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光伏发电
太阳能系统光伏入门

光伏(PV)是指将太阳辐射转化为电力的科学技术。 通常情况下,当我们阅读太阳能发电时,就是基于光伏技术。 尽管存在利用太阳能的其他技术,例如集中的太阳能发电,但是随着太阳能电池板数量的增加,我们在房屋和车辆,城市和世界各地的农村地区看到的是太阳能电池板。

光伏技术取决于一些材料表现出光电效应的现象,这是一种导致光吸收光子的特性,从而释放电子。 当带电电子从原子释放时,它们随后在固体材料内自由移动; 在正确的条件下,它们可以被引导到电流。 PV正在开发的这种物理过程,使我们能够从阳光中收获清洁可再生能源,而无需任何额外的燃料,有害废物甚至活动部件。

光电效应实际上是法国物理学家埃德蒙·贝克勒(Edmund Becquerel)在1839年首次证明的。后来,在1905年,爱因斯坦曾经描述了光电效应的规律。 他在1921年获得诺贝尔物理学奖的工作。第一个实用的光伏组件直到1954年才建成,贝尔实验室 - 这是一个效率约6%的硅太阳能电池。 但是,这是1960年代开始的空间探索,推动了太空行业采用和大力推进光伏技术 - 为航天器和卫星提供动力。

国际空间站在其光伏阵列上拥有约2500平方米的单晶硅太阳能电池; 而一边从太阳接收光,另一面吸收从地球反射的光。

光电技术作为更多陆地环境中的能源的出现部分是由于1970年代早期和后期的能源危机。 虽然太阳能技术在这段时间内仍然很昂贵,效率相对较低,但是随着对依赖化石燃料的问题的认识越来越多,对光伏的兴趣,投资和研究也带来了极大的兴趣,最终将带来技术进步,这不仅使成本大大增加有效的,也是开始与传统碳基竞争对手的可行的能源。

二十一世纪初以来,太阳能技术的应用越来越广泛,有助于电网,交通运输和建筑物供电,以及向未连接电网的发展中地区提供电力。 尽管有任何明显的普遍存在,但PV仅占总能源市场的边际数量,约为0.1%。 然而,随着太阳能技术在过去十年中呈现的指数趋势继续发展,这些情况很可能会发生变化。 作为太阳能生产系列的第二部分,我们将更详细地回顾光伏能源对全球能源市场的增长和贡献。                                                          文章9                                                          光伏系统产生的全球电力总量在过去十年中呈指数级增长。

基本的光伏电池

那么阳光如何转化为光伏电池的电力呢? 那么答案就在于光子与半导体材料中的原子的相互作用 - 这是我们前面介绍的光电效应所描述的相互作用。

半导体材料(如硅)是PV中的关键技术 - 它们表现出优异的光电效应,这意味着当光子进入它们时,它们被吸收并从材料的原子中移出电子。 在PV电池中,半导体层成对:一层(N型层)被设计成容纳更多的负电荷载流子(电子),而相对层(P型层)具有更多的自由正电荷载流子不存在电子,被称为“孔”)。 该设置在层之间产生电场,称为“结”的区域。 因此,随着带负电荷的电子的释放,在结中产生电位差,导致正和负电荷流到电池的相对侧。 当电池的两端连接时,可以将电能作为直流导通。

用于商业光伏制造的最普遍的半导体材料是晶体硅,主要是由于其作为地壳中第二大元素的普遍存在。 这些硅电池占光伏市场的85%左右(1)。 有两种形式的硅PV:晶体硅(sc-Si)和多晶硅(mc-Si)电池。 工业晶体硅电池产生合理的效率水平,sc-Si为14%至22%,mc-Si(1)为12-19%。 还使用其他半导体材料,但我们稍后会介绍。文章10

基本的光伏电池

那么阳光如何转化为光伏电池的电力呢? 那么答案就在于光子与半导体材料中的原子的相互作用 - 这是我们前面介绍的光电效应所描述的相互作用。

半导体材料(如硅)是PV中的关键技术 - 它们表现出优异的光电效应,这意味着当光子进入它们时,它们被吸收并从材料的原子中移出电子。 在PV电池中,半导体层成对:一层(N型层)被设计成容纳更多的负电荷载流子(电子),而相对层(P型层)具有更多的自由正电荷载流子不存在电子,被称为“孔”)。 该设置在层之间产生电场,称为“结”的区域。 因此,随着带负电荷的电子的释放,在结中产生电位差,导致正和负电荷流到电池的相对侧。 当电池的两端连接时,可以将电能作为直流导通。

用于商业光伏制造的最普遍的半导体材料是晶体硅,主要是由于其作为地壳中第二大元素的普遍存在。 这些硅电池占光伏市场的85%左右(1)。 有两种形式的硅PV:晶体硅(sc-Si)和多晶硅(mc-Si)电池。 工业晶体硅电池产生合理的效率水平,sc-Si为14%至22%,mc-Si(1)为12-19%。 还使用其他半导体材料,但我们稍后会介绍。

基本硅光伏电池的示意图 

硅电池的制造开始于高纯度硅的锻造锭,将其切成约0.5mm厚的非常薄的晶片; 处理晶片以优化其用于PV电池的物理性质。 晶片通常被重新切成六边形或矩形,以确保它们整齐地配合在一起,从而最大限度地利用太阳能电池板的表面积 - 这是引起其特征外观的过程。 纯硅是高反射性的,这是因为反射光不能被吸收的事实是远非理想的; 因此抗反射涂层被施加到晶片的表面。 电池使用导电金属条(通常是钯,镍,银或简单的铜)连接,并且接触电极以接收电流。 将细胞涂覆在乙酸盐中,并安装防护玻璃以固定细胞环境。 以这种方式制造光伏电池在一段时间内没有变化,因此它们的标签作为第一代光伏电池技术。

一个简化的说明,说明了晶体硅光伏系统的制造过程。 

将彼此连接并且一起安装在支撑结构中的多个太阳能电池称为模块。 反过来,几个模块可以装配在一起以形成被设计成在特定电压下供电的太阳能阵列。 PV的这种模块化特性的一个优点是,它可以被配置为提供适合具有特定需求的最终用户的功率,从住宅系统(供应〜20kW),更大的商业设置(高达1MW)以及实用规模系统(包括和超过1MW)。 PV的模块化特性也使得它能够快速和容易地适应广泛的环境。

太阳能资源及其挑战

要了解太阳能为何如此重要的资源,我们需要认识到太阳能的巨大丰富。 经常表示,一天内更多的太阳能能量能够达到全球所使用的全球能源的一半 - 这是正确的:确切地说,每年约有8.85亿兆瓦(TWh)的功率达到地球表面; 比2008年能源需求总量高出近6200倍; 仍然是未来几十年预测能源需求的几千倍(1)。 还要考虑到,虽然经过验证的化石燃料储量(结合煤炭,石油和天然气)按照目前的年均利润计算总共约为254年的能源,但在一年内从太阳到达的能源总量已经被捕获并存储,将提供足够的能源6000年(1)。这样的数字说明了自己,但是如果我们来接近有效利用太阳的能量,我们必须克服重大的挑战。 对于本文的剩余部分,我们将介绍一些这些挑战。

到达地球的太阳能量相对于所有其他能源来说绝对丰富。 承认这一事实强调了开发尽可能高效的太阳能系统的意义。 2011年“太阳能展望”国际能源署图。

与大多数可再生能源一样,太阳能既不像能源密集也不像化石燃料那样方便转换为电力。“能量密集”一词是指每单位体积或质量的资源(如燃料)中的能量量; 密度较低使得从该资源获得相当多的能量更难。 考虑一升汽油提供35兆焦耳的能量; 这是与一平方米的土地在最佳条件下从太阳到十小时内相同的能量。 简单地说,需要相当大的基础设施来支持产生任何大量电力的典型光伏系统。 对可再生能源行业而言,特别是太阳能的关键挑战是提高效率并降低制造成本,因为能源的固有优势(它是干净和不竭的)可弥补捕获能源的不便。 在考虑光伏效率如何研究和开发之前,这是一个重要的要点。


了解光伏效率

当然,光伏电池的电容量很大程度上取决于到达其表面的阳光的量(量化为辐照度) - 这是引入时间和空间太阳变化的影响以及适应这种不可避免的特征的方法的太阳能系统(但在第2部分中更多)。 现在重要的是要注意,通过使用集中的能量来研究生态太阳能方差;证明在最佳条件下PV电池的效率。 正是由于这个原因,实验室效率通常高于商业效率。

好吧,放开一些阳光照射的问题,让我们回到光伏电池本身的效率。 电池的结构通过影响物理性质来确定其效率,包括反射率效率,载流子分离效率,传导效率值和热力学效率。 其中,提高热力效率是目前正在提高整体光伏效率的大多数研究。

效率被计算为从每秒单位(功率)输出的电能相对于每秒达到电池的能量的量(入射能量)的比率。

在半导体中原子级别的阳光转化为电的热力学效率至关重要。 记住光子如何被描述为进入半导体并释放电子以产生电流? 那么,为了释放电子,光子的能量必须能够以特定的方式被材料吸收。 半导体材料可以吸收光子并将其转换成产生电流的电位差的好坏由其带隙 - 其中自由电子态不能存在的固体的能量范围(以电子伏特(eV)测量)来确定。

只有能量等于或大于被它们吸收的材料的带隙的光子才能释放电子。 当能量低于材料带隙能量的光子被吸收时,它们产生热量并且不会有助于电池的效率。 简而言之,半导体材料的带隙对于PV电池可以转换成电能的太阳能量有固有的限制。

考虑到太阳光谱范围为0.5eV〜2.9eV,但晶体硅的能量带隙为1.1eV,很明显,硅光伏技术无法捕捉太阳的所有能量。 由于带隙的物理(和影响)的困难,新技术已被研究和采用,旨在让我们更多地利用太阳的能量。

光伏技术的变化

光伏研究最重要的领域之一是通过带隙工程提高热力学效率 - 通过捕获更多的太阳能能谱来操纵半导体材料以实现更高水平的太阳能与电气转换。 新型半导体材料的引入与新颖的电池设计相辅相成,总共导致PV电池类型的多种变化。

几代新一代的光伏电池已经成为多结(MJ)太阳能电池中采用的技术。 这里,各层具有独特带隙的不同的半导体材料层叠在彼此的顶部,材料的带隙在每个层次上逐渐降低。结果是在比单结PV电池更宽的波长范围内吸收光子的太阳能电池。 特别是考虑到所使用的材料,MJ电池是非常昂贵的,通常它们的用途仅限于航空和空间应用(例如,火星漫游者,大多数卫星依靠MJ电池供电)。 尽管如此,它们的效率是显着的,实际上使用四联电池 在2013达到44.7%的效率 达到了光伏效率的世界纪录。 相比之下,单结硅光伏电池的理论极限效率为29.8%。

一个示意图,显示如何使用三个带隙的材料来吸收比其自己使用的任何一种材料更广泛的太阳光谱,因此更多的能量。 实际上,三个这样的层将堆叠在彼此顶部,顶部具有最高的带隙。 

薄膜(第二代)PV技术使用较少量的半导体材料,例如铜,铟,镓,硒以及非晶硅,沉积在薄层中以形成PV电池。 薄膜光伏电池不如传统硅电池那样有效,通常为百分之几,商用型电池的效率只有12%左右。

第三代光伏电池正在使用除硅以外的材料以及一些非常令人兴奋的新技术; 多激子产生,热光伏,有机光伏电池和纳米结构光伏所有都在第三代光伏研究中。 这些具有比我们目前看到的更高效率的最大潜力,尽管可能在我们看到从实验室转变为工业和商业环境之前的一段时间。

在新一代技术中,研究的一个途径就是量子点光伏。 量子点是具有调制其原子能级的独特能力的半导体材料,意味着它们可以有效调整其带隙而不改变其基本架构。 尽管估计量子点可以达到65%,但到目前为止,仅有7.0%的效率已被证实  。

该图描述了多种类型的光伏技术的效率的提高。 虽然所有的变化都在前进,但有些比其他人更有希望。 

降低成本

PV最终可以与化石燃料竞争的能源的增长取决于降低生产能源所需的成本 所有可再生能源面临的挑战。 能源系统和竞争力平等的话题将在第2部分中得到更全面的介绍,但要了解主要研究方向,即将光伏发展作为主流能源,这是有用的。

已经确定了三个关键因素:降低成本:电池效率,制造厂规模和硅成本。 随着效率的提高,影响光伏系统经济可行性的几个正面后果:产生相同能量需要更少的电池; 这意味着更少的面板,更小的系统和更少的材料在制造中使用。 较小的系统也意味着给定输出需求需要较少的土地或屋顶面积,对于空间有限的终端用户而言,特别是在城市环境中是重要的考虑因素。

对于光伏未来的一个令人鼓舞的指标可以从技术“学习率”的评估中抽取出来,这是制造商积累开发和部署特定技术经验的成本降低措施。 光伏组件的历史学习率非常普遍:1976年至2010年间每年平均为19.3%,是能源行业中最高的。 虽然这一数字将逐渐下降,但预计未来几十年仍将保持在17%左右。 (7%),海上风(8%),地热(5%)和太阳能集中度(10%)。 这一点很重要,因为这样的预测对于太阳能光伏可以而且随着成本降低而将继续变得更容易获得的观点提出了很大的重视。

所以我们是 - 光电技术的物理,发展和突出挑战的简要回顾。 光伏技术的途径处于不同的发展阶段,但由于持续的研究方法,它们都具有共同根源,具有重大的改进潜力。 好消息是,这项研究已经在发生。 政府在促进创新和支持光伏发电的持续研究和应用方面的作用是不能低估的 - 尽管政府和行业必须配合这一点,以确保为我们所有人提供更为清洁的未来。

未来的光伏技术将会更加多样化,广泛和高效。 尽管太阳能目前占有的可再生能源市场的比例很小,但它代表着一种资源,最终将成为未来能源生产的基石,也是应对气候变化的绝对必要条件。 这样的预测是基于太阳能的明显优势:它是干净的,无限的,并且保持了对全球能源需求的巨大贡献的技术有效性。

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