光伏（Photovoltaics, PV）是一个术语，它涵盖了使用具有光伏效应的半导体材料将光转换为电能，这是一种在物理学，光化学和电化学中研究的现象。
典型的光伏系统采用太阳能电池板，每个太阳能电池板包括多个太阳能电池，其产生电能。 PV装置可以是地面安装，屋顶安装或壁挂式安装。 支架可以固定，或使用太阳能跟踪器跟随太阳穿过天空。
太阳能光伏作为一种能源具有特定的优势：一旦安装，其运行不会产生污染，也不会产生温室气体排放，它在电力需求方面表现出简单的可扩展性，硅在地壳中具有大量可用性。
光伏系统的主要缺点是功率输出在阳光直射下效果最佳，因此如果不使用跟踪系统，则会损失大约10-25％。 大气中的灰尘，云层和其他障碍物也会降低功率输出。 另一个重要问题是与主要日照相对应的小时产量集中，这通常与人类活动周期中的需求峰值不匹配。 除非当前的消费和电网的社会模式适应这种情况，否则仍需要存储电力供以后使用或由其他电源（通常为碳氢化合物）组成。
光伏系统长期以来一直用于专业应用，自20世纪90年代以来，独立和并网光伏系统一直在使用。 它们于2000年首次大规模生产，当时德国环境保护主义者和欧洲太阳能组织获得政府资助，用于一万个屋顶计划。
在任何情况下，技术的进步和增加的制造规模都降低了成本，提高了可靠性并提高了光伏装置的效率。 净计量和财政激励措施，例如太阳能发电的优惠上网电价，已经为许多国家的太阳能光伏发电装置提供了支持。 现在有100多个国家使用太阳能光伏。
在水力和风力发电之后，就全球容量而言，光伏发电是第三个可再生能源。 截至2016年底，全球安装的光伏发电容量增加至超过300千兆瓦（GW），约占全球电力需求的2％。 中国，其次是日本和美国，是增长最快的市场，而德国仍然是世界上最大的生产国，太阳能光伏发电占国内年度电力消耗的7％。 凭借目前的技术（截至2013年），光伏发电在南欧地区的1。5年内，在北欧地区的使用寿命为2。5年，可以回收制造这些能源所需的能源。
可再生
根据所考虑的光伏电池的类型，该能量的可再生性质在一定程度上是有争议的，因为光伏板的制造需要能量，其来源目前基本上是不可再生的。 实际上，生产世界上几乎所有光伏电池板的国家（中国，美国，日本，印度）都拥有大量由不可再生能源主导的能源平衡; 例如，中国生产80％的欧洲面板，其中86％的能源来自不可再生能源。
然而，由于技术的不断进步，光伏系统的能量回收率得到了提高。 根据技术的不同，光伏系统在整个运行过程中产生的能量（初级当量）比制造它的能量多20到40倍5。
技术基础
对于能量转换，使用太阳能电池的光电效应，其连接到所谓的太阳能模块。 产生的电可以直接使用，存储在蓄电池中或馈入电网。 在被送入交流电之前 – 产生的电网是逆变器的直流电转换。 太阳能模块和其他组件（逆变器，电力线）的系统被称为光伏系统或太阳能发电机。
名义产量和产量
光伏系统的标称功率通常以符号W p（瓦特峰值）或kW p表示，并且指的是在测试条件下的性能，其大致对应于德国的最大太阳辐射。 测试条件用于标准化和比较不同的太阳能模块。 组件的电气值在数据表中给出。 它在25℃模块温度，1000W / m 2辐照度和1.5的空气质量（缩写为AM）下测量。 这些标准测试条件（通常缩写为STC，标准测试条件）被设定为国际标准。 如果在测试期间无法满足这些条件，则必须通过给定测试条件的计算确定额定功率。
为了比较：近地空间中太阳的辐射强度（太阳常数）平均为1367 W /m²。 （在地面上，大约75％的能量在天气晴朗时到达。）
除了峰值输出之外，决定光伏系统的尺寸和摊销，尤其是年产量，即产生的电能量。 辐射能量每天，季节和天气条件波动。 例如，在德国，与12月相比，12月份德国的太阳能发电厂的产量可高达十倍。 每年更新的具有高时间分辨率的馈入数据可以从2011年开始在互联网上自由访问。
每年的产量以瓦特小时（Wh）或千瓦时（kWh）来衡量。 模块的位置和方向以及阴影对产量有显着影响，屋顶倾斜度为30-40°，朝南方向提供中欧最高产量。 在太阳最大高度（正午太阳）定向时，应在德国固定安装（无跟踪）最佳倾斜度向全国南部约32°，在北部约37度。 在实践中，建议稍微倾斜一个角度，因为那时每天两次（早上和下午）和一年两次（五月和七月），系统最佳对齐。 因此，在开放空间系统中，通常选择这种对准。 尽管可以精确计算每个纬度的一年中分布的平均太阳高度以及理论上最佳的斜率，但是由于不同的，主要是地形相关的因素（例如阴影或特殊的当地天气条件），实际辐射沿着一个不同的方向。 由于相对于入射角的植物依赖性有所不同，因此必须在每种情况下确定最佳取向位置和植物相关。 在这些能量研究中，确定基于位置的全局辐射，其除了直接太阳辐射之外还包括入射在散射（例如云）或反射（例如附近的房屋墙壁或地面）上的漫射辐射。
具体产量定义为每个周期每安装标称输出的功率小时数（Wh / W p或kWh / kW p），并可轻松比较不同尺寸的系统。 在德国，每个模块面积为1 kWp的永久性安装系统具有相当优化的一致性，预计年产量约为1,000 kWh，其中德国北部的价值在900 kWh左右，德国南部则为1150 kWh。
屋顶安装系统
屋顶与光伏系统的电力和太阳能集热器热水生产
安装系统区分屋顶系统和屋顶系统。 在用于倾斜屋顶的屋顶系统中，光伏系统通过安装框架安装在屋顶上。 这种类型的安装最常选择，因为它最容易实现现有的屋顶。
在屋顶系统中，光伏系统集成在屋顶覆层中，并承担屋顶密封和天气保护等功能。 在这种系统中有利的是视觉上吸引人的外观和屋顶覆盖物的节省，从而通常可以补偿更高的组装成本。
屋顶安装适用于平铺屋顶和铁皮屋顶，石板屋顶或瓦楞纸板。 如果屋顶间距太浅，特殊的钩子可以在一定程度上弥补这一点。 屋顶系统的安装通常比屋顶系统更简单和便宜。 屋顶系统还确保太阳能模块的充分通风。 紧固材料必须是防风雨的。
屋顶系统适用于屋顶翻新和新建筑，但不适用于所有屋顶。 瓦屋顶不允许屋顶安装，锡屋顶或沥青屋顶。 屋顶的形状也是决定性的。 屋顶安装仅适用于具有良好朝向太阳轨道的足够大的倾斜屋顶。 通常，屋顶系统比屋顶安装系统需要更大的倾斜角度，以便允许充分的雨水排放。 屋顶系统与剩余的屋顶封闭表面形成，因此从美学观点来看是有吸引力的。 此外，屋顶系统具有更高的机械稳定性，可抵抗雪和风的负荷。 然而，模块的冷却效率低于屋顶系统，这降低了功率和产量。 温度高于1°C会使模块输出降低约1％。 0.5％。
效率
电效率（也称为转换效率）是选择光伏系统的一个因素。 然而，最有效的太阳能电池板通常是最昂贵的，并且可能不是商业上可获得的。 因此，选择也受成本效率和其他因素的驱动。
PV电池的电效率是物理特性，其表示电池对于给定的日照可以产生多少电功率。 光伏电池最大效率的基本表达式由输出功率与入射太阳能的比率（辐射通量乘以面积）给出
效率在理想的实验室条件下测量，并且代表PV材料的最大可实现效率。 实际效率受输出电压，电流，结温，光强度和光谱的影响。
迄今为止最有效的太阳能电池类型是Fraunhofer ISE于2014年12月生产的多结聚光太阳能电池，效率为46.0％。无浓缩的最高效率包括夏普公司使用专有三重材料的35.8％的材料 – 2009年的连接制造技术，以及波音Spectrolab（40.7％也使用三层设计）。 美国SunPower公司生产的电池效率为21.5％，远高于12-18％的市场平均水平。
制造业
总的来说，制造太阳能光伏发电的制造过程很简单，因为它不需要许多复杂或移动部件的顶点。 由于光伏系统的固态特性，它们通常具有相对长的寿命，从10到30年不等。 为了增加光伏系统的电输出，制造商必须简单地添加更多光伏组件，并且由于这种规模经济对于制造商而言是重要的，因为成本随着输出的增加而降低。
虽然已知有许多类型的光伏系统是有效的，但晶体硅光伏占2013年全球光伏产量的约90％。制造硅光伏系统有几个步骤。 首先，多晶硅是从开采的石英中加工出来的，直到它非常纯净（半导体级）。 当加入少量的硼（III族元素）以制备富含电子空穴的p型半导体时，将其熔化。 通常使用晶种，从液态多晶生长该溶液的晶锭。 铸锭也可以在模具中铸造。 用线锯从块状材料切割出这种半导体材料的晶片，然后在清洁之前进行表面蚀刻。 接下来，将晶片放入磷蒸汽沉积炉中，该炉沉积非常薄的磷层，即V族元素，其产生n型半导体表面。 为了减少能量损失，在表面上添加抗反射涂层以及电触点。 完成电池后，电池根据具体应用通过电路连接，并准备运输和安装。
晶体硅光伏器件只是PV的一种类型，虽然它们代表了目前生产的大多数太阳能电池，但是有许多新的和有前景的技术有可能扩大规模以满足未来的能源需求。
另一种较新的技术，即薄膜PV，是通过在真空中在基板上沉积半导体层来制造的。 基板通常是玻璃或不锈钢，这些半导体层由多种材料制成，包括碲化镉（CdTe），铜铟二硒（CIS），铜铟镓二硒（CIGS）和非晶硅（a-Si） ）。 在沉积到基板上之后，半导体层被分离并通过激光划线通过电路连接。 由于与硅基晶片相比制造由薄膜组成的模块的材料要求和成本降低，薄膜光伏现在占光伏总产量的约20％。
其他新兴的光伏技术包括有机，染料敏化，量子点和钙钛矿光伏。 OPV属于薄膜制造类别，通常在12％的效率范围内运行，低于硅基PV通常所见的12-21％。 因为有机光伏器件需要非常高的纯度并且具有相对的反应性，所以它们必须被封装，这极大地增加了制造成本并且意味着它们不适合大规模生产。 染料敏化的PV在效率上与OPV类似，但是更容易制造。 然而，这些染料敏化的光伏电池存在存储问题，因为液体电解质是有毒的并且可能潜在地渗透电池中使用的塑料。 量子点太阳能电池是量子点敏化的DSSC，并且经过解决方案处理意味着它们具有潜在的可扩展性，但目前它们的效率达到12％。 钙钛矿太阳能电池是非常有效的太阳能转换器并且具有用于光伏目的的优异光电特性，但它们昂贵且难以制造。
应用
光伏系统
光伏系统或太阳能PV系统是设计用于通过光伏发电提供可用太阳能的电力系统。 它由几个部件组成，包括吸收和直接将太阳光转换成电能的太阳能电池板，用于将电流从直流电转换为交流电的太阳能逆变器，以及安装，布线和其他电气配件。 光伏系统的范围从小型，屋顶安装或建筑一体化系统，容量从几千瓦到几十千瓦，再到数百兆瓦的大型公用事业规模发电站。 如今，大多数光伏系统都是并网的，而独立系统只占市场的一小部分。
屋顶和建筑集成系统
光伏阵列通常与建筑物相关联：要么集成在建筑物中，要么安装在建筑物上，要么安装在地面附近。 屋顶光伏系统通常被改装到现有建筑物中，通常安装在现有屋顶结构的顶部或现有的墙壁上。 或者，阵列可以与建筑物分开放置，但通过电缆连接以为建筑物供电。 建筑一体化光伏发电（BIPV）越来越多地作为主要或辅助电源来纳入新的家庭和工业建筑的屋顶或墙壁。 有时也使用带有集成PV电池的屋顶瓦片。 如果有空气可以循环的开放间隙，屋顶安装的太阳能电池板可以在白天为建筑物提供被动冷却效果，并且还可以在夜间保持积聚的热量。 通常，住宅屋顶系统具有大约5-10kW的小容量，而商业屋顶系统通常达到几百千瓦。 虽然屋顶系统比地面安装的公用事业规模发电厂小得多，但它们占全球装机容量的大部分。
集中器光伏发电
聚光光伏（CPV）是一种光伏技术，与传统的平板光伏系统相反，它使用透镜和曲面镜将太阳光聚焦到小而高效的多结（MJ）太阳能电池上。 此外，CPV系统通常使用太阳能跟踪器，有时还使用冷却系统来进一步提高效率。 正在进行的研究和开发正在迅速提高其在公用事业规模部门和高太阳能日照领域的竞争力。
光伏热混合太阳能集热器
光伏热混合太阳能收集器（PVT）是将太阳辐射转换成热能和电能的系统。 这些系统将太阳能光伏电池与太阳能集热器相结合，太阳能光伏电池将太阳光转化为电能，太阳能集热器捕获剩余能量并从光伏组件中去除废热。 电力和热量的捕获使得这些装置具有更高的能量，因此比单独的太阳能PV或太阳能热能更加整体能量效率。
发电站
世界各地都建造了许多公用事业规模的太阳能发电场。 截至2015年，579兆瓦（MWAC）太阳能之星是世界上最大的光伏发电站，其次是沙漠阳光太阳能发电场和Topaz太阳能发电场，两者的容量均为550 MWAC，由美国First Solar公司建造，使用CdTe模块，一种薄膜光伏技术。 这三个发电站都位于加州沙漠。 世界各地的许多太阳能发电场都与农业相结合，有些使用创新的太阳能跟踪系统，这些太阳能跟踪系统遵循太阳的天空日常路径，比传统的固定式系统产生更多电力。 在发电站运行期间没有燃料成本或排放。
农村电气化
许多村庄通常距离电网超过五公里的发展中国家越来越多地使用光伏发电。 在印度的偏远地区，农村照明计划一直在提供太阳能LED照明以取代煤油灯。 太阳能灯的售价大约是几个月煤油供应的成本。 古巴正在努力为离网地区提供太阳能。 离网太阳能使用的更复杂应用包括3D打印机。 RepRap 3D打印机采用太阳能技术，采用光伏技术，可实现分布式制造，实现可持续发展。 这些领域的社会成本和效益为太阳能发展提供了极好的理由，尽管缺乏盈利能力已经使人道主义努力失去了这种努力。 然而，1995年发现太阳能农村电气化项目由于经济不利，缺乏技术支持以及南北技术转让的别有用心的遗产而难以维持。
独立系统
直到大约十年前，PV经常被用于为计算器和新奇设备供电。 集成电路和低功率液晶显示器的改进使得可以在电池更换之间为这些设备供电数年，从而使PV的使用不那么常见。 相比之下，太阳能远程固定设备最近在诸如显着的连接成本使得电网功率过于昂贵的位置中使用越来越多。 这些应用包括太阳能灯，水泵，停车计时器，紧急电话，垃圾压实机，临时交通标志，充电站，以及远程警卫岗位和信号。
Floatovoltaics
2008年5月，位于加利福尼亚州奥克维尔的Far Niente酒厂开辟了世界上第一个“浮法”系统，在130个浮筒上安装了994块光伏太阳能电池板，并将它们漂浮在酒厂的灌溉池上。 浮动系统产生大约477千瓦的峰值输出，当与位于池塘附近的一系列小区相结合时，能够完全抵消酒厂的电力消耗。 浮法系统的主要好处是它避免了牺牲可用于其他目的的宝贵土地面积的需要。 在Far Niente酒厂的情况下，浮动系统节省了陆地系统所需的四分之三英亩。 该土地面积可以用于农业。 浮法光伏系统的另一个好处是，面板保持在比在陆地上更低的温度，从而导致更高的太阳能转换效率。 浮板还减少了蒸发损失的水量并抑制了藻类的生长。
在运输中
PV传统上用于太空中的电力。 PV很少用于在运输应用中提供动力，但是越来越多地用于在船和汽车中提供辅助动力。 一些汽车配备太阳能空调，以限制炎热天气的室内温度。 独立的太阳能车辆将具有有限的功率和效用，但是太阳能充电的电动车辆允许使用太阳能来运输。 已经证明了太阳能汽车，船只和飞机，其中最实用的可能是太阳能汽车。 瑞士太阳能飞机Solar Impulse 2实现了历史上最长的不间断单机飞行，并计划在2015年首次实现太阳能航空环球航行。
电信和信令
太阳能光伏发电理想地适用于电信应用，例如本地电话交换，无线电和电视广播，微波和其他形式的电子通信链路。 这是因为，在大多数电信应用中，蓄电池已经在使用中并且电气系统基本上是DC。 在丘陵和山区地形中，由于起伏的地形，无线电和电视信号可能无法到达，因为它们被阻挡或反射回来。 在这些位置，安装低功率发射器（LPT）以接收和重传当地人口的信号。
航天器应用
航天器上的太阳能电池板通常是运行传感器，主动加热和冷却以及通信的唯一动力源。 当太阳能电池板处于阴影中时，电池存储该能量。 在某些情况下，电力也用于航天器推进 – 电力推进。 航天器是最早的光伏应用之一，从美国于1958年发射的Vanguard 1卫星上使用的硅太阳能电池开始。从那时起，太阳能已被用于从MESSENGER探测到水星的任务，到远在太阳系中，朱诺向木星探测。 太空中最大的太阳能发电系统是国际空间站的电气系统。 为了增加每千克产生的功率，典型的航天器太阳能电池板使用由砷化镓（GaAs）和其他半导体材料制成的高成本，高效率和密集的矩形多结太阳能电池。
专业电力系统
光伏器件也可以作为能量转换装置用于高温下的物体，并且具有优选的辐射发射率，例如异质燃烧器。
优点
到达地球表面的122 PW阳光充足 – 比人类在2005年消耗的13 TW相当于平均功率的近10,000倍。 这种丰富性导致了太阳能成为世界主要能源之前不久的建议。 此外，太阳能发电在可再生能源中具有最高的功率密度（全球平均值为170 W / m2）。
太阳能在使用过程中是无污染的，这使其能够在替代其他能源时减少污染。 例如，麻省理工学院估计，每年有52,000人在美国过早死于燃煤电厂的污染，除了其中一例死亡外，其他所有人都可以防止用光伏取代煤炭。 使用现有污染控制可以控制生产废物和排放。 目前正在开发使用终端回收技术，正在制定鼓励生产者回收利用的政策。
光伏装置在初始安装后几乎不需要维护或干预就能运行100年甚至更长时间，因此在建造任何太阳能发电厂的初始资本成本之后，与现有电力技术相比，运营成本极低。
并网太阳能电可以在当地使用，从而减少输电/配电损失（1995年美国的输电损耗约为7.2％）。
与化石和核能源相比，在太阳能电池的开发上投入的研究资金很少，因此存在相当大的改进空间。 然而，在聚光光伏电池的情况下，实验性高效太阳能电池已经具有超过40％的效率，并且效率正在快速上升，而大规模生产成本正在迅速下降。
在美国的一些州，如果房主移动并且买方对系统的价值低于卖方，那么对家用系统的大部分投资可能会丢失。 伯克利市开发了一种创新的融资方法，通过增加与房屋一起转移支付太阳能电池板的税收评估来消除这种限制。 现在被称为PACE，财产评估清洁能源，美国30个州已经复制了这个解决方案。
有证据表明，至少在加利福尼亚州，家用太阳能系统的存在实际上可以增加房屋的价值。 根据Ernest Orlando Lawrence Berkeley国家实验室于2011年4月发表的一篇题为“住宅光伏能源系统对加州房屋销售价格影响的分析”的论文：
该研究发现有力的证据表明，加利福尼亚州的光伏系统家庭的售价高于没有光伏系统的同类家庭。 更具体地说，在大量不同的型号规格中，平均PV保费的估计范围从每安装瓦特（DC）大约3.9美元到6.4美元不等，大多数型号合并在5.5美元/瓦附近。 对于相对较新的3,100瓦光伏系统（研究中光伏系统的平均尺寸），该值相当于约17,000美元的溢价。
限制
生产中的污染与能源
PV已经成为产生清洁，无排放电力的众所周知的方法。 PV系统通常由PV模块和逆变器（改变DC到AC）制成。 PV模块主要由PV电池制成，与制造计算机芯片的材料没有根本区别。 生产PV电池（计算机芯片）的过程是能量密集型的并且涉及高毒性和环境有毒的化学品。 世界上很少有光伏制造工厂生产光伏组件，其光伏产生的能源。 该措施大大减少了制造过程中的碳足迹。 管理制造过程中使用的化学品受工厂当地法律法规的约束。
对电网的影响
随着屋顶光伏系统水平的不断提高，能量流变为双向。 当本地发电量超过消耗量时，电力输出到电网。 然而，电力网络传统上不是为处理双向能量传输而设计的。 因此，可能会出现一些技术问题。 例如，在澳大利亚昆士兰州，截至2017年底，超过30％的家庭拥有屋顶光伏。从2015年开始，着名的加利福尼亚2020鸭子曲线经常出现在很多社区。 当电力从这些光伏家庭流回网络时，可能会出现过电压问题。 有解决方案来管理过电压问题，例如调节光伏逆变器功率因数，分配器级别的新电压和能量控制设备，重新导电线，需求侧管理等。通常存在限制和成本相关的问题。这些解决方案
对电费账单管理和能源投资的启示
电力或能源需求和账单管理中没有银弹，因为客户（站点）具有不同的特定情况，例如不同的舒适/便利需求，不同的电费或不同的使用模式。 电价可能有一些因素，例如每日访问和计量费用，能源费用（基于kWh，MWh）或峰值需求费用（例如，一个月内最高30分钟能耗的价格）。 当电价相当高并且不断增加时，PV是一种很有前景的减少能源充电的选择，例如在澳大利亚和德国。 然而，对于具有高峰需求费用的站点，如果高峰需求主要发生在下午晚些时候到傍晚，例如住宅社区，则PV可能不那么有吸引力。 总体而言，能源投资在很大程度上是一项经济决策，最好根据对运营改进，能源效率，现场发电和能源储存方案的系统评估做出投资决策。