薄膜和晶体硅太阳能电池板的区别

导读： 根据所采用的材料不同，典型的薄膜太阳能电池可分为以下四类：非晶硅（a-Si）和薄膜硅（TF-Si）；碲化镉（CdTe）；铜铟镓硒（CIS或CIGS）和染料敏化太阳能电池（DSC）加上其他天然材料...... 关键字： 薄膜 晶体硅 太阳能电池

　　太阳能电池由来已久，但很长一段时间内仍处于研发阶段。当阳光照射到太阳能电池上时，会产生电荷，出现光伏效应。电荷数量取决于多个因素：电池材料（硅、薄膜等）、电池面积（更大的电池面积意味着更多单个电池可转化为更多电压或电流）以及光源的质量。最高效和最有吸引力的光源就是容易获得且无需成本太阳。
　　太阳能简介
　　如果来源可靠的话，是法国物理学家贝克勒尔（Alexandre-EdmondBecquerel）在1839年无意中在放置在光线下的导电液体中操作电极，从而发现了光伏作用。美国发明家CharlesFritts在1883年左右首次制备了光伏太阳能电池。他的方法是在在硒表面镀上一层薄薄的金，制成的电池的最高效率只有不到1%。当然硒和金的成本很高，这让他的成就打了一些折扣。
　　故事继续。到了1888年，俄国物理学家AleksandrStoletov基于赫兹（HeinrichHertz）在1887年发现的光电效应组装了光伏电池；1905年，艾尔伯特?爱因斯坦解释了光电效应；1946年，美国工程师RussellShoemakerOhl为结型太阳能电池注册了专利；研究最终还导致了晶体管的发明。
　　贝尔实验室在1954年因为开发首个有效太阳能光伏电池而知名。贝尔实验室使用扩散半导体PN结为太阳能电池带来了效率的提升，但还不足以在具有成本效益的范围内生产。四年后，先锋1号（VanguardI）卫星发射升空，外壳装配了太阳能电池以延长卫星执行任务的时间，通常任务时间由可用电池的寿命决定。结果证明太阳能电池是有效的，因此集成到了当时的卫星设计中，如贝尔实验室的Telstar卫星。
　　太阳能电池在此后的20年里发展很缓慢，直到埃克森石油公司的EliotBerman在价格和效率方面取得突破。1969年左右，Berman首先注意到了太阳能电池可以通过半导体生产工艺进行制造。不用从头开始切割打磨半导体，也不用抗反射涂层，半导体晶圆废品的正面就具有抗反射性，只需要切割到合适的尺寸，加上印刷电路，用于抗反射表面就可以了。
　　Berman的办法解决了两个成本巨大的制作过程，而且让硅片废品得以广泛回收利用。他意识到不需要完美的硅片，有少量瑕疵的废弃硅片对太阳能电池的性能影响不大。长话短说，1973年Berman和他的团队制成了成本为10美元/W的太阳能电池板，售价则达到了20美元/W。
　　晶体硅太阳能电池板
　　晶体硅（c-Si）太阳能电池是目前应用最广泛的太阳能电池，主要因为晶体硅具有稳定性，效率能够达到15%-25%。晶体硅有赖于基于大量数据的成熟的制程技术，而且总体上已经被证明是可靠的。不过晶体硅吸收光线能力差，这可能是其超小型结构的天生缺陷，因此必须相当厚且坚固。
　　一个基本的晶体硅电池包括7层，透明的粘着剂连着玻璃保护层，下面是抗反射涂层，确保所有的光线穿过硅晶体层。类似于半导体技术，N层夹着P层，有两个电接触点：上层带正电，下层带负电。
　　通常晶体硅有两种类型：单晶硅和多晶硅。单晶硅来自高纯度的单晶体，切割自直径为150mm的晶圆，厚度为200mm。而多晶硅更受欢迎，制造量更大，例如将硅切割成条状再切成晶圆。无论哪一种，硅太阳能电池产生的电量都约为0.5V，多个电池可以串联依靠提高输出电压。
　　薄膜太阳能电池板
　　即使采用废弃硅片，考虑到其效率水平，硅晶圆并不一定成本低廉。薄膜太阳能电池比传统太阳能电池板更便宜，但效率也更低，光伏转换率在20%-30%之间。
　　根据所采用的材料不同，典型的薄膜太阳能电池可分为以下四类：非晶硅（a-Si）和薄膜硅（TF-Si）；碲化镉（CdTe）；铜铟镓硒（CIS或CIGS）和染料敏化太阳能电池（DSC）加上其他天然材料。
　　薄膜太阳能电池和硅晶体太阳能电池的结构并没有太大不同，它包含六层结构。这种结构下，透明涂层覆盖着抗反射层，下面是PN结，然后再是接触板和基底。很明显，运行原理（光伏）和晶体硅电池是一样的。
　　可能有人会认为，而且他们的想法也可能是对的，就是既然名字是薄膜电池，构成是不是也比其他的电池技术更轻更薄。既然功能和结构都一样，唯一的不同就是薄膜和晶体硅太阳能电池各层的厚度和灵活度以及光伏材料有区别：不是硅，那要么是碲化镉（CdTe），要么是铜铟镓硒（CIGS）。
　　硅VS薄膜
　　晶体硅技术已经存在了一段时间而且证明了是有价值的，薄膜技术仍然处于初始阶段，但有潜力在同等的效率和可靠性条件下实现更低的成本。既然如此，应该如何选择？
　　晶体硅的优势在于高转换效率，达到12%-24.2%，高稳定性、容易制造、高可靠性。时间是另外一个优势：晶体硅模块在70年代就已经在生产了，单晶硅面板能够耐受恶劣的环境，可用于太空飞行。
　　其他的优势包括耐热性和低安装成本。而且考虑到废弃/循环利用的时间，硅对环境更友好。
　　缺点在于，就初始成本而言，晶体硅是最贵的太阳能组件。而且太阳能吸收因数很低，材料很脆且易碎。
　　而薄膜太阳能电池比老式晶体硅太阳能电池更便宜，可以在薄硅片上制备，更灵活且更容易处理。而且和晶体硅相比，不容易受外界冲击而损害。
　　薄膜太阳能电池组件的主要缺点在于效率低，这在有些应用场合可以抵消其价格优势。它的结构也更复杂，灵活的薄膜电池需要特别的安装技巧，因此至少目前无法用于航天。
　　应用
　　晶体硅和薄膜太阳能电池板在很多应用场合下都可以使用。根据他们的优缺点，在要求高效率的场合下更多使用晶体硅电池，而薄膜电池常用于低成本和更灵活的场合。
　　晶体硅太阳能电池板普遍用于能量收集系统和通用设计，还适用于特定的场合例如有荷兰Nuon太阳能团队制成的太阳能驱动的Nuna6赛车（图4）。
　　Nuna6于2011年7月推出，是Nuna系列的最新款。它的1690个单晶硅太阳能电池外壳面积达6m2。电池与21kg的锂电池共同使用。Nuna的太阳能电池的效率为22%。Nuna重145kg，比前一代轻了许多。
　　薄膜太阳能电池板也可用于户外的能量收集系统。
　　加州SanJose的SoloPower公司提供灵活的薄膜太阳能电池组件，可用于商业楼顶层。组件由铜、铟、镓、硒共同组成，并集成到灵活的太阳能电池箔中。这些面板比由玻璃包裹的晶体硅面板更轻，安装也更快。
　　总结
　　可能会感觉到目前的市场上，薄膜电池不仅正在追赶晶体硅电池组件，而且在各方面都将超越晶体硅，包括价格和效率。薄膜太阳能电池降低成本的一个办法就是采用非环保的材料，例如镉。制造商声称只要封闭良好并在使用中，就是安全的。但现在而言，这类组件并没有回收计划。