太阳能电池的分类及特点

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：迄今为止，人们已研究了100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同形式的太阳能电池，由于种类繁多，可以有多种分类方法。目前微晶硅和非晶硅的叠层太阳能电池转换效率已经达到14%。

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。迄今为止，人们已研究了100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同形式的太阳能电池，由于种类繁多，可以有多种分类方法。

3.1.1.1 按材料分类

根据所用材料的不同，可分为硅太阳能电池和化合物太阳能电池。

1.硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

（1）单晶硅太阳能电池。

转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截至2011年，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

（2）多晶硅薄膜太阳能电池。

与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截至2011年，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。

（3）非晶硅薄膜太阳能电池。

成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。目前规模化生产的商品非晶硅电池转换效率多在5%～8%左右。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

（4）微晶硅薄膜电池。

微晶硅薄膜是介于非晶硅和单晶硅之间的一种混合相无序半导体材料，是由几十到几百纳米晶硅颗粒镶嵌在非晶硅薄膜中所组成，它兼备了非晶硅和单晶硅的优点，被认为是制作太阳能电池的优良材料。目前微晶硅和非晶硅的叠层太阳能电池转换效率已经达到14%。然而由于微晶硅薄膜中含有大量的非晶硅，所以不能像单晶硅那样直接形成PN结，而必须做成PIN结。因此，如何制备获得缺陷密度很低的本征层，以及在温度比较低的工艺条件下制备非晶硅含量很少的微晶硅薄膜，是今后进一步提高微晶硅太阳能电池转换效率的关键。

2.多元化合物太阳能电池

多元化合物太阳能电池不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。常见的在薄膜太阳能电池材料中加入了无机盐，其主要包括砷化镓Ⅲ-Ⅴ族化合物、碲化镉、硫化镉及铜铟硒薄膜电池等。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

砷化镓（Ga As）Ⅲ-Ⅴ化合物电池的转换效率可达28%，Ga As化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是Ga As材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了Ga As电池的普及。

铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

有机化合物太阳能电池以有光敏性质的有机物作为半导体材料，以光伏效应而产生电压形成电流。有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、PN异质结结构和染料敏化纳米晶结构。根据有关调查数据，有机太阳能电池的成本平均只有硅太阳能电池的10%～20%；然而，目前市场上的有机太阳能电池的光电转换效率最高只有10%，这是制约其全面推广的主要问题。因此，如何提高光电转换率是今后应该解决的重点问题。

3.1.1.2 按工作方式分类

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图3-1　平板太阳能电池

1.平板太阳能电池

通常的单晶硅和多晶硅太阳能电池都是平板太阳能电池（图3-1）。

2.聚光太阳能电池

聚光型太阳能电池可通过使用透镜将光聚集到狭小的面积上来提高发电效率（图3-2）。不过因聚光引起的温度上升会损伤太阳能电池单元及发电系统，因此往往必须要抑制聚光率才可以。聚光型太阳能电池假如使用聚光倍率为1000倍的透镜时，单位模块的太阳能电池单元的成本可降至结晶硅类电池单元的1/10左右，而所需的面积仅硅晶圆的1/2.5。另外，聚光型太阳能电池必须要在位于透镜焦点附近时才能发挥功能，因此为使模块总是朝向太阳的方位，必须搭配使用太阳追踪系统，此设计虽然可以提高转换效率，但却存在透镜、聚光发热释放槽以及太阳光追踪系统的重量及体积较大等问题。

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图3-2　聚光太阳能电池

3.分光太阳能电池

某种四结分光太阳能电池就是利用分光装置将太阳光谱分为高能区和低能区，在高能区用一个单结电池匹配高能段光谱，而低能区通过三结级联结构匹配低能段光谱，实现对太阳光全光谱光能量的吸收转换。通过采用分光装置和三加一结的太阳能电池结构，吸收利用与材料带隙宽度相匹配的太阳光谱波段，减小光电转换中的热能损耗，更大限度地实现太阳光全光谱的吸收和能量转换，从而提高光电转换效率。

3.1.1.3 按用途分类

1.空间太阳能电池

空间太阳能电池是指在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳能电池。由于使用环境特殊，要求太阳能电池具有效率高，重量轻，耐高低温冲击，抗高能粒子辐射强等性能，而且制作精细，价格也较高。

2.地面太阳能电池

地面太阳能电池是指用于地面光伏发电系统的太阳能电池。这是目前应用最为广泛的太阳能电池，要求其耐风霜雪雨的侵袭，有较高的功率性价比，具有大规模生产的工艺可行性和充裕的原材料来源。

3.光敏传感器

光照射在太阳能电池上时，太阳能电池两极之间就能直接产生电压，连成回路，就有电流流过，光照强度不同，电流大小也不一样，因此可以作为光敏传感器使用。

太阳能电池的分类及特点

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