太陽能電池的制造方法、工作原理、發(fā)展歷程以及未來商業(yè)價值
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-11 09:27
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當(dāng)我們頭頂上有一座巨大的發(fā)電站，免費提供清潔、不間斷的能源時，我們是否浪費了鉆探石油和鏟煤的時間？太陽，一個滾滾的球核電，有足夠的燃料來驅(qū)動我們的太陽系再持續(xù)50億年-而太陽能電池板可以改變這一點。能量變成無休止的，方便的電力供應(yīng)。
太陽能可能看起來很奇怪或者是未來派，但它已經(jīng)相當(dāng)普遍了。你可能有太陽能石英表在你的手腕上或者太陽能口袋上計算器。許多人的花園里有太陽能燈。宇宙飛船和衛(wèi)星通常也有太陽能電池板。美國航天局甚至開發(fā)了一架太陽能飛機(jī)！如全球變暖繼續(xù)威脅著我們的環(huán)境，毫無疑問，太陽能將成為更重要的一種形式?？稍偕茉丛谖磥?。但是它到底是如何工作的呢？
我們能從太陽那里獲得多少能量？
我們可以從陽光中捕捉到的能量在日出和日落時是最小的，而在正午的時候是最大的，當(dāng)太陽直接在頭頂上的時候。
平均而言，每平方米的地球表面接收164瓦的太陽能(這個數(shù)字我們稍后會更詳細(xì)地解釋)。換句話說，你可以在地球表面的每平方米上安裝一盞非常強(qiáng)大(150瓦)的臺燈，用太陽的能量照亮整個星球！或者，換句話說，如果我們用太陽能電池板覆蓋撒哈拉沙漠的1%，我們就能產(chǎn)生足夠多的太陽能。電來驅(qū)動整個世界。這就是太陽能的好處：太陽能有很多-這比我們所能使用的要多得多。
但也有不好的一面。太陽發(fā)出的能量以混合的形式到達(dá)地球燈和熱。這兩者都是極其重要的-光使植物生長，為我們提供食物，而熱量則使我們保持足夠的溫暖以生存-但我們不能利用太陽的光或熱直接運行電視或者一輛車。我們必須找到一些方法將太陽能轉(zhuǎn)換成其他形式的能源，我們可以更容易地使用，比如電。這正是太陽能電池的作用。
什么是太陽能電池？
A 太陽能電池是電子捕捉陽光并將其直接轉(zhuǎn)化為電。這是一個成年人的手掌大小，八角形的形狀，藍(lán)色的黑色。太陽能電池通常被捆綁在一起，形成更大的單位叫做太陽能組件，將它們耦合成更大的單位，稱為太陽能電池板(你在人們家里看到的黑色或藍(lán)色的平板-通常每個屋頂都有幾百個太陽能電池)或被切成芯片(為類似的小玩意提供電力)袖珍計算器和數(shù)字手表)。
這座房子的屋頂覆蓋著16個太陽能電池板，每個電池板由10×6=60個小太陽能電池組成。在一個好的日子里，它可能產(chǎn)生大約4千瓦的電力。
就像電池太陽能電池板中的電池是用來發(fā)電的，但如果電池的電池用化學(xué)物質(zhì)發(fā)電，太陽能電池板的電池就會通過捕捉陽光發(fā)電。他們有時被稱為光伏(PV)因為細(xì)胞使用陽光(“照片”來源于希臘語中的“光”)來制造電(“vtv”一詞指的是意大利電力先驅(qū)。)阿爾桑德羅火山, 1745–1827)。
我們可以想到燈被稱為光子因此，一束陽光就像一條明亮的黃色消防軟管，向我們行進(jìn)的數(shù)萬億光子發(fā)射。把太陽能電池插在它的路徑上，它就能捕捉到這些高能光子，并將它們轉(zhuǎn)化為電子流-一種電流。每個電池產(chǎn)生幾伏特的電能，因此太陽能電池板的工作就是將許多電池產(chǎn)生的能量結(jié)合起來，產(chǎn)生有用的電流和電壓。
太陽能電池是如何制造的？
一個太陽能電池。里克·米切爾提供的照片美國能源部/國家可再生能源實驗室(DOE/NREL)。
硅是晶體管(微型開關(guān))在微芯片中制造-太陽能電池也以類似的方式工作。硅是一種叫做半導(dǎo)體。一些材料，特別是金屬，讓電很容易地流過它們，它們被稱為導(dǎo)體。其他材料，如塑料類和木料不要真的讓電通過它們，它們被稱為絕緣體。像硅這樣的半導(dǎo)體既不是導(dǎo)體，也不是絕緣體：它們通常不導(dǎo)電，但在某些情況下，我們可以讓它們導(dǎo)電。
太陽能電池是由經(jīng)過特殊處理的兩層不同的硅層組成的三明治。摻雜所以他們會讓電流以一種特殊的方式流過。下層是摻雜的，所以它的電子太少。它叫P型或者正極型硅(因為電子帶負(fù)電，而這個層中的負(fù)電荷太少)。上層被摻雜，相反的方式，使它稍微太多的電子。它叫n型或負(fù)極型硅。(你可以在我們的文章中讀到更多關(guān)于半導(dǎo)體和興奮劑的文章。晶體管和集成電路.)
當(dāng)我們在p型硅層上放置一層n型硅時，在結(jié)這兩種材料(兩種硅交匯的重要邊界)。因此，即使我們把這個硅三明治連接到手電筒上，也不會有電流流動：燈泡不會亮起來。但如果我們把燈照在三明治上，就會有不尋常的事情發(fā)生。我們可以把光看作是一股充滿能量的“光粒子”。光子。當(dāng)光子進(jìn)入我們的三明治時，它們把能量交給硅中的原子。傳入的能量將電子從較低的p型層中擊出，因此它們跨越勢壘跳到n型層上方，并在電路周圍流動。光線越亮，越多的電子躍起，流動的電流就越多。
這就是我們所說的光伏-光產(chǎn)生電壓-這是科學(xué)家們所說的一種光電效應(yīng)。
太陽能電池是如何工作的？
簡單、單結(jié)太陽能電池的工作原理。（
太陽能電池是由n型硅(藍(lán)色)和p型硅(紅色)組成的三明治.它通過利用太陽光使電子在不同口味的硅之間的交界處跳躍而產(chǎn)生電能：
當(dāng)陽光照射到細(xì)胞上時，光子(輕粒子)轟擊上表面。
光子(黃色斑點)通過細(xì)胞將它們的能量輸送下來。
光子將其能量分配給p型下層的電子(綠色斑點).
電子利用這種能量跨越勢壘進(jìn)入上層n型層，然后逃逸到電路中。
在電路周圍流動，電子使燈亮起來。
太陽能電池的效率有多高？
圖表：太陽能電池的效率比較：第一次太陽能電池的效率僅為6%；迄今為止在實驗室條件下生產(chǎn)的最有效的太陽能電池管理了46%。大多數(shù)細(xì)胞是第一代類型，理論上可以管理大約15%，在實踐中可以管理8%。
物理學(xué)的一條基本規(guī)則叫做能量守恒定律說我們不能神奇地創(chuàng)造能量或者讓它消失在稀薄的空氣中，我們所能做的就是把它從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。這意味著太陽能電池不能產(chǎn)生比每秒接收光更多的電能。實際上，我們很快就會看到，大多數(shù)細(xì)胞將接收到的能量的10-20%轉(zhuǎn)化為電能。典型的單結(jié)硅太陽電池的最大理論效率約為30%，被稱為Shockley-Queisser極限。這本質(zhì)上是因為陽光含有不同波長和能量的廣泛混合光子，任何單結(jié)太陽能電池都將被優(yōu)化，只能在某一頻帶內(nèi)捕獲光子，而浪費其余的光子。一些撞擊太陽能電池的光子足夠的能量可以擊倒電子，因此它們被有效地浪費了，而有些人有太多的能量，多余的能量也被浪費了。最好的，尖端的實驗室細(xì)胞可以在絕對完美的條件下，利用多個連接來捕捉不同能量的光子，達(dá)到46%的效率。
現(xiàn)實世界的家用太陽能電池板可能達(dá)到15%的效率，在這里或那里提供一個百分點，這不太可能變得更好。第一代單結(jié)太陽能電池不會達(dá)到肖克利-奎瑟極限的30%的效率，更不用說46%的實驗室記錄了。所有令人討厭的現(xiàn)實世界因素都會侵蝕名義上的效率，包括面板的構(gòu)造，面板的位置和角度，它們是否曾經(jīng)在陰影中，你如何保持它們的清潔，它們有多熱(溫度的升高往往會降低它們的效率)，以及它們是否通風(fēng)(允許空氣在下面流通)來保持它們的涼爽。
光伏太陽電池類型
今天你可以在人們的屋頂上看到的大多數(shù)太陽能電池基本上只是硅三明治，經(jīng)過特殊處理(“摻雜”)，使它們成為更好的導(dǎo)體?？茖W(xué)家將這些經(jīng)典的太陽能電池稱為第一代太陽能電池，主要是為了區(qū)別于被稱為第二代和第三代的兩種不同的、更現(xiàn)代的技術(shù)。那有什么區(qū)別？
世界上大約90%的太陽能電池是由結(jié)晶硅晶片(簡稱c-Si)制成的，這種晶片是從大型鑄錠切片而成的，這些錠是在超級清潔的實驗室中生長的，這個過程可能需要一個月的時間才能完成。錠體要么以單晶體的形式存在，要么以單晶體的形式存在。單晶或含有多個晶體(多晶、多晶硅或聚c-Si)。第一代太陽能電池的工作原理就像我們在上面的盒子里所展示的那樣：它們使用n型和p型硅層之間的單一、簡單的接合點，它們是從不同的錠中切割而成的。因此，n型鋼錠可以用少量的磷、銻或砷作為摻雜劑加熱大塊硅，而p型錠則用硼作為摻雜劑。然后將n型和p型硅片熔合成結(jié).此外，還增加了一些鈴鐺和口哨(就像增強(qiáng)光吸收的抗反射涂層，使光伏電池具有其特有的藍(lán)色、前部防護(hù)玻璃和塑料襯墊，以及金屬連接，這樣電池就可以連接到一個電路中)，但簡單的p-n結(jié)是大多數(shù)太陽能電池的本質(zhì)。自從1954年以來，幾乎所有的光伏硅太陽能電池都是這樣工作的，當(dāng)時貝爾實驗室的科學(xué)家們開創(chuàng)了這項技術(shù)：將陽光照射在從沙子中提取出來的硅上，他們就產(chǎn)生了電。
照片：薄膜，第二代太陽能“面板”。發(fā)電薄膜是由非晶硅制成，固定在一個薄，靈活，相對便宜的塑料襯墊(“基板”)
經(jīng)典的太陽能電池是比較薄的晶片，通常只有一毫米深(約200微米，200μ米左右)。但它們是絕對的板與第二代細(xì)胞相比，俗稱為薄膜太陽電池(Tpsc)或薄膜光電伏(Tfpv)，大約再薄100倍(幾微米或百萬分之一米深)。雖然大部分仍然是由硅(一種被稱為非晶硅的不同形式，即a-Si，原子是隨機(jī)排列，而不是精確有序地排列在一個規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu))，但有些是由其他材料，特別是鎘-碲(Cd-Te)和銅銦鎵二硒化物(CIGS)。由于第二代太陽能電池非常薄、輕、靈活，因此可以被疊合在窗戶、天窗、屋頂瓷磚和各種“基材”(包括支撐材料)上。金屬, 玻璃杯，和聚合物(塑料)。第二代太陽能電池在靈活性方面獲得的好處是，它們犧牲了效率：經(jīng)典的、第一代太陽能電池的性能仍然好于它們。因此，雖然一流的第一代電池可能達(dá)到15%-20%的效率，非晶硅卻難以達(dá)到7%以上，但最好的薄膜cd-Te電池只能管理大約11%，而cigs電池的效率不超過7%-12%。這就是為什么第二代電池盡管具有實際優(yōu)勢，但到目前為止對太陽能市場的影響相對較小的原因之一。
最新的技術(shù)結(jié)合了第一代和第二代電池的最佳特性。就像第一代細(xì)胞一樣，它們的效率相對較高(30%或更高)。和第二代細(xì)胞一樣，它們更有可能是由“簡單”硅以外的材料制成的，比如非晶態(tài)硅、有機(jī)聚合物(制造有機(jī)光伏、OPV)、鈣鈦礦晶體，以及多個結(jié)(由多層不同半導(dǎo)體材料制成)。理想情況下，這將使它們比第一代或第二代電池更便宜、更高效、更實用。
我們能用太陽能電池發(fā)電多少？
“到達(dá)地球表面的太陽能總量可以滿足現(xiàn)有全球能源需求的10，000倍以上。”
歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會/綠色和平組織，2011年.
理論上說是一大筆錢。讓我們暫時忘掉太陽能電池，考慮一下純凈的陽光。多達(dá)1000瓦的原始太陽能直接照射到每平方米的地球上，直接指向太陽(這是在無云的日子里直接正午陽光的理論功率-太陽射線垂直于地球表面并給予最大的照度或日照，這在技術(shù)上是眾所周知的)。在實踐中，在我們校正了行星的傾斜和一天中的時間之后，在典型的北緯地區(qū)(即使是在無云的一天)，我們可能得到的最好值可能是每平方米100到250瓦。這意味著每天大約2到6千瓦時(取決于你是在像加拿大或蘇格蘭這樣的北部地區(qū)，還是在亞利桑那州或墨西哥等更有吸引力的地方)。增加一整年的產(chǎn)量，使我們在700至2500千瓦時每平方米(700至2500單位電力)。更熱的地區(qū)顯然有更大的太陽能潛力：例如，中東每年接收的太陽能比歐洲多出50%至100%。
不幸的是，典型的太陽能電池只有15%的效率，所以我們只能捕獲理論能量的一小部分。這就是為什么太陽能電池板需要這么大的原因：你可以制造的電量顯然與你能負(fù)擔(dān)得起的電池覆蓋面積有直接的關(guān)系。一個太陽能電池(大約一個光盤大小)可以產(chǎn)生大約3-4.5瓦；一個由大約40個電池組成的典型太陽能組件(5排8個電池)可以產(chǎn)生大約100至300瓦；幾個太陽能電池板，每個由大約3-4個模塊組成，因此可以產(chǎn)生最大達(dá)數(shù)千瓦的絕對功率(可能剛好足以滿足家庭的最高電力需求)。
為什么太陽能還沒有普及呢？
對此的答案是經(jīng)濟(jì)、政治和技術(shù)因素的混合。從經(jīng)濟(jì)角度來看，在大多數(shù)國家，太陽能電池板產(chǎn)生的電力仍然比燃燒骯臟的、污染性的化石燃料所產(chǎn)生的電力更昂貴。世界對化石燃料基礎(chǔ)設(shè)施有著巨大的投資，盡管強(qiáng)大的石油公司涉足了太陽能分支，但他們似乎更有興趣用以下技術(shù)來延長現(xiàn)有石油和天然氣儲量的壽命。水力壓裂(水力壓裂)在政治上，石油、天然氣和煤炭公司具有巨大的影響力和影響力，并抵制有利于太陽能和風(fēng)能等可再生技術(shù)的環(huán)保法規(guī)。在技術(shù)上，正如我們已經(jīng)看到的，太陽能電池是一項永久性的“正在進(jìn)行中的工作”，世界上大部分的太陽能投資仍然是基于第一代技術(shù)。誰知道呢，也許還需要幾十年的時間，最近的科學(xué)進(jìn)步才能真正證明。
太陽能的商業(yè)價值？
這類爭論的一個問題是，它們只考慮了基本的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，而沒有考慮隱藏的因素。環(huán)境石油泄漏之類的東西的成本，由于空氣污染, 土地破壞來自煤炭開采，或氣候變化，尤其是未來的成本，這是很難或不可能預(yù)測的。即使沒有進(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)步，提高對這些問題的認(rèn)識也完全有可能加速化石燃料的轉(zhuǎn)變；換句話說，我們無法再推遲普遍采用石油燃料的時候到了?？稍偕茉?。歸根結(jié)底，所有這些因素都是相互關(guān)聯(lián)的。有了令人信服的政治領(lǐng)導(dǎo)，世界明天就可以致力于一場太陽能革命：政治可以迫使技術(shù)進(jìn)步，從而改變太陽能的經(jīng)濟(jì)性。
光是經(jīng)濟(jì)本身就足夠了。技術(shù)進(jìn)步、制造業(yè)創(chuàng)新和規(guī)模經(jīng)濟(jì)繼續(xù)壓低太陽能電池和電池板的成本。據(jù)英國廣播公司(BBC)的環(huán)境分析師稱，僅在2008年至2009年間，羅杰·哈拉賓，價格下跌了30%，中國在太陽能制造業(yè)中的主導(dǎo)地位日益增強(qiáng)從那以后就一直把他們趕走。從2010年到2016年，大規(guī)模光伏發(fā)電的成本每年下降約10-15%。美國能源信息管理局總體而言，在過去十年里，轉(zhuǎn)向太陽能的價格暴跌了大約90%，進(jìn)一步鞏固了中國對市場的控制。現(xiàn)在世界十大太陽能制造商中有六家是中國人；到了2016年，約占美國新太陽能發(fā)電量的三分之二來自中國、馬來西亞和韓國。
陽能電池并不是利用陽光發(fā)電的唯一途徑，甚至也不一定是最好的方式。我們也可以用太陽熱能量(從陽光中吸收熱量來加熱你家里的水)，無源太陽(設(shè)計建筑以吸收陽光)和太陽能集熱器。在這個版本中，16鏡子收集陽光并將其集中在斯特林發(fā)動機(jī)(右邊的灰色盒子)，這是一個非常高效的發(fā)電商。
太陽的臨界點預(yù)計會在它能夠達(dá)到所謂的臨界點時到達(dá)。網(wǎng)格奇偶這意味著，太陽能發(fā)電使你自己變得和你從電網(wǎng)購買的電力一樣便宜。許多歐洲國家期望到2020年達(dá)到這一里程碑。太陽能在最近幾年的增長率確實令人印象深刻，但重要的是要記住，太陽能仍然只占世界總能源的一小部分。例如，在英國，太陽能產(chǎn)業(yè)在2014年取得了“里程碑式的成就”，當(dāng)時太陽能電池板的總裝機(jī)容量幾乎翻了一番，從大約2.8千瓦增加到5千瓦。但這仍然代表著幾個大型發(fā)電站，最大限度輸出量在英國大約60千兆瓦的總電力需求中，只有8%(考慮到云量之類的因素，它會減少到8%)。根據(jù)美國能源信息管理局在美國，光伏技術(shù)的發(fā)明，截至2017年，太陽能僅占美國總發(fā)電量的1.3%?，F(xiàn)在，這個數(shù)字比前一年增長了50%(當(dāng)時這個數(shù)字是0.9%)，是2014年的三倍多(當(dāng)時太陽能僅為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。換句話說，即使美國太陽能發(fā)電增長了10倍，其發(fā)電量也不到今天煤炭發(fā)電量的一半(10×1.3=13%，而2016年煤炭產(chǎn)量為30.1%)。值得注意的是，世界上兩次重要的年度能源審查-英國石油公司的“世界能源統(tǒng)計評論”和國際能源署的“關(guān)鍵的世界能源統(tǒng)計”-幾乎沒有提到太陽能，只是作為一個腳注。
這種情況很快就會改變嗎？只是有可能。根據(jù)2016年牛津大學(xué)研究人員論文現(xiàn)在太陽能的成本下降得如此之快，到2027年將提供世界能源需求的20%，這將是一個比我們現(xiàn)在的水平更大的變化，而且增長率比任何人之前預(yù)測的都要快得多。這種增長速度還能繼續(xù)下去嗎？太陽能真的能在為時已晚之前改變氣候變化嗎？這是值得我們思考注意的地方！
