6.9　光伏电池的类型

光伏电池主要有两种类型：晶体电池和薄膜电池。不同类型的光伏电池举例如图6.16所示。

对于这个领域的研究在持续进行，制造商总是在寻求成本更低、效率更高的光伏电池。例如目前市场上有一种混合异质结型电池，既包含晶体（单）成分，也包含薄膜（非晶）成分。

6.9.1　晶体电池

晶体电池两种常见的类型为单晶硅电池和多晶硅电池，下面将进行详细阐述。许多制造商也生产一些特殊的晶体电池，包括多晶硅电池、带状硅电池和晶硅薄膜电池、EFG（定边喂膜生长法）多晶硅电池、多晶S-R带硅电池、单晶支网硅电池、多晶APEC电池。

本书主要介绍两种主要的晶体电池，其余几种电池的信息及制造过程可以从网络或者《光伏系统规划与安装　安装人员、建筑师和工程师指导手册》中获得（2005年德国能源学会）。

1.单晶硅电池

冶金级硅（从沙中获得）经过化学过程提纯直至产生半导体级硅，将其融化并添加一定数量的掺杂剂（如加入硼产生P型硅）。将籽晶引入到熔融硅中，并从熔融硅中缓慢地抽取。硅在籽晶周围凝固产生了单晶硅。晶体的大小取决于籽晶从熔融硅中抽取的速率。直径在15cm以上的晶体并不少见。单晶硅组件如图6.17所示。

一旦晶体（实心圆柱体的硅）形成，即被切割成0.2～0.4mm的晶片，然后蚀刻出纹理以提高光的入射率。通过扩散过程将磷杂质引入晶片的表层，金属栅格附着在晶片的正面和背面以增加电子的捕获。

最近，实验室研发的单晶硅电池经实验测试可以达到24%以上的效率。在这种情况下，导致低效的因素被减少，例如反射和栅格覆盖。实验室批次的产品控制要比大规模设备生产要严格得多。商用产品目前效率为15%～18%。

2.多晶硅电池

区别于单晶硅，多晶硅是一种通过铸造硅锭生成的材料，导致许多小晶体被拼合在一起。一些制造商利用生产小晶片比大晶片要容易的优势，推出了大规模生产价格低廉的多晶硅电池的工艺。多晶硅电池的一个劣势是在小晶体边界处容易捕获电子。这些边界会阻碍电子使其缓慢运动，或者沿着电池形成一条短路路径。多晶硅电池的制造商须保证晶体足够大，以使得光电效应中产生的电子能够在到达晶体边界前被PN结和栅格捕获。尽管研究过程中电池的效率可以达到21%，但通常的效率是13%～16%。

多晶硅组件如图6.18所示。

6.9.2　薄膜电池

为了生产单晶硅电池和多晶硅电池，需要从熔融硅池中持续提取晶体。一旦生成这种材料就必须切割成晶片。光伏电池的唯一活跃部分为PN结周围区域，只有大约几百万分之一厘米厚。由于无法切割至这个厚度，因此在光伏电池中很多材料都浪费了。一个解决的办法是放弃这种晶体状态，在一个薄膜衬底上应用光敏半导体，这就是薄膜电池。不同于晶体电池由硅制造而成，薄膜电池因半导体材料的不同而不同。

1.非晶硅（a-Si）薄膜电池

非晶体意味着没有晶格结构。采用气体硅冷凝技术，可以生产出以原子层厚为测量单元的电池，这种硅薄膜中的原子是以完全随机的形态进行排布的，称为非晶硅薄膜电池，如图6.19所示。

因为这种材料很薄，自由电子难以在PN结中存在。因此在N层和P层之间施加一种无掺杂（内在）的Ⅰ层，形成如图6.20所示的PIN结构。

尽管这种电池价格很低廉，但是放弃了晶格结构也降低了它的效率。对于多层电池而言，平均每层的效率约为5%～8%，最大效率为13%。目前三层结构的模块的平均效率为10%，随着时间的推移，电池的稳定性和性能退化也对研发人员和制造商提出了技术挑战。

2.铜铟硒（CIS）薄膜电池

铜铟硒是一种活泼的半导体材料，它通常与镓或硫合成。这种材料通常沉积在玻璃基板上。P型铜铟硒吸收层通过同时蒸发元素铜、铟和硒形成，掺杂铝的氧化锌（Zn O：Al）则用来制造N型传导的透明导电氧化层。本征氧化锌位于N型Zn O：Al和P型铜铟硒之间，铜铟硒带有一个位于本征层和铜铟硒之间的N型硫化镉（CdS）。不同于非晶模块，铜铟硒在光照下不会被分解，但是在高温潮湿条件下会出现不稳定的问题，因此必须密封良好。铜铟硒的层结构如图6.21所示。

3.碲化镉（Cd Te）薄膜电池

碲化镉薄膜电池是在玻璃衬底上制成的。通常采用氧化铟锡作为透明导电氧化层。如图6.22所示，由硫化镉（CdS）组成的N型层通过背接触层与碲化镉组成的P型层连接在一起。碲化镉薄膜电池的主要问题在于镉的毒性，但是碲化镉是一种无毒化合物。

6.9.3　光伏电池发展趋势

对新型光伏组件的探索从未停歇，近几年，已有一些新的技术已经公布或者处在试点制造阶段。

此类技术包含如下内容：

（1）染料敏化光伏电池：光被含有二氧化钛（TiO2）的有机染料所吸收。

（2）微晶和微晶硅光伏电池的沉积温度分别为900～1000℃和200～300℃。前者基于在衬底上沉积高质量的硅薄膜，其特性类似于多晶硅；后者通过使用有细密纹理的微晶结构产生薄膜，但以与非晶模块相同的方式沉积。

（3）带有本征薄层的异质结（HIT）光伏电池。这是一种结合了晶体电池和薄膜电池的混合电池。

（4）银电池。由很多很小的“银”电池经过串联或者并联而成。

不同类型光伏电池的效率见表6.2。