太阳能发电的规模化高效应用如何突破？

地球上的一切能源本质上都来自于太阳，人类每年消耗的全部能量，仅仅相当于太阳“给予”地球能量的一万分之一，因此对于太阳能的利用还大有可为。那么如何通过技术手段利用太阳能发电并规模化高效利用，也就因此成为重大科学问题。针对太阳能发电的规模化高效应用，目前科学家主要围绕材料体系、制备工艺，器件结构及工作原理四个方面展开研究工作。

小型太阳能电站
光伏技术如何从太阳光中发电
太阳能电池板通常是由多个太阳能电池通过导线相互串联在一起制成的。每块太阳能电池分别包含n型和p型两种半导体，两种半导体中的多数载流子种类不同，它们会相互扩散从而形成空间电荷区。当阳光照射到太阳能电池板时，会在两种半导体中产生光生载流子，也就是电子和空穴，它们会在空间电荷区中内建电场的作用相互分离，并通过导线在外电路中流动，形成电流。
单个电池所产生的电能不算很大，但整个电池板就十分可观了。不过，太阳能电池板只能产生直流电，并且电压还不够稳定。这样的直流电还要经过逆变器和整流器，转换成电压和频率都足够稳定的民用交流电，才能接入到用户的供电电路。布置在屋顶的太阳能电池板甚至不光能够为屋内电器供电，余电还能存入储能装置甚至自动接入外部电网进行销售。
与化石燃料不同，只要有阳光，太阳能就可以一直为我们所用，可以说是取之不尽用之不竭。加强对太阳能的利用，不仅可以节约石油、煤炭和天然气等有限资源，还将有助于解决全球变暖等环境问题。
当然，太阳能发电的劣势也十分明显。首先，没有太阳的夜晚太阳能电池板完全无法产生电力。在阴天或雨天等太阳光线较弱的日子里，电池板产生的电力也将大幅低于正常水平。其次，在冬季降雪较多的地区，太阳能电池板经常被雪遮住，如果不进行专门清理就会无法发电。此外，每块太阳能电池板只能产生有限的电力，如果想要建设光伏电站，需要的土地面积将十分庞大。最后，现有的商用太阳能电池板基本都是晶体硅材料制成，制造工艺本身耗能大，污染重，这也违背了太阳能作为清洁能源的初衷。

大型太阳能电站
太阳能电池材料不断发展演变
太阳能发电的这些劣势中，夜间不能发电是根本上无法克服的自然规律，其它几个都还有着相当大的进步空间。目前，比较现实的出路就是对现有的光伏材料进行革新，以便尽可能提高光电转换效率，只有这样才能让太阳能电池板体积更小、成本更低、效率更高。
太阳能电池的发展过程大概经历了三个阶段，第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池。大家印象中的太阳能电池板，通常都是用这类晶体硅材料制成的。但是由于其必须使用高纯硅，因而面临着造价高、耗能高等难题，严重制约着硅基太阳能电池更为广泛的商业应用。
第二代太阳能电池主要指薄膜太阳能电池，以非晶硅、铜铟镓硒（CIGS）薄膜、碲化镉（CdTe）薄膜为代表。这类太阳能电池最大的优点为成本低，而缺点则是光电换效率低，以及效率随使用时间增长而衰退严重。第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池以及钙钛矿（Perovskite）太阳能电池。