太阳能电池板：怎样把阳光变成电

模型展示什么

看一块晴天屋顶上的太阳能电池板，似乎什么也没有发生。没有嗡鸣，没有转动，也没有什么东西被消耗。然而，一条电缆从电池板背面通向墙上的箱子，而那个箱子能让电水壶烧开水。本展品沿着电流从水壶追溯到起点：玻璃下面一层比指甲还薄的硅。

左边是一幢平顶小房子，两个可倾斜支架上装着十块电池板。黑色电缆把它们的直流电沿前墙送到逆变器，再由另一条电缆经过电表，通向房后的电线杆。太阳沿南方天空的正午弧线移动，影子也随之移动。前排最右端的电池板是本展品仔细展示的对象：它可以拆开，下面有装着旁路二极管的接线盒，还可以把一片叶子放到其中一片电池上。

右边悬着一片电池的剖面，放大了数千倍。从上到下，可以看到银触点、刻有微小金字塔的表面上的深蓝色涂层、薄薄的 n 型层、包含固定离子和电场的结、厚厚的 p 型基底，以及背面的铝层。彩色线条代表光子。一个光子被吸收后，留下一个蓝色电子和一个红色空穴，电场把它们分开。

读数显示到达电池板的光、电池温度、有叶子遮挡的电池板功率、逆变器前后整个阵列的功率，以及被遮挡电池的发热功率。小图展示一块电池板的功率与电压的关系；红点是当前工作点，浅色虚线是同一电池板在 1,000 W/m²、25 °C 时的曲线，供比较。滑块可以改变太阳高度、支架倾角、电池温度，以及叶子覆盖一片电池的比例。还有一个开关可以移除旁路二极管。

模型中的电池板是常见的 60 片型，采用边长 156.75 mm 的 M2 电池片。其电气特性来自单二极管模型，参数按普通单晶电池板选取：在 1,000 W/m²、25 °C 时输出 307 W，相当于照到其 1.63 m² 面积上的阳光的 18.8%。下文说明了模型的简化之处。

一个剖面中的两种硅

纯硅的导电能力很差。每个原子把四个外层电子与四个相邻原子共享，室温下很少有电子能脱离束缚。电池制造者会有意改变这种情况。他们在薄薄的顶层加入少量磷。磷有五个外层电子，因此每个磷原子带来一个可在晶体中游动的多余电子。这一层称为 n 型，n 表示负电。厚基底则加入少量硼。硼只有三个外层电子，因此每个硼原子会在化学键中留下一个缺位。相邻电子可以跳入缺位，使缺位移到别处，因此缺位的行为像一个带正电的粒子。它称为空穴，这一层称为 p 型。

把两层放在一起，边界处立刻就会发生变化。n 侧多余的电子游动到 p 侧，填入那里的空穴。这样，边界附近的磷原子少了一个电子，成为固定的正离子，而边界另一侧的硼原子多了一个电子，成为固定的负离子。模型中带 + 和 − 符号的红蓝小球就是这些离子。它们无法移动，因为它们是晶体的一部分。

失去自由电子和空穴的薄层称为耗尽区。其正负离子之间形成电场，图中的橙色箭头从 n 侧指向 p 侧。电场阻止更多电子越过边界，使结达到平衡。PVEducation 在介绍 pn 结形成的章节中说明了这种平衡。结是电池中负责分离电荷的部分，剖面的其余部分负责把光送到这里，再把电荷取走。

光子怎样释放电子

光由称为光子的能量包组成。要使电子脱离硅的化学键，光子所带能量必须至少达到硅的带隙，即 1.12 电子伏特。这对应约 1,107 nm 的波长，处于近红外区。波长更长的光子直接穿过电池。波长更短的光子释放一个电子，多出的能量几乎立即变成热。450 nm 的蓝光光子携带 2.76 eV，因此其中约 1.64 eV 以热的形式损失在晶体中。

光子在什么位置被吸收，取决于它的颜色。蓝光在不到一微米的深度内就被吸收，位置非常靠近表面。红光和近红外光在被吸收前可以深入得多。模型中，蓝色线条停在 n 型层，绿色停在基底上部，红色则停在更深处。

被吸收的光子留下一个可以自由移动的电子，以及它原来位置上的空穴。如果没有力量把它们分开，它们就会随机游动，电子迟早会重新落入空穴。这叫复合，能量以热的形式损失。因此，在 p 型基底中产生的电子空穴对，必须在复合之前扩散到结处。一旦到达耗尽区边缘，电场就会接手。电场把电子向上拉入 n 型层，把空穴向下推入基底。模型中的白色闪光表示未能成功分离的电子空穴对，电池越热，这种闪光越多。

电场怎样把电子空穴对变成电流

分离出的电子聚集在 n 型层，空穴聚集在 p 型层，使电池正反面之间建立起电压。如果用导线连接正反面，电子就会经正面的细银栅线流出，沿焊带穿过负载，再回到背面的铝层，填入等候在那里的空穴。模型中导线上的蓝点显示这种流动。到达的光越多，产生的电子空穴对越多，电流也越大。

单片电池的电压很小。模型中的电池在未连接任何负载时约为 0.68 V，在最大功率点约为 0.55 V，此时输出 9.26 A 和 5.12 W。因此，电池板把 60 片电池串联起来：电压相加，最大功率点达到 33.2 V，空载时达到 40.8 V。

栅线必须很细，因为银会挡光。栅线之间也必须靠得很近，因为 n 型层很薄，会阻碍电子横向流动。折中方案是在电池表面布置梳状细线，再由三条较宽的主栅线汇集。模型中的电池板上可以看到这两种线。

电池为什么呈深蓝色

裸露的抛光硅呈亮灰色，会反射大量光。硅的折射率约为 3.9，空气中的平坦硅表面会反射约 35% 垂直入射的光。有两种办法可以减少反射。首先，把表面蚀刻成微小金字塔。从一个面反射的光线通常会射向相邻面，因此又有一次进入硅的机会。其次，在表面覆盖一层薄薄的透明膜，通常是氮化硅。PVEducation 解释了四分之一波长涂层的原理：从薄膜顶面和下方硅表面反射回来的光相差半个波长，相互抵消。对于折射率为 2.0 的薄膜和 600 nm 的光，合适的厚度为 600 ÷ (4 × 2.0) = 75 nm。这种抵消在光谱中部最有效，仍然反射回来的少量光大多是蓝光。这就是太阳能电池的颜色。

从电池片到电池板

电池板用多层材料包住电池片，在几十年里阻挡风雨。最上面是钢化玻璃，透明塑料把电池片黏合在玻璃上，背面用白色背板封闭。铝框把这套夹层结构固定在一起。打开导览的第二步，右侧电池板会逐层抬起，显示各层结构。

60 片电池串联，分成三组，每组 20 片。每组都在背面的接线盒中接有一个旁路二极管。正常日照下，二极管不起作用。它们在一片电池受到遮挡时才变得重要，遮阴一节会解释这一点。

太阳角度与余弦定律

阳光的功率首先取决于它要穿过多少空气。PVEducation 给出了直射光束的简单拟合式：I = 1,353 × 0.7^(AM^0.678) W/m²，其中 AM 即大气质量，表示光在大气中的路径长度与太阳位于头顶时路径长度之比。模型用 Kasten 和 Young 公式计算大气质量，并按 PVEducation 对晴天的建议，加入相当于直射光束 10% 的天空散射光。太阳位于头顶时，直射光束为 947 W/m²。太阳高度为 30° 时是 766 W/m²，10° 时仅为 431 W/m²，因为此时光穿过的空气是原来的 5.6 倍。

第二个因素是光照到电池板上的角度。如果光束偏离垂直方向 θ 角，它就会铺在更大的面积上，因此每平方米的功率按 cos θ 下降。这就是余弦定律。对于朝向太阳方位的电池板，θ 就是 90° 减去太阳高度再减去倾角，cos θ 等于 sin(太阳高度 + 倾角)。

以下是模型中的一些数值：

29° 各行对应首尔的冬日正午。首尔位于北纬 37.6°，正午太阳高度从 12 月约 29° 变到 6 月约 76°。约 30° 的固定倾角是兼顾全年的折中。六月太阳高度为 76° 时，同样的 33° 支架能接收 975 W/m²，因为夹角为 19°，余弦仍有 0.95。接近零度时，余弦对偏差不太敏感，远离零度时则下降很快，因此平放的电池板在冬季损失很大。

热电池板发电较少

热会降低电池电压。电池升温时，仅由热产生的电子和空穴增多，结反向漏回的电流也增大。PVEducation 给出的硅开路电压降幅约为每 °C 下降 2.2 mV，功率损失为每 °C 下降 0.4% 至 0.5%。模型采用每 °C 下降 2.2 mV，同时电流每 °C 小幅上升 0.05%，最终每升高一度损失 0.40% 的功率。

25 °C 时，电池板输出 307 W。45 °C 时输出 282 W，65 °C 时输出 257 W，减少 16%，最大功率点电压从 33.2 V 降至 27.8 V。在 0 °C 的寒冷晴天，同一块电池板输出 338 W。阳光下的电池板远比周围空气热。PVEducation 关于标称电池工作温度的页面给出，在光照为 800 W/m²、气温为 20 °C 且有微风时，典型电池板温度为 48 °C，因此电池板夏季的输出通常低于铭牌值。

一片叶子与旁路二极管

遮阴造成的影响比遮挡面积所暗示的更严重。全部 60 片电池通过同样的电流。遮住其中一片，其光生电流就会降低，但另外 59 片仍把全部电流推过它。被遮挡电池无法沿正常方向通过这个电流，于是被迫反向工作，开始消耗功率而不是发电。这就是 PVEducation 提醒注意的热斑。

旁路二极管为电流提供另一条路。每个二极管跨接在一组 20 片电池两端。当组内一片电池被遮挡，且整组电压将降到约 −0.45 V 以下时，二极管导通，大部分电流绕行。这一组被旁路，电池板用剩余三分之二继续工作。

在 25 °C、充足日照且叶子完全覆盖一片电池时，模型给出以下数值。有二极管时，被遮挡电池板在 21.7 V 下输出 200 W。仍有 2.6 A 流过被遮挡的电池组，6.7 A 流过二极管，被遮挡电池把 34 W 转为热。没有二极管时，电池板输出 163 W，整个串的电流 9.2 A 被迫通过被遮挡电池，使它处于反向击穿电压并以 139 W 发热。几平方厘米的面积耗散这么多功率，可能使玻璃开裂或背板烧焦。

十块电池板串联成一串，因此叶子也影响其余九块。逆变器寻找整个串输出功率最大的电压。模型中，无叶子时串功率为 3.07 kW，有叶子和二极管时为 2.96 kW，没有二极管时为 2.92 kW。部分遮挡是特殊情况。覆盖 30% 时，二极管才刚开始导通，电池仍受到很强的反向驱动，因此即使有二极管，模型也显示 101 W 发热功率。正因如此，电线杆或树枝造成的部分遮阴是已知的热斑成因。

从屋顶到电水壶

电池板产生直流电，住宅和电网使用交流电。US Department of Energy 将逆变器描述为执行这种转换的箱子。它还有第二项任务：不断改变电池串的工作电压，寻找最大功率点，也就是图上的红点。模型逆变器损失 3%，住宅持续用电 0.5 kW。在正午设置下，阵列输出 3.07 kW 直流功率，逆变器在 220 V 下输出 2.97 kW，住宅使用 0.5 kW，另有 2.47 kW 经电表送出。

组串式逆变器是最简单的配置，但整个串共用一个电流，因此一块电池板出问题会使其他电池板损失部分功率。DOE 页面还介绍了装在每块电池板上的微型逆变器，它们能避免一块受遮挡电池板拖累其余电池板，但成本较高。

电池效率能有多高？

单结电池有些损失无法避免。能量低于带隙的光子完全不被吸收，高于带隙的光子则把多余能量变成热。Shockley 和 Queisser 在 1961 年算出了单结的最佳可能表现。Rühle 在 2016 年按标准 AM1.5 光谱计算的表格，把最高值定为带隙 1.34 eV 时的 33.16%。硅的 1.12 eV 略低于最佳带隙，按相同推理得到的极限接近 33%。真实硅还存在这些理想数值未计入的俄歇复合。

真实电池的纪录由 National Laboratory of the Rockies（NLR，原名 NREL）在 Best Research-Cell Efficiency Chart 中记录，该图仅收录经独立测试实验室确认的结果。图的数据表中，最佳晶体硅电池效率为 28.1%，是 Trina Solar 的异质结背接触电池，测量于 2026 年 3 月。在硅上叠加钙钛矿层可达 35.2%（LONGi，2026 年 2 月），超过单结极限，因为两个结分担了光谱。图中最高值是 Fraunhofer ISE 四结电池在聚光下达到的 47.6%。研究电池面积小、制造精细；模型电池板的 18.8% 是屋顶电池板的典型水平。

模型省略了什么

• 「太阳高度」滑块把太阳固定在正午正南方，电池板朝向它。「太阳与一天」标签页按任意日期和时间把太阳移到真实位置，但天空模型不变。
• 天空始终晴朗。没有云、霾和尘埃，散射光固定为直射光束的 10%。
• 电池温度由滑块设定。真实电池受光照会升温，受风吹会冷却。
• 十块电池板采用相同电池。真实电池板之间有百分之几的差异，会使电池串损失少量功率。
• 忽略了大入射角下玻璃的反射，因此太阳很低时，模型高估输出。
• 剖面不按比例绘制。真实电池约 0.2 mm 厚，n 型层不足一微米，耗尽区更薄。光子、电子和空穴只是示意符号；真实电池在充足日照下，每秒约有 6 × 10¹⁹ 个电子绕电路流动。
• 逆变器损失固定为 3%，住宅负载恒定为 0.5 kW。

从贝尔实验室到屋顶

American Physical Society 的太阳能电池史从 1839 年开始，当时 Edmond Becquerel 观察到，溶液中的金属电极受光照后产生微小电流。1883 年，Charles Fritts 用硒制成最早的太阳能电池，但它把不到 1% 的光转换为电。1954 年 4 月，Bell Labs 的 Daryl Chapin、Calvin Fuller 和 Gerald Pearson 展示了第一种实用硅电池。其效率约为 6%，他们用它驱动玩具摩天轮和无线电发射机。几年后，硅电池就开始为卫星供电。模型电池与 1954 年电池的原理相同，都是 n 型硅与 p 型硅之间的结，只是又经过了 70 年的改进。

一块 400 W 电池板一天产生多少能量？

瓦特衡量某一时刻的功率，千瓦时衡量随时间累积的能量。400 W 铭牌并不承诺从日出到日落持续输出 400 W。举个计算例子，假设首尔朝南屋顶的电池板平面一天接收 3.5 kWh/m² 的太阳辐照量。这是教学用假定值，不是首尔实测年平均值，也不是预报。除以参考辐照度 1 kW/m²，得到 3.5 个等效满日照小时。它把变化的日照压缩为总能量，并不是太阳高于地平线的小时数。

不计损失，估算值为 0.400 kW × 3.5 h = 1.40 kWh。对于另一块假设的现代电池板，假定功率温度系数为 −0.35%/°C。这个系数属于本例，不是展品中那块响应约为 −0.40%/°C 的 307 W 电池板。电池温度为 45 °C 而非参考的 25 °C 时，温度因子为 1 − 0.0035 × (45 − 25) = 0.93。估算变为 1.40 × 0.93 = 1.302 kWh 直流电能。再采用展品假定的 97% 逆变器效率，得到 1.263 kWh 交流电能，四舍五入为 1.26 kWh。

这个计算把电池温度视为全天恒定，并忽略线路和污垢损失。实际温度会随辐照度变化，因此逐小时气象计算更合适。不要再次乘以电池板效率：400 W 额定值已经包含从阳光到电功率的转换。对于真实的首尔安装项目，要用带日期、针对地点的阵列平面辐照量替换 3.5，并采用制造商的温度系数。气象站水平面测量值不会自动等同于倾斜屋顶接收的辐照量。

叠层为什么不只是再加一层涂膜

本展品的蓝色减反射膜不是另一片太阳能电池。它减少反射，却不收集独立电流。钙钛矿／硅叠层则增加了具有自身电学结的光伏吸收层。上层吸收体利用较高能量的光子，并让较低能量的光透到下方硅中。这使不同带隙分担光谱，减少限制单结效率的热化损失。

US Department of Energy 把金属卤化物钙钛矿描述为成分可调的薄膜吸收体。其光吸收特性适合与硅配合，但仅把有用的层叠起来还不够。串联叠层的两个子电池必须通过相同电流。如果上层吸收太多下层需要的光，下层就可能电流不足。透明触点也必须在不浪费太多光的情况下导电。

因此，实验室效率纪录回答的问题，比屋顶产品是否已准备就绪更窄。比较效率百分比之前，先比较受光面积以及结果是否使用聚光。封装和长期稳定性也很重要：DOE 指出，耐久性和规模化制造仍是钙钛矿面临的挑战。研究电池效率图衡量的是规定条件下的转换表现，并不证明其中每项技术都能在室外保持数十年的性能。

电池板不会在质保到期日停止工作

阴天天空仍提供散射光，尽管厚云可能大幅降低输出。这里的晴空控制无法重现某个特定阴天。降低「太阳高度」会同时改变大气路径长度和入射角，所以它不是云层不透明度控制。同样，「电池温度」改变的是电学响应，而不是天气。应把它们视为不同实验，而不是复现当地预报的方法。

老化与炎热下午不同。温度导致的功率下降，大部分会在电池板冷却后恢复。长期衰减可能涉及受损的封装或电气连接，不会等到傍晚就消失。NLR 的 Photovoltaic Lifetime Project 报告称，组件每年性能损失往往不到 1%，同时强调，使用初期很难把缓慢变化与测量不确定性区分开。这不是对所有组件或气候的保证值。

仅作算术示例，假设每年保留率恒定为 0.995。25 年后，在相同测试条件下，电池板保留起始功率的 0.995^25 ≈ 0.882，即 88.2%。实际老化不一定沿这条曲线发展，突然的部件故障也不同于逐渐衰减。性能质保设定合同条件，不是让硅停止工作的定时器。更换逆变器也不一定意味着更换全部电池板。

屏幕上的三组比较

先把「太阳高度」设为 60°，「电池板倾角」设为 30°，「电池温度」设为 25 °C，「单片电池上的叶子」设为 0%。保持「旁路二极管」开启。此时电池板正对光束。只把「电池板倾角」改为 0°，比较「组件功率」。「太阳高度」没有改变，因此大气并没有变厚；差别主要来自电池板朝向。冬季比较可用太阳高度 29°、电池板倾角 61°，这是光束垂直照到电池板的几何最优角度。

接着恢复起始角度，比较「电池温度」为 25 °C 和 65 °C 的情况，观察功率电压曲线向低电压方向移动。最后恢复 25 °C，用「单片电池上的叶子」完全遮住电池，切换「旁路二极管」的关和开。同时比较「遮挡电池发热」和「组件功率」：恢复有用输出不代表被遮挡电池变冷。部分覆盖时，在 30% 重复比较。这些控制说明，旁路保护会降低危险，但不会让所有阴影都变得无害。

功率曲线上的两个峰

在「控制」标签页打开「I-V 测试台」，电池板就按实验室方式接受测试。黑线表示电流与电压的关系。不接任何东西时，电池板处于开路电压，在 25 °C 充足日照下为 40.8 V，没有电流。把两条电缆短接，0 V 时电流为 9.8 A。两端都没有功率，因为功率等于电压乘电流，而其中一个为零。橙线就是这个乘积。它从零上升，在 33.1 V 达到 307 W 峰值，然后陡降，在 40.8 V 再次归零。峰顶就是最大功率点。填充因子把它与矩形 40.8 V × 9.8 A 相比较：307 ÷ 400 ≈ 0.77。PVEducation 将它描述为衡量 I-V 曲线接近矩形程度的指标。

逆变器并不知道峰顶在哪，必须尝试寻找。最简单的方法叫扰动观察法：稍微改变电压，观察功率是否增加；增加就继续，否则反向。测试台中的跟踪器从略低于开路电压处开始，像许多逆变器早晨启动时一样，每次变化该电压的 1.2%。对于无遮挡电池板，它爬上唯一的峰，然后在峰顶附近来回摆动。

一片叶子会改变峰形。遮住一片电池的 60%，它所在的 20 片电池组就无法通过全部电流。低于约 3.9 A 时，被遮挡电池仍能跟上，因此曲线右侧几乎不变。超过这个值，电池被反向驱动，直到所在组的旁路二极管导通，此后电池板仅用三分之二电池工作。功率曲线不再只有一个峰。从右边走来，先遇到的是 38.7 V、151 W 的峰；最高峰在左侧，为 21.6 V、200 W。从右边开始的跟踪器爬上首先遇到的峰，就停在那里，因为从 151 W 附近迈出任何小步都会使功率下降。按「全范围扫描」，测试台会尝试 0 至 40.8 V 的每个电压，然后把跟踪器移到更高峰。PVEducation 关于失配影响的页面解释了原因：串联电池中，输出最低的电池限制其余所有电池。

把测试台切换到十块电池板串，几乎看不到同一片叶子的影响。被旁路的一组 20 片电池只占串中 600 片电池的 1/30，因此串仍只有一个约 2.96 kW 的峰。模型只能遮挡一片电池；真实屋顶上，多块电池板受到不同程度遮挡时，串可能出现多个峰。

「单片电池」视图以毫安每平方厘米绘制电流密度，这是研究电池报告使用的单位。模型电池的短路电流密度为 39.9 mA/cm²（9.8 A 分布在 245.7 cm² 上）。在目录中打开纪录电池，其曲线会以灰色画在模型曲线旁，形状根据 NLR 数据表中的开路电压、电流密度和填充因子生成。

太阳在哪里：NOAA 方程

「太阳高度」滑块把太阳保持在正南方的正午弧线上。「太阳与一天」标签页则使用 NOAA Global Monitoring Laboratory 太阳计算器的同一组方程，按选定地点、日期和钟表时间，把太阳放到真实位置。这些方程基于 Jean Meeus 的 Astronomical Algorithms。

计算从日期开始，先转为儒略日，再转为自 2000 年 1 月 1 日正午起的儒略世纪数。由此计算太阳平黄经和平近点角、中心差（对地球椭圆轨道的修正）、太阳视黄经，以及目前为 23.44° 的地轴倾角。再由后两个角得到赤纬，即太阳位于赤道以北或以南的角度。2026 年 12 月 21 日，赤纬为 −23.44°。

时差是日晷与钟表时间之差。12 月 21 日为 +2.1 分钟，太阳比钟表平均时间快两分钟。首尔又位于东经 127°，在其时区采用的 135° 经线以西 8°，每一经度相当于四分钟。合起来，太阳在首尔过中天的时间为 12:30，而不是 12:00。钟表为 12:00 时，时角仍偏东 7.5°，太阳在地平线上方 28.6°，方位角为 172.2°，即正南偏东 8°。NOAA 最后一步加入大气折射，在这个高度约为百分之几度，在地平线附近约半度。日出和日落定义为太阳中心位于地平线下 0.833° 的时刻，得到首尔当天的 07:43 和 17:17。

本展品实现的方程曾与 NOAA 页面的代码在六组地点和时间下核对，范围从首尔到特罗姆瑟和悉尼：高度角与方位角的误差小于万分之一度。

完整的晴天

知道每分钟太阳的位置后，一天的能量就是求和。展品每五分钟按该太阳高度计算直射光束（仍用前面的大气质量公式）、计算光束与电池板的夹角，此时也计入方位差，再加入 10% 散射光，并求出电池板最大功率。「太阳与一天」图表绘出从午夜到午夜的结果，曲线下的面积就是一天的能量。

12 月 21 日，首尔朝南且倾斜 33° 的单块电池板在晴天产生 1.36 kWh，十块电池板阵列经过逆变器后输出 13.2 kWh。平放在屋顶时，同一电池板产生 0.76 kWh。仅针对当天的最佳倾角是 62°，几乎正对低矮的冬日太阳，可产生 1.55 kWh。6 月 21 日情况反转：太阳升至 76°，30° 电池板产生 2.37 kWh，当天最佳倾角仅为 2°。固定安装必须为全年选择同一个倾角，因此最终会落在这两个极端之间。

移动「电池板朝向」滑块，屋顶阵列就会转动。在首尔，30° 倾角的朝东阵列，12 月 21 日能量为朝南阵列的 54%，但 6 月与朝南阵列相当，因为夏日太阳从东北升起，整个上午位于其前方。

高纬北方的一天完全不同。位于北纬 69.65° 的特罗姆瑟，12 月 21 日太阳全天不出地平线，阵列不发电。6 月 21 日太阳永不落下：当地夏令时午夜，太阳仍在北方地平线上方 3.7°，朝南电池板产生 2.58 kWh，略多于首尔，因为太阳持续照耀 24 小时。

制造硅电池的六种方式

右侧剖面最初按经典电池绘制：p 型硅片、顶部掺磷发射层，以及背面整体烧结的铝，后者形成称为背表面场的重掺杂层。US Department of Energy 指出，这类铝背表面场（Al-BSF）电池占据市场主导地位，直到约 2018 年被 PERC 超过，目前又正在转向硅异质结和 TOPCon 等 n 型电池。「电池剖面」标签页会为每种设计重建剖面。

PERC（钝化发射极和背面电池）在背面铺上氧化铝与氮化硅组成的薄介电层。裸硅表面是电子和空穴相遇并损失的位置，介电层使其钝化。铝现在只通过小开口接触硅。

TOPCon（隧穿氧化层钝化接触）进一步改进背面。开发这种接触的 Fraunhofer ISE 将其描述为掺杂硅薄层下面的超薄隧穿氧化层；工业电池的氧化层通常厚 1 至 2 nm，多晶硅约 80 nm。氧化层薄到能让多数载流子，在这里是电子，通过隧穿穿过，同时使其他载流子远离金属。硅片为 n 型，正面发射层通过硼扩散形成，因此各层作用交换：剖面中，空穴现在流向正面栅线，电子流向背面。

异质结电池在 n 型硅片两面涂覆极薄的非晶硅层，紧贴硅片的是未掺杂层，外侧是掺杂层，然后加上氧化铟锡等透明导电氧化物。Forschungszentrum Jülich 只列出四个工艺步骤，并指出非晶层必须保持在约 200 °C 以下，因此银浆在此温度固化，而不是烧结。其异质结电池每升高一度的功率损失不到 0.3%，相比之下，本模型电池约为 0.4%。

背接触电池（IBC，叉指式背接触）把全部金属移到背面。硅片下面交替排列 n+ 和 p+ 硅条，各有自身触点，因此正面没有遮光栅线。Department of Energy 指出它们较难制造。NLR 表中效率为 28.1% 的最佳硅电池，把这种布局与异质结层结合起来。

硅上钙钛矿在顶部叠上第二片电池。钙钛矿吸收蓝光和绿光，每个光子产生的电压较高；红光和近红外光穿过它，到达下方硅。两片电池由薄复合层连接，通过相同电流。剖面中，钙钛矿是其传输层之间的深棕色带。

剖面夸大了每层厚度。真实 TOPCon 电池的隧穿氧化层厚度约为硅片的十万分之一。

怎样读效率表

目录按 NLR（原名 NREL）数据表列出每类最佳电池，对应效率图中每一行的一项。每项纪录给出效率、测量月份、制造团队，大多数还给出确认结果的独立测试中心（ISFH、NREL、Fraunhofer ISE、JRC-ESTI 等）。开路电压、短路电流密度和填充因子相乘得到效率：在标准 100 mW/cm² 光照下，百分比效率等于 Voc × Jsc × FF。27 项纪录中，19 项提供全部三个数值，其中 18 项的乘积与所列效率差异不超过 2%。只有这些项目会在 I-V 测试台上显示曲线。

面积也说明不同情况。最佳钙钛矿电池效率为 28.0%，面积只有 0.051 cm²，宽度仅几毫米。最佳 TOPCon 电池效率为 26.68%，却是一整片 350 cm² 硅片。聚光纪录在多倍太阳光下测量：Fraunhofer ISE 效率为 47.6% 的四结电池，面积为 0.0452 cm²，工作光强为阳光的 665 倍。模型电池板的 18.8% 则是普通阳光下整个组件的效率，包括边框、间隙和焊带。

太空和沙漠中的太阳能电池

太阳能电池先进入太空，后登上屋顶。1958 年 3 月 17 日发射的 Vanguard 1 是第一颗太阳能卫星，NASA 指出，它至今仍是在轨最古老的人造物体。国际空间站在约 2,500 m² 的阵列上有 262,400 片电池；四组阵列提供 84 至 120 kW，空间站处于阳光中时，其中约 60% 用于充电，以供每圈轨道的阴影段使用。

离太阳越远，光越弱。木星距离太阳约为地球的五倍，因此阳光约弱 25 倍。Juno 的三块 9 m 阵列装有 18,698 片电池，在地球距离可输出约 14 kW；在木星，NASA 新闻资料给出的数值约为 400 W。火星上的 InSight 在 2018 年着陆后，阵列每火星日产生约 5,000 Wh；到 2022 年春天，尘埃使其降至约 500 Wh。

地面最大电站以吉瓦计量。距阿布扎比约 35 km 的 Al Dhafra 使用近 400 万块双面晶体电池板；运营方 EWEC 列出的交流容量为 1.5 GW，开发商 Masdar 列为 2 GW。阿布扎比 Sweihan 的 Noor Abu Dhabi 在 7.8 km² 上装有约 320 万块电池板。在目录中打开任一电站，会把「太阳与一天」移到阿布扎比，那里 12 月 21 日冬日正午太阳高度为 42°。