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太陽能光電

太陽光電系統，也稱為光生伏特，簡稱光伏（Photovoltaics；字源「photo-」光，「voltaics」伏特），是指利用光電半導體材料的光生伏打效應而將太陽能轉化為直流電能的設施。光電設施的核心是太陽能電池板。目前，用來發電的半導體材料主要有：單晶矽、多晶矽、非晶矽及碲化鎘等。由於近年來各國都在積極推動可再生能源的應用，光電產業的發展十分迅速[1]。

生產中的太陽能光電電池
位於柏林郊區的太陽能裝置
「光電樹」在奧地利施蒂利亞州

截至2010年，太陽能光電在全世界上百個國家投入使用。雖然其發電容量仍只佔人類用電總量的很小一部分，不過，從2004年開始，接入電網的光電發電量以年均60%的速度增長。到2009年，總發電容量已經達到21GW[2]；截至2021年底，全球累計光電裝機940GW（其中亞太地區光電累計裝機達547.7GW，佔全球總量58%；歐洲地區累計裝機為205.4GW，佔全球總量22%；美洲地區光電累計裝機容量為161.8GW，佔全球總量17%；中東和非洲地區光電累計裝機容量為25.1GW，佔比2.7%）[3] ，是當前發展速度最快的能源。據估計，2009年沒有聯入電網的光電系統，目前的容量也約有3至4GW[2]。

光電系統可以大規模安裝在地表上成為光電電站，也可以置於建築物的房頂或外牆上，形成光電建築一體化。

自太陽能電池問世以來，使用材料、技術上的不斷進步，以及製造產業的發展成熟，都驅使光電系統的價格變得更加便宜[4]。不僅如此，許多國家投入大量研發經費推進光電的轉換效率，給與製造企業財政補貼。更重要的，上網電價補貼政策以及可再生能源比例標準等政策極大地促進了光電在各國的廣泛應用。

原理

主條目：光生伏打效應

光生伏打效應（英語：Photovoltaic effect），簡稱為光電效應，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。最早於1839年由法國物理學家亞歷山大·愛德蒙·貝克勒爾發現[5][6]。

光電組件由許多光電電池互連組合而成，其效率描述了多少陽光被轉化為電能。例如，一塊效率為20％的面板在1000瓦的日照下，每小時它將產生200瓦時的電能。光電組件的朝向會影響發電效率。[7]

應用

1954年，貝爾實驗室製成效率為6%的光電電池；自1958年起，光電效應以光電電池的形式在空間衛星的供能領域首次得到應用。時至今日，小至自動停車計費器的供能、屋頂太陽能板，大至面積廣闊的太陽能發電中心，其在發電領域的應用已經遍及全球。薄膜太陽能電池（英語：Thin film solar cell）是先進的第三代太陽能電池（英語：Third generation solar cell）。它們以較低的成本生產高效率的轉換。

系統

太陽能交流發電系統是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變器。[8]

局限

  • 生產過程

  太陽能板的原材料和電腦晶片原材料一樣。大量生產過程中需要大量能源，有毒有害化學物質。化學物質主要靠工廠所在地法律法規管控。某些太陽能工廠已經安裝太陽能系統，用太陽能系統產生的清潔能源生產太陽能板。

  • 對電網的影響

  截至2017年12月，澳洲東部昆士蘭州有超過31%居民擁有屋頂太陽能系統，平均安裝功率超過3.5千瓦（世界第一）。但是高太陽能系統普及率也給電網電壓帶來問題。居民區中午用電量低，主要以出售電力給電力公司為主。傳統電網並沒有考慮雙向電力輸送。在居民區電力大額傳輸回電網的時候，電壓會逐步抬高，而且可能超過電器設備可承受範圍[9]。科學研究已經有方法解決這種問題，但是都有各種成本考慮，例如，在中壓電網額外增加電壓控制裝置。

對於其他國家或地區的啟示：沒有系統性的分析和規劃，單一鼓勵促進太陽能在居民區的普及會帶來新的風險。更好的方式之一是，通過稅收或其他鼓勵措施，促進工業和商業用戶的太陽能系統安裝。因為工商業用戶主要用電高峰經常在白天，太陽能系統在日照白天發電，補充工商業用電，降低工商業對電網的壓力。

  • 對能源投資和電費管理的影響

  現實生活中的問題經常複雜多變，原因錯綜複雜。對於能源投資和電費管理也是同樣的道理，沒有適合每個方案的萬用靈丹。太陽能系統投資也許是很好的選擇，如果：當地陽光充足，電價較高而且持續漲價，政府通過財政或金融方式大力支持，電力可賣回給電力公司 （澳洲和德國）。投資回報經常是能源投資的主要考量。但是系統性的檢查，評估和分析，也許會發現，在目前市場條件下，一套綜合性的方案是最合適的。例如，通過房屋建築能效提高[10]，既有設備運行的改善[11]，和太陽能系統投資[12] ，可能會提供業主最好的投資回報[13]。

發展

太陽能電池本身的最新發展是第三代光電電池技術，旨在突破肖克利-奎伊瑟極限的31至41%效率上限。

在運用上，有研究發現在漂浮太陽能比在陸上裝置太陽能板有更多好處，包括：

  • 不用佔用土地
  • 水有助降溫，能提高太陽能電池的效率
  • 佈置在儲水設施的話有助減少儲水被蒸發掉。

全球應用發展

全球太陽能光電發電統計 [14]
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
裝置量(MW) 639 871 1,252 1,746 2,809 4,245 5,714 8,230 14,855 22,938
發電量(GWh) 1,177 1,463 1,831 2,329 3,054 4,249 5,818 7,864 12,721 21,092
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
裝置量(MW) 39,455 71,251 100,677 137,260 178,090 226,907 302,782 399,613
發電量(GWh) 33,829 65,211 100,925 139,044 197,671 260,005 328,182 442,618
佔全球發電量比 0.16% 0.29% 0.44% 0.59% 0.83% 1.07% 1.32% 1.73%
全球太陽能光電裝置量百萬瓦（MW）前十國
國家 2017[15] 2018[16] 2019[17]
  中華人民共和國 130,632 175,018 205,072
  日本 48,600 55,500 61,840
  德國 42,394 45,930 48,960
  美國 41,131 49,692 60,540
  意大利 19,692 20,120 20,900
  印度 19,047 26,869 34,831
  英國 12,791 13,108 13,398
  法國 8,195 9,483 10,562
  澳洲 6,413 9,763 15,928
  南韓 5,602 7,862 10,505

環保問題—碳排放與毒廢料

製造太陽能電池時必須把源材料石英（二氧化矽）純度提升致冶金級矽晶，這過程會使用消耗大量能量、加熱到1800℃以上的熔爐。 這就是太陽能電池的碳排放，現有技術下，太陽能電池的碳排放一般為41g/kWh，[18]是聚光太陽能熱發電（20g/kWh）[19]的2倍及風力發電（11g/kWh）的4倍。[18]但這數值會隨製造地區的能源來源、太陽能電池的壽命及使用地點的環境而改變。若製造太陽能所在地區是用燃煤發電的話，碳排放就會增加，例如在中國製造會導致較在美國製造高一倍；[18]太陽能電池的壽命較長的話，碳排放就會減少；太陽能電池的使用環境會影響太陽能電池的效率及壽命，例如浮在水面的太陽能電池因為有水幫助降低溫度，發電效率能有所增加，從而降低碳排放。[18]

製造太陽能電池過程中會產生不少有毒氣體，毒性高的有的如三氯氫矽 、四氯化矽、三氯氧磷、氫氟酸等，即使毒性較低的氣體也多會做成酸雨。[18]

太陽能電池的壽命完結、棄置後就成了廢料，以每單位能源計算，太陽能電池發電所產生的廢料是核能的300倍[20]。相比核能，製造太陽能電池的廢料在技術上是可以回收的，但因為不像核廢料有即時危險性，而且沒有經濟誘因甚至需要經濟補貼，若在沒有有效監管的情況下基本上是不可行。

由於太陽能電池中含有塑料、鉛、鎘和銻等對環境有害的物質，除了封裝太陽能電池的外殼外，太陽能電池本身當成一般玻璃回收的話會釋出有毒物或對環境有害物質。在2023年，全球只有位於法國的威立雅公司開發出能回收整片太陽能電池90%材料的工藝並以商業模式運作；同期，其他技術有的可以達到95%並將金屬、矽及玻璃分離，有的則能達到100%回收，但這些也未達致商物化。[18]隨着早年開始大規模投入使用的太陽能電池快將陸陸續續壽限期滿，太陽能電池回收變得重要。

經濟學

參見：光電陣列

硬件成本

 
自1977年以來晶體矽太陽能電池的每瓦價格歷史

1977年，晶體矽太陽能電池價格為76.67美元/瓦。[21]

儘管由於德國和西班牙的慷慨補貼和多晶矽短缺導致早在2000年代初期，批發模塊價格在3.50美元/瓦至4.00美元/瓦之間保持穩定，但在2008年市場崩盤後，西班牙補貼突然終止，需求崩潰，價格迅速降至2.00美元/瓦。儘管收入下降了50%，但由於創新和成本降低，製造商仍能保持正面運營利潤。2011年底，晶體矽光電模塊的出廠價格突然跌破了1.00美元/瓦的大關，這讓許多行業內的人感到意外，導致世界範圍內許多太陽能製造公司破產。1.00美元/瓦的成本在光電行業通常被視為實現光電發電網絡平價的里程碑，但大多數專家不認為這個價格點是可持續的。技術進步、製造工藝改進和行業重組可能意味着進一步降低價格是可能的。[22] Solarbuzz集團監測的太陽能電池的零售平均價格從2011年的3.50美元/瓦下降到了2011年的2.43美元/瓦。[23] 到2013年，批發價格已降至0.74美元/瓦。[21] 這被引用為支持「斯旺森定律」的證據，這個觀察類似於著名的摩爾定律，它聲稱隨着行業產能翻倍，太陽能電池的價格下降20%。 [21] 弗勞恩霍夫研究所將「學習率」定義為隨着累積產量翻倍的價格下降，1980年至2010年間下降了約25%。儘管模塊的價格下降迅速，但當前逆變器的價格下降速度要低得多，在2019年佔到每千瓦峰功率成本的61%，而在2000年代初僅佔四分之一。[24]

請注意，上述價格是裸模塊的價格，另一種看待模塊價格的方式是包括安裝成本。根據美國太陽能產業協會的數據，2006年家庭屋頂光電模塊的安裝價格從每瓦9.00美元下降到2011年的每瓦5.46美元。包括工業安裝支付的價格，全國平均安裝價格降至每瓦3.45美元。這比世界其他地方要高得多，在德國，家庭屋頂安裝的平均價格為每瓦2.24美元。據認為，這種成本差異主要基於較高的監管負擔以及美國缺乏國家太陽能政策。[25]

截至2012年底，中國製造商的最便宜模塊的生產成本為每瓦0.50美元。[26] 在某些市場，這些模塊的分銷商可以獲得可觀的利潤，以工廠門市價購買，然後以市場支持的最高價格出售（「基於價值定價」）。[22]

在加利福尼亞州，2011年太陽能光電達到了網絡平價，通常定義為光電發電成本在零售電力價格之下（儘管通常仍高於煤炭或燃氣發電的電廠價格，未計算分佈和其他成本）。[27] 2014年，在19個市場中實現了網絡平價。[28][29]

電力的平均成本

 
AWM慕尼黑ETFE氣墊光電

電力的平均成本（LCOE）是每千瓦時的成本，基於項目壽命周期內分攤的成本，並被認為是比每瓦價格更好的衡量可行性的指標。LCOE根據地點的不同而大不相同。[22] LCOE可以被視為客戶為了使公用事業公司在新發電站投資上達到盈虧平衡所必須支付的最低價格。[30][31] 當LCOE降至與傳統本地電網價格相似時，大致實現電網平價，儘管實際上計算不是直接可比的。[32] 2011年，加利福尼亞的大型工業光電裝置已實現電網平價。[33][32] 到那時，屋頂系統的電網平價仍被認為遙不可及。[32] 許多LCOE計算被認為不準確，並且需要大量假設。[22][32] 模塊價格可能會進一步下降，太陽能的LCOE可能會相應下降。[34]

因為能源需求在一天之內上升和下降，而太陽能受到太陽落山的限制，太陽能公司還必須考慮為電網提供更穩定的替代能源供應的額外成本，以穩定系統，或以某種方式儲存能源（目前的電池技術不能儲存足夠的電能）。這些成本沒有納入LCOE計算，特殊的補貼或優惠也沒有納入其中，這可能會使購買太陽能更有吸引力。[35][36] 太陽能和風能發電的不可靠性和時間變化是一個重大問題。這些不穩定的能源來源過多可能會導致整個電網的不穩定性。[37]

截至2017年，美國太陽能電廠的電力購買協議價格低於0.05美元/千瓦時，在一些波斯灣國家的最低報價約為0.03美元/千瓦時。[38] 美國能源部的目標是實現太陽能光電的電能LCOE為每千瓦時0.03美元的水平。[39]

內部連結

外部連結

參考資料

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