光伏组件的类型与特点

马海艳

南京航空航天大学（211106）

1 光伏发电的机理

光伏发电原理[1]如图1所示。PN结两侧因多数载流子(N+区中的电子和P区中的空穴)向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区W，建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但它对两边的少数载流子(N+区中的空穴和P区中的电子)却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。

稳定平衡时少数载流子极少，难以构成电流和输出电能，但是，如图1a、b所示，光伏电池受到太阳光子的冲击，在光伏电池内部产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对,其中的光生非平衡少数载流子（即N+区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子）可以被内建电场Ei牵引到对方区域，然后在光伏电池中的PN结中产生光生电场Epv,当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。当把多个小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

2 类型与特点

光伏组件的类型繁多，根据光伏电池的材料可以分为:单晶硅组件、多晶硅组件、砷化镓组件、非晶硅薄膜组件等。其中晶体硅（包含单晶硅和多晶硅）组件约占市场的80～90%[2]。封装材料和工艺也不尽相同，主要分为环氧树脂胶封、层压封装、硅胶封装等。同类光伏组件根据峰值、功率、额定电压又可以分不同型号。下面将根据组件的材料类型逐一介绍各种光伏组件的特点。

1）单/多晶硅光伏组件。硅有晶态和无定形两种同素异形体，晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体的性质。

单晶硅材料制造要经过如下工艺过程[3]:硅矿石、冶金级硅、工业硅、粗硅、提纯多晶硅、拉制单晶硅、硅片加工、切割。硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成为治金硅(MG-Si)。该过程能量消耗很高，约为13～14 kwh/kg，因此硅的生产通常在水电丰富的地方(挪威，加拿大等地)，这样被还原出来的硅的纯度约98%～99%。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为100万吨/年。在光电转换效率方面，单晶硅光伏组件的转换效率约为22%;多晶硅光伏组件的转换效率约为20%。

2）砷化镓（GaAs）光伏组件。砷化镓属III-V族化合物半导体材料,由化学元素周期表中III族元素镓和V族元素砷化合而成。砷化惊材料最早见报于1929年，是由一位名叫高德斯密特(Goldschmidt)的科学家合成出来的，但是，直到1952年月才出现了有关砷化镓在半导体电学性能方面的研究报道。随着现代工业冶炼提纯技术的进步和微电子技术的发展，砷化镓材料已是III-V族化合物半导体材料中应用最为广泛、相关技术最为成熟的材料。

与硅材料光伏组件相比,其特点为[4]:①光电转换效率高。GaAs太阳电池的光电转换效率高。Si太阳电池理论效率为23%，而单结和多结GaAs太阳电池的理论效率分别为27%和50%；②可制成薄膜和超薄型太阳电池；③耐高温性能好；④抗辐射性能好；⑤可制成效率更高的多结叠层太阳电池。

3）非晶硅光伏组件。非晶硅太阳能电池是薄膜太阳能电池中最成熟的产品，是在晶体硅制成的前道工序中，将含有金属硅的烷气采用化学方式沉积到非硅基板(如玻璃基板)上制造而成，其加工原理为使用硅烷(SiH4)等离子体分解法，通过在硅烷掺杂乙硼烷(B2H6)和磷化氢(PH3)等气体，在基板上(玻璃、不锈钢)低温成膜。非晶硅薄膜材料是一种资源丰富和环境安全的材料，对阳光的吸收系数高，1 μm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。薄膜材料能在较低的温度下直接沉积在廉价衬底上，有大幅度降低成本的潜力。其中，单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率可达16.6%，多结电池光电转换效率有可能达到30%以上。

3 存在的问题

虽然目前光伏发电技术的研究与应用方兴未艾，但光伏发电特别是光伏组件生产应用仍然面临一些问题，主要包括:1）光伏组件发电效率低。由于光电转换效率低,从而使光伏组件占地空间大，难以构成高功率的发电系统。2）造价成本高。目前单、双晶硅光伏电池组件的价格约为6～8元/Wp,远高于目前的火力和水力发电的发电成本。3）发电受气候环境因素影响大。地球表面的太阳辐射受气候的影响很大，同时由于环境的污染，特别是空气中的颗粒物灰尘降落到光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，进而减少了光电的转换。4）制造光伏组件本身需要消耗相当多的能源。硅是地球上各种元素中仅次于氧的元素。从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道物理和化学工序。期间，要消耗相当多的能量，这也是其生产成本高的原因。

4 结论

通过介绍光伏组件的发电机理，总结了目前应用比较广泛的光伏组件的类型与特点，并分析目前光伏组件在生产和应用方面存在的问题。结果表明:光伏组件作为开发利用太阳能资源的重要载体，其技术的进步对促进节能减排和可持续发展具有重要的意义，同时也亟需解决光伏组件生产应用中面临的问题,为光伏发电的大规模推广扫清障碍。

[1] 赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2008.

[2] 沈辉.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2009.

[3] 游金钏.单晶硅太阳能电池效率进一步提高探索[D].华东师范大学,2010.

[4] 张忠卫.砷化镓太阳能电池技术的进展与前景[J].上海航天,2003,(3):33～38.