一、概述

太陽能是一種清潔、安全、可再生和分布范圍廣的綠色能源，是今后替代能源發(fā)展的戰(zhàn)略性領域。太陽能發(fā)電主要有太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電兩種形式。由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、故障率低、維護簡便等優(yōu)點，是一種被看好的能源利用形式。

據光伏網站solarbuzz公布的2009年全球光伏發(fā)電裝機容量累計達2300萬千瓦，歐洲、美國、日本累計光伏發(fā)電裝機容量合計2024萬千瓦，約占全球總量的88%。其中德國為最大市場，裝機容量達978萬千瓦，占全球的43%，西班牙累計裝機容量為339萬千瓦，占全球的15%，日本和美國分別為263萬千瓦和165萬千瓦，占全球的12%和7%。

近年來，我國的光伏電池產業(yè)在國外市場的拉動下發(fā)展迅速，2009年，我國光伏電池產量已突破200萬千瓦，位居世界首位。

二、太陽能光伏發(fā)電原理

1.光伏發(fā)電原理

研究發(fā)現(xiàn)，光照使不均勻的半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間，產生電位差的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應（Photo voltaic effect），簡稱光伏效應。

一般化合價為4的硅晶體半導體中摻入少量化合價為3的硼原子時，硅晶體中就會出現(xiàn)正電荷的空穴，形成P型半導體；當硅晶體中摻入化合價為5的磷原子后，就會出現(xiàn)負電荷的電子，形成N型半導體。當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體交界面區(qū)域會形成一個特殊的薄層，界面P型半導體一側帶負電，N型半導體一側帶正電，如圖1所示。由于P型半導體多余空穴，N型半導體中多余自由電子，出現(xiàn)了N區(qū)的電子擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴擴散到N區(qū)，這樣，就形成了由N區(qū)指向P區(qū)的內電場（E），以阻止擴散的進行，達到平衡后，形成特殊的薄層，這就是PN結。

圖1 PN結示意

當半導體晶片受陽光照射后，PN結中的P型半導體的光生電子向PN結擴散，進入PN結后，即被“內電場”推向N區(qū)；而N型半導體產生的光生空穴，先向PN結擴散，進入PN結后，即被“內電場”推向P區(qū)。這種電子和空穴的移動，在N區(qū)積累了大量的光生電子，而P區(qū)則積累了大量的光生空穴，在PN結兩側出現(xiàn)了光生電動勢，當外電路連接起來時就有光生電流通過（見圖2所示），

圖2 PN結光伏效應示意

后來就把能夠產生光生伏特效應的器件稱為光伏器件。由于半導體PN結器件在陽光下的光電轉換效率比較高，所以通常把這類基于半導體PN結的光生伏特效應的、能夠將太陽能直接轉換成電能的光伏器件稱為太陽能電池（solar cell），也稱光伏電池。

2.太陽能電池結構

典型的太陽能電池單元結構是一片厚為0.2～0.3mm、面積為50或100mm見方的硅薄片，上部是摻有5價元素磷、并依靠大量電子導電的N型硅；下部是摻有三價元素硼、并依靠空穴導電的P型硅。N型硅表面布有很細的金屬柵線，另一面緊貼P型硅。為了減少反射，整個電池表面覆蓋著一層透明的減反射膜（見圖3）。

圖3 太陽能電池

太陽能電池單元是太陽能光伏發(fā)電的最小單元，將電氣性能接近的多個太陽能電池單元串并聯(lián)后封裝，即組成太陽能電池組件，在大規(guī)模光伏發(fā)電應用中，一般將多個太陽能電池組件按照電氣性能串并聯(lián)，構成太陽能電池陣列。

三、太陽能電池種類與特點

1、太陽能電池分類

太陽能電池根據所用材料不同，可分為硅半導體太陽能電池、化合物半導體太陽能電池、有機半導體太陽能電池等類型，詳細分類見圖4所示。

圖4 太陽能電池分類

2、各種太陽能電池的介紹

(1)單晶硅太陽能電池

硅半導體系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高，其轉換效率理論值達24%～25%，實際產品的轉換效率為15%～18%（或以上）；技術也最為成熟，可靠性較高，特性比較穩(wěn)定。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū)摻雜工藝。單晶硅太陽能電池在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格較高，要想大幅度降低其成本是非常困難的。

(2)多晶硅太陽能電池

多晶硅是單晶硅的一種形態(tài)，是由單晶硅顆粒聚集而成的。多晶硅太陽能電池的轉換效率理論值為20%，實際產品為12%～14%，與單晶硅太陽能電池轉換效率相比較，雖然偏低，但其原材料較豐富，制造比較容易，因此，其使用量已超過單晶硅太陽能電池，占主導地位。

(3)多晶硅薄膜太陽能電池

多晶硅薄膜太陽能電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上，用相對薄的晶體硅層作為太陽能電池的激活層，不僅保持了太陽能的高性能和穩(wěn)定性，而且用料下降，降低了成本，目前還處在試驗研發(fā)階段，實驗室樣品轉換效率在10%左右，最高達16%。

(4)非晶質（薄膜）太陽能電池

非晶質太陽能電池的原子排列呈無規(guī)則狀態(tài)，是在玻璃板上使用蒸鍍非晶硅的方法，在薄膜狀態(tài)（厚度為數(shù)微米）下制作的，轉換效率理論值為18%，但實際產品僅為9%左右。與結晶硅太陽能電池比較，盡管轉換效率不高，但由于具有制造工藝簡單，易大量生產，制造所需能源、使用材料極少（厚度1μm以下，單晶硅的厚度為300μm），還可以方便地制成曲面形狀，以及可以制成成本較低的薄膜太陽能電池等特點，所以有廣闊的應用前景，目前非晶質太陽能電池已經在鐘表、計算器等行業(yè)應用。

(5)III-V族化合物——砷化鎵（GaAs）太陽能電池

砷化鎵（GaAs）太陽能電池的特點是高效率、耐輻射，是重要的宇宙用太陽能電池。小面積砷化鎵太陽能的最高轉換效率已經達到38%，但由于其原材料成本比硅高，資源量極其有限，這就極大限制了它在地面的應用。

在III-V族化合物中另一代表性的化合物電池是磷化銦（InP）太陽能電池，最高轉換效率已經達到22%，由于成本高的問題，限制了其在地面應用。

(6)II-VI族化合物（CdS/CdTe）太陽能電池

II-VI族化合物硫化鎘/碲化鎘（CdS/CdTe）太陽能電池具有成本低，轉換效率高的特點，轉換效率的理論值為33.62%～44.44%，目前小面積電池單元的轉換效率大約在15%以上，大面積電池單元轉換效率在10%以上，將來有望成為低成本、高轉換效率薄膜太陽能電池，但是有毒元素鎘對環(huán)境的污染和對操作人員的健康的危害是不容忽視的。

(7)三元（I-III-VI族）化合物（CuInSe2）太陽能電池

由于銅銦硒（CuInSe2，即CIS）太陽能電池具有轉換效率高（小面積達18.8%，大面積達12%～14%以上）、制造成本低、電池性能穩(wěn)定的特點。

如在銅銦硒（CIS）中添加了鎵（Ga）后，銅銦鎵硒（CuInGaSe2，即CIGS）太陽能電池的轉換效率（小面積電池）達19.2%。

(8)色素增感太陽能電池

色素增感太陽能電池，是在光激勵狀態(tài)下，伴隨化學反應產生光電斑的光化學電池，它可分為光異化型、光酸化還原型及半導體增感型3種。這種電池可用印刷方式制造，適于大量生產，因此成本較低，其轉換效率在10%左右。根據色素的種類和使用量，可制成各種顏色的、透明的太陽能電池，用于建材及鐘表等領域。

(9)有機薄膜太陽能電池

有機薄膜太陽能電池由色素或高分子材料構成，這種電池制造方法簡單、對環(huán)境無影響、能耗較少，因此成本較低，電池的轉換效率為4.5%左右?，F(xiàn)在對有機薄膜太陽能電池研發(fā)呈加快趨勢。

3、太陽能電池特點

(1)無可動部分，壽命長、無噪聲，管理和維護簡便。

(2)太陽能電池直接將光能轉換成電能，不會產生廢氣和有害物質。

(3)太陽能發(fā)電間歇性問題，太陽能電池的能量隨入射光、季節(jié)、天氣、時刻等變化而變化，在夜間不能發(fā)電。

(4)太陽能電池產生的是直流電，無蓄電功能。

(5)太陽能發(fā)電成本較高。

4、太陽能電池的發(fā)展趨勢

太陽能電池技術發(fā)展很快，按研發(fā)時間先后，第一代太陽能電池是晶硅類（單晶硅和多晶硅），第二代是薄膜類和化合物類（非晶硅、銅銦鎵硒、砷化鎵、碲化鎘等），第三代為新概念類（色素增感太陽能電池或稱染料敏化電池等）。目前比較成熟且廣泛應用的是晶硅類太陽能電池，在2009年全球太陽能電池產量為10 431MW，其中單晶硅電池產量為4 574.1MW，占43.86%，多晶硅電池為4862.9MW，占46.62%，薄膜電池為993MW，占9.52%。

現(xiàn)在國內外太陽能電池行業(yè)都在圍繞著提高太陽能電池的光轉換效率和降低成本這兩大目標開展研究工作。晶體硅高效太陽能電池和各類薄膜太陽能電池也是全球新型太陽能電池研發(fā)的熱點，高效單晶硅太陽能電池的轉換效率已接近25%，高效多晶硅太陽能電池轉換效率已超過20%。薄膜太陽能電池研究主要集中在非晶質薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、銅銦硒薄膜電池和多晶硅薄膜電池上。非晶質太陽能電池的研究重點是解決光致衰降和提高效率問題，現(xiàn)已有報道，實驗室穩(wěn)定效率已達15%。碲化鎘薄膜電池實驗室效率達到16.4%，銅銦硒薄膜電池實驗室效率達19.2%，并建立了效率為10%的中試生產線。目前多晶硅薄膜太陽能電池實驗室效率已超過17%，前景看好。

四、太陽能光伏電池運行模式

1、太陽能電池的輸出特性與最大功率跟蹤

太陽能電池單元是太陽能光伏發(fā)電的最小單元，太陽能光伏電池輸出特性曲線如圖5所示，該特性曲線隨太陽輻射、溫度和負荷條件成呈現(xiàn)非線性變化，并具有最大功率點（MPP）。

在光伏系統(tǒng)中，為了充分利用太陽能，系統(tǒng)必須實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，即系統(tǒng)能跟蹤太陽能電池輸出的最大功率點（MPP）。光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法，早期采用恒定電壓跟蹤（CVT）方法比較多，隨著電力電子及控制技術的發(fā)展，已開始使用一些新的控制方法，如擾動觀測法（Perturb-and-observe method，也稱登山法）、導納增量法（Incremental conductance algorithm）等。

在不同的光照強度下，光伏電池陣列的伏安特性曲線如圖6所示，在圖6中L是負載特性曲線，交點a、b、c、d、e對應于不同的工作點?？梢钥闯?，如果能將工作點移到光伏陣列伏安曲線的最大功率點(a′、b′、c′、d′、e′)處，就可以達到光伏陣列最大的能量利用率。當溫度保持在某一定值時，最大功率點基本在一根垂線的兩側，在某個照度以上，電壓值近似為常數(shù)，這樣就可以把最大功率點的軌跡近似的看成輸出電壓恒定的一根垂線，這就是基于恒電壓的電流控制策略，可近似地實現(xiàn)最大功率點的跟蹤控制。

圖5 光伏電池的伏安特性

圖6 不同照射強度下光伏電池陣列的伏安特性

2、太陽能電池運行模式——離網型與并網型

太陽能發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池輸出的直流電能通過功率變換裝置給負荷供電（交流或直流），或者接入電網。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為離網型和并網型兩種形式。

(1)離網型運行方式

離網型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)配置示意圖如圖7所示。太陽能電池發(fā)出的直流電可以直接向直流負荷供電，也可以通過逆變器（實現(xiàn)直流到交流的變換）向交流負荷供電，為了保證負荷供電的連續(xù)性，系統(tǒng)需要配置儲能裝置（如蓄電池），整個系統(tǒng)的運行控制保護由控制器完成。

圖7 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)配置

(2)并網運行方式

太陽能電池光伏系統(tǒng)如需要與公共電網并網連接，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電不論是否經過蓄電池組，最終通過逆變器變換成交流電，與公共電網并聯(lián)連接。

圖8 并網型光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置

可逆流和不可逆流并網光伏發(fā)電系統(tǒng)：由于光伏發(fā)電系統(tǒng)具有間隙式供電的特點，按照并網光伏發(fā)電系統(tǒng)能否允許通過所在供電區(qū)的變壓器向公共電網饋電的情況，可分為可逆流和不可逆流并網光伏發(fā)電系統(tǒng)。

可調度式并網系統(tǒng)和不可調度式并網系統(tǒng)：對并網式光伏發(fā)電系統(tǒng)還可按其功能，分為可調度式并網系統(tǒng)（帶一定數(shù)量的蓄電池）和不可調度式并網系統(tǒng)（不帶蓄電池）。對不可調度式并網系統(tǒng)（見圖8a所示），由于不帶蓄電池，造價相對較低，但這類并網系統(tǒng)不能夠控制并網時間，因此，調峰的效果較差；在可調度式并網系統(tǒng)（見圖8b所示），具有電網調峰的功能，其蓄電池的容量只要求滿足每天3～4 h調峰之用，不像獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池，其容量能滿足3～4天使用要求，因此，造價要比獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)大大下降。由于上網時間能夠控制，可大大提高調度式并網系統(tǒng)的調峰效果?？烧{度式并網系統(tǒng)要求其逆變器同時具有獨立工作和并網工作兩種模式，因此，具有更大的靈活性。