單晶矽太陽能電池

單晶矽太陽能電池，是以高純的單晶矽棒為原料的太陽能電池，是當前開發得最快的一種太陽能電池。它的構造和生產工藝已定型，產品已廣泛用於空間和地面。

太陽能電池主要包括晶體矽電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點決定了它們在不同套用中擁有不可替代的地位。

基本介紹

• 中文名：單晶矽太陽能電池
• 外文名：single crystalline silicon solar cell
• 原料：高純的單晶矽棒
• 套用：空間和地面
• 特點：是開發得最快的一種太陽能電池
• 領域：電力

詳細介紹

單晶矽是指矽材料整體結晶為單晶形式，是目前普遍使用的光伏發電材料，單晶矽太陽電池是矽基太陽電池中技術最成熟的，相對多晶矽和非晶矽太陽電池，其光電轉換效率最高。高效單晶矽電池的生產建立在高質量單晶矽材料和成熟的加工工藝基礎上。

單晶矽太陽電池以純度高達 99.999%的單晶矽棒為原料，也增高了成本，難以大規模使用。為了節省成本，目前套用的單晶矽太陽電池對材料要求有所放寬，部分採用了半導體器件加工的頭尾料以及廢次單晶矽材料，或者經過復拉製成太陽電池專用的單晶矽棒。單晶矽片制絨技術更是減少光損失，提高電池效率的有效手段。

為了降低生產成本，地面套用的太陽能電池等採用太陽能級的單晶矽棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶矽材料，經過復拉製成太陽能電池專用的單晶矽棒。將單晶矽棒切成片，一般片厚約0.3毫米。矽片經過拋磨、清洗等工序，製成待加工的原料矽片。

單晶矽太陽能電池

加工太陽能電池片，首先要在矽片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就矽片上形成P>N結。然後採用絲網印刷法，精配好的銀漿印在矽片上做成柵線，經過燒結，同時製成背電極，並在有柵線的面塗覆減反射源，以防大量的光子被光滑的矽片表面反射掉。

因此，單晶矽太陽能電池的單體片就製成了。單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），用串聯和並聯的方法構成一定的輸出電壓和電流。最後用框架和材料進行封裝。用戶根據系統設計，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。單晶矽太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。

構成作用

1. 鋼化玻璃其作用為保護髮電主體（如電池片），透光其選用是有要求的，第一，透光率必須高（一般91%以上）；第二，超白鋼化處理。

單晶矽太陽能電池

2. EVA 用來粘結固定鋼化玻璃和發電主體（如電池片），透明EVA材質的優劣直接影響到組件的壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發黃，從而影響組件的透光率，從而影響組件的發電質量除了EVA本身的質量外，組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的，如EVA膠連度不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠，都會引起EVA提早老化，影響組件壽命。

3. 電池片主要作用就是發電，發電主體市場上主流的是晶體矽太陽電池片、薄膜太陽能電池片，兩者各有優劣。晶體矽太陽能電池片，設備成本相對較低，消耗及電池片成本很高，光電轉換效率也高；在室外陽光下發電薄膜太陽能電池比較適宜，設備成本相對較高，消耗和電池成本很低，光電轉化效率為晶體矽電池片一半多點，但弱光效應非常好，在普通燈光下也能發電，如計算器上的太陽能電池。

4. EVA作用如上，主要粘結封裝發電主體和背板。

5. 背板 作用是密封、絕緣、防水（一般都用TPT、TPE等材質必須耐老化，組件廠家都質保25年，鋼化玻璃，鋁合金一般都沒問題，關鍵就在與背板和矽膠是否能達到要求。

附：發電主體（晶體矽電池片）

我們知道，單片電池片的發電效率是非常低的，如一片156電池片的功率只有3W多，遠遠不能滿足我們的需求，所以我們就多多片電池片串聯起來，已達到我們所要求的功率，電流、電壓，而被串聯起來的電池片我們稱之為電池串。

6. 鋁合金保護層壓件，起一定的密封、支撐作用。

7. 接線盒 保護整個發電系統，起到電流中轉站的作用，如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串，防止燒壞整個系統接線盒中最關鍵的是二極體的選用，根據組件內電池片的類型不同，對應的二極體也不相同。

8. 矽膠 密封作用，用來密封組件與鋁合金框線、組件與接線盒交界處有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代矽膠，國內普遍使用矽膠，工藝簡單，方便，易操作，而且成本很低。

產業發展

中國光伏電池產量年增長速度為1-3倍，光伏電池產量占全球產量的比例也由2002年1.07%增長到2008年的近15%。商業化晶體矽太陽能電池的效率13%-14%提高到16%-17%。總體來看，中國太陽能電池的國際市場份額和技術競爭力大幅提高。在產業布局上，中國太陽能電也由池產業已經形成了一定的集聚態勢。在長三角、環渤海、珠三角、中西部地區，已經形成了各具特色的太陽能產業集群。

太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30%以上，而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的占比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發電將占總電力的20%以上；到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80%以上，太陽能發電將占到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。

太陽能電池主要包括晶體矽電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點決定了它們在不同套用中擁有不可替代的地位。但是，未來10年晶體矽太陽能電池所占份額儘管會因薄膜太陽能電池的發展等原因而下降，但其主導地位仍不會根本改變；而薄膜電池如果能夠解決轉換效率不高、製備薄膜電池所用設備價格昂貴等問題，會有巨大的發展空間。

套用領域

1. 用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用於邊遠無電地區如高原、海島、牧區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂併網發電系統；（3）光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。

2. 交通領域：如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標誌燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

3. 通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。

4. 石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鑽井平台生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。

5. 家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節能燈等。

6. 光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。

7. 太陽能建築：將太陽能發電與建築材料相結合，使得未來的大型建築實現電力自給，是未來一大發展方向。

8. 其他領域包括：（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生髮電系統；（3）海水淡化設備供電；（4）衛星、太空飛行器、空間太陽能電站等。

功率計算

太陽能交流發電系統是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變器。為了使太陽能發電系統能為負載提供足夠的電源，就要根據用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6個小時為例，介紹一下計算方法：

1. 首先應計算出每天消耗的瓦時數（包括逆變器的損耗）：若逆變器的轉換效率為90%，則當輸出功率為100W時，則實際需要輸出功率應為100W/90%=111W；若按每天使用5小時，則耗電量為111W*5小時=555Wh。

2. 計算太陽能電池板：按每日有效日照時間為6小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。

測試條件

（1）由於太陽能組件的輸出功率取決於太陽輻照度和太陽能電池溫度等因素，因此太陽能電池組件的測量在標準條件下（STC）進行，標準條件定義為： 大氣質量AM1.5， 光照強度1000W/m2，溫度25℃。

（2）在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率稱為峰值功率，在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽能模擬儀測定。影響太陽能電池組件輸出性能的主要因素有負載阻抗、日照強度、溫度、陰影等幾點。

中國研發

由中科院半導體所韓培德研究員領導的光伏能源組，在國家縱向和自籌經費的支持下，瞄準光伏企業需求，經過多年苦戰，綜合了入射光減反技術、鈍化技術、選擇性發射極技術、背面局部重摻技術等優點，在單晶矽襯底上研發出效率高達20.0%的太陽電池（短路電流密度JSC=43.9mA/cm，開路電壓VOC=602mV，填充因子FF=0.758），並經中國計量科學研究院認證。

在中國特色的光伏運動推動下，單晶矽/多晶矽太陽電池將以第一代電池身份跨入Martin A.Green說描述的第三代電池範疇（即光電轉換效率³20%，電力成本£$0.5/W，製造成本£$100/m），單晶矽/多晶矽太陽電池在光伏能源中的主導地位將長期不變。正因如此，提高單晶矽電池效率、形成自主智慧財產權、引領光伏企業向前發展具有重要的戰略意義。

針對當前光伏低谷的產業形勢，課題組提出了“提效率、重檢測、降成本、促套用” 十二字方針，以此作為本組日常工作指南，努力走一條與企業需要相結合的研發道路。下一步將繼續提高電池效率，同時對現有技術進行中試，並在產線上加以推廣和套用。