光伏电池晶硅薄膜聚光技术概览
Figure1:Single-junctionPVcelloperation:Photonsofappropriateenergyliberateelectrons,whichcrossthesemiconductorjunctionandgenerateapotentialdifference.(Source:CyferzatEnglishWikipedia)
Figure4:Multi-junctionTFPVcellinternalstructure.(Source:NREL)
Table1:Efficiencyofc-Si,TFPV,andCPVtechnologies(Source:IRENA)
一、太阳能电池原理
太阳能电池是利用半导体材料的光电效应，将太阳能转换成电能的装置。光生伏特效应的基本过程：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使产生电子－空穴对。界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场作用被相互分别。电子向带正电的N区而空穴向带负电的P区运动。经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间形成一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。经由光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。
二、现有的电池技术
光伏类产品主要分为晶硅、薄膜与聚光太阳能电池，晶硅太阳能电池最为常见，薄膜电池受限于成本与技术成熟度，在光伏行业中市场占有率仍比较小。聚光太阳能也称为光热发电，自带储能特质，因其对铺设环境有较高要求，应用极少。
光伏产品的核心指标为“转换效率”，即电池片能够将光能转换为电能的效率指标。电池片计价单位为“元/W”，转换效率越高，单片功率越高，分母越大，单位成本越低。提高转换效率途径有：1）提高光利用率；2）减少内部损失；3）提高内建电场强度。因此，提升电池转换效率是降低成本的重要方式。同理，降低每度电的发电成本是光伏产业技术迭代的唯一目的。转换效率计算公式如下：通俗来讲，太阳能电池的发电原理为：通过半导体材料组成的二极管，吸收太阳光中的光子的能量，将能量传递给电子，电子受到二极管中的内建电场驱动产生移动，形成光电流。因此，晶硅与薄膜太阳能电池的发电原理是类似的，所用材料也均为半导体材料。聚光电池的市场与技术路径与前两者差异较大，考虑到聚光电池产业化缓慢，全球装机规模极少（1-2GW）。
三、晶硅太阳能电池晶硅太阳能电池是最为普遍、装机量最大、技术最成熟的光伏电池。按照材料分类，晶硅太阳能电池可分为单晶硅与多晶硅太阳能电池，单晶硅材料相比多晶硅工艺更复杂，技术出现之初成本更高，但性能更优异。
晶硅光伏产业链较长，从上到下主要为硅料→硅片→电池片→组件→光伏发电系统。截至年底，我国硅料产能45.7万吨，占全球的75.16%；硅片产能GW，占全球的97.01%；电池片产能.2GW，占全球的80.67%；组件产能.3GW，占全球的76.34%。
单晶硅片龙头企业具有明显的技术优势，长期推动非硅成本持续下降，大幅降低了单晶硅片的生产成本和售价，毛利率仍保持高位，驱动因素有：
1）单晶炉：单炉投料量从早期kg提升至年的kg；连续投料、多次拉晶等技术持续降本。
2）热场：热场尺寸从最早的16寸变成现在的28-36寸，提高成晶率；
3）金刚线：金刚线切割技术的应用大幅降低了非硅成本；
4）大尺寸：硅片尺寸从15xmm到16xmm再到现在的mm与mm，硅片尺寸的增大能持续提升功率降低成本；
在“碳中和”的大背景下，光伏产业迅速发展，基于对行业未来的良好预期，电池片企业和组件企业为了抢占市场份额加大生产力度，对硅片的需求明显增加，形成硅料供需不匹配的情况，快速推动硅料价格上涨（年各地区年涨幅%~%）。形成供需不匹配的原因是：1）硅料与硅片的扩产周期相差较大（2年、1年），形成短期的供需错配；2）受到“能耗双控”的影响，有关涨价的预期进一步发酵，个别硅料厂商被迫停产、减产，产能相对受限。硅料、硅片价格均达到近十年最高点，上游原料涨价快速推动电池片、电池组件价格飙升，年10月环比增长10%，分别为1.15元/瓦与2元/瓦。中短期内，在政策推动下光伏需求不变，预计供给端原料紧缺将持续施压下游电池片价格，另其处于高位，一定程度上给予薄膜类太阳能电池机会
四、薄膜类太阳能电池薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。薄膜太阳能电池可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm。薄膜太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性，可以制作成非平面构造，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。
薄膜类太阳能电池优势有：
1）节约光吸收材料：由于薄膜材料光吸收系数大，电池厚度可极薄（1μm左右，vs晶体硅约μm）。并且不需要像晶硅那样切片，材料浪费极少。过去十几年中，晶硅电池的硅耗持续快速下降，但现在仍达3.5g/W以上，预计还能有1/3左右的下降空间；薄膜电池的光吸收材料用料相对要低得多，并且随着效率提高仍有较大的摊薄空间。如CIGS薄膜用料为0.1g/W；CdTe薄膜材料的用料为0.2g/W。
2）生产流程少，产业链短：与晶硅电池相比，薄膜电池的产线非常集约，晶硅电池的产业链包括多晶硅-硅片-电池片-组件四大环节，除组件外其他三大环节均为重资本投入，且生产流程非常复杂。薄膜电池的功能层通常采用真空物理和化学气相沉积，生产自动化程度高，制作工艺可以连续在多个真空沉积室或多片在一个沉积室内完成，从而实现大批量生产，通常一次成型做成组件，面积越大成本越低。尽管目前薄膜电池单GW产能投资高于晶体硅，但在规模化生产之后投资有望快速下降；
3）具有弱光效应好、温度系数低等特点，同等装机容量下总发电量更多：比如在欧洲地区，由于光照资源普遍较差，铜铟镓硒和碲化镉薄膜电池发电能力更强，同样装机量发电量比晶硅多发5%以上的电能；此外，由于铜铟镓硒和碲化镉薄膜电池温度系数比晶硅低，当组件发热时发电量也会更多，而在光照资源充裕的地区，组件温度上升到60℃以上是非常正常的。优越的弱光性和温度系数表现一定程度上弥补了发电效率相对较低的不足；
4）多元的应用场景意味着更广阔的潜在市场空间：薄膜电池可以按照传统工艺制成刚性的标准组件，用于地面电站或者分布式电站；其中CIGS薄膜电池也可以根据需要以不锈钢或聚合物等柔性基底为衬底，生产柔性电池，适用于承重要求或美观要求的工商业建筑物屋顶等处使用；还可以做成折叠式电源，方便携带，可供给小型仪器、计算机、军事、通信、GPS等领域的移动设备使用；
5）最具想象空间的应用场景在光伏建筑一体化市场（BIPV）：双碳目标下，城市分布式绿色能源的需求增大，在城市场景中人们对于光伏产品的要求不仅仅是发电，还包括其他衍生需求，例如光伏建筑一体化市场对外观、设计寿命、屋面受力、防水可靠性、施工难度和速度等各方面要求较高，传统晶硅和刚性薄膜太阳能匹配度差，而CIGS柔性薄膜因其柔性、轻量化等特点在该应用场景下优势明显。
上表所示，主流薄膜电池为GaAs薄膜电池、CIGS薄膜电池、钙钛矿薄膜电池、非晶硅薄膜电池4种类型。其中1）GaAs薄膜电池转化效率最高，是世界组件最高的单结电池，但其制备工艺过于复杂，价格昂贵，目前处于实验室制作为主，尚无法实现规模化量产；2）非晶硅与有机薄膜电池转化效率一直不高，衰减率高，逐渐被市场所淘汰；3）近年来钙钛矿太阳能电池实验室研究效率提升较快，但是实际应用面临产品稳定性问题，其衰减过快的科学问题还没有解决，目前处于实验室研发和小规模的中试阶段，尚有较长的研发和产业化路径要走；4）除以上种类外，也出现过有机-无机杂化、染料敏化等薄膜太阳能电池技术路线，但离产业化距离过远，CCTC?故不深入介绍。
产业化需综合考虑技术路径的生产难度、转化率、成本、设备、材料稳定性等因素，因此，目前真正实现产业化且具备竞争力的只有“碲化镉”与“CIGS”薄膜电池。“碲化镉”与“CIGS”薄膜太阳能电池技术概况如下：
碲化镉CdTe：
碲化镉是目前为止商业化最成功的刚性薄膜电池。CdTe材料带隙宽度约1.45eV，与太阳光谱更匹配，其理论效率达32%，高于晶硅，降本潜力也很大。目前碲化镉电池的实验室效率已达25.5%，国外商业化组件效率达到19%，成本可与晶硅产品抗衡。与晶硅光伏相比，碲化镉光伏电池弱光吸收表现较好。其制作过程是，在玻璃上连续沉积7-10层膜，且过程中做激光刻画，形成阶梯状的电流通道进行导电，避免如晶硅光伏一样在银线上花费大量成本。此外，CdTe电池可以便捷地与建筑材料结合用于BIPV市场，与玻璃结合制作光伏幕墙。因碲与镉是有毒元素，市场对其环保程度存疑，如欧盟的RoHS对使用此类原料的产品就有严格的要求。美国FirstSolar与国内龙焱科技已生产碲化镉太阳能薄膜电池多年，并未发生严重的环保事件，且两家公司均有回收技术，实现90%以上的碲化镉回收再提纯，再次制成太阳能产品。FirstSolar年度可持续性报告显示，碲化镉薄膜电池生产工序较少，所消耗的电能、排放的废水、废弃原料反而少于传统晶硅电池产品，真正做到清洁能源、清洁生产。但碲化镉的原材料有瓶颈，碲属于稀有金属全球储量最少，可能会遇到供应短缺问题。
铜铟镓硒（CIGS）：
CIGS电池产业化研究也较早，过去由于1）技术工艺难度较高（多种元素配比复杂）；2）产线装备非标准化；3）核心设备国产化困难，产业化进程比较缓慢。一般认为，由于其极高的技术壁垒，CIGS的产业化难度较高，但经过多年的发展，柔性CIGS已经具备大规模产业化的基础条件。高效率上限和良好的稳定性是CIGS太阳电池的优点，且CIGS可柔性的特点也能帮助其瞄准细分市场，将为其在光伏市场、尤其是城市光伏市场获得差异化竞争优势。
CIGS电池结构：
CIGS芯片主要由7层组成，自下而上分别是衬底、Cr基底缓冲层、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS电池缓冲层、i-ZnO本征窗口层、ITO窗口导电层。
非晶硅薄膜太阳能电池
计算器中常见的非晶硅(a-Si)太阳能电池.
非晶硅（a-Si太阳能电池或a-Si∶H）已经在消费产品使用超过了30年的，如计算器等。非晶硅太阳能电池的典型结构如图1（b）所示。通常情况下，非晶硅太阳能电池的厚度仅为几微米或更小。这种太阳能电池采用p-i-n结，即在n+层和p+层之间加入一层本征半导体材料。本征半导体材料层较厚，所以大多数的光子在这里被吸收。整个本征区域内的内建电场增强了电子和空穴的加速，从而提高了收集效率。顶面常覆有透明导电氧化物（TCO），和金属接触作为背触点。非晶硅（a-Si）是直接带隙半导体，其带隙约为1.75eV。与单晶硅相比，非晶硅具有较高的吸收率但糟糕的输运性质（transportproperties）。因此，其效率被载流子复合所降低。虽然非晶硅太阳能电池的效率已经达到16%，但最关键的问题是它们的稳定性（StaeblerWronski效应）。具有16.1%的初始效率以及13.4%的后期稳定效率的非晶硅太阳能电池，已经在一个小面积的三结太阳能电池上成功实现，其参数为1.96V开路电压，短路电流密度9.52mA/cm2，填充因子71.92%。
虽然非晶硅太阳能电池的可靠性已经在过去20年得到了提高，且其具有低成本的优势，非晶硅太阳能电池仍然未能击败太阳电池的主要原因是由于其较低的效率和可靠性。进一步的研究以提高其恶劣环境中的可靠性也是必要的。
砷化镓太阳能电池GaAs
砷化镓其带隙为1.4电子伏特，对于一个单结太阳电池这是几乎是最佳的带隙。GaAs太阳电池的结构如图1（c）所示。n-GaAs/p-GaAs/p-AlGaAs太阳能电池是这样的太阳能电池的代表。通常，GaAs太阳能电池通过在表面覆盖薄的薄的钝化GaAlAs层来利用异质面结构。由于其较大的带隙，顶层（或Windows层）防止电子在表面复合，同时允许光子的通过。顶层一般与吸收层达到晶格匹配。
基于不同材料的太阳能电池的结构和能带图（a）晶硅，（b）非晶硅，（c）砷化镓
砷化镓太阳能电池的工作原理与晶体硅太阳电池的工作原理相似。实质上的区别是，GaAs太阳能电池是基于薄膜基板和更有效的吸收层-砷化镓层。（GaAs单结薄膜太阳能电池）已达到约30%的效率，其他参数开路电压1.V，短路电流密度29.68mA/cm2，填充因子86.5%。虽然砷化镓太阳能电池具有优异的性能，但是其大规模部署太过昂贵，故通常用于特殊应用，例如空间电子。
有机-无机杂化太阳能电池
▲有机太阳能电池（ 什么是高聚光光伏？它的基本原理说起来很简单，就是一个放大镜。通过把太阳光聚集到一点，配以高效电池，提高光电转换率，减少半导体电池使用量，降低成本。
何谓(高倍)聚光型太阳能发电系统聚光型太阳能系统(CPV)是使用光学组件如菲涅耳透镜(Fresnellens)将阳光聚光至一个小点上，以期在极少的芯片面积上，达到高倍的聚光效果，太聚所生产之芯片在五十至一千倍之聚光倍率下皆表现亮丽。
第三代CPV(聚光太阳能)发电方式正逐渐成为太阳能领域的焦点。光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池，目前产业化进程正逐渐转向高效的CPV系统发电。与前两代电池相比，CPV采用多结的III—V族化合物电池，具有大光谱吸收、高转换效率等优点。
注：所谓III-V族化合物半导体，是指元素周期表中的III族与V族元素相结合生成的化合物半导体，主要包括镓化砷（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓等。此类材料具有闪锌矿结构(Zincblende)结构。键结方式以共价键为主。由于五价原子比三价原子具有更高的阴电性，因此有少许离子键成份。正因为如此，III-V族材料置于电场中，晶格容易被极化，离子位移有助于介电系数的增加，若电场频率在红外线范围。GaAs材料的n型半导体中，电子移动率((mn～8)远大于Si的电子移动率((mn～)，因此运动速度快，在高速数字集成电路上的应用，比Si半导体优越。但是，由于GaAs材料的集成电路制程极为复杂，成本也较昂贵，且成品的不良率高，单晶缺陷比Si多。因此GaAs要如同Si半导体普及应用，仍有待研发技术的努力。但另一方面，其优点是具备能够发出激光等目前硅所没有的特性。 HCPV就是高聚光太阳能，高聚光太阳能（HCPV）与聚光（CPV）太阳能技术是通过聚光的方式把一定面积上的太阳光通过聚光系统会聚在一个狭小的区域（焦斑），太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减太阳能电池的用量。二、组成
与国外相比，国内的聚光光伏发电技术刚刚起步，考虑到国外对电池技术的保护，国内短期难以制造出高效聚光太阳电池。目前，除河南中光学集团等少数企业外，国内一些企业的聚光太阳能技术主要是从国外进口关键部件，国内整机组装，还没有形成自主知识产权。
目前各大生产厂家的CPV系统具有多种不同的表现形式，但其结构均离不开四大部分，即：聚光模块、光电转换模块（光伏电池）、太阳追踪模块、冷却模块。聚光模块
聚光子系统可以说是CPV系统最重要的组成部分，也是CPV与传统平板式太阳能发电技术的最大区别所在。聚光模块通常由主聚光器和二次聚光器组成，它很大程度上决定了整套CPV系统的性能高低。
按聚光强度的不同，可以分为低、中、高倍率聚光器。
按聚光方式的不同，可以分为反射式聚光器和透射式聚光器；
透射式聚光系统一般采用菲涅尔（Fresnel）透镜，与普通凸透镜相比，它只保留了有效折射面，可节省近80%的材料。目前用于制作菲涅耳透镜最常用的材料是一种光学塑料，与玻璃透镜相比，它的优点非常明显，那就是重量轻、易加工成型，但作为一种聚酯类材料，长时间使用后透光性能的衰退是它的劣势。
反射式聚光系统可以克服透射聚光系统口径难以做大的缺陷，其主要类型有抛物面镜、平板、抛物面槽等。反射聚光系统不存在色散现象，反射效率可接近%，但对反射面清洁度要求较高，如受到污染，反射效率会急剧下降，因此通常在组件表面还要覆盖一层高透光玻璃以便于清洁。
二次聚光器安装在电池表面，用于提高对入射光角度与聚光器轴线偏离角度的容忍度。追踪系统的精度和风的作用，都会引起太阳光入射角度的偏差，因此二次聚光系统在高倍率CPV系统中是一项必须的组件。光电转换模块（电池模块）
在CPV系统中，太阳光被汇聚到很小的一块面积上进行光电转换，因此对光伏电池的转换效率和耐高温性能都有较高的要求。因此，在高温条件下（℃以上）仍能保证较高转换效率的III-V族元素化合物多结电池是目前CPV系统中电池模块的理想选择。
多结电池最早源自于人造卫星用的非聚光光伏转换系统，改进后能够承受倍高倍率聚光时高达8A/cm2电流密度。在聚光条件下，与传统硅系电池相比，由III-V族元素化合物制成的多结光。
伏电池（主要是三结）能够转换更宽光谱范围内的太阳光，因而能够达到更高的光电转换效率，并且聚光程度越高，电池转换效率越高。目前波音光谱实验室(BoeingSpectrolab)中的三结电池在倍的聚光倍率下已达到41.6%的光电转换效率，预计未来这一数字可以接近50%。太阳追踪模块
CPV系统与传统平板式光伏系统的另一大区别在于，它要求太阳光相对于聚光系统垂直入射，否则整套系统的光电转换效率将急剧下降，聚光倍率越高的CPV系统对太阳光入射角度的精度要求也越高；因此太阳追踪系统就成为必须，它确保聚光光斑准确落在光伏电池上，获得最大的光转换效率。
太阳追踪系统一般由光敏元件组成的传感器判断太阳光方向，再由电机驱动调节聚光系统的朝向。值得一提的是，除了CPV系统以外，一些使用传统硅系电池的光伏系统也安装有太阳追踪系统，但其追踪精度要求和结构复杂程度都要低于CPV系统。
CPV系统所用的太阳追踪模块，通常是一套双轴追踪系统，以保证太阳光始终垂直于聚光系统入射。其结构主要由金属支架和控制驱动机构组成。对于大规模CPV电厂，整个电厂可以共享一套传感系统，由其发出统一的驱动机构动作指令，控制电厂中所有CPV模块朝向正确的方向。
CPV系统要投入大规模部署，一种可有效复制的高精度太阳追踪系统是必不可少的组成部分，也是衡量CPV技术成熟性与可靠性的重要标志。冷却模块
虽然CPV系统使用的III-V族元素化合物电池的耐高温性能要大大高于硅系电池，但在数百倍乃至上千倍的聚光强度下，为电池芯片配备冷却系统仍然是必须的，否则电池的使用寿命和转换效率都会因过高的温度而有所下降。CPV系统的冷却模块可以分为被动冷却和主动冷却，被动冷却系统主要由散热片构成，通常只能用于低倍率聚光的CPV系统；主动冷却系统一般有水冷、空冷、热管冷却。回收的热量可以通过发电或加热水得到进一步利用。
三、主要参数
发电转换效率=输出功率/（输入功率密度X芯片透光面积）
几何聚光倍率之计算方法是以聚光镜片的面积除以芯片之大小。
电流比倍率之计算方法是以聚光下之短路电流大小除以1sun(未聚光)之短路电流之大小。四、转换效率
十多年前，聚光电池的转换效率并不高，但进入21世纪之后，转换效率则以每年1%和1.5%的速度在增长，“上世纪90年代初，在太空用的是晶硅电池，末期则出现了多结太阳能电池，从而解决了晶硅电池转换效率受限的问题。多结电池的好处在于，每层都可以更大限度地吸收太阳能，光电转换效率的理论值能达70%，现在国际上可以做到的最高效率约为40%，批量生产的话，如今能有38%的多结电池。”预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇转载请注明：http://www.abuoumao.com/hyfw/616.html
