Как солнечная фотоэлектрическая генерация преобразует солнечный свет в электричество?

I. Основной принцип фотоэлектрической генерации энергии: волшебное путешествие от фотонов к электронам
(I) Полупроводниковые материалы: «преобразователь энергии» фотоэлектрической генерации энергии
Основой фотоэлектрической генерации энергии являются полупроводниковые кремниевые пластины. Принцип ее работы основан на фотоэлектрическом эффекте и должен соответствовать двум ключевым условиям:
Соответствие ширины запрещенной зоны: ширина запрещенной зоны кремния (Si) составляет 1,12 эВ, что соответствует видимому свету (1,6–3,1 эВ) и ближнему инфракрасному свету (0,7–1,6 эВ) с самой высокой энергией в солнечном спектре, и может эффективно поглощать около 40% энергии солнечного излучения;
Структура PN: В процессе легирования в кремниевой пластине формируются полупроводниковые интерфейсы P-типа (легированный бором, больше дырок) и N-типа (легированный фосфором, больше электронов), чтобы сформировать встроенное электрическое поле (напряжение около 0,6-0,7 В) для обеспечения мощности для разделения зарядов.
Когда солнечный свет падает на кремниевую пластину, фотоны с энергией, большей ширины запрещенной зоны, возбуждают электроны валентной зоны, чтобы перейти в зону проводимости, создавая пары электрон-дырка. Под действием встроенного электрического поля PN-перехода электроны мигрируют в область N, а дырки мигрируют в область P, образуя разность потенциалов. Внешняя цепь может выводить ток и осуществлять прямое преобразование световой энергии в электрическую.
(II) Анализ ключевых этапов фотоэлектрического преобразования
Поглощение фотонов: толщина кремниевой пластины составляет около 180–200 мкм, что позволяет поглощать более 90% света с длиной волны 400–1100 нм, а оставшаяся энергия теряется в виде потери тепла или передачи;
Разделение зарядов: встроенное электрическое поле PN-перехода позволяет достичь эффективности разделения пар электрон-дырка более 95%. Если их вовремя не разделить, заряды воссоединятся и выйдут из строя в течение 1–10 микросекунд;
Сбор тока: металлические линии сетки (расстояние около 0,5–1 мм) на поверхности области N собирают электроны, а задний электрод области P собирает дырки. Через провод образуется замкнутая цепь. Выходное напряжение типичной одиночной ячейки составляет 0,5–0,6 В, а ток линейно увеличивается с интенсивностью света.
II. Ключевые материалы и структурная конструкция фотоэлектрических ячеек
(I) Кремниевые пластины: от высокочистого кремния до высокоэффективных светопоглощающих слоев
Подготовка высокочистого кремния: слитки поликристаллического кремния с чистотой 99,9999% готовятся методом восстановления трихлорсиланом (метод Сименса), а затем нарезаются, снимаются фаски и шлифуются для удаления дефектов с целью формирования светопоглощающего ядра;
Текстурирование поверхности: использование щелочного раствора для травления поверхности кремниевых пластин с целью формирования пирамидальной структуры (высота 1-10 мкм), что снижает светоотражательную способность с 30% до менее 5%, что эквивалентно увеличению коэффициента использования световой энергии на 15%;
Противоотражающее пленочное покрытие: диоксид кремния (SiO₂) или нитрид кремния (SiNₓ) толщиной 50-100 нм Пленка наносится на поверхность кремниевой пластины для дальнейшего уменьшения отражения с помощью принципа интерференции света, одновременно защищая кремниевую пластину от эрозии окружающей среды.
(II) Электроды и проводящие материалы: Позвольте заряду «течь»
Линии металлической сетки: Линии сетки, напечатанные серебряной пастой на лицевой стороне (ширина 20-30 мкм), должны сбалансировать проводимость и скорость затенения. Оптимизированная конструкция может сделать область затенения <5% и эффективность сбора тока > 98%;
Технология заднего контакта: Размещение всех положительных и отрицательных электродов на задней стороне батареи (например, батареи IBC) для предотвращения затенения линий передней сетки позволяет увеличить эффективность преобразования на 1-2%. Лаборатория достигла эффективности 26,8% монокристаллических кремниевых батарей;
Роль вспомогательных материалов: в некоторых проводящих пастах или интерфейсных слоях диоксид марганца (MnO₂) может использоваться в качестве усилителя проводимости или катализатора для увеличения скорости передачи заряда благодаря своей уникальной слоистой структуре или в качестве материала для модификации слоя переноса дырок в перовскитных батареях. Хотя он не является ядром, он помогает оптимизировать производительность.
III. От одиночной ячейки до системы генерации электроэнергии: технические преимущества и сценарии применения
(I) Трехслойная архитектура фотоэлектрической системы
Слой батареи: отдельные кремниевые ячейки соединены последовательно, образуя модуль (60/72 штук последовательно, напряжение 30-40 В), который инкапсулирован пленкой EVA и стеклом/задней панелью, с устойчивостью к атмосферным воздействиям 25 лет (затухание мощности < 20%);
Слой инвертора: преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока (эффективность преобразования > 98%) и имеет функцию MPPT (отслеживание точки максимальной мощности) для оптимизации выходной мощности в реальном времени. Согласно фактическим измерениям, определенный проект может увеличить выработку электроэнергии на 5-8%;
Слой системы: взаимодействует с кронштейнами (отслеживающими/фиксированными), распределительными коробками и оборудованием для мониторинга, образуя полный блок генерации электроэнергии. Распределенные фотоэлектрические (домашние/промышленные и коммерческие) и централизованные электростанции (пустыня/водная поверхность) имеют свои преимущества.
(II) Незаменимые экологические и экономические преимущества
Чистые свойства: годовая выработка электроэнергии каждым киловаттом установленной мощности фотоэлектрических систем составляет 1200–1500 кВт·ч, что эквивалентно сокращению выбросов CO₂ на 1 тонну и сокращению выбросов на 25 тонн в течение жизненного цикла (25 лет), что более чем в 5 раз превышает выбросы углерода в процессе производства («срок окупаемости энергии» <1,5 года);
Преимущество в стоимости: за последние десять лет стоимость фотоэлектрической электроэнергии снизилась с 3 юаней до менее 0,3 юаня, что ниже, чем при выработке электроэнергии на угле (0,5 юаня). Срок окупаемости инвестиций в определенный промышленный и коммерческий проект по установке на крыше был сокращен до 5-6 лет; Устойчивость применения: стабильная работа в условиях от -40℃ до 85℃, установленная мощность в высокогорных районах Тибета (интенсивность света 1800 кВт·ч/м²/год) ежегодно увеличивается на 20%, что делает ее выбором номер один для электроснабжения в отдаленных районах. IV. Итерация технологий: от поликремния к прорыву в области фотоэлектричества следующего поколения
(I) Три основных направления повышения эффективности
Структурные инновации: ячейки HIT (гетеропереход) пассивируют интерфейс аморфный кремний/кристаллический кремний с эффективностью преобразования 26,8% (> 24% для линии массового производства) и температурным коэффициентом всего -0,25%/℃, что более приспособлено к высокотемпературным средам, чем традиционные ячейки PERC (-0,38%/℃);
Расширение материала: лабораторная эффективность ячеек перовскита достигает 26,3%, а эффективность ячеек на основе кремния превышает 33%. Его регулируемые характеристики запрещенной зоны (1,2-2,3 эВ) могут охватывать более широкий спектр и могут стать «потолком эффективности» в будущем;
Оптимизация процесса: ячейки TOPCon повышают эффективность разделения носителей за счет обратного туннельного оксидного слоя (1-2 нм SiO₂), а эффективность массового производства превышает 25%. Производитель запланировал производственную мощность 100 ГВт, что подтолкнет отрасль в «эру эффективности 25%».
(II) Потенциальное вспомогательное значение диоксида марганца
В исследовании новых батарей постепенно появляется применение диоксида марганца:
Модификация проводящего агента: добавление нанолистов MnO₂ к углеродному электроду перовскитной батареи может увеличить скорость переноса электронов на 15% и снизить сопротивление интерфейса;
Функция катализатора: в системе производства водорода с помощью фотоэлектрического электролиза воды MnO₂ используется в качестве катализатора выделения кислорода (OER) для достижения эффективного производства водорода с помощью фотоэлектрической энергии. Хотя это не ядро фотоэлектричества, оно расширило отраслевую цепочку «свет-электричество-водород».
V. Проблемы и будущее: Пусть солнце освещает каждый киловатт-час электроэнергии
Узкое место в кремниевом материале: Производство поликремния потребляет много энергии (120-150 кВт·ч на килограмм электроэнергии), и необходимо продвигать метод псевдоожиженного слоя (потребление энергии снижается на 50%) и технологию переработки электронного кремния (степень восстановления > 90%);
Поддержка накопления энергии: На фотоэлектрическую мощность влияют день и ночь, и необходимо одновременно разрабатывать литиевые батареи (эффективность накопления энергии 90%) и гидроаккумулирующие системы (мощность до уровня ГВт), чтобы достичь скачка от «генерации и использования» к «стабильному энергоснабжению»;
Политическая поддержка: Более 130 стран мира предложили цели углеродной нейтральности, а в Китае распространена «продвижение по всей стране» Ожидается, что политика в области фотоэлектричества приведет к тому, что установленная мощность превысит 100 миллионов киловатт в 2025 году, а размер рынка составит 30% в год.
Заключение
От первой практической кремниевой ячейки (эффективность 6%) в Bell Labs в 1954 году до сегодняшних модулей с эффективностью 26%+, солнечной фотоэлектрической генерации потребовалось 70 лет, чтобы доказать, что прорывы в научных принципах могут преобразовывать природные дары в силу, которая меняет энергетический ландшафт. Когда солнечный свет освещает кремниевые пластины, а электроны упорядоченно перемещаются в PN-переходах, эта технология, основанная на физике полупроводников, не только освещает тысячи домов, но и освещает единственный способ для людей попрощаться с ископаемой энергией. Благодаря постоянному развитию инноваций в области материалов и системной интеграции солнечная фотоэлектрическая генерация станет «самым дешевым и надежным» вариантом энергии, заставляя каждый киловатт-час электроэнергии светиться чистым светом.


author: Hazel
date:2025-05-28