太陽能（英語：Solar energy），是指來自太陽輻射出的光和熱被不斷發展的一系列技術所利用的一種能量，如，太陽熱能集熱器，太陽能光電發電，太陽熱能發電，和人工光合作用。[1][2]
自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬乾物件，並作為保存食物的方法，如製鹽和曬鹹魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進一步發展。人類利用太陽能有三個途徑，分別是：光熱轉換、光電轉換和光化學轉換。
太陽能利用技術分為有源（主動式）及無源（被動式）兩種。有源的例子有太陽能光電及光熱轉換，使用電力機械設備作太陽能收集，而這些設備是依靠外部能源運作的，因此稱為有源。無源的例子有在建築物引入太陽光作照明等，當中是利用建築物的設計、選擇所使用物料等達至利用太陽能的目的，由於當中的運作無需由外部提供能源，因此稱為無源。
潛力
地球在上層大氣層接收到174 拍瓦（PW）的入射太陽輻射（日射量）。[4]大約30%的輻射被反射回太空，剩餘的122 PW被雲層、海洋和陸地吸收。太陽光在地球表面的光譜主要分布在可見光和近紅外範圍，少部分在近紫外範圍。[5]世界大部分人口居住在每平方公尺日射量為150–300瓦特/平方公尺或每天3.5–7.0千瓦時/平方公尺的地區。[6]
太陽輻射被地球的陸地表面、覆蓋了約71%的海洋以及大氣層吸收。含有海洋蒸發水的溫暖空氣上升，引起大氣環流或對流。當空氣達到高海拔，溫度較低的地方時，水蒸氣凝結成雲，降雨到地球表面，完成水循環。水凝結的潛熱放大了對流，產生風、氣旋和反氣旋等大氣現象。[7]被海洋和陸地吸收的陽光使地表保持平均溫度為14 °C。[8]通過光合作用，綠色植物將太陽能轉化為化學儲能，從而產生食物、木材和生物質，從而衍生出化石燃料。[9]
地球大氣層、海洋和陸地吸收的總太陽能能量約為122 PW·年 = 3,850,000 億艾可焦耳（EJ）每年。[10]在2002年（2019年），這個能量在一個小時（一個小時零25分鐘）內就比全球一年的能量使用量還要多。[11][12] 光合作用每年在生物質中捕獲約3,000 EJ的能量。[13]
| Yearly solar fluxes & human consumption[翻譯請求]1 | ||
|---|---|---|
| 太陽能 | 3,850,000 | [10] |
| 風能 | 2,250 | [14] |
| 生物質潛力 | ~200 | [15] |
| 一次能源使用量2 | 633 | [16] |
| 電力2 | ~86 | [17] |
| 1 Energy given in Exajoule (EJ) = 1018 J = 278 TWh 2 Consumption as of year 2019 | ||
人類可以利用的潛在太陽能與行星表面附近存在的太陽能數量不同，因為地理、時間變化、雲層覆蓋和人類可用的土地等因素限制了我們能夠獲取的太陽能量。在2021年，碳追蹤倡議估計，僅從太陽能發電需要的土地面積為45萬km2，約等於瑞典的面積，或者摩洛哥的面積，或者加利福尼亞州的面積（占地球總陸地面積的0.3%）。[18]
太陽能技術根據其捕獲、轉換和分配陽光的方式，以及在世界各地不同的能量利用水平上是否能夠獲取太陽能而被劃分為被動或主動。這主要取決於距離赤道的距離。儘管太陽能主要指的是利用太陽輻射實現實際目標，除了地熱能和潮汐能外，所有可再生能源都直接或間接地從太陽獲得能量。
主動太陽能技術使用光電、聚光太陽能發電、太陽熱收集器、泵和風扇將陽光轉化為有用的產出。被動太陽能技術包括選擇具有有利熱性能的材料，設計自然對流空氣的空間，並將建築物的位置與太陽相對應。主動太陽能技術增加了能源供應，被視為供給側技術，而被動太陽能技術減少了對替代資源的需求，通常被視為需求側技術。[19]
在2000年，聯合國開發計劃署、聯合國經濟和社會事務部以及世界能源理事會發布了一個每年可供人類使用的潛在太陽能量估計，該估計考慮了諸如日照、雲層覆蓋和人類可用土地等因素。該估計發現，太陽能的全球潛力為每年1,600至49,800艾焦耳（4.4×1014至1.4×1016千瓦·小時） （見下表）。[20][21]
| 地區 | 北美 | 拉丁美洲和加勒比海地區 | 西歐 | 中東歐 | 前蘇聯地區 | 中東和北非 | 撒哈拉以南非洲 | 亞太地區 | 南亞 | 中央規劃亞洲 | 太平洋經合組織地區 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Minimum | 181.1 | 112.6 | 25.1 | 4.5 | 199.3 | 412.4 | 371.9 | 41.0 | 38.8 | 115.5 | 72.6 |
| Maximum | 7,410 | 3,385 | 914 | 154 | 8,655 | 11,060 | 9,528 | 994 | 1,339 | 4,135 | 2,263 |
| 注意： | |||||||||||
來自太陽的能量
| 每年太陽能通量與人類能源消費 | |
|---|---|
| 太陽能 | 3,850,000 EJ[10] |
| 風能 | 2,250 EJ[22] |
| 生物質能潛力 | 100–300 EJ[23] |
| 主要能源消費（2010年） | 539 EJ[24] |
| 電力（2010年） | 66.5 EJ[25] |
地球在上層大氣傳入的太陽輻射（日照）接收了174 petawatts(PW)。大約有30%的太陽能被反射回太空，而其餘的太陽能則被雲層、海洋和陸地吸收。在地球表面的太陽能光譜大多分布在一小部分近紫外線，全部可見光，和近紅外線的光譜範圍。[26]
地球的大氣，海洋和陸地吸收的太陽能每年大約是3,850,000 EJ。在2002年，一小時內的太陽能比全世界在一年內使用的能量還要更多。光合作用獲得的生物質能每年約3000 EJ。技術上的生物質能潛力有100–300 EJ/每年。[23] 。太陽的能量到達這個地球表面的數量是如此巨大，以至於在一年中的太陽能是自從人類取得和開採的所有在地球上不可再生資源的煤、石油、天然氣、和鈾都相結合的總能源的兩倍。[27]
在世界各地，主要根據緯度的不同來利用太陽能。[28]
太陽能技術的應用
太陽能是指主要用於實際目的利用太陽光輻射。然而，除了地熱能和潮汐能以外，所有其他的可再生能源都是來源自太陽的能量[29]。
太陽能技術被廣泛定性為被動的或主動的方式來捕獲，轉換和分配太陽光。主動式太陽能技術，利用太陽能光電板，泵，風機將陽光轉換為有用的輸出。被動式太陽能技術，包括選擇材料具有良好的熱性能，設計，自然空氣流通的空間，並按照太陽來安排的建築物的位置。主動式太陽能技術，增加能源供應，被認為是供應端的技術；而被動式太陽能技術，減少替代資源的需要，通常被認為是需求端的技術。[19]
利用太陽能的方法主要有：
- 使用太陽能電池，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能
- 利用便宜的鏡子將陽光反射至昂貴高效能太陽能電池（但需要注意散熱），可以減低發電成本
- 使用太陽能熱水器，利用太陽光的熱量把水加熱
- 利用太陽光的熱量加熱水，並利用熱水發電
- 利用太陽的熱能來進行吸附式製冷
- 透過機械及硬體設備來收集及傳送太陽能的熱量，以供應暖氣設備。可分為主動式太陽能加熱系統及被動式太陽能加熱系統[30]
- 利用太陽能的熱量來驅動斯特林發動機
- 利用太陽能加熱鹽類，再用鹽類儲存的熱量發電（在夜間仍會繼續發電）
- 將吸收太陽能熱量的系統整合於太陽能電池上，降低成本。
- 集中太陽能於定點製造龍捲風，利用龍捲風來做高效能的風力發電
- 利用太陽能作為熱源進行海水淡化
- 能源作物也是一種太陽能
- 太空太陽能轉換電能儲存，輸送到地面電能接收站，訊號接收站
- 根據環境與環境太陽日照的長短強弱，可移動式和固定式太陽能利用網
- 太陽能運輸（汽車、船、飛機...等）、太陽能公共設施（路燈、紅綠燈、招牌...等）、建築整合太陽能（房屋、廠房、電廠、水廠...等）
- 太陽能裝置，例如：太陽能計算機、太陽能背包、太陽能檯燈、太陽能手電筒...等各式太陽能應用與裝置
直到近期，太陽能還只能小規模使用，利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題。但是太陽電池在為人造衛星提供能源方面得到了很好的應用，而且在一些情況下，太陽能發電已經有經濟競爭力；現在太陽能的成本已經在許多市場達到電網平價。
目前，全球最大的屋頂太陽能面板系統位於德國南部比爾施塔特，面積為四萬平方公尺，每年的發電量為0.5萬千瓦時。
日本為了達成京都議定書的二氧化碳減量要求，全日本都普設太陽能光電板，位於日本中部的長野縣飯田市，居民在屋頂設置太陽能光電板的比率甚至達2%，堪稱日本第一。
建築和都市計畫
陽光影響了建築設計建築史的開始。[32]先進的太陽建築和都市計畫的方法，是最早被希臘人和中國人所採用，他們的建築面向南方給人們提供光明和溫暖。[33]
農業和園藝業
農業和園藝業，為了優化植物生產力而致力於優化太陽能的捕獲。採用的技術，如定時種植周期，量身定製的行方向，交錯行和混合的植物品種之間的高度可以提高農作物的產量。[34][35]雖然陽光被普遍認為是一個豐富的資源，例外情況突出顯示太陽能能源以農業的重要性。
溫室大棚將太陽光轉換為熱能，實現不是天生就適合當地氣候的（在封閉的環境中）特種作物其他植物的生長和全年的生產。
太陽能泵也可以用在農業和園藝業的灌溉上。
交通運輸
自1980年代以來，一個太陽能汽車的發展一直是工程目標。世界太陽能車挑戰賽是每半年以太陽能為動力的汽車比賽中，來自高校和企業的團隊競爭橫跨澳洲中部的3,021 km（1,877 mi）,從達爾文市到阿德萊德市的比賽路程。在1987年，成立時，獲獎者的平均車速為67公里每小時（42英里每小時），並在2007年獲獎者的平均時速已提高到90.87公里每小時（56.46英里每小時）。[36]北美太陽能車挑戰賽和計劃中的南非太陽能車挑戰賽是相媲美的比賽，反映出在太陽能車的設計和開發的國際關注。[37][38]
有些汽車使用太陽能電池板為輔助電源，例如用於空調，保持汽車內涼爽，從而減少燃油消耗。[39][40]
1975年，第一艘實用的太陽能船被建造於英國。[41] 到1995年，客輪整合光電電池板開始出現，並且現在廣泛使用。[42]在1996年，堀江謙一作出第一次利用太陽能動力的太陽能船穿越太平洋，和在
在1974年，無人駕駛AstroFlight SunRise飛機作第一次太陽能飛行。在1979年4月29日，Solar Riser作出太陽能動力的，完全控制的，載人的飛行器的第一次飛行，高度達到40英尺（12公尺）。
光熱轉換
現代的太陽能科技可以將陽光聚合，並運用其能量產生熱水、蒸汽和電力。集熱式太陽能（Solar Thermal）。原理是將鏡子反射的太陽光，聚焦在一條叫接收器的玻璃管上，而該中空的玻璃管可以讓油流過。從鏡子反映的太陽光會令管子內的油升溫，產生蒸氣，再由蒸氣推動渦輪機發電。[45]除了運用適當的科技來收集太陽能外，建築物亦可利用太陽的光和熱能，方法是在設計時加入合適的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建築材料。在適當地點，太陽能的長期使用成本已經接近甚至低於傳統的化石燃料。
太陽能熱水器
太陽能熱水系統利用太陽光來加熱水。在較低的地理緯度（低於40度）從60％到70％的生活熱水可以使用太陽能加熱系統提供溫度高達60°C的熱水[46]。最常見的類型的太陽能熱水器真空管集熱器（44％）和玻璃平板集熱器（34％），一般用於生活熱水；還有無釉的塑料收集器（21％），主要用於加熱游泳池[47]。
截至2007年，太陽能熱水系統的總裝機容量約為154吉瓦（GW）。中國是世界的領先者，在截至2006年他們已經安裝了70吉瓦（GW），並且部署了在2020年安裝210吉瓦（GW）的長遠目標[48]。以色列和賽普勒斯是在人均使用量上面的領先者，超過90％的家庭使用太陽能熱水系統[49]。在美國，加拿大和澳大利亞占主導地位的應用是加熱游泳池，在2005年太陽能熱水應用的裝機容量為18吉瓦（GW）[19]。
加熱，冷卻和通風
在美國，暖通空調（英語：Heating, Ventilation and Air Conditioning，簡稱:HVAC）系統占用商業樓宇使用的能量30％（4.65 EJ），和在住宅建築近使用的能源的50％（10.1 EJ）。[50]太陽能加熱，冷卻和通風技術可用於抵銷了這些能量的一部分。
水處理
太陽能可用於蒸餾處理鹽水或半鹹水使其可成飲用水。這種應用的首次記錄是在16世紀的阿拉伯鍊金術士[51]。首先構建一個大型的太陽能蒸餾項目於1872年在智利的礦業城市拉斯維加斯薩利納斯（Las Salinas）[52]。該工廠有4700平方公尺的太陽能集熱面積，每天可產生高達22,700升淡水，並經營了40年[52]。
烹飪
太陽灶利用太陽光蒸煮，乾燥和殺菌消毒。它們可分為三大類：箱灶具，面板灶具和反射灶具。[53]最簡單的太陽灶是箱灶具，首先由奧拉斯-貝內迪克特·德索敘爾在1767年建造。[54]一個基本的箱灶具包括一個用透明蓋子的隔熱容器。它可以有效地在局部陰天使用，通常溫度將可達90-150 °C.[55]
熱處理
太陽能聚光技術，如拋物面碟形，槽形及Scheffler反射器可為商業和工業應用提供工業用熱。
蒸發池是通過蒸發作用濃縮溶解固體的淺水池。使用蒸發池的從海水中獲得的鹽是太陽能最古老的應用之一。現代應用包括濃縮浸礦用滷水的解決方案和從廢物流中除去溶解固體。[56]
通過蒸發作用由風和陽光的晾衣繩，晾衣架晾衣服不消耗電力或煤氣。在美國的一些州，有立法保護衣服的「晾乾的權利」。[57]
光電轉換
光電轉換又稱太陽能光電。太陽能板是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置，幾乎以半導體物料（例如矽）製成的薄身固體太陽能電池組合。由於沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導致任何損耗（薄膜太陽能電池會有光衰退的現象）。簡單的光電電池可為手錶及計算機提供能源，較大的光電系統可為房屋照明，並為電網供電。
太陽能板可以製成不同形狀，而又可並聯、串聯，以產生更多電力。近年，天台及建築物表面開始使用光電組件，被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光電設施通常被稱為附設於建築物的光電系統。
聚光太陽能熱發電
聚光太陽能發電（CSP）系統使用透鏡或反射鏡和跟蹤系統，把大面積的陽光聚焦到一個小光束。然後將集中的熱量用作常規發電廠的熱源。廣泛存在聚光技術，最發達的技術是拋物槽，集中線性菲涅爾反射鏡，斯特林盤和太陽能發電塔。跟蹤太陽和光線聚焦用了各種技術。在所有這些系統中，工作流體被聚光的太陽光加熱，然後將其用於發電或能量存儲。[58]
| 全球光熱發電 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 裝置量(MW)[59] | 412 | 479 | 537 | 782 | 1,256 | 1,721 | 2,584 | 3,804 | 4,380 | 4,650 |
| 發電量(GWh)[60] | 551 | 685 | 898 | 924 | 1,646 | 2,862 | 4,766 | 5,460 |
太陽能光電
太陽化學
太陽能的化學過程利用太陽能來驅動化學反應。
優點 在光照充足的地區（例如：太空向陽區、海洋、海岸、空曠岩地、平面地區...），太陽能的供應源源不絕，且不會產生溫室氣體導致地球溫室效應加劇。
太陽能電池組件可以安裝在建築物上，稱為光電一體化建築，如此太陽能電池板不僅可以在有陽光的時候產生電力，還能達到隔熱的作用，可以有效降低建築物內部的溫度，降低建築能耗；而且分散式發電的大規模停電風險較低。此外，將太陽能電池安裝於家家戶戶，可以提供大量的在地工作機會，節省社福及社會成本。
一些有著高輻射又乾旱到無法種出農作物的沙漠國家，還可以把剩下的太陽能賣給電力公司，達到賺錢的效果（不過對於其他國家，太陽能的使用是不能影響到農業及生態）。
太陽能發電（德語：Solarstrom，英語：Solar power）把陽光轉換成電能，可直接使用太陽能光伏（PV），或間接使用聚光太陽能熱發電（CSP）。聚光太陽能熱發電系統會使用透鏡或反射鏡和跟蹤系統將大面積的陽光聚焦成一個小束，並利用光電效應將光伏光轉換成電流。[2]
第一次商業集中開發太陽能發電廠發生在20世紀80年代。位於美國加利福尼亞州莫哈韋沙漠的太陽能發電廠安裝在世界上最大的聚光太陽能熱發電，354百萬瓦的太陽能發電系統。
在2014年，太陽能已經在主要市場達到電網平價，截至2021年，太陽能產生的電力佔世界電力4%，而2015年簽署遏阻氣候變化的《巴黎協定》時這一比例為1%。[3] 除了陸上風能，最便宜的均化能源成本是公用事業規模太陽能。[4]
應用
太陽能發電是把陽光轉換成電能。陽光可以直接轉換成電力使用太陽能光伏，或間接使用聚光太陽能熱發電，它通常集中太陽的能量來燒開水，然後用來提供電源。其他技術也存在，如斯特林發動機使用斯特林循環發動機供電。[5]太陽光發電最初仍然是用於小型和中型應用，由光伏電池(太陽能電池) 供電，把太陽能收集和轉換成電能。[6]
聚光太陽能發電
聚光太陽能發電系統是使用透鏡或反射鏡，加上跟蹤系統，利用光學原理將大面積的陽光聚焦到一個相對細小的集光區中。然後將濃縮的熱用作常規電站的熱源。[7]在所有這些系統中的工作流體被聚光的太陽光加熱，然後將其用於發電或能量存儲。儲熱有效地允許最多24小時的發電。[8]
| 全球光熱發電 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 裝置量(MW)[9] | 412 | 479 | 535 | 765 | 1,269 | 1,710 | 2,573 | 3,841 | 4,498 | 4,749 | 4,851 | 4,951 |
| 發電量(GWh)[10] | 551 | 685 | 898 | 924 | 1,646 | 2,862 | 4,765 | 5,867 | 8,428 | 9,418 |
光伏技術
太陽能電池或光伏電池是一個設備，使用的光電效應將光轉換成電流。在光電效應中，單個光子的能量僅能夠被單個電子吸收，因此，在光照條件一定的情況下，太陽能電池可以看作是一個恆流源。
太陽能光伏發電系統
太陽能電池產生的直流電電源與太陽光的強度的波動。對於實際應用，這通常需要轉換到目標所需的電壓或交流電流，通過使用逆變器。多個太陽能電池模塊的內部連接。模塊被連接在一起，以形成陣列，然後連接到一個逆變器，在所需的電壓，產生的功率，在交流電流時所需的頻率/相位。
太陽能電池（solar cell）亦稱太陽能晶片，近義詞光電池（photovoltaic cell）或稱光伏電池、光生伏打電池[1]），是一種將太陽光通過光生伏打效應轉成電能的裝置。太陽能電池按定義並非電池，因其並不儲能，這是翻譯名詞，原意為太陽能單元，屬於一種光電元件。
在常見的半導體太陽能電池中，透過適當的能階設計，便可有效的吸收太陽所發出的光，並產生電壓與電流。這種現象又被稱為太陽能光電。
太陽能發電是一種可再生的環保發電方式，其發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體，因此不會對環境造成污染；但太陽能電池板的生產過程會產生大量有毒廢水，需另行處置。另外棄置的太陽能電池也是問題，若沒有妥善的回收機制，會對環境造成污染。
按照製作材料分為矽基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中矽電池又分為單晶矽電池、多晶矽電池和無定形體矽薄膜電池等。對於太陽能電池來說最重要的參數是轉換效率，目前在實驗室所研發的矽基太陽能電池中（並非矽空氣電池），單晶矽電池效率為25.0%，多晶矽電池效率為20.4%，CIGS薄膜電池效率達19.8%，CdTe薄膜電池效率達19.6%，非晶矽（無定形矽）薄膜電池的效率為10.1%。[2]
歷史
術語「光生伏打」（Photovoltaics）一詞，係photo-（希臘語，意為光）與volta（意為電氣，紀念義大利物理學家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta））的結合，意指由光產生電的現象，最早的紀錄可溯至十九世紀。
- 1839年，光生伏打效應第一次由法國物理學家亞歷山大·埃德蒙·貝克勒發現。
- 1849年術語「光－伏」（photo-voltaic）出現在英語中，意指由光產生電動勢。
- 1883年Charles Fritts製造了第一塊太陽電池。Charles用硒半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結，該元件只有1%的效率。
- 1930年代，照相機的曝光計廣泛地使用光生伏打原理。
- 1946年Russell Ohl申請了現代太陽電池的專利。
- 1950年代，隨著半導體物理性質的逐漸瞭解，以及加工技術的進步，在1954年美國貝爾實驗室的研究員發現，於矽中摻入一定量的雜質，會使其對光更加敏感，並製作出了第一個有實際應用價值的太陽能電池。
- 1960年代，美國發射的人造衛星已利用太陽能電池做為能量來源。
- 1970年代，由於能源危機，世界各國開始關注能源開發的重要性。1973年發生了石油危機，人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。
目前，在美國、日本和以色列等國家，已經大量使用太陽能裝置，更朝商業化的目標前進。
在這些國家中，美國於1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發電量可以高達16百萬瓦特。南非、波札那、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案，鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。
而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法，推廣每戶3千瓦特的「市電併聯型太陽光電能系統」。在第一年，政府補助49％的經費，以後的補助逐年遞減。「市電併聯型太陽光電能系統」是在日照充足的時候，由太陽能電池提供電能給自家的負載用，若有多餘的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候，所需要的電力再由電力公司提供。
到了1996年，日本有2,600戶裝置太陽能發電系統，裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年後，已經有9,400戶裝置，裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。近年來由於環保意識的高漲和政府補助金的制度，預估日本住家用太陽能電池的需求量，也會急速增加。
在中國，太陽能發電產業亦得到政府的大力鼓勵和資助。2009年3月，中華人民共和國財政部財政部宣布擬對太陽能光電建築等大型太陽能工程進行補貼。
構造與發電原理
太陽電池的基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的，這種結構稱為一個PN接面。
當太陽光照射到一般的半導體（例如矽）時，會產生電子與電洞對，但它們很快的便會結合，並且將能量轉換成光子或聲子（熱），光子和能量相關，聲子則和動量相關。因此電子與電洞的生命期甚短；在P型中，由於具有較高的電洞密度，光產生的電洞具有較長的生命期，同理，在N型半導體中，電子有較長的生命期。
在P-N半導體接合處，由於有效載子濃度不同而造成的擴散，將會產生一個由N指向P的內建電場，因此當光子被接合處的半導體吸收時，所產生的電子將會受電場作用而移動至N型半導體處，電洞則移動至P型半導體處，因此便能在兩側累積電荷，若以導線連接，則可產生電流，而太陽能電池的挑戰就在於如何將產生的電子電洞對在複合之前將其蒐集起來。
從太陽來的光線，能量大部份落於1 – 3 eV之間，因此就單一個PN接面而言，若經適當地設計，使吸收光能的高峰落於約1.5 eV，則能有最好的效率。[3]
由於太陽電池產生的電是直流電，若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝變流器，才能加以利用。
太陽能電池的充電發展
太陽能電池應用在消費性商品上，大多有充電的問題，過去一般的充電對象採用鎳氫或鎳鎘乾電池，但是鎳氫乾電池無法抗高溫，鎳鎘乾電池有環境污染的問題。近年來超級電容發展快速，電容超大，面積較小，加上價格低廉，因此有部份太陽能產品開始改採超級電容為充電對象，因而改善了太陽能充電的許多問題：
- 充電較快速
- 壽命增長5倍以上
- 充電溫度範圍較廣
- 減少太陽能電池用量（可低壓充電）
太陽能電池材料種類
太陽能電池的材料種類繁多，可以有非晶矽、多晶矽、CdTe、CuInxGa（1-x）Se2等半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料等。
.jpg)
其設計上主要透過不同的製程和方法，測試對光的反應和吸收，做到能隙結合寬廣，讓短波長或長波長都可以全盤吸收的革命性突破，來降低材料的成本。
太陽電池型式上可分作基板式與薄膜式，基板式在材料上又可分單晶式、或相溶後冷卻而成的多晶式基板；薄膜式則可和建築物有較佳的結合性，它具有曲度，有可撓、可折疊等特性，材料上較常用非晶矽。除前二者外，另有有機或奈米材料製作之太陽能電池，目前仍處研發階段。
就太陽能電池的發展時間而言，可區分為四個世代：
- 第一代基板矽晶（Silicon Based）、第二代為薄膜（Thin Film）、第三代新觀念研發（New Concept）、第四代複合薄膜材料。
- 第一代太陽能電池發展最長久，技術也最成熟。種類可分為單晶矽（Monocrystalline Silicon）、多晶矽（Polycrystalline Silicon）、非晶矽（Amorphous Silicon）。以應用來說是以前兩者單晶矽與多晶矽為大宗，也因應不同設計的需求需要用到不同材料（例：對光波長的吸收、成本、面積......等等）。
- 第二代薄膜太陽能電池，將化合物半導體以薄膜製程來製造電池，種類可分為二元化合物（碲化鎘CdTe、砷化鎵）、三元化合物銅銦硒化物（Copper Indium Selenide CIS）、四元化合物銅銦鎵硒化物（Copper Indium Gallium Selenide CIGS）。
- 第三代電池與前代電池最大的不同是製程中導入「有機物」和「奈米科技」。種類有光化學太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高分子太陽能電池、奈米結晶太陽能電池。
- 第四代則針對電池吸收光的薄膜做出多層結構。
某種電池製造技術，並非僅能製造一種類型的電池，例如在多晶矽製程，既可製造出矽晶版類型，也可以製造薄膜類型。
影響電池壽命的因素
電勢誘導衰減（Potential Induced Degradation）簡稱PID效應，雖然目前太陽能光電組件的效率在逐年提高，使用壽命也長達20－25年，發電量得到了保證，用戶的預期收益也非常清晰。 但是，太陽能光電組件的工作環境非常惡劣，不管是大型地面電站，還是農光互補、漁光互補等使用場景，在使用過程中會讓效率降低，從而影響到發電量。其中，PID效應就是組件的「效率殺手」。
形成原因在於，太陽能光電組件在使用過程中，在水汽和高溫交替作用下，很難保持長時間密封。會導致組件內部大量電荷聚集在電池片表面，影響鈍化效果，最終造成組件效率下降，發電量甚至會下降一半以上。 從2005年被發現至今，PID效應一直都是太陽能光電企業和科研機構的「心頭大患」。雖然其發生原因並不是非常明確，但普遍認為在濕度加大，鹽度較大的沿海地區，PID效應較為容易發生。
據了解，在對太陽能光電電站長期觀察的過程中發現，在組件表面殘留晨露或雨水並且有光照的情況下，很容易發生PID現象。嚴重的PID現象嚴重時，會引起一塊組件功率衰減50%以上，從而影響整個組串的功率輸出。所以各類太陽能光電企業都高度重視PID效應。
解決方法
造成PID現象的因素有很多，以下是從組件方面來分析發生PID現象的原因。主要有以下三個方面：
1、系統設計
太陽能光電電站的防雷接地是通過將方陣邊緣的組件邊框接地實現的，這就造成在單個組件和邊框之間形成偏壓，組件所處偏壓越高則發生PID現象越嚴重。對於P型晶矽組件，通過有變壓器的變流器負極接地，消除組件邊框相對於電池片的順向偏壓會有效的預防PID現象的發生，但太陽能光電變流器負極接地會增加相應的系統建設成本；
2、太陽能光電組件
高溫、高濕的外界環境使得電池片和接地邊框之間形成漏電流，封裝材料、背板、玻璃和邊框之間形成了漏電流通道。通過使用改變絕緣膠膜乙烯醋酸乙烯酯（EVA）是實現組件抗PID的方式之一，在使用不同EVA封裝膠膜條件下，組件的抗PID性能會存在差異。另外，太陽能光電組件中的玻璃主要為鈣鈉玻璃，玻璃對太陽能光電組件的PID現象的影響至今尚不明確；
3、電池片
電池片方塊電阻的均勻性、減反射層的厚度和折射率等對PID性能都有著不同的影響。
PID效應對組件功率輸出並不是毀滅性的，在特定條件下是可以恢復的。但改善PID現象並降低其對組件功率的影響，可提高太陽能光電電站系統的可靠性，是僅僅從組件層面上解決問題是不完善的。
可採用串聯組件的負極接地或是在晚間對組件和大地之間施加正電壓；進一步提高EVA膠膜的壽命和品質，優化封裝工藝；改變電池片發射極和SiN減反層。
晶體矽（包括單晶矽及多晶矽）太陽電池工業生產流程
- 矽料提純：將高純的二氧化矽經過還原劑碳還原後，生成純度為98%以上的冶金級矽，再經西門子法提純為純度大於99.99998%的太陽能級矽（純度要求低於半導體級矽）。
- 拉晶或鑄錠：將提純得到的高純矽料，經過柴氏法提拉結晶成為單晶矽棒，或者通過石英坩堝鑄錠為多晶矽錠。
- 修角：該製程只適用於單晶，目的是將圓柱形的單晶矽棒磨為近長方體形，使切出的矽片接近方形。
- 切片：用多線鋸（金剛石線）將單晶矽棒或多晶矽錠切為200-300μm厚的薄片，目前工業上已大規模使用160-180μm左右的矽片進行生產。
- 清洗制絨：首先用鹼液（一般為80攝氏度以上的NaOH溶液）腐蝕機械加工中造成矽片的損傷，然後分別用鹼液（單晶矽片）或酸液（多晶矽片）製備出用於減反射的絨面，最後用甩干機甩干。
- 擴散制結：目前工業上用的矽片主要為p型片，因此需要通過擴散磷（P）來形成PN接面，擴散一般通過擴散爐進行，製程溫度高於900攝氏度，但目前已經在開發低溫的擴散製程。如果是使用n型片製備太陽電池，則需要擴散硼（B）。
- 二次清洗：因為在擴散製程中會形成非活性的磷矽玻璃，因此需要通過氫氟酸（HF）腐蝕掉。
- 製備減反射膜：工業中採用電漿體增強化學氣相沉積（PECVD），製備氮化矽SiNx減反射膜。
- 印刷電極：通過絲網印刷製備前後電極，前電極一般用銀漿，後電極用銀鋁漿，而背面場則用鋁漿印刷而成。具有相當快速且低成本的優點，也是有多項專利在市場上
- 燒結：通過燒結爐的高溫燒結，使前電極燒穿前表面的氮化矽減反射膜，n型層形成良好的歐姆接觸，而背面的鋁擴散入矽中，在背表面形成p+的重摻區，從而形成背表面場。
新型太陽電池
目前市場上大量產的單晶與多晶矽的太陽電池平均效率約在15%上下，也就是說，這樣的太陽電池只能將入射太陽光能轉換成15%可用電能，其餘的85%都轉換成了無法利用的熱能。超高效率的太陽電池（第三代太陽電池[4]）的技術發展，除了運用新穎的元件結構設計，來嘗試突破其物理限制外，也嘗試新材料的引進，以達成大幅增加轉換效率的目的。另外，也有許多後續的封裝技術和光學技術，例如聚光型太陽能電池，透過光學的方式將太陽光聚集於太陽能面板上，而此類型的太陽能電池必須能承受高溫環境。
薄膜太陽電池
在薄膜電池技術中，近年建築物集成太陽能電池技術（Building Integrated Photo Voltaic，BIPV）特別引人注目。此技術把薄膜電池應用到建築物的圍護結構如屋頂、天窗、外觀、門窗等部分的建築材料之中；對於使用帷幕牆特別是玻璃幕牆的建築物，BIPV更可結合在帷幕牆的材料之中。故其相對於非集成系統的優點，在於初投資可被因節省建材和勞工而抵消。被認為是太陽能電池工業中增長最大的技術之一。薄膜太陽能電池的好處在於可撓與低成本，透過沉積的方式即可完成，大面積，但轉換效率不高，且有光衰退（因長期的光照使得材料功能性下降，又稱作光裂解，原因是在薄膜沉積製程中有氫鍵，這些鍵會在照光時斷鍵而形成缺陷）現象，非晶矽太陽能電池具有非常寬的頻譜吸收，也可以做成可撓式的薄膜電池，對於綠色建築等只需要將電池服貼於窗戶甚至是建築的表面，這一新技術對綠色建築領域的發展具有開拓性的幫助。
目前調查顯示，CIGS可彎曲模塊是BIPV封裝工業增長的最大推動力，相對而言CIGS有光優化的現象（照光後效率提升）。[5]
銅銦硒太陽電池
銅銦硒（CuInSe2, CIS）薄膜太陽能電池具有以下特點：
- 銅銦硒薄膜的能隙為1.04 eV，通入適量的鎵取代銦可在1.04~1.67 eV之間連續調整能帶寬度。
- 銅銦硒是一種直接能隙材料，其可見光的吸收係數高達105 cm-1數量級，相較於矽基系列（mono-Si, a-Si），更多了約100倍以上的吸收，非常適合做為薄膜太陽能電池的吸收層。
- 技術成熟後，製造成本和回收時間將遠低於晶體矽太陽能電池。
- 抗輻射能力強。
- 高光電轉換效率，目前銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的最高轉換效率已達20.3%，是所有薄膜太陽能電池中的最高紀錄。
- 電池穩定性佳，效率穩定幾乎不衰減。
- 弱光特性好。因此銅銦硒薄膜太陽能電池可望成為新一代太陽能電池的主流產品之一。
染料敏化太陽電池
染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell，DSSC）是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSSC也被稱為格雷策爾電池，因為是在1991年由格雷策爾等人發明[6]的構造和一般太陽能光電特電池不同，其基板通常是玻璃，也可以是透明且可彎曲的聚合箔（polymer foil，金屬薄膜），玻璃上有一層透明導電的氧化物（transparent conducting oxide，TCO）通常是使用FTO（SnO2:F），於上長有一層約10微米厚的porous奈米尺寸的TiO2粒子（約10～20 nm）形成一nano-porous薄膜。然後塗上一層染料附著於TiO2的粒子上。通常染料是採用釕多吡啶配合物（ruthenium polypyridyl complex）。上層的電極除了也是使用透明導電層和TCO外，也鍍上一層鉑當電解質反應的催化劑，二層電極間，則注入填滿含有iodide/triiodide電解質。雖然目前DSSC電池的最高轉換效率約在12%左右，但是製造過程簡單，所以一般認為降低生產成本會更多，能用更低的成本提供同樣的發電量。TCO是透明導電層，也可以減少光在穿透時被吸收的能量。
串疊型電池
串疊型電池（Tandem Cell）屬於一種運用新穎原件結構的電池，藉由設計多層不同能隙的太陽能電池來達到吸收效率最佳化的結構設計，針對紅光和藍光區域的光譜會分別由兩個電池來吸收。以增加QE的轉換效率。目前由理論計算可知，如果在結構中放入越多層數的電池，將可把電池效率逐步提升，甚至可達到50%的轉換效率，但串疊型電池的技術困難處在於它必須要做到電流匹配（current match），因為上下兩層電池產生的電流串聯時，會以電流於較小的那一顆電池為主，就如同水管大小串接在一起，水量會被出口面積較小的水管給侷限住。[7] 此種高聚光太陽光發電（High Concentration Photovoltaic, HCPV）技術由於具有發電效率高、溫度係數低及最有降低發電成本的潛力等優勢，近年來逐漸受到國際的重視。例如在台灣，核能研究所利用MOCVD磊晶生長的方法進行堆疊式單體型InGaP/GaAs/Ge三接面太陽電池磊晶片的開發與太陽電池元件製程，所完成的太陽電池在128個太陽條件下，最佳能量轉換效率為39.07 %。依據聚光型太陽光發電協會（CPV Consortium）資料顯示，聚光型太陽光發電的全球市場將以145%年複合成長率向上增長，預估至2015年之安裝量將達1.8 GW。[8]
鈣鈦礦電池
稱作第三代太陽能電池「鈣鈦礦」，已逐漸走出實驗室邁入商業階段，最大面積「A4大小」的鈣鈦礦太陽能電池，將現有太陽能板應用擴大到建築、農電共生，就連室內也可以發電。能源轉換效率已突破25％
鈣鈦礦電池分為3種
表面透出淡淡的橘色的鈣鈦礦太陽能電池，可分為穿透型、半透型與不透型太陽能電池，差別在於太陽光線穿透太陽能板的程度與應用。
穿透型：應用在建築的玻璃帷幕牆，保有室內光線，發電為輔。
半透型：應用在農電共生，部分太陽應用在發電，部分應用在植物行光合作用。
不透型：應用在發電，完全吸收太陽光來進行發電。
應用實例
應用市場的發展
由於封裝技術、焊接材料與加工方法及晶片上的改良，在1991年太陽能系統的壽命約5到10年。到了1995年則增加到10～20年，而到公元2000年更可延長使用年限到25年以上。1995年，僅美國市場的太陽能電池銷售額為35億美元。由於石油及環保（全球溫室效應）的問題，以及外交上對落後地區的援助，使得在公元2000年後全球的太陽能電池銷售額成數倍的成長。
2005年後，德國等環保先進國家實行了新的建築法規，太陽能板需求量爆發大增，市場嚴重缺貨，造成全球太陽能電池產業蓬勃發展，許多太陽能電池廠的股價迅速攀升，並帶動傳統製造業轉型，投入太陽能相關商品的開發與應用。
2011年的福島第一核電站事故使得各國提高對各種再生能源的補貼，太陽能產業也因此擴大生產，造成供過於求，太陽能電池發電成本提早在2013~2014年達到電網平價（至少不會比傳統發電貴），未來太陽能電池發電的成本將比燃煤發電便宜
太陽能光電模板（photovoltaic module）、太陽能光電板（photovoltaic panel）或太陽能板（solar panel），是將許多太陽能光電電池（PV cell）互連並包裝成一個整體的產物。由多個太陽能光電模版互連組成的太陽能光電陣列稱作太陽能陣（solar array），如此互連的而達到的發電規模可提供商業大樓、住宅使用。
單個太陽能光電板也只能產生一定的電力，最常見的大小是60節，發電量約350至400W。固將許多太陽能光電模組互相連接就成為了太陽能光電陣列。使用太陽能光電發電（太陽光發電）通常使用了一個太陽能光電陣列或數個太陽能光電模組與一個變流器、電池組與互連線路。
理論和製造
光生伏打效應，簡稱為太陽能光電效應，是指受光線或其他電磁輻射照射的半導體或半導體與金屬組合的部位間產生電壓與電流的現象。光生伏打效應與光電效應密切相關，屬內光電效應。在光電效應中，材料吸收了光子的能量產生了一些自由電子溢出表面。而在光生伏打效應中，由於材料內部的不均勻（例如當材料內部形成PN接面時）在自建電場的作用下，受到激發的電子和失去電子的電洞向相反方向移動，而形成了正負兩極。
光生伏打效應最早於1839年由法國物理學家亞歷山大·愛德蒙·貝克勒發現。
效率
太陽能光電模組的發電量與太陽輻射量有直接關係，氣象條件則左右太陽輻射的強度。普遍來說，太陽能光電系統對太陽輻射能量的利用效率僅25%左右[1]，因為太陽電池效率、組件組合耗損、灰塵、線路耗損等，都對其利用效率打折扣。
晶矽模組
大部分太陽能光電模組是由矽太陽能電池製造的。模組分為單晶矽、或多晶矽材料的模組。
薄膜模組
| 可持續能源 |
|---|
 |
| 概述 |
| 節約能源 |
| 可再生能源 |
| 可持續交通系統 |
太空太陽能（Space-based solar power, SBSP）又稱為太陽能發電衛星、軌道發電機，自1970年代早期已在構想中的一種太陽能發電系統，在衛星軌道上的太陽能收集器，將從太陽光收集所得的能量以微波或雷射形式傳送到地球，在地球表面接收後轉化爲電能。其優勢是在太陽與太陽能收集器之間無大氣層阻礙，因此效率較高，並且不受晝夜週期的影響。是一種可再生能源。目前的造價仍非常高，不具經濟效益，技術進一步發展，或能源價格上漲後，有可能提上建造日程。[需要較佳來源] [1]
歷史
1941年，美國科幻小說作家以撒·艾西莫夫的科幻小說推理中描述一太空站將從太陽收集的能量以微波波束傳送至地球。太陽能發電衛星（SBSP），原稱Satellite Solar Power System（SSPS）的概念在1968年首次由Peter Glaser提出，此概念得到美國專利（專利篇號3,781,647）。他提出的方法是以大型天線（大至平方公里級）發射微波，將能量由太空軌道傳送至地球表面一更大的接收天線。
美國國家航空暨太空總署在1974年主導一項關於此的研究，有四家私人公司參與。研究顯示這個概念在實行上有多個困難：在軌道上設置的設施太大，造價昂貴；對如此大型的太空計劃缺乏經驗。
2015年年初， 三菱重工展示了一項實驗，將 10千瓦的太陽能通過微波傳送至 500 公尺以外的地方，證明技術可行；但是需要解決的技術問題仍然有很多，例如接收時，能量損耗大，接收的能量也非常有限。三菱表示需要著手研究從而找出解決方法。另外能量增強後亦帶來安全問題，工作人員也需要穿著特製的保護衣物。
也有論點表明雷射導向的無線能量傳輸，比普通的微波傳輸的能量傳輸量要大。具體方式是由衛星發射雷射，定點於地面接受，以雷射導向成功後，地面接受站以負極，衛星站為正極，雷擊式傳送能量。[2]
戴森球是一種假設的巨型結構，它包圍著一顆恆星並捕捉其大部分太陽能輸出。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]這個概念是一個思想實驗，試圖想像一旦這些需求超出了僅靠母星資源所能產生的能量需求，航太文明將如何滿足其能源需求。由於恆星排放的能量只有一小部分到達任何軌道行星的表面，因此圍繞恆星建造結構將使文明能夠收穫更多的能量。
對這種結構的第一個現代想像是由奧拉夫·斯塔普爾頓（Olaf Stapledon）在他的科幻小說《造星者》（1937）中提出的。後來物理學家弗里曼戴森在 1960 年的論文《尋找人造恆星紅外線輻射源》中探討了這個概念。戴森推測，這種結構將是技術文明不斷升級的能源需求的必然結果，也是其長期生存的必要條件。在天文搜索中檢測到的此類球體的特徵將成為外星智慧生物的標誌。
自從戴森的論文發表以來，許多涉及人造結構或一系列結構來包圍恆星的變體設計已在探索性工程中提出或在科幻小說中描述，通常以“戴森球”為名。虛構的描述經常描述包圍恆星 的固體物質外殼——戴森本人認為這種安排是不可能的。
起源
受到奧拉夫·斯塔普爾頓 (Olaf Stapledon) 1937 年科幻小說《造星者》(Star Maker)的啟發，[ 4 ]物理學家和數學家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson)在他1960年的《科學論文》《尋找人造恆星源》中首次正式提出了後來被稱為「戴森球」的概念。遠紅外線輻射，因此在地球上尋找紅外線輻射源可以識別支持智慧生命的恆星。[ 5 ]
戴森沒有詳細說明如何建構這樣一個系統，只是在論文中將其稱為「外殼」或「生物圈」。他後來澄清說，他心中並沒有一個堅固的結構，他說：「圍繞恆星的堅固殼或環在機械上是不可能的。我設想的『生物圈』的形式由鬆散的集合或一群獨立運行的物體組成。[ 6 ]這樣的概念通常被稱為戴森群（Dyson swarm）；[ 7 ]然而，2013 年，戴森表示，他對這個概念以他的名字命名感到後悔。[ 8 ]
尋找巨型結構
遙遠恆星周圍的戴森式能量收集器會吸收並重新輻射來自恆星的能量。由於恆星內存在非自然存在的重元素，這種再輻射能量的波長對於恆星的光譜類型可能是非典型的。如果這種非典型波長的百分比很大，則可以在星際距離處檢測到外星巨型結構。[ 5 ]這可能顯示存在所謂的第二型卡爾達肖夫文明。[ 9 ]
SETI一直在從太陽類似物中尋找這種紅外線重光譜，費米實驗室也是如此。[ 10 ] [ 11 ]費米實驗室發現了 17 個潛在的「模稜兩可」候選者，其中 4 個在 2006 年被稱為「有趣但仍然值得懷疑」。[ 10 ]後來的搜尋也找到了幾個候選者，但所有這些都尚未得到證實。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
2015 年 10 月 14 日，行星獵人的公民科學家發現KIC 8462852恆星不尋常的光波動，引發媒體猜測可能已經發現了戴森球。[ 15 ] [ 16 ]然而，隨後的分析表明，結果與灰塵的存在一致。[ 17 ] [ 18 ]
另一項活動發現了戴森球七種可能候選人的證據。但還需要進一步調查。[ 19 ]
這些候選人是：[ 20 ]
| 蓋亞 DR3 ID | 距離（ly） | 規模 | RA（國際RS） | 十二月 (ICRS) |
|---|---|---|---|---|
| 3 496 509 309 189 181 184 | 466.1±3.3 | 15.99 | 12小時45分12.94秒 | -26°52'03.28" |
| 4 843 191 593 270 342 656 | 690.2±11.4 | 17.71 | 3小時56分03.81秒 | -40°31'48.52" |
| 4 649 396 037 451 459 712 | 715.6±20.2 | 18.39 | 4小時56分03.05秒 | -74°10'14.16" |
| 2 660 349 163 149 053 824 | 689.8±18.9 | 17.66 | 23小時27分51.29秒 | 5°06'26.14" |
| 3 190 232 820 489 766 656 | 896±19.9 | 17:00 | 4小時02分07.8秒 | -10°54'40.73" |
| 2 956 570 141 274 256 512 | 864.3±8.5 | 16.32 | 5小時13分46.51秒 | -25°11'11.49" |
| 2 644 370 304 260 053 376 | 815.1±12.1 | 16.48 | 23小時35分32.44秒 | -0°04'25" |
可行性和基於科學的推測
儘管戴森球系統在理論上是可能的，但圍繞太陽建造穩定的巨型結構目前遠遠超出了人類的工程能力。獲取、傳輸和維護完整的戴森球所需的飛行器數量超過了當今的工業能力。喬治·德沃斯基（George Dvorsky）主張使用自我複製機器人來在相對近期內克服這一限制。[ 21 ]有些人建議戴森球棲息地可以圍繞白矮星[ 22 ]甚至脈衝星建造。[ 23 ]
恆星發動是假設的巨型結構，其目的是從恆星中提取有用的能量，有時用於特定目的。例如，Matrioshka 大腦被提議提取能量用於計算，而Shkadov 推進器則提取能量用於推進。一些提出的恆星引擎設計是基於戴森球的。[ 24 ] [ 25 ]
從 2024 年 5 月至 6 月，人們越來越多地猜測已經發現了星際戴森球的潛在跡象。這七個感興趣的天體均位於地球 1000 光年範圍內，都是M 矮星——一類比太陽更小、亮度更低的恆星。然而，研究結果的作者很小心，沒有做出任何誇大的主張。[ 26 ]儘管如此，許多媒體還是報導了這個故事。人們也提出了一些較不奇幻的替代解釋，包括認為這些發現只是被塵埃遮蔽的星系。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]
在流行文化中
戴森球概念的前身出現在奧拉夫·斯塔普爾頓(Olaf Stapledon) 1937 年的小說《造星者》(Star Maker)中，[ 1 ]其中他描述了“每個太陽系……都被一層光陷阱所包圍，這些光陷阱將逃逸的太陽能集中起來，持續存在」。智慧使用」；[ 30 ]戴森從這本書中獲得了靈感，並建議「Stapledon sphere」將是這個概念的更合適的名稱。[ 31 ]虛構的戴森球通常是固體結構，在所討論的恆星周圍形成連續的殼，儘管戴森本人認為這種前景在機械上是不可信的。[ 2 ] [ 3 ]它們有時被用作一種被稱為「大啞對象」的情節裝置。[ 32 ]
戴森球作為背景元素出現在許多小說作品中，包括弗里茨·萊伯 (Fritz Leiber ) 1964 年的小說《流浪者》(The Wanderer )，其中外星人以這種方式包圍了多顆恆星。[ 1 ] [ 32 ] [ 33 ]戴森球在Frederik Pohl和Jack Williamson於1975-1983 年出版的系列叢書《Saga of Cuckoo》中有所描述，其中一個是Bob Shaw 1975 年的小說Orbitsville及其續集的背景。[ 2 ] [ 3 ]在 1992 年電視節目《星際爭霸戰：下一代》的「遺跡」中，[ 34 ]企業號 航空母艦發現自己被困在廢棄的戴森球中；[ 35 ] [ 36 ]在 2011 年的一次訪談中，戴森表示他很喜歡這一集，儘管他認為所描繪的球體是「無稽之談」。[ 37 ]小說的作者邁克爾·簡·弗里德曼（Michael Jan Friedman）觀察到，在電視劇集本身中，戴森球實際上是一個麥高芬，故事中“什麼都沒有”，並決定在他的小說中充實情節元素。[ 38 ]：九
其他科幻故事的例子包括托尼·羅斯曼的《世界是圓的》、索姆托·蘇查里庫爾的《審判者》系列、蒂莫西·扎恩的《紡紗機》、詹姆斯·懷特的《聯邦世界》、史蒂芬·巴克斯特的《時間之船》和彼得·F·漢密爾頓的《聯邦世界》。[ 1 ] : 133 戴森球概念的變體包括拉里·尼文 (Larry Niven ) 1970 年小說《環形世界》中的單一圓形帶，[ 3 ] [ 39 ] [ 40 ]格雷戈里·本福德和尼文2012 年小說《天堂之碗》中的半球體，[ 2 ] [ 3 ]和嵌套球體（也稱為Matrioshka 大腦）出現在Colin Kapp的 1980 年代Cageworld系列和Brian Stableford的 1979-1990 Asgard三部曲中。[ 1 ] [ 3 ]
斯特布爾福德本人觀察到，戴森球體通常是麥高芬，或者很大程度上深入在故事的背景中，例如弗里茨·萊伯的《流浪者》和琳達·永田的《欺騙井》，而涉及太空探索的故事往往採用尼文的《環形世界》等變體。[ 1 ] : 133 他對此給了兩個理由：首先，戴森球體太大而無法解決，弗里德曼在指出他的小說《遺跡》沒有進一步深入到該球體時也提到了這一點，因為這本書只有 400 頁，而他只有不到 4 週的時間來寫；其次，尤其是對於硬科幻小說來說，戴森球存在某些工程問題，使故事變得複雜。[ 1 ] : 133 [ 38 ] : ix 特別是，由於引力在這樣的球體內部處於平衡狀態（根據殼定理），因此必須採用其他方法，例如旋轉球體，以保持物體附著在內部表面，這會導致重力梯度在旋轉極處趨於零的問題。[ 1 ] : 133 作者透過對該想法的各種修改來解決這個問題，例如前面提到的 Cageworld 嵌套、Dan Alderson的雙球體想法和 Niven 的簡化 Ringworld（在“比世界更大”中討論） 。[ 1 ]：133
參見
奧爾德森圓盤[ 1 ] [ 2 ] （以其創始人丹·奧爾德森的名字命名）是一種假想的人造天文 巨型結構，就像拉里·尼文的環形世界和戴森球一樣。圓盤是一個厚度達數千英里的巨盤。太陽位於圓盤中心的孔中。奧爾德森圓盤的外周長大致相當於火星或木星的軌道。根據該提議，足夠大的圓盤的質量將大於太陽。
這個洞將被一千英里高的牆包圍，以防止大氣飄入太陽。[ 3 ]外緣不需要牆壁。
圓盤內的機械應力將遠遠超出任何已知材料所能承受的範圍，因此在材料和建築科學變得足夠先進之前，這種結構將屬於探索性工程領域。 [ 4 ]建造如此規模的巨型結構所需的材料數量遠遠超過太陽系中發現的材料數量。
生命可能存在於圓盤的兩側，但如果沒有足夠的熱保護，靠近太陽的生命是不可能存在的。相反，居住在遠離太陽的生物如果沒有必要的加熱設備就會被凍住。因此，為了使整個結構適合居住，它必須包括大量的生命維持系統。即使沒有這樣的系統，可居住的表面積也將相當於數千萬到數億個地球。
因為太陽保持靜止，所以沒有晝夜循環，只有永恆的黃昏。這可以透過迫使太陽在圓盤內上下擺動來解決，先照亮一側，然後照亮另一側。[ 5 ]
在流行文化中
1974年，科幻小說作家拉里·尼文提出，奧爾德森光碟“將是上演哥特式或劍魔法小說的絕佳場所。氣氛合適，而且有真正的怪物。”由於人類可居住的區域「相對狹窄」（比地球目前軌道近5%和遠5%，將提供5000萬倍地球表面積），圓盤（及其建造成本）可以與外星人共享來自較熱和較冷的行星。在很長一段時間內，生命形式會進化到在其間人煙稀少的地區定居。 “如果文明崩潰，事情可能會變得怪異而有趣。” [ 5 ]
奧爾德森圓盤（神輪）是馬里布漫畫的 Ultraverse 的一個顯著特徵。神輪分為兩個社會，一個使用技術，一個使用魔法（每個社會都佔據圓盤自己的一側）。拉里·尼文 (Larry Niven) 設計了神輪，並在其上圍繞某些事件撰寫了故事。
Rak Mesba 是獵戶座手臂中的部分古代外星人奧爾德森圓盤，這是一個多人創作的線上科幻小說世界建設計畫。[ 6 ]
一顆類似奧爾德森圓盤（儘管小得多）的圓盤狀行星是West End Games的Torg 角色扮演遊戲的奇幻「Aysle」場景（或「cosm」）的家。與奧爾德森圓盤相比，艾斯勒“圓盤世界”根據幻想物理學工作，包括橫向平分圓盤的“重力平面”，以便相對的兩側“落向”該平面。艾塞爾的圓盤世界有一個擺動的太陽和多個內層。圓盤的兩面都有人居住，內層也是。
在查爾斯·斯特羅斯的《導彈間隙》中，整個地球的副本（以及許多其他行星的副本）被放置在由未知力量圍繞黑洞建造的奧爾德森圓盤上。
伊恩·麥克唐納（Ian McDonald）的小說《太陽皇后》以平行宇宙版本的太陽系為特色，其中從恐龍進化而來的生物已將所有質量轉化為奧爾德森盤（帶有擺動的太陽）。
在特里·普拉切特的科幻小說《地層》中，主角金·阿拉德提出了奧爾德森圓盤的概念，作為故事焦點的神秘「平坦地球」的解釋。
在《Gigastructural Engineering & More》（4X 遊戲《Stellaris》的熱門修改版）中，奧爾德森圓盤被描述為可供玩家居住的可建造巨型結構。
在遊戲《崩壞：星軌》中，佩納科尼星球實際上是一個類似人造太空站的巨型結構，裡面有一個酒店，周圍有兩個小奧爾德森圓盤圍繞它運行。
參見
- 戴森球 －圍繞恆星的假設巨型結構
- 戴森樹 －假設的基因工程植物能夠在彗星內生長
- Globus Cassus – Christian Waldvogel 的藝術計畫和書籍
- 卡爾達肖夫等級 －文明進化的衡量標準
- 克倫佩勒玫瑰花結 －重力系統的類型
- Matrioshka 大腦 ——由恆星能量驅動的巨大計算機
- 超大規模工程 －探索性工程的形式
- 行星工程 －影響行星的全球環境
- Ringworld – 拉里·尼文 1970 年科幻小說
- 恆星提升 －開採恆星資源的假設過程
- 恆星工程 －假設的恆星人工改造
- 虎斑之星 －因異常變暗事件而聞名的恆星
- 張拉整體 – 由透過張力固定到位的孤立構件組成的結構設計
- 地球化改造 －假設的行星工程過程
光伏效應是材料暴露在光下時產生電壓和電流。這是一種物理現象。[ 1 ]
光伏效應與光電效應密切相關。對於這兩種現象，光都會被吸收，導致電子或其他電荷載子被激發到更高的能量狀態。主要區別在於，當電子從材料中彈出（通常進入真空）時，通常使用術語“光電效應” ，而當受激電荷載流子仍包含在材料內時，則使用“光伏效應” 。在任何一種情況下，電荷分離都會產生電位（或電壓），光必須具有足夠的能量來克服激發的勢壘。差異的物理本質通常是光電發射通過彈道傳導來分離電荷，而光伏發射通過擴散來分離電荷，但一些“熱載流子”光伏器件概念模糊了這種區別。
歷史
1839 年，埃德蒙·貝克勒爾(Edmond Becquerel ) 使用電化學電池首次展示了光伏效應。他在《Comptes rendus de l'Académie des Sciences》中解釋了他的發現，「當兩塊鉑或金板浸入酸性、中性或鹼性溶液中，以不均勻的方式暴露在太陽輻射下時，就會產生電流。[ 2 ]
第一個太陽能電池由一層覆蓋金薄膜的硒組成，由Charles Fritts於 1884 年進行了實驗，但其效率非常低。[ 3 ]然而，最熟悉的光伏效應形式使用固態元件，主要是光電二極體。當陽光或其他足夠高能量的光入射到光電二極體上時，價帶中存在的電子吸收能量，並被激發，躍遷到導帶並變得自由。這些受激電子擴散，其中一些到達整流結（通常是二極體p-n 接面），在那裡它們被內建電位（伽伐尼電位）加速進入 n 型半導體材料。這會產生電動勢和電流，從而部分光能轉換為電能。當兩個光子在稱為雙光子光伏效應的過程中同時被吸收時，也會發生光伏效應。
物理
除了自由電子的直接光伏激發之外，還可以透過塞貝克效應產生電流。當導電或半導體材料透過吸收電磁輻射而加熱時，加熱會導致半導體材料中的溫度梯度或材料之間的差異增加。這些熱差反過來可能會產生電壓，因為電子能階在不同區域中移動不同，從而在這些區域之間產生電位差，進而產生電流。光伏效應與塞貝克效應的相對貢獻取決於組成材料的許多特性。[需要引用]
所有上述效應都會產生直流電，交流光伏效應（AC PV）的首次演示是由佐治亞理工學院的鄒海洋博士和王中林教授於2017年完成的。點或界面時，處於非平衡狀態的交流電（AC）。[ 5 ]交流光電效應基於電容模型，電流很大程度上取決於斬波器的頻率。 AC PV 效應被認為是非平衡條件下與結/界面相鄰的半導體的準費米能階之間的相對偏移和重新排列的結果。電子在外電路中來回流動，以平衡兩個電極之間的電位差。有機太陽能電池由於材料沒有初始載子濃度，不具有交流光伏效應。
溫度的影響
光電模組的性能取決於環境條件，主要取決於組件平面上的全局入射輻照度G。然而，p-n接面的溫度T也會影響主要的電參數：短路電流ISC、開路電壓VOC和最大功率Pmax。關於光伏電池在不同G 和T 條件下行為的首次研究可以追溯到幾十年前。性是直接的，但較弱，因此該增量無法補償 VOC 的減少。因此，當 T 增加時，Pmax 減少。太陽能電池的輸出功率與其接面工作溫度之間的這種相關性取決於半導體材料2，這是由於T對本徵載子（即電子和電洞）的濃度、壽命和遷移率的影響，在光伏電池內部。
溫度靈敏度通常由一些溫度係數來描述，每個溫度係數都表示其所涉及的參數相對於結溫的導數。這些參數的值可以在任何光伏組件數據表中找到；它們是：
– β VOC 相對於 T 的變化係數，由 ∂VOC/∂T 給出。
– α ISC 相對於 T 的變異係數，由 ∂ISC/∂T 給出。
– δ Pmax 相對於 T 的變化係數，由 ∂Pmax/∂T 給出。
從實驗數據估計這些係數的技術可以在文獻中找到。[ 6 ]很少研究分析串聯電阻隨電池或模組溫度的變化。透過適當處理電流-電壓曲線來研究這種依賴性。串聯電阻的溫度係數是透過使用單二極體模型或雙二極體模型來估計的。[ 7 ]
太陽能電池
在大多數光伏應用中，輻射源是太陽光，這些元件稱為太陽能電池。對於半導體 p-n（二極體）接面太陽能電池，照射材料會產生電流，因為受激電子和剩餘電洞被耗盡區的內置電場掃向不同方向。[ 8 ]
交流光電發電在非平衡條件下運作。第一項研究是基於 p-Si/TiO 2奈米膜。研究發現，除了基於p-n接面的傳統PV效應產生直流輸出外，當閃光燈照射在介面上時也會產生交流電流。交流光伏效應不遵循歐姆定律，基於電容模型，電流強烈依賴斬波器的頻率，但電壓與頻率無關。高開關頻率下交流的峰值電流可能比直流高得多。輸出的大小也與材料的光吸收有關。
參見
太陽能電池理論 解釋了當光子撞擊適當的半導體裝置時，光子中的光能轉換為電流的過程。理論研究具有實際用途，因為它們預測了太陽能電池的基本極限，並對導致損耗和太陽能電池效率的現象提供了指導。
工作說明
- 陽光中的光子撞擊太陽能板並被半導體材料吸收。
- 電子（帶負電）在受到激發時會從原子中脫落。由於太陽能電池的特殊結構和材料，電子只能沿著單一方向移動。材料的電子結構對於此製程的運作非常重要，並且通常在不同層中使用摻有少量硼或磷的矽。
- 太陽能電池陣列將太陽能轉換為可用的直流（DC）電。
載子的光生作用
當光子撞擊一塊半導體時，可能會發生以下三種情況之一：
- 光子可以直接穿過半導體—這（通常）發生在較低能量的光子上。
- 光子可以從表面反射。
- 如果光子能量高於帶隙值，則光子可以被半導體吸收。這會產生電子-電洞對，有時還會產生熱量，這取決於能帶結構。
當光子被吸收時，其能量被傳遞給晶格中的電子。通常該電子位於價帶中。光子給予電子的能量將其「激發」到導帶中，電子可以在導帶內自由移動。電子以前是共價鍵網路的一部分，現在少了一個電子。這就是所謂的空穴，它帶有正電荷。缺失的共價鍵的存在使得相鄰原子的鍵結電子移動到「空穴」中，留下另一個空穴，從而使空穴以與負電子運動相反的方向在整個晶格中傳播。可以說，半導體中吸收的光子會產生電子-電洞對。
光子只需具有大於帶隙的能量即可將電子從價帶激發到導帶。然而，太陽頻譜在約 5,800 K 處接近黑體頻譜， [ 1 ]因此，到達地球的大部分太陽輻射由能量大於矽帶隙 (1.12eV) 的光子組成，接近地面太陽能電池的理想值（1.4eV ）。這些較高能量的光子將被矽太陽能電池吸收，但這些光子和矽帶隙之間的能量差會轉化為熱（透過晶格振動 - 稱為聲子），而不是轉化為可用的電能。
p-n 結
最常見的太陽能電池被配置為由矽製成的大面積p-n 結。作為一種簡化，我們可以想像將一層 n 型矽與一層 p 型矽直接接觸。 n 型摻雜產生移動電子（留下帶正電的施主），而p 型摻雜產生移動電洞（和帶負電的受主）。的，而是透過擴散形成的將 n 型摻雜劑注入 p 型晶圓的一側（或反之亦然）。
如果一塊p型矽與一塊n型矽緊密接觸，則電子會從高電子濃度區域（結的n型側）擴散載流子的擴散電流不會無限期地持續下去，因為結兩側累積的電荷會產生一個電場，該電場會阻礙更多電荷的進一步擴散。最終，達到淨電流為零的平衡，在接面的兩側留下一個區域，其中電子和電洞在接點上擴散並相互湮滅，稱為耗盡區，因為它實際上不包含移動電荷載子。它也被稱為空間電荷區，儘管空間電荷在兩個方向上比耗盡區延伸得更遠一些。
一旦建立平衡，耗盡區產生的電子-電洞對就會被電場分開，電子被吸引到正n型側，電洞被吸引到負p型側，從而減少電荷（和電場） ）由剛才描述的擴散建立起來。如果設備未連接（或外部負載非常高），則擴散電流最終會透過將電子和電洞帶回結點來恢復平衡電荷，但如果連接的負載足夠小，則電子更願意繞過結點外部電路在試圖恢復平衡的過程中做有用的工作。
載子分離
太陽能電池中電荷載子移動和分離的原因有二：
- 由電場驅動的載子漂移，電子被推向一側，電洞則被推向另一側
- 載子從載子濃度較高的區域擴散到載子濃度較低的區域（遵循化學勢梯度）。
這兩種「力」可能在細胞內的任何給定點上相互對抗。例如，電子透過結點從 p 區移動到 n 區（如本文開頭的圖表所示），並被電場逆著濃度梯度推動。對於沿相反方向移動的孔也是如此。
當考慮在耗盡區（存在強電場的地方）產生的電子空穴對時，最容易理解電流是如何產生的。電子被該場推向 n 側，電洞推向 p 側。 （這與正向偏壓二極體（例如工作中的發光二極管）中的電流方向相反。）當在電場較小的空間電荷區之外創建該對時，擴散也會起到移動的作用。子，但結仍然發揮作用，通過將到達它的任何電子從p 側掃到n 側，並將到達它的任何空穴從n 側掃到p 側，從而在結外產生濃度梯度空間電荷區。
在厚太陽能電池中，空間電荷區域以外的主動區中的電場非常小，因此電荷載子分離的主要模式是擴散。在這些電池中，少數載流子的擴散長度（光生載子在複合前可以傳播的長度）與電池厚度相比必須很大。在薄膜電池（如非晶矽）中，由於缺陷的存在，少數載流子的擴散長度通常很短，因此主要的電荷分離是由結的靜電場驅動的漂移，該靜電場延伸到細胞的整個厚度。[ 2 ]
一旦少數載子進入漂移區，它就會「掃過」結，並在結的另一側成為多數載子。此反向電流是產生電流，透過熱和（如果存在）光吸收來饋送。另一方面，多數載子透過擴散（由濃度梯度引起）被驅動進入漂移區，從而產生正向電流；只有具有最高能量的多數載子（在所謂的玻爾茲曼尾部；參見麥克斯韋-玻爾茲曼統計）才能完全穿過漂移區。因此，整個裝置中的載子分佈由反向電流和正向電流之間的動態平衡控制。
連接到外部負載
太陽能電池的n型和p型側均形成歐姆金屬-半導體接觸，並且電極連接到外部負載。在 n 型側產生的電子，或在 p 型側產生的電子，被結“收集”並掃到 n 型側，可以穿過電線，為負載供電，並繼續穿過電線直到它們到達p型半導體-金屬接觸。在這裡，它們與電洞重新結合，該電洞要么作為電子空穴對在太陽能電池的 p 型側產生，要么在 n 型側產生後從結處掃過結。
測得的電壓等於兩個端子處多數載子（n型部分中的電子和p型部分中的電洞）的準費米能階之差。 [ 3 ]
太陽能電池的等效電路
理想太陽能電池 p-n 接面的等效電路模型使用理想電流源（其光生電流隨著光強度的增加）與二極體並聯（其電流代表重組損失）。為了解決電阻損耗，需要使用分流電阻和一個串聯電阻作為集總元件添加。[ 4 ]所得輸出電流等於光生電流減去通過二極體和分流電阻的電流：[ 5 ] [ 6 ]
結電壓（二極體和分流電阻兩端）為：
在哪裡是輸出端子上的電壓。漏電流 透過分流電阻與結電壓成正比，根據歐姆定律：
根據蕭克利二極體方程，流經二極體的電流為：
![{\displaystyle I_{\text{D}}=I_{0}\left\{\exp \left[{\frac {V_{\text{j}}}{nV_{\text{T}}}}\右]-1\右\}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fbe8276fc9ce52e49f8cd1759d96c3db2896c448)
在哪裡
將這些代入第一個方程可得出太陽能電池的特徵方程，該方程將太陽能電池參數與輸出電流和電壓連結起來：
![{\displaystyle I_{\text{out}}=I_{\text{L}}-I_{0}\left\{\exp \left[{\frac {V_{\text{out}}+I_{\文本{out}}R_{\text{S}}}{nV_{\text{T}}}}\right]-1\right\}-{\frac {V_{\text{out}}+I_{ \text{out}}R_{\text{S}}}{R_{\text{SH}}}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ef08b11b857fca2f9ec73b1637f504dc8a1e782)
另一種推導產生了外觀相似的方程，但具有在左側。兩種選擇都是身分；也就是說，它們產生完全相同的結果。
由於參數I 0、n、R S和R SH無法直接測量，因此特徵方程式最常見的應用是非線性回歸，以根據這些參數對太陽能電池行為的綜合影響來提取這些參數的值。
當R S不為零時，上式不能給出直接求解，但可以使用Lambert W 函數求解：
當電池使用外部負載時，其電阻可以簡單地添加到R S和設定為零以便找到電流。
當R SH無窮大時，有解對於任何少於：
否則可以解決使用蘭伯特 W 函數：
然而，當R SH較大時，最好對原始方程式進行數值求解。
解的一般形式是一條曲線減少為增加（見下圖）。斜率小或為負（其中W函數接近零）接近，而高處的斜率方法。
開路電壓和短路電流
當電池開路工作時，= 0，輸出端子間的電壓定義為開路電壓。假設分流電阻夠高，可以忽略特性方程式的最後一項，則開路電壓V OC為：
同樣，當電池在短路狀態下運作時，= 0 和當前通過端子的電流定義為短路電流。可以看出，對於高品質太陽能電池（低R S和I 0，高R SH），短路電流為：
在開路或短路條件下運作時，無法從設備中提取任何功率。
物理尺寸的影響
I L、I 0、R S和R SH的值取決於太陽能電池的物理尺寸。在比較其他相同的電池時，結面積是另一個電池兩倍的電池原則上將具有雙倍的I L和I 0 ，因為它具有兩倍的光電流產生面積和二極管電流可以流過的面積。依照同樣的道理，它也將具有與垂直電流相關的串聯電阻R S的一半；然而，對於大面積矽太陽能電池，橫向電流所遇到的串聯電阻的縮放不容易預測，因為它將主要取決於閘極設計（目前尚不清楚「其他方面相同」在這方面的含義）。根據分流類型，較大的單元也可能具有一半的R SH，因為它的面積是可能發生分流的面積的兩倍；另一方面，如果分流主要發生在周界，則R SH將根據週長而不是面積的變化而減少。
由於電流的變化占主導地位並且相互平衡，因此開路電壓實際上是相同的；只有當R SH變得太低時，VOC才開始依賴單元尺寸。為了說明電流的主導地位，特徵方程式常用電流密度或每單位電池面積所產生的電流來表示：
![{\displaystyle J=J_{\text{L}}-J_{0}\left\{\exp \left[{\frac {q(V_{\text{out}}+Jr_{\text{S}} )}{nkT}}\right]-1\right\}-{\frac {V_{\text{out}}+Jr_{\text{S}}}{r_{\text{SH}}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7c4e4812f1c63c5689bfbd2f016fb98902095ce9)
在哪裡
- J , 電流密度 (安培/cm 2 )
- J L，光生電流密度（安培/cm 2）
- J 0，反向飽和電流密度（安培/cm 2）
- r S , 比串聯電阻 (Ω·cm 2 )
- r SH，特定分流電阻(Ω·cm 2 )。
該配方有幾個優點。一是由於電池特性參考共同的橫截面積，因此可以對不同物理尺寸的電池進行比較。雖然這在製造環境中的好處有限，因為所有電池往往尺寸相同，但它在研究和比較製造商之間的電池時很有用。另一個優點是密度方程式自然地將參數值縮放到相似的數量級，這可以使它們的數值提取更簡單、更準確，即使使用樸素的求解方法也是如此。
這種表述存在實際限制。例如，隨著單元尺寸縮小，某些寄生效應變得越來越重要，並可能影響萃取的參數值。連接的重組和污染往往在細胞週邊最嚴重，因此非常小的細胞可能比其他方面相同的較大細胞表現出更高的J 0值或更低的R SH值。在這種情況下，必須謹慎地進行細胞之間的比較，並考慮到這些影響。
這種方法只能用於比較具有可比較佈局的太陽能電池。例如，將主要的方形太陽能電池（如典型的晶體矽太陽能電池）與窄而長的太陽能電池（如典型的薄膜太陽能電池）進行比較，可能會因不同類型的電流路徑而導致錯誤的假設，因此會受到以下因素的影響：分佈式串聯電阻對r S的貢獻。[ 8 ] [ 9 ] 太陽能電池的宏觀架構可能會導致不同的表面積被放置在任何固定體積中 - 特別是對於薄膜太陽能電池和柔性太陽能電池，它們可能允許高度複雜的折疊結構。如果體積是結合約束，那麼基於表面積的效率密度可能不太相關。
透明導電電極
透明導電電極是太陽能電池的重要組成部分。它要么是連續的氧化銦錫薄膜，要么是導線網絡，其中導線是電荷收集器，而導線之間的空隙對光是透明的。線網路的最佳密度對於最大太陽能電池性能至關重要，因為較高的線密度會阻礙光透射率，而較低的線密度會因電荷載子行進的距離更長而導致較高的複合損失。[ 10 ]
電池溫度
溫度以兩種方式影響特徵方程式：透過指數項中的T直接影響，以及透過其對I 0的影響間接影響（嚴格來說，溫度影響所有項，但這兩項遠比其他項顯著）。雖然增加T會減少特徵方程式中指數的大小，但I 0的值隨T呈指數增加。最終效果是隨著溫度的升高，VOC （開路電壓）線性降低。這種降低的幅度與VOC成反比；也就是說，隨著溫度升高， VOC值較高的電池電壓下降幅度較小。對於大多數晶體矽太陽能電池， V OC隨溫度的變化約為-0.50%/°C，但最高效率晶體矽電池的變化率約為-0.35%/°C。相較之下，非晶矽太陽能電池的比率為-0.20至-0.30%/°C，取決於電池的製造方式。
由於電池中熱產生的載子數量的增加，光生電流I L的量隨著溫度的升高而略有增加。然而，這種影響很小：晶體矽電池約為 0.065%/°C，非晶矽電池約為 0.09%。
溫度對電池效率的整體影響可以使用這些因素結合特徵方程式來計算。然而，由於電壓的變化比電流的變化強得多，因此對效率的整體影響往往與對電壓的影響相似。大多數晶體矽太陽能電池效率下降 0.50%/°C，大多數非晶矽太陽能電池效率下降 0.15−0.25%/°C。上圖顯示了晶體矽太陽能電池在不同溫度下通常可見的 IV 曲線。
串聯電阻
隨著串聯電阻的增加，對於相同的電流，結電壓和端電壓之間的壓力降變得更大。結果是 IV 曲線的電流控制部分開始向原點下垂，產生顯著下降短路電流I SC略有降低。 R S值非常高也會導致I SC顯著降低；在這些情況下，串聯電阻占主導地位，太陽能電池的行為類似於電阻。右圖顯示的 IV 曲線顯示了晶體矽太陽能電池的這些效應。
透過串聯電阻損失的功率為。照明期間當和相對於光電流來說很小，功率損耗也呈二次方增加。因此，串聯電阻損耗在高照明強度下最為重要。
分流電阻
當分流電阻減小時，對於給定的結電壓水平，透過分流電阻轉移的電流增加。結果是 IV 曲線的電壓控制部分開始遠離原點下垂，產生顯著下降VOC略有降低。非常低的R SH值將導致VOC顯著降低。與高串聯電阻的情況非常相似，嚴重分流的太陽能電池將呈現與電阻類似的工作特性。右圖顯示的 IV 曲線顯示了晶體矽太陽能電池的這些效應。
反向飽和電流
如果假設分流電阻無窮大，則可以解特徵方程式得到V OC：
因此， I 0的增加產生與增加的對數的倒數成比例的V OC減少。這從數學上解釋了上述隨著溫度升高而導致VOC減少的原因。反向飽和電流對晶體矽太陽能電池IV曲線的影響如右圖所示。從物理上講，反向飽和電流是反向偏壓下 p-n 接面上載流子「洩漏」的量度。這種洩漏是結兩側中性區域中載子複合的結果。
理想因素
理想因子（也稱為發射率因子）是一個擬合參數，描述二極體的行為與理論預測的匹配程度，假設二極體的 p-n 結是無限平面，並且空間電荷內不會發生複合地區。當n = 1時，表示與理論完美匹配。然而，當空間電荷區域中的複合主導其他複合時，n = 2。右圖所示的 IV 曲線顯示了獨立於所有其他參數而改變理想因子對晶體矽太陽能電池的影響。
大多數太陽能電池與傳統二極體相比相當大，非常接近無限平面，並且通常在標準測試條件（n ≈ 1）下表現出接近理想的行為。然而，在某些操作條件下，裝置操作可能以空間電荷區域中的複合為主。其特徵在於I 0顯著增加以及理想因子增加至n ≈ 2。後者往往會增加太陽能電池的輸出電壓，而前者則會削弱它。因此，淨效應是右圖中增加n時顯示的電壓增加和上圖中I 0增加時顯示的電壓降低的組合。通常，I 0是更重要的因素，結果是電壓降低。
有時，觀察到理想因子大於 2，這通常歸因於太陽能電池中肖特基二極體或異質接面的存在。[ 11 ]異質接面偏移的存在降低了太陽能電池的收集效率，並可能導致低填充因子。
其他型號
雖然上述模型最常見，但也提出了其他模型，例如 d1MxP 離散模型。[ 12 ]
核融合（英語：Nuclear fusion，香港稱為核聚變），又稱融合反應，是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應形式。在此過程中，物質並沒有守恆，因為有一部分正在融合的原子核的物質被轉化為光子（能量）。核融合是給活躍的或「主序的」恆星提供能量的過程。
兩個較輕的核在融合過程中產生質量耗損而釋放出巨大的能量，兩個輕核在發生融合時雖然因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發生核反應，這個反應叫做核融合。[1]
舉例：兩個質量小的原子，比方說兩個氘原子，在一定條件下（如超高溫和高壓），會發生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，並伴隨著巨大的能量釋放。
原子核中蘊藏巨大的能量。根據質能方程式E=mc2，原子核之淨質量變化（反應物與生成物之質量差）造成能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，稱為核分裂，如原子彈爆炸；如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核，稱為核融合。一般來說，這種核反應會終止於鐵，因為其原子核最為穩定。
1920年，亞瑟·愛丁頓提出氫氦融合可能是恆星能量的主要來源。在厄尼斯特·拉塞福的核轉換實驗基礎上，馬克·奧利芬特於1932年完成了氫同位素的實驗室融合。1930年代，漢斯·貝特提出了恆星核融合主循環的理論。1940年代初，作為曼哈頓計劃的一部分，開始研究用於軍事目的的核融合。1951年，在核試驗中完成了核融合。1952年11月1日，在常春藤麥克氫彈試驗中首次進行了大規模核融合。
最早的人工核融合技術在氫彈上得到應用成果。1950年代，人類開始研究用於民用目的的受控熱核融合。
基本原理
核融合將諸如氫原子核一類的較輕的原子核結合形成較重的原子核。原子核帶正電，故庫侖力會阻礙原子核的結合。克服庫侖勢壘需要大量的能量。輕核所帶的電荷少，因此它們融合時需要克服的勢壘越小，釋放出的能量就越多。隨著原子核質量的增加到一個臨界點時，融合反應所需克服的位能大於反應放出的能量，即沒有淨能量產生。這一臨界點是鎳-62。
氘核與氚核是核融合的最佳燃料。它們都是氫原子核的重同位素。由於中子與質子比相對較高，它們的勢壘也就較小。電中性的中子透過核力使得原子核中的核子緊密地結合在一起。氚核的中子與質子比（2個中子，1個質子）是穩定原子核中最高的。增加質子或減少中子都會使得克服勢壘所需的能量變多。
一般條件下氘核與氚核的混合態不會產生持續的核融合。由於核子之間的距離小於10fm才會有核力的作用，因此核子必須靠外部能量聚合在一起。就算在溫度極高，密度極大的太陽中心，平均每個質子要等待數十億年才能參與一次融合。[2]要使融合能夠實際應用，原子核利用率必須大幅提升：溫度提升到K，或施加極大的壓力。實現自持融合反應並獲得能量增益的關於密度和壓力的必要條件就是慣性局限融合。這一準則自1950年代氫彈爆炸成功而聞名，而在地球上實現慣性局限融合十分困難。
發生條件
如果要進行核融合反應，首先就必須提高物質的溫度，使原子核和電子分開，處於這種狀態的物質稱為電漿。顧名思義，核力是一種非常強大的力量，而其力量所及的範圍僅止於10−10～10−13米左右，當質子和中子互相接近至此範圍時，核力就會發揮作用，因而發生核融合反應。
但由於原子核帶正電，彼此間會互相排斥，所以很難使其彼此互相接近。若要克服其相斥的力量，就必須適當地控制電漿的溫度、密度和封閉時間﹝維持時間﹞，此三項條件缺一不可。由於提高物質的溫度可以使原子核劇烈轉動，因此溫度升高，密度變大，封閉的時間越長，彼此接近的機會越大。
由於電漿很快就會飛散開來，所以必須先將其封閉。用來使電漿封閉的方法有許多種，太陽內部是利用巨大重力使電漿封閉，而在地球上則必須採取別的方法，磁場的利用便是其中一種。當電漿帶電時，電荷被捲在磁力線上，因此只要製造出磁場，就能夠將電漿封閉，使它們懸浮在真空中。
研究歷史
1920年，亞瑟·愛丁頓提出氫氦融合可能是恆星能量的主要來源。
1932年，馬克·奧利芬特在拉塞福的核轉換實驗基礎上，完成了氫同位素的實驗室融合[3]。
1930年代，漢斯·貝特提出了恆星核融合主循環的理論[3]。
1940年代初，用於軍事目的的核融合研究被列入曼哈頓計劃[3]。
1951年，美國實施溫室行動，在核試驗中完成了人類首次的核融合[3]。
1951年5月，萊曼·史匹哲提出仿星器概念，此後至六十年代，仿星器一直是核融合能研究的主流裝置，直至蘇聯提出了比仿星器更高效的托卡馬克概念，關於仿星器的研究才被擱置[4]。
1952年11月1日，美國在常春藤麥克的氫彈試驗中首次進行了大規模核融合[3]。
1950年代早期，馬克·奧利芬特在澳洲國立大學成立了至今依舊活躍的電漿核融合研究設施H-1NF。
目前人類已經可以實現不受控制的核融合，如氫彈的爆炸；也可以觸發可控制核融合，只是輸入的能量大於輸出、或發生時間極短。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核融合的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出；而觸發核融合反應必須消耗能量（約1億度），因此人工核融合所產生的能量與觸發核融合的能量要到達一定的比例才能有經濟效應。科學家正努力研究如何控制核融合，但是現在看來還有很長的路要走。目前主要的幾種可控制核融合方式：Z脈衝功率設施、雷射約束（慣性約束）核融合、磁約束核融合（托卡馬克）。
2005年，部份科學家相信已經成功做出小型的核融合[5]，並且得到初步驗證[6]。首個實驗核融合發電站將選址法國[7]。
根據2014年2月12日英國科學期刊《自然》電子版，美國能源部所屬國家研究機構勞倫斯利福莫耳國家實驗室的研究團隊首次確認，使用高功率雷射進行的核融合實驗，從燃料所釋放出來的能量，超出投入的能量。[8]
2014年10月，洛克希德·馬丁宣布發明小型核融合反應爐，100千瓩特反應爐縮小至7x10英尺大小，於1年之內能進行測試，10年內能正式運轉[9]。大部分科學家對此聲明表示懷疑，其小型反應爐與世上任何反應爐構造都不同。
目前世界上最大的實驗性托卡馬克反應爐是法國南部正在建設中的國際熱核融合實驗反應爐，2020年7月，該項目正式啟動機器組裝階段，截至2022年7月，據實現首次電漿放電所需的工作已達成77.1%，預計將於2025年12月進行首次測試[10]。
2019年11月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在進行一項電漿線性實驗（PLX），旨在結合目前兩種核融合方式之所長。
2018年11月，中國科學院合肥物質科學研究院電漿物理研究所宣佈在合肥綜合性國家科學中心的全超導托卡馬克核融合實驗裝置實現一億度電漿運行[11]。2021年5月，EAST創造新的世界紀錄，成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒電漿運行，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長了5倍[12]。
2022年12月，美國能源部宣布，勞倫斯利佛摩國家實驗室科學家首度達成「能量淨增益」，即在核融合反應達成產出的能量遠高於引發反應所使用能量，將有助發展潔淨能源。[13]
發電
| 反應物 | 產物 | Q | n/MeV | |
|---|---|---|---|---|
| 第一代核融合發電燃料 | ||||
| 2 1H + 2 1H (D-D) | → | 3 2He + 1 0 | 3.268 MeV | 0.306 |
| 2 1H + 2 1H (D-D) | → | 3 1H + 1 1H | 4.032 MeV | 0 |
| 2 1H + 3 1H (D-T) | → | 4 2He + 1 0 | 17.571 MeV | 0.057 |
| 第二代核融合燃料 | ||||
| 2 1H + 3 2He (D-3 He) | → | 4 2He + 1 1H | 18.354 MeV | 0 |
| 第三代核融合燃料 | ||||
| 3 2He + 3 2He | → | 4 2He + 2 1 1H | 12.86 MeV | 0 |
| 11 5B+ 1 1H | → | 3 4 2He | 8.68 MeV | 0 |
| 氘（D）融合總反應 （前四行反應的總和） | ||||
| 6 D | → | 2(4 He + n + p) | 43.225 MeV | 0.046 |
| 目前最常用的核燃料 | ||||
| 235 U + n | → | 2 核分裂產物 + 2.5 n | ~200 MeV | 0.001 |
燃料中的氘是穩定同位素、可以由海水獲得，氚的半衰期短、但可以用中子撞擊鋰-6來獲得 [19] ，氦-3可以是清潔核燃料，但地球的存量很少，必須要到月球或木星上透過宇宙採礦獲取。
D-T反應及D-D反應都會產生中子，而這會讓核融合設施帶有放射線，但這些核廢料比核分裂發電造成的好處理多了；而反應溫度更高的D-3
He反應本身沒有產生中子，但因為反應物包含D，因此會附帶D-D反應、而產生中子；純3
He的反應則只會產生質子、質子可以用電場處理、而且還可以用來直接發電（類似燃料電池的方法），11
5B + 1
1H反應的原料更好取得，但第三代核融合的技術難度又更高一截。
優缺點
相較於核分裂發電，核融合產生的核廢料半衰期極短（低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多只有一公里內需要撤退）、安全性也更高（不維持對核的約束便會停止反應）。如氘和氚之核融合反應，其原料可直接取自海水，來源幾乎取之不盡，因而是比較理想的能源取得方式。[20] 核融合也是一種中子源，藉此可以觸發核分裂。利用中子源來觸發核分裂反應稱為次臨界核分裂，次臨界核分裂不但安全性接近核融合，且技術難度較核融合發電低（若是把核融合來當中子源觸發核分裂發電，技術需求也會比僅使用核融合的能量發電低），還可以處理核分裂發電造成的核廢料及過多的原子彈、讓這些核廢料的半衰期由數萬年縮短為數百年。[20]
商用
2023年5月10日，微軟公司與私營核融合發電公司Helion簽訂購電協議[21][22]。
沒有留言:
張貼留言
你發現了這篇網誌的留言板，在這留點什麼吧|д･)