晶硅光伏的由来

晶硅光伏亦有两条路线。一是多晶路线，即由多晶硅先制成多晶硅锭，再切片成多晶硅片；二是单晶路线，即由多晶硅先制成单晶硅棒，再切片成单晶硅片。后在此基础上加工成单晶/多晶硅电池片、组件，最终与逆变器等其他设备一起组装为光伏发电系统。相比多晶硅锭，单晶硅棒由晶体取向相同的晶粒组成，因此具有更为高效的导电性和转换效率。随着技术进步，单晶硅棒路线已经代替多晶硅锭路线成为市场的主流选择。根据 CPIA，截至 2023 年底，单晶技术路线的市场份额达 99.2%，多晶占比仅 0.8%。因此，后文非特别指明，我们所讨论的均为单晶路线的晶硅光伏。

图片来源：光伏研习社

在此，我们先对晶硅光伏的发电原理进行简单的说明：

光伏发电的核心原理是“光生伏特效应”，即在光照条件下，硅半导体内部会产生电位差，从而将光能转换为电能。

硅原子最外层拥有 4 个价电子，在单晶结构中，每个硅原子都和另外 4 个硅原子相连，并且彼此共用一对电子。这种共用电子对的结构称为“共价键”。在受到光照射后，价电子挣脱原子核成为自由电子，相应得，共价键中失去一个电子，留下一个“空穴”。

自由电子和自由空穴统称为“载流子”。但在纯净状态下，硅的自由电子和空穴浓度极低，为了增强导电性，需要在纯硅中掺杂其他元素。

N 型半导体（N 取自于 Negative，由于电子带负电而得名）：在硅晶体中掺入少量五价元素（如磷元素）。硅原子被磷原子取代，磷原子最外层的五个电子其中四个与周围的硅原子形成共价键，多出一个电子不受束缚，成为自由电子。含电子浓度较高的半导体称为 N 型半导体，其导电性主要由自由电子产生。由于磷元素等在半导体材料中能提供一个电子，因此它们也称为施主杂质。

P 型半导体（P 取自于 Positive，由于空穴带正电而得名）：在硅晶体中参入少量三价元素（如硼元素）。硅原子被硼原子取代，硼原子最外层的三个电子与周围的硅原子形成共价键，但多出一个“空穴”（相当于“正电荷”）。含“空穴”浓度较高的半导体称为 P 型半导体，其导电性主要由“空穴”产生。由于硼元素等在半导体材料中能提供一个空穴，这个空穴可以吸引别的电子，而在其他的位置形成另一个空穴，因此又被称为受主杂质。

图片来源：光伏研习社

由于 N 型半导体多了电子，P 型半导体多了空穴，当 N 型和 P 型半导体靠近在一起时，其交界处出现电子和空穴的浓度差，导致 N 区的电子向 P 区扩散，P 区的空穴向 N 区扩散。作为结果，N 区失去电子后会带正电，P 区失去空穴后会带负电，从而形成一个由 N 指向 P 的“内电场”。显然，电场方向与“电子-空穴”扩散方向相反，从而阻止扩散的继续。最终，N 区与 P 区中间形成动态平衡区，称为“PN 结”。

而当太阳光照射到“PN 结”上时，部分电子挣脱原子核成为自由电子，即生成更多“电子-空穴对”，生成的电子和空穴会被电场分离。在 PN 结内部，电场使得电子向 N 型半导体移动，使得空穴向 P 型半导体移动，这个过程导致 PN 结两侧形成电势差。通过外接电路，电子和空穴可以流动形成电流，从而实现“光生伏特效应”。