摘 要：随着全球经济的快速发展，太阳能资源的开发利用已受到世界各国的高度重视。采用太阳能光伏并网发电系统，主要由光伏方阵、并网逆变器、远程监测通信系统及配电系统组成。太阳电池组件在光伏发电系统中是最重要的环节之一，因此本论文专门针对太阳电池组件及相关产业的现状与发展进行调查研究，以利于整个太阳能发电专业的教学研究。
关键词：光伏发电；太阳电池组件；现状与发展
人类活动的加剧，自然生态环境在不断恶化。如何实现能源的可持续发展，从而保证经济和社会的可持续发展，已经成为世界各国必须解决的问题。基于常规能源枯竭和环境保护的考虑，目前世界各国都已经把开发新能源和利用可再生能源作为未来能源发展的方向。太阳能资源是无污染的清洁能源，在各种发电能源中对环境影响最小。因此，太阳能资源的开发利用已受到世界各国的高度重视，各国政府通过经济手段，鼓励扶持个人和企业发展太阳能，大大推进了太阳能技术的产业化和商品化进程。
随着国民经济的发展，我国政府提出了建设节约型社会的号召，2005年《可再生能源法》颁布，政府对太阳能发电项目进行税收优惠和补贴上网电价，促进了我国太阳能能源开发利用的快速发展。此外，建设大型光伏发电并网项目可向世界太阳能有关组织申请经济补贴。因此，在我国建设大型光伏并网电站在经济上是可行的。
近年来，发达国家在建和已投产的大型并网光伏电站已超过100个。上海崇明岛1MWp光伏并网项目自07年竣工并网以来运行良好，实现了无人值守。因此，在我国建设大型光伏并网电站在技术上是成熟可行的。
大型和超大型并网光伏电站系统不仅建设规模可以达到MWp甚至GWp级别，发出的电能可直接并入中高压输电网络，可参与电力的输送和调配。大型光伏电站的系统集成是一项技术性很强的工作，设计和工程施工不当会增加光伏发电系统造价和发电成本。随着光伏系统规模和复杂性的增加，大型光伏并网项目一般都需升压并入中高压电网，对光伏系统设计要求和技术服务要求日趋严格。目前国内没有专业的光伏发电施工单位，因此，需培育光伏发电专业技术人才。
1太阳能光伏并网发电系统
太阳能光伏并网发电系统，主要由光伏方阵、并网逆变器、远程监测通信系统及配电系统组成。光伏方阵将太阳能转化为电能（直流电），并通过汇流箱（配电箱）传递到与之相连的逆变器上，逆变器采用MPPT（最大功率跟踪）技术最大限度将直流电（DC）转变成交流电（AC），输出符合电网要求的电能，经过升压站与中压电网（110kV）连接。光伏并网发电系统的原理示意如图1-1所示。其中，太阳电池组件是光伏发电系统的核心元件之一。
太阳电池组件是将太阳能直接转变为直流电能的部件，是光伏电站的核心部件，科技含量非常高。要求具有非常好的耐侯性，能在室外严酷的环境下长期稳定可靠地运行，同时具有高的转换效率和廉价。
因此本论文专门针对电池组件做了一些调查研究，以利于整个太阳能发电专业的教学研究。
2太阳电池组件的技术现状
太阳电池组件是指把太阳电池串、并联，经过封装后工厂生产的可以直接出厂的最小单元。光伏方阵是由若干个太阳电池组件串、并联而成。而各个厂家太阳电池组件的参数各有不同，设计光伏方阵时，不同特性的组件所需数量也不同。
太阳能光伏发电的最核心器件是太阳电池。太阳电池能量转换的基础是半导体p－n结的光生伏特效应。
如图2-1所示，当光照射到半导体光伏器件上时，在器件内产生电子－空穴对，在半导体内部p－n结附近生成的载流子被复合而能够到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区储存了过剩的空穴。它们在p－n结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场外，还使p区带正电，n区带负电，在n区和p区之间的薄层就产生了电动势，此时，如果外电路接通，就会有与入射光能量成正比的光电流通过。现在商用的太阳电池主要有：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒和碲化镉薄膜电池等。以下是几种电池的基本情况：
1）单晶硅电池
单晶硅电池是最早发展起来的太阳电池，由单晶硅片来制造。与其他电池相比，单晶硅电池的效率最高，目前太阳电池组件的效率在15%-17%之间。现在单晶硅电池的技术发展动向是向超薄、高效发展。德国的研究已经证实40μm厚的单晶硅电池的效率可达到20%，有可能借助改进生产工艺实现超薄单晶硅电池的工业化生产，并可能达到已在实验室达到的效率。
2）多晶硅电池
多晶硅电池由多晶硅片来制造。由于硅片由多个不同大小，不同的晶粒组成，而在晶粒界面处光电转化容易受到干扰，因而多晶硅的转化相对较低，同时，多晶硅的电学、力学和光学性能一致性不如单晶硅。目前多晶硅电池组件的效率在14%-16%之间，与单晶硅电池组件的效率相差不大。
3）非晶硅薄膜电池
非晶硅薄膜电池是采用化学沉积的非晶硅薄膜，其特点是材料厚度在微米级。非晶硅为准直接带隙半导体，吸收系数大，可节省大量硅材料。商业化的非晶硅薄膜电池组件产品稳定的转换效率在5%～7%左右。保证寿命为10年。
非晶硅薄膜电池是至今最为成功的薄膜电池，目前非晶硅薄膜电池之所以没有大规模使用，主要原因是光致衰减效应。
4）铜铟硒薄膜电池
铜铟硒(CuInSe2)薄膜是一种Ｉ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体，铜铟硒薄膜太阳电池属于技术集成度很高的化合物半导体光伏器件，由在玻璃或廉价的衬底上沉积多层薄膜而构成。CIS 薄膜电池具有以下特点：光电转换效率高，效率可达到17%左右，成本低，性能稳定，抗辐射能力强。目前，CIS太阳电池实现产业化的主要障碍在于吸收层CIS薄膜材料对结构缺陷过于敏感，使高效率电池的成品率偏低。这种电池的原材料铟是较稀有的金属,对这种电池的大规模生产会产生很大的制约。
5）碲化镉薄膜电池
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太阳电池有很高的理论转换效率。碲化镉的光吸收系数很大，对于标准AM0太阳光谱，只需0.2微米厚即可吸收50％的光能，10微米厚几乎吸收100％的入射光能。碲化镉是制造薄膜、高效太阳电池的理想材料。碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低，是应用前景最好的新型太阳电池，它已经成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象。目前，已获得的最高效率为16.5%。但是有毒元素Cd对环境的污染和对操作人员健康的危害是不容忽视的。目前各国均在大力研究加以克服。
6）具有聚光和跟踪的太阳电池组件
为提高太阳能电池组件的转换效率，可采用太阳能跟踪和聚光系统，也可以同时采用聚光和跟踪两种系统。
采用聚光太阳电池的好处是光电转换效率高，聚光太阳电池转换效率为18 %～30 % ，比普通太阳电池高得多，1cm2 的聚光电池在标准光强下聚光度为400～600 倍聚光后,输出功率达6～10W以上，而同等面积的平板式太阳电池输出功率仅12 ～14MWp 。由于聚光电池的受光面只有同功率的普通光电池几百分之一，因此可以大大节约单晶硅的用量，即同面积的单晶硅片若制成聚光电池，发电量将提高数百倍。聚光方式可采取凹面镜等光学聚光器件。
同功率的精确跟踪光伏发电系统比固定型光伏发电系统每天多发电30 %左右。跟踪有单轴、双轴或其它多向机械跟踪系统。
目前的聚光和跟踪太阳电池组件的问题主要是设备维护量比固定式太阳能电池组件大，并且设备投资较大，目前还不适合国内大规模使用。
3 太阳电池组件相关产业发展状况
目前太阳能光伏电池及其组件的生产工艺已很成熟，电池组件相关的辅助材料也能满足工业化的生产质量要求。经过相关测试论证的生产厂家宣称能保证晶体硅太阳能电池组件的寿命在20年以上。
3.1 我国太阳电池产业在世界上的位置
我国太阳电池及其组件产量2002年以前长期徘徊在全球产量的1%左右，但是，自2004年，在国际光伏市场尤其是德国、日本市场的强大需求的拉动下，我国光伏市场产业发展迅速。2020 年前, 我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展, 成本将不断下降,2010—2020年,光伏发电由独立系统转向并网发电系统,发电成本到2020年将约为0.60元/kWh。到2020年我国光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。
2006年世界太阳电池实际产量为2500MWp，其中日本为880MWp，欧洲为746MWp，中国为370MWp，美国175MWp。电池产量发展见图2-2：
在太阳电池产业发展的过程中，我国形成了一批具有国际竞争力和国际知名度的太阳电池生产企业。2010年我国的光伏发电产品产量突破1000MWp,成为世界最大的太阳电池生产国。
3.2中国太阳能电池产业发展亟待解决的几个问题
尽管我国光伏产业快速增长，但在核心技术、基础原料、关键专业设备、国内应用等方面仍存在制约因素，阻碍了产业国际竞争力的进一步提升，其亟待解决的几个问题如下：
1) 核心技术瓶颈：
目前，光伏产业上游的高纯度多晶硅提炼、硅片切割等关键技术掌握在美、日等国少数企业手里，国内高纯度多晶硅原料提纯技术远落后于西方发达国家（国内最高提炼水平只能达到99.5%），我国几乎100%的关键技术设备都依靠进口。国内企业生产的太阳能组件的光电转换效率平均在16%左右，而在发达国家超过20%。日本三洋利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型电池光电转换效率达22%。我国在晶体太阳能电池的后续研发，特别是薄膜太阳能电池的研发等方面与国外存在较大差距，落后5-10年。缺乏核心技术是我国处于全球光伏产业价值链低端的根本原因。
2）国内市场瓶颈：
中国目前已成为全球最大的光伏电池生产国，去年占据全球市场55％的市场份额。不过因光伏发电成本高昂，中国本土的光伏装机仍较为缓慢，报道称，截至2010底全国光伏并网发电总装机容量预计仅在600MW（兆瓦）左右。这种国内市场严重落后于产业发展的情况既不利于我国能源的可持续发展，也不利于光伏产业的科学发展。
3）标准化与人才瓶颈：
与国外相比，我国还缺乏有关太阳能电池及其配套产品的检测标准，国内市场不规范。目前，有些国外的电池没有通过国内任何机构的检测，以低于产品正常价值进入我国市场，且进口关税为零，这对我国光伏产业发展很不利。同时，光伏技术人才培养较薄弱，中青年光伏技术人才紧缺。
参考文献
[1]2008年中国太阳能光伏发电产业分析及投资咨询报.中国投资咨询网，2008 年1月
[2]2006年中国太阳能发电产业机会与风险研究报告，2007年8月23日
[3]王霞.太阳能电池工作原理与种类.中国科技财富，2010年第六期
[4]刘科高.CIS太阳电池材料的研究进展.动力材料,2009年第9期
[5]魏岳.薄膜硅太阳电池概述.科技传播，2010年第9期
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