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| 不只是縮時，還有粉塵、噪音、位移偵測 |
太陽能電池，也稱為光伏電池，利用光伏效應將光能轉化為電能。其中大部分是矽電池，它們具有不同的轉換效率和成本，範圍從非晶矽電池（非晶）到多晶和單晶（單晶）矽類型。
與電池不同，太陽能係統不使用化學反應，也不需要燃料。此外，太陽能電池沒有像發電機這樣的運動部件。家用太陽能係統將接收到的大約 20% 的陽光轉換為電能，而更昂貴的商業系統可以轉換高達 40%。然而，隨著技術的進步，這些面板的太陽能效率有望提高。
太陽能電池的最大形式稱為陣列，它由數千個單獨的電池組成，可以組合成太陽能農場，將陽光轉化為電力，用於大規模的商業、工業和住宅用途。
較小的電池組稱為太陽能電池板，或更常見的是太陽能電池板。不同類型的太陽能電池板有多種用途，從放置在屋頂以替代或補充國內電力供應，或為無法獲得傳統能源或安裝成本高昂的地方提供電力。由於缺乏移動部件或燃料，太陽能電池板也廣泛用於太空，包括用於衛星和空間站，儘管太陽能量在太陽係其他部分的擴散意味著這些電池板不能用於發送探測器出星際空間。
在最小的層面上，太陽能電池用於許多消費產品，包括玩具、計算器和收音機。這些太陽能電池還可以使用人造光和陽光來發電。
案例研究：OLEDSOLAR 項目
TWI 是這個由 EC 資助的合作項目的一部分，該項目目的在開發太陽能電池板和光電設備的創新製造工藝和線上監測技術。該項目的目的是提高製造設備的品質和產量，以及提高加工效率和永續性。自動化處理軟體控製卷對捲和片對片製造，因為新的回收策略降低了產品浪費成本。感測器監控過程，以提供品質控制、檢查和功能測試。
TWI 開發了一種暗鎖定熱成像 (DLIT) 技術，用於對 OLED 和太陽能電池進行基於實驗室的在線檢測。透過向太陽膜樣品施加方波調製電壓，然後用紅外線攝影機對其進行成像，可以捕獲太陽膜樣品的熱圖像。熱像儀記錄熱圖像，繼電器電路根據產生的方波打開和關閉電源。攝影機還記錄訊號發生器的同步方波參考信號。使用熱成像，DLIT 系統能夠辨識熱點，以定位有缺陷的太陽能電池板印刷品。目前正在進行進一步的開發工作，以整合機器學習技術以自動辨識圖像中的缺陷，並提升該技術以實現大規模檢測。
你可以 在此處了解有關該專案，以及它如何改進太陽能電池製造的更多資訊。
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它們是如何工作的？
所有的太陽能電池都具有相同的基本結構。光透過光學塗層或抗反射層進入系統，最大限度地減少反射損失的光量。這會捕獲光並促進其傳輸到下方的能量轉換層。該頂部抗反射層通常是矽、鉭或鈦的氧化物，並透過旋塗或真空沉積形成。
頂部抗反射層下方是三個能量轉換層。它們是頂部結層、吸收層和背結層。還有兩個額外的電接觸層將電流傳送到外部負載，然後返回電池以完成電路。
電池表面的頂部電接觸層使用由良導體材料（如金屬）組成的網格圖案。然而，由於金屬阻擋光線，因此網格線很細且間距很大，以允許光線通過，同時也允許收集電流。背電接觸層沒有這樣的限制，通常僅由金屬製成。
為了保持高效率，太陽能電池吸收器，需要能夠吸收可見光波長的電磁輻射。能夠吸收這種可見輻射的材料被稱為半導體，並且可以在只有百分之一厘米或更小的厚度下進行處理。結形成層和接觸層更薄，這意味著太陽能電池的厚度基本上是吸收體的厚度。太陽能電池中使用的半導體材料包括硒化銅銦、砷化鎵、磷化銦和矽。
當光遇到太陽能電池時，吸收層中的電子會從與固體中特定原子結合的低能量「基態」轉變為能夠在固體中自由移動的「激發態」。結形成層產生產生光伏效應的內置電場。該電場產生集體電子運動，使它們流過電接觸層，並進入外部電路。兩個結形成層需要與吸收體不同，以產生電場來承載電流。因此，這些可以是不同的半導體（或具有不同導電類型的相同半導體）或金屬和半導體。
由於太陽能電池不能在黑暗中發電，它們會儲存一些能量，以便在沒有光的情況下使用。這可以通過給電化學蓄電池充電，類似於植物的光合作用過程。
總之：
- 陽光照射在細胞表面
- 能量以光子的形式穿過細胞層
- 光子將它們的能量傳遞給下層的電子
- 電子利用這種能量跳回上層，並逃逸到電路中
- 在電路周圍流動的電子為設備提供電力
類型
太陽能電池可分為三大類，即基於晶體矽的薄膜太陽能電池，以及一種較新的發展，即其他兩者的混合物。
1. 結晶矽電池
大約 90% 的太陽能電池是由晶體矽 (c-Si) 晶片製成的，這些晶片是從實驗室生長的大錠中切下的。這些錠需要長達一個月的時間才能生長，並且可以採用單晶或多晶的形式。單晶用於製造單晶太陽能電池板和電池（單晶矽），而多晶用於多晶電池板和電池（多晶矽或多晶矽）。
這些太陽能電池使用 n 型錠，它是通過加熱帶有少量磷、銻或砷作為摻雜劑的矽塊製成的。n 型錠與使用硼作為摻雜劑的 p 型矽層耦合。在 1954 年首次設計的工藝中，將 n 型和 p 型錠融合以形成結。
單晶電池具有獨特的外觀，通常是有顏色的，並且往往呈圓柱形。這些電池被切成形狀，這可能是浪費的，但確實提供了最高水平的效率。多晶電池不需要切割成型，因為矽被熔化並倒入方形模具中。多晶太陽能電池板在價格和效率方面都被視為中檔選擇。
2. 薄膜太陽能電池
晶體矽電池由只有幾分之一毫米深（約 200 微米，200 微米）的晶片製成，但薄膜太陽能電池（也稱為薄膜光伏電池）的厚度要薄約 100 倍。這些薄膜太陽能電池板和電池由非晶矽 (a-Si) 製成，其中原子是隨機排列的，而不是有序的晶體結構。這些薄膜也可以由碲化鎘 (Cd-Te)、銅銦鎵二硒 (CIGS) 或有機 PV 材料製成。
這些電池是通過層疊光伏來製造一個模塊，是生產太陽能電池板的最便宜的選擇。這些電池可以層壓到窗戶、天窗、屋頂瓦片和其他基材上，包括玻璃、金屬和聚合物。然而，儘管具有這種靈活性，但它們的效率不如常規晶體矽電池。晶體矽電池可以產生 20% 的效率，而這些薄膜電池只能達到 7% 左右的效率。即使是最好的 CIGS 電池也只能達到 12% 的效率。
3. 第三代太陽能電池
最新的太陽能電池技術結合了晶體矽和薄膜太陽能電池的最佳特性，可提供高效率和改進的使用實用性。它們往往由非晶矽、有機聚合物或鈣鈦晶體製成，並具有由不同半導體材料層組成的多個結。
這些電池有可能比其他類型的電池更便宜、更高效和更實用，並且已被證明能夠實現約 30% 的效率（使用鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池）。
太陽能電池的效率如何？
太陽能電池只能根據它們接收並能夠處理的光來發電。大多數電池僅將其接收到的能量的 10-20% 轉化為電能，而最高效的電池實驗室電池，在完美條件下可達到 45% 左右的效率。原因是太陽能電池被優化為僅捕獲特定頻帶內的光子，而超出該頻帶的光子則被浪費了。此外，在頻帶內的光子中，一些光子缺乏產生電子所需的能量，而另一些光子則過多，因此浪費了多餘的能量。
大多數現實世界的太陽能電池板只能達到 10-20% 的效率，因為現實世界的因素，如面板結構、定位、對齊、陰影、熱量和缺乏清潔度，都會降低最佳效率。
這種總太陽能電池效率由電荷載流子分離效率、導電效率、反射效率和熱力學效率的組合決定。
它們是如何製造的？
製造太陽能電池有七個階段，如下所示：
第一階段：淨化矽
二氧化矽被放置在電弧爐中，並應用碳弧釋放氧氣。這留下了二氧化碳和熔融矽，它們將產生只有 1% 雜質的矽，但即使這樣也不足以用於太陽能電池。純度為 99% 的矽棒沿同一方向多次通過加熱區，該工藝稱為浮動區技術。重複這個過程會將所有雜質拉到棒的一端，最終讓這個不純的一端被簡單地去除。
第二階段：製造單晶矽
最常見的製造單晶矽的方法稱為 Czochralski 方法，將矽晶種浸入熔化的多晶矽中。當從熔化的多晶中取出晶種時，透過旋轉該晶種，可以產生圓柱形錠或晶錠。
第三階段：切割矽片
使用圓鋸將第二階段的晶錠切割成矽晶片。金剛石是這項工作的最佳鋸材，可以生產矽片，然後可以進一步切割形成正方形或六邊形，這些正方形或六邊形更容易組裝到太陽能電池的表面上。然後通常對切片的晶片進行拋光以去除鋸痕，儘管一些製造商會留下這些缺陷，因為人們認為較粗糙的電池可以有效地吸收更多的光。
第四階段：興奮劑
在較早階段純化矽後，材料現在可以重新添加雜質。這個過程稱為摻雜，通常涉及使用粒子加速器將磷離子發射到矽錠中。控制離子的速度可以讓你控制穿透深度。通過使用更傳統的在切割晶片時引入硼的方法，可以跳過這部分過程。
第五階段：添加電觸點
電觸點將太陽能電池彼此連接起來，並充當產生電流的接收器。這些觸點很薄，以免阻擋陽光進入電池，並由鈀或銅等金屬製成。金屬要么通過光刻膠真空蒸發，要么沉積在電池的暴露部分上，這些部分已部分覆蓋有蠟。一旦觸點就位，就會在電池之間放置薄條，通常是鍍錫銅。
第六階段：添加抗反射塗層
矽的閃亮特性意味著它可以反射高達 35% 的陽光。為了減少反射損失的陽光量，矽中添加了抗反射塗層。二氧化鈦和氧化矽通常用於此目的，材料被加熱直到分子沸騰並移動到它們凝結的矽上。或者，可以使用高電壓從材料中去除分子，然後在稱為“濺射”的過程中將它們沉積在對面電極的矽上。
第七階段：封裝細胞
最後，太陽能電池被封裝在矽橡膠或乙烯醋酸乙烯酯中，並放置在帶有背板和玻璃或塑料蓋的鋁框架中以進行保護。
太陽能電池能產生多少電力？
每天從太陽到達地球的勢能足以滿足我們所有的發電需求。然而，如上所述，大多數太陽能電池只能捕獲到達它們的大約 15% 的光。當然，太陽能電池板或陣列越大，它可以捕獲的能量就越多。
由於單晶、多晶和薄膜太陽能電池具有不同的效率，我們將研究最常見的晶體矽太陽能電池類型。
單個太陽能電池（大約是光盤大小）可以產生 3-4.5 瓦的功率。透過將 40 個這些電池一起放入一個典型大小的模組中，你可以產生 100-300 瓦的功率。將這些模組中的幾個放在一起形成幾個太陽能電池板，可以產生幾千瓦的能量，這應該足以滿足大多數家庭的峰值能源需求。太陽能農場仍然能夠產生更多的電力，據估計需要在 30 英畝的土地上安裝 22,000 塊電池板，才能產生 4.2 兆瓦的電力；足以為 1,200 戶家庭供電。
相比之下，需要 500-1000 個太陽能屋頂裝置才能匹配大型風力渦輪機（2-3 兆瓦）的發電量，而需要大約 100 萬個太陽能屋頂裝置，才能達到大型煤炭或核電站（以千兆瓦為單位）。
這引發了對太陽能滿足我們未來能源需求的能力的質疑……
未來和最新發展
太陽能已經為用戶提供了許多好處，同時也有助於減輕化石燃料發電對環境的負面影響。除了減少使用太陽能帶來的空氣污染和二氧化碳排放外，在更局部的層面上也有好處，因為它將發電置於使用點。
在最小的範圍內，這使我們能夠在沒有電池的情況下，為手錶和計算器供電，而公路和鐵路維護標誌也可以由太陽能供電，因此它們甚至可以在最偏遠的地方使用。一些國家還使用太陽能來為醫院和診所的水泵、電話亭甚至製冷裝置供電。
目前正在開髮用於太陽能電池板的自清潔塗層以提高其效率，以及減少製造過程中材料浪費的項目（參見下面的 OLEDSOLAR 案例研究）。
未來，隨著化石燃料資源的減少，將越來越需要尋找包括太陽能在內的可再生能源。那些支持「太陽能經濟」的人認為，我們的大部分全球能源需求，可以透過以 20% 的效率運行，且僅覆蓋地球表面 191,817 平方英里的太陽能電池板來滿足。鑑於矽是地殼中第二豐富的元素，這至少在理論上是可能的。
雖然很容易看到廉價、清潔和可再生的陽光資源，被用來為人類供電，但風能等其他可再生資源的進步，使這不太可能發生。相反，太陽能更有可能只是由不同來源，組成的整體可再生能源組合的一部分。
然而，太陽能仍將在較小範圍內找到當地應用，尤其是在氣候適宜的發展中國家。太陽能也是家庭和小規模商業用途的理想選擇，這讓一些人設想了一個每個人都可以「離網」，並創造自己的個人能源供應的時代。雖然這是一個誘人的概念，但其他人認為需要維護電網，以便我們可以確保每個人都能在任何情況下獲得所需的電力。
結論
太陽能電池被廣泛用作可再生能源，其規模從最小的手持設備到為整個社區供電。隨著朝著實現淨零碳排放的方向繼續前進，太陽能看起來將成為整體可再生能源組合的一部分。隨之而來的是投資和技術進步以及太陽能系統成本的降低。
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