（1）太阳能电池 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，称为光伏效应。太阳能电池就是利用这种效应制成的一种器件，所以也叫光伏电池。实质上它是一种物理电源，与普通化学的干电池、蓄电池是完全不同的。太阳能电池理论上的寿命是非常长的，只要有光子照射，它就能发出电来。
太阳能电池的工作原理是当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光子有一些转变成热能，另一些光子则同组成半导体的原子介电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。如果半导体内存在P-N结，则P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，这样在N区与P区之间的薄层产生所谓光伏电动势。若分别在P型层和N层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。图5-26为硅太阳能电池光电转换示意图。
太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4～100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流密度约为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串、并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率（图5-27）。
图5-27 太阳能电池单体、组件和方阵
（2）太阳能电池的种类 目前世界上已有很多种太阳能电池，按照材料的不同可以分为硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池（包括碲化镉太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、Ⅲ-Ⅴ族电池）、有机太阳能电池、HIT太阳能电池、纳米敏化太阳能电池。硅太阳能电池中又包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、硅薄膜太阳能电池、带硅太阳能电池等。一般来说，太阳能电池的厚度在50μm以下又可以称为薄膜太阳能电池，如非晶硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硒铟铜太阳能电池以及砷化镓之类Ⅲ-Ⅴ族电池等。除此之外，还有聚光太阳能电池。聚光太阳能电池要求电池本体具有较大的传导电流和耐高温的能力。
1）硅太阳能电池。硅是地球上最丰富的元素之一。人们首先使用高纯硅制造太阳能电池，即单晶硅太阳能电池。由于高纯硅材料昂贵，所以这种太阳能电池成本过高，初期多用于空间技术作为特殊电源，供人造卫星使用。20世纪70年代开始，把硅太阳能电池转向地面应用。采用废次单晶硅或较纯的冶金硅专门生产太阳能级硅材料，以及利用多晶硅生产硅太阳能电池，均能大幅度降低太阳能电池的造价。
①单晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池的原料为高纯度（99.999%）的单晶硅。目前大部分利用半导体器件加工时切除的头尾或废次单晶硅，经过单晶炉的复拉，生产专供太阳能电池使用的单晶硅。国外也有用较纯材料直接拉制太阳能级单晶硅的。制造单晶硅太阳能电池，首先将单晶硅切成0.3mm的薄片，经过整形和抛、磨、洗等工序，然后在硅片上进行掺杂和扩散。一般掺杂物为微量的硼、磷、镍、锑等。扩散是在高温扩散炉中进行。首先在硅片浅层上形成P-N结，然后在真空镀膜机中将此种硅片蒸镀上、下电极。为了加速电极制作过程，免除真空镀膜的大量电耗，现在已采用银浆丝网印刷法制作上电极栅线，经过烧结而成牢固的电极。最后还要在硅片表面涂覆一层减反射膜，以防止大量光子被光滑的硅片表面反射。至此。单晶硅太阳能电池的单体就制作完毕，然后根据需要做成组件、方阵阵列。目前，地面使用的单晶硅太阳能电池组件的光电转换效率一般为10%左右，空间技术使用的太阳能电池则要求在13%以上。
②多晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池的发展非常迅速。随着电池制备和封装工艺的不断改进，在单晶硅太阳能电池总成本中，硅材料所占比重已由原先的1/3上升到1/2。生产厂家希望在不降低光电转换效率的前提下，找到替代单晶硅的材料。目前，比较适用的材料就是多晶硅。多晶硅太阳能电池的电性能和力学性能都与单晶硅太阳能电池基本相似，而生产成本却低于单晶硅太阳能电池。20世纪80年代开始，德国、法国、美国、日本、意大利等先后投入工业化生产多晶硅太阳能电池，并大幅度降低单晶硅太阳能电池的产量。
在实验室条件下，可以制备的多晶硅太阳能电池的转换效率最高可达18%。工业化生产的多晶硅太阳能电池的光电转换效率为10%左右。中国研究的多晶硅材料已试制出太阳能电池，光电转换效率8%～11%。最高可达12%。
③非晶硅太阳能电池。非晶硅太阳能电池又称无定形硅太阳能电池，简称a-Si太阳能电池，是最理想的一种廉价太阳能电池。非晶硅太阳能电池的最大特点是薄。不同于单晶硅或多晶硅太阳能电池需要以硅片为底衬，而是在玻璃或不锈钢带等材料的表面上镀一层薄薄的硅膜，其厚度只有单晶硅片的1/300。因此，可以大量节省硅材料，加之可连续化大面积生产，能耗和成本也大幅度降低。由于电池本身是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可以做成叠层式的电池，以提高电池的电压。通常单晶硅太阳能电池每个单体只有0.5V左右的电压，必须几个单体串联起来，才能获得一定的电压。一个非晶硅太阳能电池就能做到几伏电压，使用比较方便。
2）多元化合物太阳能电池。多元化合物太阳能电池是指不是用单一元素半导体制成的太阳能电池，以区别于各种硅太阳能电池。目前，国内外研制的多元化合物太阳能电池品种繁多，较有代表性的有硫化镉太阳能电池和砷化镓太阳能电池。
①硫化镉太阳能电池。用硫化镉材料制作的太阳能电池种类也很多，研究较多的是硫化亚铜-硫化镉构成的异质结太阳能电池，其中尤以薄膜硫化镉太阳能电池引人注目。这种薄膜太阳能电池轻薄如纸，仅厚50～100μm，制作工艺简单，可以连续化生产，因此成本低廉。硫化镉太阳能电池的制备方法主要有两种：一种是真空镀膜法，另一种为烧结法。
真空镀膜法是先在玻璃基片上喷涂一层氧化锡透明电极，再用真空镀膜机蒸镀一层多晶硫化镉薄膜，然后用钢扩散制成P-N结，构成太阳能电池。新的改进技术是以钼或塑料为基底，先镀一层锌，再蒸镀多晶硫化镉薄膜，厚约15μm，然后在氯化亚铜中浸渍，生成硫化亚铜薄膜，厚约1～5μm，最后加上铜栅网，制成电极。
烧结法制备硫化镉太阳能电池，是以硫化镉、硫化亚铜烧结在陶瓷上，形成一个个固体电池，所以又叫陶瓷硫化镉太阳能电池。其制作过程是硫化镉原料在750～800℃通氮条件下预烧，研磨烧结料成细粉，然后压片成型，经850℃左右的温度烧结，制成N型陶瓷硫化镉基片，再用化学沉淀法或真空蒸发沉积镍制成负电极，而后用浸泡法形成P层，并压粘金属栅线网，形成正电极，最后进行封装。一般烧结硫化镉太阳能电池比上述薄膜硫化镉太阳能电池的光电转换效率要高，实验室制备可达11%左右，电池的稳定性也较好。
我国研制的薄膜硫化镉太阳能电池的光电转换效率达7%，烧结硫化镉太阳能电池达9.5%。
②砷化镓太阳能电池。砷化镓是一种很适合制备太阳能电池的材料，它与太阳光谱的匹配较理想，砷化镓-硅复合太阳能电池，最高光电转换效率已达30%。特别是这种材料制成的太阳能电池能耐高温，在250℃的条件下光电转换性能良好，因此适合做高倍聚光太阳能电池。
砷化镓系列的太阳能电池种类也很多，例如单晶砷化镓太阳能电池、多晶薄膜砷化镓太阳能电池、镓铝砷-砷化铝异质结太阳能电池、金属-半导体砷化镓太阳能电池以及金属-绝缘体-半导体砷化镓太阳能电池等。
通常砷化镓太阳能电池的制备工艺与硅太阳能电池类似，唯其材料制造过程不同。一般砷化镓太阳能电池都采用密栅结构，以适应聚光要求，往往可聚光数百倍。
3）液结太阳能电池。液结太阳能电池是一种光电、光化学的复杂转换。它是将一种半导体电极插入某种电解液中，在太阳光照射的作用下，电极产生电流，同时从电解液中释放出H2。适合作这种电极的材料很多，如硫化镉、碲化镉、砷化镓、磷化镓、磷化铟、二氧化钛等。它预示着太阳能利用的广阔前景，人们不仅可以通过光电转换利用太阳能，还能从光化学获得新的能源。
4）聚光太阳能电池。聚光太阳能电池是降低太阳能电池利用总成本的一种措施。它通过聚光器而使较大面积的阳光汇聚在一个较小的范围内，形成焦斑或焦带，并将太阳能电池置于这种焦斑或焦带上，以增强光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。它需要考虑聚光器的结构、跟踪装置和散热措施。
通常聚光器的倍率大于几十，其结构可采用反射式或透镜式。反射式有槽形平面聚光器和抛物面聚光器；透镜式则多选用菲涅尔透镜。聚光器的跟踪一般用光电自动跟踪。散热方式可以是气冷或水冷，有的与热水器结合，即获得电能，又得到热水。用于聚光太阳能电池的单体要在较高温度下保证光电转换性能，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。最理想的制造聚光太阳能电池的材料为砷化镓，因为它的频带宽度和载流子浓度均适合于在强光下工作，其次是单晶硅材料。在电池结构方面，聚光电池的P-N结要求较深，普通太阳能电池多用平面结，而聚光太阳能电池常采用垂直结，以减少串联电阻的影响。同时，聚光电池的栅线也较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的10%，以适应大电流密度的需要。
（3）光伏发电系统 光伏发电系统的组成主要包括三部分太阳能电池组件：充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备、蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备。光伏发电系统的基本形式可分为三大类：独立发电系统、并网发电系统和混合光伏发电系统。
光伏发电系统的应用主要在太空航天器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区用户供电等。但并网发电在光伏市场中的份额逐年增加并占据主导地位，2003年并网发电的市场份额达到55.5%。并网发电在光伏市场中的主导地位在人类能源变革中具有重要意义，它标志着光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过渡、由补充能源向替代能源过渡、人类社会趋向建立可持续发展的能源体系。
光伏发电系统的规模和形式各异，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到兆瓦MW级的太阳能光伏电站。尽管光伏发电系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。其中包括几个主要部件：①光伏组件方阵。由太阳能电池组件按照系统要求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是光伏发电系统的核心部件。②蓄电池。将太阳能电池产生的电能储存起来，当光照不足，或晚上，或负载需求大于太阳能电池所发的电量时，将储存的电能释放，以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏发电系统的储能部件。目前光伏发电系统常用的是铅酸蓄电池，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。③控制器。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。目前控制器向多功能发展，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。④逆变器。在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳能电池产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。(www.xing528.com)
光伏供电系统的工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳能电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏发电系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。
（4）光伏系统设计 光伏发电系统设计的总体原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，使得系统的经济性最好。
光伏发电系统设计可分为软件设计和硬件设计，一般软件设计先于硬件设计。软件设计包括对负载的调查和负载用电量的估算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池组件、蓄电池容量的计算和两者之间匹配的优化计算，方阵最佳倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选择，组件和阵列支架的设计，逆变器的选择和设计，以及控制、测量系统的选择和设计。在进行软件设计的时候可以借助一些使用的PV系统设计软件作为参考。
1）光伏系统具体设计步骤和思路如下：
①对光伏系统安装地点进行详细的现场考察，获取详尽的相关资料，包括地理位置、气象资料、现场情况、负载情况、用户要求等方面。
②系统的软件计算和设计。主要是斜面辐射量计算，方阵倾角计算，太阳能电池组件大小和数量的计算，蓄电池容量的计算，方阵年发电量的计算，阴影估计和间距设计等。必要的时候还应该考虑混合系统发电。
③系统硬件设计。选择组件、蓄电池、逆变器、支架设计，考虑最大功率跟踪，测量和数据采集设备的设计等。对于大型的光伏发电系统，还要有方阵场设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助备用电源的选型和设计等。
④对系统进行经济效益的分析。分析的时候应该参考工程经济分析的标准，对项目的经济效益作出合理客观的评价，若不符合用户对经济性的要求，应该考虑改变方案。
⑤系统的安装和连接。
⑥对系统运行情况的监测、评价、优化调整。
2）系统设计时应注意的一些问题：
①详细信息的获取。为了能够更好地完成设计任务，必须在进行系统软件设计之前获得足够多的准确的信息，应该尽量对系统安装的地点进行考察，充分了解情况。
a.地理位置。包括安装地点的纬度、经度、海拔等。
b.气象资料。气象资料数据的齐全和准确与否对系统设计的成功有很大的影响。气象数据包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量、散射辐射量、反射辐射量，年各月的平均气温、最高最低气温，最大连续阴雨天数，各月平均风速和最大风速，以及冰雹、降雪等特殊的气象情况。
这些气象数据和太阳能资源情况与光伏系统的发电量、太阳能电池组件工作温度、蓄电池自给天数、最大放电深度和容量等设计参数密切相关，直接影响到光伏发电系统的性能和造价，所以十分重要。气象资料一般没有办法预测，只能以过去10～20年的平均值作为依据。另外，从气象部门获得的资料，一般只有水平面的太阳辐射量，实际使用时必须设法换算到斜面上的辐射量。换算的算法（天空各向异性模型）已经相对成熟和被认同，可以自己编制程序或者借助设计软件进行换算。
c.现场情况。比如可供光伏阵列安装的占地面积（屋顶面积），周围有没有树木或者高楼大厦等遮挡物，在未来会不会出现，如果是大型电站的话还应该考虑当地的土质情况，离电网多远，当地的电价等。
d.负载情况。只有清楚地了解负载的类型、功率大小、运行时间、运行规律、运行状况等，才能对负载电量作出相对准确的估计。对于大的光伏发电系统和具有复杂负载的光伏系统更是这样，如大型独立电站，家庭光伏系统等。负载可大致分为四类，分别是恒定负载、夏季型负载、冬季型负载、无规则负载。
在了解了负载耗电规律以后，作出每月的负载电量曲线，看看属于哪种类型的负载。负载的类型不同，设计的思路也就不同。如果7月、8月耗电量最大，12月、1月耗电量最小，那么其负载的类型属于夏季型负载。通常来说，太阳在夏季的时候辐射最强，而夏季型负载在夏季的耗电量比较大，正好和辐照强度形成很好的匹配，所以这类负载一般需要的组件和蓄电池容量相对少些。最佳倾角是使得夏季获得最大的太阳辐射的倾角。如果12月、1月耗电量最大，7月、8月耗电量最小，那么其负载类型属于冬季型负载，对于光伏系统来讲这是一种比较恶劣的情况。设计时应加大组件和蓄电池的容量，同时加大倾角，这样初期投资大大提高。一般来说，这类负载不适宜安装光伏系统。对恒定负载的系统设计相对容易，而变化负载则需要计算每个月的耗电量，使光伏系统的发电量最大限度与之匹配，一般借助计算机完成。
e.用户要求。要充分了解用户对系统的要求和设计想法以及对预算的控制等。
②系统的软件设计。在软件设计中始终应遵循的原则是在满足负载断电率的前提下，太阳能电池方阵的发电量以及蓄电池的容量应最大限度和负载耗电量匹配。这个重要的原则决定了太阳能电池组件大小的选择、蓄电池容量的选择、最佳倾角的选择等。
阴影间距的设计也是十分重要的，因为组件发电量的损失并不是和它被遮挡的面积成正比的，只要被遮挡很小的一部分面积，其性能就有很大的影响。要确保在12月23日（冬至-北半球光照强度最小日）这天的上午9：00到下午3：00这段时间内，光伏阵列的组件不被其他物体的阴影遮挡，同时也不被前面一排的组件遮挡。
设计时在考虑了初期投资成本、负载的工作情况、当地地点状况等因素的前提下，可以考虑使用混合发电系统（如风/光互补、光伏/柴油机等）。光伏/柴油机互补系统有其自身的优点，首先可以减少初期投资成本，当然其运行和维护成本比较大，但按工程经济学的理论分析，在寿命周期内的成本还是比规模相似的光伏独立系统的成本要小。其次，对于无规则负载状况，其每月的发电量变化比较大，而且规律性不强，这样使用独立光伏系统的话则很难保证负载断电率和经济性的要求。这种情况下使用一定比例的光伏系统，额外的电可以由柴油发电机提供，这样既可以充分利用太阳能，也可以保证负载的断电率，是一个不错的选择。其缺点是控制系统相对复杂，建设初期的工程量比独立光伏系统大，维护量大，有一些污染和噪声。但很多情况下，都可以考虑混合系统的选用。
③光伏系统的硬件设计。硬件设计应该在软件设计之后，以详细的相关信息和之前的软件设计为基础进行选择，既要考虑满足性能的要求，又要有比较好的经济性。具体有以下的内容：太阳能电池组件和蓄电池的选择、二极管的选择、电缆设计、支架的设计、控制器与逆变器的选择、考虑安装最大功率跟踪、测量和数据采集设备、防雷接地保护、方阵场设计、备用电源选择、输配电系统设计等。一般来说蓄电池不适宜并联，因为其性能会有一定的损失。在设计时，最好数目不要超过四组。支架的类型对组件的工作温度有影响，不能忽视。控制器选择或者设计的时候应该考虑对蓄电池进行补偿，最好采用脉宽调制设计。监测系统应该有较好的性能，采集的数据应该齐全准确，一些处于偏远地点的系统应该有遥控遥测。电缆的大小选择也需要谨慎，否则容易造成事故。
④系统经济效益的分析。这里指的经济效益的分析是在决定进行光伏发电系统设计和安装的经济分析，在考虑是否投资哪个方案的时候就应该进行一次项目的经济效益分析，以净现值等几个指标作为评价标准。对决定投产的系统的经济效益分析，应该计算系统生命周期内的成本，包括a.购买器件和安装的初期投资成本；b.每年进行维护、换燃料等操作的成本；c.仪器更换和维护等偶生成本。计算的时候要考虑资金的时间价值，这体现在一些经济因子上，如利率、燃料膨胀率、生命周期等。在考虑了这些因素以后，总的成本比上生命周期内的发电量（kWh）就可以得到生命周期成本，以产生每度电花费的美元数表示。这是一个比较客观准确的评价方法。
⑤系统的安装。软件设计和硬件设计都完成以后，就可以开始光伏系统的安装。安装应参照各种国标严格进行。安装组件的时候应用不透明物遮挡其正面，以减少危险。
⑥系统的评价和优化。对于已建成的光伏系统还有必要对光伏系统进行性能分析。性能分析的主要目的就是了解已建成的光伏系统的工作状况，看系统是否能够正常工作；通过各种参量的分析找出对该系统的性能产生影响的主要因素，为将来的光伏系统积累经验数据。因此需要通过对已建光伏系统进行长期的累计观测，以了解系统的工作过程，了解各种因素对系统性能的影响以及考核系统的部件和整体的工作性能。为了得到比较全面的分析结果，至少需要对一个完整的工作年度进行数据观测和分析。
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