馬海艷

南京航空航天大學(xué)（211106）

1 光伏發(fā)電的機理

光伏發(fā)電原理[1]如圖1所示。PN結(jié)兩側(cè)因多數(shù)載流子(N+區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴)向?qū)Ψ降臄U散而形成寬度很窄的空間電荷區(qū)W，建立自建電場Ei。它對兩邊多數(shù)載流子是勢壘，阻擋其繼續(xù)向?qū)Ψ綌U散；但它對兩邊的少數(shù)載流子(N+區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子)卻有牽引作用，能把它們迅速拉到對方區(qū)域。

穩(wěn)定平衡時少數(shù)載流子極少，難以構(gòu)成電流和輸出電能，但是，如圖1a、b所示，光伏電池受到太陽光子的沖擊，在光伏電池內(nèi)部產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對,其中的光生非平衡少數(shù)載流子（即N+區(qū)中的非平衡空穴和P區(qū)中的非平衡電子）可以被內(nèi)建電場Ei牽引到對方區(qū)域，然后在光伏電池中的PN結(jié)中產(chǎn)生光生電場Epv,當接通外電路時，即可流出電流，輸出電能。當把多個小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。

2 類型與特點

光伏組件的類型繁多，根據(jù)光伏電池的材料可以分為:單晶硅組件、多晶硅組件、砷化鎵組件、非晶硅薄膜組件等。其中晶體硅（包含單晶硅和多晶硅）組件約占市場的80～90%[2]。封裝材料和工藝也不盡相同，主要分為環(huán)氧樹脂膠封、層壓封裝、硅膠封裝等。同類光伏組件根據(jù)峰值、功率、額定電壓又可以分不同型號。下面將根據(jù)組件的材料類型逐一介紹各種光伏組件的特點。

1）單/多晶硅光伏組件。硅有晶態(tài)和無定形兩種同素異形體，晶態(tài)硅又分為單晶硅和多晶硅，它們均具有金剛石晶格，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨溫度升高而增加，具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。

單晶硅材料制造要經(jīng)過如下工藝過程[3]:硅礦石、冶金級硅、工業(yè)硅、粗硅、提純多晶硅、拉制單晶硅、硅片加工、切割。硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中。它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成為治金硅(MG-Si)。該過程能量消耗很高，約為13～14 kwh/kg，因此硅的生產(chǎn)通常在水電豐富的地方(挪威，加拿大等地)，這樣被還原出來的硅的純度約98%～99%。大部分冶金級硅用于制鐵和制鋁工業(yè)。目前全世界冶金級硅的產(chǎn)量約為100萬噸/年。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，單晶硅光伏組件的轉(zhuǎn)換效率約為22%;多晶硅光伏組件的轉(zhuǎn)換效率約為20%。

2）砷化鎵（GaAs）光伏組件。砷化鎵屬III-V族化合物半導(dǎo)體材料,由化學(xué)元素周期表中III族元素鎵和V族元素砷化合而成。砷化驚材料最早見報于1929年，是由一位名叫高德斯密特(Goldschmidt)的科學(xué)家合成出來的，但是，直到1952年月才出現(xiàn)了有關(guān)砷化鎵在半導(dǎo)體電學(xué)性能方面的研究報道。隨著現(xiàn)代工業(yè)冶煉提純技術(shù)的進步和微電子技術(shù)的發(fā)展，砷化鎵材料已是III-V族化合物半導(dǎo)體材料中應(yīng)用最為廣泛、相關(guān)技術(shù)最為成熟的材料。

與硅材料光伏組件相比,其特點為[4]:①光電轉(zhuǎn)換效率高。GaAs太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率高。Si太陽電池理論效率為23%，而單結(jié)和多結(jié)GaAs太陽電池的理論效率分別為27%和50%；②可制成薄膜和超薄型太陽電池；③耐高溫性能好；④抗輻射性能好；⑤可制成效率更高的多結(jié)疊層太陽電池。

3）非晶硅光伏組件。非晶硅太陽能電池是薄膜太陽能電池中最成熟的產(chǎn)品，是在晶體硅制成的前道工序中，將含有金屬硅的烷氣采用化學(xué)方式沉積到非硅基板(如玻璃基板)上制造而成，其加工原理為使用硅烷(SiH4)等離子體分解法，通過在硅烷摻雜乙硼烷(B2H6)和磷化氫(PH3)等氣體，在基板上(玻璃、不銹鋼)低溫成膜。非晶硅薄膜材料是一種資源豐富和環(huán)境安全的材料，對陽光的吸收系數(shù)高，1 μm厚的薄膜就可以吸收80%的陽光。薄膜材料能在較低的溫度下直接沉積在廉價襯底上，有大幅度降低成本的潛力。其中，單結(jié)非晶硅薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率可達16.6%，多結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率有可能達到30%以上。

3 存在的問題

雖然目前光伏發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用方興未艾，但光伏發(fā)電特別是光伏組件生產(chǎn)應(yīng)用仍然面臨一些問題，主要包括:1）光伏組件發(fā)電效率低。由于光電轉(zhuǎn)換效率低,從而使光伏組件占地空間大，難以構(gòu)成高功率的發(fā)電系統(tǒng)。2）造價成本高。目前單、雙晶硅光伏電池組件的價格約為6～8元/Wp,遠高于目前的火力和水力發(fā)電的發(fā)電成本。3）發(fā)電受氣候環(huán)境因素影響大。地球表面的太陽輻射受氣候的影響很大，同時由于環(huán)境的污染，特別是空氣中的顆粒物灰塵降落到光伏電池板上，從而阻擋了陽光的照射，進而減少了光電的轉(zhuǎn)換。4）制造光伏組件本身需要消耗相當多的能源。硅是地球上各種元素中僅次于氧的元素。從沙子變成多晶硅和單晶硅要經(jīng)過多道物理和化學(xué)工序。期間，要消耗相當多的能量，這也是其生產(chǎn)成本高的原因。

4 結(jié)論

通過介紹光伏組件的發(fā)電機理，總結(jié)了目前應(yīng)用比較廣泛的光伏組件的類型與特點，并分析目前光伏組件在生產(chǎn)和應(yīng)用方面存在的問題。結(jié)果表明:光伏組件作為開發(fā)利用太陽能資源的重要載體，其技術(shù)的進步對促進節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，同時也亟需解決光伏組件生產(chǎn)應(yīng)用中面臨的問題,為光伏發(fā)電的大規(guī)模推廣掃清障礙。

[1] 趙爭鳴.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[2] 沈輝.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[3] 游金釧.單晶硅太陽能電池效率進一步提高探索[D].華東師范大學(xué),2010.

[4] 張忠衛(wèi).砷化鎵太陽能電池技術(shù)的進展與前景[J].上海航天,2003,(3):33～38.