光伏電池新技術(shù)如何惠及能量收集

如今，大約85%的光伏(PV) 電池是由硅制造的，因為硅非常適合用來將光轉(zhuǎn)化為電，儲量也很豐富，而且采用硅制造的光伏電池可以借助集成電路 (IC) 行業(yè)開創(chuàng)的晶圓制造技術(shù)實現(xiàn)批量生產(chǎn)。然而，硅也有它的缺點：最高效率只能達到33%左右，加工過程需要采用高耗能的高溫工藝，并且成品易碎。

為解決硅存在的問題，多種光伏新技術(shù)應(yīng)運而生，包括將砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵 (GaP)、鈣鈦礦 (CaTiO) 等化合物半導(dǎo)體新材料運用到光伏電池中，以及新型聚光光伏 (CPV) 架構(gòu)，還有采用多結(jié)、薄膜和大晶體，具備高能效和高耐久性的裝配技術(shù)。

雖然硅光伏電池由于生產(chǎn)規(guī)模大、價格下跌等因素，依然會主導(dǎo)大規(guī)模光伏電站領(lǐng)域，但上述光伏新技術(shù)依然能夠運用到某些特定應(yīng)用中，例如無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器就可以借助高效、緊湊、耐用、廉價的光伏技術(shù)收集太陽能，為設(shè)備電池充電。這樣的技術(shù)無疑為物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 的推廣帶來了福音，讓無線傳感器能夠在只需極少維護乃至完全無需維護的情況下可靠運行。

本文將探討光伏電池的工作原理、硅的作用、硅作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體的優(yōu)缺點，以及新型半導(dǎo)體材料、架構(gòu)和裝配技術(shù)的潛力。

光伏過程

雖然深入了解光伏（也稱光電）過程需要熟悉量子力學(xué)，但光伏電池的基本工作原理還是相對簡單的：它利用的就是半導(dǎo)體中的PN結(jié)。在N型半導(dǎo)體中，電流的載體是電子；而在PN結(jié)另一側(cè)的P型半導(dǎo)體中，電流的載體是電子之間的“空穴”。

當(dāng)一個較窄波長范圍內(nèi)的光子進入半導(dǎo)體晶體基體時，有一定概率會被N型半導(dǎo)體中與原子結(jié)合的電子吸收，使該電子具有足夠的能量從母原子逃逸出來，于是N型一側(cè)多余的電子會擴散到P型一側(cè)與空穴重新結(jié)合，這就在PN結(jié)上產(chǎn)生了電位差。此時將導(dǎo)電回路連接到PN結(jié)兩側(cè)，便會有直流電流 (DC) 流過回路（圖1）。

圖1：單結(jié)光伏電池的工作原理：具有適當(dāng)能量的光子激發(fā)電子逃逸，該電子穿過PN結(jié)產(chǎn)生電位差（圖源：英語維基百科的Cyferz）

在實際應(yīng)用中，太陽能電池由成千上萬個PN結(jié)組成，使產(chǎn)生的電流大大增加。在商用產(chǎn)品中，這些電池將會組合成模塊，再由模塊組合成面板。光伏電池產(chǎn)生的直流電可通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，然后用來?zhí)行具體工作或者直接輸入到電網(wǎng)中（圖2）。

圖2：光伏電池組合成模塊，模塊再組合成面板，面板構(gòu)成最終產(chǎn)品（圖源：維基百科）

第一代光伏電池：單結(jié)硅光伏電池

第一代光伏面板主要由晶體硅 (c-Si) 制成。硅之所以得到大量采用，得益于其光伏性能良好并且易于獲得。硅的儲量非常豐富（占地殼所含元素的28%），其相關(guān)制造技術(shù)和設(shè)施也可以直接從芯片行業(yè)沿用。然而，面向光伏面板的大規(guī)模硅晶圓加工過程存在能耗顯著、工藝復(fù)雜、成本高昂的缺點。

硅光伏電池的全球產(chǎn)能較高，這在一定程度上緩解了成本問題。此外，多國政府還通過發(fā)放補貼來刺激光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，降低對化石燃料發(fā)電的依賴性，這也推動了硅光伏面板得到更廣泛應(yīng)用。可即便如此，對于許多特定應(yīng)用而言，這項技術(shù)還是太過昂貴了。

硅的優(yōu)勢：效率和禁帶寬度

對光伏技術(shù)而言，硅可以帶來多種優(yōu)勢。首先，硅具有不錯的光伏效率。此處所說的效率是指光伏電池接收的陽光強度與其產(chǎn)生的能量之比。當(dāng)太陽直射地面時，每平方米地面平均會接受約1100W能量。如果一塊面積1m2、效率10%的光伏面板暴露在這樣的陽光下，那么它將輸出約110W的能量。

限制半導(dǎo)體最高效率的關(guān)鍵特性是其禁帶寬度。禁帶寬度是使一個電子從原子中逃逸并進入“導(dǎo)帶”所需的能量，單位是電子伏特 (eV)。1eV約等于1.602×10?19J。

光子的能量由其波長決定，波長較短（頻率較高）的光子能量也較高。許多光子在進入晶體硅的晶格后，其所攜帶的能量并不足以使電子逃逸，這些光子除了讓晶體硅材料溫度升高外，幾乎不起任何作用。如果光子攜帶的能量大于越過禁帶寬度所需的能量，那么它可能會使一個電子逃逸，但多余的能量依然會作用到升高晶體硅溫度上，無法得到利用。

1961年，William Shockley和Hans-Joachim Queisser計算了一定的禁帶寬度范圍內(nèi)單結(jié)（僅包含一個PN結(jié)）光伏電池的理論最高光伏效率（圖3）。根據(jù)計算結(jié)果，單結(jié)光伏電池的最佳禁帶寬度為1.13eV，其最高效率約為33%。硅的禁帶寬度經(jīng)證實為1.10eV，非常接近最佳數(shù)值。

圖3：Shockley和Queisser計算得出的單結(jié)光伏電池禁帶寬度和最高效率之間的關(guān)系。硅的禁帶寬度為1.1eV。（圖源：維基百科）

硅的缺點：晶體大小、加工能耗、效率和易碎性

然而，硅并不是一種完美的光伏電池材料。例如，禁帶寬度事實上并非決定效率的唯一因素，晶體大小也會顯著影響效率。如果一種半導(dǎo)體材料由很小的晶體構(gòu)成，它的內(nèi)部就會存在大量晶體界面，阻礙電子遷移，從而限制電流流動，進而降低效率。

此外，硅還存在以下幾種缺點，進一步導(dǎo)致它不能成為理想的光伏電池半導(dǎo)體：

最高理論效率只有33%。實際應(yīng)用中，即便是最優(yōu)秀的商用晶體硅光伏面板，也只能達到約24%的效率，超過四分之三的太陽能都浪費掉了。

易碎，需要沉重的玻璃板來提供機械支撐，增加了重量和成本。

加工過程需采用復(fù)雜的高耗能高溫工藝。

固有成本高，如果供應(yīng)受到限制，并且/或者補貼被取消，實際應(yīng)用中就可能出問題。

光伏技術(shù)的新發(fā)展

在過去幾年中，第二代光伏產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，第三代技術(shù)也已經(jīng)進入研發(fā)階段。第二代和第三代技術(shù)基于成熟的硅技術(shù)，尤其是廣獲認(rèn)可的支持基礎(chǔ)設(shè)施——如隔離器、電表、控制器和逆變器等。這些技術(shù)在很大程度上獨立于光伏技術(shù)，同時解決了硅技術(shù)的一些缺陷。

第二代光伏技術(shù)

第二代光伏面板的關(guān)注重點是安裝在玻璃、塑料或金屬基板上，厚度為納米到微米級的光伏材料層。這些“薄膜”光伏 (TFPV) 電池（由于PN結(jié)數(shù)量更多，所以也稱為“多結(jié)”產(chǎn)品）在制造過程中的成本和能耗更低，使用的材料更廉價，重量也更輕，適合應(yīng)用于能夠貼在窗戶上的半透明光伏貼面材料（圖4）。

圖4：多結(jié)薄膜光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖源：NREL）

薄膜光伏面板的一大問題，在于其制造、能耗和成本上的優(yōu)勢是通過降低效率換來的。這些薄膜由微小的晶體構(gòu)成，會對電子遷移構(gòu)成影響，其效率明顯低于大塊材料制成的多結(jié)光伏面板。商業(yè)薄膜光伏面板通常采用多晶硅（晶體非常小）或非晶硅（沒有晶體結(jié)構(gòu)），而非由相對較大的晶體構(gòu)成的晶體硅。這類面板聲稱可以達到20%的效率，但目前的商用產(chǎn)品通常只能以10%的效率工作。

薄膜光伏面板的另一項劣勢在于薄膜的老化速度相對更快，縮短了面板的使用壽命。第二代光伏電池不太可能挑戰(zhàn)硅在大規(guī)模光伏發(fā)電項目中的主導(dǎo)地位，但可以在成本和重量比效率更重要的應(yīng)用中占有一席之地。

第三代光伏技術(shù)

光伏技術(shù)依然在不斷開發(fā)中，以增強第一代和第二代技術(shù)，同時對新領(lǐng)域的探索也在不斷發(fā)現(xiàn)新的技術(shù)，這些技術(shù)將構(gòu)成第三代光伏產(chǎn)品的基礎(chǔ)。這些開發(fā)和研究通?？煞譃樗膫€方面：

材料：同時采用硅以及不同禁帶寬度的多種材料，使能量較低的光子可以激發(fā)電子逃逸、能量較高的光子可以將更多能量轉(zhuǎn)化為電能。

結(jié)構(gòu)：通過新技術(shù)降低第一代光伏面板生產(chǎn)過程中的能耗和工藝復(fù)雜度。

加工：改進半導(dǎo)體加工技術(shù)，提高晶體的質(zhì)量和尺寸，讓電子更容易移動。

架構(gòu)：通過鏡面或透鏡聚焦入射光，提高落在單位面積基板上的光子數(shù)量。

材料方面的發(fā)展

通過引入禁帶寬度比硅更低和更高的材料，可以將更多的入射光子能量轉(zhuǎn)化為電能。硅的禁帶寬度為1.1eV，是所有單一半導(dǎo)體中從可見光收集能量的最佳材料。然而，來自太陽的大部分能量都是由能量低于該值的光子攜帶的。此外，雖然藍光光子攜帶的能量是紅光光子的三倍，但即使藍光光子被硅電子吸收，其中三分之二的能量也會被浪費掉。

禁帶寬度低于硅的半導(dǎo)體可以使原本無用的光子為光伏效應(yīng)作出貢獻，例如砷化銦 (InAs) 的禁帶寬度為0.36eV，已成功地用于補充硅的不足。

禁帶寬度高于硅的半導(dǎo)體可以讓更多的短波長光子能量用于發(fā)電，其中禁帶寬度為1.43eV的砷化鎵 (GaAs) 和禁帶寬度為2.25eV的磷化鎵 (GaP) 等材料也都得到了成功應(yīng)用。通過一些研究，這些材料得到了進一步的復(fù)合，產(chǎn)生了諸如砷化鎵銦 (InGaAs) 和磷化鎵銦 (InGaP) 等材料，有助于進一步優(yōu)化光伏效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展

上述不同禁帶寬度半導(dǎo)體材料的最高效率低于硅，如果單獨采用它們的話并沒有多大意義，不過我們可以將一種或多種半導(dǎo)體材料組合成多層結(jié)構(gòu)一起使用，將禁帶寬度最大，也就是需要短波長（高能量）光子激發(fā)電子逃逸的材料放在頂層，讓較低能量的光子通過而不與其發(fā)生相互作用，并被后續(xù)幾層禁帶寬度更小的材料吸收。每一層都需要采用透明的導(dǎo)體，以承載產(chǎn)生的電流，同時又能夠讓光子通過到達下層。這項技術(shù)已經(jīng)在薄膜光伏面板上成功部署，并且依舊是一大重點研究領(lǐng)域。

硅的最高效率為33%，但理論上這個數(shù)字可以通過多層光伏面板來提高。例如，在一個兩層光伏電池中，其中一層的禁帶寬度為1.64eV，另一層為0.94eV，那么它的最高效率可以達到44%。同樣，一個禁帶寬度為1.83eV、1.16eV和0.71eV的三層光伏電池，其最高理論效率為48%。商用多層產(chǎn)品可包含兩層、三層或四層。

加工方面的發(fā)展

科研人員正在研究一系列用于第三代光伏面板的新材料，這些材料結(jié)合了第一代光伏面板的高效率與第二代光伏板更簡單、更便宜的制造方式。

其中，有一類源自于鈣鈦礦 (CaTiO) 的材料引起了人們極大的興趣。該類材料的禁帶寬度介于1.4eV至2.5eV之間，理論最高效率并不如硅，但其近階段的實際效率從原先的4%左右迅速提升到了20%，這又讓人們?nèi)计鹆松逃卯a(chǎn)品效率終將超過薄膜光伏面板的希望。

與硅相比，鈣鈦礦類材料的主要優(yōu)勢就是加工工藝更加容易，并且所需溫度更低，可以生長出毫米級大小的完整晶體——這對于完整晶體的晶格而言可謂非常大了，因而該類材料能夠顯著提高電子遷移能力，進而提升效率，同時降低制造成本。當(dāng)前，鈣鈦礦類材料的研究重點集中在如何生長出更大的完整晶體，例如美國麻省理工學(xué)院的研究人員最近就發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以通過將鈣鈦礦光伏電池暴露在強光下來“愈合”其中的晶體缺陷。

此外，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦晶體不同晶面的效率有明顯區(qū)別，為此科研人員正集中研究如何加工大體積鈣鈦礦材料，從而只讓效率最高的晶面與光伏電池電極連接，從而提高整體效率。

與薄膜光伏材料一樣，目前阻礙鈣鈦礦光伏電池商業(yè)化部署的一大關(guān)鍵問題是材料的老化速度。

架構(gòu)方面的發(fā)展

第三代光伏面板的另一個發(fā)展目標(biāo)是聚光光伏 (CPV) 技術(shù)，旨在利用透鏡和反射鏡將陽光聚焦，讓更多的光子落在單位面積的光伏面板上。CPV技術(shù)通常采用高效率的多結(jié)光伏電池來構(gòu)建，如(圖4)所示。聚光可以提升效率，從而大幅縮小面板尺寸、降低產(chǎn)品的成本和重量，使之能夠安裝在更多地方。

CPV有“低倍”和“高倍”的區(qū)別。低倍CPV可將相當(dāng)于2倍到100倍強度的陽光聚焦到面板上，而高倍CPV可以聚焦相當(dāng)于1000倍強度的陽光。CPV系統(tǒng)通常會使用太陽追蹤器，有時還會使用冷卻系統(tǒng)來提高效率。 (表1) 總結(jié)了當(dāng)前各種光伏電池技術(shù)的效率。

表1：晶體硅、薄膜光伏和聚光光伏技術(shù)的效率（數(shù)據(jù)來源：IRENA）

案例研究：具有能量收集功能的無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器

一直以來，光伏技術(shù)的主要應(yīng)用都是為電網(wǎng)提供可再生能源發(fā)電能力，但第三代光伏技術(shù)使更廉價、更耐用、更小巧的光伏面板成為了可能，有望使特定應(yīng)用能夠加入能量收集功能。

無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器

長期以來，物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器的設(shè)計者一直熱衷于借助能量收集來獲得優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)的“萬物互聯(lián)”設(shè)想需要由數(shù)以億計的傳感器來實現(xiàn)，其中有不少需要部署在偏遠的位置，遠離主電源并且難以到達現(xiàn)場進行諸如更換電池等維護工作。

許多此類產(chǎn)品都采用諸如低功耗藍牙和Zigbee等低功耗無線技術(shù)，這些技術(shù)從設(shè)計之初就旨在借助并不充裕的電力資源來運行，其中的許多應(yīng)用都采用容量220mAh左右的一次電池來供電。在輕負(fù)載的循環(huán)工作中，低功耗無線片上系統(tǒng) (SoC) 的平均電流消耗可以控制在微安培的級別，可將電池續(xù)航時間延長至數(shù)千小時（相當(dāng)于數(shù)月）。

不過，如果將一次電池更換為二次電池，并采用光伏電池來進行充電，即可大幅延長電池續(xù)航時間，實現(xiàn)長達數(shù)年的自足工作。

能量收集技術(shù)

用于小容量鋰離子電池充電的能量收集技術(shù)是一項成熟技術(shù)，例如Mikroe的能量收集模塊就是一塊能夠產(chǎn)生4V電壓、最高功率0.4W的光伏電池。

不同光伏電池的電壓和電流區(qū)別很大，其電壓/電流輸出必須經(jīng)過調(diào)節(jié)，才能用來為鋰離子電池充電，因為后者在充電循環(huán)中必須搭配精細(xì)的電流/電壓管理措施，這就需要采用專門設(shè)計、高度集成的電源管理芯片。

例如，MaximMAX17710電源管理IC就可以管理輸出電流在1μW至100mW之間的諸如光伏電池等缺乏調(diào)節(jié)的電源。該器件還包含升壓調(diào)節(jié)電路，可采用低至0.75V的電源為電池充電。其內(nèi)置穩(wěn)壓器可防止電池發(fā)生過度充電。借助低損耗 (LDO) 線性穩(wěn)壓器，該器件可為無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器提供3.3V、2.3V或1.8V輸出。

此外，Texas Instruments也提供了bq25504這款電源管理IC。該器件專為高效獲取和管理光伏電池產(chǎn)生的電力而設(shè)計，集成了一個DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，只需數(shù)微瓦的功率和低至330mV的電壓即可開始能量采集（圖5）。

圖5：采用TI電源管理IC的能量收集電池充電應(yīng)用電路（圖源：Texas Instruments）

第三代光伏技術(shù)的實際應(yīng)用

雖然目前的光伏電池能量收集解決方案取得了令人滿意的結(jié)果，但它們也存在一些缺點。例如，Mikroe的能量收集模塊尺寸為7cm×6.5cm×0.3cm（受光面積為45.5cm2），相對較重并且易碎。但是，由于效率高于其他替代方案，類似該產(chǎn)品的硅光伏電池依然是目前唯一實用的選擇。

第三代光伏電池采用的新技術(shù)可以顯著提升效率，不再像當(dāng)前商用產(chǎn)品那樣只能達到10%的水平。許多目前還在實驗室中的技術(shù)預(yù)計將在未來幾年內(nèi)使效率翻倍，讓薄膜光伏電池的效率也能達到硅光伏電池的水平，同時還具有成本低、重量輕、耐用度高的優(yōu)勢。

例如，一塊面積僅為4cm2的第三代薄膜光伏電池，其在直射陽光下可接收約0.22W的入射功率。在20%的效率下，其輸出功率約為44mW。在以平均3.5V的電壓充電時（鋰離子電池在充電周期內(nèi)的電壓會發(fā)生變化），電源管理芯片提供的電流約為12mA，足以在大約25小時內(nèi)將300mAh的鋰離子電池充滿電。

雖然這樣的充電機制需要有好幾天的完全日照才能充滿電，但必須注意到的是，在為典型的低功耗無線傳感器供電的情況下，鋰離子電池每天的放電量也許只有幾個毫安時，所以光伏電池的目的只是對鋰離子電池補電（而非完全充滿電），因而即使連續(xù)多天日照不足，也能輕松應(yīng)對傳感器的用電需求。

緊湊型的第三代光伏電池尚未實現(xiàn)商業(yè)化；即使實現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)，其最初階段的價格對于無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用而言也可能太高。不過，隨著技術(shù)日漸成熟以及需求逐漸增加，薄膜光伏電池終將成為對特定應(yīng)用而言更實惠、更實用的選擇。

與此同時，薄膜光伏電池的效率也將不斷提升，為能量收集無線傳感器的設(shè)計帶來更大的優(yōu)勢，包括：

室內(nèi)傳感器可通過人工燈光收集能量。

給定功率輸出下的面板尺寸可以做得更小，滿足空間嚴(yán)重受限的設(shè)計需求。

在先進的無線SoC上運行復(fù)雜的軟件算法時，可以獲得更好的電源保障。

無線傳感器可以實現(xiàn)更遠的傳感距離和更高的數(shù)據(jù)吞吐量。

多個傳感器可由單個光伏面板供電。

結(jié)論

目前，大約85%的光伏(PV) 電池是由硅制造的，因為硅的儲量豐富，并且非常適合用來將光轉(zhuǎn)化為電。第二代和第三代光伏技術(shù)則旨在解決硅的缺點，例如最高效率只能達到33%左右、加工過程需要采用高耗能的高溫工藝，并且成品易碎。

第二代光伏面板的關(guān)注重點是安裝在玻璃、塑料或金屬基板上的“薄膜”光伏電池，它們在制造過程中的成本和能耗更低，使用的材料更廉價，重量也更輕，適合應(yīng)用于能夠貼在窗戶上的半透明光伏貼面材料。這些產(chǎn)品不太可能挑戰(zhàn)硅在大規(guī)模光伏發(fā)電項目中的主導(dǎo)地位，但可以在成本和重量比效率更重要的應(yīng)用中占有一席之地。

第三代光伏電池建立在第二代產(chǎn)品的優(yōu)勢之上，同時讓效率也能達到硅光伏電池的水平，這對位置偏遠、維護極少的物聯(lián)網(wǎng)傳感器非常有利，讓它們可以借助太陽能持續(xù)為可充電鋰離子電池補電。第三代光伏電池采用了多種新技術(shù)，包括將砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵 (GaP)、鈣鈦礦 (CaTiO) 等化合物半導(dǎo)體新材料運用到光伏電池中，以及新型聚光光伏 (CPV) 架構(gòu)，還有采用多結(jié)、薄膜和大晶體，具備高能效和高耐久性的裝配技術(shù)。

諸如帶能量收集的無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器等特定應(yīng)用需要采用高效、緊湊、耐用、廉價的光伏技術(shù)，這正是第三代光伏電池的優(yōu)勢所在。這樣的技術(shù)可以讓無線傳感器能夠在只需極少維護乃至完全無需維護的情況下可靠運行。隨著第三代光伏技術(shù)發(fā)展成熟，我們將會看到更加豐富多樣的無線傳感器設(shè)計，例如從室內(nèi)照明中收集能量，以及其他各種需要緊湊、高效、強大和耐用設(shè)計的能量收集應(yīng)用。

審核編輯：郭婷