地球上所有的活動都是以太陽作為基礎能量的，絕大多數現有能量來源都與太陽是間接相關的，比方說原油，其形成基本上是由於密閉的空間和特殊的條件所造成的（關於所謂生物遺體和植物形成的觀點簡直荒謬至極），但是造就這種反應環境的其實與太陽不無相關。又比方說普通的農作物作為人類能量來源的重要部分，主要是接受光合作用形成的。因此，可以說，太陽是地球能量的源泉。
近年來，太陽能作為一種可再生能源被利用起來，特別是中國的光伏產業發展大大降低了光電成本，許多農村也開始了裝備太陽能作為電網和扶貧的一種補充。但是，實際上目前的光電轉化效率只有15%左右，而且光電受天氣的影響很大，無法持續穩定地提供能量來源，這也是一個重要的問題。但是，由於其環保性與安全性，依然被認為是未來能源的重要來源。
恰逢最近在寫《原油》系列文章，抱著對太陽能發電的好奇心，我查閱了相關的資料。在此，也想對太陽能的發展進行介紹，並談談自己的看法。
1 太陽能發電的背景
能源一直是人類逃脫不掉的話題，其實，在工業革命之前，人類社會利用的最多的就是太陽能，因為人類是社會生產勞動的主要能量來源，而這些主要來自於人類的食物，包括植物和動物，而所有的植物和動物也都是依靠太陽來提供生長。所以，從這個意義上來說，人類利用太陽能已經很久了。
不過，隨著社會的發展，這種低效、緩慢的能量傳遞方式已經不能滿足快速的生產需求，人們希望能夠直接將物質轉化為能量，而不是通過漫長地轉化。因此，在工業革命後的幾個世紀，煤炭、原油、天然氣悄然站上歷史舞台，並成為了當今世界的三大能源。
但是，化石燃料的缺陷也是明顯的，首先是能源分布不均衡，其次是污染問題，還有邊際開發成本高。當能源需求越來越高的時候，這些問題就變得更加緊張，急需要解決。
當然，除此之外，還有水電、核能、風能作為補償，但是水電和核能的問題在於安全性與生態保護的問題，風能相對比較好，安裝成本也有所降低，但是有一個問題，很難小型化，對地理條件有所限制。
相比以上能源來說，太陽能的優勢就比較明顯了。但是也會有一些潛在的問題（後面會介紹）。自20世紀以來，人們就開始不斷探索如何利用太陽能。
1）1839年，19歲的法國貝克勒爾做物理實驗時，發現在導電液中的兩種金屬電極用光照射時，電流會加強，從而發現了 「光生伏打效應」；
2）1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效應，並製作第一片硒太陽能電池。
3）1904年 愛因斯坦發表光電效應論文,為此在1921年獲得諾貝爾獎；
4） 1930年 朗格首次提出用「光伏效應」製造「太陽電池」，是太陽能變成電能；
5）1941年，奧爾在矽上發現光伏效應；
6） 1954 年 5 月美國貝爾實驗室恰賓、富勒和皮爾鬆開發出效率為 6%的單晶矽太陽電池，這是世界上第一個實用的太陽電池。同年，威克爾首次發現了砷化鎵有光伏效應，並在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，製成了太陽電池。太陽光能轉化為電能的實用光伏發電技術由此誕生並發展起來。
7）1956年P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder發表「鍺和矽p-n結電子電流效應」的文章。
8）1963年Sharp公司成功生產光伏電池組件；日本在一個燈塔安裝242W光伏電池陣列，在當時是世界最大的光伏電池陣列。
9）1986年6月，ARCOSolar發布G-4000———世界首例商用薄膜電池「動力組件」。
10）2004年世界太陽能電池年產量超過1200MW；德國FraunhoferISE多晶矽太陽能電池效率達到20.3%；非晶矽太陽能電池占市場份額4.4%，降為1999年的1/3，CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。
11）截至2016年底，我國光伏發電新增裝機容量3454萬千瓦，累計裝機容量7742萬千瓦，新增和累計裝機容量均為全球第一。其中，光伏電站累計裝機容量6710萬千瓦，分布式累計裝機容量1032萬千瓦。全年發電量662億千瓦時，占我國全年總發電量的1％。
2 太陽能發電的分類
太陽能發電一般分為兩類：光熱發電和光電發電。
A 光熱發電
光熱發現的原理是先將太陽能轉化為熱能，再將熱能轉化成電能，它有兩種轉化方式：一種是將太陽熱能直接轉化成電能，如半導體或金屬材料的溫差發電，真空器件中的熱電子和熱電離子發電，鹼金屬熱電轉換，以及磁流體發電等；另一種方式是將太陽熱能通過熱機（如汽輪機）帶動發電機發電，與常規熱力發電類似，只不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。
太陽能熱發電有多種類型，主要有以下五種：塔式系統、槽式系統、盤式系統、太陽池和太陽能塔熱氣流發電。 前三種是聚光型太陽能熱發電系統，後兩種是非聚光型。
B光電發電
光電發電是指無需通過熱過程直接將光能轉變為電能的發電方式。 它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。 光伏發電是利用太陽能級半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，並使之轉變成電能的直接發電方式，是當今太陽光發電的主流。在光化學發電中有電化學光伏電池、光電解電池和光催化電池，目前得到實際應用的是光伏電池。
光伏發電系統主要由太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器組成，其中太陽能電池是光伏發電系統的關鍵部分，太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。太陽能電池主要分為晶體矽電池和薄膜電池兩類，前者包括單晶矽電池、多晶矽電池兩種，後者主要包括非晶體矽太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池和碲化鎘太陽能電池。
單晶矽太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高可達23%，在太陽能電池中光電轉換效率最高，但其製造成本高。單晶矽太陽能電池的使用壽命一般可達15年，最高可達25年。多晶矽太陽能電池的光電轉換效率為14%到16%，其製作成本低於單晶矽太陽能電池，因此得到大量發展，但多晶矽太陽能電池的使用壽命要比單晶矽太陽能電池要短。
薄膜太陽能電池是光伏發電的最前沿技術，主要原理是用矽、硫化鎘、砷化鎵等薄膜為基體材料的太陽能電池。薄膜太陽能電池可以使用質輕、價低的基底材料（如玻璃、塑料、陶瓷等）來製造，形成可產生電壓的薄膜厚度不到1微米，便於運輸和安裝。然而，沉澱在異質基底上的薄膜會產生一些缺陷，因此現有的碲化鎘和銅銦鎵硒太陽能電池的規模化量產轉換效率只有12%到14%，而其理論上限可達29%。如果在生產過程中能夠減少碲化鎘的缺陷，將會增加電池的壽命，並提高其轉化效率。這就需要研究缺陷產生的原因，以及減少缺陷和控制質量的途徑。太陽能電池介面也很關鍵，需要大量的研發投入。
光伏發電系統主要有四種類型：光伏離網系統（也稱為獨立光伏系統）、併網發電系統（應用最為廣泛）、光伏與其他能源互補混合系統、太陽能應用產品（如太陽能充電器、太陽能各種燈具、光伏水泵等。）
針對光伏發電和光熱發電的不同點，有以下部分需要注意：
1）發電成本：光伏發電的成本更低；
2）應用範圍：光伏發電的應用範圍較廣，光熱發電對地理條件要求高；
3）每年發電數：明顯光伏發電的小時數要低得多；
4）污染：太陽能的優勢就在於無污染，但是光伏發電的缺點確是有污染；
5）轉化效率：光伏發電的轉化效率更低；
6）壽命：光伏發電的儲能設備使用壽命相對短；
3 產業化進程
A 光熱發電
光熱發電示範運行始於20世紀80年代，1984年美國加州建立了全球第一座光熱示範電站SEGSI。1991年開始全球光熱發展進入停滯階段，直至2006年西班牙啟動首個光熱發電項目，全球光熱發電開始復甦。目前，全球範圍內已經掀起了新的光熱投資和建設熱潮，光熱發電總裝機規模持續上升。根據國際可再生能源署的統計數據，全球太陽能光熱發電裝載機容量已經達到了4652兆瓦，其中美國、西班牙處於行業領跑地位，超過全球總量的80%，印度、南非、阿聯等國家相對靠前。
雖然中國目前在運行的裝機容量很低，但是由於光熱發電兼具環保性、穩定性等特點，中國已經意識到其巨大的發展潛力，在建裝載機容量達到300兆瓦，處於全球第二位。
太陽能熱發電示範項目名單
中國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源，陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1018kJ。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、甘肅、新疆、內蒙古南部等廣大地區的太陽輻射總量很大。
光熱發電行業是國家未來扶持產業，政策支持力度大。早在2007年國家發改委發布的《可再生能源中長期發展規劃》中，就把太陽能熱發電明確列為重點和優先發展方向。
2016年，國家開始加大對太陽能光熱發電行業的支持力度。3月份，《十三五規劃》強調建設現代能源體系，積極支持光熱發電，將實施光熱發電示範工程列為能源發展重大工程，加快推進光熱發電技術研發應用；9月份，國家發改委印發《關於太陽能熱發電標杆上網電價政策的通知》，核定太陽能熱發電標杆上網電價為每千瓦時1.15元，同時鼓勵地方政府對太陽能熱發電企業采取稅費減免、財政補貼、綠色信貸、土地優惠等措施。隨後，11月份的《電力發展「十三五規劃」（2016-2020年）》預計2020年全社會用電量6.8-7.2萬億千瓦時，年均增長3.6%到4.8%，人均用電量5000千瓦時左右，接近中等已開發國家水平，電能占終端能源消費比重達到27%；建成太陽能光熱發電項目500萬千瓦，預計市場規模達到1500億元。
目前，國內該市場還是屬於前期開發階段，由國企和央企主導開發。未來還是有很大的發展前景。
B 光伏發電
據德國太陽能協會最新發布的統計數據顯示，2016年全球光伏新增裝機70GW，比2015年增長大約30%，至此，全球光伏裝機總量達到300GW。在2016年的新增裝機量中，中國貢獻了34.54GW，與2015年新增裝機量相比，同比增長了128%，累計裝機容量77.42GW，新增和累計裝機容量均為全球第一。全球光伏產業已經相對成熟，但是還是有很多問題需要解決。如近10年光伏組件的成本已經大幅下降，為光伏發電的增長提供了動力。
這主要得益於光伏組件價格近兩年下降近25%，未來仍將顯現下降趨勢。已初步具備經濟性，在全球多個地方已經低於傳統電源成本，實現平價上網。上半年新增光伏發電裝機容量24.40GW，同比增長9%，其中光伏電站7.29GW，同比減少16%，分布式光伏7.11GW，同比增長2.9倍；
從上表也可以看出，出口量同比增加30%左右的情況下，出口額卻降低了10%左右，說明成本已經大幅降低。
展望未來，巴黎氣候協議已經生效，預計將繼續推動全球光伏產業的發展。這將進一步推動清潔能源的發展，而沒有其他能源能夠像太陽能一樣如此普遍，同時又是可再生能源。到2050年，太陽能將會有可能成為全球主要能源。
光伏發電的初始投資額比較靈活，所以試用範圍比較廣，但是也面臨著不夠穩定、發電時間短、轉換效率低等問題，還有一系列技術問題亟待解決，但這改變不了太陽能成為未來重要能源的趨勢。當未來能源需求進一步提高的時候，現有的轉化效率已經不足以提供足夠的能量，那麼轉化效率成為關鍵問題，其次是成本問題，雖然現在的成本已經下降了很多，但是未來還是有必要進行進一步降低，才能解決廣泛應用的問題。
因此，未來光伏行業的主要技術突破點在於提高轉換效率和產能並降低成本，其次是環保的問題，要解決光伏發電的污染問題。
4 一點思考
A 太陽能的問題
整個世界的能源是相互平衡的，世界上沒有絕對的事情，太陽能在擁有清潔與應用方面的優勢的同時，肯定也面臨著一些潛在的問題，而這個問題似乎還沒有被廣泛的討論過。
首先是光伏的污染問題，不過這都是次要的，可以通過技術的進步來解決。最重要的是生態問題，因為太陽能需要占據大量的陸地來進行陽光的吸收，如果大面積鋪開，會對當地的生態環境造成影響（至於什麼影響還不好說）。比方說現在把沙漠上全都裝上光伏電池，那麼整個地區可能會因為沒有足夠的光，溫度會大幅降低，同時就會影響到農業生產與氣候走向。
B 光熱與光電，誰主沉浮？
光電與光熱，究竟是光熱具有後發優勢，還是光電具有先發優勢？現在都不好說。兩者目前都有其各自顯著的優勢和劣勢。
當然，這是一個比較難以回答的，未來不確定性太多。但是根據現有的情況，可以做一些基本的判斷：
1）兩種方式有可能都將會存在，因為地理環境的不同，決定了每一種方式都難以占到絕對的碾壓式優勢；
2）有一種發電方式將會成為主流，因為這既是處於成本的考慮也是處於最優化的考慮。
3）技術的進步在兩種方式的角逐中將占據決定性的作用。
C 太陽能的命運
實際上，雖然上面介紹了那麼多，其實太陽能並不一定就是未來的能源。核電同樣需要關注，雖然其安全性值得考量，但是其效率不容忽視。
假設以下的情況：當電池的效率達到一定程度，那麼電池甚至可以作為能量棒使用，電力傳輸可以告別電線。如此種種，都將是太陽能的強勁對手。
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