光伏組件的類型與特點

馬海艷

南京航空航天大學（211106）

1 光伏發電的機理

光伏發電原理[1]如圖1所示。PN結兩側因多數載流子(N+區中的電子和P區中的空穴)向對方的擴散而形成寬度很窄的空間電荷區W，建立自建電場Ei。它對兩邊多數載流子是勢壘，阻擋其繼續向對方擴散；但它對兩邊的少數載流子(N+區中的空穴和P區中的電子)卻有牽引作用，能把它們迅速拉到對方區域。

穩定平衡時少數載流子極少，難以構成電流和輸出電能，但是，如圖1a、b所示，光伏電池受到太陽光子的沖擊，在光伏電池內部產生大量處于非平衡狀態的電子-空穴對,其中的光生非平衡少數載流子（即N+區中的非平衡空穴和P區中的非平衡電子）可以被內建電場Ei牽引到對方區域，然后在光伏電池中的PN結中產生光生電場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的方式組合在一起，構成光伏電池組件，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，主要分為環氧樹脂膠封、層壓封裝、硅膠封裝等。同類光伏組件根據峰值、功率、額定電壓又可以分不同型號。下面將根據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。硅有晶態和無定形兩種同素異形體，晶態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，能導電，但導電率不及金屬，且隨溫度升高而增加，具有半導體的性質。

單晶硅材料制造要經過如下工藝過程[3]:硅礦石、冶金級硅、工業硅、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。目前全世界冶金級硅的產量約為100萬噸/年。在光電轉換效率方面，單晶硅光伏組件的轉換效率約為22%;多晶硅光伏組件的轉換效率約為20%。

2）砷化鎵（GaAs）光伏組件。砷化鎵屬III-V族化合物半導體材料,由化學元素周期表中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)的科學家合成出來的，但是，直到1952年月才出現了有關砷化鎵在半導體電學性能方面的研究報道。隨著現代工業冶煉提純技術的進步和微電子技術的發展，砷化鎵材料已是III-V族化合物半導體材料中應用最為廣泛、相關技術最為成熟的材料。

與硅材料光伏組件相比,其特點為[4]:①光電轉換效率高。GaAs太陽電池的光電轉換效率高。Si太陽電池理論效率為23%，而單結和多結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境安全的材料，對陽光的吸收系數高，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，單結非晶硅薄膜電池的最高轉換效率可達16.6%，多結電池光電轉換效率有可能達到30%以上。

3 存在的問題

雖然目前光伏發電技術的研究與應用方興未艾，但光伏發電特別是光伏組件生產應用仍然面臨一些問題，主要包括:1）光伏組件發電效率低。由于光電轉換效率低,從而使光伏組件占地空間大，難以構成高功率的發電系統。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電的發電成本。3）發電受氣候環境因素影響大。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過多道物理和化學工序。期間，要消耗相當多的能量，這也是其生產成本高的原因。

4 結論

通過介紹光伏組件的發電機理，總結了目前應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和應用方面存在的問題。結果表明:光伏組件作為開發利用太陽能資源的重要載體，其技術的進步對促進節能減排和可持續發展具有重要的意義，同時也亟需解決光伏組件生產應用中面臨的問題,為光伏發電的大規模推廣掃清障礙。

[1] 趙爭鳴.太陽能光伏發電及其應用[M].北京:科學出版社,2008.

[2] 沈輝.太陽能光伏發電技術[M].北京:化學工業出版社,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,2010.

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