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多年来太阳能电池板发生了怎样的变化
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| 发布时间：
2024/5/8 |
当今太阳能生产和利用的格局已广泛且全面发展。当然，研究仍然没有创造出一种持续有效的长期储存太阳能的方法。但光伏（PV）电池确实可以将太阳能转化为电能，可用于对锂离子电池等进行充电（然后放电），尽管这一过程中的效率损失可能会给住宅用户带来挑战。即便如此，全国和世界各地的太阳能发电厂已经改变了人类生产电能的方式，住宅系统正在提高能源独立性，同时改善环境安全。
从早期收集太阳能的探索到现在以及以后的旅程是一段令人着迷的旅程。古代人类以多种方式利用了我们恒星的潜力，现代地球居民也纷纷效仿，尽管越来越令人印象深刻的技术突破使太阳变得越来越有价值。当代太阳能电池板的存在归功于历史悠久的一系列进步，但真正发挥作用是在过去的几百年里。这就是太阳能电池板的演变。
古代收集太阳光线
早在公元前7世纪，人类就在初级放大镜技术的帮助下利用太阳生火。这些太阳能实验为人类与天空古老能源生产者的合作奠定了基础，而且它们经受住了时间的考验——年轻的学生仍然在老师的监督下到外面去制造热量和微小的烧伤痕迹。在这些早期驾驭者数千年后，中国和希腊文明在建造城市时考虑了太阳的位置。
这些社区精心设计的房屋和聚会场所直接受到太阳在天空中位置的影响，全年不断变化以适应天气模式和舒适度要求。他们利用太阳的轨迹和一年中的季节模式来利用恒星在冬季的热量，并在夏季产生冷却效果。这些捕捉太阳辐射能的早期努力影响了未来几个世纪人类对天体的看法。人类发现自己能够真正捕获和操纵太阳的能量需要数千年的时间，但这次航行从这里开始，在古代的第一步。
第一个太阳能电池于1767年开发出来
1767年，霍勒斯·本尼迪克特·德·索绪尔 (Horace Benedicte de Saussure) 创建了第一块电池后，太阳能以全新的方式被概念化。这位瑞士知识分子开始尝试一种可能有助于利用太阳能的太阳能捕获设计。索绪尔以探索阿尔卑斯山和进行一系列地质测试和测量而闻名。1767年，他发明了日光温度计，这是一种放大入射阳光以产生更多热量输出的装置。索绪尔的日光温度计是在隔热盒中由多层玻璃制成的。本质上，该设备就像一个小型温室，会逐渐升高温度，以便将太阳的光能转化为热能。该设备将热量放大到足以达到108摄氏度，突破了水的沸点，使用户能够利用太阳能进行烹饪和其他基本任务。
此时，太阳能捕获技术显然效率不高，但索绪尔的突破为未来250多年出现的所有其他太阳能电池技术奠定了基础。可能很难相信这项尖端技术很久以前就已经开始了，但它实际上是从了解如何可靠地将阳光转化为可用的替代能源格式开始的。
1839年发现光伏效应
1839年，也就是第一个太阳能电池问世大约70年后，埃德蒙·贝克勒尔 (Edmond Becquerel) 观察到了光伏效应的作用，引发了人类对太阳能以及更广泛的电力生产和使用理解的一场革命。目前，电力实验正在如火如荼地进行中，尽管距离美国第一个电网技术的出现还需要几十年的时间。光伏效应是支撑现代太阳能技术存在的基本原理。简而言之，贝克勒尔观察到某些材料在暴露于阳光甚至辐射热时会产生电流。
年仅19岁的贝克勒尔在父亲的实验室进行研究时取得了这一突破。在这个拐点之后，很明显，太阳能捕获技术不需要额外的能量转换来利用以光的形式收集的资源。早期的太阳能捕获围绕着产生热量，但必须再次转化为产生可为机器、灯泡或汽车提供动力的电荷。每次转换都会损失能量——另一个基本原理——这意味着直接从收集的阳光产生电流的能力本身节省了令人难以置信的空间、时间和能源。
1883年：Charles Fritts 建造了现代太阳能捕获电池
硒电池是太阳能发电的下一个重大突破。查尔斯·弗里茨 (Charles Fritts) 延续了该领域许多其他发明家的进步，在对其光电导性进行了其他开创性研究后，最终选择了硒。1883年，Fritts 成功制造了第一个固体材料太阳能电池，无需移动部件即可捕获阳光并输出可用于满足人类需求的电荷。
弗里茨的电池以大约1% 或2% 的效率转换率产生电力，但这是制造越来越有用的发电太阳能电池所需的突破。据《史密森尼杂志》报道，弗里茨高兴地注意到他的硒发明，它产生了“连续、恒定且具有相当大力量”的电流。这一改进使太阳能发电取得了重大飞跃。用户不再需要依赖笨重的产品或移动组件，这使得工具变得更加复杂。太阳能电池即将成型。
观察光电过程并改进细胞外观
在现有光伏效应原理的基础上，德国物理学家海因里希·赫兹 (Heinrich Hertz) 于1887年观察到了类似的现象——光电效应。这是当电子被发射到太空而不是进入所讨论材料的所谓导带时。赫兹注意到，将紫外线照射在节点上会在电极之间产生火花，最终发现了这种相关现象。
一年后，亚历山大·斯托莱托夫 (Aleksandr Stoletov) 建造了第一个可工作的光电电池。也许这种竞争设计最重要的特点是赫兹发现暴露在紫外线下产生的电能比暴露在可见光谱下产生的电能更多。考虑到太阳紫外线的巨大辐射输出，这一新发现和由此产生的突破为追求不断提高的太阳能效率和功能创造了一条令人兴奋的新途径。
硅太阳能电池实现商业化生产
在这些早期突破之后，稳步进展仍在继续，但爆炸性增长在20世纪50年代开始扎根。本世纪初，贝尔实验室开发了硅太阳能电池，使发电效率达到6%。虽然仍然明显低于现代住宅能效标准（约20%），但与第一波太阳能收集工具能够聚集的低数字相比，这是一个巨大的变化。事实上，这个时代的电池突然能够为实验室、家庭和其他地方使用的设备供电。1958年，太阳能收集工具被部署在太空探索设备中，为设备提供稳定的电力，这些设备将与其能源祖先一起生活在遥远的未来。
生产效率的提高在很大程度上归功于设计中包含硅，而不是早期使用的硒。它提供了更高的效率，但在现阶段，除了最专业的用途外，成本仍然过高。典型的例子是：1958年，美国国家航空航天局 (NASA) 发射了先锋一号 (Vanguard1) 卫星，这颗卫星如今已借助光电太阳能电池板绕地球运行了近20万圈。研究和专业用途仍然是太阳能技术的主要用途，但幕后正在发生变化。
埃克森公司的研究投入资金到该技术上
在当代，太阳能一直面临着两个致命的威胁。在该技术的现代框架中，价格和效率成为全面采用的双重障碍，并严重挑战任何主要依靠太阳能来取代破坏环境的做法的环境和电网可持续性模型。从长远来看，燃煤工业生产可能是肮脏且不可持续的，但建造太阳能集热器并以极低的效率运行它们所带来的过高成本使其目前无法启动。
然而，到了20世纪70年代，这两方面的情况都开始发生变化。埃克森公司的研究开始起步，美国政府开始认真对待旨在创造更强大的能源独立性的项目。1974年的《太阳能研究、开发和示范法案》将联邦资金投入太阳能项目，旨在使太阳能变得实用且负担得起，以便公众能够轻松享受这种新能源选择的好处。与此同时，埃克森美孚的研究重点是降低成本，该公司成功地将太阳能发电的价格从每瓦100美元降至20美元。这仍然不足以使其与其替代品直接竞争，但可行的前进道路的框架肯定已经开始形成。
1985年实现20% 效率
广泛采用的第二个障碍是效率。波浪能捕获技术最近找到了解决这个问题的方法，1985年，太阳能电池似乎也解决了这个问题。1985年，南威尔士大学突破了硅电池20% 的大关，太阳能建筑、公园和其他大型建设项目也在此时在全国和全球各地涌现。值得注意的是，20世纪80年代又出现了一波严重的能源危机，引发了全球经济衰退。
就在几年前，即1982年，第一辆太阳能汽车从悉尼行驶到珀斯（约2,800英里），所用时间是第一辆汽油动力汽车完成这一壮举所需的时间的一半。1983年全球采用量也超过了21.3兆瓦。1992年，即这些新进展十年后，南佛罗里达大学的研究人员首次利用薄膜光伏太阳能电池（由碲化镉制成，效率达到15.9%）突破了15% 的效率障碍。开发一年后，太平洋天然气与电力公司安装了第一个电网支持的光伏系统。这是加利福尼亚州克尔曼的一个500千瓦项目，也是第一个建成的太阳能分布式发电系统。又一年后，国家可再生能源实验室利用磷化镓铟和砷化镓的新型太阳能电池设计突破了30% 的能量转换门槛。
到2010年，太阳能发电在美国各地蓬勃发展
正如波士顿大学全球可持续发展研究所所记录的那样 ，过去二十年来，美国通过太阳能技术发电的发电量呈爆炸式增长。2006年推出的太阳能投资税收抵免刺激了企业和住宅电力生产和使用方式的重大转变，到2010年太阳能发电已成为几乎不可忽视的新机遇。在北卡罗来纳州，特别是加利福尼亚州，新的太阳能建设项目跃然纸上。继这些早期采用者之后，马里兰州和新泽西州-纽约海岸线以及科罗拉多州、新墨西哥州和整个中西部的少数岛屿社区开始出现对太阳能建设的大规模投资。
这些项目为以前依赖煤炭开采、石油钻探、水力压裂和其他形式的能源采集的社区带来了巨额金融投资。能源行业劳动力的演变始于2010年左右，此后的14年里一直没有放缓。与2006年立法相协调，2009年《美国复苏和再投资法案》签署成为法律，扩大了税收减免、补助金和其他令人难以置信的财政激励措施，以鼓励企业开发太阳能基础设施。
如今的税收优惠使住宅太阳能成为真正的选择
如今，大多数住宅太阳能电池板的平均效率 约为20%。随着价格持续下降——在蓬勃发展的太阳能行业取得重大立法胜利前后的10年间，安装价格下降了70%——住宅电池板的可行性越来越高。事实上，能源效率与可再生能源办公室 在2017年报告称，太阳能行业每周创造大约1,000个新就业岗位。此外，针对住宅用户的税收减免和其他财政激励措施使其成为当前和现在都能负担得起的解决方案，并且从长远来看，可以作为降低持续能源使用成本的一种手段。目前的税收优惠政策在2017年至2034年间提供高达30% 的安装成本回收，并为安装房主（甚至可能是安装太阳能的租户）提供展期信贷，以便他们能够充分利用财务价值。
那些在家中安装太阳能电池板的人还可以利用银行业务、净计量和能源回售。通过增加家庭电池技术，住宅用户现在可以存储通过家庭系统捕获的剩余能源。各州还规定用户可以将产生的剩余能源卖回给电力公司，以额外抵消电费。持续的技术改进和政府计划使太阳能成为商业和住宅领域真正有价值的选择。
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