太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。
基本介绍
按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。
光伏组件，采用高效率单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、Tedlar、抗腐蚀铝合多边框等材料，使用先进的真空层压工艺及脉冲焊接工艺制造。即使在最严酷的环境中也能保证长的使用寿命。
组件的安装架设十分方便。组件的背面安装有一个防水接线盒，通过它可以十分方便地与外电路连接。对每一块太阳电池组件，都保证 20 年以上的使用寿命。
发展历史
术语“光生伏打”（Photovoltaics）来源于希腊语，意思是光、伏特和电气的，来源于意大利物理学家亚历山德罗·伏特的名字，在亚历山德罗·伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。
以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在 19 世纪的时候就已经发现了。
1849 年术语“光－伏”(photo-voltaic)才出现在英语中，意指由光产生电动势，即光产生伏特。
1839 年，光生伏特效应第一次由法国物理学家 A.E.Becquerel 发现。
1883 年第一块太阳电池由 Charles Fritts 制备成功。Charles 用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有 1%的效率。
在处于运行状态下的太阳能
到了 1930 年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。
1946 年 Russell Ohl 申请了现代太阳电池的制造专利。
到了 1950 年代，随着半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954 年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个有实际应用价值的太阳能电池于 1954 年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。
1960 年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。
1970 年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973 年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。
在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，以朝商业化的目标前进。
在这些国家中，美国于 1983 年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达 16 百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。
而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994 年日本实施补助奖励办法，推广每户 3,000 瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年，政府补助 49%的经费，以后的补助再逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候，由太阳能电池提供电能给自家的负载用，若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候，所需要的电力再由电力公司提供。
到了 1996 年，日本有 2,600 户装置太阳能发电系统，装设总容量已经有 8 百万瓦特。一年后，已经有 9,400 户装置，装设的总容量也达到了 32 百万瓦特。
在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009 年 3 月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。
工作原理
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电
光伏电池及系统工作原理
实现过程：
房顶的太阳能板将阳光转换为 DC 电流。不间断电源(UPS)将该 DC 能源转换为 AC 220V/50Hz。
这个电能可以完全用于当地的设备，也可以部分使用，剩余的电能卖给公用事业机构，或全部卖出。
强烈建议应防止这一昂贵的设施遭受雷击。
评测方法
一、等效电路模型
PV 电池的等效电路模型（如图 1 所示）能够帮助我们深入了解这种器件的工作原理。理想 PV 电池的模型可以表示为一个感光电流源并联一个二极管。光源中的光子被太阳能电池材料吸收。如果光子的能量高于电池材料的能带，那么电子就被激发到导带中。如果将一个外部负载连接到 PV 电池的输出端，那么就会产生电流。
图 1
由于电池衬底材料及其金属导线和接触点中存在材料缺陷和欧姆损耗，PV 电池模型必须分别用串联电阻（RS）和分流电阻（rsh）表示这些损耗。串联电阻是一个关键参数，因为它限制了 PV 电池的最大可用功率（PMAX）和短路电流（ISC）。
PV 电池的串联电阻（rs）与电池上的金属触点电阻、电池前表面的欧姆损耗、杂质浓度和结深有关。在理想情况下，串联电阻应该为零。分流电阻表示由于沿电池边缘的表面漏流或晶格缺陷造成的损耗。在理想情况下，分流电阻应该为无穷大。
要提取光伏电池的重要测试参数，需要进行各种电气测量工作。这些测量通常包含直流电流和电压、电容以及脉冲 I-V。
二、PV电池的直流电流–电压（I-V）测量
可以利用直流 I-V 曲线图对 PV 电池进行评测，I-V 图通常表示太阳能电池产生的电流与电压的函数关系（如图 2 所示）。电池能够产生的最大功率（PMAX）出现在最大电流（IMAX）和电压（VMAX）点，曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率。我们可以利用基本的测量工具（例如安培计和电压源），或者集成了电源和测量功能的仪器（例如数字源表[10]或者源测量单元 SMU），生成这种 I-V 曲线图。为了适应这类应用的需求，测试设备必须能够在 PV 电池测量可用的量程范围内提供电压源并吸收电流，同时，提供分析功能以准确测量电流和电压。简化的测量配置如图 3 所示。
图 2
图 3. 对太阳能电池进行 I-V 曲线测量的典型系统，由一个电流源和一个伏特计组成。
测量系统应该支持四线测量模式。采用四线测量技术能够解决引线电阻影响测量精度的问题。例如，可以用其中一对测试引
图 3
图 4 给出了利用 SMU 测出的一种被照射的硅太阳能电池的真实直流 I-V 曲线。由于 SMU 能够吸收电流，因此该曲线通过第四象限，并且支持器件析出功率。
图 4
三、总体效率的测量参数
其它一些可以从 PV 电池直流 I-V 曲线中得出的数据表征了它的总体效率——将光能转换为电能的好快程度——可以用一些参数来定义，包括它的能量转换效率、最大功率性能和填充因数。最大功率点是最大电池电流和电压的乘积，这个位置的电池输出功率是最大的。
填充因数（FF）是将 PV 电池的 I-V 特性与理想电池 I-V 特性进行比较的一种方式。理想情况下，它应该等于 1，但在实际的 PV 电池中，它一般是小于 1 的。它实际上等于太阳能电池产生的最大功率（PMAX=IMAXVMAX）除以理想 PV 电池产生的功率。填充因数定义如下：
FF = IMAXVMAX/(ISCVOC)
其中 IMAX=最大输出功率时的电流，VMAX =最大输出功率时的电压，ISC =短路电流，VOC=开路电压。
转换效率（h）是光伏电池最大输出功率（PMAX）与输入功率（PIN）的比值，即：
h = PMAX/PIN
PV 电池的 I-V 测量可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）两种情况下进行。正偏测量是在 PV 电池照明受控的情况下进行的，光照能量表示电池的输入功率。用一段加载电压扫描电池，并测量电池产生的电流。一般情况下，加载到 PV 电池上的电压可以从 0V 到该电池的开路电压（VOC）进行扫描。在 0V 下，电流应该等于短路电流（ISC）。当电压为 VOC 时，电流应该为零。在如图 1 所示的模型中，ISC 近似等于负载电流（IL）。
PV 电池的串联电阻（rs）可以从至少两条在不同光强下测量的正偏 I-V 曲线中得出。光强的大小并不重要，因为它是电压变化与电流变化的比值，即曲线的斜率，就一切情况而论这才是有意义的。记住，曲线的斜率从开始到最后变化很大，我们所关心的数据出现在曲线的远正偏区域（far-forward region），这时曲线开始表现出线性特征。在这一点，电流变化的倒数与电压的函数关系就得出串联电阻的值：
rs = ΔV/ΔI
到目前为止本文所讨论的测量都是对暴露在发光输出功率下，即处于正偏条件下的 PV 电池进行的测量。但是 PV 器件的某些特征，例如分流电阻（rsh）和漏电流，恰恰是在 PV 电池避光即工作在反偏情况下得到的。对于这些 I-V 曲线，测量是在暗室中进行的，从起始电压为 0V 到 PV 电池开始击穿的点，测量输出电流并绘制其与加载电压的关系曲线。利用 PV 电池反偏 I-V 曲线的斜率也可以得到分流电阻的大小（如图 5 所示）。从该曲线的线性区，可以按下列公式计算出分流电阻：
rsh = ΔV Reverse Bias/ΔI Reverse Bias
图 5
除了在没有任何光源的情况下进行这些测量之外，我们还应该对 PV 电池进行正确地屏蔽，并在测试配置中使用低噪声线缆。
四、电容测量
与 I-V 测量类似，电容测量也用于太阳能电池的特征分析。根据所需测量的电池参数，我们可以测出电容与直流电压、频率、时间或交流电压的关系。例如，测量 PV 电池的电容与电压的关系有助于我们研究电池的掺杂浓度或者半导体结的内建电压。电容-频率扫描则能够为我们寻找 PV 衬底耗尽区中的电荷陷阱提供信息。电池的电容与器件的面积直接相关，因此对测量而言具有较大面积的器件将具有较大的电容。
C-V 测量测得的是待测电池的电容与所加载的直流电压的函数关系。与 I-V 测量一样，电容测量也采用四线技术以补偿引线电阻。电池必须保持四线连接。测试配置应该包含带屏蔽的同轴线缆，其屏蔽层连接要尽可能靠近 PV 电池以最大限度减少线缆的误差。基于开路和短路测量的校正技术能够减少线缆电容对测量精度的影响。C-V 测量可以在正偏也可以在反偏情况下进行。反偏情况下电容与扫描电压的典型曲线（如图 6 所示）表明在向击穿电压扫描时电容会迅速增大。
图 6
另外一种基于电容的测量是激励电平电容压型（DLCP），可在某些薄膜太阳能电池（例如 CIGS）上用于判断 PV 电池缺陷密度与深度的关系。这种测量要加载一个扫描峰-峰交流电压并改变直流电压，同时进行电容测量[20]。必须调整这两种电压使得即使在扫描交流电压时也保持总加载电压（交流+直流）不变。通过这种方式，材料内部一定区域中暴露的电荷密度将保持不变，我们就可以得到缺陷密度与距离的函数关系。
五、电阻率与霍尔电压的测量
PV 电池材料的电阻率可以采用四针探测的方式，通过加载电流源并测量电压进行测量，其中可以采用四点共线探测技术或者范德堡方法。
在使用四点共线探测技术进行测量时，其中两个探针用于连接电流源，另两个探针用于测量光伏材料上电压降。在已知 PV 材料厚度的情况下，体积电阻率（ρ）可以根据下列公式计算得到：
ρ = (π/ln2)(V/I)(tk)
其中，ρ =体积电阻率，单位是Ωcm，V=测得的电压，单位是 V，I=源电流，单位是 A，t=样本厚度，单位是 cm，k=校正系数，取决于探针与晶圆直径的比例以及晶圆厚度与探针间距的比例。
六、范德堡电阻率测量方法
测量 PV 材料电阻率的另外一种技术是范德堡方法。这种方法利用平板四周四个小触点加载电流并测量产生的电压，待测平板可以是厚度均匀任意形状的 PV 材料样本。
范德堡电阻率测量方法需要测量 8 个电压。测量 V1 到 V8 是围绕材料样本的四周进行的，如图 7 所示。
图 7
按照下列公式可以利用上述 8 个测量结果计算出两个电阻率的值：
ρA = (π/ln2)(fAts)[(V1 – V2 +V3 – V4)/4I]
ρB = (π/ln2)(fBts)[(V5 – V6 +V7 – V8)/4I]
其中，ρA 和 ρB 分别是两个体积电阻率的值，ts =样本厚度，单位是 cm，V1 – V8 是测得的电压，单位是 V，I=流过光伏材料样品的电流，单位是 A，fA 和 fB 是基于样本对称性的几何系数，它们与两个电阻比值 QA 和 QB 相关，如下所示：
QA = (V1 – V2)/(V3 – V4)
QB = (V5 – V6)/(V7 – V8)
当已知ρA 和 ρB 的值时，可以根据下列公式计算出平均电阻率（ρAVG）：
ρAVG = (ρA + ρB)/2
高电阻率测量中的误差可能来源于多个方面，包括静电干扰、漏电流、温度和载流子注入。当把某个带电的物理拿到样本附近时就会产生静电干扰。要想最大限度减少这些影响，应该对样本进行适当的屏蔽以避免外部电荷。这种屏蔽可以采用导电材料制作，应该通过将屏蔽层连接到测量仪器的低电势端进行正确的接地。电压测量中还应该使用低噪声屏蔽线缆。漏电流会影响高电阻样本的测量精度。漏电流来源于线缆、探针和测试夹具，通过使用高质量绝缘体，最大限度降低湿度，启用防护式测量，包括使用三轴线缆等方式可以尽量减少漏电流。
七、脉冲式I-V测量
除了直流 I-V 和电容测量，脉冲式 I-V 测量也可用于得出太阳能电池的某些参数。特别是，脉冲式 I-V 测量在判断转换效率、最短载流子寿命和电池电容的影响时一直非常有用。
分类
按结构分类
同质结太阳电池，异质结太阳电池，肖特基太阳电池
按材料分类
硅太阳电池，敏化纳米晶太阳电池，有机化合物太阳电池，塑料太阳电池，无机化合物半导体太阳电池
按光电转换机理分类
传统太阳电池，激子太阳电池
按品种分类
单晶硅光伏电池
单晶硅光伏电池是开发较早、转换率最高和产量较大的一种光伏电池。
多晶硅光伏电池
多晶硅光伏电池是以多晶硅材料为基体的光伏电池。由于多晶硅材料多以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，因而生产时间缩短，制造成本大幅度降低。再加之单晶硅硅棒呈圆柱状，用此制作的光伏电池也是圆片，因而组成光伏组件后平面利用率较低。与单晶硅光伏电池相比，多晶硅光伏电池就显得具有一定竞争优势。
非晶硅光伏电池
非晶硅光伏电池是用非晶态硅为原料制成的一种新型薄膜电池。非晶态硅是一种不定形晶体结构的半导体。用它制作的光伏电池只有 1 微米厚度,相当于单晶硅光伏电池的 1/300。它的工艺制造过程与单晶硅和多晶硅相比大大简化, 硅材料消耗少, 单位电耗也降低了很多。
铜铟硒光伏电池
铜铟硒光伏电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料，在玻璃或其它廉价衬底上沉积制成的半导体薄膜。由于铜铟硒电池光吸收性能好，所以膜厚只有单晶硅光伏电池的大约 l/100。
砷化镓光伏电池
砷化镓光伏电池是一种Ⅲ-V 族化合物半导体光伏电池。与硅光伏电池相比,
碲化镉光伏电池
碲化镉是一种化合物半导体,其带隙最适合于光电能量转换。用这种半导体做成的光伏电池有很高的理论转换效率， 已实际获得的最高转换效率达到 16.5%。碲化镉光伏电池通常在玻璃衬底上制造，玻璃上第一层为透明电极，其后的薄层分别为硫化镉、碲化镉和背电极，其背电极可以是碳桨料，也可以是金属薄层。碲化镉的沉积技术方法很多，如电化学沉积法、近空间升华法、近距离蒸气转运法、物理气相沉积法、丝网印刷法和喷涂法等。碲化镉层的厚度通常为 1.5-3um，而碲化镉对于光的吸收有 1.5um 的厚度也就足够了。
聚合物光伏电池
聚合物光伏电池是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势, 在导电材料表面进行多层复合, 制成类似无机 P-N 结的单向导电装置。
特点
1、优点
无枯竭危险；绝对干净（无污染，除蓄电池外）；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短；供电系统工作可靠。
2、缺点
照射的能量分布密度小；获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；造价比较高。
应用情况
一、用户太阳能电源
1.小型电源 10-100W 不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；
2. 3-5KW 家庭屋顶并网发电系统；
3.光伏水泵
解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
二、交通领域
如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
三、通讯/通信领域
太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵 GPS 供电等。
四、石油、海洋、气象领域
石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等
五、家庭灯具电源
如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
六、光伏电站
10KW-50MW 独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。
市场竞争
第一代晶硅太阳能电池，主流市场转换效率约为 18%，由于发展早，产业链上各企业生产技术较为成熟，占应用市场约 80%的份额；
第二代薄膜太阳能电池，已经产业化的主要有薄膜硅电池、CIGS 电池和 CdTe 电池等，占应用市场约 19%的份额，由于生产成本较低，预计到 2015 年市场占有率将超过 20%；
第三代太阳能电池主要包括聚光和有机太阳能电池等。聚光光伏组件最高转换效率达到 40%，但由于技术尚不成熟，聚光光伏电池占应用市场约 1%得市场份额。
功率计算
太阳能交流发电系统是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，就要根据用电器的功率，合理选择各部件。下面以 100W 输出功率，每天使用 6 个小时为例，介绍一下计算方法：
1.首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗)：若逆变器的转换效率为 90%，则当输出功率为 100W 时，则实际需要输出功率应为 100W/90%=111W；若按每天使用 5 小时，则耗电量为 111W*5 小时=555Wh。
2.计算太阳能电池板：按每日有效日照时间为 6 小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为 555Wh/6h/70%=130W。其中 70%是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率。
光电转换效率
在大气质量为 AMl.5 的条件下测试，硅太阳能电池的理论光电转换效率的上限值为 33%左右：商品硅太阳能电池的光/电转换效率一般为 12%～15%；高效硅太阳能电池的光/电转换效率一般为 18%～20%。
近日从中科院合肥物质科学研究院获悉，该院固体所科研人员近日在钙钛矿太阳能电池领域研究取得新进展，开发了一种无有机电子传输层的新型高效钙钛矿太阳能电池，其利用金属钛作为电子传输层制备的钙钛矿电池的光电转换效率达到 18.1%，这是目前金属材料与钙钛矿层直接接触器件所达到的最高效率。
美国科学家设计出了一款新型太阳能电池并制造出了模型。这种太阳能电池整合了多块电池，这些电池堆叠成能捕获太阳光谱几乎所有能量的单个设备，可将 44.5%的直射太阳光转化为电力，有潜力成为世界上最高效的太阳能电池，而目前大多数太阳能电池的光电转化效率仅为 25%。
电池充电
太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。
超级电容发展快速，容量超大，面积反缩小，加上价格低廉，因此有部份太阳能产品开始改采超级电容为充电对象，因而改善了太阳能充电的许多问题：光伏电池充电较快速，寿命长 5 倍以上，充电温度范围较广，减少太阳能电池用量(可低压充电)。
相关介绍
太阳能电池应用市场的发展
由于光伏电池封装技术，焊接材料与加工方法及芯片上的改良，在 1991 年太阳能系统的寿命约 5 到 10 年。到了 1995 年则增加到 10～20 年，而到公元 2000 年更可延长使用年限到 25 年以上。于 1995 年仅美国市场的太阳能电池销售额为 35 亿美元。由于石油及环保(全球温室效应)的问题，以及外交上对落后地区的援助，使得在公元 2000 年后全球的太阳能电池销售额成数倍的成长。
到了 2005 年后，由于德国等环保先进国家新建筑法规的因素，造成太阳能板需求量爆发大增，瞬间市场严重缺货，造成全球太阳能电池产业的蓬勃发展，许多太阳能电池厂的股价，一夕之间冲到最高点。同时也带动洞悉商机的传统制造业转型，投入太阳能相关商品的开发、应用。
缺点及克服办法
夜间不能发电是太阳能电池的一大缺点，但是针对这一个缺点有 3 种方式可以克服。
把太阳能电池当作补充电力的方案：由于日间电力需求较高，单纯的只让太阳能电池在日间提供服务刚好可以让发电厂等供电源负载更平均、也减少电力网的尖峰负载;若以传统方法应付尖峰负载，其成本可能会比使用太阳能电池高。
把白天的太阳光能转成其他的能量形式加以储存，例如蓄电池、飞轮装置、压缩空气、抽蓄发电厂等，到黑夜的时候再把储存的能量释放出来。
太阳能电池成本还很高：比许多绿色/再生能源高很多，无法以合理成本提供大量需求。未来可以期待科学家及工程师们不断的研究，再加上半导体产业技术的进步，太阳能电池的效率也逐渐增加，而且发电系统的单位成本也正逐年下降。因此，随着太阳能电池效率的增加、成本的降低以及环保意识的高涨，太阳能电池的成本可望大幅降低。也可以利用便宜的镜子将阳光反射至昂贵的高效能太阳能电池(需注意散热)，可以发电降低成本。
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本文由
韩国SEBANG蓄电池（大陆地区）营销中心于2023-03-06 19:03:46 整理发布。
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