模块九　高效晶硅太阳电池

9.1晶硅太阳电池转换效率的发展

提高太阳电池的转换效率是太阳光电产业最重要的课题之一。一般而言，太阳电池效率每提升1%，成本可下降7%，其对于降低成本的效果相当显著。而太阳电池转换效率受到光吸收、载流子输运、载流子收集等因素的限制，存在一个效率的极限值。

假设能够利用太阳电池光循环结构，实现光照的可逆转性，那么太阳电池的转换效率能够达到87%的极限值。其中，基于叠层结构的Tandem电池技术进展较大，并且已经被人们所普遍接受：将太阳光谱划分成窄的光谱带，换算为电池实现光电转换所需的带隙宽度，并采用材料制备技术实现薄膜层的制备，由此提高太阳电池的转换效率。

对于单结晶体硅太阳电池，其转换效率的理论最高值是28%。只有通过理解并尽量减少各种因素导致的效率损失，才能开发出效率足够高的晶硅太阳电池。

（1）晶硅太阳电池转换效率不断提高

从1839法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳电池已经经过了160多年漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对太阳电池的普及应用起到决定性作用的，是美国贝尔实验室三位科学家关于硅太阳电池的研制成功。此后，太阳电池的应用从航天、军用，逐渐转向地面和民用。1972年，法国人在尼日尔一乡村学校安装了一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电，标志着太阳电池民用化的开始。次年，美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅；1974年，日本推出了光伏发电的“阳光计划”。我国太阳电池产业初步形成是在20世纪80年代后期，当时我国太阳电池生产能力为4.5MW/年。从2007年起，我国太阳电池产能和出货量均跃居世界第一位。2016年我国太阳电池产量达到75GW，年增长16.6%，新增光伏装机量31GW，继续领跑全球光伏市场。

为了进一步降低光伏发电的度电成本，提高太阳电池产品的转换效率成为光伏行业持续发展的最重要课题之一。从20世纪70年代至今，在学术界和产业界的共同推动下，太阳电池转换效率不断刷新原有记录（图9-1）。

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其中，实验室转换效率超过25%的高效晶体硅太阳电池如表9-1所示。

表9-1实验室转换效率。25%的高效晶硅太阳电池

我国高效晶硅太阳电池的实验室研究，也取得了瞩目的研究成果：

（2）我国高效晶硅太阳电池产业化发展

到2016年，我国太阳电池行业中，常规P型单晶硅太阳电池转换效率达到19.5%左右，常规P型多晶硅太阳电池转换效率达到18.3%左右。高效晶硅太阳电池量产化产品的转换效率，PERC电池达到单晶20.4%左右，多晶18.8%左右；HIT电池和IBC电池达到22%～23%左右。PERC结构高效晶硅太阳电池的发展尤为迅猛，2012年初到2014年底，PERC电池的产量从零达到2.3GW，占2014年总市场份额（42GW）的4.3%。

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我国高效晶硅太阳电池产业化进展见图9-2。

图9-2我国高效晶硅太阳电池产业化进展

（3）晶硅太阳电池效率损失机制

目前，单晶硅电池可将18%～25%的入射光线转换为电流。在实验室最佳的条件下，制作的电池效率已经达到25.6%（松下，HIBC）。从理论预测，最大的转换效率达到30%，甚至更高也是可能的。

目前太阳光中只有很少的百分比被转换为电能，简单来说，晶硅太阳电池光电转换效率之所以这样差，原因是晶硅电池不能将全部的太阳光转换为电流。太阳光包含电磁波中的一个很宽的光谱范围，即从红外线经过各种颜色的可见光直到紫外线，大体分为，紫外7%，可见光43%，红外45%。根据太阳光谱光电转换效率的需要，一般太阳电池最常用的材料带隙在1～2eV之间，而在1.5eV左右可获得最高的光电转化效率。图9-3太阳光辐射的能量图。

图9-3太阳光辐射的能量图

但是，硅材料是间接带隙材料，其带隙的宽度1.12eV与1.5eV有较大的差值，而晶硅太阳电池光谱吸收的最大值没有与太阳辐射强度的最大值重叠。

对于晶硅电池来说，为了产生电子-空穴对形成电流，波长小于1.2μm的光，也就是近红外线和可见光，才具有足够的能量，使得电子能够完成带隙跃迁。太阳光谱中波长大于1.2μm的长波部分，不能够产生电子-空穴对，而是转变为热量。太阳辐射中有24%的长波光能不能被利用。

如光线的能量足以产生电子-空穴对，那么此时光能的大小就不起作用了，即不管是红光还是蓝光。在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子-空穴对，剩余的能量又被转换为未利用的热量。如此太阳辐射中有30%的短波部分光能没有被利用。

图9-4为标准太阳电池能量损失过程。

图9-4标准太阳电池能量损失过程

①晶格热振动损失；②③p-n结和接触电压损失；④复合损失

此外，还存在其他的主要是制作过程带来的能量损失：

①在p-n结附近产生的电子-空穴对，由于相互迅速复合而损失一部分电流；

②晶体中的杂质和晶体结构中的缺陷会形成复合中心，导致一定百分比的电子-空穴对可以复合，从而造成电流损失（解决方法，可以使用高纯的硅材料，但必须支付高昂的材料成本，在产业化生产时要考虑材料的成本和转换效率之间的平衡关系），正是由于晶界缺陷的存在，致使多晶硅电池的转换效率低于单晶硅电池；

③由于硅表面对入射光有反射，使得一部分光线不能进入电池中（通过减反膜或表面织构化的措施，可减少很多反射损失，采用特殊的措施，甚至可降低到1%以下）；

④太阳电池的温度也对效率有一定的影响随温度升高，在p-n结附近的活性层的厚度减少，这将使电池电压和转效率明显下降，因此，硅