太阳能光伏电池的发展

一、概述

太阳能是一种清洁、安全、可再生和分布范围广的绿色能源，是今后替代能源发展的战略性领域。太阳能发电主要有太阳能光伏发电和太阳能光热发电两种形式。由于太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、故障率低、维护简便等优点，是一种被看好的能源利用形式。

据光伏网站solarbuzz公布的2009年全球光伏发电装机容量累计达2300万千瓦，欧洲、美国、日本累计光伏发电装机容量合计2024万千瓦，约占全球总量的88%。其中德国为最大市场，装机容量达978万千瓦，占全球的43%，西班牙累计装机容量为339万千瓦，占全球的15%，日本和美国分别为263万千瓦和165万千瓦，占全球的12%和7%。

近年来，我国的光伏电池产业在国外市场的拉动下发展迅速，2009年，我国光伏电池产量已突破200万千瓦，位居世界首位。

二、太阳能光伏发电原理

1.光伏发电原理

研究发现，光照使不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位之间，产生电位差的现象，这种现象被称为光生伏特效应（Photo voltaic effect），简称光伏效应。

一般化合价为4的硅晶体半导体中掺入少量化合价为3的硼原子时，硅晶体中就会出现正电荷的空穴，形成P型半导体；当硅晶体中掺入化合价为5的磷原子后，就会出现负电荷的电子，形成N型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体交界面区域会形成一个特殊的薄层，界面P型半导体一侧带负电，N型半导体一侧带正电，如图1所示。由于P型半导体多余空穴，N型半导体中多余自由电子，出现了N区的电子扩散到P区，P区的空穴扩散到N区，这样，就形成了由N区指向P区的内电场（E），以阻止扩散的进行，达到平衡后，形成特殊的薄层，这就是PN结。

图1 PN结示意

当半导体晶片受阳光照射后，PN结中的P型半导体的光生电子向PN结扩散，进入PN结后，即被“内电场”推向N区；而N型半导体产生的光生空穴，先向PN结扩散，进入PN结后，即被“内电场”推向P区。这种电子和空穴的移动，在N区积累了大量的光生电子，而P区则积累了大量的光生空穴，在PN结两侧出现了光生电动势，当外电路连接起来时就有光生电流通过（见图2所示），

图2 PN结光伏效应示意

后来就把能够产生光生伏特效应的器件称为光伏器件。由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率比较高，所以通常把这类基于半导体PN结的光生伏特效应的、能够将太阳能直接转换成电能的光伏器件称为太阳能电池（solar cell），也称光伏电池。

2.太阳能电池结构

典型的太阳能电池单元结构是一片厚为0.2～0.3mm、面积为50或100mm见方的硅薄片，上部是掺有5价元素磷、并依靠大量电子导电的N型硅；下部是掺有三价元素硼、并依靠空穴导电的P型硅。N型硅表面布有很细的金属栅线，另一面紧贴P型硅。为了减少反射，整个电池表面覆盖着一层透明的减反射膜（见图3）。

图3 太阳能电池

太阳能电池单元是太阳能光伏发电的最小单元，将电气性能接近的多个太阳能电池单元串并联后封装，即组成太阳能电池组件，在大规模光伏发电应用中，一般将多个太阳能电池组件按照电气性能串并联，构成太阳能电池阵列。

三、太阳能电池种类与特点

1、太阳能电池分类

太阳能电池根据所用材料不同，可分为硅半导体太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、有机半导体太阳能电池等类型，详细分类见图4所示。

图4 太阳能电池分类

2、各种太阳能电池的介绍

(1)单晶硅太阳能电池

硅半导体系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，其转换效率理论值达24%～25%，实际产品的转换效率为15%～18%（或以上）；技术也最为成熟，可靠性较高，特性比较稳定。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格较高，要想大幅度降低其成本是非常困难的。

(2)多晶硅太阳能电池

多晶硅是单晶硅的一种形态，是由单晶硅颗粒聚集而成的。多晶硅太阳能电池的转换效率理论值为20%，实际产品为12%～14%，与单晶硅太阳能电池转换效率相比较，虽然偏低，但其原材料较丰富，制造比较容易，因此，其使用量已超过单晶硅太阳能电池，占主导地位。

(3)多晶硅薄膜太阳能电池

多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳能电池的激活层，不仅保持了太阳能的高性能和稳定性，而且用料下降，降低了成本，目前还处在试验研发阶段，实验室样品转换效率在10%左右，最高达16%。

(4)非晶质（薄膜）太阳能电池

非晶质太阳能电池的原子排列呈无规则状态，是在玻璃板上使用蒸镀非晶硅的方法，在薄膜状态（厚度为数微米）下制作的，转换效率理论值为18%，但实际产品仅为9%左右。与结晶硅太阳能电池比较，尽管转换效率不高，但由于具有制造工艺简单，易大量生产，制造所需能源、使用材料极少（厚度1μm以下，单晶硅的厚度为300μm），还可以方便地制成曲面形状，以及可以制成成本较低的薄膜太阳能电池等特点，所以有广阔的应用前景，目前非晶质太阳能电池已经在钟表、计算器等行业应用。

(5)III-V族化合物——砷化镓（GaAs）太阳能电池

砷化镓（GaAs）太阳能电池的特点是高效率、耐辐射，是重要的宇宙用太阳能电池。小面积砷化镓太阳能的最高转换效率已经达到38%，但由于其原材料成本比硅高，资源量极其有限，这就极大限制了它在地面的应用。

在III-V族化合物中另一代表性的化合物电池是磷化铟（InP）太阳能电池，最高转换效率已经达到22%，由于成本高的问题，限制了其在地面应用。

(6)II-VI族化合物（CdS/CdTe）太阳能电池

II-VI族化合物硫化镉/碲化镉（CdS/CdTe）太阳能电池具有成本低，转换效率高的特点，转换效率的理论值为33.62%～44.44%，目前小面积电池单元的转换效率大约在15%以上，大面积电池单元转换效率在10%以上，将来有望成为低成本、高转换效率薄膜太阳能电池，但是有毒元素镉对环境的污染和对操作人员的健康的危害是不容忽视的。

(7)三元（I-III-VI族）化合物（CuInSe2）太阳能电池

由于铜铟硒（CuInSe2，即CIS）太阳能电池具有转换效率高（小面积达18.8%，大面积达12%～14%以上）、制造成本低、电池性能稳定的特点。

如在铜铟硒（CIS）中添加了镓（Ga）后，铜铟镓硒（CuInGaSe2，即CIGS）太阳能电池的转换效率（小面积电池）达19.2%。

(8)色素增感太阳能电池

色素增感太阳能电池，是在光激励状态下，伴随化学反应产生光电斑的光化学电池，它可分为光异化型、光酸化还原型及半导体增感型3种。这种电池可用印刷方式制造，适于大量生产，因此成本较低，其转换效率在10%左右。根据色素的种类和使用量，可制成各种颜色的、透明的太阳能电池，用于建材及钟表等领域。

(9)有机薄膜太阳能电池

有机薄膜太阳能电池由色素或高分子材料构成，这种电池制造方法简单、对环境无影响、能耗较少，因此成本较低，电池的转换效率为4.5%左右。现在对有机薄膜太阳能电池研发呈加快趋势。

3、太阳能电池特点

(1)无可动部分，寿命长、无噪声，管理和维护简便。

(2)太阳能电池直接将光能转换成电能，不会产生废气和有害物质。

(3)太阳能发电间歇性问题，太阳能电池的能量随入射光、季节、天气、时刻等变化而变化，在夜间不能发电。

(4)太阳能电池产生的是直流电，无蓄电功能。

(5)太阳能发电成本较高。

4、太阳能电池的发展趋势

太阳能电池技术发展很快，按研发时间先后，第一代太阳能电池是晶硅类（单晶硅和多晶硅），第二代是薄膜类和化合物类（非晶硅、铜铟镓硒、砷化镓、碲化镉等），第三代为新概念类（色素增感太阳能电池或称染料敏化电池等）。目前比较成熟且广泛应用的是晶硅类太阳能电池，在2009年全球太阳能电池产量为10 431MW，其中单晶硅电池产量为4 574.1MW，占43.86%，多晶硅电池为4862.9MW，占46.62%，薄膜电池为993MW，占9.52%。

现在国内外太阳能电池行业都在围绕着提高太阳能电池的光转换效率和降低成本这两大目标开展研究工作。晶体硅高效太阳能电池和各类薄膜太阳能电池也是全球新型太阳能电池研发的热点，高效单晶硅太阳能电池的转换效率已接近25%，高效多晶硅太阳能电池转换效率已超过20%。薄膜太阳能电池研究主要集中在非晶质薄膜电池、碲化镉薄膜电池、铜铟硒薄膜电池和多晶硅薄膜电池上。非晶质太阳能电池的研究重点是解决光致衰降和提高效率问题，现已有报道，实验室稳定效率已达15%。碲化镉薄膜电池实验室效率达到16.4%，铜铟硒薄膜电池实验室效率达19.2%，并建立了效率为10%的中试生产线。目前多晶硅薄膜太阳能电池实验室效率已超过17%，前景看好。

四、太阳能光伏电池运行模式

1、太阳能电池的输出特性与最大功率跟踪

太阳能电池单元是太阳能光伏发电的最小单元，太阳能光伏电池输出特性曲线如图5所示，该特性曲线随太阳辐射、温度和负荷条件成呈现非线性变化，并具有最大功率点（MPP）。

在光伏系统中，为了充分利用太阳能，系统必须实现最大功率点的跟踪，即系统能跟踪太阳能电池输出的最大功率点（MPP）。光伏系统最大功率跟踪控制方法，早期采用恒定电压跟踪（CVT）方法比较多，随着电力电子及控制技术的发展，已开始使用一些新的控制方法，如扰动观测法（Perturb-and-observe method，也称登山法）、导纳增量法（Incremental conductance algorithm）等。

在不同的光照强度下，光伏电池阵列的伏安特性曲线如图6所示，在图6中L是负载特性曲线，交点a、b、c、d、e对应于不同的工作点。可以看出，如果能将工作点移到光伏阵列伏安曲线的最大功率点(a′、b′、c′、d′、e′)处，就可以达到光伏阵列最大的能量利用率。当温度保持在某一定值时，最大功率点基本在一根垂线的两侧，在某个照度以上，电压值近似为常数，这样就可以把最大功率点的轨迹近似的看成输出电压恒定的一根垂线，这就是基于恒电压的电流控制策略，可近似地实现最大功率点的跟踪控制。

图5 光伏电池的伏安特性

图6 不同照射强度下光伏电池阵列的伏安特性

2、太阳能电池运行模式——离网型与并网型

太阳能发电系统将太阳能电池输出的直流电能通过功率变换装置给负荷供电（交流或直流），或者接入电网。太阳能光伏发电系统可分为离网型和并网型两种形式。

(1)离网型运行方式

离网型太阳能光伏发电系统配置示意图如图7所示。太阳能电池发出的直流电可以直接向直流负荷供电，也可以通过逆变器（实现直流到交流的变换）向交流负荷供电，为了保证负荷供电的连续性，系统需要配置储能装置（如蓄电池），整个系统的运行控制保护由控制器完成。

图7 离网型光伏发电系统配置

(2)并网运行方式

太阳能电池光伏系统如需要与公共电网并网连接，太阳能光伏发电系统所发出的直流电不论是否经过蓄电池组，最终通过逆变器变换成交流电，与公共电网并联连接。

图8 并网型光伏发电系统的配置

可逆流和不可逆流并网光伏发电系统：由于光伏发电系统具有间隙式供电的特点，按照并网光伏发电系统能否允许通过所在供电区的变压器向公共电网馈电的情况，可分为可逆流和不可逆流并网光伏发电系统。

可调度式并网系统和不可调度式并网系统：对并网式光伏发电系统还可按其功能，分为可调度式并网系统（带一定数量的蓄电池）和不可调度式并网系统（不带蓄电池）。对不可调度式并网系统（见图8a所示），由于不带蓄电池，造价相对较低，但这类并网系统不能够控制并网时间，因此，调峰的效果较差；在可调度式并网系统（见图8b所示），具有电网调峰的功能，其蓄电池的容量只要求满足每天3～4 h调峰之用，不像独立运行的光伏发电系统的蓄电池，其容量能满足3～4天使用要求，因此，造价要比独立光伏发电系统大大下降。由于上网时间能够控制，可大大提高调度式并网系统的调峰效果。可调度式并网系统要求其逆变器同时具有独立工作和并网工作两种模式，因此，具有更大的灵活性。