審核專家：吳寶俊
理論物理博士
看到下面的這個圖，很多人都能説出這是太陽能發電裝置，但是太陽能發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。
來源｜網絡
1
太陽能如何發電？
太陽能發電是將來自地球外部天體的能源（主要是太陽能）轉化為人類可利用的電能的過程。太陽能發電主要包括:光熱發電與光伏發電兩種形式。
對於光熱發電，因為太陽能熱水器的普及，大家可能會比較熟悉。太陽能光熱發電過程可總結為：光—熱—電的轉換過程。
利用大量反射鏡或者透射鏡將太陽光聚集並加熱工質（媒介物質），隨後高温工質經過熱交換系統，將水加熱為高温高壓蒸汽，最後高參數蒸汽進入汽輪發電機組中做功並輸出電力。
因其發電過程要求充足的直射光線和充足的水源，因此在光熱系統建設對地勢與建設區域自然資源的要求也相對苛刻。不過，其發電穩定性與可持續性的優勢，卻是光伏發電所不具有的。
相比於光熱發電，光伏發電對自然資源要求不高，加之其可以更加充分利用太陽輻射總量，且對地形兼容性較好，因此具有相當大的優勢，是太陽光利用的主要途徑。
光伏發電系統主要由逆變器（將直流電轉變為交流電）、太陽能電池（將光能轉化為電能）、控制器（控制充放電）、蓄電池（儲蓄或提供電能）四個部分組成。
其中，太陽能電池（光伏陣列）是光伏發電系統的關鍵部分，其質量和成本直接決定整個發電系統的質量和成本。
2
常見的太陽能電池有哪些？
自1954年太陽能電池發明至今，太陽能電池種類逐漸豐富，且結構多樣，轉換效率明顯提高。按照生產材料不同，市場上的太陽能電池可分為3個類型：晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和光電化學太陽能電池。
晶硅太陽能電池起步最早，市場佔有率最高。晶硅太陽能電池基於半導體P-N結，接受太陽光照射產生“光伏效應”，直接將光能轉化為電能。
P-N結是指P型半導體和N型半導體結合時，兩者交界處附近的區域。P-N結的特性由半導體中的載流子特性決定。
P型半導體中存在大量可以移動的空穴載流子而N型半導體中幾乎沒有空穴，因為濃度差而導致空穴由P區擴散至N區。
同樣，N型半導體中存在大量自由電子載流子而P型半導體則幾乎沒有，二者存在的自由電子濃度差，導致電子由N區擴散至P區。
空穴和電子在N區與P區的交界附近相遇並複合，導致在界面附近有一段距離缺少載流子，即形成了一個空間電荷區。
P型半導體一邊的空間電荷是負離子， N型半導體一邊的空間電荷是正離子，正負離子在交界附近產生一個內電場。這個電場阻止載流子進一步擴散，卻迫使部分載流子沿與擴散運動相反的方向漂移。
當漂移與擴散達到平衡狀態，便形成了一個阻擋層。該阻擋層就是P-N結。
來源｜閻金鐸 主編.中國中學教學百科全書·物理卷.瀋陽：瀋陽出版社.1990.第217頁.
當太陽光照在太陽能電池的P-N結上，半導體材料對光子本徵吸收產生光生空穴電子對，並在內電場作用下，光生電子向N端移動，光生空穴向P端移動。隨着光生電子在N區邊界積累，光生空穴在P區積累，P區與N區之間形成電勢差。
當PN兩端連接成迴路後，電路中便產生了一個由N端指向P端的電流。光照產生的空穴電子對越多，電勢差越大，電流越強。
與晶硅太陽能電池相比，薄膜太陽能電池與光化學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體薄膜作為基板製造的太陽能電池，能耗較少，可產生電壓的薄膜厚度僅需數微米，適合光伏建築一體化。
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，發電原理與晶硅太陽能電池相似。
常見的光電化學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、對電極和氧化還原電解質組成，原理源於人類對植物光合作用的模仿，利用染料敏化劑優異的吸光性能將太陽能轉化為電能。
此外，鈣鈦礦太陽能電池和量子阱半導體太陽能電池作為後起之秀，前景較好。
鈣鈦礦太陽能電池的發電原理和結構均與染料敏化電池類似，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型半導體、P型半導體接觸形成P-I-N結構（或者N-I-P反型結構）。
量子阱半導體太陽能電池是研製高效率Ⅲ-Ⅴ族複合物半導體太陽能電池的有效途徑，亦是提升疊層電池轉換效率的手段。科學家通過調節電池中量子阱半導體太陽能電池中不同元素的含量，以獲得更高的光電轉換效率。
來源｜網絡
隨着太陽能電池的蓬勃發展，航空事業也得到推進。較於普通太陽能電池，應用於空間站的太陽能電池具有長期持續發電、效率高、零排放、能承受各種衝擊的優勢。
目前我國空間站用太陽能光伏電池主要以經濟性好，工作穩定的晶硅太陽能電池為主。
與此同時，單結砷化鎵太陽電池與多結級聯砷化鎵太陽電池也在空間站得到應用,發展也較為迅速，但由於不同成分組成的太陽能電池有着不同的優缺點，因此各個類型的太陽能電池在空間中的崗位也不盡相同。
3
為啥太陽能發電沒有普及？
介紹到這裏，或許大家會很疑惑：太陽能研製已逾百年，且得到如此多的成果，那麼為啥都到了2020年了太陽能發電還沒大規模應用於民用發電呢？
原因主要分為兩類：環境因素、成本因素。就環境而言，太陽能發電要求有足夠的直射光照以及光照時長，因此太陽能發電受氣候制約比較大。不是所有的地區都適合安裝太陽能發電設備，而且不是任何季節都適合使用太陽能發電。
就成本而言，光伏發電的太陽能電池單件的發電效率極低，故而要增大效率，必須提高採光面積，顯然這不僅導致發電建設成本非常高，而且若其作為民用發電，電費昂貴，性價比不高。
如要降低太陽能發電成本，可以從光伏發電全過程的每一步進行技術改進。但是儘管每一步都有成本下降的餘地，面臨的挑戰依舊很多，材料、設備、電池、電池組件、兆瓦級光伏電站等各項技術都未完全成熟。
因此，太陽能發電的普及還有賴於技術創新，以得到效率高、成本低、易於製造的太陽能電池。
來源：數字北京科學中心
編輯：Watson