光伏太阳能电池板吸收太阳光作为发电的能源。 光伏（PV）模块是通常为6×10的光伏太阳能电池的封装的连接组件。 光伏模块构成光伏系统的光伏阵列，其在商业和住宅应用中产生并提供太阳能电力。
每个模块在标准测试条件（STC）下通过其DC输出功率进行评级，通常在100到365瓦（W）的范围内。 模块的效率决定了给定相同额定输出的模块面积 – 效率为8％的230 W模块的面积是16％效率230 W模块的两倍。 有一些商用太阳能组件的效率超过24％
单个太阳能模块只能产生有限的功率; 大多数安装包含多个模块。 光伏系统通常包括光伏模块阵列，逆变器，用于存储的电池组，互连线路，以及可选的太阳能跟踪机构。
太阳能采集在农业之外最常见的应用是太阳能热水系统。
太阳能电力的价格持续下降，因此在许多国家，自2012年以来，它已经变得比电网的普通化石燃料电更便宜，这种现象被称为电网平价。
理论与建设
光伏模块使用来自太阳的光能（光子）通过光伏效应发电。 大多数模块使用基于晶片的晶体硅电池或薄膜电池。 模块的结构（承载）构件可以是顶层或后层。 还必须保护细胞免受机械损伤和潮湿。 大多数模块都是刚性的，但也可以使用基于薄膜电池的半柔性模块。 电池必须彼此串联电气连接。
光伏接线盒连接到太阳能电池板的背面，它是其输出接口。在外部，大多数光伏模块使用MC4连接器类型，以便于与系统其他部分的防风雨连接。 此外，可以使用USB电源接口。
模块电连接串联以实现期望的输出电压或并联以提供期望的电流能力（安培）。 从模块获取电流的导线可包含银，铜或其他非磁性导电过渡金属。 在部分模块遮蔽的情况下，可以在外部结合或使用旁路二极管，以最大化仍然照明的模块部分的输出。
一些特殊的太阳能PV模块包括聚光器，其中光通过透镜或镜子聚焦到较小的电池上。 这使得能够以成本有效的方式使用具有高单位面积成本的电池（例如砷化镓）。
太阳能电池板还使用由货架组件，支架，反射器形状和槽组成的金属框架，以更好地支撑面板结构。
历史
1839年，Alexandre-Edmond Becquerel首次观察到一些材料通过曝光产生电荷的能力。 直到1873年Willoughey Smith发现电荷可能是由于光照到硒引起的，这一观察结果才再次被复制。 在这一发现之后，William Grylls Adams和Richard Evans Day在1876年发表了“光对硒的作用”，描述了他们用来复制史密斯结果的实验。 1881年，查尔斯·弗里茨（Charles Fritts）创造了第一个商业太阳能电池板，据Fritts报道，它不仅“暴露在阳光下，而且还有昏暗的漫射日光”，是“连续，恒定和相当大的力量”。 然而，这些太阳能电池板的效率非常低，特别是与燃煤电厂相比。 1939年，Russell Ohl创造了太阳能电池设计，用于许多现代太阳能电池板。 他于1941年为他的设计申请了专利。1954年，贝尔实验室首次使用这种设计创造了第一个商业上可行的硅太阳能电池。
效率
根据结构，光伏模块可以从一系列频率的光产生电力，但通常不能覆盖整个太阳能范围（特别是紫外线，红外线和低光或漫射光）。 因此，太阳能模块浪费了大部分入射太阳能，如果用单色光照射，它们可以提供更高的效率。 因此，另一个设计概念是将光分成六到八个不同的波长范围，这些波长范围将产生不同颜色的光，并将光束引导到调谐到这些范围的不同单元。 预计这将使效率提高50％。
来自波音公司子公司Spectrolab的科学家报告称，多结太阳能电池的开发效率超过40％，这是太阳能光伏电池的新世界纪录。 Spectrolab科学家还预测，未来聚光太阳能电池的效率可达到45％甚至50％以上，理论效率在具有三个以上结的电池中约为58％。
目前，在新的商业产品中，最佳实现的阳光转换率（太阳能模块效率）约为21.5％，通常低于其隔离电池的效率。 最有效的大规模生产的太阳能模块[有争议 – 讨论]的功率密度值高达175 W / m2（16.22 W / ft2）。
伦敦帝国理工学院的研究表明，通过在光接收半导体表面上镶嵌类似于乐高积木上的脊的铝纳米圆柱体，可以提高太阳能电池板的效率。 然后，散射光沿着半导体中的较长路径行进，这意味着可以吸收更多光子并将其转换成电流。 尽管先前已经使用过这些纳米气缸（铝之前是金和银），但是光散射发生在近红外区域并且可见光被强烈吸收。 发现铝吸收了光谱的紫外线部分，而光谱的可见光和近红外部分被铝表面散射。 研究认为，这可以显着降低成本并提高效率，因为铝比黄金和白银更丰富，成本更低。 该研究还指出，电流的增加使得薄膜太阳能电池板在技术上可行，而不会“降低功率转换效率，从而减少材料消耗”。
太阳能电池板的效率可以通过太阳能电池板的MPP（最大功率点）值来计算
太阳能逆变器通过执行MPPT过程将DC电力转换为AC电力：太阳能逆变器对来自太阳能电池的输出功率（IV曲线）进行采样，并将适当的电阻（负载）应用于太阳能电池以获得最大功率。
太阳能电池板的MPP（最大功率点）由MPP电压（V mpp）和MPP电流（I mpp）组成：它是太阳能电池板的容量，较高的值可以产生更高的MPP。
微倒置太阳能电池板并联连接，产生比普通电池板更多的输出，这些电池板与由性能最低的电池板确定的系列输出串联连接（这被称为“圣诞灯效应”）。 微型逆变器独立工作，因此每个面板在可用的阳光下提供最大可能的输出。
技术
大多数太阳能模块目前由多晶硅和单晶硅制成的晶体硅（c-Si）太阳能电池制成。 2013年，晶体硅占全球光伏产量的90％以上，而整体市场的其余部分则由使用碲化镉，CIGS和非晶硅的薄膜技术组成。
新兴的第三代太阳能技术使用先进的薄膜电池。 与其他太阳能技术相比，它们以低成本实现了相对高效的转换。 此外，高成本，高效率和紧密堆积的矩形多结（MJ）电池优选用于航天器上的太阳能电池板，因为它们提供了每千克提升到空间中的最高发电功率比。 MJ电池是化合物半导体，由砷化镓（GaAs）和其他半导体材料制成。 使用MJ电池的另一种新兴PV技术是聚光光伏（CPV）。
薄膜
在刚性薄膜模块中，电池和模块在同一生产线上制造。 电池在玻璃基板或覆板上形成，电连接在原位产生，即所谓的“单片集成”。 将衬底或覆板与密封剂层压到前片或后片上，通常是另一片玻璃片。 该类别中的主要电池技术是CdTe，或a-Si，或a-Si + uc-Si串联，或CIGS（或变体）。 非晶硅的日光转换率为6-12％
通过在柔性基板上沉积光活性层和其他必要层，在同一生产线上产生柔性薄膜电池和模块。 如果基板是绝缘体（例如聚酯或聚酰亚胺膜），则可以使用单片集成。 如果它是导体，则必须使用另一种电连接技术。 通过将电池层压到正面上的透明无色含氟聚合物（通常为ETFE或FEP）和适合于粘合到另一侧的最终基板的聚合物，将电池组装成模块。
智能太阳能组件
几家公司已开始将电子产品嵌入光伏组件中。 这使得能够单独执行每个模块的最大功率点跟踪（MPPT），以及在模块级别进行监视和故障检测的性能数据测量。 其中一些解决方案利用功率优化器，这是一种DC-DC转换器技术，旨在最大限度地提高太阳能光伏系统的功率。 截至2010年左右，这种电子设备还可以补偿阴影效应，其中落在模块的一部分上的阴影导致模块中的一个或多个单元串的电输出降至零，但是没有输出。整个模块降至零。
性能和退化
模块性能通常在标准测试条件（STC）下评定：辐照度为1,000 W / m2，太阳光谱为AM 1.5，模块温度为25°C。
电气特性包括额定功率（PMAX，以W测量），开路电压（VOC），短路电流（ISC，以安培为单位测量），最大电源电压（VMPP），最大功率电流（IMPP），峰值功率，（瓦特） -peak，Wp）和模块效率（％）。
标称电压是指模块最适合充电的电池电压; 这是太阳能电池组件仅用于为电池充电的日子。 模块的实际电压输出随着照明，温度和负载条件的变化而变化，因此模块运行时从不会有一个特定的电压。 标称电压允许用户一目了然地确保模块与给定系统兼容。
开路电压或VOC是模块未连接到电路或系统时可产生的最大电压。 VOC可以用电压表直接在发光模块的端子上或在断开的电缆上测量。
峰值额定功率Wp是标准测试条件下的最大输出（不是最大可能输出）。 典型模块的尺寸约为1 m×2 m或3 ft 3 in×6 ft 7 in，根据其效率，其额定值可低至75 W至350 W。 在测试时，测试模块根据其测试结果进行分箱，典型的制造商可能会以5 W的增量对其模块进行分级，并将它们评定为+/- 3％，+ / – 5％，+ 3 / -0％或+ 5 / -0％。
太阳能模块承受雨，冰雹，大雪负荷以及冷热循环损坏的能力因制造商而异，尽管美国市场上的大多数太阳能电池板都已通过UL认证，这意味着它们已通过测试以承受冰雹。 许多晶体硅模块制造商提供有限保修，保证电气生产10年，额定功率输出为90％，25年为80％。
潜在的诱导退化（也称为PID）是由所谓的杂散电流引起的晶体光伏模块中潜在的诱导性能退化。 此效果可能导致功率损失高达30％。
据称，光伏技术面临的最大挑战是每瓦电力的采购价格，新材料和制造技术不断提高电源性能价格。 问题在于光子为了收获目的而激发电子必须克服的巨大激活能量。 光伏技术的进步带来了“掺杂”硅衬底以降低激活能量的过程，从而使面板在将光子转换成可回收电子方面更有效。
将诸如硼（p型）的化学物质施加到半导体晶体中，以产生基本上更接近价带和导体带的施主和受主能级。 在这样做时，硼杂质的添加允许活化能从1.12eV减少20倍至0.05eV。 由于电位差（EB）太低，硼能够在室温下热电离。 这允许在导带和价带中的自由能载流子，从而允许更多的光子转换成电子。
保养
通常在20％范围内的太阳能电池板转换效率通过灰尘，污垢，花粉和积聚在太阳能电池板上的其他微粒而降低。 休斯顿大学物理学副教授兼纳米能源研究所所长Seamus Curran表示，“肮脏的太阳能电池板可以在高尘/花粉或沙漠地区降低其功率高达30％”。纳米结构的设计，工程和组装。
支付清洁太阳能电池板通常不是一项好的投资; 研究人员发现，在加利福尼亚州的夏季干旱期间，未经清洁或下雨的板材持续145天，其效率仅下降了7.4％。 总体而言，对于典型的5千瓦的住宅太阳能系统而言，夏季中途的洗涤板将在20个月左右的夏季干旱结束之前转化为仅20美元的电力生产增益。 对于较大的商业屋顶系统，经济损失较大，但仍然很少足以保证清洗面板的成本。 平均而言，面板每天的总体效率损失不到0.05％。
回收
太阳能模块的大多数部件都可以回收利用，包括高达95％的某些半导体材料或玻璃以及大量的黑色金属和有色金属。 一些私营公司和非营利组织目前正在为报废模块进行回收和回收操作。
回收的可能性取决于模块中使用的技术类型：
硅基模块：铝框架和接线盒在工艺开始时手动拆卸。 然后将模块在研磨机中压碎，分离出不同的部分 – 玻璃，塑料和金属。 可以恢复超过80％的进入重量。 该方法可以由平板玻璃再循环器进行，因为PV模块的形态和组成类似于建筑和汽车工业中使用的那些平板玻璃。 例如，回收的玻璃容易被玻璃泡沫和玻璃绝缘工业所接受。
非硅基模块：它们需要特定的回收技术，例如使用化学浴来分离不同的半导体材料。 对于碲化镉模块，回收过程首先破碎模块并随后分离不同的部分。 该回收过程旨在回收高达90％的玻璃和95％的半导体材料。 私营公司近年来已经建立了一些商业规模的回收设施。 对于铝平板反射器：通过使用非再生塑料食品包装内存在的薄层（约0.016mm至0.024mm）铝涂层制造反射器的趋势。
自2010年以来，每年一次的欧洲会议将制造商，回收商和研究人员聚集在一起，共同探讨光伏组件回收的未来。
生产
2010年，完成了15.9吉瓦的太阳能光伏系统安装，太阳能光伏定价调查和市场研究公司PVinsights报告太阳能光伏安装量同比增长117.8％。
随着光伏系统安装量同比增长超过100％，光伏组件制造商在2010年大幅增加了太阳能组件的出货量。他们积极扩大产能，并将自己变成千兆瓦的GW玩家。 据PVinsights称，2010年十大光伏组件公司中有五家是GW公司。 尚德，First Solar，夏普，英利和天合光能现已成为GW生产商，其中大部分产品在2010年翻了一番。
生产太阳能电池板的基础围绕硅电池的使用。 这些硅电池在将太阳光转化为电能方面的效率通常为10-20％，现在新的生产型号超过22％。 为了使太阳能电池板变得更加高效，世界各地的研究人员一直在努力开发新技术，使太阳能电池板在将太阳光转化为能量方面更有效。
2014年，2014年全球四大太阳能组件生产商的出货量分别为英利，天合光能，夏普太阳能和加拿大太阳能。
价钱
平均价格信息分为三个定价类别：小批量购买（每年千瓦范围内各种规模的模块），中档购买者（每年通常高达10兆瓦），以及大量购买者（不言自明且有访问权限）到最低的价格）。 从长远来看，电池和模块的价格显然会有系统性的降低。 例如，2012年估计每瓦的成本约为0.60美元，比1970年的150美元的成本低250倍。 2015年的一项研究表明，自1980年以来，价格/千瓦时每年下降10％，并预测到2030年太阳能可占总用电量的20％，而国际能源机构预计到2050年将达到16％。
现实世界的能源生产成本在很大程度上取决于当地的天气条件。 在像英国这样的多云国家，每生产一千瓦时的成本高于西班牙等阳光充足的国家。
继RMI，系统平衡（BoS）元件之后，非微型逆变器太阳能模块（如布线，转换器，货架系统和各种部件）的非模块成本占安装总成本的大约一半。
对于将电力出售到输电网络的商业太阳能发电站，太阳能的成本需要与批发电价相匹配。 这一点有时被称为“批发电网平价”或“母线平价”。
一些光伏系统，例如屋顶装置，可以直接向电力用户供电。 在这些情况下，当输出成本与用户支付电力消费的价格相匹配时，安装可以具有竞争力。 这种情况有时被称为“零售网格奇偶校验”，“套接字奇偶校验”或“动态网格奇偶校验”。 联合国能源机构在2012年开展的研究表明，意大利，西班牙和澳大利亚等电价较高的阳光普照国家和使用柴油发电机的地区已实现零售电网平价。
安装和跟踪
地面安装的光伏系统通常是大型的公用事业规模的太阳能发电厂。 他们的太阳能模块通过安装在地面安装支架上的机架或框架固定到位。 地面安装支架包括：
杆式安装座，直接驱动到地面或嵌入混凝土中。
基础支架，如混凝土板或浇筑基础
有碴的基础支架，例如混凝土或钢基，使用重量将太阳能模块系统固定到位并且不需要地面穿透。 这种类型的安装系统非常适用于无法进行挖掘的场所，例如封顶的垃圾填埋场，并简化了太阳能模块系统的退役或重新安置。
屋顶安装的太阳能系统由太阳能模块组成，这些太阳能模块通过安装在屋顶安装支架上的机架或框架固定到位。 屋顶安装支架包括：
杆式安装座，直接连接到屋顶结构，可以使用额外的轨道连接模块架或框架。
有碴的基础支架，例如混凝土或钢基座，它们使用重量将面板系统固定到位并且不需要穿透。 这种安装方法允许太阳能电池板系统的退役或重新安置，而对屋顶结构没有不利影响。
将相邻太阳能模块连接到能量收集设备的所有接线必须根据当地电气规范进行安装，并应在适合气候条件的管道中运行
太阳能跟踪器以机械复杂性和维护需求为代价增加每个模块产生的能量。 它们可以感知太阳的方向，并根据需要倾斜或旋转模块，以最大限度地暴露在光线下。 或者，当太阳在天空中移动时，固定架将模块固定。 固定机架设置模块固定的角度。 相当于装置纬度的倾斜角度很常见。 这些固定架中的大多数设置在地上的杆上。 面向西方或东方的面板可能会提供稍低的能量，但会平衡供应，并可能在高峰需求期间提供更多电力。
标准
光伏组件中通常使用的标准：
IEC 61215（晶体硅性能），61646（薄膜性能）和61730（所有模块，安全）
ISO 9488太阳能 – 词汇。
来自Underwriters Laboratories的UL 1703
Underwriters Laboratories的UL 1741
来自Underwriters Laboratories的UL 2703
CE标志
电气安全测试仪（EST）系列（EST-460，EST-22V，EST-22H，EST-110）。
连接器
户外太阳能电池板通常包括MC4连接器。 汽车太阳能电池板还可以包括汽车打火机和USB适配器。 室内面板（包括太阳能光伏玻璃，薄膜和窗户）可以集成微型逆变器（AC太阳能电池板）。
应用
太阳能电池板或光伏电池的使用有许多实际应用。 它首先可以用于农业作为灌溉的动力源。 在医疗保健中，太阳能电池板可用于冷藏医疗用品。 它也可以用于基础设施。 光伏组件用于光伏系统，包括各种电子设备：
光伏电站
屋顶太阳能光伏系统
独立光伏系统
太阳能混合动力系统
集中光伏
太阳能飞机
太阳能泵浦激光器
太阳能汽车
航天器和空间站上的太阳能电池板
限制
生产中的污染与能源
太阳能电池板一直是产生清洁，无排放电力的众所周知的方法。 但是，它只产生直流电（DC），这不是普通电器使用的。 太阳能光伏系统（太阳能PV系统）通常由太阳能PV板（模块）和逆变器（改变DC到AC）制成。 太阳能光伏板主要由太阳能光伏电池制成，与制造计算机芯片的材料没有根本区别。 生产太阳能PV电池（计算机芯片）的过程是能量密集型的并且涉及高毒性和环境有毒的化学品。 世界上很少有太阳能光伏制造工厂生产光伏组件，其光伏产生的能源。 该措施大大减少了制造过程中的碳足迹。 管理制造过程中使用的化学品受工厂当地法律法规的约束。
对电网的影响
随着屋顶光伏系统水平的不断提高，能量流变为双向。 当本地发电量超过消耗量时，电力输出到电网。 然而，电力网络传统上不是为处理双向能量传输而设计的。 因此，可能会出现一些技术问题。 例如，在澳大利亚昆士兰州，截至2017年底，超过30％的家庭拥有屋顶光伏。从2015年开始，着名的加利福尼亚州2020鸭子曲线经常出现在很多社区。 当电力从这些光伏家庭流回网络时，可能会出现过电压问题。 有解决方案来管理过电压问题，例如调节光伏逆变器功率因数，分配器级别的新电压和能量控制设备，重新导电线，需求侧管理等。通常存在限制和成本相关的问题。这些解决方案
对电费账单管理和能源投资的启示
电力或能源需求和账单管理中没有银弹，因为客户（站点）具有不同的特定情况，例如不同的舒适/便利需求，不同的电价或不同的使用模式。 电价可能有一些因素，例如每日访问和计量费用，能源费用（基于kWh，MWh）或峰值需求费用（例如，一个月内最高30分钟能耗的价格）。 当电价相当高并且不断增加时，PV是一种很有前景的减少能源充电的选择，例如在澳大利亚和德国。 然而，对于具有高峰需求费用的站点，如果高峰需求主要发生在下午晚些时候到傍晚，例如住宅社区，则PV可能不那么有吸引力。 总体而言，能源投资在很大程度上是一项经济决策，最好根据对运营改进，能源效率，现场发电和能源储存方案的系统评估做出投资决策。