想知道太陽能電池工作的秘密嗎？

實際上，人類能源生產只有兩個可能的終點，並且都與核聚變有關。要麼我們找到一種在地球上創造微小、可控的核聚變反應的方法（核聚變能源），要麼我們找到一種有效地收集太陽系中已經存在的巨大核聚變反應堆所釋放的大部分能量的方法（太陽能）。太陽能選項的好處在於它可以逐步實現，在逐漸接近臨界點的過程中爲我們提供部分作用，屆時它可以滿足我們大部分的電力需求。但是，太陽能的核心重要組成部分——太陽能電池是什麼，它又是如何工作的？

太陽能電池，也稱爲光伏電池，被定義爲能夠捕獲光子部分能量的任何裝置，並以電能的形式將該能量傳遞給設備或存儲介質。並非所有的太陽能都是光伏性質的，因爲一些太陽能技術直接收集吸收光子的熱量，而不是它們的能量。不過，根據這樣一個一般性的定義，術語“光伏”涵蓋了形形色色的不同技術。

穿着兔子服的人們正在製造太陽能電池板。

然而，它們都有一個共同點：它們利用光子的能量將電池半導體材料中的電子從非導電能級激發到導電能級。複雜的地方在於並非所有光子都一樣。光以波長和能級的無意義混合形式到來，並且沒有一種半導體材料能夠完全吸收所有的光。這意味着爲了提高對太陽輻射的捕獲效率，我們必須製造使用不止一種吸收材料的混合（“多結”）電池。

每種半導體材料都有一個特有的“帶隙”或電子能量譜，材料根本無法適應。這個間隙位於電子的激發態和未激發態之間。處於靜止狀態的電子，除非接收到足夠的多餘能量直接躍過這個帶隙，否則無法被激發到有用狀態。硅具有良好的、可實現的帶隙，一個可以通過單個光子的額外能量來跨越的帶隙。這使得硅能夠很好地處於導通（導電）或者截止（不導電）的狀態，這取決於其潛在導電電子的位置。

從某種意義上講，像 石墨烯 這類材料用作光伏電池的基礎，可能比硅更合適，因爲它的電效率高得令人難以置信，而且在面板上有可能實現更密集的封裝——但關鍵問題又在於帶隙，以及石墨烯無法被入射光子的能量有效激發。一些複雜的石墨烯器件，比如雙柵雙層石墨烯晶體管。然而，實際製造這類器件所存在的問題，至少就目前而言，抵消了潛在的收益。

在太空中收集太陽能要容易得多，不過隨後你得把它切實帶回地表。

真正的進展得等到找到一種價格合理的超級材料才行，這種材料能提供有用的帶隙，同時在機械和電子性能方面還能大幅優於硅。在此之前，臨時的解決方案已經成功極大地提高了硅基面板的功能。

抗反射塗層總體上增加了光的吸收量，而晶體管自身的化學“摻雜”能夠提升硅的光學能力。一些太陽能裝置利用鏡子場把儘可能多的太陽輻射集中到中心的幾個高容量電池上。現在很多甚至被設計成了光捕獲裝置，所以進入的光在內部不停地反彈，直到最終全部被吸收。去年秋天，密歇根大學的研究人員甚至研發出了一種 完全透明的太陽能電池。

熱量或許會在太陽能裝置中變得愈發重要，因爲任何未被電子吸收的輻射至少會部分以原始熱量的形式被吸收。利用這種熱量來燒水，甚至直接給房屋供暖，可能有助於民用太陽能提高整體效率，即使電子超級材料仍在奮起直追。

像太空太陽能這類更前沿的概念，在光線穿過地球大氣層之前捕獲光線，從而提供了一些潛力；例如，日本希望在太空中產生 10 億瓦的太陽能。問題是如何將能量傳輸到地表，在那裡它對人類有用。日本的該項計劃希望爲此使用激光，但總體而言，繞過大氣層是否會被證明是一個成功的策略還不得而知。

幾十年來，那些過早宣稱有這樣一種成功的總體戰略以及太陽能即將佔據主導地位的頭條新聞，一直困擾着太陽能電池。現實情況是，在工程領域幾乎肯定永遠不會有這樣的頓悟時刻。太陽能電池技術將會得到修正和升級，直到基於可負擔性、電力存儲和傳輸技術的狀況以及當地的年日照水平，通過某個抽象的閾值。

在全國範圍內任何真正嘗試推廣綠色能源的行動中，各類太陽能都將至關重要。除非核聚變實現巨大突破，或者傳統核能變得大爲流行，否則你可以打賭太陽能將是我們能源未來的重要組成部分。