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多年來太陽能電池板發生了怎樣的變化
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| 發布時間：
2024/5/8 |
當今太陽能生產和利用的格局已廣泛且全面發展。當然，研究仍然沒有創造出一種持續有效的長期儲存太陽能的方法。但光伏（PV）電池確實可以將太陽能轉化為電能，可用于對鋰離子電池等進行充電（然后放電），盡管這一過程中的效率損失可能會給住宅用戶帶來挑戰。即便如此，全國和世界各地的太陽能發電廠已經改變了人類生產電能的方式，住宅系統正在提高能源獨立性，同時改善環境安全。
從早期收集太陽能的探索到現在以及以后的旅程是一段令人著迷的旅程。古代人類以多種方式利用了我們恒星的潛力，現代地球居民也紛紛效仿，盡管越來越令人印象深刻的技術突破使太陽變得越來越有價值。當代太陽能電池板的存在歸功于歷史悠久的一系列進步，但真正發揮作用是在過去的幾百年里。這就是太陽能電池板的演變。
古代收集太陽光線
早在公元前7世紀，人類就在初級放大鏡技術的幫助下利用太陽生火。這些太陽能實驗為人類與天空古老能源生產者的合作奠定了基礎，而且它們經受住了時間的考驗——年輕的學生仍然在老師的監督下到外面去制造熱量和微小的燒傷痕跡。在這些早期駕馭者數千年后，中國和希臘文明在建造城市時考慮了太陽的位置。
這些社區精心設計的房屋和聚會場所直接受到太陽在天空中位置的影響，全年不斷變化以適應天氣模式和舒適度要求。他們利用太陽的軌跡和一年中的季節模式來利用恒星在冬季的熱量，并在夏季產生冷卻效果。這些捕捉太陽輻射能的早期努力影響了未來幾個世紀人類對天體的看法。人類發現自己能夠真正捕獲和操縱太陽的能量需要數千年的時間，但這次航行從這里開始，在古代的第一步。
第一個太陽能電池于1767年開發出來
1767年，霍勒斯·本尼迪克特·德·索緒爾 (Horace Benedicte de Saussure) 創建了第一塊電池后，太陽能以全新的方式被概念化。這位瑞士知識分子開始嘗試一種可能有助于利用太陽能的太陽能捕獲設計。索緒爾以探索阿爾卑斯山和進行一系列地質測試和測量而聞名。1767年，他發明了日光溫度計，這是一種放大入射陽光以產生更多熱量輸出的裝置。索緒爾的日光溫度計是在隔熱盒中由多層玻璃制成的。本質上，該設備就像一個小型溫室，會逐漸升高溫度，以便將太陽的光能轉化為熱能。該設備將熱量放大到足以達到108攝氏度，突破了水的沸點，使用戶能夠利用太陽能進行烹飪和其他基本任務。
此時，太陽能捕獲技術顯然效率不高，但索緒爾的突破為未來250多年出現的所有其他太陽能電池技術奠定了基礎。可能很難相信這項尖端技術很久以前就已經開始了，但它實際上是從了解如何可靠地將陽光轉化為可用的替代能源格式開始的。
1839年發現光伏效應
1839年，也就是第一個太陽能電池問世大約70年后，埃德蒙·貝克勒爾 (Edmond Becquerel) 觀察到了光伏效應的作用，引發了人類對太陽能以及更廣泛的電力生產和使用理解的一場革命。目前，電力實驗正在如火如荼地進行中，盡管距離美國第一個電網技術的出現還需要幾十年的時間。光伏效應是支撐現代太陽能技術存在的基本原理。簡而言之，貝克勒爾觀察到某些材料在暴露于陽光甚至輻射熱時會產生電流。
年僅19歲的貝克勒爾在父親的實驗室進行研究時取得了這一突破。在這個拐點之后，很明顯，太陽能捕獲技術不需要額外的能量轉換來利用以光的形式收集的資源。早期的太陽能捕獲圍繞著產生熱量，但必須再次轉化為產生可為機器、燈泡或汽車提供動力的電荷。每次轉換都會損失能量——另一個基本原理——這意味著直接從收集的陽光產生電流的能力本身節省了令人難以置信的空間、時間和能源。
1883年：Charles Fritts 建造了現代太陽能捕獲電池
硒電池是太陽能發電的下一個重大突破。查爾斯·弗里茨 (Charles Fritts) 延續了該領域許多其他發明家的進步，在對其光電導性進行了其他開創性研究后，最終選擇了硒。1883年，Fritts 成功制造了第一個固體材料太陽能電池，無需移動部件即可捕獲陽光并輸出可用于滿足人類需求的電荷。
弗里茨的電池以大約1% 或2% 的效率轉換率產生電力，但這是制造越來越有用的發電太陽能電池所需的突破。據《史密森尼雜志》報道，弗里茨高興地注意到他的硒發明，它產生了“連續、恒定且具有相當大力量”的電流。這一改進使太陽能發電取得了重大飛躍。用戶不再需要依賴笨重的產品或移動組件，這使得工具變得更加復雜。太陽能電池即將成型。
觀察光電過程并改進細胞外觀
在現有光伏效應原理的基礎上，德國物理學家海因里希·赫茲 (Heinrich Hertz) 于1887年觀察到了類似的現象——光電效應。這是當電子被發射到太空而不是進入所討論材料的所謂導帶時。赫茲注意到，將紫外線照射在節點上會在電極之間產生火花，最終發現了這種相關現象。
一年后，亞歷山大·斯托萊托夫 (Aleksandr Stoletov) 建造了第一個可工作的光電電池。也許這種競爭設計最重要的特點是赫茲發現暴露在紫外線下產生的電能比暴露在可見光譜下產生的電能更多。考慮到太陽紫外線的巨大輻射輸出，這一新發現和由此產生的突破為追求不斷提高的太陽能效率和功能創造了一條令人興奮的新途徑。
硅太陽能電池實現商業化生產
在這些早期突破之后，穩步進展仍在繼續，但爆炸性增長在20世紀50年代開始扎根。本世紀初，貝爾實驗室開發了硅太陽能電池，使發電效率達到6%。雖然仍然明顯低于現代住宅能效標準（約20%），但與第一波太陽能收集工具能夠聚集的低數字相比，這是一個巨大的變化。事實上，這個時代的電池突然能夠為實驗室、家庭和其他地方使用的設備供電。1958年，太陽能收集工具被部署在太空探索設備中，為設備提供穩定的電力，這些設備將與其能源祖先一起生活在遙遠的未來。
生產效率的提高在很大程度上歸功于設計中包含硅，而不是早期使用的硒。它提供了更高的效率，但在現階段，除了最專業的用途外，成本仍然過高。典型的例子是：1958年，美國國家航空航天局 (NASA) 發射了先鋒一號 (Vanguard1) 衛星，這顆衛星如今已借助光電太陽能電池板繞地球運行了近20萬圈。研究和專業用途仍然是太陽能技術的主要用途，但幕后正在發生變化。
埃克森公司的研究投入資金到該技術上
在當代，太陽能一直面臨著兩個致命的威脅。在該技術的現代框架中，價格和效率成為全面采用的雙重障礙，并嚴重挑戰任何主要依靠太陽能來取代破壞環境的做法的環境和電網可持續性模型。從長遠來看，燃煤工業生產可能是骯臟且不可持續的，但建造太陽能集熱器并以極低的效率運行它們所帶來的過高成本使其目前無法啟動。
然而，到了20世紀70年代，這兩方面的情況都開始發生變化。埃克森公司的研究開始起步，美國政府開始認真對待旨在創造更強大的能源獨立性的項目。1974年的《太陽能研究、開發和示范法案》將聯邦資金投入太陽能項目，旨在使太陽能變得實用且負擔得起，以便公眾能夠輕松享受這種新能源選擇的好處。與此同時，埃克森美孚的研究重點是降低成本，該公司成功地將太陽能發電的價格從每瓦100美元降至20美元。這仍然不足以使其與其替代品直接競爭，但可行的前進道路的框架肯定已經開始形成。
1985年實現20% 效率
廣泛采用的第二個障礙是效率。波浪能捕獲技術最近找到了解決這個問題的方法，1985年，太陽能電池似乎也解決了這個問題。1985年，南威爾士大學突破了硅電池20% 的大關，太陽能建筑、公園和其他大型建設項目也在此時在全國和全球各地涌現。值得注意的是，20世紀80年代又出現了一波嚴重的能源危機，引發了全球經濟衰退。
就在幾年前，即1982年，第一輛太陽能汽車從悉尼行駛到珀斯（約2,800英里），所用時間是第一輛汽油動力汽車完成這一壯舉所需的時間的一半。1983年全球采用量也超過了21.3兆瓦。1992年，即這些新進展十年后，南佛羅里達大學的研究人員首次利用薄膜光伏太陽能電池（由碲化鎘制成，效率達到15.9%）突破了15% 的效率障礙。開發一年后，太平洋天然氣與電力公司安裝了第一個電網支持的光伏系統。這是加利福尼亞州克爾曼的一個500千瓦項目，也是第一個建成的太陽能分布式發電系統。又一年后，國家可再生能源實驗室利用磷化鎵銦和砷化鎵的新型太陽能電池設計突破了30% 的能量轉換門檻。
到2010年，太陽能發電在美國各地蓬勃發展
正如波士頓大學全球可持續發展研究所所記錄的那樣 ，過去二十年來，美國通過太陽能技術發電的發電量呈爆炸式增長。2006年推出的太陽能投資稅收抵免刺激了企業和住宅電力生產和使用方式的重大轉變，到2010年太陽能發電已成為幾乎不可忽視的新機遇。在北卡羅來納州，特別是加利福尼亞州，新的太陽能建設項目躍然紙上。繼這些早期采用者之后，馬里蘭州和新澤西州-紐約海岸線以及科羅拉多州、新墨西哥州和整個中西部的少數島嶼社區開始出現對太陽能建設的大規模投資。
這些項目為以前依賴煤炭開采、石油鉆探、水力壓裂和其他形式的能源采集的社區帶來了巨額金融投資。能源行業勞動力的演變始于2010年左右，此后的14年里一直沒有放緩。與2006年立法相協調，2009年《美國復蘇和再投資法案》簽署成為法律，擴大了稅收減免、補助金和其他令人難以置信的財政激勵措施，以鼓勵企業開發太陽能基礎設施。
如今的稅收優惠使住宅太陽能成為真正的選擇
如今，大多數住宅太陽能電池板的平均效率 約為20%。隨著價格持續下降——在蓬勃發展的太陽能行業取得重大立法勝利前后的10年間，安裝價格下降了70%——住宅電池板的可行性越來越高。事實上，能源效率與可再生能源辦公室 在2017年報告稱，太陽能行業每周創造大約1,000個新就業崗位。此外，針對住宅用戶的稅收減免和其他財政激勵措施使其成為當前和現在都能負擔得起的解決方案，并且從長遠來看，可以作為降低持續能源使用成本的一種手段。目前的稅收優惠政策在2017年至2034年間提供高達30% 的安裝成本回收，并為安裝房主（甚至可能是安裝太陽能的租戶）提供展期信貸，以便他們能夠充分利用財務價值。
那些在家中安裝太陽能電池板的人還可以利用銀行業務、凈計量和能源回售。通過增加家庭電池技術，住宅用戶現在可以存儲通過家庭系統捕獲的剩余能源。各州還規定用戶可以將產生的剩余能源賣回給電力公司，以額外抵消電費。持續的技術改進和政府計劃使太陽能成為商業和住宅領域真正有價值的選擇。
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