在近20年中，您可能不斷聽(tīng)到“太陽(yáng)能革命”這一說(shuō)法 -- 講的是有一天我們會(huì)全部使用從太陽(yáng)獲得的免費(fèi)電能,。這是一個(gè)誘人的承諾：在天氣晴朗,、陽(yáng)光明媚的日子里，太陽(yáng)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(lái),，就可以輕松地為住宅和辦公室提供免費(fèi)電力。

SunLine Transit Agency供圖 SunLine Transit Agency用太陽(yáng)能板吸收能量來(lái)制氫,。

在本文中,，我們將研究太陽(yáng)能電池，了解它們?nèi)绾螌⑻?yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能,。在閱讀過(guò)程中,，您將了解到為什么說(shuō)太陽(yáng)能離人們的日常生活越來(lái)越近，以及為什么在這項(xiàng)技術(shù)具有成本效益之前我們還有許多研究工作要做,。

將光子轉(zhuǎn)換為電子

計(jì)算器和人造衛(wèi)星上使用的太陽(yáng)能電池都是光伏電池或者模塊（模塊就是一組通過(guò)電路連接并封裝在一個(gè)框架內(nèi)的電池）,。光伏電池（Photovoltaics），顧名思義（photo=光,， voltaic=電），是指將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電能的電池,。光伏電池之前只用在太空中,，而現(xiàn)在卻越來(lái)越普及，且使用方式也越來(lái)越普通,。它們甚至可以為您的住宅供電,。這些裝置是如何工作的呢？

光伏（PV）電池由半導(dǎo)體材料制成,，比如硅就是目前最常用的一種半導(dǎo)體,。當(dāng)光照射電池時(shí)，有一部分光會(huì)被半導(dǎo)體材料吸收,。這意味著吸收的光能將傳給半導(dǎo)體,。能量會(huì)導(dǎo)致電子逸出，使它們可以自由流動(dòng),。光伏電池中還有一個(gè)或多個(gè)電場(chǎng),，可以迫使由光吸收并釋放的電子以一定方向流動(dòng)。電子的流動(dòng)形成電流,，通過(guò)在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點(diǎn),，我們可以將電流引出來(lái)，以供使用,。例如,，電流可以為計(jì)算器供電。此電流以及電池電壓（由內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生）決定了太陽(yáng)能電池的功率（或者瓦特?cái)?shù)）,。

這是發(fā)電的基本過(guò)程,，但是實(shí)際情況要復(fù)雜得多。讓我們來(lái)深入研究一個(gè)光伏電池的示例：?jiǎn)尉Ч桦姵亍?/p>

硅有一些特別的化學(xué)特性,，尤其是它的晶體結(jié)構(gòu),。硅原子含有14個(gè)電子，排列在三個(gè)不同的核外電子層中,。距離原子核最近的頭兩個(gè)電子層完全填滿(mǎn),。而最外層電子則處于半滿(mǎn)狀態(tài),，只有四個(gè)電子。硅原子始終會(huì)想方設(shè)法填滿(mǎn)最外面的電子層（即希望有八個(gè)電子）,。為此,，它會(huì)與相鄰硅原子的四個(gè)電子共享自身的電子，這就好比每個(gè)原子與周?chē)游帐忠粯?，只是在這種情況下,，每個(gè)原子有四只手與四個(gè)鄰居相握。這就形成了晶體結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)對(duì)于這種類(lèi)型的光伏電池具有重要的意義,。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了純晶體硅,。純硅是一種性能很差的導(dǎo)體,，因?yàn)樗碾娮硬荒芟胥~這樣的導(dǎo)體中的電子那樣自由移動(dòng)。硅中的電子被全部鎖在晶體結(jié)構(gòu)中,。太陽(yáng)能電池中的硅結(jié)構(gòu)已經(jīng)過(guò)稍稍調(diào)整,，以便它能作為太陽(yáng)能電池來(lái)工作。

太陽(yáng)能電池使用的硅混有雜質(zhì)——其他原子與硅原子混在一起,，這樣會(huì)稍稍改變硅的工作方式,。我們通常認(rèn)為雜質(zhì)是某種不好的東西，但在這個(gè)例子中,，如果沒(méi)有這些雜質(zhì),，電池就無(wú)法工作。實(shí)際上,，這些雜質(zhì)是有意添加到硅中的,。考慮硅與一個(gè)位置不定的磷原子在一起的情況,，也許每一百萬(wàn)個(gè)硅原子配上一個(gè)磷原子,。磷原子的外電子層有五個(gè)電子，而不是四個(gè),。它仍然要與硅周?chē)脑咏Y(jié)合,，但從某種意義上講，磷原子有一個(gè)電子是不與任何原子握手的,。它沒(méi)有成為鍵的一部分,，但是磷原子核中的正質(zhì)子會(huì)使其保持在原位上。

當(dāng)把能量加到純硅中時(shí)（比如以熱的形式）,，它會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)電子脫離其共價(jià)鍵并離開(kāi)原子,。每有一個(gè)電子離開(kāi)，就會(huì)留下一個(gè)空穴。然后,，這些電子會(huì)在晶格周?chē)奶幱问?，尋找另一個(gè)空穴來(lái)安身。這些電子被稱(chēng)為自由載流子,，它們可以運(yùn)載電流,。不過(guò)，留在純硅中的電子數(shù)量極少,，因此沒(méi)有太大的用處,。而將純硅與磷原子混合起來(lái)，情況就完全不同了,。此時(shí),，只需很少的能量即可使磷原子的某個(gè)“多余”的電子逸出，因?yàn)檫@些電子沒(méi)有結(jié)合到共價(jià)鍵中——它們的鄰居不會(huì)將它們拉回,。因此,，大多數(shù)這類(lèi)電子會(huì)成為自由電子，這樣,，我們就得到了比純硅中多得多的自由載流子。有意添加雜質(zhì)的過(guò)程被稱(chēng)為摻雜,，當(dāng)利用磷原子摻雜時(shí),，得到的硅被成為N型（“n”表示負(fù)電），因?yàn)楣枥锩嬗泻芏嘧杂呻娮?。與純硅相比,，N 型摻雜硅是一種性能好得多的導(dǎo)體。

實(shí)際上,，太陽(yáng)能電池只有一部分是N型,。另一部分硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個(gè)而不是四個(gè)電子,，這樣可得到P型硅,。P型硅中沒(méi)有自由電子（“p”表示正電），但是有自由空穴,?？昭▽?shí)際是電子離開(kāi)造成的，因此它們帶有相反（正）的電荷,。它們像電子一樣四處移動(dòng),。

光伏電池中的電場(chǎng)效應(yīng)

這個(gè)電場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)二極管，允許（甚至推動(dòng)）電子從P側(cè)流向N側(cè),，而不是相反,。它就像一座山——電子可以輕松地滑下山頭（到達(dá)N側(cè)），卻不能向上攀升（到達(dá)P側(cè)）,。

這樣,，我們就得到了一個(gè)作用相當(dāng)于二極管的電場(chǎng)，其中的電子只能向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng),。讓我們來(lái)看一下在太陽(yáng)光照射電池時(shí)會(huì)發(fā)生什么,。

當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽(yáng)能電池時(shí)，其能量會(huì)使電子空穴對(duì)釋放出來(lái),。

每個(gè)攜帶足夠能量的光子通常會(huì)正好釋放一個(gè)電子,，從而產(chǎn)生一個(gè)自由的空穴。如果這發(fā)生在離電場(chǎng)足夠近的位置,，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi),，則電場(chǎng)會(huì)將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會(huì)導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞,，如果我們提供一個(gè)外部電流通路,，則電子會(huì)經(jīng)過(guò)該通路，流向它們的原始側(cè)（P側(cè)）,，在那里與電場(chǎng)發(fā)送的空穴合并,，并在流動(dòng)的過(guò)程中做功。電子流動(dòng)提供電流,，電池的電場(chǎng)產(chǎn)生電壓,。有了電流和電壓，我們就有了功率,，它是二者的乘積,。

光伏電池的工作原理

我們的光伏電池可以吸收多少太陽(yáng)光的能量？遺憾的是,，此處介紹的簡(jiǎn)易電池對(duì)太陽(yáng)光能量的吸收率至多為25%左右,，通常的吸收率是15%或更低。為什么吸收率會(huì)這么低,？

可見(jiàn)光只是電磁頻譜的一部分,。電磁輻射不是單頻的——它由一系列不同波長(zhǎng)（進(jìn)而產(chǎn)生的一系列能級(jí)）組成。（有關(guān)電磁頻譜的詳細(xì)介紹,，請(qǐng)參閱狹義相對(duì)論基本原理,。）

光可分為不同波長(zhǎng)，我們可以通過(guò)彩虹看出這一點(diǎn),。由于射到電池的光的光子能量范圍很廣,，因此有些光子沒(méi)有足夠的能量來(lái)形成電子空穴對(duì),。它們只是穿過(guò)電池,，就像電池是透明的一樣。但其他一些光子的能量卻很強(qiáng),。只有達(dá)到一定的能量——單位為電子伏特（eV）,，由電池材料（對(duì)于晶體硅，約為1.1eV）決定——才能使電子逸出,。我們將這個(gè)能量值稱(chēng)為材料的帶隙能量,。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會(huì)損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍,，并且可以創(chuàng)建多組電子空穴對(duì),，但這種效應(yīng)并不重要）。僅這兩種效應(yīng)就會(huì)造成電池中70%左右的輻射能損失,。

為何我們不選擇一種帶隙很低的材料,，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶隙還決定了電場(chǎng)強(qiáng)度（電壓）,，如果帶隙過(guò)低,，那么在增大電流（通過(guò)吸收更多電子）的同時(shí)，也會(huì)損失一定的電壓,。請(qǐng)記住,，功率是電壓和電流的乘積。最優(yōu)帶隙能量必須能平衡這兩種效應(yīng),，對(duì)于由單一材料制成的電池,，這個(gè)值約為1.4電子伏特。

我們還有其他能量損失,。電子必須通過(guò)外部電路從電池的一側(cè)流到另一側(cè),。我們可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導(dǎo)電性,。但如果我們將電池頂部完全鍍上金屬,，光子將無(wú)法穿過(guò)不透光導(dǎo)體，這樣就會(huì)喪失所有電流（在某些電池中,，只有上表面而非所有位置使用了透明導(dǎo)體）,。如果我們只在電池的兩側(cè)設(shè)置觸點(diǎn)，則電子需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段距離（對(duì)于電子而言）才能抵達(dá)接觸點(diǎn),。要知道,，硅是半導(dǎo)體，它傳輸電流的性能沒(méi)有金屬那么好,。它的內(nèi)部電阻（稱(chēng)為串聯(lián)電阻）相當(dāng)高,，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗,，電池上覆有金屬接觸網(wǎng),，它可縮短電子移動(dòng)的距離，同時(shí)只覆蓋電池表面的一小部分,。即使是這樣,，有些光子也會(huì)被網(wǎng)格阻止，網(wǎng)格不能太小,，否則它自身的電阻就會(huì)過(guò)高,。

在實(shí)際使用電池之前，還要執(zhí)行其他幾個(gè)步驟,。硅是一種有光澤的材料,，這意味著它的反射性能很好。被反射的光子不能被電池利用,。出于這個(gè)原因,，在電池頂部采用抗反射涂層,，可將反射損失降低到5%以下。

最后一步是安裝玻璃蓋板,，用來(lái)將電池與元件分開(kāi),，以保護(hù)電池。光伏模塊由多塊電池（通常是36塊）串聯(lián)和并聯(lián)而成,，以提供可用的電壓和電流等級(jí),，這些電池放在一個(gè)堅(jiān)固的框架中，后部分別引出正極端子和負(fù)極端子,，并用玻璃蓋板封上,。

普通硅光伏電池的基本結(jié)構(gòu)

單晶硅并非光伏電池中使用的唯一材料。電池材料中還采用了多晶硅,，盡管這樣生產(chǎn)出來(lái)的電池不如單晶硅電池的效率高,，但可以降低成本。此外,，還采用了沒(méi)有晶體結(jié)構(gòu)的非晶硅,，這樣做同樣是為了降低成本。使用的其他材料還包括砷化鎵,、硒化銦銅和碲化鎘,。由于不同材料的帶隙不同，因此它們似乎針對(duì)不同的波長(zhǎng)或不同能量的光子進(jìn)行了“調(diào)諧”,。一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具有不同帶隙的不同材料,。帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子,；而帶隙較低的材料放在下方,，吸收較低能量的光子。這項(xiàng)技術(shù)可大大提高效率,。這樣的電池稱(chēng)為多接面電池,，它們可以有多個(gè)電場(chǎng)。

首先,，并非每個(gè)屋頂都有合適的朝向或傾斜角度可以充分利用太陽(yáng)能,。北半球的無(wú)軌道光伏系統(tǒng)應(yīng)指向正南（這是方位）。它們應(yīng)該以該地區(qū)緯度來(lái)設(shè)定傾斜角度,，以便可以整年吸收盡可能多的能量,。如果希望在上午或下午以及夏季或冬季獲得盡可能多的能量,，可以采用不同的方位、傾角,。當(dāng)然,，不管在一天或者一年中的什么時(shí)間，模塊決不能被附近的樹(shù)木或者建筑物擋住,。在光伏模塊中,，即使36塊電池中只有一塊被擋住了，發(fā)電量也會(huì)減少一大半,。

如果您有一間房子,，它的屋頂沒(méi)有遮擋并且朝南，那么您還需要確定自己需要的系統(tǒng)規(guī)模,。這是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,，因?yàn)榘l(fā)電量取決于天氣情況，而天氣從來(lái)都是不可完全預(yù)測(cè)的,，并且您的用電需求也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化,。這些障礙很容易清除。氣象數(shù)據(jù)會(huì)提供不同地理區(qū)域每月的平均日照水平,。其中考慮了降雨和多云天氣,，以及緯度、濕度和其他更細(xì)微的因素,。您在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到日照狀況最差的月份,，這樣才能保證全年都有充足的電力供應(yīng)。有了這個(gè)數(shù)據(jù),，并且清楚自己家里的平均用電需求（通過(guò)用電帳單即可得知每月的用電量）,，可以用一些簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定您需要多少個(gè)光伏模塊。此外,，您還需要確定系統(tǒng)電壓,，這可以通過(guò)決定串聯(lián)的模塊數(shù)量來(lái)控制。

您可能已經(jīng)猜到我們要解決的幾個(gè)問(wèn)題了,。首先,，在沒(méi)有太陽(yáng)光照射時(shí)我們應(yīng)該怎么做？當(dāng)然,，如果可以選擇的話(huà),，肯定沒(méi)有人愿意接受只在白天并且只在晴朗的白天才有電的生活。我們需要能量存儲(chǔ)裝置——電池,。遺憾的是,，電池為光伏系統(tǒng)增加了很多成本和維護(hù)工作。但是在目前,，電池還是一個(gè)必需品,，因?yàn)橹挥羞@樣才能完全擺脫天氣的影響,。繞開(kāi)這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是，將房子與電網(wǎng)相連,，從而可以在需要電的時(shí)候買(mǎi)電,，而在發(fā)電量超過(guò)需要時(shí)賣(mài)電。這樣,，電網(wǎng)實(shí)際上充當(dāng)了一個(gè)巨大的能量存儲(chǔ)系統(tǒng),。當(dāng)然，這需要征得電網(wǎng)方面的同意,，并且在大多數(shù)情況下,，它們從您這里買(mǎi)電的價(jià)格將比它們售電的價(jià)格低得多。您還需要特殊的設(shè)備來(lái)確保出售給電網(wǎng)的電力與它們的電力同步——即共享相同的正弦波形和頻率,。安全性也是一個(gè)問(wèn)題,。電網(wǎng)需要確保如果在您的住宅附近出現(xiàn)斷電，您的光伏系統(tǒng)不會(huì)向線(xiàn)路工人以為已經(jīng)沒(méi)有電的線(xiàn)路供電,。這稱(chēng)之為隔離,。

如果您決定使用電池，請(qǐng)切記電池是需要維護(hù)的,，并且在一定年限之后需要更換,。光伏模塊應(yīng)該可以使用20年或者更長(zhǎng)的時(shí)間，但電池就沒(méi)有這么長(zhǎng)的壽命了,。由于電池中存有能量且包含酸性電解液,，光伏系統(tǒng)中的電池可能非常危險(xiǎn)，因此您需要為它們提供一個(gè)通風(fēng)良好的非金屬外殼,。

盡管常用的電池有好幾種類(lèi)型,，但它們都有一個(gè)共同的特性，即它們都是深循環(huán)電池,。與您的汽車(chē)電池（淺循環(huán)電池）不同,，深循環(huán)電池可以釋放出比存儲(chǔ)電能還要多的電能，同時(shí)還能保持較長(zhǎng)的壽命,。汽車(chē)電池在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)釋放很大的電流來(lái)啟動(dòng)您的汽車(chē),，并且在您駕駛時(shí)立即充電。光伏電池通常需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)段（如整夜時(shí)間）才會(huì)釋放出較小的電流,，并在整個(gè)白天進(jìn)行充電,。

最常用的深循環(huán)電池是鉛酸電池（密封式和開(kāi)口式）和鎳鎘電池。鎳鎘電池雖然價(jià)格昂貴,，但使用壽命較長(zhǎng),，并且可以更徹底地放電而不會(huì)對(duì)其性能造成損害,。即使是深循環(huán)鉛酸電池,，在百分之百放電的情況下也不可避免地會(huì)嚴(yán)重縮短電池壽命,。通常來(lái)說(shuō)，光伏系統(tǒng)中鉛酸電池的放電率不會(huì)超過(guò)40%到50%,。

另外,，使用電池時(shí)還需要安裝充電控制器。如果能夠妥善使用電池,，避免過(guò)度充電或過(guò)度消耗,，那么電池的壽命會(huì)長(zhǎng)得多。這正是充電控制器要做的工作,。一旦電池充滿(mǎn)電,，充電控制器就不再允許電流從光伏模塊繼續(xù)流入電池中。同樣,，一旦電池電量消耗到一定水平（通過(guò)測(cè)量電池電壓來(lái)控制）,，很多充電控制器將不允許更多的電流繼續(xù)從電池流出，直至對(duì)電池進(jìn)行重新充電,。充電控制器的使用對(duì)延長(zhǎng)電池壽命起到了重要作用,。

另一個(gè)問(wèn)題是，由光伏模塊產(chǎn)生的電以及從電池中提?。ㄈ绻x擇使用電池）的電都是直流電,，而電網(wǎng)所供應(yīng)的電（以及您房間中各種家用電器使用的電）是交流電。因此您需要一個(gè)換流器,，這是一種能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備,。大多數(shù)大型換流器還允許您自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作方式。有些名為交流模塊的光伏模塊實(shí)際上在每個(gè)模塊中內(nèi)置了一個(gè)換流器,，因而無(wú)需使用大型的集中型換流器,，并簡(jiǎn)化了接線(xiàn)問(wèn)題。

帶有電池存儲(chǔ)的光伏系統(tǒng)的一般示意圖

配備了安裝硬件,、接線(xiàn),、接線(xiàn)盒、接地設(shè)備,、過(guò)電流保護(hù),、直流和交流斷路器以及其他附件之后，您就有了一個(gè)自己的系統(tǒng),。安裝時(shí)必須遵守電氣法規(guī)（《美國(guó)國(guó)家電氣法規(guī)》（National Electrical Code）中有一個(gè)針對(duì)光伏系統(tǒng)的條款）,。強(qiáng)烈建議由在光伏系統(tǒng)方面有經(jīng)驗(yàn)的持證電工來(lái)完成安裝工作。安裝完成之后,，光伏系統(tǒng)幾乎不需要維護(hù)（尤其在不使用電池的情況下）,，并可在20年或者更長(zhǎng)的時(shí)間里提供清潔、安靜的電能,。

既然光電是這么好的一種免費(fèi)能源,，那么為何全世界沒(méi)有都靠太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電呢,？有些人對(duì)太陽(yáng)能抱有一種錯(cuò)誤的觀念。盡管太陽(yáng)光確實(shí)是免費(fèi)的,，但光伏系統(tǒng)發(fā)的電并不是免費(fèi)的,。從我們對(duì)家用光伏系統(tǒng)的討論中您可以看到，這個(gè)系統(tǒng)需要很多硬件,。目前,，一個(gè)安裝好的光伏系統(tǒng)的成本約為每峰瓦9美元。為了讓您對(duì)家用發(fā)電系統(tǒng)的成本有一個(gè)概念,，讓我們來(lái)看一看太陽(yáng)房——一幢位于北卡羅萊納州羅利市的模型住宅,，北卡羅萊納州太陽(yáng)能中心在其中安裝了光伏系統(tǒng)，以展示這項(xiàng)發(fā)電技術(shù),。這是一幢相當(dāng)小的住宅,，據(jù)估計(jì)，它的3.6千瓦光伏系統(tǒng)將滿(mǎn)足總電力需求的一半（該系統(tǒng)沒(méi)有使用電池,，而是與電網(wǎng)相連）,。盡管如此，以每瓦特9美元的價(jià)格來(lái)計(jì)算,，安裝這個(gè)系統(tǒng)將花費(fèi)您大約32,000美元,。