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看到下面的這個(gè)圖，很多人都能說出這是太陽能發(fā)電裝置，但是太陽能發(fā)電的原理以及遲遲未普及的原因，你也能逐一道來嗎？今天我們來一探究竟。


太陽能如何發(fā)電？

太陽能發(fā)電是將來自地球外部天體的能源（主要是太陽能）轉(zhuǎn)化為人類可利用的電能的過程。太陽能發(fā)電主要包括:光熱發(fā)電與光伏發(fā)電兩種形式。

對(duì)于光熱發(fā)電，因?yàn)樘柲軣崴鞯钠占?，大家可能?huì)比較熟悉。太陽能光熱發(fā)電過程可總結(jié)為：光—熱—電的轉(zhuǎn)換過程。

利用大量反射鏡或者透射鏡將太陽光聚集并加熱工質(zhì)（媒介物質(zhì)），隨后高溫工質(zhì)經(jīng)過熱交換系統(tǒng)，將水加熱為高溫高壓蒸汽，最后高參數(shù)蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組中做功并輸出電力。

因其發(fā)電過程要求充足的直射光線和充足的水源，因此在光熱系統(tǒng)建設(shè)對(duì)地勢(shì)與建設(shè)區(qū)域自然資源的要求也相對(duì)苛刻。不過，其發(fā)電穩(wěn)定性與可持續(xù)性的優(yōu)勢(shì)，卻是光伏發(fā)電所不具有的。
相比于光熱發(fā)電，光伏發(fā)電對(duì)自然資源要求不高，加之其可以更加充分利用太陽輻射總量，且對(duì)地形兼容性較好，因此具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，是太陽光利用的主要途徑。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由逆變器（將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡?、太陽能電池（將光能轉(zhuǎn)化為電能）、控制器（控制充放電）、蓄電池（儲(chǔ)蓄或提供電能）四個(gè)部分組成。

其中，太陽能電池（光伏陣列）是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其質(zhì)量和成本直接決定整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。

常見的太陽能電池有哪些？

自1954年太陽能電池發(fā)明至今，太陽能電池種類逐漸豐富，且結(jié)構(gòu)多樣，轉(zhuǎn)換效率明顯提高。按照生產(chǎn)材料不同，市場上的太陽能電池可分為3個(gè)類型：晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和光電化學(xué)太陽能電池。

晶硅太陽能電池起步最早，市場占有率最高。晶硅太陽能電池基于半導(dǎo)體P-N結(jié)，接受太陽光照射產(chǎn)生“光伏效應(yīng)”，直接將光能轉(zhuǎn)化為電能。

P-N結(jié)是指P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)，兩者交界處附近的區(qū)域。P-N結(jié)的特性由半導(dǎo)體中的載流子特性決定。

P型半導(dǎo)體中存在大量可以移動(dòng)的空穴載流子而N型半導(dǎo)體中幾乎沒有空穴，因?yàn)闈舛炔疃鴮?dǎo)致空穴由P區(qū)擴(kuò)散至N區(qū)。

同樣，N型半導(dǎo)體中存在大量自由電子載流子而P型半導(dǎo)體則幾乎沒有，二者存在的自由電子濃度差，導(dǎo)致電子由N區(qū)擴(kuò)散至P區(qū)。

空穴和電子在N區(qū)與P區(qū)的交界附近相遇并復(fù)合，導(dǎo)致在界面附近有一段距離缺少載流子，即形成了一個(gè)空間電荷區(qū)。

P型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是負(fù)離子， N型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是正離子，正負(fù)離子在交界附近產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)電場。這個(gè)電場阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，卻迫使部分載流子沿與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反的方向漂移。

當(dāng)漂移與擴(kuò)散達(dá)到平衡狀態(tài)，便形成了一個(gè)阻擋層。該阻擋層就是P-N結(jié)。 當(dāng)太陽光照在太陽能電池的P-N結(jié)上，半導(dǎo)體材料對(duì)光子本征吸收產(chǎn)生光生空穴電子對(duì)，并在內(nèi)電場作用下，光生電子向N端移動(dòng)，光生空穴向P端移動(dòng)。隨著光生電子在N區(qū)邊界積累，光生空穴在P區(qū)積累，P區(qū)與N區(qū)之間形成電勢(shì)差。

當(dāng)PN兩端連接成回路后，電路中便產(chǎn)生了一個(gè)由N端指向P端的電流。光照產(chǎn)生的空穴電子對(duì)越多，電勢(shì)差越大，電流越強(qiáng)。 與晶硅太陽能電池相比，薄膜太陽能電池與光化學(xué)太陽能電池起步較晚，市場接受程度不及晶硅太陽能電池。

薄膜太陽能電池是用半導(dǎo)體薄膜作為基板制造的太陽能電池，能耗較少，可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)微米，適合光伏建筑一體化。

目前市場上的薄膜太陽能電池主要包括硅基、碲化鎘和銅銦鎵硒薄膜太陽能電池三種類型，發(fā)電原理與晶硅太陽能電池相似。

常見的光電化學(xué)太陽能電池有染料敏化納米晶太陽能電池。染料敏化納米晶太陽能電池由光陽極、染料敏化劑、對(duì)電極和氧化還原電解質(zhì)組成，原理源于人類對(duì)植物光合作用的模仿，利用染料敏化劑優(yōu)異的吸光性能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

此外，鈣鈦礦太陽能電池和量子阱半導(dǎo)體太陽能電池作為后起之秀，前景較好。

鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)電原理和結(jié)構(gòu)均與敏化電池類似，以鈣鈦礦（CH3NH3PbX3（X=Br,I））為光吸收層，鈣鈦礦層兩端界面分別和N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體接觸形成P-I-N結(jié)構(gòu)（或者N-I-P反型結(jié)構(gòu)）。

量子阱半導(dǎo)體太陽能電池是研制高效率Ⅲ-Ⅴ族復(fù)合物半導(dǎo)體太陽能電池的有效途徑，亦是提升疊層電池轉(zhuǎn)換效率的手段?？茖W(xué)家通過調(diào)節(jié)電池中量子阱半導(dǎo)體太陽能電池中不同元素的含量，以獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。


衛(wèi)星上的太陽能發(fā)電設(shè)備 來源｜網(wǎng)絡(luò)
隨著太陽能電池的蓬勃發(fā)展，航空事業(yè)也得到推進(jìn)。較于普通太陽能電池，應(yīng)用于空間站的太陽能電池具有長期持續(xù)發(fā)電、效率高、零排放、能承受各種沖擊的優(yōu)勢(shì)。

目前我國空間站用太陽能光伏電池主要以經(jīng)濟(jì)性好，工作穩(wěn)定的晶硅太陽能電池為主。

與此同時(shí)，單結(jié)砷化鎵太陽電池與多結(jié)級(jí)聯(lián)砷化鎵太陽電池也在空間站得到應(yīng)用,發(fā)展也較為迅速，但由于不同成分組成的太陽能電池有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因此各個(gè)類型的太陽能電池在空間中的崗位也不盡相同。

為啥太陽能發(fā)電沒有普及？

介紹到這里，或許大家會(huì)很疑惑：太陽能研制已逾百年，且得到如此多的成果，那么為啥都到了2020年了太陽能發(fā)電還沒大規(guī)模應(yīng)用于民用發(fā)電呢？

原因主要分為兩類：環(huán)境因素、成本因素。就環(huán)境而言，太陽能發(fā)電要求有足夠的直射光照以及光照時(shí)長，因此太陽能發(fā)電受氣候制約比較大。不是所有的地區(qū)都適合安裝太陽能發(fā)電設(shè)備，而且不是任何季節(jié)都適合使用太陽能發(fā)電。

就成本而言，光伏發(fā)電的太陽能電池單件的發(fā)電效率極低，故而要增大效率，必須提高采光面積，顯然這不僅導(dǎo)致發(fā)電建設(shè)成本非常高，而且若其作為民用發(fā)電，電費(fèi)昂貴，性價(jià)比不高。

如要降低太陽能發(fā)電成本，可以從光伏發(fā)電全過程的每一步進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。但是盡管每一步都有成本下降的余地，面臨的挑戰(zhàn)依舊很多，材料、設(shè)備、電池、電池組件、兆瓦級(jí)光伏電站等各項(xiàng)技術(shù)都未完全成熟。

因此，太陽能發(fā)電的普及還有賴于技術(shù)創(chuàng)新，以得到效率高、成本低、易于制造的太陽能電池。 

原標(biāo)題：都2020年了太陽能發(fā)電咋還沒普及？先看看光是怎么變成電的！