第3章 太阳能光伏电池的基础知识
3-1 什么是太阳能光伏电池？太阳能光伏电池有几种类型？
人类对太阳能的利用主要集中在两个方面：一个是热能利用；另一个是发电。根据目前的技术，太阳能发电也分为两种：一种是利用热能产生的蒸汽驱动发电机发电，简称为“热能发电”；另一种就是光伏电池发电。
光伏电池是一种类似于晶体二极管的半导体器件，它可以直接将太阳能（光）转换为电能。光伏电池是太阳能光伏电池的简称，又称为“光电池”或“太阳能电池”（图3-1）。
图3-1 光伏电池
目前，可以制作太阳能光伏电池的材料有多种，制造的方法也各有差异，所以太阳能光伏电池的种类很多，据统计，迄今为止已有100多种。太阳能光伏电池虽有这么多种，但可以按所用材料或电池的构造来分类。
（1）按所用的材料来分（图3-2） 主要可分为硅太阳能光伏电池和化合物太阳能光伏电池两大类。硅太阳能光伏电池还可分为晶体硅太阳能光伏电池和非晶体硅太阳能光伏电池两种。晶体硅太阳能光伏电池还可再分为单晶硅太阳能光伏电池、多晶硅太阳能光伏电池。多晶硅太阳能光伏电池又可分为铸造多晶硅太阳能光伏电池、带状多晶硅太阳能光伏电池和薄膜状多晶硅太阳能光伏电池。
图3-2 太阳能光伏电池按材料分类
太阳能光伏发电的原理发现于1876年，亚当斯等英国科学家发现用太阳光照射硒半导体材料时产生了电流。但是，硒产生的光电效应很弱，到20世纪中期转化效率仅有1％左右。硅太阳能光伏电池发明于1954年。
在众多的太阳能光伏电池中，硅太阳能光伏电池是其中的佼佼者，它虽不是发现最早的，但它是开发最早的，也是迄今为止使用最多的一类。2001年，单晶硅太阳能光伏电池和多晶硅太阳能光伏电池的产量合计约占世界全部太阳能光伏电池产量总数的80％左右。最初的太阳能光伏电池只有单晶硅太阳能光伏电池，如今不仅有单晶硅、多晶硅，还有非晶硅的太阳能光伏电池。
最初，硅太阳能光伏电池的光电转化效率很低，仅有6％，而且成本也很高，比常规电力高出1000倍以上，根本无法推广使用，仅可用于那些对成本不敏感的人造卫星和航天器。现在已经不同，硅太阳能光伏电池的生产成本已大幅度地下降，所以原来无人问津的局面早已改变，已成为当前的热点，它不仅在太空卫星和航天器上采用，在公路、铁路等公用设施上使用，而且也用于民间。
单晶硅太阳能光伏电池的光电转化效率比从前也大幅提高。最近在实验室中，单晶硅太阳能光伏电池的光电转化效率已达到24.7％。在实际生产线中，高效太阳能光伏电池（主要用于空间领域）的光电转化效率已达到20％；常规的单晶硅太阳能光伏电池的光电转化效率已达到15％～18％，期望在不久的将来能接近20％。可以说，硅太阳能光伏电池的广泛应用，不仅与它的成本大幅度下降有关，而且与它的光电转化效率的大幅度提升有密切关系。
多晶硅太阳能光伏电池的光电转化效率比单晶硅太阳能光伏电池低，但近年来，多晶硅太阳能光伏电池进行了许多改进，使得光电转化效率也得到了提高。现在面积为1m2的实用阶段的模板也实现了13％～14％的光电转化效率。
多晶硅太阳能光伏电池是继单晶硅太阳能光伏电池之后发展起来的，但它的发展速度相当快，是一种后来居上的太阳能光伏电池。1996年和1997年，单晶硅太阳能光伏电池的产量最大，占总数的50％左右。然而，1998年以后，多晶硅太阳能光伏电池大量增产，夺走了单晶硅太阳能光伏电池产量冠军的地位，变成产量第一的太阳能光伏电池。
化合物太阳能光伏电池也可分为铜铟硒、碲化镉太阳能光伏电池和砷化镓、磷化铟太阳能光伏电池。目前市场上出售的铜铟硒太阳能光伏电池的光电转化效率为10％左右，研究开发的水平为12％～14％。
其实，太阳能光伏电池的种类还不止这些，除了上述的硅太阳能光伏电池和化合物太阳能光伏电池外，还有如染料敏化型等那样的其他种类的太阳能光伏电池。
染料敏化型太阳能光伏电池的发电原理与上述的硅太阳能光伏电池和化合物太阳能光伏电池不同，它不是利用P-N结，而是利用模拟光合作用原理，研制出来的一种新型太阳能电池进行发电。
染料敏化型太阳能光伏电池是一种低成本的电池，它所用的二氧化钛等无机氧化物及染料等原料比金属的价格便宜，其制造方法可用印刷方式，比较简单，也不用高价设备。问题是，染料敏化型太阳能光伏电池的光电转化效率太低，如果光电转化效率能达到10％以上，那可就太理想了。
（2）按电池的构造来分（图3-3）大体可分为块（片）状或薄膜状两种太阳能光伏电池。块（片）状太阳能光伏电池又可分为单晶硅太阳能光伏电池、多晶硅太阳能光伏电池以及其他块（片）状太阳能光伏电池。薄膜状太阳能光伏电池又可分为非晶硅太阳能光伏电池、化合物太阳能光伏电池。
图3-3 太阳能光伏电池按构造分类