1849年，“光－伏”（photo-voltaic）一词出现，意指由光产生电动势。到了1950年代，随着人们对半导体物理性质的逐渐了解，美国贝尔实验室于1954年发现，在硅中掺入一定量的杂质，会使其对光更加敏感，并制作出了第一个有实际应用价值的太阳能电池。
发电靠太阳
（图源：blog.sciencenet.cn）
在掺杂的杂质作用下，P型硅材料具有较多带正电的空穴，而N型硅则具有较多带负电的电子。电子和空穴相对扩散、复合，在P型和N型硅材料的接触表面产生一个由N型硅指向P型硅的内建电场。当入射的太阳光被吸收时，内建电场处产生的电子将会受电场作用而移动至N型硅处，空穴则移动至P型硅处，在两侧分别累积。若以导线相连，就可以产生电流了。
虽然这么神奇的电池板可以直接把光转换成电，但可不是什么光都可以的。事实上，太阳光（太阳辐射）在穿过大气层到达地面的过程中，大气中的空气分子、水蒸气、尘埃等会对太阳光产生吸收、反射、散射等作用，这些作用不仅会使太阳光的辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。也就是说，到达地面的太阳光通常由直接太阳辐射和散射太阳辐射组成。
直接太阳辐射是指直接来自太阳，其辐射方向不发生改变的辐射。散射太阳辐射是指被大气中的空气分子、微尘、水汽等吸收、散射和反射的一部分太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。
（图源：nengyuanjie.net）
在太阳电池组件工作的过程中，实际上主要是直接太阳辐射起到重要作用。换句话说，阳光普照的大晴天，就算偶然飘过的一朵云都会给正在工作的太阳电池带来很大的影响。加上云层移动的不确定性，导致太阳电池的发电量也具有很大的不可预测性。
（更不用说接连飘过好几朵云的情况了~ | 图源：s7d2.scene7.com）
既然阴天和多云都会对太阳电池的发电效果产生那么大的影响，那晚上太阳落山之后呢？仅靠着月球反射的那一丢丢光亮，那自然是发不了电的了。要想让晚上的万家灯火用上太阳电池发出来的电能，我们把电池白天发出来的电储存起来，等晚上再释放，不就可以了吗？那这个储存方式，可得好好说道说道了呢~
用电靠储能
储能即能量的存储，指通过介质或者设备，利用化学或者物理的方法把能量存储起来，根据应用需求以特定能量形式释放的过程，通常说的储能是指针对电能的储能。太阳能电站的电能存储系统可在没有太阳即太阳能电池无电能产出时提供电力。
考虑到太阳能发电的强烈波动性，目前多采取可以在短时间内改变发电量的天然气发电作为其互为补充的发电方式。一方面，太阳能发电可以降低天然气使用量从而降低其发电成本，而另一方面，天然气发电可以弥补太阳能的不稳定性，两者配合度极佳；此外，风力发电、水力发电、抽水蓄能电站以及蓄电池、压缩空气储能等都可以作为太阳能发电的互补发电形式。
（抽水蓄能电站利用势能发电 | 图源：wikipedia.org）
比如在南方地区比较常见的抽水蓄能电站，就是在山顶上修建一个水池，然后利用太阳能电池在白天发出的比较多的电能，把水提到高处的水池里，将电能转换成水的势能。但了晚上电池板不工作的时候，就可以将山顶上的这些水放到低处。在水往下流的时候，其重力做功，推动发电机工作，进而又将势能转化成了电能。
（传统压缩空气储能系统原理 | 图源：iet.cas.cn）
再比如压缩空气储能，白天利用太阳能电池发出的电能将空气压缩至高压并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来。到了晚上，将高压空气从储气室中释放，进入燃烧室燃烧进行发电。此外，还有将电能转换为化学能的存储形式如蓄电池储能等等。而我们日常使用的电能，大多是由多种发电形式综合运作、互相补充而提供的。
（太阳能发电上班时间约在早上九点到下午四点 | 图源：xueqiu.com）
在我国的光伏储能体系中，电网可以给蓄电池充电，蓄电池也可以给电网放电，所以其能量流动关系可用下图来表示。光伏储能系统能量管理的目标是：能量资源与负荷需求的精确匹配。由于集合了不同的技术，重要的是采取正确的策略实现性能的最大化以及成本最小化。
（我国光伏储能系统能量流动关系 | 图源：公众号坎德拉学院）
改进靠研究
鉴于目前太阳能发电装置的种种不足，相关学者一直在探索一种更加合理的发电方式作为太阳能发电装置的补充，尽量减少阴雨天气以及夜间太阳能发电装置的囧境。
目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都转换成了无法利用的热能。通过运用新颖的元件结构设计，尝试引进新型材料，以及改进后续的封装技术和光学技术，都可以达到增大太阳电池工作效率的目的。如热光伏电池，不仅可以在白天额外吸收红外波段的辐射，在夜间也可以将发热物体作为红外光源继续工作，从而实现了太阳能电池在白天和夜晚都可以发电。
（一条狗的使命之红外线照片 | 图源：wikipedia.org）
除了夜晚外，阴天也同样可以利用太阳电池发电。瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员使用钙钛矿材料作为捕光设备，并使用一种有机空穴运输材料取代传统电池中使用的电解液。这一方法将太阳能电池的转化效率提高到了15%，在阴天和人造光环境下也具有较高的转化效率。
加利福尼亚大学洛杉矶分校研究人员发明了一种利用热电效应在夜间发电的装置，该装置可以利用白天与夜晚温度之间的差异，将温差转换为电能。
德国发明了一种“全天候”太阳电池，整个电池看起来就像一个透明的水晶球。它可以360°无死角地吸收太阳光，当太阳光照射进入水晶球体内，在其内部会发生不断的反射，直至太阳光被完全吸收。
此外，还有很多针对改进太阳电池发电效率的改进措施，终有一天，能夜间发电的太阳电池将不再是问题。
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