光伏电池的转换效率与哪些因素有关？

光伏电池的转换效率（即光能转化为电能的比例）受材料特性、结构设计、制造工艺、工作环境等多方面因素影响，以下是具体解析：

一、材料特性

材料的物理属性直接决定光子吸收能力和电荷传输效率，是影响转换效率的核心因素。

1. 禁带宽度

• 禁带过宽（如大于 1.6 eV），只能吸收高能量光子（短波长），低能量光子（长波长）无法被利用；

• 禁带过窄（如小于 1.1 eV），高能量光子的能量会以热的形式损失。

• 半导体材料的禁带宽度需与太阳光谱匹配：

• 理想范围：1.1–1.4 eV（单晶硅禁带宽度约 1.1 eV，TOPCon/HJT 等新型电池接近 1.2 eV）。

2. 少子寿命

• 少子（如 N 型硅中的空穴）寿命越长，电荷复合概率越低，电流损失越小。

• 高质量硅片（低杂质、低缺陷）可显著提升少子寿命（如 N 型硅片少子寿命可达 1000 μs 以上）。

3. 光吸收系数

• 硅对短波长蓝光吸收强（表皮效应明显），对长波长红光吸收弱（需增加硅片厚度）。

• 新型材料（如钙钛矿，吸收系数是硅的 10 倍以上）可通过更薄的层厚吸收更多光能。

• 材料对不同波长光的吸收能力差异大：

二、电池结构设计

优化结构可减少光学损失和电学损失，提升效率。

1. 减反射层

• 表面镀膜（如 SiO₂、SiNₓ）降低光反射率（理想减反射膜可将反射率降至 1% 以下），增加入射光量。

2. 钝化层

• 电池表面钝化（如 TOPCon 的超薄氧化硅层、HJT 的非晶硅层）可降低表面缺陷导致的电荷复合，提升开路电压（Voc）。

3. 电极设计

• 主栅线与细栅线：细栅线（宽度＜30 μm）减少遮光面积，主栅线优化电流收集效率；

• 背接触结构（如 IBC、TOPCon 背面全接触）避免正面电极遮光，提升短路电流（Isc）。

4. 叠层结构

• 多结电池（如硅基 + 钙钛矿叠层）通过不同禁带宽度材料分层吸收光谱，突破单结电池的 Shockley-Queisser 效率极限（单晶硅理论极限约 29.4%，叠层电池理论可达 35% 以上）。

三、制造工艺

工艺精度决定电池内部缺陷密度和性能一致性。

1. 掺杂均匀性

• 结深过浅（＜0.3 μm）易受表面复合影响；结深过深（＞0.5 μm）增加串联电阻。

• 扩散工艺（如磷扩散、硼扩散）控制掺杂浓度和结深：

2. 表面织构化

• 硅片制绒（如金字塔结构）增加光散射路径，提升长波光吸收（反射率可从 30% 降至 10% 以下）。

3. 薄膜沉积质量

• 钝化层或减反层的厚度、致密度误差（如 SiNₓ厚度偏差＞5%）会导致光学性能不均，影响效率一致性。

4. 缺陷控制

• 生产过程中的杂质污染（如金属离子）、机械损伤（如裂纹）会形成复合中心，降低少子寿命。

四、工作环境

环境因素通过影响材料性能或运行状态间接降低效率。

1. 温度

• 标准测试条件（STC，25℃）下效率为 23%，实际工作温度（如 50℃）时效率可能降至 21% 以下。

• 硅基电池效率随温度升高而下降（温度系数约 - 0.34%/℃）：

2. 辐照强度

• 低辐照条件（如阴天，＜200 W/m²）下，长波光占比增加，PERC 电池效率下降明显，而 TOPCon/HJT 因弱光性能更佳，效率降幅较小。

3. 灰尘与遮挡

• 表面积灰可使组件效率下降 5%–20%，局部遮挡（如树叶、鸟粪）会引发热斑效应，进一步降低发电能力。

五、其他因素

1. 光谱匹配

• 不同地区太阳光谱分布差异（如高海拔地区紫外光更强）影响电池响应，钙钛矿 / 硅叠层电池对宽光谱的适应性优于单一硅基电池。

2. 衰减特性

• 初始光致衰减（如 PERC 电池的硼氧复合衰减，首年衰减约 2%）和长期老化（每年衰减约 0.3%）会导致效率逐年下降。

总结：提升效率的技术路径

• 扬州宝立迪新能源有限公司材料创新：发展钙钛矿、HJT、TOPCon 等高效电池技术；

• 结构优化：背接触、叠层设计、无主栅（MBB）等降低光学 / 电学损失；

• 工艺升级：高精度掺杂、原子层沉积（ALD）等提升薄膜质量；

• 环境适配：开发耐高温、抗衰减的钝化技术，优化组件散热设计。

当前主流 PERC 电池量产效率约 23%–24%，TOPCon/HJT 可达 25%–26%，而钙钛矿 / 硅叠层电池实验室效率已突破 33.9%，未来效率提升空间显著。