2.1 光伏电池认知
2.1.1 光伏电池发电原理
【任务说明】
光伏电池又称太阳能电池或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照射到，瞬间就可形成电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic），简称光伏。本节主要学习光伏电池发电原理。
【任务实施】
（1）光传导现象
当光照射在半导体上时，不纯物中的电子被激励。由于带间激励，价电子带的电子被传导带激励而产生自由载流子，从而导致电气传导度增加的现象，称为光传导现象。图2-1为用能带图表示的带间激励引起光传导现象的示意图。光子能量hw大于禁止带宽度能量Eg时，由于带间迁移作用，价电子带中的电子被激励，产生电子空穴对，使电气传导度增加。
图2-1 带间激励引起的光传导现象示意图
（2）光电效应
当半导体内部静电场E存在时，光照射产生的电子空穴对向两侧运动，产生电荷载流子的分极作用，半导体两侧产生电位差，即为光伏效应（Photovoltaic Effect）。半导体内部静电场E存在的条件：形成P型半导体和N型半导体组成的半导体PN结。
（3）光伏电池的发电原理
太阳能光伏发电是利用光伏电池（类似于二极管的半导体器件）的光伏效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式。太阳能光伏发电的能量转换器就是光伏电池。当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的光伏电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片发散出去。被吸收的光线能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子-空穴对。在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动（如图2-2所示），N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使光伏电池的前电极有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背电极有大量正电荷（空穴）积累。若在电池两端接上负载形成回路，负载上就有电流通过。当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流通过。
图2-2 光伏发电原理示意图
单片光伏电池就是一个薄片状的半导体PN结。标准光照条件下，额定输出电压为0.48V。为了获得较高的输出电压和较大的功率，往往要把多片光伏电池连接在一起使用。光伏电池的输出功率是随机的，不同时间、不同地点、不同安装方式下，同一块光伏电池的输出功率是不同的。
2.1.2 光伏电池的种类
【任务说明】
目前地面光伏发电系统大量使用的是以硅为基底的硅光伏电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅光伏电池优于非晶硅光伏电池。本节主要学习各种光伏电池的特性及优缺点。
【任务实施】
光伏电池根据其使用材料的种类可以分成硅系光伏电池、化合物系光伏电池、有机半导体系光伏电池以及量子点光伏电池等，如图2-3所示。
根据制造电池所使用材料的大小可以分为硅光伏电池和薄膜光伏电池。硅光伏电池即为晶体硅光伏电池，如多晶硅光伏电池和单晶硅光伏电池。薄膜光伏电池则包括多晶硅薄膜光伏电池、非晶硅薄膜光伏电池、化合物薄膜光伏电池、有机薄膜光伏电池。
图2-3 光伏电池分类
1.硅系光伏电池
（1）单晶硅光伏电池
单晶硅光伏电池是以高纯度的单晶硅棒为原料生产的光伏电池，是目前发展最快的一种光伏电池，如图2-4所示，已广泛应用于太空和地面。单晶硅光伏电池的硅原子排列非常规则，在硅系光伏电池中转换效率最高，目前实验室最高转换效率为25%，市场产品的实际转换效率为18%～20%，高效单晶硅光伏电池的转换效率可达到22%。根据行业标准的要求，电池片的使用寿命要求在25年以上。
图2-4 单晶硅光伏电池
单晶硅棒的纯度要求为99.999%。为了降低生产成本，地面应用的光伏电池采用单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的可使用半导体器件加工产生的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成光伏电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成厚约为0.3mm的硅片。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序后，制成待加工的原料硅片。单晶硅片经过硅片清洗、制绒、扩散、等离子刻蚀、去磷硅玻璃、PECVD（等离子增强型化学气相沉积）镀氮化硅膜、丝网印刷、烧结、测试、包装等工序后，制造成单晶硅光伏电池。典型的单晶硅片制造工艺如图2-5所示。
图2-5 单晶硅片制造典型工艺
a）多晶硅熔融长晶 b）单晶 c）硅棒 d）切晶
（2）多晶硅光伏电池
多晶硅片由单晶硅颗粒聚集而成。与单晶硅片相比，少了拉晶的工艺。多晶硅成本较低，其与单晶硅在性能上的差异，导致多晶硅光伏电池的转换效率低于单晶硅光伏电池。图2-6为多晶硅光伏电池的外观。随着工艺的改进，多晶硅光伏电池的效率在逐步提高，成本也相对较低，因此应用较广。目前多晶硅光伏电池的转换效率达到17%～18%，高效多晶硅光伏电池的转换效率能达到20%。
图2-6 多晶硅光伏电池
多晶硅片的生产流程一般为：多晶原料清洗、检测→坩埚喷涂→多晶铸锭→硅锭剖方→硅块检验→去头尾→磨面、倒角→粘胶→切片→脱胶→清洗→检验→包装→入库。典型的多晶硅片制造工艺如图2-7所示。
图2-7 多晶硅片制造典型工艺
a）熔融 b）烧结 c）切割 d）开方
多晶硅光伏电池的制造工艺与单晶硅光伏电池制造工艺的工序相似，只是在具体的工序上的制造工艺参数或方法有些差异。
（3）非晶硅光伏电池
非晶硅光伏电池是目前市场上比较成熟的一种薄膜光伏电池，如图2-8所示。1976年美国RCA实验室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在W.E.Spear控制PN结的工作基础上制成了世界上第一个a-Si光伏电池。非晶硅的原子排列呈无规则状态，理论转换效率为18%，实际转换效率为7%～9%。非晶硅光伏电池是在玻璃基板上使用蒸镀非晶硅层的方法，薄膜层厚度约为几微米，非常节约原材料，批量生产时成本低。非晶硅光伏电池的薄膜可附着在廉价的基片介体（如玻璃、活性塑料或不锈钢等）之上，不仅可以节省大量的材料成本，也可以制作大面积、专供建筑使用的透明玻璃光电砖。
图2-8 非晶硅光伏电池
非晶硅光伏电池有各种不同的结构。其中PiN结构电池是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i层（i层为本征层），然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。该工艺可以采用连续沉积室，在生产中构成连续程序，以实现批量生产。同时，非晶硅光伏电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在同一平面上，用适当的掩模工艺，一次性制作多个串联电池，以获得较高的电压。典型非晶硅光伏电池的结构如图2-9所示。
图2-9 非晶硅光伏电池的结构
2.化合物系光伏电池
化合物光伏电池主要包括GaAs（砷化镓）Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化镉/碲化镉（CdS/CdTe）Ⅱ-Ⅵ族化合物、铜铟硒（CuInSe2）Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ族化合物光伏电池等。
（1）GaAs光伏电池
砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）光伏电池属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，其能隙为1.42eV，正好为高吸收率太阳光的值，是很理想的电池材料。由于Ⅲ-Ⅴ族化合物是直接带隙，少数载流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合太空能源领域。目前实验室最高效率已达到50%。
1998年德国费莱堡太阳能系统研究所研制的GaAs光伏电池转换效率为24.2%。首次研制的GaInP电池转换效率为14.7%。另外，该研究所还采用堆叠结构研制了GaAs-GaSb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是GaSb，所得到的转换效率达到31.1%。新一代的GaAs多接面光伏电池，例如GaAs、Ge和GaInP2的三接面光伏电池因可吸收光谱范围非常广，所以转换效率可高达39%以上。
Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池的转换效率随着温度变化的程度远比硅慢，可以聚焦到1000倍或2000倍的程度。利用聚光技术的聚光光伏电池的理论转换效率达到40%以上。
（2）CuInSe2光伏电池
CuInSe2简称CIS。CIS材料的能隙为1.leV，适用于太阳光的光电转换。CIS薄膜光伏电池不存在光致衰退问题。在CIS光伏电池中加入镓（Ga）构成了铜铟镓硒（CIGS）光伏电池，即Cu（In1-xGax）Se2，Ga的组成x从0～1变化时，半导体的能带则从1.0～1.7eV变化，控制x可使光伏电池的组成达到最佳状态。当x为0时，则为CIS光伏电池。
除了玻璃外，也可使用金属箔、塑料等较轻且柔软的材料作为衬底制作CIGS柔性光伏电池。CIGS光伏电池的理论转换效率达25%～30%以上，目前在14%左右。
CIGS光伏电池的典型结构如图2-10所示。主要由背电极（正电极）、P型CIGS（光吸收层）、N型ZnO层透明导电膜、CdS缓冲层等构成。
图2-10 CIGS光伏电池的典型结构示意图
（3）CdS/CdTe光伏电池
由Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的光伏电池有硫化镉、碲化镉光伏电池两种。一般使用由二者结合而成的CdS/CdTe光伏电池，其中CdS为N型，CdTe为P型。CdTe的禁带宽度一般为1.47eV，CdTe的光谱响应和太阳光光谱非常匹配。CdTe的吸收系数在可见光范围内高达104/cm以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。碲化镉薄膜光伏电池的理论光电转换效率约为28%。
碲化镉薄膜光伏电池是在玻璃或其他柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件。标准的碲化镉薄膜光伏电池由5层结构组成，碲化镉薄膜光伏电池的结构如图2-11所示。玻璃衬底主要对电池起支架、防止污染和入射太阳光等作用。
图2-11 碲化镉薄膜光伏电池结构示意图
TCO层即透明导电氧化层，主要的作用是透光和导电。CdS窗口层为N型半导体，与P型CdTe吸收层组成PN结。CdTe吸收层是电池的主体吸光层，与N型的CdS窗口层形成的PN结是整个电池最核心的部分。背接触层和背电极是为了降低CdTe和金属电极的接触势垒，引出电流，使金属电极与CdTe形成欧姆接触。
由于碲化镉薄膜光伏电池含有重金属元素镉，使很多人担心碲化镉光伏电池的生产和使用会对环境带来不好的影响。美国First Solar公司的碲化镉光伏电池组件在销售时就与用户签订了由工厂支付回收费用的回收合同。
3.有机半导体系光伏电池
有机光伏电池是由有机材料制成的，可分为色素增感光伏电池和有机薄膜光伏电池。
（1）色素增感光伏电池
色素增感光伏电池（又称染料敏化光伏电池）以低成本的纳米二氧化钛（TiO2）和光敏染料为主要原料，模拟植物的光合作用，将太阳能转化为电能。该电池使用的纳米TiO2、N3染料、电解质等材料价格便宜且环保无污染，同时它对光线的要求相对不那么严格，即使在比较弱的光线照射下也能工作。
染料敏化光伏电池主要由纳米多孔半导体薄膜、光敏染料、氧化还原电解质、对电极和导电基底等组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（如TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化光伏电池的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。光敏染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是KCl（氯化钾）。图2-12给出了典型的染料敏化光伏电池的结构。
（2）有机薄膜光伏电池
有机薄膜光伏电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且具有导电性，如酞菁类化合物、卟啉、菁等。有机薄膜光伏电池按照半导体的材料分为单质结结构、PN异质结结构、染料敏化纳米晶结构。
单质结结构是以Schotty势垒（肖特基势垒）为基础原理而制作的有机光伏电池，如图2-13所示。其结构为玻璃/金属电极（阴极）/染料（有机层）/金属电极（阳极），利用了两个电极的功函不同，可以产生一个电场，电子从低功函的金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。由于电子-空穴均在同一种材料中传递，所以其光电转化率比较低。
图2-12 染料敏化光伏电池的结构
图2-13 单质结结构
PN异质结结构是指这种结构具有给体-受体（N型半导体与P型半导体）的异质结结构，如图2-14所示。其中半导体的材料多为染料，如酞菁类化合物等，利用半导体层间的D/A界面（Donor给体，Acceptor受体），以及电子-空穴分别在不同材料中传递的特性，使分离效率提高。Elias Stathatos等人结合无机以及有机化合物的优点制作的光伏电池光电转化率在5%～6%。
光伏电池还按形式和用途可以分为透明光伏电池、半透明光伏电池、混合型光伏电池、层积光伏电池、球状光伏电池等。下面以层积光伏电池为例进行介绍。
层积光伏电池的结构如图2-15所示。层积光伏电池由两个以上的光伏电池层积而成。层积光伏电池可利用波长范围较宽的太阳光能量，因此转换效率较高。
图2-14 PN异质结结构
图2-15 层积光伏电池的结构
2013年9月，德国弗朗霍夫太阳能系统研究所、法国聚光光伏制造商Soitec公司、德国柏林亥姆霍兹研究中心携手宣布，他们制造出一款在297倍聚光浓度下，光电转化效率高达44.7%的四结光伏电池。该四结光伏电池中的单个电池由不同的III-V族（元素周期表中III族的B、Al、Ga、In和V族的N、P、As、Sb等）半导体材料制成，这些结点逐层堆积，单个子电池能吸收太阳光光谱中不同波长的光。