太阳能电池技术：芯片、组件和系统

太阳电池光电转换效率的不断提高，成本的逐步下降，使得光伏行业近年来蓬勃发展。2013年，全球光伏组件产量高达40GW，我国光伏组件产量独占鳌头，占据了全球总产量的65%。这其中，90%为由单晶硅和多晶硅材料制备的晶体硅太阳电池，这主要是由于硅半导体工艺技术成熟、性能稳定可靠、光电转换效率高、使用寿命长、易于大规模生产^[30]。因此，本小节将以晶体硅太阳电池为例进行介绍。

太阳电池芯片是具有正、负两个接触电极的半导体光电器件。黑暗条件下，电池片的性能类似于普通的二极管；光照条件下，产生0.5～1V的直流光生电压，短路情况下产生数十毫安每平方厘米的光生电流。商用晶体硅太阳电池芯片的面积通常是12.5×12.5cm²或15.6×15.6cm²，厚度通常为150～300μm，外观为黑色或者深蓝色，金属电极印制在太阳电池表面^[31]，如图1.16所示。

由上述尺寸参数可见，商用晶体硅太阳电池厚度仅为一二百微米，如此薄的厚度很容易损坏；且单个电池电压不足1V，显然不能满足用电设备的需求。此外，由于太阳电池为户外应用，灰尘、紫外线及恶劣天气，如冰雹、酸雨等的侵蚀，可致使电池日久失效。因此，为防止破损、失效，并满足负载的需求，太阳电池通常被串联或并联起来，封装成为组件，如图1.17所示。所谓组件，即具有内部连接及封装的、能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳电池组合装置。通常太阳电池组件由24～72块电池芯片串并联而成，在标准测试条件（STC）下产生12V、24V或者更高的电压^[32]。

图1.16 太阳电池芯片

图1.17 太阳电池组件(www.xing528.com)

12V组件便可以单独使用，也可以经过串联和并联装在支架上，组成太阳电池阵列，进一步提高电流或者电压，以满足负载所要求的输出功率。由于电力应用通常要求稳定的电压和电流，阵列通常需要集成蓄电池和控制器。蓄电池储存太阳电池方阵受光照时所产生的电能并可随时向负载供电，控制器保证电力供应的稳定性，减小光照变化的影响^[33]。同时，组件在阵列中通常集成旁路二极管和阻塞二极管，保护组件，如图1.18所示。旁路二极管可以减小个别串联电池片或组件失效引起的电能损失。阻塞二极管可以避免在阴雨天、夜晚或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳电池方阵放电，即具有单向导通的作用^[34]。

为了驱动交流负载或者向交流电网进行并网发电，太阳电池方阵产生的直流电需要经过逆变器转换为合适频率的交流电，如图1.19所示。逆变器通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变为交流电，是整流变换的逆过程^[35]。综上，一个完整光伏系统由太阳电池阵列、阻塞二极管、控制器、蓄电池、逆变器和负载构成^[36]。如果无须进行直流到交流的转换，则系统中无须集成逆变器。

图1.18 太阳电池阵列中的旁路二极管和阻塞二极管

图1.19 光伏发电系统