6.2　太阳能电池技术类型

太阳能电池组件可由许多不同的材料和制造技术制造。目前市售的太阳能电池技术的主要类型如下（图6.4）：

1.硅晶电池

硅晶电池包括单晶、多晶。

2.薄膜（或薄层）电池

这些技术在其组成及如何制造上各不相同。决定在并网光伏系统中使用某种技术时，了解每种技术的优点和缺点很重要。

由于制造商不断寻找制造更低成本、更高效率的太阳能电池，这一领域的研发在不断进行。

6.2.1　单晶电池

单晶太阳能电池是由切成薄片的掺杂硅单晶制成。这种电池为黑色，几乎被切割成正方形，晶片的直角转角因其生产方法而缺失（图6.5和图6.6）。

1.生产

单晶电池由半导体级硅制成，半导体级硅是已使用化学方法提纯的冶金级硅。半导体级硅熔化，并引入一个晶种。随着该晶种缓慢地从熔融硅中提出，硅围绕晶种凝固，产生了硅单晶。在该被称为提拉法（Czochralski）的过程中，硅掺杂了硼。

将掺杂硅晶体切成约0.2～0.4mm厚的晶片，并腐蚀以提高光捕捉率。然后用被称为扩散法的工艺使晶片的表层掺杂磷杂质，从而产生太阳能电池所需的PN结（第4章）。

抗反射涂层沉积在电池顶部，以减少远离电池的反射光的量，从而导致电池为黑色。金属网格（有时称为手指或触点）连接到晶片正面和背面，以使电流流过电池。一些组件制造商使用可让所有触点定位在电池背面的电池设计，最大限度地提高了电池可接收的太阳光的量。

2.效率与成本

通常单晶电池能够达到比其他太阳能电池更高的效率。这就是说，与其他技术相比，单晶电池有一个更大的额定功率与安装面积比，使得单晶组件特别适合安装面积有限的装置。然而，值得注意的是，实验室生产的单晶硅太阳能电池的效率（超过24%）显著大于市售单晶硅太阳能电池的效率（约15%～18%）。

单晶电池通常比其他类型的电池更难以生产，这意味着单晶电池可能具有相对较高的“成本—功率”比。但它们的效率较高表明了一定阵列功率所需的组件较少，从而降低了装置和安装系统的成本。随着单晶组件市场的发展和多晶电池效率的增加，单晶和多晶电池技术不再有显著的效率和价格差异。

6.2.2　多晶电池

多晶太阳能电池由拼在一起的许多小晶体组成，从而使电池具有独特的颜色变化（图6.7和图6.8）。

1.生产

多晶太阳能电池由掺杂硅的铸锭制成，与单晶硅电池一样使用了半导体级硅。掺杂硅留在铸锭内冷却而不是拉入单晶内，导致许多小晶体的形成，这些小晶体粘在一起并以铸锭的形状固化。块体切片并以与单晶电池相同的方式掺杂。

晶体需足够大，以使触及它们的光释放的电子在达到晶体边界之前由电池的PN结和金属触点收集。小晶体间界作为减慢载体运动的屏障或是穿过电池的电短路路径易于捕获电子。

若干制造商利用种小晶体比种大晶体本质上更容易这一事实已开创大规模生产多晶电池的工艺。

像单晶电池一样，多晶电池也涂有抗反射层，以减少远离电池的反射光的量，且具有连接到晶片正面和背面的金属网格，以允许电流流过。

2.效率与成本

多晶电池通常比单晶电池的效率低，商业市场上通常为13%～16%。而实验室里研发的多晶电池效率达到20%以上。

生产多晶电池比单晶电池容易，因此制造成本较低。然而，目前全球对太阳能电池组件的大量需求主要通过单晶硅和多晶硅太阳能电池组件制造的剧增来满足，两种技术的价格非常接近。

6.2.3　薄膜电池

薄膜太阳能电池是通过将光敏半导体应用到薄层中的基材（如玻璃、金属或塑料）上制成。可以使用不同的半导体材料，从而生产出几种不同类型的薄膜电池。

薄膜技术相比其他技术的主要优点是：

（1）生产成本较低。

（2）减少对硅资源的依赖。

（3）较低的温度下降系数（6.1.2节），是指薄膜电池受高温影响较小，因此非常适合用于炎热的气候。

（4）适宜用于建筑一体化光伏（BIPV）系统（图6.9）。

薄膜技术的主要缺点有：

（1）效率比其他技术低，也就是说，对于光伏系统的给定装机容量，薄膜硅系统与等容量的单晶和多晶系统相比需要的表面积更大。

（2）有的薄膜组件在使用的头几个月会出现显著的性能下降。为了说明早期性能下降，受影响的薄膜组件一般按其降级等级引述。

知识点

印度使用薄膜电池的增长是其在炎热气候条件下的性能优越的结果。

1.生产

术语薄膜涉及膜如何沉积，而不是电池的总厚度。薄膜层连续沉积（作为分子、原子或离子），导致太阳能电池的有源部分（靠近PN结的区域）仅几微米厚。这就是说，薄膜电池可薄至1～10μm。通过比较，晶硅电池的深度受用于切晶片的技术限制，因此，这些电池的厚度通常是200～400μm。也就是说，生产薄膜电池所用的材料明显比晶硅电池要少。

薄膜太阳能电池层沉积在基材上，例如玻璃、箔或塑料。电池层可在连续自动的过程中大面积沉积，降低了这些阵列的成本，并使薄膜电池适用于建筑一体化光伏系统（图6.10）。

在薄膜组件中，电池互连在层沉积过程中集中进行。相反，晶硅片电池在电池互联时要求金属带连接到每个电池的离散点。因此，在互连单个电池的过程中可能会引起的问题不会发生在薄膜电池上。

类似于晶硅电池，薄膜电池也涂有抗反射层。

2.类型

（1）非晶硅（a-Si）。在薄膜电池的环境中，非晶是指不具有晶格结构：硅薄膜中的原子以完全随机的方式排列。所使用的制造方法包括在玻璃表层冷凝气态硅，这样可以制成厚度可用原子层的数量来测量的太阳能电池。

由于材料是如此之薄，自由电子不能直接在PN结中生存。因此，未掺杂的本质（I）层用于N型和P型掺杂层之间，产生了P-I-N结构（图6.11）。第4章载有更多关于半导体掺杂和PN结的信息。

（2）碲化镉（Cd Te）。Cd Te电池中所用的有源半导体是P型碲化镉（Cd Te）和N型硫化镉（CdS）。

顶层玻璃下面的接触层正面是透明导电氧化物，如氧化铟锡（ITO）（图6.12），接触层背面是一种金属，如铜-金或铜-石墨。虽然镉是一种有毒物质，但Cd Te是无毒化合物。

（3）铜铟镓二硒（CIGS）。CIGS电池中所用的有源半导体是掺杂有镓的P型铜铟二硒化物（CIGS）和N型CdS。

CIGS电池通过在含钼（Mo）的玻璃上沉积材料层制成，Mo充当后触点（图6.13）。顶层由氧化锌（ZnO）制成，ZnO是一种透明的导电氧化物，允许光射入并充当电池的前触点。在前导电Zn O层和有源半导体N型CdS层之间，本征Zn O层在电池的生产过程中为CdS提供了一个保护层。

CIGS不像a-Si的组件，其性能在初期工作阶段不会发生显著下降。然而，在高温、潮湿的条件下，却表现出不稳定性，因此必须密封良好。

3.成本与效率

薄膜太阳能电池通常比晶体硅太阳能电池便宜，但效率较低。商业市场上Cd Te和a-Si组件的效率区间9%～12%。实验室试验中，a-Si的效率已超过13%，Cd Te和CIGS技术的效率在20%以上。

这些电池的效率低表明要实现与单晶或多晶阵列相同的输出，薄膜阵列需要更大的空间。