|
光伏( PV ) 是使用具有光伏效应的半导体材料将光转化为电能，这是物理学、光化学和电化学中研究的一种现象。光伏效应在商业上用于发电和作为光电传感器。电力系统由电力电子控制。光伏系统采用太阳能模块，每个 模块包括多个太阳能电池，这些太阳能电池产生电能。光伏装置可以是地面安装、屋顶安装、壁挂式或浮动式。安装座可以固定或使用太阳能跟踪器来跟踪天空中的太阳。
光伏发电潜力图估计，一个1kWp的独立式c-Si模块可以产生多少kWh的电力，最佳地向赤道倾斜。得出的长期平均值（每天或每年）是根据至少最近10年的时间序列天气数据计算得出的。 一些人希望光伏技术能够产生足够的负担得起的可持续能源，以帮助缓解由 CO2引起的全球变暖。太阳能光伏作为一种能源具有特定的优势：一旦安装，它的运行不会产生污染和温室气体排放，它在电力需求方面表现出简单的可扩展性，并且硅在地壳中具有很大的可用性，尽管光伏系统需要其他材料白银等制造业最终将限制该技术的进一步发展。确定的其他主要制约因素是土地使用竞争和申请资金时缺乏劳动力。 以光伏为主要来源需要储能高压直流输电线的系统或全球配电会导致额外成本，并且还具有许多其他特定缺点，例如发电不稳定以及电力公司需要通过拥有更多太阳能来补偿供应组合中过多的太阳能。可靠的传统电源，以调节需求高峰和潜在的供应不足。生产和安装确实会造成污染和温室气体排放，并且一旦面板在10到 30年的使用寿命结束后，没有可行的回收系统。 光伏系统长期以来一直用于专业应用，因为自1990年代以来一直在使用独立安装和并网光伏系统。光伏组件于2000年首次量产，当时德国环保主义者和Eurosolar组织获得了政府资助的一万个屋顶项目。
Solar Settlement是德国弗莱堡的一个可持续住房社区项目。 降低成本使光伏成为一种能源。这部分是由于中国政府自2000年以来对发展太阳能产能的巨额投资，并实现了规模经济。大部分生产价格来自关键成分多晶硅，而世界上大部分供应都在中国生产，尤其是在新疆。除了补贴之外，2010年代太阳能电池板的低价还得益于煤炭能源的低价和新疆廉价的劳动力成本以及制造技术和效率的提高。 技术进步和制造规模扩大也提高了光伏装置的效率。 净计量和财政激励措施，例如太阳能发电的优惠上网电价，已经支持了许多国家的太阳能光伏装置。面板价格在2004年至2011年间下降了4倍。模块价格在2010年代下降了90%，但在2021年开始急剧上涨。 2019年，全球光伏装机容量增至超过 635吉瓦(GW)，约占全球电力需求的2% 。就全球容量而言，光伏是继水电和风能之后的第三大可再生能源。2019年，国际能源署预计从2019年到2024年将增长700-880吉瓦。在某些情况下，光伏在太阳能潜力高的地区提供了最便宜的电力来源，出价低至2020年卡塔尔为0.01567美元/千瓦时。 光伏PV词源: “光伏”一词来自希腊语φῶς ( phōs )，意思是“光”，以及来自“伏特”，电动势的单位，伏特，而伏特又来自意大利物理学家亚历山德罗·沃尔塔的姓氏，他是电池（电化学电池）。自 1849 年以来，“光伏”一词已在英语中使用。
光伏SUDI灯罩是法国的一个自主移动站，使用太阳能为电动汽车提供能源。 光伏的历史： George Cove可能在1909年发明了光伏电池板，比贝尔实验室在1950年发明的时间早了大约40年。 太阳能电池： 光伏发电最广为人知的是一种通过使用太阳能电池通过光伏效应将来自太阳的能量转换为电子流来产生电能的方法。 太阳能电池从阳光中产生直流电，可用于为设备供电或为电池充电。光伏的第一个实际应用是为轨道卫星和其他航天器供电，但今天大多数光伏模块用于发电的并网系统。在这种情况下，需要一个逆变器将直流电转换为交流电。用于远程住宅、船只、休闲车、电动汽车、路边紧急电话、遥感的独立系统市场仍然较小, 和管道的 阴极 保护. 光伏发电采用由多个太阳能电池组成的太阳能模块，该太阳能电池包含半导体材料。 太阳能铜缆连接模块（模块电缆）、阵列（阵列电缆）和子场。由于对可再生能源的需求不断增长，太阳能电池和光伏阵列的制造近年来取得了长足的进步。 电池需要免受环境影响，并且通常紧密封装在太阳能模块中。
国际空间站上的太阳能电池板 光伏组件功率是在标准测试条件 (STC) 下测量的，单位为“W p ”（瓦特峰值）。特定地点的实际功率输出可能小于或大于此额定值，具体取决于地理位置、一天中的时间、天气条件和其他因素。太阳能光伏阵列容量系数通常低于25%，低于许多其他工业用电来源。 太阳能电池效率： 光伏电池的电效率是一种物理特性，它表示在给定的太阳辐照度下，电池可以产生多少电能。光伏电池最大效率的基本表达式由输出功率与入射太阳能的比率（辐射通量乘以面积）给出效率是在理想的实验室条件下测量的，代表了光伏电池或模块可实现的最大效率。实际效率受温度、辐照度和光谱的影响。 商用光伏的太阳能电池能量转换效率约为14-22%。 非晶硅基太阳能电池的太阳能电池效率仅为 6%。在实验环境中，实验性多结聚光光伏的效率已达到44.0% 。美国特种砷化镓(GaAs) 光伏制造商Alta Devices生产效率为26%的商用电池声称拥有“世界上最高效的太阳能”单结电池，专用于灵活和轻量级的应用。对于硅太阳能电池，美国公司SunPower仍然以22.8%的认证模块效率领先，远高于15-18%的市场平均水平。然而，竞争对手公司正在迎头赶上，例如韩国企业集团LG（效率为21.7% ）或挪威REC 集团（效率为21.7%）。 为了获得最佳性能，陆地光伏系统旨在最大限度地延长它们面对太阳的时间。太阳能跟踪器通过移动光伏模块跟随太阳来实现这一点。静态安装系统可以通过分析太阳路径来优化。光伏组件通常设置为纬度倾斜，角度等于纬度，但可以通过调整夏季或冬季的角度来提高性能。通常，与其他半导体器件一样，高于室温的温度会降低光伏模块的性能。 传统上，太阳能光伏发电产生的直流电（DC）必须转换为电网中使用的交流电（AC），在转换过程中平均损失10%。对于电池驱动的设备和车辆，在转换回直流电的过程中会出现额外的效率损失。电池的制造也需要大量的能量。 模块的电流与电压曲线为我们提供了有关其电气性能的有用信息。制造过程通常会导致不同光伏模块的电气参数存在差异，即使在相同类型的电池中也是如此。因此，只有 I-V 曲线的实验测量才能让我们准确地建立光伏器件的电气参数。该测量为光伏系统的设计、安装和维护提供了高度相关的信息。一般光伏组件的电参数是通过室内测试来测量的。然而，户外测试具有重要的优势，例如不需要昂贵的人造光源，没有样本大小限制，以及更均匀的样本照明。 温度的影响： 光伏 (PV) 模块的性能取决于环境条件，主要取决于模块平面中的全局入射辐照度 G。然而，p-n 结的温度 T 也会影响主要电气参数：短路电流 ISC、开路电压 VOC 和最大功率 Pmax。一般来说，众所周知，VOC 与 T 呈显着负相关，而对于 ISC，这种相关性是直接的，但较弱，因此这种增加并不能弥补 VOC的减少。因此，当 T 增加时，Pmax 会降低。太阳能电池的功率输出与其结的工作温度之间的这种相关性取决于半导体材料，并且是由于 T 对本征载流子的浓度、寿命和迁移率的影响，即 电子和间隙。光伏电池内部。 温度灵敏度通常用温度系数来描述，每个温度系数都表示它所指的参数相对于结温的导数。这些参数的数值可以在光伏组件的任何数据表中找到；如下： - β：VOC 相对于 T 的变化系数，由∂VOC/∂T 给出。 - α：ISC 相对于 T 的变异系数，由∂ISC/∂T 给出。 - δ：Pmax 相对于 T 的变化系数，由 ∂Pmax/∂T 给出。 从实验数据估计这些系数的技术可以在文献中找到 退化： 太阳能电池板抵御雨水、冰雹、大雪负荷以及冷热循环损坏的能力因制造商而异，尽管美国市场上的大多数太阳能电池板都经过了 UL 认证，这意味着它们已经通过了抗冰雹测试。电位引起的退化（也称为 PID）是晶体光伏模块中由所谓的杂散电流引起的电位引起的性能退化。这种效应可能导致高达 30%的功率损耗。 光伏技术面临的最大挑战是每瓦发电的购买价格。光伏技术的进步带来了“掺杂”硅基板以降低活化能的过程，从而使面板更有效地将光子转换为可回收电子。 将诸如硼（p 型）之类的化学物质应用到半导体晶体中，以产生基本上更接近价带和导体带的施主和受主能级。这样做时，添加硼杂质可使活化能从1.12eV 降低20倍至 0.05 eV。由于电位差 (EB )非常低，硼能够在室温下热电离。这允许在导带和价带中存在自由能载流子，从而允许更多的光子转换为电子。 光伏 (PV) 设备的功率输出随着时间的推移而降低。这种减少是由于其暴露于太阳辐射以及其他外部条件。退化指数，定义为每年输出功率损失的百分比，是确定光伏电站长期生产的关键因素。为了估计这种退化，与每个电气参数相关的下降百分比。光伏模块的个别退化会显着影响整个组串的性能。此外，并非同一安装中的所有模块都以完全相同的速度降低其性能。给定一组长期暴露在室外条件下的模块，必须考虑主要电气参数的个别退化及其分散度的增加。 有几项研究涉及基于文献中可用的不同光伏技术的模块的功率衰减分析。根据最近的一项研究，晶体硅模块的退化非常规律，每年在 0.8% 和1.0%之间波动。 另一方面，如果我们分析薄膜光伏组件的性能，则会观察到初期的强烈退化（可持续数月甚至长达2年），随后是退化稳定的后期，然后与晶体硅相媲美。在这种薄膜技术中也观察到强烈的季节性变化，因为太阳光谱的影响要大得多。例如，对于非晶硅、微晶硅或碲化镉的模块，我们谈论的第一年的年降解率在 3% 到4%之间。然而，其他技术，如 CIGS，显示出低得多的降解率，即使在早期也是如此。 光伏系统制造： 总体而言，太阳能光伏的制造过程很简单，因为它不需要许多复杂或移动部件的顶点。由于光伏系统的固态特性，它们通常具有相对较长的寿命，从10年到 30年不等。为了增加光伏系统的电力输出，制造商必须简单地添加更多的光伏组件。正因为如此，规模经济对制造商来说很重要，因为成本会随着产量的增加而降低。 虽然已知有许多类型的光伏系统是有效的，但晶体硅光伏在2013年占全球光伏产量的90% 左右。制造硅光伏系统有几个步骤。首先，多晶硅是从开采的石英中加工出来的，直到它非常纯净（半导体级）。当少量硼时，它会熔化添加 III 族元素，以制造富含电子空穴的 p 型半导体。通常使用晶种，从液晶多晶中生长出这种溶液的锭。 锭也可以在模具中铸造。这种半导体材料的晶片是用线锯从块状材料上切割下来的，然后在清洗之前经过表面蚀刻。接下来，将晶圆放入磷气相沉积炉中，该炉会沉积一层非常薄的磷，即 V 族元素，从而形成 n 型半导体表面。为了减少能量损失，在表面添加了抗反射涂层以及电触点。完成电池后，根据具体应用通过电路将电池连接起来，准备运输和安装。 制造的环境成本： 太阳能光伏发电不完全是“清洁能源”，生产会产生温室气体（GHG）排放，用于制造电池的材料可能不可持续，最终会耗尽，该技术使用会造成污染的有毒物质，没有可行的回收太阳能废物的技术。面板的生产需要大量的能源，现在中国的大部分面板都是由燃煤电厂生产的。调查其影响所需的数据有时会受到相当大的不确定性的影响。例如，由于科学文献中缺乏系统和准确的分析，人类劳动和用水的价值没有得到精确评估。确定光伏影响的一个困难是确定废物是否在制造阶段释放到空气、水或土壤中。 PV 无法进行生命周期评估，该评估着眼于所有不同的环境影响，包括全球变暖潜力、污染、水枯竭等。相反，研究试图估计各种类型光伏的影响和潜在影响，但这些估计通常仅限于简单地评估制造和/或运输的能源成本，因为这些是新技术及其组件的总体环境影响和处置方法是未知的，即使对于市售的第一代太阳能电池也是如此，更不用说没有商业可行性的实验原型了。 因此，光伏对环境影响的估计主要集中在每千瓦时的二氧化碳当量或能源回收时间 (EPBT)。EPBT 描述了光伏系统需要运行的时间跨度，以产生与其制造所使用的相同数量的能量。另一项研究包括 EPBT 中的运输能源成本。在另一项研究中，EPBT 也被完全不同地定义为“补偿光伏系统生命周期内所需的可再生和不可再生一次能源总量所需的时间”，其中还包括安装成本。 这种以年为单位的能源摊销也被称为收支平衡能源回收期。EPBT越低，太阳能的环境成本就越低。EPBT 很大程度上取决于光伏系统的安装位置（例如，可用的阳光量和电网的效率）以及系统的类型，即系统的组件。 2015年对第一代和第二代 PV的 EPBT 估计值的回顾表明，嵌入能量的变化大于电池效率的变化，这意味着需要减少的主要是嵌入能量，以使 EPBT 减少更多。 面板的生产需要大量的能源。一般来说，太阳能电池板最重要的组成部分是多晶硅的精炼，它占能源使用和温室气体排放的大部分。中国是世界上大部分多晶硅的产地，其中大部分是在新疆使用燃煤电厂生产的能源生产的。至于这种硅片的 EPBT 百分比取决于系统的类型。一个完全自给自足的系统需要额外的组件（“系统平衡”，功率逆变器、存储等）显着增加了制造的能源成本，但在简单的屋顶系统中，约90%的能源成本来自硅，其余来自逆变器和模块框架。 在 Alsema等人的分析中。从1998年开始，1997年以前的系统的能源回收时间高于10年，而标准屋顶系统的 EPBT 计算为 3.5 至8年。 EPBT 与净能量增益(NEG) 和能源投资回报 (EROI)的概念密切相关。它们都用于能源经济学，指的是收获能源所消耗的能量与从该收获中获得的能量之间的差异。NEG 和EROI 还考虑了光伏系统的工作寿命，通常假设工作寿命为25 至 30年。根据这些指标，可以通过计算得出能源回收时间。 EPBT 改进： 使用晶体硅的光伏系统，到目前为止，大多数实际使用的系统都具有如此高的 EPBT，因为硅是通过电炉中的高级石英砂还原产生的。这种以焦炭为燃料的冶炼过程发生在超过1000°C的高温下，并且非常耗能，每生产一公斤硅消耗大约11 千瓦时 (kWh)。这一过程的能源需求使得生产每单位硅的能源成本相对缺乏弹性，这意味着未来生产过程本身不会变得更有效率。 尽管如此，随着晶体硅电池在转换阳光方面变得越来越高效，而晶圆材料的厚度不断减小，因此制造所需的硅更少，能源回收时间在过去几年中显着缩短。在过去十年中，用于太阳能电池的硅量从每瓦特峰值16克下降到 6克。在同一时期，c-Si 晶片的厚度从 300μm 或微米减少到约160–190μm。 如今，晶体硅晶片的厚度只有1990年的40%，当时它们的厚度约为400微米。锯切技术通过减少切口损失并使硅锯末更容易回收利用，将晶体硅锭切成晶圆也得到了改善。 第一代光伏的影响： 就 LCA 而言，晶体硅模块是研究最广泛的 PV 类型，因为它们是最常用的。单晶硅光伏系统（mono-si）的平均效率为14.0%。电池倾向于遵循前电极、抗反射膜、n 层、p 层和后电极的结构，太阳照射前电极。EPBT的范围从1.7到2.7年。 CO2-eq/kWh 从摇篮到大门的范围为 37.3 至72.2克。 生产多晶硅(multi-si) 光伏电池的技术比单晶硅更简单、更便宜，但往往制造效率较低的电池，平均为13.2%。 EPBT的范围从1.5 到2.6年。 CO2-eq/kWh 从摇篮到大门的范围为28.5 至 69克。 假设以下国家拥有与欧洲一样高质量的电网基础设施，据计算，到2020年，加拿大渥太华的屋顶光伏系统需要1.28年才能产生与制造硅所需的能量相同的能量。其中模块（不包括银、玻璃、支架和其他组件），意大利卡塔尼亚0.97年，印度斋浦尔0.4年。在欧洲以外，净电网效率较低，需要更长的时间。能源回收期' 可以看作是在模块的使用寿命期间能源生产受到污染的时间部分。 充其量，这意味着一块使用了 30年的电池板在其97%的生命周期中都在生产清洁能源，或者太阳能电池板模块中的硅产生的温室气体排放量比同等时间的燃煤电厂少97%能量（假设并忽略许多事情）。一些研究已经超越了 EPBT 和GWP的其他环境影响。在一项此类研究中，将希腊的传统能源组合与多硅光伏进行了比较，发现其影响总体减少了95%，包括致癌物、生态毒性、酸化、富营养化和其他11 种。 第二代光伏的影响： 碲化镉(CdTe) 是发展最快的薄膜太阳能电池之一，统称为第二代器件。这种新的薄膜器件也具有与传统硅器件类似的性能限制（Shockley-Queisser 效率限制），但有望通过减少制造过程中的材料和能源消耗来降低每个器件的成本。2008年CdTe的全球市场份额为4.7%。该技术的最高功率转换效率为21%。电池结构包括玻璃基板（约2mm）、透明导体层、CdS 缓冲层（50-150nm）、CdTe 吸收体和金属接触层。 与其他商业光伏系统相比，CdTe 光伏系统在其生产中的单位发电量需要更少的能量输入。平均 CO2-eq/kWh 约为18克（从摇篮到大门）。CdTe 拥有所有商业光伏技术中最快的 EPBT，其在 0.3 到1.2年之间变化。 第三代光伏的影响： 第三代 PV 旨在结合第一代和第二代器件的优点，并且它们没有Shockley-Queisser 限制，这是第一代和第二代 PV 电池的理论限制。第三代器件的厚度小于1μm。 两种新的有前景的薄膜技术是铜锌锡硫化物（Cu2ZnSnS4或 CZTS）、 磷化锌(Zn 3 P2) 和单壁碳纳米管 (SWCNT)。这些薄膜目前仅在实验室生产，但将来可能会商业化。CZTS 和(Zn 3 P2) 工艺的制造预计将分别类似于当前的 CIGS 和CdTe 薄膜技术。而SWCNT PV的吸收层有望用CoMoCAT方法合成。与 CIGS 和CdTe 等已建立的薄膜相反，CZTS、Zn 3 P2和SWCNT PV 是由地球上丰富的无毒材料制成的，并且有可能每年产生比目前全球消耗量更多的电力。 虽然 CZTS 和Zn 3 P2由于这些原因提供了良好的前景，但它们的商业生产对环境的具体影响尚不清楚。CZTS 和Zn 3 P2的全球变暖潜能值分别为 38和30克 CO2-eq/kWh，而它们相应的 EPBT 分别为1.85年和0.78年。总体而言，CdTe 和Zn 3P2具有类似的环境影响，但可以略微优于 CIGS 和CZTS。 Celik 等人对 SWCNT PV的环境影响进行的一项研究，包括现有的1% 有效器件和理论上28%的有效器件，发现与单晶硅相比，1% SWCNT 对环境的影响约为18高出几倍主要是由于三年的短寿命。 经济学： 多年来，太阳能光伏技术的基本成本、行业结构和市场价格发生了重大变化，要对全球整个行业价值链发生的变化有一个连贯的认识是一项挑战。这是由于：“成本和价格变化的迅速，光伏供应链的复杂性，涉及大量的制造过程，与完整光伏系统相关的系统平衡（BOS）和安装成本，选择不同的分销渠道，以及部署光伏的区域市场之间的差异”。为促进光伏在各个国家的商业化而实施的许多不同的政策支持举措导致了进一步的复杂性。 可再生能源技术自发明以来通常变得更便宜。 特别是由于风能和太阳能技术的进步，可再生能源系统的建造成本比世界大部分地区的化石燃料发电厂更便宜。 发展： 在全球文献计量研究中审查的七种可持续能源类型中，太阳能光伏是最大的研究机构，年科学产出从2011年的9,094篇出版物增长到2019年的14,447篇出版物。 同样，太阳能光伏的应用也在迅速增长，到2018年全球装机容量达到约515吉瓦(GW)。 世界光伏容量在一个日历年的总功率输出现已超过500TWh 电力。这占全球电力需求的2%。超过100个国家使用太阳能光伏发电。 中国紧随其后的是美国和日本，而曾经是世界最大生产国的德国的安装量一直在放缓。 洪都拉斯2019年的太阳能发电比例最高，为14.8%。截至2019年，越南的装机容量在东南亚最高，约为4.5 吉瓦。每年人均约90W的年化安装率使越南位居世界领先地位。慷慨的上网电价 (FIT) 和政府支持政策（例如免税）是越南太阳能光伏蓬勃发展的关键。潜在的驱动因素包括政府提高能源自给自足的愿望和公众对当地环境质量的需求。 一个关键障碍是输电网容量有限。根据国际能源署的数据，中国拥有世界上最大的太阳能发电容量，到2020年底的装机容量为253 吉瓦，而欧盟约为151 吉瓦。 |
