太陽光電系統，也稱為光生伏特，簡稱光 伏（Photovoltaics；字源 photo 光，voltaics 伏特），是指利用光伏半導體材料的光生伏打效應而將太陽能轉化為直流電能的設施。光伏設施的核心是太陽能電池板。目前，用來發電的半導體材料主要有：單晶矽、多晶矽、非晶矽及碲化鎘等。由於近年來各國都在積極推動可再生能源的應用，光伏產業的發展十分迅速。 截至 2010 年，太陽能光伏在全世界上百個國家投入使用。雖然其發電容量仍只佔人類用電總量的很小一部分，不過，從 2004 年開始，接入電網的光伏發電量以年均 60 的速度增長。到 2009 年，總髮電容量已經達到 21GWREN21 Renewables 2010 Global Status Report p 19；截至 2021 年底，全球累計光伏裝機 940GW（其中亞太地區光伏累計裝機達 5477GW，佔全球總量 58；歐洲地區累計裝機為 2054GW，佔全球總量 22；美洲地區光伏累計裝機容量為 1618GW，佔全球總量 17；中東和非洲地區光伏累計裝機容量為 251GW，佔比 27）電力裝置新能源行業 2022 年中期投資策略 光伏篇 國信證券，2022 年 6 月 24 日 ，是當前發展速度最快的能源。據估計，2009 年沒有聯入電網的光伏系統，目前的容量也約有 3 至 4GW。 光伏系統可以大規模安裝在地表上成為光伏電站，也可以置於建築物的房頂或外牆上，形成光伏建築一體化。 自太陽能電池問世以來，使用材料、技術上的不斷進步，以及製造產業的發展成熟，都驅使光伏系統的價格變得更加便宜 Richard M Swanson Photovoltaics Power Up Science Vol 324 15 May 2009 p 891。不僅如此，許多國家投入大量研發經費推進光伏的轉換效率，給與製造企業財政補貼。更重要的，上網電價補貼政策以及可再生能源比例標準等政策極大地促進了光伏在各國的廣泛應用。 原理 光生伏打效應（英語：Photovoltaic effect），簡稱為光伏效應，是指受光線或其他電磁輻射照射的半導體或半導體與金屬組合的部位間產生電壓與電流的現象。最早於 1839 年由法國物理學家亞歷山大愛德蒙貝克勒爾發現 Photovoltaic Effect Mrsolarcom Retrieved on 20101212。 光伏元件由許多光伏電池互連組合而成，其效率描述了多少陽光被轉化為電能。例如，一塊效率為 20％的面板在 1000 瓦的日照下，每小時它將產生 200 瓦時的電能。光伏元件的朝向會影響發電效率。 應用 1954 年，貝爾實驗室製成效率為 6 的光伏電池；自 1958 年起，光伏效應以光伏電池的形式在空間衛星的供能領域首次得到應用。時至今日，小至自動停車計費器的供能、屋頂太陽能板，大至面積廣闊的太陽能發電中心，其在發電領域的應用已經遍及全球。是先進的。它們以較低的成本生產高效率的轉換。 系統 太陽能交流發電系統是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變器。 侷限 生產過程 太陽能板的原材料和電腦晶片原材料一樣。大量生產過程中需要大量能源，有毒有害化學物質。化學物質主要靠工廠所在地法律法規管控。某些太陽能工廠已經安裝太陽能系統，用太陽能系統產生的清潔能源生產太陽能板。 對電網的影響 截至 2017 年 12 月，澳洲東部昆士蘭州有超過 31 居民擁有屋頂太陽能系統，平均安裝功率超過 35 千瓦（世界第一）。但是高太陽能系統普及率也給電網電壓帶來問題。居民區中午用電量低，主要以出售電力給電力公司為主。傳統電網並沒有考慮雙向電力輸送。在居民區電力大額傳輸回電網的時候，電壓會逐步抬高，而且可能超過電器裝置可承受範圍 W Miller A L Liu Z Amin and A Wagner Power quality and rooftopPV households an examination of measured data at point of customer connection Sustainability httpseprintsquteduau117688 httpwwwmdpicom207110501041224 Open Access p 29 2018。科學研究已經有方法解決這種問題，但是都有各種成本考慮，例如，在中壓電網額外增加電壓控制裝置。 對於其他國家或地區的啟示：沒有系統性的分析和規劃，單一鼓勵促進太陽能在居民區的普及會帶來新的風險。更好的方式之一是，透過稅收或其他鼓勵措施，促進工業和商業使用者的太陽能系統安裝。因為工商業使用者主要用電高峰經常在白天，太陽能系統在日照白天發電，補充工商業用電，降低工商業對電網的壓力。 對能源投資和電費管理的影響 現實生活中的問題經常複雜多變，原因錯綜複雜。對於能源投資和電費管理也是同樣的道理，沒有適合每個方案的萬用靈丹。太陽能系統投資也許是很好的選擇，如果：當地陽光充足，電價較高而且持續漲價，政府透過財政或金融方式大力支援，電力可賣回給電力公司 （澳洲和德國）。投資回報經常是能源投資的主要考量。但是系統性的檢查，評估和分析，也許會發現，在目前市場條件下，一套綜合性的方案是最合適的。例如，透過房屋建築能效提高 L Liu W Miller and G Ledwich Community centre improvement to reduce air conditioning peak demand 7th International Conference on Energy and Environment of Residential Buildings pp 279288 doi 1042255058107ce163e0c Available httpeprintsquteduau101161 ，既有裝置執行的改善 L Liu G Ledwich and W Miller Demand side management with stepped model predictive control presented at the Australasian Universities Power Engineering Conference The University of Queensland Brisbane Qld Australia 2016 Available httpeprintsquteduau99914 ，和太陽能系統投資 L Liu W Miller and G Ledwich 2017 Solutions for reducing facilities electricity costs Australian Ageing Agenda 3940 Available httpswwwaustralianageingagendacomau20171027solutionsreducingfacilityelectricitycosts ，可能會提供業主最好的投資回報 W Miller A L Liu Z Amin and M Gray Involving Occupants in Net Zero Energy Solar Housing Retrofits an Australian Subtropical Case Study Solar Energy doi httpsdoiorg101016jsolener201710008 Available httpwwwsciencedirectcomsciencearticlepiiS0038092X17308733 httpseprintsquteduau114591 。 發展 太陽能電池本身的最新發展是第三代光伏電池技術，旨在突破肖克利 奎伊瑟極限的 31 至 41 效率上限。 在運用上，有研究發現在漂浮太陽能比在陸上裝置太陽能板有更多好處，包括： 不用佔用土地 水有助降溫，能提高太陽能電池的效率 佈置在儲水設施的話有助減少儲水被蒸發掉。 全球應用發展 全球太陽能光伏發電統計 BP Statistical Review of World Energy 2018 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 裝置量 MW 639 871 1252 1746 2809 4245 5714 8230 14855 22938 發電量 GWh 1177 1463 1831 2329 3054 4249 5818 7864 12721 21092 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 裝置量 MW 39455 71251 100677 137260 178090 226907 302782 399613 發電量 GWh 33829 65211 100925 139044 197671 260005 328182 442618 佔全球發電量比 016 029 044 059 083 107 132 173 全球太陽能光伏裝置量百萬瓦（MW）前十國 國家 2017International Renewable Energy Agency Renewable Capacity Statistics 2018 PDF 2018International Renewable Energy Agency Renewable Capacity Statistics 2019 PDF 2019International Renewable Energy Agency Renewable Capacity Statistics 2020 PDF 130632 175018 205072 48600 55500 61840 42394 45930 48960 41131 49692 60540 19692 20120 20900 19047 26869 34831 12791 13108 13398 8195 9483 10562 6413 9763 15928 5602 7862 10505 環保問題 碳排放與毒廢料 製造太陽能電池時必須把源材料石英（二氧化矽）純度提升致冶金級矽晶，這過程會使用消耗大量能量、加熱到 1800以上的熔爐。 這就是太陽能電池的碳排放，現有技術下，太陽能電池的碳排放一般為 41gkWh，是聚光太陽能熱發電（20gkWh）的 2 倍及風力發電（11gkWh）的 4 倍。但這數值會隨製造地區的能源來源、太陽能電池的壽命及使用地點的環境而改變。若製造太陽能所在地區是用燃煤發電的話，碳排放就會增加，例如在中國製造會導致較在美國製造高一倍；太陽能電池的壽命較長的話，碳排放就會減少；太陽能電池的使用環境會影響太陽能電池的效率及壽命，例如浮在水面的太陽能電池因為有水幫助降低溫度，發電效率能有所增加，從而降低碳排放。 製造太陽能電池過程中會產生不少有毒氣體，毒性高的有的如三氯氫矽 、四氯化矽、三氯氧磷、氫氟酸等，即使毒性較低的氣體也多會做成酸雨。 太陽能電池的壽命完結、棄置後就成了廢料，以每單位能源計算，太陽能電池發電所產生的廢料是核能的 300 倍。相比核能，製造太陽能電池的廢料在技術上是可以回收的，但因為不像核廢料有即時危險性，而且沒有經濟誘因甚至需要經濟補貼，若在沒有有效監管的情況下基本上是不可行。 由於太陽能電池中含有塑膠、鉛、鎘和銻等對環境有害的物質，除了封裝太陽能電池的外殼外，太陽能電池本身當成一般玻璃回收的話會釋出有毒物或對環境有害物質。在 2023 年，全球只有位於法國的威立雅公司開發出能回收整片太陽能電池 90 材料的工藝並以商業模式運作；同期，其他技術有的可以達到 95 並將金屬、矽及玻璃分離，有的則能達到 100 回收，但這些也未達致商物化。隨著早年開始大規模投入使用的太陽能電池快將陸陸續續壽限期滿，太陽能電池回收變得重要。 經濟學 硬體成本 1977 年，晶體矽太陽能電池價格為 7667 美元 瓦。 儘管由於德國和西班牙的慷慨補貼和多晶矽短缺導致早在 2000 年代初期，批發模組價格在 350 美元 瓦至 400 美元 瓦之間保持穩定，但在 2008 年市場崩盤後，西班牙補貼突然終止，需求崩潰，價格迅速降至 200 美元 瓦。儘管收入下降了 50，但由於創新和成本降低，製造商仍能保持正面運營利潤。2011 年底，晶體矽光伏模組的出廠價格突然跌破了 100 美元 瓦的大關，這讓許多行業內的人感到意外，導致世界範圍內許多太陽能製造公司破產。100 美元 瓦的成本在光伏行業通常被視為實現光伏發電網路平價的里程碑，但大多數專家不認為這個價格點是可持續的。技術進步、製造工藝改進和行業重組可能意味著進一步降低價格是可能的。 Solarbuzz 集團監測的太陽能電池的零售平均價格從 2011 年的 350 美元 瓦下降到了 2011 年的 243 美元 瓦。 到 2013 年，批發價格已降至 074 美元 瓦。 這被引用為支援 斯旺森定律 的證據，這個觀察類似於著名的摩爾定律，它聲稱隨著行業產能翻倍，太陽能電池的價格下降 20。 弗勞恩霍夫研究所將 學習率 定義為隨著累積產量翻倍的價格下降，1980 年至 2010 年間下降了約 25。儘管模組的價格下降迅速，但當前逆變器的價格下降速度要低得多，在 2019 年佔到每千瓦峰功率成本的 61，而在 2000 年代初僅佔四分之一。 請注意，上述價格是裸模組的價格，另一種看待模組價格的方式是包括安裝成本。根據美國太陽能產業協會的資料，2006 年家庭屋頂光伏模組的安裝價格從每瓦 900 美元下降到 2011 年的每瓦 546 美元。包括工業安裝支付的價格，全國平均安裝價格降至每瓦 345 美元。這比世界其他地方要高得多，在德國，家庭屋頂安裝的平均價格為每瓦 224 美元。據認為，這種成本差異主要基於較高的監管負擔以及美國缺乏國家太陽能政策。 截至 2012 年底，中國製造商的最便宜模組的生產成本為每瓦 050 美元。 在某些市場，這些模組的分銷商可以獲得可觀的利潤，以工廠門市價購買，然後以市場支援的最高價格出售（基於價值定價）。 在加利福尼亞州，2011 年太陽能光伏達到了網路平價，通常定義為光伏發電成本在零售電力價格之下（儘管通常仍高於煤炭或燃氣發電的電廠價格，未計算分佈和其他成本）。 2014 年，在 19 個市場中實現了網路平價。 電力的平均成本 電力的平均成本（LCOE）是每千瓦時的成本，基於專案壽命週期內分攤的成本，並被認為是比每瓦價格更好的衡量可行性的指標。LCOE 根據地點的不同而大不相同。 LCOE 可以被視為客戶為了使公用事業公司在新發電站投資上達到盈虧平衡所必須支付的最低價格。 當 LCOE 降至與傳統本地電網價格相似時，大致實現電網平價，儘管實際上計算不是直接可比的。 2011 年，加利福尼亞的大型工業光伏裝置已實現電網平價。 到那時，屋頂系統的電網平價仍被認為遙不可及。 許多 LCOE 計算被認為不準確，並且需要大量假設。 模組價格可能會進一步下降，太陽能的 LCOE 可能會相應下降。 因為能源需求在一天之內上升和下降，而太陽能受到太陽落山的限制，太陽能公司還必須考慮為電網提供更穩定的替代能源供應的額外成本，以穩定系統，或以某種方式儲存能源（目前的電池技術不能儲存足夠的電能）。這些成本沒有納入 LCOE 計算，特殊的補貼或優惠也沒有納入其中，這可能會使購買太陽能更有吸引力。 太陽能和風能發電的不可靠性和時間變化是一個重大問題。這些不穩定的能源來源過多可能會導致整個電網的不穩定性。 截至 2017 年，美國太陽能電廠的電力購買協議價格低於 005 美元 千瓦時，在一些波斯灣國家的最低報價約為 003 美元 千瓦時。 美國能源部的目標是實現太陽能光伏的電能 LCOE 為每千瓦時 003 美元的水平。 內部連結 可再生能源商業化 太陽能 光電效應 量子力學 外部連結 中國新能源網 太陽能光伏產值劍指 250 億 低碳新引擎：太陽能光伏 電動汽車 HCPV 系統 第三代聚光太陽能值得關注 2010 年 5 月 【玻璃人】 太陽能光伏發電：陽光 產業 綠色電力 2010 年 3 月 19 日 包頭新聞網 淘汰整合 光伏產業的必經之路 2009 年 8 月 28 日 證券日報 亞洲太陽光伏工業展圓滿落幕 2009 年 4 月 10 日 全國工商聯新能源商會 參考資料 Category 太陽能光伏