光伏电池组件性能提升多少

光伏电池中国最高转换效率的发布旨在全面、系统、权威、及时地展示我国光伏电池达到的光电转换效率最高水平，进一步推动我国光伏技术的创新发展。此次共发布了晶体硅(Crystalline Si)电池、砷化镓(GaAs)电池、铜铟镓硒(CIGS)电池、钙钛矿(Perovskite)电池和有机(Organic)电池等5大类型，12种不同结构光伏电池的中国最高效率。其中，5种结构光伏电池的中国效率也是该类电池转换效率的世界纪录。

图片：主持人英利CTO宋登元先生

我国晶体硅光伏电池最高效率取得了突破性进展。阿特斯创造了多晶硅PERC电池22.8%中国最高效率，也创造了世界多晶硅电池的效率纪录。隆基创造了单晶硅PERC电池24.03%的中国最高效率。继PERC电池之后，我国HIT电池和TOPCon电池技术发展迅速，汉能创造了HIT电池24.85%的中国最高效率，天合创造了24.58%N型单晶硅TOPCon电池中国最高效率。这四种晶体硅电池的最高效率都是利用大硅片面积(约244.6cm2)取得的，表明了我国在大面积晶体硅光伏电池研发和产业化方面达到了国际领先水平。这些成果必将快速向光伏产业转移，推动实验室成果的产业化，使我国在晶体硅电池的产业化技术方面持续保持国际先进水平，支撑我国光伏产业持续发展。

薄膜光伏电池效率持续保持领先优势。汉能创造了29.1% 单结砷化镓电池的中国最高效率，也是世界单结砷化镓电池的效率纪录。同时，汉能也创造了在玻璃基板上铜铟镓硒电池22.92%的最高效率，以及在柔性基板上铜铟镓硒电池20.56%的中国最高效率。

钙钛矿光伏电池技术突飞猛进。杭州纤纳多次刷新了钙钛矿电池小组件效率的世界纪录，创造了7片电池串联微型组件效率17.25%的中国效率纪录，以及28片电池串联组件效率14.30%的中国效率纪录。中国科学院半导体所创造了单结钙钛矿电池效率23.7%的最高效率纪录，南京大学创造了钙钛矿叠层电池效率22.2%的最高效率纪录。

有机光伏电池研究持续保持国际领先。华南理工大学创造了有机光伏电池16.48%中国效率纪录，也是该类电池的世界最高效率。

与2018年光伏电池中国最高效率比较，2019年有8种类型的电池刷新了2018年的效率纪录!表明我国光伏领域的研究创新能力在不断增强，推进了光伏电池效率的快速提升，有力支撑了我国光伏产业做大做强。多晶硅PERC电池效率由22%提升至22.8%，单晶硅PERC电池效率由23.1%提升至24.03%，HIT电池效率由23.7%提升至24.85%，TOPCon电池效率由23.1%提升至24.58%，单结GaAs电池效率由28.8%提升至29.1%，玻璃基板上的CIGS电池效率由21.2%提升至22.92%，钙钛矿单结电池效率由23.32%提升至23.7%，钙钛矿微组件效率由16%提升至17.25%。相信未来我国不仅会有更多的光伏电池打破中国效率纪录，也会创造更多的世界效率纪录

通过优化光伏电池栅线结构，将常规电池的栅线结构由5主栅优化为12主栅（通常称之为MBB结构）。

对不同栅线结构的光伏电池和组件进行电学性能的测试对比，对比测试结果表明：MBB主栅结构的设计能够有效降低电池和组件的串联电阻和遮光面积，进一步增大电学增益和光学增益，将光伏组件的输出功率提升5 W～10 W。

MBB的优势，从理论上来说应该是非常明显的。通过栅线变细提高电池的受光量、降低组件串联电阻，可使晶硅组件功率提升约5W（相对5主栅），另一方面该技术还可以节省部分银浆耗量，从而降低电池成本。

但是，理论归理论，MBB技术在实际运用中到底会不会带来明显的发电量增益？

实际上，在标准测试条件（辐照量为1000W/m2）下MBB功率增益主要来自两个方面：电学增益，多主栅缩短细栅线电流传输距离，降低串联电阻Rs，进而降低电阻损耗；光学增益，MBB可以有效降低栅线遮光面积，提升电池受光面积，增加了入射角0时的电池受光量。

晴天在太阳光垂直照射的条件下，商用光伏多晶硅组件的光电转换效率能达到12%-17%，多晶硅能达到17%-20%。多晶硅在弱光条件下发电效率比单晶硅好，单晶硅在太阳光垂直照射条件下效率比多晶硅好。

光伏组件（solar module）即太阳电池组件，由于单片太阳电池输出电压较低，加之未封装的电池由于环境的影响电极容易脱落，因此必须将一定数量的单片电池采用串、并联的方式密封成光伏组件，以避免电池电极和互连线受到腐蚀。

光伏组件按太阳电池的材料分为晶体硅太阳电池组件和薄膜太阳电池组件。

单晶硅太阳能电池的结构主要包括正面梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背面电极等。单晶硅太阳能电池广泛用于空间和地面，这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。将单晶硅棒切成片，经过一系列的半导体工艺形成PN结。然后采用丝网印刷法做成栅线，经过烧结工艺制成背电极，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片即可按所需要的规格用串联和并联的方法组装成太阳能电池组件(太阳能电池板)，构成一定的输出电压和电流。最后用框架进行封装，将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池阵列。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。

二、多晶硅太阳能电池

多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层 作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。太阳能电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体，以便切片加工成方形电池片。多晶硅太阳能电池板的制作工艺与单晶硅太阳能电池板差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

三、非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜(TCO)层、非晶硅薄膜P-I-N层(I层为本征吸收层)、背电极金属薄膜层组成，基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等。它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。制造方法有多种，最常见的是用辉光放电法得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，可一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。目前非晶硅太阳能电池光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右。

四、多元化合物太阳能电池

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的碲化镉薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。

1、硫化镉太阳能电池：虽然光电效率已提高到9%，但是仍无法与多晶硅太阳能电池竞争。与非晶硅薄膜电池相比，制造工艺比较简单。

2、砷化镓太阳能电池：砷化镓与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳能电池。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳能电池的发展受到影响。

3、铜铟硒太阳能电池：以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳能电池。它是一种多晶薄膜结构，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10%以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳能电池相竞争的新型太阳能电池。

五、纳米晶体化学太阳能电池

染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSCs)主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。其阳极为染料敏化半导体薄膜(TiO2膜)，阴极为镀铂的导电玻璃。纳米晶体TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，.寿命能达到20年以上。

六、叠层太阳能电池

叠层电池使得电池的性能可以得到叠加。太阳能电池的薄层化使其可以做得更薄，因此器件的叠层也变得更为现实可行。叠层电池可以是同种器件的叠层，也可以是异类器件的叠层。每一个叠层单元，由于感光部分的光响应性能不同，可分别吸收利用不同波段的太阳光。经过叠层，太阳光可以在全波段上都受到较好的吸收同时由于器件之间的耦合效应，整体的光能转换效率可以达到更高水平。

七、柔性太阳能电池

柔性太阳能电池板采用高晶硅材料制成，并用高强度、透光性能强的太阳能专用钢化玻璃以及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压制而成，有能抗冰雪、抗震、防压等多种优点，即使在温度剧变的恶劣条件下也能正常使用，。所以柔性电池能用在平板类太阳能电池难以胜任的许多领域，例如太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面上。

太阳能电池可将将太阳光转化为电能，是现代技术的一个重要发明，但它存在一个巨大的问题，其效率不是非常高，太阳能电池吸收的大部分阳光都以热量的形式流失了。

结果造成商用太阳能电池板的平均效率在11％至22％之间。现在，一个新设备可以将其提升到惊人的80％。

该设计基于一系列单壁碳纳米管，重新捕获红外辐射的热光子，这是太阳能电池所散失的热量。然后，该装置将该能量作为不同波长的光发射，然后可以将其再循环到电能中。

美国赖斯大学的工程师河野俊一郎(Junichiro Kono)解释道:“热光子是从热体发出的光子。如果你用红外热像仪观察热点，你会看到它发光。相机正在捕捉这些热激发的光子。”

红外辐射是带来温暖的阳光的一部分。肉眼看不见它，但它与光和无线电波以及X射线在同一电磁波谱上。红外辐射是由你的炉子，篝火，甚至是你温暖的猫发出的。基本上，任何发热的东西都会发射红外线。

工程师古拉杰·纳伊（Gururaj Naik）说：“这个问题，，热辐射是宽带，而只有当发射在一个窄带内时，光转换为电才是有效的。这里的挑战是将宽带光子挤入一个窄带。”

他们的系统涉及密集包装的碳纳米管的精细薄膜，已由河野俊一郎及其同事开发。

这些纳米管的一个特性是它们中的电子只能沿一个方向传播。这产生称为双曲线色散的效应，其中膜是在一个方向上的金属导体，但是垂直于该方向的绝缘体。

这意味着热光子可以从几乎任何地方进入，但它们只能从一个方向退出。这种挤压过程将热量转化为光，通过这一流程，它可以转换成电力。

在该团队开发的概念验证设备中，碳纳米管薄膜可以承受高达700摄氏度的温度，尽管该材料能够承受更高的热量，高达1600摄氏度。

然后，工程团队将其设备置于热源下以确认窄带输出。薄膜中的每个谐振腔减小了热光子的带，产生光。

下一步研究是利用光伏太阳能电池收集这些光并将其转换为电能以确认效率预测。

纳伊说：“通过将所有浪费的热能压缩到一个小的光谱区域，我们可以非常有效地将其转化为电能，理论预测是我们可以获得80％的转换效率。”

该研究发表在《 ACS光子学》期刊上 。

1、发电系统组成部分

（1）PV板

PV板（太阳能板、太阳能电池板、太阳能光伏组件），吸收光能并把光能转化为电能，PV板常用材料有单晶硅、多晶硅和非晶硅三种，其中单晶硅转换效率为14~20%，多晶蛙转换效率为13%左右，非晶蛙则为8~10%。

（2）储电设备

目前离网型发电系统的储电设备以免维护电池为主，电池能把PV板产生的电能储备起来

（3）充电和输出控制控制器

控制器的作用是控制整个系统稳定安全地工作。

（4）其它机械设备

2、发电系统主要成本构成及影响因素

（1）PV板

目前太阳能行业全面铺开，主要原因之一就是PV板价格过高，影响整套系统PV板价格，除了从PV板单价上控制之外，最重要就是控制PV板的使用数量，其影响因素有以下几点：

A、发电功率：从一定意义上说，要求发电功率越大，PV板使用量越多，成本越高，适当控制发电功率即可适当控制成本。

B、PV板所在地的天气情况：很明显，在同一个地区，同一块PV板，它在晴天一天所产生的电能远远比阴天要多，这一点就可以说明不同的地区对PV板的使用量有所不同。

C、PV板所在地的纬度，同一天内太阳对不同的纬度照射是不同的，这就造成同一块PV板在同一天内在不同纬度上产生的电量不同。

D、PV板使用环境 举个例子，PV板使用在山顶上，一天下来，都没有任何遮挡物遮挡照射在PV板上的阳光，发电能力肯定好，如果PV板使用在山脚，那一天下来，或多或少会有遮挡物遮挡照射在PV板上的阳光，所以PV板使用的周围环境是否有阳光遮挡物存在，在一定程度上影响PV板的发电能力。

（2）储能设备

一个发电系统一天要给用户供多少电能，这就决定了储能设备的容量问题，发电系统每天供给用户用电量越多，储能设备的容量要求越大，成本越高。

用户平均每天用电量大小，用户每天用电量越大，储能设备价格越高。

3、技术特长

匹配器

匹配器有效地提高整个发电系统的储电能力，为整个系统的关键环节起着重要支撑作用，有效地提高整个系统的稳定性和高效性，为整套系统节省PV板成本，降低系统造价。匹配器具有知识产权保护。

PV板吸收阳光技术

PV板能有效吸收阳光，更大程度地发挥PV板发电能力，大大提高日发电量，降低PV板成本。

4、客户需提供资料

A类、（1）系统输出最大功率；

（2）用户一天用电量，用电设备功率及各用电设备的使用时长；

（3）用户当地天气气候情况（国家、地区）。

B类、（1）用户所有用电设备及各用电设备使用时长；

（2）用户当地天气气候情况。

说明：系统一般设计为充足阳光下一天的发电，不考虑阴雨天发电，所以系统将只能承受一天的用电设备使用，客户有其它要求另外考虑。

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。

光伏电池真的不怕晒吗？

发表于：2020-08-26 17:16:15     来源：光伏联播

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光伏建材行业“碳达峰、碳中和”技术研讨会

超高功率产业链创新技术研讨会

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应将太阳光能直接转换为电能的一种非机械装置。在人们看来，光伏电池应该是不怕晒的“主儿”，似火骄阳之下，应该是光伏电池大有作为的时候。果真是这样吗?

光伏效应与光电效应

人类对于太阳能的利用由来已久。太阳能的转换和利用可以分为光电转换、光热转换、光化学转换三种主要方式。光伏发电是太阳能光电转换的利用方式。

1839年，法国科学家埃德蒙·贝克雷尔发现光照能在半导体材料的不同部位产生电位差。这种现象后来被称为光生伏打效应，简称光伏效应。1905年，爱因斯坦用光量子假说成功解释了光电效应，因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

光电效应是一种当光照射在导电材料上时，电子从导电材料中射出的现象。与光电效应发生在单个导电板上有所不同，光伏效应发生在两个半导体板的边界上，并且沿着边界累积而形成一个电场。当用导线把两块板连接起来时就会有电流流过。

最初的太阳能电池就是根据光伏效应设计制造的，当电池的表面受到光照时，在外电路上就会有电流通过。

光伏发电，发热不可避免

光伏电池是如何把太阳光转化为电能的呢?太阳光是一种波长范围很广的电磁辐射，当照射在光伏电池上的时候，辐射可能会被反射、吸收或直接穿越。只有被吸收的那部分辐射才能转化为电能。

对于硅半导体来说，在室温下要从其原子上把电子“撞”下来大约需要1.11电子伏特。这就意味着只有被吸收的能量高于该能量的光子才能激发电子并产生电流。如果某个光子的能量为1.7电子伏特，而从硅原子上“撞”下一个电子所需的能量为1.11电子伏特，那么剩余的那部分能量(0.59电子伏特)就会以热量的形式损失掉。当然，还有其他的产热因素会影响发电效率。其后果就是，这些因素协同作用，加热了太阳能电池组件，使其温度高于环境温度。

骄阳似火，一把“双刃剑”

人们原以为在骄阳似火的盛夏，硅基光伏电池会异常“兴奋”，产生出更多的电能，谁知硅基光伏电池也喜欢凉爽的环境。当然光子还是很需要的，毕竟是发电的“原材料”!

那么，太阳能电池板的温度对电输出性能有着怎样的影响呢?实际上，太阳能电池板温度高，同样的光照条件下产生的能量会减少。

随着温度的升高，尽管短路电流(光伏电池正负极短路时的电流)基本不变或略有增加，但是开路电压(光伏电池正负极开路时的电压)会降低不少，几乎呈线性关系。这样的后果就是光伏电池转换效率降低，输出功率下降。

光伏电池的标准测试温度为25℃，如果太阳板的温度达到60℃以上，输出功率的降低是不容忽视的。一般来说，硅基光伏电池组件每升高1℃，短路电流会增加0.04%，开路电压会降低0.4%。

不过，尽管在同样的光照条件下，温度的升高会让转换效率有所降低，但在火热的夏季，得益于阳光充足而收获的电量还是会比其他季节多。

如何为光伏电池降温

光伏电池同其他电子设备一样，在较低的温度下具有更高的工作效率。由于光伏发电利用的是光而不是热，所以光伏电池更适宜阳光充足而又凉爽的工作环境。

酷暑盛夏，我们该如何为光伏电池降温呢?加一个遮阳伞如何?不可!道理很简单，没有了光的照射，光伏发电就成空。要不来点“防晒霜”?也不成!采用物理性防晒，无异于减少了对光的吸收而采用化学性防晒，也无助于温度的降低。

对于屋顶太阳能面板来说，采用自然通风冷却是一个经济实用的方法。如安装时在屋顶表面和面板之间留有一定的间隙，从而允许气流对面板进行冷却。但要避免树叶等杂物进入间隙之中，以防因气流不畅而导致温度过高。

有人研究了不同冷却方法对太阳能发电效率的影响。除了自然循环冷却之外，强制循环冷却以及太阳能光伏光热冷却等也被纳入实验研究之列，对于降低光伏电池温度，提高发电效率无疑具有重要的指导意义。

光伏电池作为清洁能源的使者，已经走进了我们的生活，并为我们带来了一股低碳环保的清风。

发电率不错，太阳能光伏发电发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。

因此，与风力发电、生物质能发电和核电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展理想特征(最丰富的资源和最洁净的发电过程)的可再生能源发电技术，具有以下主要优点。

①太阳能资源取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。

②太阳能资源随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失。

③光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光能到电能的转换，没有中间过程(如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等)和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80％以上，技术开发潜力巨大。

④光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其它废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。

⑤光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。

⑥光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

低铁就是说这种玻璃的含铁量比普通玻璃要低，含铁量(三氧化二铁)≤150×l0-6，从而增加了玻璃的透光率。超白是说由于这种玻璃比普通玻璃含铁量低，从玻璃边缘看，这种玻璃要比普通玻璃更白一些，普通玻璃从边缘看是偏绿色的。

绒面的意思就是说这种玻璃为了减少阳光的反射，在其表面通过物理和化学方法进行减反射处理，使玻璃表面成了绒毛状，从而增加了光线的入射量。有些厂家还利用溶胶凝胶纳米材料和精密涂布技术(如磁控喷溅法、双面浸泡法等技术)，在玻璃表面涂布一层含纳米材料的薄膜，这种镀膜玻璃不仅可以显著增加面板玻璃的透光率2％以上，还可以显著减少光线反射，而且还有自洁功能，可以减少雨水、灰尘等对电池板表面的污染，使其保持清洁，减少光衰，并提高发电率1.5％～3％。

钢化处理是为了增加玻璃的强度，抵御风沙冰雹的冲击，起到长期保护太阳能电池的作用。面板玻璃的钢化处理，是通过水平钢化炉将玻璃加热到700℃左右，利用冷风将其快速均匀冷却，使其表面形成均匀的压应力，而内部则形成张应力，有效提高了玻璃的抗弯和抗冲击性能。对面板玻璃进行钢化处理后，玻璃的强度比普通玻璃可提高4～5倍。