2.1 光伏電池認知

2.1.1 光伏電池發(fā)電原理

【任務(wù)說明】

光伏電池又稱太陽能電池或光電池，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照射到，瞬間就可形成電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏（Photovoltaic），簡稱光伏。本節(jié)主要學(xué)習(xí)光伏電池發(fā)電原理。

【任務(wù)實施】

（1）光傳導(dǎo)現(xiàn)象

當(dāng)光照射在半導(dǎo)體上時，不純物中的電子被激勵。由于帶間激勵，價電子帶的電子被傳導(dǎo)帶激勵而產(chǎn)生自由載流子，從而導(dǎo)致電氣傳導(dǎo)度增加的現(xiàn)象，稱為光傳導(dǎo)現(xiàn)象。圖2-1為用能帶圖表示的帶間激勵引起光傳導(dǎo)現(xiàn)象的示意圖。光子能量h_w大于禁止帶寬度能量E_g時，由于帶間遷移作用，價電子帶中的電子被激勵，產(chǎn)生電子空穴對，使電氣傳導(dǎo)度增加。

圖2-1 帶間激勵引起的光傳導(dǎo)現(xiàn)象示意圖

（2）光電效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)部靜電場E存在時，光照射產(chǎn)生的電子空穴對向兩側(cè)運動，產(chǎn)生電荷載流子的分極作用，半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電位差，即為光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect）。半導(dǎo)體內(nèi)部靜電場E存在的條件：形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的半導(dǎo)體PN結(jié)。

（3）光伏電池的發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電是利用光伏電池（類似于二極管的半導(dǎo)體器件）的光伏效應(yīng)直接把太陽的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式。太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器就是光伏電池。當(dāng)太陽光照射到由P、N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的光伏電池上時，其中一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片發(fā)散出去。被吸收的光線能激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，產(chǎn)生電子-空穴對。在PN結(jié)的內(nèi)建電場作用下，電子、空穴相互運動（如圖2-2所示），N區(qū)的空穴向P區(qū)運動，P區(qū)的電子向N區(qū)運動，使光伏電池的前電極有大量負電荷（電子）積累，而在電池的背電極有大量正電荷（空穴）積累。若在電池兩端接上負載形成回路，負載上就有電流通過。當(dāng)光線一直照射時，負載上將源源不斷地有電流通過。

圖2-2 光伏發(fā)電原理示意圖

單片光伏電池就是一個薄片狀的半導(dǎo)體PN結(jié)。標準光照條件下，額定輸出電壓為0.48V。為了獲得較高的輸出電壓和較大的功率，往往要把多片光伏電池連接在一起使用。光伏電池的輸出功率是隨機的，不同時間、不同地點、不同安裝方式下，同一塊光伏電池的輸出功率是不同的。

2.1.2 光伏電池的種類

【任務(wù)說明】

目前地面光伏發(fā)電系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅光伏電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅光伏電池。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅光伏電池優(yōu)于非晶硅光伏電池。本節(jié)主要學(xué)習(xí)各種光伏電池的特性及優(yōu)缺點。

【任務(wù)實施】

光伏電池根據(jù)其使用材料的種類可以分成硅系光伏電池、化合物系光伏電池、有機半導(dǎo)體系光伏電池以及量子點光伏電池等，如圖2-3所示。

根據(jù)制造電池所使用材料的大小可以分為硅光伏電池和薄膜光伏電池。硅光伏電池即為晶體硅光伏電池，如多晶硅光伏電池和單晶硅光伏電池。薄膜光伏電池則包括多晶硅薄膜光伏電池、非晶硅薄膜光伏電池、化合物薄膜光伏電池、有機薄膜光伏電池。

圖2-3 光伏電池分類

1.硅系光伏電池

（1）單晶硅光伏電池

單晶硅光伏電池是以高純度的單晶硅棒為原料生產(chǎn)的光伏電池，是目前發(fā)展最快的一種光伏電池，如圖2-4所示，已廣泛應(yīng)用于太空和地面。單晶硅光伏電池的硅原子排列非常規(guī)則，在硅系光伏電池中轉(zhuǎn)換效率最高，目前實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為25%，市場產(chǎn)品的實際轉(zhuǎn)換效率為18%～20%，高效單晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率可達到22%。根據(jù)行業(yè)標準的要求，電池片的使用壽命要求在25年以上。

圖2-4 單晶硅光伏電池

單晶硅棒的純度要求為99.999%。為了降低生產(chǎn)成本，地面應(yīng)用的光伏電池采用單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的可使用半導(dǎo)體器件加工產(chǎn)生的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成光伏電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成厚約為0.3mm的硅片。硅片經(jīng)過成形、拋磨、清洗等工序后，制成待加工的原料硅片。單晶硅片經(jīng)過硅片清洗、制絨、擴散、等離子刻蝕、去磷硅玻璃、PECVD（等離子增強型化學(xué)氣相沉積）鍍氮化硅膜、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、測試、包裝等工序后，制造成單晶硅光伏電池。典型的單晶硅片制造工藝如圖2-5所示。

圖2-5 單晶硅片制造典型工藝

a）多晶硅熔融長晶 b）單晶 c）硅棒 d）切晶

（2）多晶硅光伏電池

多晶硅片由單晶硅顆粒聚集而成。與單晶硅片相比，少了拉晶的工藝。多晶硅成本較低，其與單晶硅在性能上的差異，導(dǎo)致多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅光伏電池。圖2-6為多晶硅光伏電池的外觀。隨著工藝的改進，多晶硅光伏電池的效率在逐步提高，成本也相對較低，因此應(yīng)用較廣。目前多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率達到17%～18%，高效多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率能達到20%。

圖2-6 多晶硅光伏電池

多晶硅片的生產(chǎn)流程一般為：多晶原料清洗、檢測→坩堝噴涂→多晶鑄錠→硅錠剖方→硅塊檢驗→去頭尾→磨面、倒角→粘膠→切片→脫膠→清洗→檢驗→包裝→入庫。典型的多晶硅片制造工藝如圖2-7所示。

圖2-7 多晶硅片制造典型工藝

a）熔融 b）燒結(jié) c）切割 d）開方

多晶硅光伏電池的制造工藝與單晶硅光伏電池制造工藝的工序相似，只是在具體的工序上的制造工藝參數(shù)或方法有些差異。

（3）非晶硅光伏電池

非晶硅光伏電池是目前市場上比較成熟的一種薄膜光伏電池，如圖2-8所示。1976年美國RCA實驗室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在W.E.Spear控制PN結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成了世界上第一個a-Si光伏電池。非晶硅的原子排列呈無規(guī)則狀態(tài)，理論轉(zhuǎn)換效率為18%，實際轉(zhuǎn)換效率為7%～9%。非晶硅光伏電池是在玻璃基板上使用蒸鍍非晶硅層的方法，薄膜層厚度約為幾微米，非常節(jié)約原材料，批量生產(chǎn)時成本低。非晶硅光伏電池的薄膜可附著在廉價的基片介體（如玻璃、活性塑料或不銹鋼等）之上，不僅可以節(jié)省大量的材料成本，也可以制作大面積、專供建筑使用的透明玻璃光電磚。

圖2-8 非晶硅光伏電池

非晶硅光伏電池有各種不同的結(jié)構(gòu)。其中PiN結(jié)構(gòu)電池是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶硅，再沉積一層未摻雜的i層（i層為本征層），然后再沉積一層摻硼的P型非晶硅，最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。該工藝可以采用連續(xù)沉積室，在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序，以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。同時，非晶硅光伏電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，在同一平面上，用適當(dāng)?shù)难谀９に?，一次性制作多個串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。典型非晶硅光伏電池的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。

圖2-9 非晶硅光伏電池的結(jié)構(gòu)

2.化合物系光伏電池

化合物光伏電池主要包括GaAs（砷化鎵）Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化鎘/碲化鎘（CdS/CdTe）Ⅱ-Ⅵ族化合物、銅銦硒（CuInSe₂）Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ族化合物光伏電池等。

（1）GaAs光伏電池

砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）光伏電池屬于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1.42eV，正好為高吸收率太陽光的值，是很理想的電池材料。由于Ⅲ-Ⅴ族化合物是直接帶隙，少數(shù)載流子擴散長度較短，且抗輻射性能好，更適合太空能源領(lǐng)域。目前實驗室最高效率已達到50%。

1998年德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所研制的GaAs光伏電池轉(zhuǎn)換效率為24.2%。首次研制的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)研制了GaAs-GaSb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是GaSb，所得到的轉(zhuǎn)換效率達到31.1%。新一代的GaAs多接面光伏電池，例如GaAs、Ge和GaInP₂的三接面光伏電池因可吸收光譜范圍非常廣，所以轉(zhuǎn)換效率可高達39%以上。

Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏電池的轉(zhuǎn)換效率隨著溫度變化的程度遠比硅慢，可以聚焦到1000倍或2000倍的程度。利用聚光技術(shù)的聚光光伏電池的理論轉(zhuǎn)換效率達到40%以上。

（2）CuInSe₂光伏電池

CuInSe₂簡稱CIS。CIS材料的能隙為1.leV，適用于太陽光的光電轉(zhuǎn)換。CIS薄膜光伏電池不存在光致衰退問題。在CIS光伏電池中加入鎵（Ga）構(gòu)成了銅銦鎵硒（CIGS）光伏電池，即Cu（In_1-xGa_x）Se₂，Ga的組成x從0～1變化時，半導(dǎo)體的能帶則從1.0～1.7eV變化，控制x可使光伏電池的組成達到最佳狀態(tài)。當(dāng)x為0時，則為CIS光伏電池。

除了玻璃外，也可使用金屬箔、塑料等較輕且柔軟的材料作為襯底制作CIGS柔性光伏電池。CIGS光伏電池的理論轉(zhuǎn)換效率達25%～30%以上，目前在14%左右。

CIGS光伏電池的典型結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。主要由背電極（正電極）、P型CIGS（光吸收層）、N型ZnO層透明導(dǎo)電膜、CdS緩沖層等構(gòu)成。

圖2-10 CIGS光伏電池的典型結(jié)構(gòu)示意圖

（3）CdS/CdTe光伏電池

由Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的光伏電池有硫化鎘、碲化鎘光伏電池兩種。一般使用由二者結(jié)合而成的CdS/CdTe光伏電池，其中CdS為N型，CdTe為P型。CdTe的禁帶寬度一般為1.47eV，CdTe的光譜響應(yīng)和太陽光光譜非常匹配。CdTe的吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)高達10⁴/cm以上，95%的光子可在1μm厚的吸收層內(nèi)被吸收。碲化鎘薄膜光伏電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率約為28%。

碲化鎘薄膜光伏電池是在玻璃或其他柔性襯底上依次沉積多層薄膜而構(gòu)成的光伏器件。標準的碲化鎘薄膜光伏電池由5層結(jié)構(gòu)組成，碲化鎘薄膜光伏電池的結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。玻璃襯底主要對電池起支架、防止污染和入射太陽光等作用。

圖2-11 碲化鎘薄膜光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖

TCO層即透明導(dǎo)電氧化層，主要的作用是透光和導(dǎo)電。CdS窗口層為N型半導(dǎo)體，與P型CdTe吸收層組成PN結(jié)。CdTe吸收層是電池的主體吸光層，與N型的CdS窗口層形成的PN結(jié)是整個電池最核心的部分。背接觸層和背電極是為了降低CdTe和金屬電極的接觸勢壘，引出電流，使金屬電極與CdTe形成歐姆接觸。

由于碲化鎘薄膜光伏電池含有重金屬元素鎘，使很多人擔(dān)心碲化鎘光伏電池的生產(chǎn)和使用會對環(huán)境帶來不好的影響。美國First Solar公司的碲化鎘光伏電池組件在銷售時就與用戶簽訂了由工廠支付回收費用的回收合同。

3.有機半導(dǎo)體系光伏電池

有機光伏電池是由有機材料制成的，可分為色素增感光伏電池和有機薄膜光伏電池。

（1）色素增感光伏電池

色素增感光伏電池（又稱染料敏化光伏電池）以低成本的納米二氧化鈦（TiO₂）和光敏染料為主要原料，模擬植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。該電池使用的納米TiO₂、N3染料、電解質(zhì)等材料價格便宜且環(huán)保無污染，同時它對光線的要求相對不那么嚴格，即使在比較弱的光線照射下也能工作。

染料敏化光伏電池主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、光敏染料、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（如TiO₂、SnO₂、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為染料敏化光伏電池的負極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。光敏染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，最常用的是KCl（氯化鉀）。圖2-12給出了典型的染料敏化光伏電池的結(jié)構(gòu)。

（2）有機薄膜光伏電池

有機薄膜光伏電池以具有光敏性質(zhì)的有機物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。主要的光敏性質(zhì)的有機材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且具有導(dǎo)電性，如酞菁類化合物、卟啉、菁等。有機薄膜光伏電池按照半導(dǎo)體的材料分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、PN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。

單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是以Schotty勢壘（肖特基勢壘）為基礎(chǔ)原理而制作的有機光伏電池，如圖2-13所示。其結(jié)構(gòu)為玻璃/金屬電極（陰極）/染料（有機層）/金屬電極（陽極），利用了兩個電極的功函不同，可以產(chǎn)生一個電場，電子從低功函的金屬電極傳遞到高功函電極從而產(chǎn)生光電流。由于電子-空穴均在同一種材料中傳遞，所以其光電轉(zhuǎn)化率比較低。

圖2-12 染料敏化光伏電池的結(jié)構(gòu)

圖2-13 單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

PN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是指這種結(jié)構(gòu)具有給體-受體（N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體）的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖2-14所示。其中半導(dǎo)體的材料多為染料，如酞菁類化合物等，利用半導(dǎo)體層間的D/A界面（Donor給體，Acceptor受體），以及電子-空穴分別在不同材料中傳遞的特性，使分離效率提高。Elias Stathatos等人結(jié)合無機以及有機化合物的優(yōu)點制作的光伏電池光電轉(zhuǎn)化率在5%～6%。

光伏電池還按形式和用途可以分為透明光伏電池、半透明光伏電池、混合型光伏電池、層積光伏電池、球狀光伏電池等。下面以層積光伏電池為例進行介紹。

層積光伏電池的結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。層積光伏電池由兩個以上的光伏電池層積而成。層積光伏電池可利用波長范圍較寬的太陽光能量，因此轉(zhuǎn)換效率較高。

圖2-14 PN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

圖2-15 層積光伏電池的結(jié)構(gòu)

2013年9月，德國弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所、法國聚光光伏制造商Soitec公司、德國柏林亥姆霍茲研究中心攜手宣布，他們制造出一款在297倍聚光濃度下，光電轉(zhuǎn)化效率高達44.7%的四結(jié)光伏電池。該四結(jié)光伏電池中的單個電池由不同的III-V族（元素周期表中III族的B、Al、Ga、In和V族的N、P、As、Sb等）半導(dǎo)體材料制成，這些結(jié)點逐層堆積，單個子電池能吸收太陽光光譜中不同波長的光。