太阳能电池如何工作

由:杰西卡牙齿斯科特·奥尔德斯

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这是一个你可能习惯看到太阳能电池的一个地方,但随着岁月的流逝,他们会更加突破更多。查看更多续订网格图片。马丁·巴罗/盖蒂图片社

你可能见过带太阳能电池的计算器——这种设备根本不需要电池在某些情况下,甚至没有关闭按钮。只要有足够的他们似乎永远工作。您也可能看过较大的太阳能电池板,也许是在紧急道路标志,呼叫箱,浮标甚至停车场,以为灯供电。

尽管这些更大的面板不像太阳能计算器那样常见,但它们确实存在,如果你知道去哪里看,也不难发现。事实上,太阳能光电板早在1958年,太阳能几乎只用于太空,为卫星的电力系统提供动力。如今,太阳能越来越多地以不那么奇特的方式被使用。从太阳镜乐动-软件到电动汽车充电站,这项技术一直在新设备中不断涌现。

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“太阳能革命”的希望已经漂浮在几十年之下 - 有一天我们都会使用免费电力的想法太阳.这是一个诱人的承诺,因为在阳光明媚的日子里,太阳光线每平方米释放出大约1000瓦的能量。如果我们能收集所有这些能源,我们就可以轻松地为我们的家庭和办公室免费供电。

在本文中,我们将检查太阳能电池,以了解如何将太阳能直接转化为电力。在这个过程中,您将学习为什么我们每天都越来越越来越靠太阳的能量,为什么在进程变得具有成本效益之前,我们仍然有更多的研究。乐动体育网站5.0

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光电电池:将光子转换为电子

你在计算器和卫星又称光伏电池,顾名思义(photo意为“光”,photovoltaic意为“光伏”)。),将阳光直接转化为电能。一个模块是一组电池连接在一起,然后封装成一个框架(通常称为太阳能电池板),然后可以分组成更大的太阳能阵列,就像内华达州内里斯空军基地运行的那个。

光伏电池由称为半导体的特殊材料制成,例如硅,目前最常使用。基本上,当光撞击电池时,它的某部分被吸收在半导体材料内。乐动体育网站5.0这意味着吸收光的能量被转移到半导体。能量敲击电子松散,使它们自由流动。乐动体育网站5.0

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PV电池也均具有一个或多个电场,其用来用光吸收强制电子释放以在一定方向上流动。这种电子流量是电流,并且通过将金属触点放置在PV电池的顶部和底部,我们乐动体育网站5.0可以绘制电流关闭外部使用,例如,为计算器供电。该电流与电池电压(这是其内置电场或场的结果)一起定义太阳能电池可以产生的功率(或瓦数)。

这是最基本的过程,但其实还有更多。在下一页,让我们深入了解一个PV电池的例子:单晶硅电池。

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硅是如何制造太阳能电池的

萨拉克•奥巴马总统哈利·奥巴马哈利里德(Nevada)和Col. Howard Belote Col. Howard Belote,于乐动体育网站5.02009年5月在内华达州内华达州内华达州的太阳能电池板上检查了太阳能电池板。"width=
萨拉克•奥巴马总统哈利·奥巴马哈利里德(Nevada)和Col. Howard Belote Col. Howard Belote,于乐动体育网站5.02009年5月在内华达州内华达州内华达州的太阳能电池板上检查了太阳能电池板。
AP照片/ Charles Dharapak.

硅有一些特殊的化学性质,尤其是在晶体形态下。一个原子硅有14个电子,排列在三个不同的电子层中。乐动体育网站5.0前两个电子层——分别有2个和8个电子——是完全填满的。然而,外层只有4个电子,只有一半是满的。硅原子总是想办法填满它的最后一层,为了做到这一点,它会与附近的四个原子共享电子。乐动体育网站5.0就像每个原子都和它的邻居有手一样,除了在这种情况下,每个原子有四个手和四个邻居相连。这就是晶体结构乐动体育网站5.0这种结构对这种类型的PV电池很重要。

唯一的问题是纯晶体硅是电力差的电力,因为它的电子都没有自由移动,而不是像铜一样的最佳导体中的电子。为了解决这个问题,太阳能电池中的硅具有杂质——其他原子故意混入硅原子中——这稍微改变了一些事情的运行方式。我们通常认为杂质是不受欢迎的东西,但在这种情况下,我们的细胞没有杂质就不能工作。考虑硅和磷原子在这里或那里,也许每一百万个硅原子有一个磷原子。磷的外层有5个电子,而不是4个。它仍然和它的硅原子相连,但从某种意义上说,磷只有一个电子没有人可以和它相连。它不是化学键的一部分,但是在磷原子核中有一个带正电的质子把它固定住。

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什么时候能源以热量的形式加入纯硅,例如,它会导致少量电子免除它们的粘合并离开它们的原子。在每种情况下留下一个孔。这些电子称为免费的航空公司,然后在晶体晶格周围随机游荡,寻找另一个可以掉进去并携带电流的洞。然而,它们在纯硅中太少了,所以用处不大。

但是我们不纯的硅,其中磷原子混合在不同的故事中。敲击我们的“额外”磷电子之一需要更少的能量,因为它们没有与任何相邻原子的结合捆绑。结果,大多数这些电子确实折断了,我们有更多的免费载体比我们在纯硅中的载体。乐动体育网站5.0将杂质添加杂质的过程称为兴奋剂乐动体育网站5.0,并且当掺杂磷时,称为所得到的硅n型(对于消极的“N”)因为自由电子的普及。n型掺杂硅是比纯硅的更好的导体。

在普通太阳能电池的另一部分掺杂元素硼,硼的外层只有3个电子,而不是4个电子,变成了p型硅。没有自由电子,p型(“P”为阳性)有自由开口,携带相反的(阳性)电荷。

在下一页,我们将仔细看看当这两种物质开始相互作用时会发生什么。

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太阳能电池的解剖

在现在,我们的两个单独的硅片是电中性的;当你把它们放在一起时,有趣的部分就开始了。那是因为没有一个电场,细胞无法工作;当n型硅和p型硅接触时,电场形成。突然间,N边的自由电子看到了P边的所有开口,然后疯狂地涌向它们。乐动体育网站5.0所有的自由电子会填满所有的自由空穴吗?不。如果他们这样做了,那么整个安排就不会很有用了。然而,就在它们确实会混合,形成某种势垒,使得N边的电子越来越难越过P边。最终,达到平衡,我们有一个电场把两边分开。乐动体育网站5.0

这个电场起a的作用二极管乐动体育网站5.0它允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧,但不能反过来。它就像一座山——电子可以很容易地往下走(到N边),但不能爬(到P边)。

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当光,以光的形式光子,击中我们的太阳能电池,其能量破坏了电子孔对。具有足够能量的每个光子通常恰好是一个电子,也导致自由孔。如果这种情况发生足够接近电场,或者如果自由的电子和自由孔发生在其影响范围内,则该场将电子向N侧和孔发送到P侧。这导致电中立的进一步破坏,如果我们提供外部电流路径,则电子将流过到P一侧的路径,以便与在那里发送电场的孔,为我乐动体育网站5.0们工作。电子流量提供当前的乐动体育网站5.0,细胞的电场导致一个电压.对于电流和电压,我们有力量,这是两者的产物。

在我们真正使用cell之前,还剩下一些组件。硅恰好是一种很有光泽的材料,它可以在光子完成任务之前将其反射出去,所以

一个抗反射涂层用于减少这些损失。最后一步是安装一些东西来保护细胞不受各种因素的影响——通常是玻璃盖板.通常通过将几个单独的电池连接在一起以实现有用的电压和电流水平来制造PV模块,并将其放入具有正极和负端子的坚固框架中。乐动体育网站5.0

我们的光伏电池吸收多少阳光能量?不幸的是,可能不是一个很可怕的。例如,在2006年,大多数太阳能电池板才达到效率水平约为12%至18%。最尖端的太阳能电池板系统最终曾在业界在太阳能效率的长期40%的屏障上迈出了它的方式 - 实现了40.7%[来源:美国能源部].那么为什么在阳光灿烂的日子里,这是一个如此挑战?

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太阳能电池的能量损失

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我们所熟悉的彩虹只是更大的电磁波谱中的一小部分。

可见光只是一部分电磁波谱.电磁辐射不是单色 - 它由不同波长的范围组成,因此的能量水平。乐动体育网站5.0(看光线如何运作良好地讨论电磁谱。)

光可以被分成不同的波长,我们可以看到彩虹的形式。因为照在我们手机上的光线光子年代在大范围的能量中,结果是它们中的一些没有足够的能量来改变电子-空穴对。它们会像透明的一样穿过细胞。还有一些光子有太多的能量。仅需要一定的能量,以电子伏(eV)为单位,并由我们的电池材料定义(晶体硅约1.1 eV),就可以将一个电子击散。我们称之为带隙能量材料。如果光子具有比所需量更多的能量,则额外的能量丢失。(即,除非光子具有两倍的所需能量,否则可以产生多于一个电子 - 孔对,但这种效果不是显着的。)单独的这两种效果乐动体育网站5.0可以占辐射能量事件的约70%的损失在我们的细胞上。

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为什么我们不能选择带隙很小的材料,这样我们就可以使用更多的光子呢?不幸的是,我们的带隙也决定了电场的强度(电压),如果它过低,那么我们通过吸收更多的光子来弥补额外的电流,我们就会因为电压小而损失。乐动体育网站5.0记住,力量为电压乘以电流。平衡这两种影响的最佳带隙是在附近1.4 ev.对于由单个材料制成的电池。

我们也有其他损失。我们的电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以用金属覆盖底部,允许良好的传导,但如果我们完全覆盖顶部,那么光子乐动体育网站5.0无法通过不透明的导体,我们失去了所有电流(在某些电池中,透明导体用于顶面,但不完全)。如果我们只在我们的电池的侧面放置联系,那么电子必须行驶一个非常长的距离即可到达触点。记住,硅是一个半导体——在传输电流方面,它远不如金属好。它的内阻(称为系列抵抗)相当高,高抗性意味着高损失。乐动体育网站5.0为了使这些损失最小化,电池通常由金属触头栅格覆盖,所述金属触头栅格缩短电子必须仅在覆盖细胞表面的一小部分时行进的距离。即便如此,一些光子被网格阻挡,这不能太小,否则它的阻力太小。

既然我们知道太阳能电池如何运作,让我们看看用技术为房屋供电需要什么。乐动-软件

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太阳能房子

就像花朵最好朝向灿烂的太阳一样,太阳能电池板也是如此。"width=
就像花朵最好朝向灿烂的太阳一样,太阳能电池板也是如此。
©iStockphoto.com./ andreasweber.

你会怎么做力量你的房子有太阳能?虽然这并不像在屋顶上拍打一些模块那样简单,但也不是很难做到。

首先,不是每个屋顶都有正确的方向或倾角充分利用太阳能量。北半球的非跟踪光伏系统应该理想地指向真正的南方,尽管面对更加东风和西方方向的方向也可以工作,尽管通过牺牲不同程度的效率。乐动体育网站5.0太阳能电池板也应以靠近该区域的宽容地倾斜的角度,尽可能全年吸收最大的能量。如果您希望最大化早晨或下午,和/或夏季或冬季,可以使用不同的方向和/或倾斜度。乐动体育网站5.0当然,没有附近的树木或建筑物永远不会被附近的树木或建筑物遮蔽,无论一天中的时间还是一年中的时间。在PV模块中,如果甚至其一个细胞是阴影,则可以显着降低电力产生。

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如果您有一个带有未遮挡的南方屋顶的房子,您需要决定您需要的尺寸系统。这是你的事实的复杂性生产取决于天气,而天气永远无法完全预测,你的电力需求也会变化。乐动体育网站5.0幸运的是,这些障碍很容易清除。气象数据给出了不同地理区域的月平均日照水平。这要考虑到降雨和多云天气,以及海拔高度,乐动体育网站5.0湿度以及其他更微妙的因素。你应该为最坏的月份设计,这样全年都有足够的电力。有了这些数据和你的平均家庭需求(你的公用事业账单方便地让你知道你每个月用了多少能源),你可以用简单的方法来确定你需要多少光伏组件。你还需要决定一个系统电压,你可以通过决定串联多少个模块来控制它。

您可能已经猜到了我们必须解决的几个问题。首先,当太阳不闪耀时,我们做了什么?

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解决太阳能问题

大多数人可能不会因为天气预报员的突发奇想而兴奋不已,但有三种主要的选择可以确保即使在太阳不配合的情况下,你仍然有电力可用。如果你想完全脱离电网生活,但又不相信你的光伏电池板能在紧急情况下提供你需要的所有电力,你可以在太阳能供应不足时使用备用发电机。第二个独立的系统涉及能量存储的形式电池.不幸的是,电池可以为光伏系统增加大量成本和维护,但是如果您想完全独立,它目前是必要的。

另一种选择是将你的房子连接到公用事业电网,在你需要的时候购买电力,当你生产的电力超过你使用的电力时,再把它卖回去。这样,该实用程序实际上充当了一个无限的存储系统。不过要记住,政府的规定因地区而异,而且可能会发生变化。你当地的公用事业公司可能会也可能不会被要求参与,而且回购价格可能会有很大的变化。乐动体育网站5.0你可能还需要特殊设备来确保你想卖给公用事业公司的电力与他们自己的电力兼容。安全也是一个问题。公共事业公司必须确保,如果你的社区发生停电,你的光伏系统不会继续将电力输送到电线,而电线工人会认为这些电线已经死了。这是一个危险的情况叫做孤岛效应,但它可以通过反孤岛逆变器来避免——我们将在下一页讨论这个问题。

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如果你决定用电池代替,请记住,它们必须进行维护,并在一定的年限后更换。乐动体育网站5.0大多数太阳能电池板的寿命一般在30年左右(提高寿命当然是一个研究目标),但电池就是没有这种有用的寿命[来源:国家可再生能源实验室].光伏系统中的电池也可能非常危险,因为它们储存的能量和酸性电解质,所以你需要一个通风良好的非金属外壳。

虽然常用的电池有好几种,但它们有一个共同的特点,那就是它们都是深度放电的电池.不像你的汽车电池,它是浅循环电池,深循环电池可以放电更多的储存的能量,同时仍然保持很长的寿命。汽车电池在很短的时间内释放大电流以启动汽车,然后在你驾驶时立即充电。光伏电池在白天充电时,通常需要在较长时间内(如夜间或停电时)放电较小的电流。最常用的深循环电池是铅酸电池(密封和通风)和镍镉电池,两者都有不同的利弊。

在下一页中,我们将深入挖掘太阳能为你省钱所需要的组件。

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完成太阳能安装

这种简单的原理图显示了住宅光伏系统通常如何形成。"width=
这种简单的原理图显示了住宅光伏系统通常如何形成。
乐动体育英超直播HowStuffWorks 2000

的使用电池需要安装另一个组件,称为充电控制器.如果电池不过度充电或耗电过多,它们的续航时间会更长。这就是电荷控制器的作用。一旦电池完全充电,充电控制器就不会让光伏模块的电流继续流入电池。同样,一旦电池被耗尽到预定的水平,通过测量电池电压来控制,许多充电控制器将不允许更多的电流从电池中被耗尽,直到它们被重新充电。使用充电控制器对延长电池寿命至关重要。

另外一个问题是储能是,由您的太阳能电池板生成,如果您选择使用它们,请从电池中提取,乐动体育网站5.0不属于您的实用程序提供或由您家中的电器使用的形式。太阳系产生的电力是直流的,所以你需要一个逆变器将其转换为交流电。就像我们在最后一页讨论的那样,除了切换直流到AC,一些逆变器还旨在防止岛屿如乐动体育网站5.0果您的系统连接到电网。

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大多数大型逆变器将允许您自动控制您的系统如何工作。一些光伏组件被称为交流模块乐动体育网站5.0,实际上已经在每个模块中内置了一个逆变器,消除了对大型中央逆变器的需要,并简化了布线问题。

加上安装硬件,布线,接线盒,接地设备,过电流保护,直流和AC断开和其他配件,您拥有一个系统。乐动体育网站5.0您必须遵循电气代码(仅用于PV的国家电气代码部分),强烈建议使用PV系统经验的许可电工进行安装。乐动体育网站5.0一旦安装,PV系统需要很少的乐动体育网站5.0维护(特别是如果没有使用电池),并且将在20年或更长时间内干净,静静地提供电力。

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太阳能电池技术的发展乐动-软件

太阳能电池长期以来一直是卫星的支柱;他们将来会怎样呢?"width=
太阳能电池长期以来一直是卫星的支柱;他们将来会怎样呢?
©iStockphoto.com./ inlexx.

我们已经讨论了很多关于一个典型的光伏系统是如何运行的,但是关于成本效益的问题(我们将在下一页深入讨论)已经促使人们进行了无休止的研究,旨在开发和微调新的方法,使太阳能与传统能源越来越有竞争力。

例如,单晶硅不是光伏电池中使用的唯一材料。多晶硅用于试图降低制造成本,尽管所得细胞与单晶硅没有高效。乐动体育网站5.0第二代太阳能电池技术由已知的内容组成乐动-软件薄膜太阳能电池.虽然它们也倾向于牺牲一些效率,但它们的生产更简单、更便宜——而且它们的效率一直在提高。薄膜太阳能电池可以由多种材料制成,包括非晶态硅(没有晶体结构)、砷化镓、二硒化铜铟和碲化镉。

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另一个提高效率的策略是使用带有不同带隙的两层或多层不同材料。记住,根据物质的不同,不同能量的光子被吸收。因此,通过在表面堆叠更高的带隙材料来吸收高能光子(同时允许低能量光子被下面较低的带隙材料吸收),可以产生更高的效率。这样的细胞,称为多结细胞,可以有多个电场。

聚光光伏技术乐动-软件是另一个有前途的发展领域。不是简单地收集和转换一部分碰巧照射下来的阳光并转换成电能,集中光伏系统使用光学设备,如透镜和镜子,将更多的太阳能集中到高效的太阳能电池上。尽管这些系统的制造成本通常较高,但与传统的太阳能电池板相比,它们有许多优势,并鼓励进一步的研究和开发努力。

所有这些不同版本的太阳能电池技术让公司梦想着各种应用和产品,从太阳能飞机和太空电站到更乐动-软件多的日常用品,如pv供电的窗帘、衣服和笔记本电脑包。甚至纳米粒子的微型世界也没有被忽视,研究人员甚至在探索有机太阳能电池的潜力。乐动体育网站5.0

但如果光伏是如此美妙的自由能源,那么为什么整个世界都没有在太阳能上运行?

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太阳能发电成本

太阳能电池可能仍然有点昂贵,但他们逐年变得更加便宜。"width=
太阳能电池可能仍然有点昂贵,但他们逐年变得更加便宜。

有些人对太阳能的概念是有缺陷的。虽然这是真的阳光是免费的,由PV系统产生的能量是不存在的。在决定安装一个光伏系统是否物有所值时,涉及到很多因素。

首先,有一个你居住的问题。生活在世界阳光下的人的人们始于更大的优势,而不是在较少的太阳淹没的地方定居,因为他们的光伏系统通常能够产生更多的电力。应在该地区的公用事业公司的成本。电力率从一个地方差异很大,所以生活进入北方的人可能仍然希望考虑到太阳能,如果他们的房价特别高。

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其次是安装成本;正如您可能从我们对家用光伏系统的讨论中注意到的那样,需要相当多的硬件。截至2009年,一个乐动体育网站5.0住宅太阳能电池板安装的平均价格在每瓦8到10美元之间[来源:国家可再生能源实验室].系统越大,每瓦的价格越少。重要的是要记住,许多太阳能系统并不完全覆盖电量100%的时间。机会是,你仍然有一个电力账单,虽然它肯定会低于太阳能电池板到位。乐动体育网站5.0

尽管价格贴纸,但有几种潜在的方法可以支付愿意升级和去太阳能的居民和公司的PV系统成本。这些可以以联邦和州税收激励,公用事业公司折扣和其他融资机会的形式出现。另外,根据太阳能电池板设置的大大 - 以及它的执行方式 - 它可以通过创造偶尔的电力盈余来更快地休息。最后,对家庭价值估计的考虑也很重要。预计安装PV系统将增加几千美元到房屋的价值。

现在,太阳能仍然遇到与公用事业公司竞争的困难,但由于研究改善了技术,成本下降。乐动-软件倡导者有信心PV将有一天在城市地区和遥控器中具有成本效益。部分问题的是,制造需要大规模完成,以尽可能地降低成本。然而,在价格下降到竞争水平之前,对PV的需求不会存在。这是一个捕获-22。即便如此,随着乐动体育网站5.0需求和模块效率不断上升,价格下降,世界也越来越意识到与传统电源相关的环境问题,它可能的光伏有希望的未来。

有关太阳能电池和相关主题的更多信息,请查看下一页的链接。

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更多的联系方式

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