太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)展

一、概述

太陽(yáng)能是一種清潔、安全、可再生和分布范圍廣的綠色能源，是今后替代能源發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域。太陽(yáng)能發(fā)電主要有太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能光熱發(fā)電兩種形式。由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有安全可靠、無(wú)噪聲、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是一種被看好的能源利用形式。

據(jù)光伏網(wǎng)站solarbuzz公布的2009年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)2300萬(wàn)千瓦，歐洲、美國(guó)、日本累計(jì)光伏發(fā)電裝機(jī)容量合計(jì)2024萬(wàn)千瓦，約占全球總量的88%。其中德國(guó)為最大市場(chǎng)，裝機(jī)容量達(dá)978萬(wàn)千瓦，占全球的43%，西班牙累計(jì)裝機(jī)容量為339萬(wàn)千瓦，占全球的15%，日本和美國(guó)分別為263萬(wàn)千瓦和165萬(wàn)千瓦，占全球的12%和7%。

近年來(lái)，我國(guó)的光伏電池產(chǎn)業(yè)在國(guó)外市場(chǎng)的拉動(dòng)下發(fā)展迅速，2009年，我國(guó)光伏電池產(chǎn)量已突破200萬(wàn)千瓦，位居世界首位。

二、太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

1.光伏發(fā)電原理

研究發(fā)現(xiàn)，光照使不均勻的半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間，產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應(yīng)（Photo voltaic effect），簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。

一般化合價(jià)為4的硅晶體半導(dǎo)體中摻入少量化合價(jià)為3的硼原子時(shí)，硅晶體中就會(huì)出現(xiàn)正電荷的空穴，形成P型半導(dǎo)體；當(dāng)硅晶體中摻入化合價(jià)為5的磷原子后，就會(huì)出現(xiàn)負(fù)電荷的電子，形成N型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體交界面區(qū)域會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面P型半導(dǎo)體一側(cè)帶負(fù)電，N型半導(dǎo)體一側(cè)帶正電，如圖1所示。由于P型半導(dǎo)體多余空穴，N型半導(dǎo)體中多余自由電子，出現(xiàn)了N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴擴(kuò)散到N區(qū)，這樣，就形成了由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)（E），以阻止擴(kuò)散的進(jìn)行，達(dá)到平衡后，形成特殊的薄層，這就是PN結(jié)。

圖1 PN結(jié)示意

當(dāng)半導(dǎo)體晶片受陽(yáng)光照射后，PN結(jié)中的P型半導(dǎo)體的光生電子向PN結(jié)擴(kuò)散，進(jìn)入PN結(jié)后，即被“內(nèi)電場(chǎng)”推向N區(qū)；而N型半導(dǎo)體產(chǎn)生的光生空穴，先向PN結(jié)擴(kuò)散，進(jìn)入PN結(jié)后，即被“內(nèi)電場(chǎng)”推向P區(qū)。這種電子和空穴的移動(dòng)，在N區(qū)積累了大量的光生電子，而P區(qū)則積累了大量的光生空穴，在PN結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)了光生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)外電路連接起來(lái)時(shí)就有光生電流通過(guò)（見(jiàn)圖2所示），

圖2 PN結(jié)光伏效應(yīng)示意

后來(lái)就把能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的器件稱為光伏器件。由于半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽(yáng)光下的光電轉(zhuǎn)換效率比較高，所以通常把這類(lèi)基于半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)的、能夠?qū)⑻?yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的光伏器件稱為太陽(yáng)能電池（solar cell），也稱光伏電池。

2.太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

典型的太陽(yáng)能電池單元結(jié)構(gòu)是一片厚為0.2～0.3mm、面積為50或100mm見(jiàn)方的硅薄片，上部是摻有5價(jià)元素磷、并依靠大量電子導(dǎo)電的N型硅；下部是摻有三價(jià)元素硼、并依靠空穴導(dǎo)電的P型硅。N型硅表面布有很細(xì)的金屬柵線，另一面緊貼P型硅。為了減少反射，整個(gè)電池表面覆蓋著一層透明的減反射膜（見(jiàn)圖3）。

圖3 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池單元是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最小單元，將電氣性能接近的多個(gè)太陽(yáng)能電池單元串并聯(lián)后封裝，即組成太陽(yáng)能電池組件，在大規(guī)模光伏發(fā)電應(yīng)用中，一般將多個(gè)太陽(yáng)能電池組件按照電氣性能串并聯(lián)，構(gòu)成太陽(yáng)能電池陣列。

三、太陽(yáng)能電池種類(lèi)與特點(diǎn)

1、太陽(yáng)能電池分類(lèi)

太陽(yáng)能電池根據(jù)所用材料不同，可分為硅半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池等類(lèi)型，詳細(xì)分類(lèi)見(jiàn)圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能電池分類(lèi)

2、各種太陽(yáng)能電池的介紹

(1)單晶硅太陽(yáng)能電池

硅半導(dǎo)體系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅大陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，其轉(zhuǎn)換效率理論值達(dá)24%～25%，實(shí)際產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率為15%～18%（或以上）；技術(shù)也最為成熟，可靠性較高，特性比較穩(wěn)定。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。單晶硅太陽(yáng)能電池在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格較高，要想大幅度降低其成本是非常困難的。

(2)多晶硅太陽(yáng)能電池

多晶硅是單晶硅的一種形態(tài)，是由單晶硅顆粒聚集而成的。多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率理論值為20%，實(shí)際產(chǎn)品為12%～14%，與單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率相比較，雖然偏低，但其原材料較豐富，制造比較容易，因此，其使用量已超過(guò)單晶硅太陽(yáng)能電池，占主導(dǎo)地位。

(3)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池是將多晶硅薄膜生長(zhǎng)在低成本的襯底材料上，用相對(duì)薄的晶體硅層作為太陽(yáng)能電池的激活層，不僅保持了太陽(yáng)能的高性能和穩(wěn)定性，而且用料下降，降低了成本，目前還處在試驗(yàn)研發(fā)階段，實(shí)驗(yàn)室樣品轉(zhuǎn)換效率在10%左右，最高達(dá)16%。

(4)非晶質(zhì)（薄膜）太陽(yáng)能電池

非晶質(zhì)太陽(yáng)能電池的原子排列呈無(wú)規(guī)則狀態(tài)，是在玻璃板上使用蒸鍍非晶硅的方法，在薄膜狀態(tài)（厚度為數(shù)微米）下制作的，轉(zhuǎn)換效率理論值為18%，但實(shí)際產(chǎn)品僅為9%左右。與結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池比較，盡管轉(zhuǎn)換效率不高，但由于具有制造工藝簡(jiǎn)單，易大量生產(chǎn)，制造所需能源、使用材料極少（厚度1μm以下，單晶硅的厚度為300μm），還可以方便地制成曲面形狀，以及可以制成成本較低的薄膜太陽(yáng)能電池等特點(diǎn)，所以有廣闊的應(yīng)用前景，目前非晶質(zhì)太陽(yáng)能電池已經(jīng)在鐘表、計(jì)算器等行業(yè)應(yīng)用。

(5)III-V族化合物——砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)能電池

砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)是高效率、耐輻射，是重要的宇宙用太陽(yáng)能電池。小面積砷化鎵太陽(yáng)能的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到38%，但由于其原材料成本比硅高，資源量極其有限，這就極大限制了它在地面的應(yīng)用。

在III-V族化合物中另一代表性的化合物電池是磷化銦（InP）太陽(yáng)能電池，最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到22%，由于成本高的問(wèn)題，限制了其在地面應(yīng)用。

(6)II-VI族化合物（CdS/CdTe）太陽(yáng)能電池

II-VI族化合物硫化鎘/碲化鎘（CdS/CdTe）太陽(yáng)能電池具有成本低，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率的理論值為33.62%～44.44%，目前小面積電池單元的轉(zhuǎn)換效率大約在15%以上，大面積電池單元轉(zhuǎn)換效率在10%以上，將來(lái)有望成為低成本、高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池，但是有毒元素鎘對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)操作人員的健康的危害是不容忽視的。

(7)三元（I-III-VI族）化合物（CuInSe2）太陽(yáng)能電池

由于銅銦硒（CuInSe2，即CIS）太陽(yáng)能電池具有轉(zhuǎn)換效率高（小面積達(dá)18.8%，大面積達(dá)12%～14%以上）、制造成本低、電池性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

如在銅銦硒（CIS）中添加了鎵（Ga）后，銅銦鎵硒（CuInGaSe2，即CIGS）太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率（小面積電池）達(dá)19.2%。

(8)色素增感太陽(yáng)能電池

色素增感太陽(yáng)能電池，是在光激勵(lì)狀態(tài)下，伴隨化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光電斑的光化學(xué)電池，它可分為光異化型、光酸化還原型及半導(dǎo)體增感型3種。這種電池可用印刷方式制造，適于大量生產(chǎn)，因此成本較低，其轉(zhuǎn)換效率在10%左右。根據(jù)色素的種類(lèi)和使用量，可制成各種顏色的、透明的太陽(yáng)能電池，用于建材及鐘表等領(lǐng)域。

(9)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池

有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池由色素或高分子材料構(gòu)成，這種電池制造方法簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無(wú)影響、能耗較少，因此成本較低，電池的轉(zhuǎn)換效率為4.5%左右?，F(xiàn)在對(duì)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池研發(fā)呈加快趨勢(shì)。

3、太陽(yáng)能電池特點(diǎn)

(1)無(wú)可動(dòng)部分，壽命長(zhǎng)、無(wú)噪聲，管理和維護(hù)簡(jiǎn)便。

(2)太陽(yáng)能電池直接將光能轉(zhuǎn)換成電能，不會(huì)產(chǎn)生廢氣和有害物質(zhì)。

(3)太陽(yáng)能發(fā)電間歇性問(wèn)題，太陽(yáng)能電池的能量隨入射光、季節(jié)、天氣、時(shí)刻等變化而變化，在夜間不能發(fā)電。

(4)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的是直流電，無(wú)蓄電功能。

(5)太陽(yáng)能發(fā)電成本較高。

4、太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)

太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展很快，按研發(fā)時(shí)間先后，第一代太陽(yáng)能電池是晶硅類(lèi)（單晶硅和多晶硅），第二代是薄膜類(lèi)和化合物類(lèi)（非晶硅、銅銦鎵硒、砷化鎵、碲化鎘等），第三代為新概念類(lèi)（色素增感太陽(yáng)能電池或稱染料敏化電池等）。目前比較成熟且廣泛應(yīng)用的是晶硅類(lèi)太陽(yáng)能電池，在2009年全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為10 431MW，其中單晶硅電池產(chǎn)量為4 574.1MW，占43.86%，多晶硅電池為4862.9MW，占46.62%，薄膜電池為993MW，占9.52%。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能電池行業(yè)都在圍繞著提高太陽(yáng)能電池的光轉(zhuǎn)換效率和降低成本這兩大目標(biāo)開(kāi)展研究工作。晶體硅高效太陽(yáng)能電池和各類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池也是全球新型太陽(yáng)能電池研發(fā)的熱點(diǎn)，高效單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近25%，高效多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%。薄膜太陽(yáng)能電池研究主要集中在非晶質(zhì)薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、銅銦硒薄膜電池和多晶硅薄膜電池上。非晶質(zhì)太陽(yáng)能電池的研究重點(diǎn)是解決光致衰降和提高效率問(wèn)題，現(xiàn)已有報(bào)道，實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定效率已達(dá)15%。碲化鎘薄膜電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到16.4%，銅銦硒薄膜電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)19.2%，并建立了效率為10%的中試生產(chǎn)線。目前多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室效率已超過(guò)17%，前景看好。

四、太陽(yáng)能光伏電池運(yùn)行模式

1、太陽(yáng)能電池的輸出特性與最大功率跟蹤

太陽(yáng)能電池單元是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最小單元，太陽(yáng)能光伏電池輸出特性曲線如圖5所示，該特性曲線隨太陽(yáng)輻射、溫度和負(fù)荷條件成呈現(xiàn)非線性變化，并具有最大功率點(diǎn)（MPP）。

在光伏系統(tǒng)中，為了充分利用太陽(yáng)能，系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，即系統(tǒng)能跟蹤太陽(yáng)能電池輸出的最大功率點(diǎn)（MPP）。光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法，早期采用恒定電壓跟蹤（CVT）方法比較多，隨著電力電子及控制技術(shù)的發(fā)展，已開(kāi)始使用一些新的控制方法，如擾動(dòng)觀測(cè)法（Perturb-and-observe method，也稱登山法）、導(dǎo)納增量法（Incremental conductance algorithm）等。

在不同的光照強(qiáng)度下，光伏電池陣列的伏安特性曲線如圖6所示，在圖6中L是負(fù)載特性曲線，交點(diǎn)a、b、c、d、e對(duì)應(yīng)于不同的工作點(diǎn)?？梢钥闯?，如果能將工作點(diǎn)移到光伏陣列伏安曲線的最大功率點(diǎn)(a′、b′、c′、d′、e′)處，就可以達(dá)到光伏陣列最大的能量利用率。當(dāng)溫度保持在某一定值時(shí)，最大功率點(diǎn)基本在一根垂線的兩側(cè)，在某個(gè)照度以上，電壓值近似為常數(shù)，這樣就可以把最大功率點(diǎn)的軌跡近似的看成輸出電壓恒定的一根垂線，這就是基于恒電壓的電流控制策略，可近似地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。

圖5 光伏電池的伏安特性

圖6 不同照射強(qiáng)度下光伏電池陣列的伏安特性

2、太陽(yáng)能電池運(yùn)行模式——離網(wǎng)型與并網(wǎng)型

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)將太陽(yáng)能電池輸出的直流電能通過(guò)功率變換裝置給負(fù)荷供電（交流或直流），或者接入電網(wǎng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種形式。

(1)離網(wǎng)型運(yùn)行方式

離網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)配置示意圖如圖7所示。太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電可以直接向直流負(fù)荷供電，也可以通過(guò)逆變器（實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換）向交流負(fù)荷供電，為了保證負(fù)荷供電的連續(xù)性，系統(tǒng)需要配置儲(chǔ)能裝置（如蓄電池），整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制保護(hù)由控制器完成。

圖7 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)配置

(2)并網(wǎng)運(yùn)行方式

太陽(yáng)能電池光伏系統(tǒng)如需要與公共電網(wǎng)并網(wǎng)連接，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電不論是否經(jīng)過(guò)蓄電池組，最終通過(guò)逆變器變換成交流電，與公共電網(wǎng)并聯(lián)連接。

圖8 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置

可逆流和不可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：由于光伏發(fā)電系統(tǒng)具有間隙式供電的特點(diǎn)，按照并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能否允許通過(guò)所在供電區(qū)的變壓器向公共電網(wǎng)饋電的情況，可分為可逆流和不可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)和不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)：對(duì)并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)還可按其功能，分為可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)（帶一定數(shù)量的蓄電池）和不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)（不帶蓄電池）。對(duì)不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖8a所示），由于不帶蓄電池，造價(jià)相對(duì)較低，但這類(lèi)并網(wǎng)系統(tǒng)不能夠控制并網(wǎng)時(shí)間，因此，調(diào)峰的效果較差；在可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖8b所示），具有電網(wǎng)調(diào)峰的功能，其蓄電池的容量只要求滿足每天3～4 h調(diào)峰之用，不像獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池，其容量能滿足3～4天使用要求，因此，造價(jià)要比獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)大大下降。由于上網(wǎng)時(shí)間能夠控制，可大大提高調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰效果?？烧{(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)要求其逆變器同時(shí)具有獨(dú)立工作和并網(wǎng)工作兩種模式，因此，具有更大的靈活性。