在直射太阳光下，太阳能光伏电池提供电能，太阳能集热器仅提供热水或者热气而不提供电能，两者不应被混淆。太阳能电池可为电池充电，主要被用在未连接电网的地方，比如灯塔、登山站、度假别墅，或是轮船、篷车、割草机等车载设备上。太阳能电池也可用于室外照明，例如公交站可以因此避免安装电线。当太阳能电池价格降低时，将会有更多的与电网并网的应用，例如朝南屋顶和立面的太阳能电池。
1）太阳能电池的工作原理
太阳能电池可以分为三代，运用最普遍的是硅太阳能电池。一般情况下，它们的效率为13%。第二代是薄膜太阳能电池，从技术上讲，他们与硅电池一样，但是造价是硅电池的1/5。第三代纳米晶太阳能电池目前仍在研究阶段。太阳能电池将太阳辐射直接转换成电能。单晶太阳能电池由两层极薄的硅片组成，在两硅片之间有一个强电场，电场将电子分开并使该电场发生作用。上层覆磷的硅片是负极，下层覆硼的是正极，两硅片层被阻隔层分开。阳光照射到太阳能电池上，当能量积蓄超过某临界值时，硅原子的电子脱离束缚，产生自由电子和允许电子穿越阻隔层的空穴。空穴和电子朝不同方向移动，于是产生了电压和可利用的电能（图3-129）。太阳能电池的寿命为40年。他们产生直流电，所以需要电池或者通过逆变器接入电网供长久使用。
（1）不同类型的太阳能电池。市场上有两类太阳能电池：价格昂贵、效率高的单晶硅电池（占已生产的太阳能电池的90%以上）和廉价但效率较低的多晶硅电池（图3-130，表3-8）。两种技术的太阳能电池总价差不多。① 单晶硅。单晶硅一直以来都是太阳能电池最常用的材料。它的缺点是生产成本较高且耗能，因为它要求绝对清洁，晶体必须被细心维护。② 多晶硅。多晶硅的生产成本较低但是效率不高。单晶硅和多晶硅的不同之处在于，多晶硅由许多小的晶体紧密排列组合而成，而单晶硅是由一个独立硅晶体组成的。③ 非晶硅。尽管组成元素相同，非晶硅和晶硅的特征却完全不同，因为非晶硅的原子不是以晶体结构组织，而是随机排列的。他们像薄膜细胞，不需要太多材料，使成本得以降低。这种物质不稳定，所以寿命较短，因此大多用于消费品。④ 砷化镓。由半导体材料砷化镓制造的太阳能电池具有很高的效率。它们通常被用在太空领域。该材料生产和制造的价格昂贵，且砷是一种有毒物质。
图3-129 太阳能电池原理图
太阳光中的光子使硅原子上的电子脱离束缚，产生自由电子和空穴。电子沿电线流动
图3-130 太阳能电池的不同类型
太阳能电池依据颜色、效率等级和其他特性可以分为不同的种类。多晶电池的颜色有很多种，而铜铟镓硒（CIGS）电池则是天然纯黑色
图3-131 太阳能电池不同安置角度的电力生产情况
在瑞典最佳的安置方位是朝南45 仰角，该图显示了偏离这个角度时发电量的减少情况。资料源于笔者改编 自“Solel i bostadshus-vägen till ett ekologiskt hållbart boende?”，玛丽亚 布罗根（Maria Brogren）安娜 格林（Anna Green），2001
（2）太阳能电池的安放。太阳能电池安置的倾角、朝向和遮挡都是至关重要的（图3-131）。有一种太阳能电池板可以随太阳轨迹变化而移动（图3-132）。关于太阳能电池光学聚光的研究正在进行中。太阳能电池的效率随太阳能板的温度升高而降低，反之亦然。立面上的通风缝可以将太阳能板的温度降低至20℃。在北半球，每年阳光能提供给朝南倾斜的太阳能板表面的能量大约是1 000 kWh/m2，在平均10%的效率下，每平方米太阳能电池每年可发电100 kWh。
（3）价格。供度假别墅使用的常规太阳能电池通常由一个重约5 kg的晶体硅模组（0.5 m×1 m）组成（图3-133）。太阳能电池的成本包括太阳能电池、太阳能电池的支架、蓄电池、调节器、安设电线和电器组成。在瑞典，一个耗电80 W的假日别墅需要花费约1 350欧元（2009）。安置在建筑屋顶和立面上的和太阳能并网发电系统每供电1 kW大约花费5 500欧元，这样的装置可得到高达总造价60%的补贴（图3-134）。随着太阳能电池产量的增加，电池本身的成本逐步下降。目前其价格已然稳定在每 MW 2.5欧元左右（峰值瓦，指的是在一天正午日照最强时太阳能电池所产出的瓦数）。为了使太阳能电池的使用产生质的突破，其价格必须有大幅下降，就要求太阳能电池技术更新和大规模生产。
表3-8 太阳能电池的效率
（4）发达国家。在一些国家已有旨在推动太阳能电池发展的运动（图3-135）。其中第一次是1994年在日本，计划在10 000个屋顶上安装光电设备，其中1/3的成本由政府资助。1999年，在德国也开展了类似的运动，其目标是在100 000个屋顶上安装屋顶PV系统。德国有一套极具吸引力的补贴政策：每千瓦时的太阳能电池发电可在20年期限内得到50美分补贴。德国已经以53%的年增长率成为世界上最大的光电设备市场，当今德国仅次于日本成为PV设备的第二大生产国。在欧洲，最大的光电设备产量来源于德国、希腊和奥地利。美国则排名世界第三。2007年，加州政府决定在10年内投入34亿美元用于为100万个屋顶安装光电设备。在斯德哥尔摩可投入使用的太阳能几乎与巴黎相当，其最大的区别是：在瑞典，11月、12月和1月可获得的太阳能辐射量极低，而南部国家太阳能电池全年都可投入使用。尽管气候条件受限，光电设备也已在瑞典应用。在瑞典，2007年太阳能光伏发电的安装容量约达4 MW，其中大部分都是小型光伏电板，譬如在小木屋、船或灯塔上，宜家在阿姆胡特（Älmhult）的总部大楼是瑞典最大的应用太阳能发电的建筑之一，峰值输出功率可达60 kW。有赖于政府的补助政策，更大规模的太阳能发电站正在投入建设。在哥德堡的乌利维体育场（Ullevi）已经安装了600 m2的PV设备，博斯塔德（Båstad）的一个网球场也安装了太阳能电池。将太阳能电池和建筑本身相结合也成为一种趋势，并在一些地方得以实现。例如在斯德哥尔摩哈默比湖城（Hammarby Sjöstad）的住宅、马尔默技术大学和哥德堡能源办公大楼。斯堪的纳维亚半岛规模最大的太阳能电池发电站位于马尔默的赛格（Sege）园区，于2008年建成，电厂拥有1250 m2的太阳能电池，最高峰值输出功率为166 kW。
图3-132 可追踪太阳轨迹的移动式太阳能电池组
图3-133 太阳能电池模组的形成过程
太阳能电池排列形成太阳能电池板，太阳能电池板再组成太阳能电池模组
图3-134 1990 2004年太阳能电池每千瓦时发电量的价格状况
太阳能电池的生产量逐年速增，价格（以美分计算）也开始渐渐降低。资料源于《瑞典日报》，2007-02-02
（5）发展中国家。在许多发展中国家，太阳能电池系统的造价低于电网扩展的造价。这些地方，尤其是农村学校，对照明用电的需求巨大（图3-136）。例如卫生站冷藏疫苗和照明的用电。通过太阳能发电使没有电网的地方却可以维持通信畅通。一种新颖的方案是在太阳光充足时抽水并将水储存在储存箱中或水库中，这样的好处是不需要电池。
（6）大规模利用太阳能。太阳能可以给我们需要的所有能源。如果我们将撒哈拉沙漠7%的表面覆以太阳能电池板，就可以为全世界提供所需的能源。现在的问题是如何降低太阳能电池的造价。太阳能电池可以安装在建筑上，这样大量的太阳能发电就可以就地生产。如果我们在沙漠生产太阳能电，所生产的电力可以用来通过电解水产出氢气。世界上最大的太阳能电站（1GW）之一在中国内蒙古自治区的柴达木。奥莫尔（Åmål）的清洁能源公司研发了应用抛物线形太阳能集热器的发电机组，聚焦的太阳热量集中到斯特林引擎，然后再带动发电力发电（图3-137）。该太阳能发电站广泛应用于日照充足的国家，如迪拜、科威特、埃及、西班牙、意大利和希腊。由马尔默的柯肯公司（Kockums）研发的斯特林引擎是加利福尼亚两个大型太阳能电厂的核心（图3-138）。其中一个在莫哈韦沙漠，拥有20 000面太阳能反射镜，装机容量可达500 MW。另一个则是在帝王谷，拥有12 000个太阳能发电单元，装机容量可达300 MW。
图3-135 1992 2006年国际能源署（IEA）国家已装太阳能电池的输出量柱状图
上部显示了并网的太阳能电池功率，下部显示了离网的太阳能电池功率。资料源于国际能源署的报告IEA-PVPS T1-16:2007
图3-136 NAPS魔力灯
在没有电网供电的地区，一盏灯在夜晚能显著提升生活质量
图3-137 位于法国比利牛斯山区丰罗默－奥代洛维阿（Font-Romeu）的奥德洛（Odeillo）
照片右边是清洁能源公司的太阳能发电站，它利用反光镜汇聚太阳能热量，并把能量转至发动机，将热能转换为电能。照片左边的建筑建于1970年，利用立面汇聚太阳光线。资料源于www.cleanergyindustries.com
2）不同的系统
最简单的系统不外乎包括太阳能电池、蓄电池和保护蓄电池的稳压器，稳压器可以延长电池的寿命。用电设备通常适用于12V，但是在系统中安装一个转换器，可将电压转换成电器可以应用的220 V电压。在并网的系统内，太阳能发电被转换成220 V。在有太阳光照时用自发电，多余的电力卖给电网。当在夜间或者阴天的时候，用户可以从电网购买电力。这样的系统不需要蓄电池，这是一个明显的优势，因为在系统所有组件中蓄电池的寿命是最短的。还有其他系统，它们不仅有蓄电池，还同电网相连，可以同时以交流电和直流电的形式工作（图3-139）。这样结合的系统在经常用电短缺的地方很适用。在奥莫尔（Åmål），清洁能源公司建设了太阳能发电站，依靠带有太阳能收集器的综合的小的斯特林引擎（在地中海纬度范围使用）。
3）新型太阳能电池技术的发展(www.xing528.com)
（1）铜铟镓硒（CIGS）电池。CIGS电池是一种相对新型的太阳能电池（图3-140）。瑞典是开发这种薄膜状太阳能电池的佼佼者。研究正在乌普萨拉的埃格斯特朗（Ångström）实验室进行，其他一些地方也在进行。这种电池的缺点是在制造时容易出现问题。
（2）塑料太阳能电池。塑料太阳能电池比其他类型的太阳能电池更便宜，耗能更低，但是光电转换效率也较低（最高仅能达到6.5%）（图3-141）。这种电池可以在各种类型的表面大面积覆盖，许多研究团队都在该领域工作。
（3）产生氢气的太阳能电池。一种利用太阳光照将水分解成氧气和氢气的太阳能电池正在研发中。其目的是将太阳能以氢气的方式储存起来，然后在燃料电池中将氢气转换成电能（图3-142）。这样的研究正在一些地方进行，比如日本产业技术综合研究所、美国科罗拉多州古登的国家可再生能源实验室、瑞典隆德大学、斯德哥尔摩大学和乌普萨拉大学联合研究机构等。一些研究涉及让太阳光线照射到复杂的分子上，这些分子可以释放电子然后用于产生氧气。在日本，利用金属氧化物微粒的试验即将完成。在瑞典，则利用钌化合物和锰化合物进行研究。
图3-138 太阳能发电站3 7号
该发电站是太阳能发电系统公司在美国加利福尼亚克雷默叉口（Kramer Junction）的太阳能发电站。太阳能发电也可以采用利用汇聚光线驱动蒸汽轮机的方法。反光镜将阳光聚焦到充满了合成油的中心管，将其加热到400 ℃。聚焦的光线强度可以达到正常光线的71到80倍，合成油将热量转移到水，产生的蒸汽驱动蒸汽轮机，再带动发电机发电。合成油取代水来传递热量可以保证足够的压力。资料源于维基百科
图3-139 带蓄电池的并网太阳能电池系统
插图为列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）绘制
图3-140 铜铟镓硒（CIGS）电池构造
图3-141 塑料电池的工作原理
一个光子会打破高分子链对电子的束缚，留下一个空穴，太阳能电池将电子引走，它随即通过电路返回，与空穴复合。廉价、快速生产的产品：① 用金属焊点的旋转压力将薄的塑料薄膜压在太阳能电池上。② 两种不同颜色的太阳能塑料，更好地利用光的能量。③ 导电层和保护层放在塑料层的上面。④ 细胞折叠起来，这样的话光可以在细胞之间反弹。V型的太阳能电池能捕捉几倍的光：① 带有不同颜色光子的光落到太阳能电池上。② 绿色的板吸收能量弱的红色的光。③ 红色的板吸收能量强的绿色的光。④ 其余的光反射到其他板上。越多的光反射，越多的光转化为电能。资料源于林雪平（Lindköping）大学《应用物理学报》
图3-142 产生氢气的太阳能电池
图3-143 格拉兹尔（Grätzel）电池
（4）格拉兹尔（Grätzel）电池。格拉兹尔（Grätzel）电池是模仿绿色植物光合作用机理的染色敏化太阳能电池（图3-143）。这种电池使用半导体材料和钛的氧化物。它们区别于普通电池的地方在于半导体表面覆以传导电流（电解液）的涂料和液体，这些覆体和液体代替金属来充当电子的运送器。光线被覆体吸收，其电子朝有孔的钛氧化物移动。这种电池造价低廉并可以回收利用，但是对于长期使用，其稳定性较差。对于格拉兹尔电池的研究正在位于乌普萨拉的埃格斯特朗（Ångström）实验室中进行。
（5）人造光合作用。在斯德哥尔摩大学阿雷纽斯（Arrenius）实验室的研究试图模仿光合作用，钌用来代替叶绿素。金属的作用机制恰如叶绿素，它吸收太阳光线，释放能量。太阳能将水分解成氧气、电子和质子。锰络合物和酪氨酸与钌相作用。酪氨酸是一种氨基酸，它和锰络合物一起将太阳光线转化成化学能，最后产生氧气。氧气可以在燃料电池中产生电。
小贴士3-2 太阳能电池利用实例——光伏和建筑一体化设计
当太阳能电池越来越普及的时候，它将成为建筑的自然的一部分（图3-144）。立面模块、太阳能屋顶和屋顶太阳能瓦在外立面由太阳能电池组成的情况下得到发展（图3-145）。有一种半透明的太阳能电池板，将其和建筑分开一定距离，自然光线就可以透过太阳能板进入建筑（图3-146）。还有可以遮蔽阳光的产品，将其安装在窗前，这种产品也是太阳能发电机，它们可以是移动的，也可以是固定的，可以对太阳光和降雨进行遮挡（图3-147）。纽兰德（Nieuwland）位于荷兰阿默斯福特市（Amersfoort），城区内所有建筑都安装了太阳能电池（图3-148）。
图3-144 作为屋顶覆盖的太阳能电池
图3-145 作为立面构件的太阳能电池
图3-146 安装在环境培训中心上的透明太阳能电池组
该电池组在荷兰博克斯特尔附近
图3-147 作为遮阳板的太阳能电池
精细沉淀池是在污水净化过程的最后阶段使用的
图3-150 传统污水处理厂的处理流程
增加了沉淀、凝结化学物质以及用氯处理的过程，生成了物理的、生物的和化学的污泥。25%左右的污泥散布在田野上，其他的都进了垃圾填埋场
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