利用能量收集的第三代光伏電池

目前，在已安裝的光伏電池中約有85%是由硅材料制造的，因?yàn)楣柙县S富并且適合把光能轉(zhuǎn)化成電能。光伏電池可以采用IC行業(yè)首創(chuàng)的晶圓制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。但是，硅有很多缺點(diǎn)，包括約為33%的最大轉(zhuǎn)換效率，大能耗高溫處理以及易碎性。

可替代PV技術(shù)能夠解決硅材料的這些缺點(diǎn)，他們使用了新材料、新架構(gòu)和新的組裝技術(shù)。新材料包括砷化鎵（GaAs）和磷化鎵（GaP），以及礦物鈣鈦礦。新能源聚焦光伏電池（CPV）的結(jié)構(gòu)和組裝技術(shù)使用多結(jié)，薄膜和大晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)高能量功率和耐用性。

由于批量生產(chǎn)和價(jià)格持續(xù)下降，硅光伏電池可能會(huì)主導(dǎo)大規(guī)模發(fā)電產(chǎn)業(yè)，可替代技術(shù)將在利基應(yīng)用中得到使用。無(wú)線loT傳感器就是其中的一個(gè)應(yīng)用，在該項(xiàng)應(yīng)用中，高效、緊密、耐用且廉價(jià)的的光伏技術(shù)可以利用太陽(yáng)能為電池設(shè)備充電。這種技術(shù)將成為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)福利，因?yàn)樗鼛缀醪恍枰S護(hù)就可以使無(wú)線傳感器可靠地運(yùn)行。

本文探討了光伏電池的工作原理，硅的作用、硅作為底層半導(dǎo)體的優(yōu)缺點(diǎn)，以及新半導(dǎo)體，架構(gòu)和組裝技術(shù)的潛力。

光伏過(guò)程

雖然想要深刻理解光伏（也稱為光電）工藝需要熟悉量子力學(xué)，但光伏電池運(yùn)行的基本原理比較簡(jiǎn)單：光伏電池利用半導(dǎo)體p-n結(jié)。 在n型材料中，電子作為載流子，在p型材料中，電子空穴或“孔”作為載流子。

當(dāng)窄波長(zhǎng)帶內(nèi)的光子進(jìn)入半導(dǎo)體晶體矩陣時(shí)，有可能被n型材料中與原子結(jié)合的電子所吸收，從而賦予粒子足夠的能量使其從母體原子逸出。然后n型材料上的多余電子擴(kuò)散穿過(guò)結(jié)和p型材料的空位復(fù)合，從而在結(jié)上產(chǎn)生電位差。在結(jié)兩側(cè)形成的導(dǎo)通回路允許直流（DC）通過(guò)（圖1）。

圖1：?jiǎn)谓Y(jié)PV電池操作：適當(dāng)能量的光子釋放電子，其穿過(guò)半導(dǎo)體結(jié)并產(chǎn)生電位差。 （資料來(lái)源：Cyferz，英文維基百科）

由于光伏電池由數(shù)千個(gè)p-n結(jié)組成，所以產(chǎn)生的電流需要疊加。 在商業(yè)產(chǎn)品中，這些電池被組合以形成模塊并且最終創(chuàng)建面板。 轉(zhuǎn)換器可以將直流電壓變?yōu)榻涣?，以便完成有用的工作，或直接將電力發(fā)送到配電網(wǎng)（圖2）。

圖2：PV電池組合成模塊，然后組合成面板以形成最終產(chǎn)品。 （來(lái)源：維基百科）

第一代光伏電池：?jiǎn)谓Y(jié)硅

第一代PV板主要由硅晶體（“c-Si”）制成。 硅片被大量采用的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是其光伏性能和供應(yīng)便利性。硅的原料豐富（占地殼28％），制造技術(shù)和設(shè)備可以借用芯片行業(yè)生產(chǎn)的。 然而，大規(guī)模硅晶片光伏板處理起來(lái)耗能大而且復(fù)雜昂貴。

由于全球制造產(chǎn)量過(guò)剩，成本已有所下降; 僅在過(guò)去一年中，硅光伏電池板的價(jià)格下降了約30％，旨在鼓勵(lì)采用硅光伏電池以減少對(duì)發(fā)電化石燃料依賴的政府補(bǔ)貼也有著重要作用。 然而，對(duì)于許多利基應(yīng)用而言，該技術(shù)仍然是很昂貴的。

硅的優(yōu)勢(shì)：效率和帶隙

硅為光伏技術(shù)提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。 首先，其光伏效率好（效率是指PV電池接收的光能與其產(chǎn)生能量的比例）。在地球表面，太陽(yáng)在直射時(shí)提供能量約1100W / m2。 一塊光伏板能夠達(dá)到這個(gè)水平10％的效率，例如，將輸出約110W。

限制半導(dǎo)體最大效率的關(guān)鍵特性是其帶隙。 帶隙是將電子從原子釋放到“導(dǎo)帶”中所需的能量，測(cè)量單位是電子伏特（eV）; 1eV約等于1.602×10-19J。

光子的能量由波長(zhǎng)決定，波長(zhǎng)較短（較高頻率）的光子更活躍。 進(jìn)入c-Si晶格的許多太陽(yáng)光子的能量不足以釋放電子，因此需要稍微加熱材料。 具有的能量比橋接帶隙所需能量大的光子可能釋放單個(gè)電子，但是它們的多余能量將僅僅有助于加熱晶體，而不是做任何有用的操作。

1961年，William Shockley和Hans-Joachim Queisser通過(guò)一系列帶隙計(jì)算了單結(jié)（僅由一塊半導(dǎo)體制造而成）電池的最大光伏效率理論值（圖3）。計(jì)算表明，單結(jié)光伏電池的最佳帶隙為1.13eV，最大效率約為33％。事實(shí)證明，硅1.10eV的帶隙接近最佳數(shù)值。

圖3：Shockley和Queisser對(duì)單結(jié)光伏電池半導(dǎo)體的最大效率與帶隙的計(jì)算。硅的帶隙為1.1eV。 （來(lái)源：維基百科）

硅缺點(diǎn)：晶體尺寸，能量，效率和脆弱性

然而，硅并不是光伏電池的最佳材料。 例如，帶隙不是效率的唯一決定因素; 晶體尺寸也有很大的影響。 如果材料由小晶體組成，則電子遷移率由于大量晶體界面而降低。減少的遷移率限制了電流流動(dòng)，從而限制了效率。

此外，這些缺點(diǎn)進(jìn)一步阻礙硅作為光伏電池的理想半導(dǎo)體：

? 理論最大效率只有33％。 最好的商用c-Si光伏板在實(shí)際使用中能獲得約24％的效率，浪費(fèi)了四分之三的太陽(yáng)能量。

? 易碎，需要重型玻璃面板的機(jī)械支撐，增加重量和成本。

? 能源密集，高溫度和加工復(fù)雜。

? 固有成本昂貴，如果供應(yīng)受限制和/或補(bǔ)貼被撤銷，可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

光伏科技的新發(fā)展

近幾年來(lái)，第二代光伏產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，第三代技術(shù)已進(jìn)入研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。 第二代和第三代技術(shù)基于成熟硅技術(shù)的成功，特別是已建立的基礎(chǔ)設(shè)施，例如絕大多數(shù)獨(dú)立于光伏技術(shù)類型的隔離器，儀表，控制器和逆變器，同時(shí)這也解決了硅片的一些缺點(diǎn)。

第二代光伏技術(shù)

第二代光伏板致力于安裝在玻璃，塑料或金屬基板上的納米至微米量級(jí)的光伏材料。這些“薄膜”PV（TFPV）電池（由于額外的活性層也被稱為“多結(jié)”產(chǎn)品）制造成本低，能耗低，使用更便宜的材料，重量輕，適用于如可以層壓在窗戶上的半透明PV玻璃材料等應(yīng)用（圖4）。

圖4：多結(jié)TFPV單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 （來(lái)源：NREL）

TFPV面板的缺點(diǎn)是制造，能源，成本和重量方面的優(yōu)勢(shì)與效率背道而馳。由于薄膜包含影響電子遷移率的微小晶體，大多數(shù)多結(jié)PV板的一些潛在效率增益將會(huì)喪失。 例如，代替由相對(duì)較大的晶體構(gòu)成的c-Si，商業(yè)TFPV面板使用多晶硅（非常小的晶體）或非晶硅（無(wú)晶體）。 盡管今天的商業(yè)產(chǎn)品通常以10％的效率運(yùn)行，但是TFPV面板承諾的效率為20％。

TFPV面板的第二個(gè)缺點(diǎn)是由于薄膜的快速降解作用降低了面板壽命。 第二代光伏電池不太可能挑戰(zhàn)硅在大規(guī)模發(fā)電方面的主導(dǎo)地位，但是在低成本，重量和耐用性匹配效率的應(yīng)用中提供了保證。

第三代光伏技術(shù)

光伏技術(shù)在不斷發(fā)展，以加強(qiáng)第一代和第二代技術(shù)。 對(duì)新領(lǐng)域的研究正在開展，這將會(huì)成為第三代光伏產(chǎn)品的基礎(chǔ)。 這些發(fā)展和研究一般分為四個(gè)部分：

? 材料：用不同帶隙的半導(dǎo)體補(bǔ)充硅，使得較低能量的光子能夠釋放電子，并使高能量的光子將更多的能量轉(zhuǎn)換成電能。

? 結(jié)構(gòu)：引進(jìn)能夠降低第一代光伏產(chǎn)品能源強(qiáng)度和復(fù)雜性的技術(shù)。

? 加工：改進(jìn)半導(dǎo)體加工技術(shù)來(lái)提高晶體的質(zhì)量和尺寸，以便提高電子遷移率。

? 機(jī)械：通過(guò)用鏡子或透鏡聚焦光線來(lái)擴(kuò)大落在單位面積基板上的光子數(shù)。

材料發(fā)展

通過(guò)引入具有比硅更低和更高帶隙的材料，可以將更多的入射光子能量轉(zhuǎn)換成電。硅的帶隙是1.1eV，是從可見光中收集能量的最佳單個(gè)半導(dǎo)體。 然而，來(lái)自太陽(yáng)的大部分能量由能量低于該帶隙的光子承載。例如，雖然藍(lán)光光子可以承載三倍于紅光光子的能量，但是即使光子被硅電子吸收，也有三分之二的能量被浪費(fèi)掉。

帶隙比硅低的半導(dǎo)體使光子的存在有意義，否則光子在促進(jìn)PV效應(yīng)方面是沒用的。 例如砷化銦（InAs）具有0.36eV的帶隙，已成功地用于補(bǔ)充硅。

帶隙比硅高的半導(dǎo)體允許更短波長(zhǎng)光子的能量轉(zhuǎn)化為電能。 例如具有1.43eV帶隙的砷化鎵（GaAs）和帶隙為2.25eV的磷化鎵（GaP）等材料也被成功使用。幾行研究已經(jīng)導(dǎo)致這些材料的進(jìn)一步復(fù)合，例如砷化銦鎵（InGaAs）和磷酸銦鎵（InGaP），以進(jìn)一步優(yōu)化PV效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)發(fā)展

可替代帶隙半導(dǎo)體比硅的最大效率要低，因此單獨(dú)使用它們沒有好處。 相反，在多層結(jié)構(gòu)中使用一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體。具有最大帶隙--需要短波長(zhǎng)（高能量）可移除電子的光子材料位于頂部，允許低能量光子通過(guò)而不需要相互作用，然后被下層中的低帶隙材料吸收。每個(gè)層需要透明導(dǎo)體來(lái)承載所產(chǎn)生的電流，而使光子通過(guò)下一個(gè)層。 這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在TFPV面板上取得成功，并成為關(guān)鍵領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

硅的最大效率為33％，但是多層光伏板在理論上可以提高最大效率。例如，一個(gè)兩層的光伏電池，其中一層帶隙為1.64eV，另一層帶隙為0.94eV，其最大效率可達(dá)44％。 類似地，具有1.83，1.16和0.71eV帶隙的三層光伏電池理論上能達(dá)到48％的最大效率。 商業(yè)多層產(chǎn)品包括兩層，三層或四層。

加工發(fā)展

研究人員正在研究第三代PV面板的新材料組合技術(shù)，致力于將第一代的高效率與第二代的更簡(jiǎn)單、更便宜的制造相結(jié)合。

已經(jīng)引起極大興奮的一組材料是CaTiO。 該組材料的帶隙范圍為1.4至2.5eV。 鈣鈦礦組的理論最大效率不能和硅相匹敵，但4％至20％的效率增益提高了希望，商業(yè)產(chǎn)品最終將會(huì)比TFPV面板有更高的效能。

鈣鈦礦組相對(duì)于硅的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是比較容易且處理溫度低，可以生長(zhǎng)出毫米級(jí)的完美晶體。對(duì)于完美的晶格這是很大的尺寸，并且在降低制造成本的同時(shí)，顯著提高了電子遷移率和效率。目前的研究路線旨在增長(zhǎng)更大的完美晶體; 例如，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如何通過(guò)將電池暴露于強(qiáng)光來(lái)“治愈”以鈣鈦礦為基礎(chǔ)的PV電池中的晶體缺陷。

在其他地方，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦晶體不同方面得效率顯著不同?？茖W(xué)家現(xiàn)在將研究重點(diǎn)放在散裝材料的處理方法上，將效率最高的面與光伏電池電極相接合并作為提高整體效率的方法。

與TFPV材料一樣，目前限制基于鈣鈦礦的PV電池商業(yè)部署的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是材料降解的速度。

機(jī)械發(fā)展

第三代PV面板的另一個(gè)發(fā)展目標(biāo)是集中光伏（CPV）技術(shù)。 CPV設(shè)計(jì)旨在使用透鏡和鏡子對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行聚焦，從而使落在PV面板單位面積上的光子數(shù)量明顯增多。 該技術(shù)通常采用高效，多結(jié)的光伏電池，如圖4所示。聚焦光線可以提高效率，從而大大減少面板尺寸，降低產(chǎn)品的成本和重量，并且可以增加產(chǎn)品安裝位置的數(shù)量。

“低”CPV將相當(dāng)于兩到一百倍的陽(yáng)光照射到面板上，而“高”CPV可以將光乘以相當(dāng)于1000倍的陽(yáng)光。 CPV系統(tǒng)通常使用太陽(yáng)能跟蹤器，有時(shí)還使用冷卻系統(tǒng)來(lái)提高效率。 表1總結(jié)了目前光伏電池技術(shù)的效率。

表1：c-Si，TFPV和CPV技術(shù)的效率（資料來(lái)源：IRENA）

案例研究：能量收集無(wú)線IoT傳感器

光伏技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用是可再生能源的發(fā)電能力。 但是提供更便宜，更耐用和更小光伏面板的第三代技術(shù)承諾引入能源收集利基應(yīng)用。

無(wú)線IoT傳感器

IoT無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期熱衷于能量收集。可以設(shè)想，物聯(lián)網(wǎng)將包括數(shù)十億個(gè)能夠遠(yuǎn)程定位的傳感器，因此loT與主電源隔離，難以進(jìn)行維護(hù)，例如更換電池。

許多產(chǎn)品將采用低功耗無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙和Zigbee，這些產(chǎn)品都是從從底層設(shè)計(jì)出來(lái)的，并在適度的電力資源中運(yùn)行。許多應(yīng)用由容量約為220mAh的電池供電。 在低功耗循環(huán)運(yùn)行中，低能耗無(wú)線片上系統(tǒng)（SoC）的平均電流功耗在微安范圍內(nèi)，將電池壽命延長(zhǎng)到數(shù)千小時(shí)（幾個(gè)月）。

然而，通過(guò)用二次電池替換一次電池和給PV電池充電可以使自給式操作的使用壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。

能量獲取技術(shù)

小容量鋰離子可充電電池的能量采集技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。 例如，MikroElektronika的能量收集模塊是能夠在4V電壓下產(chǎn)生高達(dá)0.4W功率的硅光伏電池。

光伏電池的電壓和電流變化很大。 因此，由于鋰離子電池在充電周期內(nèi)需要精確的電流/電壓管理，因此必須對(duì)可充電鋰離子電池進(jìn)行電壓/電流輸出調(diào)節(jié)。專用設(shè)計(jì)、高度集成的電源管理芯片可用于此項(xiàng)工作。

例如，Maxim的MAX17710電源管理IC可以管理不穩(wěn)定的電源，例如輸出電平范圍在1μW至100mW范圍的光伏電池。該裝置還包括升壓調(diào)節(jié)器電路，用于從低至0.75V的電源對(duì)電池進(jìn)行充電。內(nèi)部穩(wěn)壓器保護(hù)電池以免受過(guò)量充電。通過(guò)低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器可將 3.3，2.3或1.8V的輸出提供給無(wú)線IoT傳感器。

德州儀器還提供電源管理IC bq25504。該器件專門用于有效地采集和管理光伏電池產(chǎn)生的電力。該芯片集成了DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，只需要微瓦功率和低達(dá)330mV的電壓來(lái)獲取能量（圖5）。

圖5：使用TI電源管理IC的能量采集電池充電的應(yīng)用電路。 （資料來(lái)源：德州儀器）

第三代光伏技術(shù)應(yīng)用

盡管目前的光伏電池能量收集解決方案工作令人滿意，但確實(shí)還存在一些缺點(diǎn)。例如，MikroElektronika的能量采集模塊尺寸為7 x 6.5 x 0.3厘米（表面積為45.5厘米2），比較重而且易碎。然而，因?yàn)楣韫夥姵嘏c替代品相比效率顯著，所以它們目前是唯一的實(shí)際選擇。

第三代電池融合多項(xiàng)技術(shù)來(lái)提高效率，超出目前商業(yè)產(chǎn)品的10％。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年，實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)將雙倍提高效率。這將為TFPV電池引入硅PV電池的性能，融合了成本低，重量輕，更堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)。

例如，直射面積為4cm2的第三代TFPV電池將會(huì)接收大約0.22W的入射功率。 效率達(dá)到20％時(shí)，TFPV電池的輸出功率約為44mW。當(dāng)平均充電3.5V（鋰離子電池充電周期內(nèi)的電壓變化）時(shí)，電源管理芯片提供的電流約為12mA，足以在25小時(shí)內(nèi)完成對(duì)300mAh鋰離子電池的充電。

雖然這樣的充電方式需要幾天的充足陽(yáng)光，但請(qǐng)注意，鋰離子電池只能在典型的低功率無(wú)線傳感器操作下以每天幾mAh的速率放電（而不是完全充電），以確保即使在沒有充分陽(yáng)光的日子里也能輕松應(yīng)對(duì)能源需求。

第三代緊密型光伏電池尚未商業(yè)化。 當(dāng)批量生產(chǎn)確實(shí)開始時(shí)，無(wú)線IoT傳感器應(yīng)用的價(jià)格在初期可能會(huì)很高。然而，隨著技術(shù)的成熟和需求的增加，TFPV電池將變得更便宜，這對(duì)于利基應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)實(shí)際的提議。

同時(shí)，TFPV 光伏電池的效率將持續(xù)增加，并為無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)，包括：

? 利用室內(nèi)傳感器收集人造光的能量。

? 為給定功率輸出的高空間受限設(shè)計(jì)減少面板尺寸。

? 更高的功率可用于在先進(jìn)的無(wú)線SoC上運(yùn)行復(fù)雜的軟件算法。

? 增加無(wú)線傳感器范圍和吞吐量。

? 單PV面板為多個(gè)傳感器供電。

結(jié)論

目前安裝的光伏（PV）電池估計(jì)有85％是由硅制造，因?yàn)楣璨牧显县S富，適合將光轉(zhuǎn)換成電。第二代和第三代光伏技術(shù)正在解決硅片的缺點(diǎn)，包括其最大效率僅為33％，能源密集型高溫處理和易碎性。

第二代PV面板專注于安裝在玻璃，塑料或金屬基板上的“薄膜”PV電池。這些制造成本更低，所需能量更少，使用便宜的材料，重量輕，并且適用于諸如可以層壓在窗戶上的半透明PV玻璃材料的應(yīng)用。 第二代光伏技術(shù)不太可能挑戰(zhàn)硅在大規(guī)模發(fā)電方面的主導(dǎo)地位，但是在成本，重量和耐用性可以和效率相抗衡的應(yīng)用中可以大量使用。

盡管第三代光伏電池建立在第二代產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)上，但是在匹配硅片效率上做出了進(jìn)一步的保證。這將使電池成為遠(yuǎn)程，低維護(hù)的IoT傳感器應(yīng)用的良好選擇，該應(yīng)用使用可再充電鋰離子電池利用太陽(yáng)能量不斷充電。這些光伏技術(shù)使用新的材料，結(jié)構(gòu)，加工和機(jī)械技術(shù)來(lái)解決硅的缺陷。 新材料包括化合物半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）和磷化鎵（GaP）以及礦物鈣鈦礦（CaTiO）; 新的能量聚焦光伏（CPV）架構(gòu)和組裝技術(shù)使用多結(jié)，薄膜和大晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)高能效和耐久性。

像能源收集無(wú)線IoT傳感器這樣的利基應(yīng)用，需要高效，緊密，耐用和便宜的光伏技術(shù)，將受益于第三代光伏電池。這樣的技術(shù)將使得無(wú)線傳感器能夠在幾乎不進(jìn)行維護(hù)的情況下可靠地操作。隨著第三代光伏技術(shù)的發(fā)展，我們期待看到額外的無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)，例如從室內(nèi)照明和其他要求緊密，高效和強(qiáng)大設(shè)計(jì)的應(yīng)用中獲取能量。

關(guān)鍵外包

? 硅是通用光伏面板應(yīng)用的市場(chǎng)主導(dǎo)材料，因?yàn)槠湓牧县S富，制造基礎(chǔ)設(shè)施建全，并且能提供高效率。

? 硅光伏電池有一些明顯的缺點(diǎn)：重，易碎，生產(chǎn)能源密集，價(jià)格昂貴。

? 這使得硅對(duì)于緊密型無(wú)線IoT傳感器的能量收集應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的。

? 新的材料和光伏電池構(gòu)造技術(shù)解決了硅片的缺點(diǎn)，但效率下降限制了無(wú)線傳感器的有用性。

? 第三代電池提高了效率使該技術(shù)適用于無(wú)線IoT傳感器，并承諾在可承受成本范圍內(nèi)提高計(jì)算能力，無(wú)線范圍和吞吐量。