太阳能电池的种类与优缺点分析

太阳能电池根据其使用的材料不同,可分成硅半导体太阳能电池、化合物半导体太阳能电池以及有机半导体太阳能电池等类型,硅半导体太阳能电池可分成结晶硅系太阳能电池和非晶质太阳能电池,而结晶硅系又可分成单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。

化合物半导体太阳能电池可分为Ⅲ—V族化合物(Ga As)太阳能电池、Ⅱ—Ⅵ族化合物(CdS/Cd Te)太阳能电池以及三元(Ⅰ—Ⅲ—Ⅳ族)化合物太阳能电池等。

有机半导体太阳能电池可分成色素增感太阳能电池以及有机薄膜(固体)太阳能电池等。有机半导体太阳能电池可分成色素增感太阳能电池以及有机薄膜(固体)太阳能电池等。

根据太阳能电池的形式、用途等不同,还可分成民生用、电力用、透明电池、半透明电池、柔软性电池、混合型电池(HIT电池)、层积电池以及球状电池等。

3.2.3.1　单晶硅太阳能电池

自太阳能电池发明以来,单晶硅太阳能电池开发的历史最长。人们最早使用的太阳能电池是单晶硅太阳能电池。观察单晶硅太阳能电池的外观,其硅原子的排列非常规则,它是硅太阳能电池中转换效率最高的,转换效率的理论值达24%～26%,实际产品的单晶硅太阳能电池的转换效率为15%～18%以上。从宇宙世界到住宅、街灯等,单晶硅太阳能电池应用广泛,目前它主要用于发电。

与其他的太阳能电池进行比较,单晶硅太阳能电池具有以下特点：取材比较方便、制造技术比较成熟、结晶中的缺陷较少、转换效率较高、可靠性较高、特性比较稳定等,通常可使用20年以上,但制造成本较高。

3.2.3.2　多晶硅太阳能电池

观察多晶硅太阳能电池的外观,它是由单晶硅颗粒聚集而成的。多晶硅太阳能电池的转换效率的理论值为20%,实际产品的转换效率为12%～14%。与单晶硅太阳能电池的转换效率相比,多晶硅太阳能电池的转换效率虽然略低,但由于多晶硅太阳能电池的原材料较丰富,制造比较容易,因此其使用量已超过单晶硅太阳能电池,占主导地位。

由于结晶系太阳能电池可以稳定地工作,而且具有极高的可靠性和转换效率,因此现在所使用的太阳能电池主要是硅太阳能电池,并且在户外用的太阳能电池中占主流地位。

3.2.3.3　非晶质太阳能电池

观察非晶质太阳能电池的外观,它的原子排列现无规则状态,转换效率的理论值为18%,但实际产品的转换效率仅为9%左右。这种电池早期存在劣化特性,即在太阳光的照射下,初期存在转换效率下降的现象。最近,非晶质太阳能电池的初期劣化转换效率得到了提高。

非晶质太阳能电池是在玻璃板上使用蒸镀非晶硅的方法,在薄膜状态(厚度为数微米)下制作而成的。与结晶硅太阳能电池相比,非晶质太阳能电池可大大减少制作太阳能电池所需的材料,大量生产时成本较低。尽管非晶质太阳能电池的转换效率不高,但由于非晶质太阳能电池具有制造工艺简单,易大量生产,制造所需能源、使用材料极少(厚度微米及以下,单晶硅300μm),大面积化容易,可方便地制成各种曲面形状,以及可以做成本较低的薄膜太阳能电池等特点,所以有广阔的应用前景。目前,非晶质太阳能电池在计算器、钟表等行业已被广泛应用。

3.2.3.4　化合物半导体太阳能电池

化合物半导体太阳能电池由两种以上的半导体元素构成,主要有Ⅲ—Ⅴ族化合物(Ga As)太阳能电池、Ⅱ—Ⅵ族化合物(CdS/Cd Te)太阳能电池以及三元(Ⅰ—Ⅲ—Ⅳ族)化合物(CIS)太阳能电池等。

1.Ⅲ—Ⅴ族化合物(Ga As)太阳能电池

由Ga As等Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体材料制成的太阳能电池在宇宙发电领域已得到应用。Ⅲ—Ⅴ族化合物太阳能电池有单结合电池单元、多结合电池单元、聚光型电池单元以及薄膜型电池单元等种类。这种太阳能电池的转换效率较高,单结合的太阳能电池的转换效率为26%～28%,2结合、3结合的可望达到35%～42%。它可以做成薄膜太阳能电池,由于其耐辐射性、温度特性较好,因此适用于聚光发电。

2.Ⅱ—Ⅵ族化合物(CdS/Cd Te)太阳能电池

Ⅱ—Ⅵ族化合物(CdS/Cd Te)太阳能电池于1986年首次用于计算器。1988年开发出了户外用的太阳能电池组件,具有成本低、转换效率高的特点。CdS/Cd Te太阳能电池的转换效率的理论值一般为33.62%～44.44%。目前,CdS/Cd Te太阳能小面积电池单元的转换效率达15%以上,大面积电池单元的转换效率达10%以上。将来它有望作为低成本、高转换效率的薄膜太阳能电池。

3.三元(Ⅰ—Ⅲ—Ⅳ族)化合物(CIS)太阳能电池

由于CIS太阳能电池所使用的CulnSe2是直接迁移半导体,与间接迁移硅半导体相比,光吸收系数较大,因此可作为薄膜太阳能电池的材料。CIS太阳能电池可用较低的温度形成CIS薄膜,可做成低成本的衬底。由于光吸收层采用了化合物半导体,因此长时间使用时特性比较稳定。目前,小面积CIS太阳能电池的转换效率为18.8%,大面积达到12%～14%以上。另外,CIS太阳能电池的转换效率会随着太阳能电池面积的增加而急剧下降,这是由于CIS太阳能电池的制造技术尚未十分成熟。随着制造技术的提高,它有望达到结晶硅太阳能电池阵列的性能。对于化合物半导体太阳能电池而言,温度上升对太阳能电池特性的影响不大,但由于制造太阳能电池的资源较少,材料费用较高,目前主要用于宇宙发电领域。

3.2.3.5　有机半导体太阳能电池

有机半导体太阳能电池源于植物、细菌的光合成系的模型研究。利用太阳的能量将二氧化碳和水合成糖等有机物,在光合作用过程中,叶绿素等色素吸收太阳光所散发的能量产生电子、正孔,导致电荷向同一方向移动而产生电能。有机半导体太阳能电池是一种新型的太阳能电池,它可分成湿式色素增感太阳能电池以及干式有机薄膜太阳能电池。

1.色素增感太阳能电池

所谓色素增感太阳能电池,就是在光激励状态下伴随着化学反应产生光电斑的光化学电池。它可分成3种：光异化型、光酸化还原型以及半导体增感型。色素增感太阳能电池的构造它由透明导电性玻璃、微结晶膜、无机酸化物或增感色素以及电解质溶液等材料构成。

这种太阳能电池比硅电池便宜,可用简单的印刷方式进行制造,可大量生产,不需昂贵的制造设备,因此它具有制造成本低、制造所需材料丰富、耗能少、品种多样以及对环境的影响不大等特点。据估算,结晶硅太阳能电池的制造成本为3美元/W,而色素增感太阳能电池的制造成本约为0.6美元/W,为结晶硅太阳能电池的1/5。由此可见,色素增感太阳能电池的制造成本很低。

目前,色素增感太阳能电池的转换效率在10%左右。根据所使用的色素的种类和使用量,可制成各种颜色的、透明的太阳能电池,用于建材以及钟表等领域。(www.xing528.com)

2.有机薄膜太阳能电池

有机薄膜太阳能电池由色素或高分子材料构成。这种太阳能电池的成本低,对环境无影响,制造方法简单,能耗较少,转换效率为4.5%左右。由于这种太阳能电池柔软性较好,因此可使用简单的方法制作各种形状的低成本太阳能电池。近年来,由于有机薄膜太阳能电池的转换效率大幅度提高,人类已认识了光合成的高效率转换原理,再加上地球升温的加速,有机薄膜太阳能电池的研究、开发已成为一大亮点,对它的研究、开发正在加速进行。

3.2.3.6　薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池是一种半导体层厚度在几微米到几十微米的太阳能电池。它是在成本较低的玻璃衬底上堆积结晶硅系等材料的薄膜而形成的元件,具有节约原材料、效率高、特性稳定以及衬底成本较低的特点。由于单晶硅、多晶硅太阳能电池的半导体层较厚,如结晶硅太阳能电池的半导体层的厚度达到300μm,随着太阳能发电的应用与普及,大规模生产时需要大量高纯度的硅材料。因此使用原料少、效率高的薄膜太阳能电池将会得到广泛的应用。吸收系数是各种半导体材料的重要参数,吸收系数越大,光吸收层的厚度越薄。由于结晶硅是间接迁移性吸收太阳能,可视光领域的吸收系数较小,所以光吸收层较厚,为200～400μm,而Cd Te、Cu(InGa)Se2(以下用CIGS表示)以及硅系材料的吸收系数较大,用于太阳能电池材料的厚度只需1μm左右。可见,在使用大面积的太阳能电池时,如果用较薄的半导体层的薄膜太阳能电池,可以大大节约材料、降低成本。因此,CIGS、非晶质等材料有望在薄膜太阳能电池中得到广泛的应用。

薄膜太阳能电池可分为硅系、Ⅱ—Ⅵ族化合物等薄膜太阳能电池。硅系薄膜太阳能电池可分为结晶硅系(单晶硅、多晶硅以及微晶硅)、非晶质以及由两者构成的混合型薄膜太阳能电池。一般的非晶质薄膜太阳能电池的光吸收层的厚度为0.3μm左右。为了提高非晶质薄膜太阳能电池的转换效率,人们正在研究开发非晶质与多晶硅构成的混合型薄膜太阳能电池。为了克服非晶质薄膜太阳能电池的弱点,目前人们寄希望于多晶硅或微晶硅的薄膜太阳能电池。

CIGS系太阳能电池在薄膜太阳能电池中转换效率较高,将来可达到25%～30%。大面积组件的转换效率已达12%,在薄膜系中最高。这种太阳能电池的可靠性高、安全性好、无光劣化、耐辐射性好,有望成为新的主流太阳能电池。在化合物薄膜太阳能电池中,小规模CIGS薄膜太阳能电池已有产品上市,用于住宅发电的大面积组件已进入试制阶段,将来有望用于住宅太阳能光伏系统。

薄膜太阳能电池还存在一些亟待解决的课题,如微结晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池需要提高小面积电池单元的转换效率；非晶质薄膜太阳能电池需要提高大面积组件的转换效率的稳定性以及降低制造工艺的成本；CIGS、Cd Te等薄膜太阳能电池需要提高转换效率、开放电压、大面积均匀制膜技术等。

3.2.3.7　透明太阳能电池

透明太阳能电池是一种让可视光穿过,而吸收紫外光,并将其转换成电能的装置。太阳光的波谱由紫外光、红外光以及可视光组成。透明太阳能电池只利用占太阳光能8%的紫外光发电。如果将太阳能电池的输入能量视为太阳光的全体能量,显然,与以前的太阳能电池相比,其发电转换效率低。

透明太阳能电池透明太阳能电池的制造方法是：对由氧化锌半导体(N型)与铜铝氧化物半导体(P型)组成的部分,通过对气体的雾状、电路板的温度进行控制,在低于500℃的温度下,在玻璃板上将这些氧化物半导体制成透明半导体。透明太阳能电池利用了太阳能电池的辐射作用,可以调整热线反射,因此它可以作为窗玻璃使用。它不仅可起窗玻璃的作用,而且对于房间来说,还有夏防热进、冬防热出的省能效果。由于透明太阳能电池吸收紫外光发电,不影响其透明性,且具有节能等优点,因此这项技术可以提高能源的综合利用率。

3.2.3.8　混合型太阳能电池(HIT电池)

太阳能电池组件安装在屋顶时,如果太阳能电池组件无冷却用的通风层,其温度会上升,夏天晴天时会达到70℃以上,导致太阳能电池组的转换效率随温度上升而下降。为了解决这一问题,人们研制出了混合型太阳能电池。

混合型太阳能电池由薄膜非晶硅与单晶硅集成。为了防止表面反射,在N型单晶硅片的表里侧分别集成了P/I型非晶硅与I/N型非晶硅,然后在上面加装透明电极。混合型太阳能电池由于在其中形成了I层,使非晶硅与单晶硅层的表面特性提高。因此10cm2太阳能电池的转换效率达到21.3%,组件的转换效率达到17%以上,是目前世界上最高的。另外,混合型太阳能电池的温度系数为-0.33%,低于单晶硅太阳能电池的温度系数-0.48%,故混合型太阳能电池可用于如屋顶设置等温度较易上升的场合,以减少功率的下降。

HIT太阳能电池具有以下特点：

(1)结构简单,转换效率高。

(2)与结晶硅系太阳能电池比较,温度上升对其特性的影响较小,实际发电量较多。

(3)与扩散型结晶硅系太阳能电池单元的接合形成温度900℃相比,形成非结晶的温度在200℃以下,比较节省能源。

(4)采用了表面、背面对称的结构,可减少因热膨胀引起的不均匀,可使用薄型衬底,以节省资源。

(5)可以利用背面的入射光进行发电,则该电池可两面发电。

3.2.3.9　球状太阳能电池

球状太阳能电池的外形与一般的太阳能电池的形状不同,这种太阳能电池直径约为1.5mm,颜色类似药丸,是使用单晶硅材料制成的。它可以吸收来自任何方向的光线,电池的表面可以利用照射的光线发电,背面可吸收反射光发电。一颗球状太阳能电池的功率约为400m W,发电转换效率超过19%。

球状太阳能电池利用无重力方法制造,制造能耗低,使用原材料少,可做成任意可弯曲的形状。将来它可用于住宅太阳能发电、移动电子设备、手机、交通等领域。

3.2.3.10　层积型太阳能电池

层积型(tandem)太阳能电池由两个以上的太阳能电池层积而成。层积型太阳能电池可利用较宽波长范围的太阳光能量,因此转换效率较高。

层积型太阳能电池的构造,它是由上层太阳能电池和下层太阳能电池层积而成的多接合型太阳能电池。入射太阳光首先被上层太阳能电池吸收(短波长的光)并产生电能,未被上层太阳能电池吸收的太阳光(长波长的光)则穿过上层太阳能电池,照射在下层太阳能电池上并产生电能。可见,这种单一的太阳能电池可利用较宽波长范围的太阳光能量。

层积型太阳能电池可以由多种不同类型的太阳能电池构成,如上层为非晶硅,下层为多晶硅；或者上层为非晶硅,下层为微晶硅等；也可以由化合物半导体等材料构成。