太陽能電池的分類問題

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(上海電力學院，數(shù)理系，上海 201300)

0 引 言

我國人口眾多，人均自然資源相對貧乏，粗獷利用能源所造成的生態(tài)環(huán)境嚴重惡化。太陽能光伏是利用太陽電池的光生伏特效應發(fā)電的一種新能源利用方式。是一種無污染、可持續(xù)發(fā)展的新能源技術(shù)。每1 kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)平均每年可以減少排放0.6 kg固體粉塵、9 kg氧化硫、16 kg氮氧化物以及0.6～2.3 t二氧化碳。

據(jù)預測，在2020年至2030年世界能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變革。世界各國將用可再生的清潔能源逐漸取代現(xiàn)在不能再生并且給環(huán)境帶來巨大污染的化石能源。

圖1 未來世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)展預測

國內(nèi)太陽能光伏行業(yè)迅猛發(fā)展，截至2017年12月底，全國太陽能光伏發(fā)電裝機容量達到1.3億kW，同比增長68.7%。這意味著光伏發(fā)電成為新增能源的主要方式之一，新能源新增裝機第一次超過傳統(tǒng)的火力發(fā)電，其中分布式光伏發(fā)電呈爆發(fā)式增長。

太陽能電池多為半導體材料制造，發(fā)展到今天，已經(jīng)有不下于10種制備技術(shù)。國內(nèi)對于太陽電池的種類有相當一部分人認識比較含糊。最重要的是要弄清楚分類標準，分類標準不同，分類情況也不同。但最常見的分類即為按照太陽電池的PN結(jié)結(jié)構(gòu)和太陽電池制作材料的不同分類[1]。

1 按照PN結(jié)結(jié)構(gòu)的不同分類

(1)同質(zhì)結(jié)太陽能電池(GB/T2296-2001中用T表示)[2]

由同種半導體材料制備的p-n結(jié)或者濃度的梯度結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。用同質(zhì)結(jié)制備的太陽電池稱為同質(zhì)結(jié)太陽能電池，如單晶硅、多晶硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池等。

(2)異質(zhì)結(jié)太陽能電池(GB/T2296-2001中用Y表示)

禁帶寬度不相同的半導體材料，在相互接觸的面上制備成異質(zhì)結(jié)的太陽能電池稱為異質(zhì)結(jié)太陽能電池。如硫化亞銅/硫化鎘太陽能電池等。如果這兩種制備材料晶界面處的晶格匹配度高，則稱為異質(zhì)面太陽能電池，比如砷化鎵/砷化鋁鎵異質(zhì)面太陽能電池。

(3)肖特基結(jié)電池(GB/T2296-2001中用X表示)

半導體和金屬的接觸面也可以形成一個“肖特基勢壘”的太陽能電池，也稱為MS電池。比如硅/鉑肖特基結(jié)太陽能電池。后來由改進成為半導體-氧化物-金屬太陽能電池。

(4)光電化學電池(GB/T2296-2001中用G表示)

用浸于電解質(zhì)中的半導體構(gòu)成的電池，又稱為液結(jié)電池。

2 按照制作材料的不同分類

(1)晶體硅太陽能電池

以晶體硅材料為主要材料制備的太陽能電池，包括單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。這也是目前太陽能光伏行業(yè)應用占比重最大的兩種太陽能電池，幾乎占90%以上。

圖2 太陽能光伏行業(yè)應用最多的單晶硅太陽電池(左)與多晶硅太陽電池(右)

(2)化合物半導體太陽能電池

系指由兩種及兩種以上元素組成的具有半導體特性的化合物半導體材料制成的太陽能電池，如硫化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、硒銦銅太陽能電池、磷化銦太陽能電池等。

(3)有機半導體太陽能電池

指含有碳-碳鍵并且導電能力介于絕緣體和金屬之間的太陽能電池。有機半導體可分為3類：1高聚物P3HT；2電荷轉(zhuǎn)移物，如PCBM、芳烴-金屬鹵化物等；3分子晶體，如酞花菁銅等。有機半導體太陽能電池雖然光電轉(zhuǎn)換效率低，但具備制備工藝簡單，電池可以彎曲柔韌性好等優(yōu)點。

(4)薄膜太陽太陽能電池

指用單質(zhì)元素薄膜、無機化合物薄膜或者有機材料薄膜等制作的太陽能電池。通常其厚度約為1～2 μm。這些薄膜通常用化學氣相沉積、真空蒸鍍、輝光放電、濺射等方法制得。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化合物半導體薄膜太陽能電池、納米晶薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池等。

按照制備太陽能電池的PN結(jié)構(gòu)分類，其物理意義比較明確，所以國家標準將其作為太陽能電池型號命名方法的最重要的依據(jù)。

按照應用的場所還可以將太陽能電池分為空間用太陽能電池和地面用太陽能電池兩大類。兩種太陽能電池具有不同的要求和不同的制備工藝。后者對成本不敏感，前者就要考慮性價比高才能占領(lǐng)市場。