浅谈太阳能电池

泰伟业

摘 要：本文重点介绍太阳能电池的种类以及太阳能电池的应用现状，简述其发展中存在的问题并预测其未来走向的趋势。

关键词：光电效应； 应用现状； 存在问题

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.076

0 引言

随着时代的发展，能耗越来越大，人类面临着常规能源枯竭和环境严重破坏的双重压力。近年来，太阳能光伏市场因其核心部件太阳能光伏电池具有不消耗燃料，不受地域限制，规模可灵活组合，具有大规模应用的可能性等优点而得到快速发展。

太阳能电池又称为“太阳能芯片”，是利用太阳光直接发电的光电半导体设备。工作原理是光电效应，即阳光照射在PN结上，形成新的电子-空穴对，在PN结本身内建电场的作用下，电子由N区向P区运动，空穴由P区向N区运动，形成了电流。

1 太阳能电池的种类和应用

1.1 种类

依据所用材质不同，将太阳能电池大致分为：硅基电池、化合物电池、纳米晶电池、有机电池四类。

1.1.1 硅基电池

硅基电池包括：单晶硅电池、多晶硅电池和硅基薄膜电池。

单晶硅太阳能电池以纯度较高的直拉单晶硅棒作为初材料，其光电转换效率最高，在实验室条件下可达为24.7%，规模生产时为18%（截至2011年）。当然，当晶硅电池的成本也较高，单晶硅棒的纯度一般要求99.999%。

多晶硅太阳能电池成本远低于单晶硅电池，其转换效率却略逊于前者，实验室最高转换效率为18%，工业规模生产时为17%（截至2011年）。

硅基薄膜太阳能电池组件成本低，重量轻，组件结构完整，美观，弱光发电效果好，便于大规模生产，有极大的潜力，除用于大型光伏电站外，还可以安装于建筑物任何部位并与建筑融为一体，利于推行建筑光伏一体化。

尤其是非晶硅薄膜电池，不仅转换效率低下，而且存在光致衰退效应，若可以进一步提高其转换率并使得稳定性问题能够得到改善，那么，该产品将会是今后太阳能电池的主要发展方向之一。

1.1.2 化合物太阳能电池

以无机盐作为材料的化合物薄膜太阳能电池，其主要包括Ⅱ-Ⅵ族化合物碲化镉、铜铟镓硒电池等；III-V族化合物砷化镓、磷化铟及砷化镓电池等。

Ⅱ-Ⅵ族化合物典型代表---碲化镉，该材质吸光系数很高且可用多种快速成膜技术制作，不仅成本方面廉价于单晶硅电池，而且易于规模化生产，唯一的难题是镉有剧毒，使用不当会严重污染环境，不是晶体硅太阳能电池的理想替代品。

III-V化合物电池的典型代表---砷化镓（GaAs），其转换效率可达30%以上，具有十分理想的光学带隙和较高的光吸收效率，在AM1辐射条件下吸光97%左右，抗辐照能力强，对热不敏感，适合制造高效单结电池，适合用于热光伏特系统、聚光系统及太空领域。

铜铟镓硒薄膜电池具有高转换效率（可以达到30%左右）和低材料制造成本等优点，将成为未来最有发展潜力的薄膜电池之一。但该电池面临的问题是铟和硒稀缺，其发展将无疑会受到一定程度的制约。

1.1.3 纳米晶太阳能电池

纳米晶体太阳能电池是近年来新发展的，其优点在于成本廉价、生产工艺简单、性能稳定，其制作成本仅为硅太阳电池的1/10～1/5，光电转换效率稳定在10%以。

1.1.4 有机太阳能电池

有机太阳能电池的半导体材料为具有光敏性质的有机物，此种有机物作为电池的核心部分，具有光生伏特效应。

1.2 应用

目前，在农业、工业、军事等领域太阳能电池已广泛应用，主要分为两种类型：并网型、离网型。

1.2.1 并网应用

并网发电是指把太阳能转化为电能，不需要经过中间环节---蓄电池储能，而直接通过并网逆变器，把电能输入电网的一个过程。

21世纪以来，全球太阳能光伏并网发电应用大幅推广，世界各国都在楼宇和家居屋顶上应用了太阳能电池，一半以上可并网，而且并网的发电应用也越来越多。以2008年为例，比2007年增长约72.67%，统计到2000年，年均增长率约60.99%。

相对离网太阳能发电系统而言，并网发电系统的优点如下：可再资源太生阳能清洁干净，符合当前经济社会可持续发展的环境要求；减少了蓄电池的二次污染，所发电直输入电网，不再需要蓄电池，投资约是独立太阳能光伏系统建设的60%，成本大大降低；调节能力强，进出电网系统方便灵活，不仅有利于改善电力系统负荷平衡的问题，而且有利于增强电力系统的抗外界干扰能力。

1.2.2 离网应用

与并网发电相比，离网发电使用起来更加灵活。已广泛应用于边远山区的农场、山场、庄园等小功率的生活用电场所。

2 太阳能电池的现状

2.1 国外现状

20世纪80年代以来太阳能光伏产业是飞速发展，截止2006年底，世界装机总容量达到4961.69MW。在国际市场上，太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元，世界光伏总发电量的80%来自日本、欧盟和美国。

今后，光伏发电系统将主要向高效率、低成本、长寿命、美观实用的方向发展。到2050年，太阳能光伏发电将占总发电量的14%左右，由于曾一度时期国外相当一部分发达国家光伏发电系统补助相当多，产业发展迅猛，欧美部分发达国家从2013年始相继采取降低光伏发电补助的措施，旨在进行市场自动调节，当光伏组件价格降低到一定程度时，达到商业发电的经济指标，光伏发电规模还会有所增加。

2.2 国内现状

我国首个光伏“领跑者”计划示范基地于2015年6月正式落户山西省大同市。总装机容量3GW，分三年实施，一期计划1GW。分成13个项目，其中7个100MW，5個50MW，另外一个50MW为基地公共光伏实证平台，包括30MW的基地野外光伏测试平台、10MW的光伏电站与大同土壤植被研究示范项目、10MW的光伏电站景观规划研究示范项目。

总体来讲，国内太阳能光伏发电产业起步晚，尤其在太阳能电池的新项目开发、新工艺推广方面的技术不成熟，整体上仍处于产量小、产品单一、技术落后的初级阶段。

而国外不少企业已把目标制定在光电转换效率可高达18.3%，新一代技术先进的薄膜晶体太阳能电池的研发以及规模化生产上，此类电池的转换率比目前平均转换效率提高了3个百分点。

3 太阳能电池存在的问题

光伏产业数十年的发展已取得了系列惊人的可喜成就，但与此同时也迎来了新产业前所未有的机遇和挑战。

3.1 原材料及产品问题

我国太阳能电池产业表现出了“两头在外”的问题。全球约60%的晶体硅由我国生产，但与欧美国家相比，我国硅材料的生产成本依然居高不下，核心的技术依然掌握在欧美人手中，我国所需上游硅料、硅片还摆脱不了欧美国家的控制，就连下游的拉棒、切片设备也大部分来自于欧美国家，比较简单的附加值较低的电池片组装工序由我国企业主要完成，最终成品又主要用于出口国外。

我国太阳能电池专用材料国产化程度较低，如基板玻璃市场仍不能满足当前技术要求，封装玻璃还摆脱不了进口，科研成果不能及时转化为产业优势，诸如系列问题导致我国太阳能电池平均转换效率偏低。

3.2 环境污染和能耗问题

多晶硅的生产提纯过程中会产生包括氯硅烷低沸物、氯化氢等大量的废水，在破碎、细磨等工序会产生的大量工业粉尘。其中，副产物有毒有害四氯化硅液体的问题最为突出，每生产1t多晶硅将产生约8t的四氯化硅，其具有强腐蚀性的，对环境危害极大。随着多晶硅产量的逐年增加，对四氯化硅的安全环保处理措施在某种程度上已成为限制多晶硅制造业健康快速发展的关键性因素。

4 未来发展趋势

在太阳能与建筑一体化方面行业内某些知名企业已取得可喜成果，行业发展方向也日渐明朗。传统的热水器市场需继续稳固，太阳能与建筑一体化领域也要不断拓展，逐渐稳步迈进工业领域。

到21世纪末，太阳能发电将在能源结构占到60%以上。太阳能光伏产业因其在能源领域重要的战略地位而具有广阔的市场发展前景。

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