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來源：互聯(lián)網(wǎng)

太陽能電池，英文名Solar Cell，是光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器，本質(zhì)上是在太陽光照射下的“二極管”，能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)于1839年由法國(guó)物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)光伏電池由美國(guó)科學(xué)家 CharlesFritts 于1883年制造成功。

當(dāng)陽光照射到“二極管”PN 結(jié)上時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生了光生電子空穴對(duì)。這些光生電子和空穴遷移到 PN 結(jié)的兩端并在邊界上累積起來，由此形成光生電場(chǎng)及電動(dòng)勢(shì)( 光生伏特效應(yīng))，這就是太陽能電池的原理。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為:硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池和有機(jī)太陽能電池等。太陽能電池組件通常由太陽能電池單元、表面罩、背面罩、填充材料以及框架組成。

太陽能電池的應(yīng)用遍及民用、軍用、航空航天等諸多領(lǐng)域，發(fā)展目標(biāo)是提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。中國(guó)在太陽能光伏技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破，并在部分關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全球領(lǐng)先。“雙碳”理念的背景下，太陽能電池光伏產(chǎn)業(yè)將發(fā)揮市場(chǎng)牽引的優(yōu)勢(shì)，突出政府在政策、資金等方面的作用，在進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

歷史發(fā)展

1839 年，當(dāng)時(shí)的法國(guó)物理學(xué)家 Alexander-Edmond Becquerel 觀察到把光線照到導(dǎo)電溶液內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生電流和太陽能光伏特效應(yīng)。但直到 1883 年，第一個(gè)太陽能電池才由美國(guó)科學(xué)家 CharlesFritts 制造出來，他在半導(dǎo)體材料上涂上一層微薄的金，形成了一個(gè)簡(jiǎn)單的電池。這個(gè)太陽電池僅有 1% 的能量轉(zhuǎn)換效率。1927 年科學(xué)家利用金屬銅及半導(dǎo)體氧化銅制造出太陽電池。到 1930 年，硒電池及氧化銅已經(jīng)應(yīng)用到一些對(duì)光線敏感的儀器上，如光度計(jì)。1946年第一塊硅太陽電池由美國(guó) Russell Ohl 開發(fā)出來。1954 年貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 6%的硅太陽電池，并應(yīng)用到第一顆人造衛(wèi)星上。

1876 年，亞當(dāng)斯等在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。

1883 年，制成第一個(gè)“硒光電池”，用作敏感器件。

1893 年，法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”，即“光伏效應(yīng)”。

1930 年，肖特基提出 Cu2O 勢(shì)的“光伏效應(yīng)”理論。同年，朗格首次提出用“光伏效應(yīng)制造“太陽能電池”，使太陽能變成電能。

1931 年，布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸人電解液在陽光下啟動(dòng)了一個(gè)電動(dòng)機(jī)。

1932 年，奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化”太陽能電池。

1941 年，奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。

1954 年，恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，首次制成了實(shí)用的單品硅太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率為 6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了化有太陽能光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鍋薄膜，制成了第一塊薄膜太陽能電池。

1955 年，吉尼和羅非斯基進(jìn)行材料的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化設(shè)計(jì)。同年，第一個(gè)光電航標(biāo)燈問世。美國(guó) RCA研究砷化太陽能電池。

1957 年硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)8%。

1958 年，太陽能電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒1 號(hào)衛(wèi)星電源。

1959 年第一個(gè)多晶硅太陽能電池問世，轉(zhuǎn)換效率達(dá)5%。

1960 年，硅太陽能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。

1962年確化驚太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)13%。

1969 年，薄膜硫化太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)8%。

1972年羅非斯基研制出紫光電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)16%。

1972 年，美國(guó)宇航公司背場(chǎng)電池問世。

1973年砷化家太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)15%。

1974 年COMSAT 研究所提出無反射絨面電池硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)18%。

1975 年，非晶硅太陽能電池問世。同年，帶硅電池轉(zhuǎn)換效率達(dá) 6%~9%。

1976年，多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)10%。

1978年美國(guó)建成100 kWp 太陽能地面光伏電站。

1980 年單品硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá) 20%砷化電池達(dá) 225%多品硅電池達(dá)14.5%硫化鍋電池達(dá)9.15%。

1983 年，美國(guó)建成1 MWp 光伏電站，冶金硅(外延)電池效率達(dá) 11.8%。

1986 年，美國(guó)建成65MWp 光伏電站。

1990 年，德國(guó)提出“2 000 個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”每個(gè)家庭的屋頂裝 3 ~5 kWp 光伏電池1995 年高效聚光砷化太陽能電效率達(dá) 32%。

1997 年，美國(guó)提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計(jì)劃”，為 100 萬戶每戶安裝 3 ~5 kWp 光伏電池。有太陽時(shí)，太陽能光伏屋頂向電網(wǎng)供電，電表反轉(zhuǎn)；無太陽時(shí)，電網(wǎng)向家庭供電，電表正轉(zhuǎn)。家庭只需交“凈電費(fèi)”。1997 年，日本“新陽光計(jì)劃”生產(chǎn)43 億 Wp 光伏電池。1997 年，歐盟計(jì)劃生產(chǎn)37 億 Wp 光伏電池。

1998 年，單晶硅光伏電池效率達(dá) 25%。

太陽能電池的發(fā)展歷史呈現(xiàn)出一定的階段性特征，大致可以分為下面幾個(gè)階段:

(1)第一階段(1954一1973)

1954 年恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，首次制成了實(shí)用的單晶太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化有太陽能光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化薄膜，制成了第塊薄膜太陽能電池。太陽能電池開始了緩慢的發(fā)展。

(2) 第二階段(1973-1980)

1973 年 10 月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭(zhēng)，引起了第一次石油危機(jī)，從而使許多國(guó)家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，加強(qiáng)了對(duì)太陽能及其他可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，在世界上再次興起了開發(fā)利用太陽能的熱潮。1973 年，美國(guó)制訂了政府級(jí)陽光發(fā)電計(jì)劃，太陽能研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長(zhǎng)，并且成立太陽能政策性銀行，促進(jìn)太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。1978 年美國(guó)建成 100 kWp 太陽能地面光伏電站。日本在 1974 年公布了政府制訂的“陽光計(jì)劃”，其中太陽能的研究開發(fā)項(xiàng)目有: 太陽能房、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽能熱發(fā)電、太陽能電池生產(chǎn)系統(tǒng)、分散型和大型太陽能光伏等。為實(shí)施這一計(jì)劃，日本政府投入了大量人力、物力和財(cái)力。至 1980 年，單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)20%，砷化鑲電池達(dá) 22.5%，多晶硅電池達(dá) 14.5%硫化電池達(dá)9.15%。

(3) 第三階段( 1980一1992)

進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代世界石油價(jià)格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價(jià)格居高不下，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力；太陽能光伏技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標(biāo)沒有實(shí)現(xiàn)，以致動(dòng)搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；核電發(fā)展較快，對(duì)太陽能光伏的發(fā)展產(chǎn)生了一定的抑制作用。在這個(gè)時(shí)期，太陽能利用進(jìn)入了低谷，世界上許多國(guó)家相繼大幅度削減太陽能光伏研究經(jīng)費(fèi)，其中美國(guó)最為突出。

(4)第四階段(1992-2000)

由于大量燃燒礦物化石能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣的背景下，1992 年聯(lián)合國(guó)在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，會(huì)議通過了里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》《21 世紀(jì)議》和聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會(huì)議之后，世界各國(guó)加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起，國(guó)際太陽能領(lǐng)域的合作更加活躍，規(guī)模擴(kuò)大，使世界太陽能光伏技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。

此期間的標(biāo)志性事件主要有:1993 年，本重新制訂“陽光計(jì)劃”；1997 年，美國(guó)提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽屋頂計(jì)劃”。至1998 年，單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率達(dá) 24.7%。

(5) 第五階段( 2000 年至今)

進(jìn)人21 世紀(jì)，原油價(jià)格也進(jìn)入了瘋狂上漲的階段，從2000 年的不足30 美元/桶，暴漲到2008 年 7月的接近 150 美元/桶，這讓世界各國(guó)再次意識(shí)到不可再生能源的稀缺性，加強(qiáng)了人們發(fā)展新能源的欲望。此階段，世界各國(guó)為大力發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，采取了各種政策和措施，如歐盟制訂了“百萬屋頂太陽能計(jì)劃”，德國(guó)制訂了“十萬屋頂太陽能計(jì)劃”，日本推出了“新陽光計(jì)劃”，加利福尼亞州推出了“百萬太陽能屋頂法案”。受益于太陽能發(fā)電需求的猛烈增長(zhǎng)，中國(guó)由前幾年的無名小卒到 2007 年一躍成為世界第一太陽能電池生產(chǎn)大國(guó)。在光伏電池轉(zhuǎn)換效率方面，多晶硅太陽能電池實(shí)驗(yàn)最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.3%。至2007 年Spectrola 最新研制的GaAs 多結(jié)聚光太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá) 40.7%。我國(guó)在 2009 年 3 月，財(cái)政部住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》與《太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，對(duì)符合條件的太陽能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目給予相應(yīng)的補(bǔ)貼。

中國(guó)作為世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展增速最快的國(guó)家擁有世界最大的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至 2020 年中國(guó)光伏市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)量為 253GW，2020 年新增裝機(jī)量為 48.2GW，同比增長(zhǎng) 60%。2020 年中國(guó)光伏發(fā)電量為 2605 kW·h，同比增長(zhǎng)16.2%，占總發(fā)電量 3.5%。

原理及構(gòu)造

原理

太陽能的發(fā)電方式可分為光-熱-電轉(zhuǎn)換和數(shù)碼管直接轉(zhuǎn)換，我們平時(shí)看到的太陽能電池都屬于光-電直接轉(zhuǎn)換類型，本詞條以介紹光-電直接轉(zhuǎn)換類型的太陽能電池為主。

光-熱-電轉(zhuǎn)換

利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)(蒸汽)的勢(shì)能和動(dòng)能，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱-電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，其投資估計(jì)至少要比普通火電站高 5~10倍。一座1 000 MW的太陽能熱電站需要投資 20~25 億美元，平均每千瓦的投資為2000~2500 美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)。

光-電直接轉(zhuǎn)換

當(dāng)光照射在半導(dǎo)體上時(shí)，不純物中的電子被激勵(lì)，由于帶間激勵(lì)，價(jià)電子帶的電子被傳導(dǎo)帶激勵(lì)而產(chǎn)生自由載流子，從而導(dǎo)致電氣傳導(dǎo)度增加的現(xiàn)象(Photo-Conductive Effect)這種現(xiàn)象稱為光傳導(dǎo)現(xiàn)象。

圖2.1為用能量帶圖表示的帶間激勵(lì)引起的光傳導(dǎo)現(xiàn)象的示意圖。當(dāng)大于禁止帶寬eg的能量的光( hw≥ eg)照射在半導(dǎo)體上時(shí)，由于帶間遷移作用，價(jià)電子帶中的電子被激勵(lì)，而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使電氣傳導(dǎo)度增加。

但是，當(dāng)如圖2.2 所示的半導(dǎo)體中的內(nèi)部電場(chǎng) E 存在時(shí)，半導(dǎo)體受到光照射時(shí)便產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，由光所產(chǎn)生的電子在傳導(dǎo)帶中的電場(chǎng)的作用下向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，而價(jià)電子中的空穴則向左側(cè)運(yùn)動(dòng)，由于產(chǎn)生電荷載流子的分極作用半導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)(光伏產(chǎn)業(yè) Effect)。

圖2.3 為單晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)。實(shí)際的太陽電池是在 P型硅的周圍用擴(kuò)散的方法形成較薄的 N 型層，并帶有電極。

圖2.4為單品硅太陽電池受到光照射時(shí)產(chǎn)生載流子的情況。此圖為 PN 結(jié)的放大圖。當(dāng)光照射時(shí)，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用在結(jié)合部附近產(chǎn)生載流子。圖中：

Ln:電子的擴(kuò)散距離；Lp:正孔的擴(kuò)散距離；d:接合深度；W:遷移區(qū)。

圖2.5為用能量帶圖表示的載流子分極的情況。由圖可知，光照射而產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)由于遷移區(qū)內(nèi)部電場(chǎng)的作用而左右漂移，在兩端的電極聚集而產(chǎn)生光電壓 Vph，當(dāng)太陽電池與負(fù)載連接時(shí)，P型硅的正孔，N 型硅的電子流向負(fù)載便形成光電流 Iph。

構(gòu)造

光-電直接轉(zhuǎn)換太陽電池的構(gòu)造多種多樣，一般的如圖2.3和圖2.6 所示。現(xiàn)在多使用由 P型半導(dǎo)體與 N型半導(dǎo)體組合而成的 PN 結(jié)型太陽電池。主要由 P型、N 型半導(dǎo)體、電極、反射防止膜等構(gòu)成。

對(duì)于由兩種不同的硅半導(dǎo)體（N 型與P型）結(jié)合而成的太陽電池，當(dāng)太陽光照射時(shí)，太陽的光能被太陽電池吸收，產(chǎn)生陽離子( +)(正孔)和陰離子(-)(電子)。正離子向 P型半導(dǎo)體集結(jié)，而負(fù)離子向 N 型半導(dǎo)體集結(jié)，當(dāng)在太陽電池的表面和背后的電極之間接上負(fù)載時(shí)，便有電流流過。

特性與參數(shù)

太陽電池的特性一般包括太陽電池的輸入輸出特性、分光特性照度特性以及溫度特性。

太陽能電池的輸入、輸出特性

太陽能電池的種類較多，大小不一。太陽能電池到底有多大的能力將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能，從以下的特性可以知道:

圖3.1所示為太陽能電池的輸人、輸出特性，也稱為太陽能電池的電壓一電流特性。圖中的實(shí)線為太陽能電池被光照射時(shí)的電壓一電流特性，虛線為太陽能電池未被光照射時(shí)的電壓一電流特性。

由太陽能電池的電流電壓特性，可得到相應(yīng)的 IV 曲線。在該曲線中，包含著一系列相關(guān)的電學(xué)基本特征參數(shù)，主要有短路電流、開路電壓、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等。

短路電流

當(dāng)將太陽能電池的正負(fù)極短路即電池電壓V=0 時(shí)，此時(shí)的電流就稱為太陽能電池的短路電流，記為l。短路電流的單位是安培(A)，短路電流隨著光強(qiáng)的變化而變化。短路電流源于光生載流子的產(chǎn)生和收集。對(duì)于電阻阻抗最小的理想太陽能電池來說，短路電流就等于光生電流。因此短路電流是電池能輸出的最大電流，如圖3.2所示。

開路電壓

當(dāng)太陽能電池的正負(fù)極不接負(fù)載，即I=0 時(shí)，太陽能電池正負(fù)極間的電壓就叫做開路電壓，通常表示為V。開路電壓的單位是伏特 (V)。單片太陽能電池的開路電壓不隨電池片面積的增減而變化，一般為 0.5~0.7V。開路電是太陽能電池能輸出的最大電壓此時(shí)輸出電流為零。開路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加的正向偏壓。開路電壓如圖3.2伏安曲線所示。

填充因子

太陽能電池的另一個(gè)重要參數(shù)是填充因子 (FF)，也叫曲線因子，它是指太陽能電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積的比值。

FF是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標(biāo)，代表太陽能電池在帶最佳負(fù)載時(shí)能輸出的最大功率的特性，其值越大表示太陽能電池的輸出功率越大。實(shí)際上，由于受串聯(lián)電陽和并聯(lián)電阻的影響，實(shí)際太陽能電池填充因子的值要低于上式所給出的理想值。串、并聯(lián)電阻對(duì)填充因子有較大影響。串聯(lián)電阻越大，短路電流下降越多，填充因子也隨之減少得越多:并聯(lián)電阻越小，這部分電流就越大，開路電壓就下降得越多，填充因子隨之也下降得越多。

轉(zhuǎn)換效率

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽能電池受光照時(shí)的最大輸出功率與照射到電池上的太陽能量功率的比值。

太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，它與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)特性、材料性質(zhì)、入射光的光譜和光強(qiáng)、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境變化等有關(guān)。所以，在比較兩塊電池的性能時(shí)，必須嚴(yán)格控制其所處的環(huán)境。

最大輸出功率

太陽能光伏電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化的，將不同阻值所對(duì)應(yīng)的工作電壓和電流值做成曲線就得到太陽能電池的伏安特性曲線。如果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率，用符號(hào)Pm表示。此時(shí)的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流，分別用符號(hào)Um和Im表示。

太陽能電池的分光感度特性

對(duì)于太陽能電池來說，不同的光照射時(shí)所產(chǎn)生的電能是不同的。例如，紅色的光轉(zhuǎn)換生成的電能與藍(lán)色的光轉(zhuǎn)換生成的電能是不一樣的。一般將光的顏色(波長(zhǎng))與所轉(zhuǎn)換生成的電能的關(guān)系，用分光感度特性來表示。

太陽能電池的分光感度特性如圖3.3 所示。由圖可見，不同的太陽能電池對(duì)于光的感度是不一樣的，在使用太陽能電池時(shí)應(yīng)特別予以重視。圖3.4所示為熒光燈的放射頻譜與 AM-15太陽能電池的分光感度特性，熒光燈的放射頻譜與非晶硅太陽能電池的分光感度特性非常一致。由于非晶硅太陽能電池在熒光燈下具有優(yōu)良的特性，因此在熒光燈下(室內(nèi))使用的太陽能電池以非晶硅太陽能電池較為合適。

太陽能電池的照度特性

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率隨照度（光的強(qiáng)度）而變化。圖3.5所示為在熒光燈照度下，CSi 太陽能電池以及 -Si 太陽能電池的電流、電壓特性(輸出特性)。V。(開路電壓)I(短路電流)以及 Px(最大輸出功率)的照度特性如圖 3.5所示。由圖可知:

另外，曲線因子 FF 幾乎不受照度的影響，基本保持一定。太陽光下的照度特性如圖 3.6 所示。可見，由于光的強(qiáng)度不同，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率也不同。

太陽能電池的溫度特性

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率隨溫度的變化而變化如圖3.7 所示，太陽能電池隨溫度的增加，輸出電流增大，溫度再上升時(shí)，輸出電壓減少轉(zhuǎn)換效率變低。由于溫度上升導(dǎo)致太陽能電池的發(fā)電功率下降，因此有時(shí)需要用通風(fēng)的方法來降低太陽能電池板的溫度，以便提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，使輸出功率增加。太陽能電池的溫度特性一般用溫度系數(shù)來表示。溫度系數(shù)小，說明即使溫度變化較快，其發(fā)電功率變化也小。

分類

太陽能電池多為半導(dǎo)體材料制造，發(fā)展到今天，已經(jīng)有不下于 10種制備技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽電池的種類有相當(dāng)一部分人認(rèn)識(shí)比較含糊。最重要的是要弄清楚分類標(biāo)準(zhǔn)，分類標(biāo)準(zhǔn)不同，分類情況也不同。但最常見的分類即為按照太陽電池的PN結(jié)結(jié)構(gòu)和太陽電池制作材料的不同分類。

按照PN結(jié)結(jié)構(gòu)的不同分類

同質(zhì)結(jié)太陽能電池

由同種半導(dǎo)體材料制備的p-n結(jié)或者濃度的梯度結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。用同質(zhì)結(jié)制備的太陽電池稱為同質(zhì)結(jié)太陽能電池，如單晶硅、多晶硅太陽能電池、砷化太陽能電池等。

異質(zhì)結(jié)太陽能電池

禁帶寬度不相同的半導(dǎo)體材料，在相互接觸的面上制備成異質(zhì)結(jié)的太陽能電池稱為異質(zhì)結(jié)太陽能電池。如硫化亞銅/硫化鎘太陽能電池等如果這兩種制備材料晶界面處的晶格匹配度高則稱為異質(zhì)面太陽能電池，比如砷化鎵/砷化鋁鎵異質(zhì)面太陽能電池。

肖特基結(jié)電池

半導(dǎo)體和金屬的接觸面也可以形成一個(gè)“肖特基勢(shì)壘”的太陽能電池，也稱為 MS 電池。比如硅/鉑肖特基結(jié)太陽能電池。后來由改進(jìn)成為半導(dǎo)體氧化物-金屬太陽能電池。

光電化學(xué)電池

用浸于電解質(zhì)中的半導(dǎo)體構(gòu)成的電池，又稱為液結(jié)電池。

按照所用材料的不同

太陽能電池可分為:硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池和有機(jī)太陽能電池等，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。

硅太陽能電池

硅太陽能電池又分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。

單晶硅太陽能電池

硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熟的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。現(xiàn)在，單晶硅的電池工藝一般都采用表面結(jié)構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。光電的轉(zhuǎn)化效率主要取決于單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中單晶硅太陽能電池仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅太陽能電池成本價(jià)格居高不下。

多晶硅薄膜太陽能電池

為了節(jié)省高質(zhì)量材料，薄膜太陽能電池就成了單晶硅電池的替代產(chǎn)品，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶體硅薄膜太陽能電池就是典型代表。實(shí)驗(yàn)室的最高轉(zhuǎn)換效率為 18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為 10%。

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度 350一450pm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成，因此實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，從 20 世紀(jì) 70 年代中期就開始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒太小，未能制成有價(jià)值的太陽能電池。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝。此外，液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。

多晶硅薄膜電池由于所使用的硅材料遠(yuǎn)較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價(jià)村底材料上制成，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶體硅薄膜電池。

非晶體硅薄膜太陽能電池

由于非晶體硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展。早在20世紀(jì)70年代初Carlson 等就已經(jīng)開始了對(duì)非晶體硅電池的研制工作，目前世界上已有許多公司生產(chǎn)這種產(chǎn)品。非晶體硅作為太陽能電池材料盡管是一種很好的材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7 eV，使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，這就限制了非晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退SW效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是在制備的 p-i-n 層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè) p-i-n子電池制得的。

非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應(yīng)濺射法PECVD 法LPCVD 法等反應(yīng)原料氣體為 H2稀釋的 SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶體硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。

非晶硅太陽能電池由于具有成本低、重量輕、轉(zhuǎn)換效率較高和便于大規(guī)模生產(chǎn)等而有極大的發(fā)展?jié)摿Α５苤朴谄洳牧弦l(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。

多元化合物薄膜太陽能電池

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，主要有砷化 III-V 族化合物電池、硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池和銅硒薄膜電池。

硫化鍋、確化鍋多晶薄膜電池

硫化鎘、化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶體硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，也易于大規(guī)模生產(chǎn)。但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。

砷化鎵(GaAs)Ⅲ-V化合物電池

GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能降為1.4 eV，正好為高吸收率太陽光的值，具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 28%，適合于制造高效單結(jié)電池。但是 GaAs 材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了 GaAs 電池的普及。GaAs等III-V 化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE 技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)、反應(yīng)壓力、III-V 比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。除 GaAs 外，其他III-V族化合物如GaSb、GalnP 等電池材料也得到了開發(fā)。1998 年德國(guó)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的 GaAs 太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2%。首次制備的 GaInP 電池轉(zhuǎn)換效率為 14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs/GaSb 電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在一起，GaAs 作為上電池，下電池用的是GaSb，所得到的電池效率達(dá)到 31.1%。

銅銦硒薄膜電池

銅鋼硒薄膜電池(簡(jiǎn)稱 CIS)材料的能降為1.1eV，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換。另外，CIS 薄膜太陽能電池不存在光致衰退問題，因此，CIS 用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注意。CIS 電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用 H2Se 疊層膜硒化，但該法難以得到組成均的 CIS。CIS 作為太陽能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后太陽能電池發(fā)展的一個(gè)重要方向，唯一的是材料的來源問題，由于鋼和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展必然受到限制。

聚合物多層修飾電極型太陽能電池

以有機(jī)聚合物代替無機(jī)化合物材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好、制作容易、材料來源廣泛和成本低等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽能有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料，特別是硅電池相比，能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。

納米晶太陽能電池

納米 TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于其廉價(jià)的成本、簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能，其光電效率穩(wěn)定在 10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的 1/5~1/10，壽命能達(dá)到 20年以上。

有機(jī)太陽能電池

有機(jī)太陽能電池 (organic solar cells-OSC)是在無機(jī)半導(dǎo)體光電池的基礎(chǔ)上，結(jié)合近幾年來興起的有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料和相關(guān)電子轉(zhuǎn)移理論而發(fā)展起來的。有機(jī)材料具有它所固有的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，如材料來源廣泛且本身的生產(chǎn)條件相對(duì)溫和、有機(jī)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)容易修飾等。因此，用有機(jī)材料來制作光電池時(shí)，滿足成本低、耗能少、制作方便和易于得到大面積柔性器件的要求，擁有成本上的優(yōu)勢(shì)以及資源廣泛分布性等的優(yōu)勢(shì)。2000年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Alan.J.Heeger 等發(fā)現(xiàn)的共有機(jī)聚合物，是低成本太陽能電池的主體材料首選，這類有機(jī)聚合物具有可與銅相媲美的導(dǎo)電性，目前已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。有機(jī)太陽能電池的研究起步較晚。總體來說，有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，全固態(tài)有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率小于 6%，而無機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率普遍高于10%。

電池組件及其構(gòu)造

太陽能電池組件是將幾十枚太陽能電池單元串、并聯(lián)起來，然后封裝在耐氣候的箱中而構(gòu)成的。常見的太陽能電池組件的構(gòu)造如圖5.1所示，它由太陽能電池單元、表面罩、背面罩、填充材料以及框架組成，即用具有良好的耐氣候填充材料將封裝好的太陽能電池單元安置在表面罩與背面罩之間構(gòu)成。為了提高周圍的密封性能，與框架相連的部分一般使用硅等密封性能較好的材料將太陽能電池密封。用于組件間的電氣連接的端子箱安裝在背面中央部位。

太陽能電池組件的構(gòu)造方法多種多樣，結(jié)晶系的太陽能電池組件一般有背面襯底型組件(substrate)、表面襯底型組件(superstrate)以及填充型組件等構(gòu)造；薄膜系太陽能電池組件有襯底一體表面襯底型組件以及柔軟型組件等構(gòu)造。

背面襯底型組件與表面襯底型組件的不同之處在于支撐組件的結(jié)構(gòu)層是不是光的入射側(cè)(采光面?zhèn)?，如果支撐組件的結(jié)構(gòu)層不是光的人射側(cè)，則稱為背面襯底型組件；反之，則稱為表面襯底型組件。目前，太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要使用帶有白色玻璃的表面襯底型的結(jié)晶系太陽能電池組件。

背面底型組件

背面襯底型組件是將太陽能電池單元配置在由玻璃等材料構(gòu)成的背面襯底上，表面用透光性樹脂封裝而成，如圖5.2 所示。背面襯底作為組件的支撐板，支撐板一般用FRP(fiber refined plastic)等有機(jī)材料或不銹鋼板等金屬薄板制成，也可用玻璃等材料制成。

表面襯底型組件

圖5.3所示為在玻璃等材料的透光性襯底上配置好太陽能電池單元然后在其背面封裝而成的表面襯底型組件的構(gòu)造。由于考慮到組件的耐氣候性等因素，一般采用將玻璃襯底側(cè)面向光的入射側(cè)的結(jié)構(gòu)，并將表面襯底作為組件的支撐。近年來，表面襯底型組件的應(yīng)用占主導(dǎo)地位，它被廣泛用于結(jié)晶系太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中。

填充型組件

填充型太陽能電池組件的構(gòu)造如圖5.4 所示。它的光的人射側(cè)背面?zhèn)染鶠樘柲茈姵氐慕Y(jié)構(gòu)層，均為太陽能電池的支撐板。

襯底一體表面襯底型組件

由于表面襯底型的薄膜太陽能電池可以在大面積襯底上直接形成，因此可以使組件的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。圖 5.5 所示為襯底一體表面襯底型組件。

應(yīng)用領(lǐng)域

太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，應(yīng)用的范圍已遍及民用住宅、產(chǎn)業(yè)、大樓、宇宙等領(lǐng)域。目前主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?宇宙開發(fā)、海洋河川、通信、道路管理、汽車、運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)利用、住宅、大中規(guī)模利用以及太陽能發(fā)電所等。本章主要介紹太陽能光伏系統(tǒng)在民用住宅產(chǎn)業(yè)、大樓、防災(zāi)等方面的應(yīng)用情況。

民用太陽能光伏系統(tǒng)

太陽電池于1958 年在人造衛(wèi)星上首次被使用。當(dāng)時(shí)由于價(jià)格昂貴70 年代前太陽電池未得到廣泛地使用。1962 年在收音機(jī)上太陽電池被首次使用，才拉開了太陽電池在民用上應(yīng)用的序幕。但由于當(dāng)時(shí)三極管的耗電功率較大，未能得到廣泛地應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體集成電路ICLSI的發(fā)展使電子產(chǎn)品的耗電功率大幅度下降以及非晶硅電池的低成本制造成功，1980 年太陽電池在計(jì)算器上被應(yīng)用。以后在鐘表上應(yīng)用，相繼出現(xiàn)了太陽能計(jì)算器、太陽能鐘表等電子產(chǎn)品，使太陽電池在民用上得到越來越廣泛地應(yīng)用。

太陽能計(jì)算器

太陽能計(jì)算器的外觀，太陽電池為獨(dú)立的系統(tǒng)，太陽能計(jì)算器一般采用非晶硅太陽電池。對(duì)液晶顯示的計(jì)算器來說，由于耗電較少，所以太陽電池在熒光燈的光線照射下所產(chǎn)生的電力就足以滿足其需要。

太陽能鐘表

太陽能手表采用非晶硅太陽電池作為電源。太陽電池較薄，可以做成各種不同的形狀以滿足各種手表對(duì)外觀的要求。現(xiàn)在一般將透明、柔軟的太陽電池安裝在本體內(nèi)文字板的外圈并成圓形布置。

太陽能充電器

手機(jī)等用太陽能充電器

現(xiàn)在，帶有小型充電電池的手機(jī)、筆記本電腦以及數(shù)字照相機(jī)等應(yīng)用已非常普及。這些設(shè)備由于大多在遠(yuǎn)離商用電源的地方使用因此存在充電的問題。太陽能充電器可以解決這個(gè)問題。

車用蓄電池太陽能充電器

車用蓄電池如果長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，由于自然放電會(huì)使蓄電池的電壓下降。為了避免這種情況的發(fā)生，一般使用車用蓄電池太陽能充電器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。由于車用蓄電池的電壓為 12V，因此必須將數(shù)枚太陽電池串聯(lián)以滿足車用蓄電池的電壓的要求。因?yàn)橐幻斗蔷Ч杼栯姵乜梢垣@得比較高的電壓，所以車用蓄電池太陽能充電器常用非晶硅太陽電池。

交通指示用太陽能光伏系統(tǒng)

以前，太陽能光伏系統(tǒng)主要用于指示板等熒光燈的照明電源。現(xiàn)在，一般將太陽電池與高亮度 LED 組合構(gòu)成交通指示用太陽能光伏系統(tǒng)，如自發(fā)光式道路指示器、方向指示燈以及障礙物指示燈等。

這些指示燈所使用的蓄電器一般為密封型蓄電池或電氣二重層電容，具有充電簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。由于交通標(biāo)志可能設(shè)置在建筑物偏僻的地方，因此會(huì)出現(xiàn)照射時(shí)間短、有時(shí)只能接收散亂光的情況，所以，設(shè)計(jì)太陽電池的容量時(shí)，應(yīng)比通常的獨(dú)立型系統(tǒng)大 5~10 倍。另外由于指示燈使用的場(chǎng)所不同還應(yīng)滿足強(qiáng)度、耐腐蝕等要求。

防災(zāi)救助太陽能光伏系統(tǒng)

災(zāi)害時(shí)，太陽能光伏系統(tǒng)作為獨(dú)立電源一般用于避難引導(dǎo)燈、防災(zāi)無線電通信等。對(duì)于并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)，當(dāng)商用供電停止時(shí)帶有蓄電池的自立運(yùn)行切換型太陽能光伏系統(tǒng)可向?yàn)?zāi)害時(shí)的緊急負(fù)荷供電，如加油站、道路指示以及避難場(chǎng)所指示等。防災(zāi)型太陽能光伏系統(tǒng)，通常通過系統(tǒng)并網(wǎng)保護(hù)裝置與電力系統(tǒng)連接，防災(zāi)型太陽能光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電力供給工廠內(nèi)的負(fù)荷。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)保護(hù)裝置動(dòng)作使其與電力系統(tǒng)分離，然后作為緊急通訊電源避難所醫(yī)療設(shè)備以及照明等電源使用。

其他應(yīng)用

還有路燈用太陽能光伏系統(tǒng)，太陽能具、太陽能換氣扇以及庭園燈使用的相關(guān)應(yīng)用。

住宅用太陽能光伏系統(tǒng)

現(xiàn)在，住宅用太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)置正在不斷增加，不只是已有的住宅，新建住宅設(shè)置太陽能光伏系統(tǒng)也在增加。標(biāo)準(zhǔn)的住宅用太陽能光伏系統(tǒng)一般南向設(shè)置，容量為 3~4kw一般采用并網(wǎng)式太陽能光伏系統(tǒng)，太陽電池陣列的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流后供給住宅內(nèi)的負(fù)載。如果太陽能光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能大于負(fù)載則通過配電線向電力公司賣電。相反，則從電力公司買電。住宅用太陽能光伏系統(tǒng)的全年發(fā)電量中大約 40% 的電量供住宅內(nèi)的負(fù)載消費(fèi)余下的 60%出售給電力公司。但是，由于夜間太陽能光伏系統(tǒng)不能發(fā)電，因此，住宅內(nèi)的負(fù)載約 60% 的電量需要從電力公司買人。一般來說，容量為3~ 4kw的住宅型屋頂太陽能光伏系統(tǒng)基本能滿足一般家庭的年消費(fèi)量的需要。

大樓用太陽能光伏系統(tǒng)

大樓、高層建筑物等處設(shè)置太陽能光伏系統(tǒng)時(shí)，一般采用建材一體型太陽電池組件(BIPV:Building Integrated Photovoltaics)。組件有標(biāo)準(zhǔn)型、屋頂材一體型以及強(qiáng)化玻璃復(fù)合型等。

大樓用太陽能光伏系統(tǒng)主要用于公共設(shè)施、產(chǎn)業(yè)用建筑物、辦公樓、學(xué)校、體育館、醫(yī)院、福利設(shè)施、工廠、車站、碼頭、機(jī)場(chǎng)等。與住宅用太陽能光伏系統(tǒng)相比，其規(guī)模較大，設(shè)置面積一般超過 100m設(shè)置容量在10~1 000kW。另外，大樓用太陽能光伏系統(tǒng)的電能一般自己消費(fèi)，很少賣電，賣電價(jià)格可能會(huì)低于住宅用太陽能光伏系統(tǒng)的價(jià)格，因此會(huì)減少電力公司的負(fù)擔(dān)。除此之外，災(zāi)害發(fā)生時(shí)，大樓用太陽能光伏系統(tǒng)作為備用電源可以為大樓供電。

集中并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)

個(gè)人住宅型太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)置正在逐步得到應(yīng)用與普及，般為單獨(dú)、分散設(shè)置。但是，隨著大量住宅小區(qū)以及居住型城市的建設(shè)，集中并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)將會(huì)得到應(yīng)用與普及。

產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

隨著環(huán)境問題的日益突出，傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型的問題受到了世界廣泛關(guān)注，在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)般性辯論上，中國(guó)政府明確表態(tài)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

以此為背景，中國(guó)將新能源產(chǎn)業(yè)作為“十四五”期間的重點(diǎn)工作之一。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系中發(fā)展較為成熟的產(chǎn)業(yè)，在碳中和背景下的規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，并成為“雙碳’目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的重要保證。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是中國(guó)推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要保障，隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，中國(guó)通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系加快太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在不斷出臺(tái)保障政策的同時(shí)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，相關(guān)技術(shù)體系日益完善，產(chǎn)業(yè)配套更加健全。

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)以替代傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)為最終目標(biāo)，中國(guó)早在 2000 年就已經(jīng)在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了前期規(guī)劃，并通過 2002年的“送電到鄉(xiāng)”推動(dòng)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在人口密度相對(duì)較低、土地資源豐富的鄉(xiāng)村發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)了中國(guó)太陽能光伏年裝機(jī)容量從kW級(jí)到MW級(jí)的轉(zhuǎn)變。2009年“金太陽工程”的實(shí)施，使中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了“快車道”，隨后，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020 年)》《關(guān)于建立可再生能源開發(fā)利用目標(biāo)引導(dǎo)制度的指導(dǎo)意見》《關(guān)于2020 年風(fēng)電.光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》等產(chǎn)業(yè)政策的持續(xù)出臺(tái)，為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了系統(tǒng)化的保障。

現(xiàn)狀

中國(guó)作為世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展增速最快的國(guó)家擁有世界最大的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至 2020 年中國(guó)光伏市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)量為 253GW，2020 年新增裝機(jī)量為 48.2GW，同比增長(zhǎng) 60%。2020 年中國(guó)太陽能光伏發(fā)電量為 2605 kW·h，同比增長(zhǎng)16.2%，占總發(fā)電量 3.5%。由此可以看出，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型方面有著較為廣泛的需求，同時(shí)，作為新能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中較為成熟和安全的一種，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模在新能源產(chǎn)業(yè)中占據(jù)較大比例。目前，中國(guó)在太陽能光伏技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破，并在部分關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全球領(lǐng)先。技術(shù)體系的日益完善為中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)了以技術(shù)為支撐的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)成本的持續(xù)降低，這增加了中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在全球市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

從新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來看，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能夠解決長(zhǎng)期以來困擾中國(guó)的發(fā)展與環(huán)保之間的矛盾，以探索與中國(guó)實(shí)際情況相適應(yīng)的“低成本、高效率”的新能源產(chǎn)業(yè)模式。然而，基于碳中和理念的相關(guān)要求，以及結(jié)合太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，相關(guān)問題也逐漸暴露出來，具體包括以下幾個(gè)方面。

早期太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并未引起廣泛關(guān)注，在缺少資本牽引的情況下，相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究較為緩慢，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)技術(shù)迭代的需求相對(duì)偏低。然而，隨著國(guó)家政策的持續(xù)出臺(tái)，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，加速了以光伏為核心的技術(shù)研究，新技術(shù)在轉(zhuǎn)換效率、安全、成本等方面有著一定的提升，但基于新技術(shù)的太陽能光伏產(chǎn)品和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用未能考慮與原有太陽能光伏產(chǎn)品之間的適配性等問題，由此導(dǎo)致太陽能光伏產(chǎn)品和系統(tǒng)的生命周期相對(duì)較短。

在龐大市場(chǎng)規(guī)模的牽引下，中國(guó)相關(guān)企業(yè)的關(guān)注點(diǎn)放在了現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用方面，卻忽略了太陽能光伏產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)的創(chuàng)新研究。因此，歐美國(guó)家在部分關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域依然對(duì)中國(guó)擁有較為明顯優(yōu)勢(shì)，“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)依然存在，基于關(guān)鍵核心技術(shù)的自主控制問題依然需要引起足夠重視。

碳中和背景下的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要激發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的積極性，然而，中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈盈利空間多集中在硅片和硅料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，即產(chǎn)業(yè)鏈的上游，而對(duì)于下游企業(yè)來說，其盈利空間相對(duì)較小，這對(duì)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。受產(chǎn)業(yè)鏈盈利空間的影響，以及資本的趨利本性等，大多數(shù)企業(yè)將重點(diǎn)放在了產(chǎn)業(yè)鏈的上游，而太陽能光伏產(chǎn)業(yè)下游因缺少優(yōu)勢(shì)企業(yè)的加入而難以拓展其盈利空間，由此導(dǎo)致太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的“亞健康”狀態(tài)。

2021年，太陽能發(fā)電占美國(guó)新增發(fā)電總量的39%。太陽能在2021年領(lǐng)先，占美國(guó)新增發(fā)電能力的39%。緊隨其后的是風(fēng)能（31%，12.2GW）、天然氣(16%，6.6GW)、電池存儲(chǔ)(11%，4.3GW)、核能(3%，1.1GW)和其他能源(0.2GW)。

美國(guó)有四個(gè)州將擁有超過一半的新太陽能光伏發(fā)電能力:得克薩斯州（28%）、內(nèi)華達(dá)州(9%)、加利福尼亞州(9%)和北卡羅來納州(7%)。

2023年，中國(guó)“新三樣”產(chǎn)品（電動(dòng)載人汽車、鋰離子蓄電池、太陽能蓄電池）合計(jì)出口1.06萬億元，首次突破萬億元大關(guān)，增長(zhǎng)了29.9%。

發(fā)展

“雙碳”理念的提出，改變了中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期以來所堅(jiān)持的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，在擴(kuò)大內(nèi)需的同時(shí)，中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)強(qiáng)調(diào)，在相關(guān)政策的指導(dǎo)下明確技術(shù)體系的可持續(xù)性，加快關(guān)鍵核心技術(shù)自主突破，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)盈利空間布局，構(gòu)建多元化的融資平臺(tái)，推動(dòng)中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)范性、科學(xué)性能夠有效避免因技術(shù)迭代導(dǎo)致的成本浪費(fèi)與產(chǎn)業(yè)銜接不暢等問題，政府部門應(yīng)發(fā)揮宏觀調(diào)控的作用，在不違背市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律的前提下，通過政策、經(jīng)濟(jì)等多種方式，實(shí)現(xiàn)頂層設(shè)計(jì)的合理化，并協(xié)調(diào)相關(guān)企業(yè)共同規(guī)劃太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，實(shí)現(xiàn)技術(shù)迭代過程中相關(guān)產(chǎn)品和系統(tǒng)的持續(xù)利用，減少因技術(shù)升級(jí)導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)發(fā)展成本增加，進(jìn)一步釋放產(chǎn)業(yè)鏈下游盈利空間。

目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的部分關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域依然具有明顯優(yōu)勢(shì)，近年來，中國(guó)企業(yè)單獨(dú)追求產(chǎn)業(yè)規(guī)模，相關(guān)資本在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面較為集中，由此忽略了關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)。為避免歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)上對(duì)中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行限制，中國(guó)相關(guān)研究院所、企業(yè)方面應(yīng)加強(qiáng)合作，由企業(yè)方面提供資金、數(shù)據(jù)和驗(yàn)證平臺(tái)，并協(xié)同研究院所對(duì)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行深入研究，并合理分配關(guān)鍵核心技術(shù)研究任務(wù)，從而加快太陽能光伏產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)的自主突破，打破歐美國(guó)家在太陽能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，以保證中國(guó)碳中和目標(biāo)的達(dá)成。

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)盈利空間多集中在上游核心元器件的制造方面，而下游裝配、運(yùn)營(yíng)企業(yè)的盈利空間相對(duì)較小，這對(duì)于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展極為不利。根據(jù)碳中和的相關(guān)要求，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大，釋放產(chǎn)業(yè)鏈下游盈利空間能夠激發(fā)相關(guān)企業(yè)的積極性，這對(duì)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著正向促進(jìn)作用。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)盈利空間布局的優(yōu)化，政府部門可以通過優(yōu)化稅收結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)的二次分配，同時(shí)，對(duì)處于產(chǎn)業(yè)鏈下游的企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼，例如，國(guó)家在太陽能并網(wǎng)電價(jià)方面對(duì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼，并且各地區(qū)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)補(bǔ)貼額度進(jìn)行調(diào)整，保證盈利空間的合理化，在推動(dòng)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，最大限度減輕政府財(cái)政壓力。

在新的歷史時(shí)期，人類社會(huì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾始終存在，大量使用傳統(tǒng)化石能源帶來的環(huán)境污染問題已經(jīng)威脅到人類的可持續(xù)發(fā)展，太陽能作為新能源的一種，通過光伏技術(shù)能夠完成太陽能向電能的轉(zhuǎn)化，從而緩解能源緊張和環(huán)境污染等問題。“雙碳”理論的提出，為中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展制訂了時(shí)間表，為實(shí)現(xiàn) 2060年碳中和目標(biāo)，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)將發(fā)揮市場(chǎng)牽引的優(yōu)勢(shì)，突出政府在政策、資金等方面的作用，在進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

新一代太陽能技術(shù)

新一代（第三代）光伏電池尚處于研發(fā)階段，目標(biāo)是提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本多按照“多層膜-疊層半導(dǎo)體材料一量子阱材料一量子點(diǎn)材料”的路線發(fā)展。包括熱太陽電池、中間帶太陽電池、疊層太陽電池、熱載流子太陽電池、多載流子太陽電池和多能帶太陽電池等。

熱太陽電池(Thermophotovoltaic Cells)

到目前為止，討論的都是可見光和近遠(yuǎn)紅外線的光電轉(zhuǎn)換，其原因是太陽光譜的峰值位于可見光范圍。但是熱源和熱光源都能在遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)產(chǎn)生輻射，在某些場(chǎng)合，通過將這種輻射轉(zhuǎn)換為電能。該光子的溫度遠(yuǎn)低于可見光的溫度，因此其輻射的平均光子能量遠(yuǎn)小于陽光。這些光子中能量較高的被電池吸收轉(zhuǎn)化成電能，而其中能量較小的又被反射回來，容易被吸熱裝置吸收，用以保持吸熱裝置的溫度。這種方法的最大特點(diǎn)是電池不能吸收的那部分能量可以反復(fù)利用。為此需要采用帶院很小的半導(dǎo)體，例如錯(cuò)。此外還生產(chǎn)了磷錦砷鋼 (InAsSbP) 這種帶隙為0450.48eV的材料，磷錦砷鋼可以制作n型半導(dǎo)體也可制作p型半導(dǎo)體，pn 結(jié)可以在砷化鋼基板上生長(zhǎng)。

中間帶太陽電池(Intermediate Band Solar Cells)

到目前為止的討論中，一個(gè)被吸收的光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。如果某種材料在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在一個(gè)中間帶并且將其插人兩種一般半導(dǎo)體之間，那么這種材料就有可能吸收兩個(gè)能量較低的光子并產(chǎn)生具有這兩個(gè)光子組合能量的一個(gè)電子空穴對(duì)。第一個(gè)光子將一個(gè)電子提升到中間帶并在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)空穴，而第二個(gè)光子則將電子由中間帶提升到導(dǎo)帶。其中關(guān)鍵是要找到這么一種中間帶材料可以將電子維持在中間帶上并等待具有適當(dāng)能量的光子撞擊到材料上。為了支持這種電子輸送過程，這種材料的電子能態(tài)需要一半為空，一半為電子占據(jù)。M-V化合物有可能滿足這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，并可使電池的理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 63.2%。

疊層太陽電池(Supertandem Solar Cells)

如果電池采用很多層的疊層結(jié)構(gòu)，將帶隙最大的材料放在最上層，而往下各層的帶隙逐層遞減，則可達(dá)到的理論轉(zhuǎn)換效率為86.8%。已制作出一個(gè)面積為 cm的4層電池，其效率為35.4%，而其理論最大效率為41.6%。

熱載流子太陽電池(Hot Carrier Solar Cells)

熱載流子電池采用避免光生載流子的非彈性碰撞的方式來減小能量的損失，達(dá)到提高效率的目的，其極限效率約為 86.8%。光子的多余能量賦予載流子較高的熱能。這些“熱載流子”在被激發(fā)后約幾個(gè)皮秒的時(shí)間內(nèi)，首先通過載流子之間的碰撞達(dá)到一定的熱平衡。這些載流子自己的碰撞并不造成能量損失，只是導(dǎo)致能量在載流子之間重新分配。隨后，經(jīng)過幾納秒的時(shí)間，載流子才與品格發(fā)生碰撞把能量傳給晶格。而光照幾微秒以后，如果電子和空穴不能被有效分離到正負(fù)極它們就會(huì)重新復(fù)合。

熱載流子電池要更快地在電子和空穴冷卻前把它們收集到電池的正負(fù)極，因此吸收層必須很薄，約為幾十納米。采用超品格結(jié)構(gòu)作為吸收層可以延緩載流子冷卻，增加吸收層的厚度，提高對(duì)光的吸收。

光學(xué)上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換(Optical Up-and Down-Conversion)

改變材料帶隙的一個(gè)替代方法是改變?nèi)松涔庾V的能量分布。某些材料體現(xiàn)了能夠?qū)⒕哂胁煌芰康膬蓚€(gè)光子予以吸收并將其合成能量用一個(gè)光子發(fā)射出去。另外某些材料則可以將吸收的一個(gè)高能光子的能量以兩個(gè)低能量的光子發(fā)射出去。這些現(xiàn)象類似于無線通信電路中的頻帶上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換。

這種方法在光學(xué)中的體現(xiàn)就是光譜的形狀發(fā)生了改變，可以將入射光的光譜壓縮到相對(duì)較為狹窄的范圍內(nèi)并增加其強(qiáng)度，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不必將光學(xué)上下轉(zhuǎn)換器與光伏電池做在一起，只需要將其放置在光源與電池之間即可。

雜質(zhì)光伏電池

當(dāng)光子能量大于禁帶寬度時(shí)，太陽光能直接被半導(dǎo)體吸收，當(dāng)光子的能量小于禁帶寬度時(shí)，通過載流子在半導(dǎo)體允帶和禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)之間的受激躍遷也能發(fā)生光的吸收。雜質(zhì)能級(jí)太陽電池實(shí)際上是多量子阱太陽電池的應(yīng)用，吸收太陽光激發(fā)量子阱中的電子和空穴，由于熱激發(fā)或再次吸收光子能量，而向量子阱外流出，成為輸出電流。量子阱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會(huì)使電池的光吸收向低能端拓寬，提高光轉(zhuǎn)換效率。

多載流子太陽電池

提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率即是盡可能多地將光子的能量用于激發(fā)出電子一空穴對(duì)，而避免其轉(zhuǎn)換成熱能。如果一個(gè)高能量光子激發(fā)出一對(duì)電子一空穴對(duì)并使它們成為具有多余能量的“熱載流子”，而這個(gè)熱載流子具有的能量仍高于一對(duì)電子一空穴對(duì)所需要的能量，那么這個(gè)熱載流子就完全有可能把多余的能量用來產(chǎn)生第二對(duì)電子一空穴對(duì)，如果光子的能量比禁帶寬度的3倍還大，就有可能產(chǎn)生第三對(duì)電子一空穴對(duì)。這些電子空穴對(duì)將增大太陽電池的輸出電流，從而提高光子的利用率。

三結(jié)鈣鈦礦太陽能電池

2023年加拿大科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)研制出一種光電轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)紀(jì)錄（約為24%左右）的三結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，朝著開發(fā)出硅基太陽能電池廉價(jià)替代品的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。鈣鈦礦太陽能電池由鈣鈦礦多晶薄膜制成，這些薄膜通過類似于印刷業(yè)使用的低成本溶液處理技術(shù)涂覆于材料表面。通過改變這些薄膜中鈣鈦礦晶體的組成，每一層能吸收不同波長(zhǎng)的光，從而有效利用整個(gè)太陽光譜，而硅總是吸收相同波長(zhǎng)的光。一般而言，鈣鈦礦頂層吸收波長(zhǎng)較短的光，中間層吸收中等波長(zhǎng)的光，底層吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。相關(guān)研究刊發(fā)于《自然》雜志。

金屬氧化物太陽能電池

美國(guó)斯坦福大學(xué)研究人員最新研究發(fā)現(xiàn)，加熱鐵銹之類金屬氧化物，可以提升特定太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和能量?jī)?chǔ)存效率。

硅太陽能電池?zé)o法儲(chǔ)存電能，并非常規(guī)意義上的“電池”。與現(xiàn)有硅太陽能電池不同，這類太陽能電池是以金屬氧化物代替硅，把光子轉(zhuǎn)化為電子后，借助電子把水分子分解成氫氣和氧氣。在夜間以某種方式“重組”氫氣和氧氣，用以釋放能量。斯坦福大學(xué)研究人員在不同溫度條件下測(cè)試三種金屬氧化物，分別是釩酸鉍、氧化鈦和氧化鐵，發(fā)現(xiàn)：溫度升高時(shí)，電子通過這三種氧化物的速率加快，所產(chǎn)生的氫氣和氧氣量相應(yīng)增加。而以陽光加熱金屬氧化物，所產(chǎn)生的氫氣可以增加一倍。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程系助理教授闕宗仰主持這項(xiàng)研究。他與同事們相信，這一研究突破或許可以讓太陽能電池大規(guī)模儲(chǔ)存能量成為現(xiàn)實(shí)，改變?nèi)祟惿a(chǎn)、儲(chǔ)存和消耗能源的方式。

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