四個，成為P-型硅。具有自由的開口，而不是具有自由電子，P型（“p”表示正數(shù)），進(jìn)行相反的（正）電荷。
在接下來的頁面中，我們就來仔細(xì)看看會發(fā)生什么時，這兩種物質(zhì)開始互動。
解剖的太陽能電池
在此之前，我們兩個單獨的硅是電中性的，最有趣的部分開始，當(dāng)你把它們放在一起。這是因為沒有一個電場的情況下，細(xì)胞將不能正常工作;形成的N型和P型硅時，接觸到該字段。突然，自由電子的N端看到的P側(cè)的所有開口，有一個狂奔，以填補他們。所有的自由電子填滿所有的自由空穴？號如果他們這么做，那么整個的安排不會是非常有用的。但是，他們這樣做的交界處，結(jié)構(gòu)和形式障礙的東西，使得它越來越難以跨越P側(cè)的N端上的電子。最終，平衡達(dá)到，我們有一個電場分離雙方。
此電場的作為一個二極管的行為，使（連推）電子流從P側(cè)的N側(cè)，但不是周圍的其他方法。它像一座小山-電子很容易下山（N側(cè)），但不能爬上去（P側(cè)）。
當(dāng)光線照射，光子的形式，擊中了我們的太陽能電池，其能量分解的電子-空穴對。每個有足夠能量的光子，通常會釋放，導(dǎo)致在一個自由孔，以及一個電子如果發(fā)生這種情況的電場足夠接近，或者如果發(fā)生的自由電子和自由空穴漂移到它的影響范圍，該字段將發(fā)送電子的N端和P側(cè)的孔。這將導(dǎo)致進(jìn)一步破壞的電中性，如果我們提供了一個外部電流通路，電子流過的路徑P側(cè)團(tuán)結(jié)孔，電場送到那里，一路上為我們做的工作。電子的流動提供了電流，和細(xì)胞的電場引起的電壓。隨著電流和電壓，功率，這是該產(chǎn)品的兩個。
有幾個組件離開之前，我們真的可以使用我們的細(xì)胞。硅恰好是一個非常有光澤的材料，它可以發(fā)送的光子反彈走之前，他們已經(jīng)完成了他們的工作，所以
抗反射涂層被施加，以減少這些損失。最后的步驟是安裝的東西，將保護(hù)細(xì)胞免受元素-通常是玻璃蓋板。光伏組件通常通過連接幾個獨立的細(xì)胞結(jié)合在一起，以實現(xiàn)有用的電壓和電流，并把它們放在一個堅固的框架，完整的正面和負(fù)面的終端。
我們的光伏電池吸收多少陽光能源？不幸的是，可能不是一個可怕的很多。例如，在2006年，大多數(shù)太陽能電池板只能達(dá)到約12％至18％的效率水平。最尖端的太陽能電池板系統(tǒng)，今年終于肌肉發(fā)達(dá)，其對行業(yè)的長期40％的太陽能電池的效率屏障-達(dá)到40.7％。那么，為什么是這樣一個挑戰(zhàn)，使一個陽光燦爛的日子嗎？
在太陽能電池中的能量損失
可見光是只在電磁頻譜的一部分。電磁輻射是不是單色-它是由不同波長的范圍內(nèi)，因此，能量水平。（參見光的原理有一個良好的電磁頻譜的討論。）
輕者可被分成不同的波長，我們可以看到一個彩虹的形式。由于光線擊中了我們的細(xì)胞有一個寬能量范圍的光子s的，事實證明，有些人會沒有足夠的能量來改變一個電子-空穴對。他們會簡單地通過細(xì)胞仿佛是透明的。還有其他的光子具有太多的精力。只有一定量的能量，在電子伏特（eV）和測量定義由我們的格網(wǎng)材料（晶體硅約1.1eV），需要松敲一個電子。我們把這種材料的帶隙能量。如果一個光子有更多的能量超過所需的量，那么額外的能量損失。（也就是說，除非一個光子的兩倍所需的能量，并能創(chuàng)造一個以上的電子-空穴對，但這種影響是不顯著）。這兩種效應(yīng)能解釋的損失約70％的輻射能量事件我們的細(xì)胞。
為什么我們不能選擇一個非常低的帶隙的材料，所以我們可以使用更多的光子？不幸的是，我們的帶隙也決定了我們的電場強度（電壓），如果太低，那么我們做了額外的電流（通過吸收更多的光子），我們失去了一個小的電壓。請記住，功率是電壓乘以電流。平衡這兩種效應(yīng)的最佳帶隙，是由單一材料制成的細(xì)胞約1.4電子伏特。
我們有其他損失。我們的電子流通過外部電路從一側(cè)的單元格的其他。我們可以用金屬蓋底，讓良好的導(dǎo)電，但如果我們完全蓋在上面，然后光子不能獲得通過不透明的導(dǎo)體，我們失去了所有我們目前的（在一些細(xì)胞中，透明導(dǎo)體上使用頂表面，但不是在所有）。如果我們把我們的聯(lián)系人，然后在我們的細(xì)胞的兩側(cè)的電子具有，前往極長的距離才能到達(dá)的接觸。請記住，硅是一種半導(dǎo)體-這是不是最好的傳輸電流的金屬。其內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻）是相當(dāng)高的，和高電阻裝置的高損耗。為了盡量減少這些損失，細(xì)胞通常所涵蓋的金屬接觸縮短的距離，電子有旅行，而只有一小部分的細(xì)胞表面覆蓋的網(wǎng)格。即便如此，一些光子被阻塞的網(wǎng)格，不能太小，否則其自身的電阻將會太高。
現(xiàn)在我們知道了如何太陽能電池的工作，讓我們來看看電源的房子，隨著技術(shù)的發(fā)展需要什么。
太陽能供電房子
你會怎么做你的房子太陽能供電？雖然它不是簡單的拍打著一些模塊在你的屋頂，它是不是非常困難的事。
首先，并不是每一個屋頂上有正確的方向或角度的傾斜，以充分利用太陽的能量。非跟蹤光伏系統(tǒng)在北半球理想情況下應(yīng)該指向真南路，東風(fēng)和西風(fēng)方向面對的方向雖然可以，但犧牲了不同程度的效率。太陽能電池板傾斜的角度也應(yīng)盡可能靠近該地區(qū)的緯度盡可能吸收能量全年的最高金額。如果你想最大限度地提高能源生產(chǎn)的上午或下午，和/或在夏季或冬季，可用于不同的方向和/或傾斜。當(dāng)然，模塊不應(yīng)該被附近的樹木或建筑物遮擋，無論時間一天或一年的時間。在PV模塊，如果甚至只是它的一個細(xì)胞是陰影，功率生產(chǎn)可以顯著減少。
如果你有一所房子，一個沒有陰影，向南面朝屋頂，你需要決定你需要什么尺寸的系統(tǒng)。這是復(fù)雜的事實，您的電力生產(chǎn)依賴于天氣，這是從來沒有完全可預(yù)測，電力需求也將有所不同。幸運的是，這些障礙是很容易清除。氣象數(shù)據(jù)給出了平均每月陽光的水平，適用于不同的地理區(qū)域。這需要考慮降雨和多云天氣，以及海拔，濕度和其他更微妙的因素。最糟糕的一個月，你應(yīng)該設(shè)計，讓你有足夠的電力全年。的數(shù)據(jù)和一般家庭的需求（方便您的公用事業(yè)賬單，讓你知道你每月有多少能量），你可以用它來??確定究竟有多少PV模塊，你需要有簡單的方法。您還需要決定系統(tǒng)電壓，你可以控制的決定有多少模塊絲系列。
您可能已經(jīng)猜到了一些，我們必須要解決的問題。首先，我們應(yīng)該做些什么，當(dāng)太陽不發(fā)光呢？
解決太陽能發(fā)電的問題
思想生活在心血來潮的天氣預(yù)報可能不興奮大多數(shù)人，但仍然可以保證你有權(quán)力即使太陽不配合的三個主要選項。如果你想住完全關(guān)閉網(wǎng)格，但不信任您的光伏電池板提供的電力，你需要在緊要關(guān)頭，你可以使用備用發(fā)電機，當(dāng)太陽能供應(yīng)不足。的第二個獨立的系統(tǒng)涉及能量存儲中的形式的電池。不幸的是，電池可增添了不少光伏系統(tǒng)的成本和維護(hù)，但它是目前必要的，如果你想成為完全獨立的。
另一種方法是，當(dāng)你需要它的購買力和銷售回來時，你產(chǎn)生更多的比你使用你的房子與公用電網(wǎng)連接。通過這種方式，該實用程序作為實際上無限的存儲系統(tǒng)。但請記住，政府法規(guī)的不同位置和改變。您當(dāng)?shù)氐墓檬聵I(yè)公司可能會或可能不會被要求參加，回購價格可以相差很大。你也可能需要特殊的設(shè)備，以確保兼容的權(quán)力，你正在尋找出售的公用事業(yè)公司用自己的。安全也是一個問題。該實用程序，以確保，如果有一個在你家附近停電，您的光伏系統(tǒng)將不會繼續(xù)喂電力電源線，架線工認(rèn)為是死的。稱為孤島，這是一個危險的境地，但它也可避免逆變器防孤島-這是我們將到達(dá)的下一個頁面。
如果您決定使用電池代替，記住，他們就必須保持，然后更換后若干年內(nèi)。大多數(shù)太陽能電池板往往會持續(xù)30年左右（和改進(jìn)長壽肯定是一個研究目標(biāo)），但電池根本沒有那樣的使用壽命。光伏系統(tǒng)的電池也可以是非常危險的，因為他們的能量存儲和它們所包含的酸性電解質(zhì)，所以你需要一個通風(fēng)良好，非金屬外殼。
雖然有幾種不同類型的電池被普遍使用，他們都應(yīng)該有共同的一個特點是，它們是深循環(huán)電池。與您的汽車電池，這是一個淺循環(huán)電池，深循環(huán)電池可以釋放其儲存的能量，同時仍然保持壽命長。汽車電池的大電流放電，在很短的時間-啟動你的車-如果你開車，然后立即充電。光伏電池通常有一段較長的時間（例如在夜間或在斷電期間）一個較小的電流放電，而在白天被充電。最常用的深循環(huán)電池是鉛酸電池（密封和排氣）和鎳-鎘電池，這兩個具有不同的優(yōu)點和缺點。
在接下來的頁面中，我們將深入更深入一點的組件會需要的陽光，為您節(jié)省一些現(xiàn)金。
整理你的太陽能發(fā)電設(shè)置
電池的使用需要被稱為充電控制器的另一個組件的安裝。電池持續(xù)更長的時間，如果他們不濫收費用或耗盡太多。這是一個充電控制器做什么。一旦電池充滿電時，充電控制器，不會讓電流從光伏模塊繼續(xù)流入。同樣，一旦電池已被排出到一定的預(yù)定水平時，通過測量電池電壓的控制，許多充電控制器將不允許更多的電流從電池中排出，直到它們已被充電。使用充電控制器是必不可少的，較長的電池壽命。
除了??能源存儲的其他問題是，太陽能電池板所產(chǎn)生的電力，并提取從你的電池，如果你選擇使用它們的形式，提供您的公用事業(yè)或在你家的電器使用，是不是。由太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生的電力是直流電，所以你需要把它轉(zhuǎn)換成交流電的逆變器。就像我們討論的最后一頁上，除了開關(guān)DC到AC，一些逆變器設(shè)計，以防止孤島，如果您的系統(tǒng)連接到電網(wǎng)。大多數(shù)大型逆變器將允許你自動地控制你的系統(tǒng)是如何工作的。某些PV模塊，稱為AC模塊，實際上有一個逆變器已經(jīng)內(nèi)置到每個模塊，消除了需要一個大的，中央逆變器，并簡化了布線問題。
扔在安裝硬件，接線，接線盒，接地裝置，過流保護(hù)，DC和AC斷開和其他配件，你有自己的系統(tǒng)。您必須遵守電氣法規(guī)（國家電氣代碼為PV有一節(jié)），并強烈建議持牌電工誰擁有豐富的經(jīng)驗與光伏系統(tǒng)的安裝。光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝完成后，只需要很少的維護(hù)（特別是如果沒有電池時），并提供電力的清潔和安靜地20年或更長時間。
在太陽能電池技術(shù)的發(fā)展
我們已經(jīng)談了很多關(guān)于一個典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行，但成本效益（我們將進(jìn)入下頁）有關(guān)的問題，這已促使無盡的研究工作，旨在發(fā)展和微調(diào)的新方法，使太陽能功率與傳統(tǒng)能源競爭日趨激烈。
例如，單晶硅是不是唯一的PV電池中使用的材料。多晶硅是用來在試圖削減制造成本，雖然所得到的細(xì)胞是不一樣高效，單晶硅。第二代太陽能電池技術(shù)包括作為薄膜太陽能電池的已知。雖然他們也往往以犧牲一些效率，他們是簡單和生產(chǎn)成本更低-他們變得更有效率，所有的時間?？梢杂啥喾N材料，包括無定形硅（具有沒有結(jié)晶結(jié)構(gòu)），砷化鎵，銅銦聯(lián)硒化物，碲化鎘薄膜太陽能電池。
為提高效率的另一種策略是使用兩層或更多層不同的材料具有不同帶隙。請記住，在物質(zhì)的不同，不同的能量的光子被吸收。所以層疊更高的帶隙的材料的表面上，以吸收高能量的光子（同時允許較低能量的光子被吸收的低帶隙材料的下方），可導(dǎo)致高得多的效率。稱為多結(jié)電池，這樣的細(xì)胞，可以有一個以上的電場。
聚光光伏技術(shù)是另一種很有前途的發(fā)展領(lǐng)域。而不是簡單地收集和轉(zhuǎn)換的部分恰好是陽光照下來，被轉(zhuǎn)換成電能，聚光光伏系統(tǒng)的使用加法透鏡和反射鏡等光學(xué)設(shè)備，更大量的太陽能集中到高效的太陽能電池。雖然這些系統(tǒng)一般都是價格較高的制造，他們有許多的優(yōu)勢，比傳統(tǒng)的太陽能電池板的設(shè)置，并鼓勵進(jìn)一步的研究和開發(fā)工作。所有這些不同版本的太陽能電池技術(shù)有夢想的應(yīng)用程序和運行的產(chǎn)品包羅萬象，從太陽能動力的飛機和空間為基礎(chǔ)的發(fā)電站，以更多的日常用品，如的光伏供電窗簾，衣服和筆記本電腦的案件。忽略了甚至微型納米粒子的世界，甚至探索和研究人員的潛力，有機生產(chǎn)的太陽能電池。
但是，如果光伏發(fā)電的自由能是這樣一個美妙的源，那么為什么不整個世界上運行的太陽能發(fā)電嗎？
太陽能發(fā)電的成本
有些人有一個有缺陷的太陽能概念。雖然這是真的，陽光是免費的，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電力。有很多的因素，以確定是否安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)是值得的價格。
首先，你在哪里居住的問題。生活在陽光明媚的世界各地的人們開始具有更大的優(yōu)勢比那些定居在陽光普照的位置，因為他們的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般都能夠產(chǎn)生更多的電力。最重要的是，在一個地區(qū)應(yīng)該考慮的水電費。電力價格相差很大，從一個地方到另一個地方，所以有人居住更遠(yuǎn)的北部仍可能要考慮將太陽能率特別高。
接下來，安裝成本，因為你可能會注意到我們討論的家用光伏發(fā)電系統(tǒng)，相當(dāng)多的硬件是必要的。截至2009年，太陽能電池板安裝的住宅平均介于8美元，10美元每瓦。系統(tǒng)，越大的越少，它通常成本每瓦。同樣重要的是要記住，許多太陽能發(fā)電系統(tǒng)不能完全覆蓋的用電負(fù)荷100％的時間。有機會，你仍然有一個權(quán)力法案，但它一定會低于如果沒有太陽能電池板。
盡管標(biāo)價，也有一些潛在的方法來支付為居民和企業(yè)愿意升級和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。這些都可以在聯(lián)邦和各州的稅收優(yōu)惠政策，公用事業(yè)公司的回扣及其他融資機會。此外，根據(jù)上大的太陽能電池板安裝-以及它如何執(zhí)行-它可以幫助支付本身更快地創(chuàng)造權(quán)力偶爾的盈余。最后，也是很重要的因素，在房屋價值估計。安裝的光伏系統(tǒng)預(yù)計將增加數(shù)千美元的家庭的價值。
目前，太陽能發(fā)電仍然有一定的難度與公用事業(yè)的競爭，但成本正在下降，為研究改進(jìn)技術(shù)。倡導(dǎo)者的信心，PV有一天會在城市地??區(qū)以及偏遠(yuǎn)的成本效益。問題的部分原因是，制造需要做大規(guī)模上盡可能地降低成本。然而，那種對光伏的需求，將不存在，直到價格下降到具有競爭力的水平。這是一個catch-22。即便如此，由于需求和模塊效率不斷上升，價格下跌，和世界日益認(rèn)識到與傳統(tǒng)能源對環(huán)境的關(guān)注，這是可能的光伏發(fā)電將有一個光明的未來。
上一篇：太陽能電池板有哪些原材料？
