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多年來太陽能電池板發(fā)生了怎樣的變化
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| 發(fā)布時間：
2024/5/8 |
當(dāng)今太陽能生產(chǎn)和利用的格局已廣泛且全面發(fā)展。當(dāng)然，研究仍然沒有創(chuàng)造出一種持續(xù)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(zhuǎn)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(zhàn)。即便如此，全國和世界各地的太陽能發(fā)電廠已經(jīng)改變了人類生產(chǎn)電能的方式，住宅系統(tǒng)正在提高能源獨立性，同時改善環(huán)境安全。
從早期收集太陽能的探索到現(xiàn)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(xiàn)代地球居民也紛紛效仿，盡管越來越令人印象深刻的技術(shù)突破使太陽變得越來越有價值。當(dāng)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(fā)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(shù)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(chǎn)者的合作奠定了基礎(chǔ)，而且它們經(jīng)受住了時間的考驗——年輕的學(xué)生仍然在老師的監(jiān)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(shù)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(qū)精心設(shè)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(yīng)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(jié)模式來利用恒星在冬季的熱量，并在夏季產(chǎn)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(fā)現(xiàn)自己能夠真正捕獲和操縱太陽的能量需要數(shù)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(fā)出來
1767年，霍勒斯·本尼迪克特·德·索緒爾 (Horace Benedicte de Saussure) 創(chuàng)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(shè)計。索緒爾以探索阿爾卑斯山和進行一系列地質(zhì)測試和測量而聞名。1767年，他發(fā)明了日光溫度計，這是一種放大入射陽光以產(chǎn)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(zhì)上，該設(shè)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(zhuǎn)化為熱能。該設(shè)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(wù)。
此時，太陽能捕獲技術(shù)顯然效率不高，但索緒爾的突破為未來250多年出現(xiàn)的所有其他太陽能電池技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。可能很難相信這項尖端技術(shù)很久以前就已經(jīng)開始了，但它實際上是從了解如何可靠地將陽光轉(zhuǎn)化為可用的替代能源格式開始的。
1839年發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)
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(yīng)的作用，引發(fā)了人類對太陽能以及更廣泛的電力生產(chǎn)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(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)還需要幾十年的時間。光伏效應(yīng)是支撐現(xiàn)代太陽能技術(shù)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(chǎn)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(shù)不需要額外的能量轉(zhuǎn)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(chǎn)生熱量，但必須再次轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生可為機器、燈泡或汽車提供動力的電荷。每次轉(zhuǎn)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(chǎn)生電流的能力本身節(jié)省了令人難以置信的空間、時間和能源。
1883年：Charles Fritts 建造了現(xiàn)代太陽能捕獲電池
硒電池是太陽能發(fā)電的下一個重大突破。查爾斯·弗里茨 (Charles Fritts) 延續(xù)了該領(lǐng)域許多其他發(fā)明家的進步，在對其光電導(dǎo)性進行了其他開創(chuàng)性研究后，最終選擇了硒。1883年，F(xiàn)ritts 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(zhuǎn)換率產(chǎn)生電力，但這是制造越來越有用的發(fā)電太陽能電池所需的突破。據(jù)《史密森尼雜志》報道，弗里茨高興地注意到他的硒發(fā)明，它產(chǎn)生了“連續(xù)、恒定且具有相當(dāng)大力量”的電流。這一改進使太陽能發(fā)電取得了重大飛躍。用戶不再需要依賴笨重的產(chǎn)品或移動組件，這使得工具變得更加復(fù)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(xiàn)有光伏效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，德國物理學(xué)家海因里希·赫茲 (Heinrich Hertz) 于1887年觀察到了類似的現(xiàn)象——光電效應(yīng)。這是當(dāng)電子被發(fā)射到太空而不是進入所討論材料的所謂導(dǎo)帶時。赫茲注意到，將紫外線照射在節(jié)點上會在電極之間產(chǎn)生火花，最終發(fā)現(xiàn)了這種相關(guān)現(xiàn)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(shè)計最重要的特點是赫茲發(fā)現(xiàn)暴露在紫外線下產(chǎn)生的電能比暴露在可見光譜下產(chǎn)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(fā)現(xiàn)和由此產(chǎn)生的突破為追求不斷提高的太陽能效率和功能創(chuàng)造了一條令人興奮的新途徑。
硅太陽能電池實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)
在這些早期突破之后，穩(wěn)步進展仍在繼續(xù)，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(fā)了硅太陽能電池，使發(fā)電效率達到6%。雖然仍然明顯低于現(xiàn)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(shù)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(shè)備供電。1958年，太陽能收集工具被部署在太空探索設(shè)備中，為設(shè)備提供穩(wěn)定的電力，這些設(shè)備將與其能源祖先一起生活在遙遠的未來。
生產(chǎn)效率的提高在很大程度上歸功于設(shè)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(xiàn)階段，除了最專業(yè)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(fā)射了先鋒一號 (Vanguard1) 衛(wèi)星，這顆衛(wèi)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(yè)用途仍然是太陽能技術(shù)的主要用途，但幕后正在發(fā)生變化。
埃克森公司的研究投入資金到該技術(shù)上
在當(dāng)代，太陽能一直面臨著兩個致命的威脅。在該技術(shù)的現(xiàn)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(zhàn)任何主要依靠太陽能來取代破壞環(huán)境的做法的環(huán)境和電網(wǎng)可持續(xù)性模型。從長遠來看，燃煤工業(yè)生產(chǎn)可能是骯臟且不可持續(xù)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(fā)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(chuàng)造更強大的能源獨立性的項目。1974年的《太陽能研究、開發(fā)和示范法案》將聯(lián)邦資金投入太陽能項目，旨在使太陽能變得實用且負擔(dān)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(fā)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(jīng)開始形成。
1985年實現(xiàn)20% 效率
廣泛采用的第二個障礙是效率。波浪能捕獲技術(shù)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(xué)突破了硅電池20% 的大關(guān)，太陽能建筑、公園和其他大型建設(shè)項目也在此時在全國和全球各地涌現(xiàn)。值得注意的是，20世紀80年代又出現(xiàn)了一波嚴重的能源危機，引發(fā)了全球經(jīng)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(xué)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(fā)一年后，太平洋天然氣與電力公司安裝了第一個電網(wǎng)支持的光伏系統(tǒng)。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(fā)電系統(tǒng)。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(shè)計突破了30% 的能量轉(zhuǎn)換門檻。
到2010年，太陽能發(fā)電在美國各地蓬勃發(fā)展
正如波士頓大學(xué)全球可持續(xù)發(fā)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(shù)發(fā)電的發(fā)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(yè)和住宅電力生產(chǎn)和使用方式的重大轉(zhuǎn)變，到2010年太陽能發(fā)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(shè)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(shù)島嶼社區(qū)開始出現(xiàn)對太陽能建設(shè)的大規(guī)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(qū)帶來了巨額金融投資。能源行業(yè)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(xié)調(diào)，2009年《美國復(fù)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(yè)開發(fā)太陽能基礎(chǔ)設(shè)施。
如今的稅收優(yōu)惠使住宅太陽能成為真正的選擇
如今，大多數(shù)住宅太陽能電池板的平均效率 約為20%。隨著價格持續(xù)下降——在蓬勃發(fā)展的太陽能行業(yè)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(yè)每周創(chuàng)造大約1,000個新就業(yè)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(dāng)前和現(xiàn)在都能負擔(dān)得起的解決方案，并且從長遠來看，可以作為降低持續(xù)能源使用成本的一種手段。目前的稅收優(yōu)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(wù)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(yè)務(wù)、凈計量和能源回售。通過增加家庭電池技術(shù)，住宅用戶現(xiàn)在可以存儲通過家庭系統(tǒng)捕獲的剩余能源。各州還規(guī)定用戶可以將產(chǎn)生的剩余能源賣回給電力公司，以額外抵消電費。持續(xù)的技術(shù)改進和政府計劃使太陽能成為商業(yè)和住宅領(lǐng)域真正有價值的選擇。
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