摘要：目前，我国电力发电端根据生产方式可以分为火电、水电、风电、太阳能（光伏）发电和其他类型。截至2024年底，全国发电装机总容量334862万千瓦，较2023年增长14.6%，在我国电源结构中，火电仍是我国的占比第一主体电源；水电作为常规能源中唯一的清洁能源，在我

太阳能电池板

就像是一个微型的发电站，虽然单个光伏电池产生的电压和电流相对较小，但通过多个电池的串联和并联组合，可以达到我们实际应用所需的电压和功率水平。

目前，我国电力发电端根据生产方式可以分为火电、水电、风电、太阳能（光伏）发电和其他类型。截至2024年底，全国发电装机总容量334862万千瓦，较2023年增长14.6%，在我国电源结构中，火电仍是我国的占比第一主体电源；水电作为常规能源中唯一的清洁能源，在我国电源结构中长期占比居于第二位；风电发电贡献9940.4亿千瓦时，占比9.88%；太阳能（光伏）发电贡献8390.4亿千瓦时，同比增长43.6%，占比8.32%。

由此可见，在当今追求清洁能源的时代，光伏发电作为一种可持续、环保的能源解决方案，正逐渐走进我们的生活，其应用场景也日益广泛，为我们的生产生活带来诸多便利与变革。

“变光为电”的开端

当太阳光照射到光伏电池上时，光子的能量被电池中的原子吸收。这使得电子获得足够的能量，从而摆脱原子的束缚，在半导体材料中形成自由电子和空穴对。这种由光激发产生的电荷分离现象，就是光伏效应的关键所在，它为后续的电能产生奠定了基础。

第一代太阳能电池的原料为单晶硅、多晶硅、非晶硅。纯净的硅是本征半导体，当在硅中掺入磷时，形成了富含自由电子的N型半导体，而当掺入硼时，使得半导体以空穴导电为主，形成P型半导体。当P型半导体和N型半导体紧密结合在一起时，在接触面形成了一个由N区指向P区的内建电场。这个内建电场，一方面阻止电子和空穴继续扩散，另一方面又使得少数载流子在内电场作用下发生漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结就诞生了。PN结就如同一个天然的“电荷分离器”，为后续的光电转换奠定了基础。

由无数光子组成的阳光携带着能量，当它们照射到PN结时，将能量传递给半导体中的电子。半导体中的电子在吸收了光子的能量后，一些价电子获得足够的能量，挣脱了共价键的束缚，从价带跃迁到导带，成为自由电子，同时在价带留下一个带正电的空穴。这样，在半导体内部就形成了大量的电子-空穴对。

在光伏效应作用下产生的自由电子和空穴，会在光伏电池内部的电场作用下开始移动。电子向电池的一侧聚集，空穴则向另一侧移动，这样就在电池的两端形成了电势差，如同水往低处流一样，电子也会从高电势端流向低电势端，从而产生直流电。这就像是一个微型的发电站，源源不断地将光的能量转化为电能，虽然单个光伏电池产生的电压和电流相对较小，但通过多个电池的串联和并联组合，可以达到我们实际应用所需的电压和功率水平。

直流变交流的“华丽变身”

然而，我们日常生活和工业生产中使用的大多是交流电，所以由光伏电池产生的直流电还需要经过一个重要的设备——逆变器。逆变器将直流电转换成交流电，使其能够与我们的电网系统兼容，方便我们直接使用或输送到电网上供其他用户使用。在这个过程中，逆变器通过复杂的电子电路和控制算法，精确地调节电流和电压的波形、频率等参数，确保输出的交流电符合电网的标准要求，从而让光伏发电能够顺利地融入到庞大的电力供应网络中。

经过逆变器转换后的交流电，有两种主要走向。一种是直接并网，将电能输送到公共电网中，与其他传统能源发电产生的电能一起，为广大用户供电。当光伏发电量超过本地用户的用电量时，多余的电能还可以通过电网传输到其他地区，实现能源的优化配置。另一种选择是储能，对于一些无法直接并网或者希望在用电高峰时段有稳定电力供应的用户来说，储能系统就显得尤为重要。电能可以被存储在蓄电池等储能设备中，等到需要用电的时候，再将存储的电能释放出来供家庭、企业使用，提高了能源的自给自足能力和使用效率，也增强了光伏发电系统应对不同用电需求和天气变化的灵活性。

以上就是光伏发电的整个过程，它犹如一场神奇的能量转换之旅，从阳光的照射开始，经过光伏电池的能量捕获、直流电的产生、逆变器的转换，最终实现并网供电或储能自用，每一个环节都紧密相扣，共同演绎着清洁能源的魅力与价值。

将阳光“榨出”更多电能

作为光伏能量转换的“基石”，材料性能的优劣直接决定了转换效率的高低。在过去的几十年里，晶硅材料凭借其稳定的性能和较高的转换效率，一直占据着光伏市场的主导地位。第一代晶硅材料太阳能电池仍占据96%的市场，然而，随着技术的不断发展，晶硅材料逐渐遇到了效率提升的瓶颈。为了突破这一困境，科学家们开始将目光投向新一代的光伏技术，如异质结（HJT）技术、隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）技术等。HJT技术是将非晶硅和晶体硅结合在一起，这种结构不仅具有优异的钝化效果，还能提高电池对光的吸收能力，使得异质结电池在转换效率上表现卓越。其量产效率也达到了25%左右，并且有望在未来进一步提升。

TOPCon太阳能电池首先在电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉积一层厚磷掺杂非晶硅层，经过高温退火后形成掺杂多晶硅，二者共同形成的钝化接触结构。与PERC太阳能电池相比，TOPCon电池能对太阳能电池表面实现完美钝化。除了基于晶硅材料的技术创新，第二代薄膜太阳能电池也逐渐崭露头角，薄膜电池将光电转换材料直接沉积在衬底上，形成一层非常薄的薄膜。这种电池具有轻薄、柔性好等优点，特别适合应用于建筑光伏一体化领域。例如，钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为薄膜太阳能电池的代表之一，具有极高的理论转换效率，实验室效率已经接近28%，而且其成本相对较低，制备工艺也较为简单。

从相关专利申请数据来看我国关于钙钛矿电池的研究情况，其中，我国从2014年开始出现有关钙钛矿太阳能电池的专利申请，在2014-2021年期间，我国有关钙钛矿太阳能电池的专利申请量均比较小，从2022年以来我国有关钙钛矿太阳能电池专利申请量出现了明显的增长，其中以宁德时代等企业和高校作为主要申请主体，产业化步伐进一步加快。

然而，钙钛矿电池目前还面临着稳定性不足和寿命短等问题，需要进一步研究和改进。尽管如此，薄膜电池凭借其独特的优势，仍然为光伏能量转换效率的提升开辟了一条新的道路。

在实际的光伏应用中，环境因素对转换效率的影响不容小觑。其中，温度是最为关键的因素，光伏组件在不同的环境条件下，其转换效率也会发生变化。对于硅基光伏电池来说，其效率会随着温度的升高而下降。研究表明，硅电池的效率大约会以0.45%/℃的速度下降。这是因为温度升高会导致硅材料的禁带宽度变窄，电子-空穴对的复合几率增加，从而使得电池的性能下降。为了降低温度对光伏组件的影响，工程师们想出了许多办法。例如，在组件的设计上增加通风散热结构，让空气能够在组件周围流通，带走热量，降低组件的工作温度。同时，选择低温度系数的材料也是一种有效的方法。这些材料在温度变化时，其性能的变化相对较小，能够在一定程度上保证组件的转换效率。

光伏系统就像是一个复杂的“能量工厂”，从电池片将光能转化为电能，到组件将电池片封装起来，再到逆变器将直流电转换为交流电，最后通过线缆将电能传输到用户端，每一个环节都关系到整个系统的效率。因此，实现全链条的效率提升是提高光伏能量转换效率的关键。在电池片环节，不断提高电池片的光电转换效率是核心任务。如前文所述，通过材料革新和技术创新，不断提升自身的转换效率。

在组件环节，除了要保证电池片的性能不受影响，还要尽量减少封装过程中的能量损失。例如，采用先进的封装材料和工艺，提高组件的透光率和抗老化性能，确保组件能够长时间稳定地工作。逆变器作为将直流电转换为交流电的关键设备，其转换效率直接影响到整个系统的发电量，一般大功率逆变器的效率在90%及以上，10kW级别逆变器的效率为85%～90%，千瓦级别以下逆变器的效率为80%～85%，考虑到光伏系统的发电量与成本，建议根据实际情况，选择整机效率较高的逆变器。

目前，市场上的逆变器主要有集中式逆变器和组串式逆变器两种类型。与集中式逆变器相比，组串式逆变器就像多个“小管家”，每个逆变器只负责少数几个光伏组件的直流电转换。这种逆变器具有更好的灵活性和可靠性，它能够对每个组串进行独立的最大功率点跟踪，即使部分组件出现问题，也不会影响其他组串的正常工作。最后，线缆作为电能传输的“纽带”，其传输损耗也不容忽视。在选择线缆时，要根据系统的功率和传输距离，选择合适规格的线缆，尽量降低线缆的电阻，减少传输过程中的能量损失。同时，合理设计线缆的布局，避免线缆过长或过于复杂的连接，也是一种有效提高系统效率的方式。

更高效、更普惠、更绿色

随着新技术的不断涌现，技术革新成为推动光伏能量转换效率持续提升的关键动力。以钙钛矿叠层电池为例，这种新型电池技术具有独特的优势。它能够充分利用不同材料对不同波长光的吸收特性，通过将宽带隙的钙钛矿材料与窄带隙的硅材料巧妙结合，实现对太阳光谱更充分的利用，有效减少能量损失。目前，钙钛矿叠层电池在实验室中的效率已经突破了30%，展现出巨大的发展潜力。

除了技术革新上的突破，光伏能量转换与储能、智能电网的深度融合，也将为未来能源体系带来深刻变革。在过去，光伏发电由于其间歇性和波动性的特点，给电网的稳定运行带来了一定的挑战。而储能技术的出现，就像是给光伏发电配上了一个“稳定器”。当光伏发电量充足时，多余的电能可以被储存到蓄电池等储能设备中；当发电量不足时，储能设备中的电能则可以释放出来，补充电力缺口。这样一来，不仅解决了光伏发电的间歇性问题，还实现了电能的“削峰填谷”，提高了能源的利用效率。

智能电网的加入，则让光伏能量转换系统变得更加智能化和高效化。根据国际能源署（IEA）和欧洲专利局（EPO）的联合研究，从2005年到2011年，全球在智能电网创新方面的投入呈现出强劲的增长。2009年至2013年是智能电网专利申请活动异常活跃的时期，在此期间，相关专利申请的年均增长率达到了30%。智能电网的创新在2011年达到了一个峰值，当年产生了约2000项独特的发明（以国际专利族IPFs为单位衡量）。到2022年，有关智能电网的全球专利申请量达到一万件以上，中国在电网技术领域的专利申请份额已上升至25%，首次超过欧洲成为该领域最大的专利申请来源地。

智能电网技术在我国也得到了快速的发展，截至2025年年中，中国国家电网有限公司，在智能电网领域的专利申请量达到1.3万余件，位列全球关于智能电网的申请量第一；中国电力科学研究院有限公司，关于智能电网的专利申请数量为2000余件，位列世界第二。通过先进的信息技术和通信技术，智能电网能够实时监测光伏系统的运行状态，根据光照强度、温度等环境因素以及用户的用电需求，自动调整光伏系统的工作模式，实现电能的优化配置。例如，在用电高峰期，智能电网可以优先调度光伏发电，减少对传统能源的依赖；在用电低谷期，则可以将多余电能储存起来，以备后续使用。这种“光伏+储能+智能电网”的融合模式，让阳光真正成为取之不尽、用之不竭的能源源泉。

光伏发电是新型电力系统电源侧未来发展的重要方向，也是实现国家能源安全目标的关键路径。国家能源局数据显示，我国可再生能源发电装机在2025年4月正式突破20亿千瓦的整数大关。其中，风电、光伏合计装机高达15亿千瓦。在政策大力支持、技术迭代进步、市场需求旺盛等多重因素推动下，光伏发电必将在未来的新型电力系统中发挥更加重要的作用。让我们一起期待光伏发电照亮更多的角落，引领我们走向绿色能源的新时代。

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来源：创意世界