太陽能光伏電池的分類
2017/8/4 18:58:25
隨著科學技術進步、市場需求拉動和世界各國產業政策的引導，近年光伏發電快速發展，在新能源、可再生能源領域中一枝獨秀，將成為最有發展前景的主導能源和替代能源。光伏發電最基本的裝置就是光伏電池。它是利用光伏技術制作，直接將太陽能轉換為電能的光電元件。目前，世界上最常用的光伏電池主要有以下幾種類型：
一、單晶硅光伏電池
單晶硅光伏電池是開發較早、轉換率最高和產量較大的一種光伏電池。目前單晶硅光伏電池轉換效率在我國已經平均達到16.5％,而實驗室記錄的最高轉換效率超過了24.7%。這種光伏電池一般以高純的單晶硅硅棒為原料，純度要求99.9999%。為了降低生產成本，現在地面應用的光伏電池采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經過復拉制成光伏電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成硅片, 硅片厚度一般在180-220um左右。硅片經過檢測、清洗、制絨等工序后，再在表層上摻雜和擴散微量元素硼、磷、銻等，形成PN結，即具備了電池的基本特征。為了防止大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，需要采用Pevcd法等在硅片表面上鍍一層氮化硅減反射膜，同時還起到保護作用。然后經過去磷硅玻璃和等離子刻蝕后，采用絲網印刷法，將配制好的銀漿印在硅片上做成柵線，同時制成背電極，再經過經過燒結工藝，就制成了單晶硅光伏電池片。
二、多晶硅光伏電池
多晶硅光伏電池是以多晶硅材料為基體的光伏電池。由于多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程，因而生產時間縮短，制造成本大幅度降低。再加之單晶硅硅棒呈圓柱狀，用此制作的光伏電池也是圓片，因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比，多晶硅光伏電池就顯得具有一定競爭優勢。但是，在多晶硅材料的生長過程中,由于熱應力的作用,會在晶粒中產生大量的位錯。再加上金屬雜質和氧碳等雜質在位錯上的聚集,會造成復合中心,使電學性能不均勻,因此大大降低少數載流子的壽命，影響光伏電池片的轉換效率。多晶硅光伏電池的制造工藝和單晶硅光伏電池相差不大,所用的設備也基本相同,只是在制造多晶硅光伏電池時要盡量降低其晶界對光生載流子的復合損失。近年來多晶硅電池片研究和發展日新月異，經過采取磷和鋁吸雜、氫氣鈍化和建立界面場等工藝措施，從而大大提高了光伏電池的轉換效率。目前，工業化生產的多晶硅電池轉換效率達到了12%-15%。
三、非晶硅光伏電池
非晶硅光伏電池是用非晶態硅為原料制成的一種新型薄膜電池。非晶態硅是一種不定形晶體結構的半導體。用它制作的光伏電池只有1微米厚度,相當于單晶硅光伏電池的1/300。它的工藝制造過程與單晶硅和多晶硅相比大大簡化, 硅材料消耗少, 單位電耗也降低了很多。再加上它有弱光發電的優勢，因而被廣泛應用于電子計算器、電子鐘表及復印機等方面。生產非晶硅電池一般采用Pecvd法，主要設備有玻璃清洗、氣相沉積、激光刻線和磁控濺射等。為了解決非晶硅光伏電池在性能上的不足，人們開始研究一種疊層光伏電池。疊層光伏電池是在已制備的PIN層單結光伏電池上再沉積一個或多個PIN子電池。 把不同禁帶寬度的材料組合在一起，從而提高光譜的響應范圍，減少衰減和提高轉換率。目前美國公司制得的單結光伏電池最高轉換效率為9.3%，三疊層電池最高轉換效率為13%。由于非晶硅光伏電池具有工藝簡單、耗硅材料少和成本低、重量輕、弱光發電、適應性強等特點，將成為最有發展前景的光伏發電材料。
四、銅銦錫光伏電池
銅銦硒光伏電池是以銅、銦、硒三元化合物半導體為基本材料，在玻璃或其它廉價襯底上沉積制成的半導體薄膜。由于銅銦硒電池光吸收性能好，所以膜厚只有單晶硅光伏電池的大約l/100。制備銅銦硒薄膜電池一般采取真空蒸鍍、硒化法和化學氣相沉積法等工藝。其中，真空蒸鍍法是采用各自的蒸發源蒸鍍銅銦和硒；氣相硒化法是先用蒸鍍法或濺射法在200-300度較低溫度下生成銅/銦層疊膜等，然后升溫到400-550度，在硒化氫氣體或硒蒸氣中進行熱處理，生成銅銦硒薄膜。銅銦硒薄膜電池具有材料消耗少, 成本低, 性能穩定和不存在光致衰退等特征。它的光電轉換效率從80年代最初8%已發展到目前的15%，預計近年銅銦硒薄膜電池的轉換效率將達到20%。由于銅銦硒薄膜電池具有的自身優勢特別是光電轉換效率目前居各種光伏電池之首等因素，因而被國際上稱為未來的廉價光伏電池, 吸引了眾多機構及專家進行研究和開發。但銦和硒都是比較稀有的元素，制造這類電池將遇到原料制約的瓶頸因素，是投資者所必須充分考慮的。
五、砷化鎵光伏電池
砷化鎵光伏電池是一種Ⅲ-V族化合物半導體光伏電池。與硅光伏電池相比, 砷化鎵光伏電池光電轉換效率高，硅光伏電池理論效率為23% ,而單結砷化鎵光伏電池的轉換效率已經達到27%；可制成薄膜和超薄型太陽電池，同樣吸收95%的太陽光, 砷化鎵光伏電池只需5-10μm的厚度,而硅光伏電池則需大于150μm；耐高溫性能好，200℃時,硅光伏電池已不能工作,而砷化鎵光伏電池的效率仍有約10%；可制成效率更高的多結疊層光伏電池，理論計算表明:雙結砷化鎵電池的極限效率為30% ,三結砷化鎵電池的極限效率為38 % ,四結砷化鎵電池的極限效率為41%。砷化鎵光伏電池目前大多用液相外延方法或金屬有機化學氣相沉積技術制備，因此成本高，產量受到限制，再加上砷化鎵材料的價格不菲, 在很大程度上限制了砷化鎵光伏電池的普及和發展。砷化鎵光伏電池目前主要用在航天器上，是最理想的空間應用電池。由于它轉換效率高和耐高溫，也特別適合做成聚光跟蹤發電系統，使其在地面應用上得到新的拓展。
六、碲化鎘光伏電池
碲化鎘是一種化合物半導體,其帶隙最適合于光電能量轉換。用這種半導體做成的光伏電池有很高的理論轉換效率，目前, 已實際獲得的最高轉換效率達到16.5%。碲化鎘光伏電池通常在玻璃襯底上制造，玻璃上第一層為透明電極，其后的薄層分別為硫化鎘、碲化鎘和背電極，其背電極可以是碳槳料，也可以是金屬薄層。碲化鎘的沉積技術方法很多，如電化學沉積法、近空間升華法、近距離蒸氣轉運法、物理氣相沉積法、絲網印刷法和噴涂法等。碲化鎘層的厚度通常為1.5-3um，而碲化鎘對于光的吸收有1.5um的厚度也就足夠了。碲化鎘光伏電池結構簡單, 容易沉積成大面積的薄膜,沉積速率也高。因此, 碲化鎘光伏電池的制造成本較低,是應用前景較好的一種新型光伏電池,已成為美、德、日、意等國研發的主要對象。但是有毒元素鎘對環境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。目前專家正在積極研究對策，相信在不久的將來會得到解決，從而使碲化鎘光伏電池成為未來社會新的能源之一。
七、聚合物光伏電池
聚合物光伏電池是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢, 在導電材料表面進行多層復合, 制成類似無機P-N結的單向導電裝置。聚合物光伏電池材料常見的有聚乙烯、聚乙炔和聚對苯撐乙烯等。真正純凈的共軛聚合物是不導電的。要使它們表現出半導體特征,必須通過物理摻雜等工藝對聚合物進行離子注入，分別形成P型和N型結構。聚合物太陽能電池一般為三明治夾心結構，由導電玻璃(正極)，聚合物光活性層和Al(負極)組成。當光從某一側照射活性層時，產生光伏效應形成電流。與結構復雜、成本高昂、光電壓受光強影響波動大的傳統半導體光伏電池相比,聚合物光伏電池因其分子結構可以自行設計合成,材料選擇余地大, 加工容易,柔性好,毒性小,成本低等特點 , 從而對大規模利用太陽能, 提供廉價電能具有重要意義。由于以聚合物制備光伏電池的研究才剛剛開始, 不論是使用壽命, 還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品, 還有待于進一步研究和探索。
一、單晶硅光伏電池
單晶硅光伏電池是開發較早、轉換率最高和產量較大的一種光伏電池。目前單晶硅光伏電池轉換效率在我國已經平均達到16.5％,而實驗室記錄的最高轉換效率超過了24.7%。這種光伏電池一般以高純的單晶硅硅棒為原料，純度要求99.9999%。為了降低生產成本，現在地面應用的光伏電池采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經過復拉制成光伏電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成硅片, 硅片厚度一般在180-220um左右。硅片經過檢測、清洗、制絨等工序后，再在表層上摻雜和擴散微量元素硼、磷、銻等，形成PN結，即具備了電池的基本特征。為了防止大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，需要采用Pevcd法等在硅片表面上鍍一層氮化硅減反射膜，同時還起到保護作用。然后經過去磷硅玻璃和等離子刻蝕后，采用絲網印刷法，將配制好的銀漿印在硅片上做成柵線，同時制成背電極，再經過經過燒結工藝，就制成了單晶硅光伏電池片。
二、多晶硅光伏電池
多晶硅光伏電池是以多晶硅材料為基體的光伏電池。由于多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程，因而生產時間縮短，制造成本大幅度降低。再加之單晶硅硅棒呈圓柱狀，用此制作的光伏電池也是圓片，因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比，多晶硅光伏電池就顯得具有一定競爭優勢。但是，在多晶硅材料的生長過程中,由于熱應力的作用,會在晶粒中產生大量的位錯。再加上金屬雜質和氧碳等雜質在位錯上的聚集,會造成復合中心,使電學性能不均勻,因此大大降低少數載流子的壽命，影響光伏電池片的轉換效率。多晶硅光伏電池的制造工藝和單晶硅光伏電池相差不大,所用的設備也基本相同,只是在制造多晶硅光伏電池時要盡量降低其晶界對光生載流子的復合損失。近年來多晶硅電池片研究和發展日新月異，經過采取磷和鋁吸雜、氫氣鈍化和建立界面場等工藝措施，從而大大提高了光伏電池的轉換效率。目前，工業化生產的多晶硅電池轉換效率達到了12%-15%。
三、非晶硅光伏電池
非晶硅光伏電池是用非晶態硅為原料制成的一種新型薄膜電池。非晶態硅是一種不定形晶體結構的半導體。用它制作的光伏電池只有1微米厚度,相當于單晶硅光伏電池的1/300。它的工藝制造過程與單晶硅和多晶硅相比大大簡化, 硅材料消耗少, 單位電耗也降低了很多。再加上它有弱光發電的優勢，因而被廣泛應用于電子計算器、電子鐘表及復印機等方面。生產非晶硅電池一般采用Pecvd法，主要設備有玻璃清洗、氣相沉積、激光刻線和磁控濺射等。為了解決非晶硅光伏電池在性能上的不足，人們開始研究一種疊層光伏電池。疊層光伏電池是在已制備的PIN層單結光伏電池上再沉積一個或多個PIN子電池。 把不同禁帶寬度的材料組合在一起，從而提高光譜的響應范圍，減少衰減和提高轉換率。目前美國公司制得的單結光伏電池最高轉換效率為9.3%，三疊層電池最高轉換效率為13%。由于非晶硅光伏電池具有工藝簡單、耗硅材料少和成本低、重量輕、弱光發電、適應性強等特點，將成為最有發展前景的光伏發電材料。
四、銅銦錫光伏電池
銅銦硒光伏電池是以銅、銦、硒三元化合物半導體為基本材料，在玻璃或其它廉價襯底上沉積制成的半導體薄膜。由于銅銦硒電池光吸收性能好，所以膜厚只有單晶硅光伏電池的大約l/100。制備銅銦硒薄膜電池一般采取真空蒸鍍、硒化法和化學氣相沉積法等工藝。其中，真空蒸鍍法是采用各自的蒸發源蒸鍍銅銦和硒；氣相硒化法是先用蒸鍍法或濺射法在200-300度較低溫度下生成銅/銦層疊膜等，然后升溫到400-550度，在硒化氫氣體或硒蒸氣中進行熱處理，生成銅銦硒薄膜。銅銦硒薄膜電池具有材料消耗少, 成本低, 性能穩定和不存在光致衰退等特征。它的光電轉換效率從80年代最初8%已發展到目前的15%，預計近年銅銦硒薄膜電池的轉換效率將達到20%。由于銅銦硒薄膜電池具有的自身優勢特別是光電轉換效率目前居各種光伏電池之首等因素，因而被國際上稱為未來的廉價光伏電池, 吸引了眾多機構及專家進行研究和開發。但銦和硒都是比較稀有的元素，制造這類電池將遇到原料制約的瓶頸因素，是投資者所必須充分考慮的。
五、砷化鎵光伏電池
砷化鎵光伏電池是一種Ⅲ-V族化合物半導體光伏電池。與硅光伏電池相比, 砷化鎵光伏電池光電轉換效率高，硅光伏電池理論效率為23% ,而單結砷化鎵光伏電池的轉換效率已經達到27%；可制成薄膜和超薄型太陽電池，同樣吸收95%的太陽光, 砷化鎵光伏電池只需5-10μm的厚度,而硅光伏電池則需大于150μm；耐高溫性能好，200℃時,硅光伏電池已不能工作,而砷化鎵光伏電池的效率仍有約10%；可制成效率更高的多結疊層光伏電池，理論計算表明:雙結砷化鎵電池的極限效率為30% ,三結砷化鎵電池的極限效率為38 % ,四結砷化鎵電池的極限效率為41%。砷化鎵光伏電池目前大多用液相外延方法或金屬有機化學氣相沉積技術制備，因此成本高，產量受到限制，再加上砷化鎵材料的價格不菲, 在很大程度上限制了砷化鎵光伏電池的普及和發展。砷化鎵光伏電池目前主要用在航天器上，是最理想的空間應用電池。由于它轉換效率高和耐高溫，也特別適合做成聚光跟蹤發電系統，使其在地面應用上得到新的拓展。
六、碲化鎘光伏電池
碲化鎘是一種化合物半導體,其帶隙最適合于光電能量轉換。用這種半導體做成的光伏電池有很高的理論轉換效率，目前, 已實際獲得的最高轉換效率達到16.5%。碲化鎘光伏電池通常在玻璃襯底上制造，玻璃上第一層為透明電極，其后的薄層分別為硫化鎘、碲化鎘和背電極，其背電極可以是碳槳料，也可以是金屬薄層。碲化鎘的沉積技術方法很多，如電化學沉積法、近空間升華法、近距離蒸氣轉運法、物理氣相沉積法、絲網印刷法和噴涂法等。碲化鎘層的厚度通常為1.5-3um，而碲化鎘對于光的吸收有1.5um的厚度也就足夠了。碲化鎘光伏電池結構簡單, 容易沉積成大面積的薄膜,沉積速率也高。因此, 碲化鎘光伏電池的制造成本較低,是應用前景較好的一種新型光伏電池,已成為美、德、日、意等國研發的主要對象。但是有毒元素鎘對環境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。目前專家正在積極研究對策，相信在不久的將來會得到解決，從而使碲化鎘光伏電池成為未來社會新的能源之一。
七、聚合物光伏電池
聚合物光伏電池是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢, 在導電材料表面進行多層復合, 制成類似無機P-N結的單向導電裝置。聚合物光伏電池材料常見的有聚乙烯、聚乙炔和聚對苯撐乙烯等。真正純凈的共軛聚合物是不導電的。要使它們表現出半導體特征,必須通過物理摻雜等工藝對聚合物進行離子注入，分別形成P型和N型結構。聚合物太陽能電池一般為三明治夾心結構，由導電玻璃(正極)，聚合物光活性層和Al(負極)組成。當光從某一側照射活性層時，產生光伏效應形成電流。與結構復雜、成本高昂、光電壓受光強影響波動大的傳統半導體光伏電池相比,聚合物光伏電池因其分子結構可以自行設計合成,材料選擇余地大, 加工容易,柔性好,毒性小,成本低等特點 , 從而對大規模利用太陽能, 提供廉價電能具有重要意義。由于以聚合物制備光伏電池的研究才剛剛開始, 不論是使用壽命, 還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品, 還有待于進一步研究和探索。