薄膜和晶體硅太陽(yáng)能電池板的區(qū)別

如果來(lái)源可靠的話，是法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾（Alexandre-Edmond Becquerel） 在1839年無(wú)意中在放置在光線下的導(dǎo)電液體中操作電極，從而發(fā)現(xiàn)了光伏作用。美國(guó)發(fā)明家CharlesFritts在1883年左右首次制備了光伏太陽(yáng)能電池。他的方法是在在硒表面鍍上一層薄薄的金，制成的電池的最高效率只有不到1%。當(dāng)然硒和金的成本很高，這讓他的成就打了一些折扣。

故事繼續(xù)。到了1888年，俄國(guó)物理學(xué)家Aleksandr Stoletov基于赫茲（Heinrich Hertz）在1887年發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)組裝了光伏電池；1905年，艾爾伯特?愛(ài)因斯坦解釋了光電效應(yīng)；1946年，美國(guó)工程師Russell Shoemaker Ohl為結(jié)型太陽(yáng)能電池注冊(cè)了專(zhuān)利；研究最終還導(dǎo)致了晶體管的發(fā)明。

貝爾實(shí)驗(yàn)室在1954年因?yàn)殚_(kāi)發(fā)首個(gè)有效太陽(yáng)能光伏電池而知名。貝爾實(shí)驗(yàn)室使用擴(kuò)散半導(dǎo)體PN結(jié)為太陽(yáng)能電池帶來(lái)了效率的提升，但還不足以在具有成本效益的范圍內(nèi)生產(chǎn)。四年后，先鋒1號(hào)（Vanguard I）衛(wèi)星發(fā)射升空，外殼裝配了太陽(yáng)能電池以延長(zhǎng)衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間，通常任務(wù)時(shí)間由可用電池的壽命決定。結(jié)果證明太陽(yáng)能電池是有效的，因此集成到了當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)中，如貝爾實(shí)驗(yàn)室的Telstar衛(wèi)星。

太陽(yáng)能電池在此后的20年里發(fā)展很緩慢，直到?？松凸镜腅liot Berman在價(jià)格和效率方面取得突破。1969年左右，Berman首先注意到了太陽(yáng)能電池可以通過(guò)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造。不用從頭開(kāi)始切割打磨半導(dǎo)體，也不用抗反射涂層，半導(dǎo)體晶圓廢品的正面就具有抗反射性，只需要切割到合適的尺寸，加上印刷電路，用于抗反射表面就可以了。

Berman的辦法解決了兩個(gè)成本巨大的制作過(guò)程，而且讓硅片廢品得以廣泛回收利用。他意識(shí)到不需要完美的硅片，有少量瑕疵的廢棄硅片對(duì)太陽(yáng)能電池的性能影響不大。長(zhǎng)話短說(shuō)，1973年Berman和他的團(tuán)隊(duì)制成了成本為10美元/W的太陽(yáng)能電池板，售價(jià)則達(dá)到了20美元/W。

晶體硅太陽(yáng)能電池板

晶體硅（c-Si）太陽(yáng)能電池是目前應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能電池，主要因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/晶體硅">晶體硅具有穩(wěn)定性，效率能夠達(dá)到15%-25%。晶體硅有賴(lài)于基于大量數(shù)據(jù)的成熟的制程技術(shù)，而且總體上已經(jīng)被證明是可靠的。不過(guò)晶體硅吸收光線能力差，這可能是其超小型結(jié)構(gòu)的天生缺陷，因此必須相當(dāng)厚且堅(jiān)固。

一個(gè)基本的晶體硅電池包括7層（圖1），透明的粘著劑連著玻璃保護(hù)層，下面是抗反射涂層，確保所有的光線穿過(guò)硅晶體層。類(lèi)似于半導(dǎo)體技術(shù)，N層夾著P層，有兩個(gè)電接觸點(diǎn)：上層帶正電，下層帶負(fù)電。

通常晶體硅有兩種類(lèi)型：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч?。單晶硅?lái)自高純度的單晶體，切割自直徑為150mm的晶圓，厚度為200mm。而多晶硅更受歡迎，制造量更大，例如將硅切割成條狀再切成晶圓。無(wú)論哪一種，硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電量都約為0.5V，多個(gè)電池可以串聯(lián)依靠提高輸出電壓。

薄膜太陽(yáng)能電池板

即使采用廢棄硅片，考慮到其效率水平，硅晶圓并不一定成本低廉。薄膜太陽(yáng)能電池比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板更便宜，但效率也更低，光伏轉(zhuǎn)換率在20%-30%之間。

根據(jù)所采用的材料不同，典型的薄膜太陽(yáng)能電池可分為以下四類(lèi)：非晶硅（a-Si）和薄膜硅（TF-Si）；碲化鎘（CdTe）；銅銦鎵硒（CIS 或CIGS）和染料敏化太陽(yáng)能電池（DSC）加上其他天然材料。

薄膜太陽(yáng)能電池和硅晶體太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有太大不同，它包含六層（圖2）結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)下，透明涂層覆蓋著抗反射層，下面是PN結(jié)，然后再是接觸板和基底。很明顯，運(yùn)行原理（光伏）和晶體硅電池是一樣的。

圖2：薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)包含六層，與對(duì)應(yīng)的晶體硅結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大差別，運(yùn)行原理也同為光伏原理。

圖2：薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)包含六層，與對(duì)應(yīng)的晶體硅結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大差別，運(yùn)行原理也同為光伏原理。

可能有人會(huì)認(rèn)為，而且他們的想法也可能是對(duì)的，就是既然名字是薄膜電池，構(gòu)成是不是也比其他的電池技術(shù)更輕更薄。既然功能和結(jié)構(gòu)都一樣，唯一的不同就是薄膜和晶體硅太陽(yáng)能電池各層的厚度和靈活度以及光伏材料有區(qū)別：不是硅，那要么是碲化鎘（CdTe），要么是銅銦鎵硒（CIGS）。

硅VS薄膜

晶體硅技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間而且證明了是有價(jià)值的，薄膜技術(shù)仍然處于初始階段，但有潛力在同等的效率和可靠性條件下實(shí)現(xiàn)更低的成本。既然如此，應(yīng)該如何選擇？

晶體硅的優(yōu)勢(shì)在于高轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到12%-24.2%，高穩(wěn)定性、容易制造、高可靠性。時(shí)間是另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)：晶體硅模塊在70年代就已經(jīng)在生產(chǎn)了，單晶硅面板能夠耐受惡劣的環(huán)境，可用于太空飛行。

其他的優(yōu)勢(shì)包括耐熱性和低安裝成本。而且考慮到廢棄/循環(huán)利用的時(shí)間，硅對(duì)環(huán)境更友好。

缺點(diǎn)在于，就初始成本而言，晶體硅是最貴的太陽(yáng)能組件。而且太陽(yáng)能吸收因數(shù)很低，材料很脆且易碎。

而薄膜太陽(yáng)能電池比老式晶體硅太陽(yáng)能電池更便宜，可以在薄硅片上制備，更靈活且更容易處理。而且和晶體硅相比，不容易受外界沖擊而損害。

薄膜太陽(yáng)能電池組件的主要缺點(diǎn)在于效率低，這在有些應(yīng)用場(chǎng)合可以抵消其價(jià)格優(yōu)勢(shì)。它的結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，靈活的薄膜電池需要特別的安裝技巧，因此至少目前無(wú)法用于航天。

應(yīng)用

晶體硅和薄膜太陽(yáng)能電池板在很多應(yīng)用場(chǎng)合下都可以使用。根據(jù)他們的優(yōu)缺點(diǎn)，在要求高效率的場(chǎng)合下更多使用晶體硅電池，而薄膜電池常用于低成本和更靈活的場(chǎng)合。

晶體硅太陽(yáng)能電池板普遍用于能量收集系統(tǒng)和通用設(shè)計(jì)（圖3），還適用于特定的場(chǎng)合例如有荷蘭Nuon太陽(yáng)能團(tuán)隊(duì)制成的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的Nuna 6賽車(chē)（圖4）。

圖4：Nuna系列太陽(yáng)能車(chē)的最新版本Nuna 6采用1690塊單晶硅太陽(yáng)能電池，遍布整個(gè)車(chē)身。太陽(yáng)能電池和21kg重的鋰電池配合使用，效率為22%。

Nuna 6于2011年7月推出，是Nuna系列的最新款。它的1690個(gè)單晶硅太陽(yáng)能電池外殼面積達(dá)6m2。電池與21kg的鋰電池共同使用。Nuna的太陽(yáng)能電池的效率為22%。Nuna 6重145kg，比前一代輕了許多。

薄膜太陽(yáng)能電池板也可用于戶外的能量收集系統(tǒng)。

加州San Jose的SoloPower公司提供靈活的薄膜太陽(yáng)能電池組件，可用于商業(yè)樓頂層。組件由銅、銦、鎵、硒共同組成，并集成到靈活的太陽(yáng)能電池箔中（圖5）。這些面板比由玻璃包裹的晶體硅面板更輕，安裝也更快。

圖5：SoloPower靈活的薄膜太陽(yáng)能電池板比晶體硅電池板更輕，可以輕松安裝在商用樓樓頂。

總結(jié)

可能會(huì)感覺(jué)到目前的市場(chǎng)上，薄膜電池不僅正在追趕晶體硅電池組件，而且在各方面都將超