第1章　太阳能电池和光伏组件的结构及工作原理

1.1　太阳能电池简介

清洁、可再生能源是21世纪人类发展的动力源泉，传统的化石燃料由于其不可再生性和污染性将逐渐被替代。在清洁、可再生能源中，每年投射到地面上总值约为1.05×1018kW的太阳能是储量最大、最稳定和最持久的可再生能源。利用太阳能的方式有很多，将太阳能直接转换成电能的太阳能电池是有效利用太阳能的最佳方式之一。

太阳能电池是利用半导体的光伏效应将入射的太阳光（能）直接转换成电能，是一种清洁、高效、无污染的“绿色”新型能源。1954年，贝尔实验室的Chapin等人[1]成功研制第一个具有实用价值的硅太阳能电池，时至今日，太阳能电池已经历了60多年的发展历史，种类繁多，样式多样。现有的太阳能电池按照材料的不同可分为如下几类：（1）以硅材料作为基体的硅太阳能电池，主要包括单晶体硅太阳能电池[2,3]、多晶体硅太阳能电池[3,4]、微晶体硅太阳能电池[5]和非晶体硅太阳能电池[6,7]；（2）化合物太阳能电池，主要包括CIGS太阳能电池[8-10]和CdTe太阳能电池[11,12]；（3）砷化镓太阳能电池[13,14]；（4）染料敏化太阳能电池[15]；（5）钙钛矿太阳能电池[16]。

太阳能光伏发电的基本原理是利用太阳能电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏打效应直接把光子的能量转变为电能。太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳能电池，也称为光伏电池。当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过太阳能电池。被吸收的光线能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子—空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动，n区的空穴向p区运动，p区的电子向n区运动，使太阳能电池的负极有大量负电荷（电子）积累，正极有大量正电荷（空穴）积累。太阳能电池（光伏电池）发电原理如图1.1所示。若在电池两端接上负载，负载上就有电流流过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PN结。

单晶体硅和多晶体硅太阳能电池的制备技术最成熟，其结构和生产工艺不断更新，产品性能不断提升，并被广泛用于地面电站。这种太阳能电池以高纯度的单晶体硅或者多晶体硅为原料，为了降低生产成本，多采用太阳能级的单晶体硅，对材料纯度的要求有所降低。目前单晶体硅太阳能电池的光电转换效率为24.7%[2]。硅材料的地球储量极为丰富，太阳能级硅材料的价格逐年走低促进了硅太阳能电池的爆炸式发展，光伏用硅片的厚度将由近年的平均180µm逐渐降低，到2026年预计可降低到150µm。制造成本的逐年降低使光伏发电成本越来越接近于平价上网。制备单晶体硅和多晶体硅光伏组件的工序已十分成熟（见图1.2）。自20世纪80年代以来，欧美发达国家开始研制多晶体硅太阳能电池。多晶体硅太阳能电池的制造工艺与单晶体硅太阳能电池相仿，其光电转换效率稍低于单晶体硅太阳能电池。与单晶体硅太阳能电池相比，多晶体硅材料制造简便，材料利用率高，节约能耗，总的生产成本有所降低。

2000年后，太阳能电池的产能逐年快速增长。2019年，我国电池片和光伏组件产量分别达到108.6GW和98.6GW，同比分别增长了22.3%和17%。晶体硅光伏组件已在市场中占据绝对主导地位，太阳能级硅锭价格的暴跌也促进了光伏组件产业化的发展，而薄膜太阳能电池的市场份额逐渐减少。薄膜太阳能电池主要是指转换效率和制备成本相对较低的非晶硅、碲化镉和CIGS等。薄膜太阳能电池是通过将具有不同功能和作用的一系列薄膜经过连续沉积等工艺制作而成的。当前有代表性的薄膜太阳能电池包括硅薄膜（非晶硅和微晶硅）、CIGS和CdTe。在这几种薄膜太阳能电池中，非晶硅薄膜太阳能电池技术最成熟，在世界上已经有多家公司生产该类电池；CIGS和CdTe不仅转换效率较非晶硅薄膜电池高，而且衰减小。薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比效率低、生产规模小，在2010年后其市场份额逐渐减少，晶体硅太阳能电池逐渐成为无可争辩的主流产品。