光伏材料及光伏電池的介紹分析

目前市場上有許多類型的太陽能轉(zhuǎn)換裝置。它們可以發(fā)揮廣泛的作用，從太陽能計算器等微功率應(yīng)用到便攜式電子設(shè)備的涓流充電，再到向電網(wǎng)提供數(shù)十或數(shù)百兆瓦的公用事業(yè)規(guī)模安裝。起初，太陽能電池技術(shù)看起來非常簡單，但隨著電池類型和材料的廣泛應(yīng)用，它很快變得勢不可擋。在這是設(shè)計師需要了解太陽能技術(shù)的系列文章的第一部分，我們介紹了一些基礎(chǔ)知識，從歷史背景開始。

光伏電池有多種形狀和尺寸。太陽能發(fā)電歷史悠久，大量的發(fā)展可以追溯到太空探索的早期。在太空中，太陽的光線不僅豐富，而且也是軌道車輛“現(xiàn)場”動力的唯一來源。當(dāng)然，總是可以將其他能源提升到太空中，但是一旦到達(dá)就可以方便地獲得一個隨時可用的電源。

在航空航天領(lǐng)域之外，太陽能電池作為一種利基技術(shù)或者更適合科學(xué)博覽會或其他新穎應(yīng)用的東西，花了半個世紀(jì)的時間。

能源危機(jī)和綠色運(yùn)動在過去十年中開始進(jìn)一步推動光伏技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)然，這項技術(shù)在太空中得到了應(yīng)用，但是離家較近的一系列完全不同的限制使研究人員走上了新的方向。功率密度是太空的迫切標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗枰堪鯏?shù)百萬美元的投資才能將任何物質(zhì)送入軌道。但在這里，需要更大的功率，經(jīng)濟(jì)因素如每瓦成本比純性能更重要。

今天，至少有一種奇特的技術(shù)可以直接追溯到航空航天工業(yè)：聚光電池或聚光光伏（CPV）。雖然用于公用事業(yè)規(guī)模的電力生產(chǎn)的集中技術(shù)通常依賴于舊的主力汽輪機(jī)，但是一些裝置在鏡子或透鏡的焦點(diǎn)處使用高效的光伏電池。使用這些特殊材料可以實(shí)現(xiàn)超過40％的效率，但半導(dǎo)體材料的成本太高，無法覆蓋大型陽光捕獲區(qū)域。相反，鏡子或鏡頭將太陽光線聚焦到非常小的功率轉(zhuǎn)換區(qū)域。電動多軸跟蹤設(shè)備對于這些更昂貴的電池也是典型的，以最大化對半導(dǎo)體材料和光學(xué)器件的投資。

這兩種聚光器技術(shù)突出了太陽能轉(zhuǎn)換裝置和光伏發(fā)電的定義。這兩者在電子和半導(dǎo)體行業(yè)中經(jīng)?；Q使用，因?yàn)樗麄儗@些領(lǐng)域的工程師更熟悉。然而，如上所述，太陽能可用于產(chǎn)生產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動渦輪機(jī)的熱量。

在光伏發(fā)電的早期使用更便宜的材料，但不適用于任何嚴(yán)重耗電的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)硅器件產(chǎn)生光電流的能力實(shí)際上是眾所周知的現(xiàn)象。直到今天，測試工程師在獲取I-V數(shù)據(jù)時才意識到顯微鏡上的光線保持開啟之前，經(jīng)常會對混亂的測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生興趣。

從廣義上講，光伏材料可分為兩類 - 結(jié)晶和薄膜。結(jié)晶品種可以包括CPV陣列的奇特材料，但是對于大多數(shù)目的，我們討論的是硅（圖1）。

圖1：這是光伏電池類型的廣泛領(lǐng)域，但一般來說它可以分為兩類 - 晶體和薄膜。 Crystalline可以包括CPV陣列的奇特材料，但是對于大多數(shù)目的，我們談?wù)摰氖枪琛?（來源：Don Scansen）

在晶體硅類別中，還有幾種器件類型。使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體級大塊單晶晶片可以實(shí)現(xiàn)更高效率的電池。這些是最昂貴但性能最高的硅電池。在光伏圈中，該電池被稱為單晶硅（c-Si）。

有幾種制造方法試圖采用晶體硅概念，使其生產(chǎn)成本更低。多晶電池僅略微滯后于潛在效率。生長多晶硅錠不僅需要在生產(chǎn)過程中進(jìn)行較少的精細(xì)控制，而且還允許更接近方形的晶片，這顯然是用于改善陣列內(nèi)多個電池的封裝密度的理想形狀。標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體級晶圓被“平方”以使它們更容易包裝，這導(dǎo)致廢料。盡管這些晶片鉆頭可以再循環(huán)，但廢物仍然增加了成本，因此許多成本降低方法與最小化生產(chǎn)電池中的材料損失有關(guān)。

多晶硅（mc-Si）生產(chǎn)成本更低，因?yàn)樗壬a(chǎn)單晶所需的工藝控制和護(hù)理更少。但主要特征是這些錠不必是圓形的。這些電池通常也被稱為多晶硅，但這使得它們太容易與提供給任何硅晶體工藝的原始起始材料或用于CMOS集成電路中的晶體管柵極的多晶硅（有時只是多晶硅）層混淆。 。通常通過小心冷卻成方形來鑄造mc-Si塊狀材料。然而，仍然存在將該晶錠切割成電池的問題，這消耗了大量的硅。

為了避免輸入材料的這種損失，尋求其他制造方法仍然可以利用體硅相對較高的轉(zhuǎn)換效率但生產(chǎn)成本較低。輸入字符串帶狀硅，這是一種允許從熔體中拉出薄片細(xì)胞材料的過程。除了避免將大塊鋸切成薄晶片切片的浪費(fèi)之外，帶狀工藝還可以更靈活地設(shè)置單元尺寸。由于太陽能裝置游戲的名稱正在創(chuàng)造一個大型捕獲孔徑，因此連續(xù)形成過程非常適合。

第二大類光伏電池類型是薄膜品種。薄膜電池方法不是從基本上均勻的材料塊中產(chǎn)生電池，而是采用大面積基板 - 通常是玻璃 - 并將其與有源層一起涂覆。 （注意：這僅用于說明，因?yàn)樾枰纬砂雽?dǎo)體結(jié)以從光產(chǎn)生電流，并且一些單元甚至是多結(jié)類型，其將不同材料分層以擴(kuò)寬吸收光的光譜范圍。）

硅僅通過這種方式沉積形成太陽能電池的各種材料中的一種。非晶硅（a-Si）薄膜電池充分利用了LCD面板行業(yè)在過去十年或更長時間內(nèi)推動的技術(shù)改進(jìn)和成本降低。標(biāo)準(zhǔn)LCD需要大量使用a-Si來創(chuàng)建薄膜晶體管來控制每個顯示像素。對更大尺寸電視的推動有助于推進(jìn)基板玻璃制造技術(shù)和硅蒸汽涂層系統(tǒng)，以適應(yīng)非常大的面板。這些巨型玻璃面板的規(guī)模經(jīng)濟(jì)是每瓦成本的主要因素，這推動了任何大型電力生產(chǎn)裝置的經(jīng)濟(jì)性。

您可能認(rèn)為a-Si沉積在有效使用起始材料方面表現(xiàn)最佳，因?yàn)樵谧罱K玻璃基板上的蒸汽涂層消除了大塊太陽能材料的通常切割和切片損失。不幸的是，在加工過程中，起始材料 - 硅烷 - 顯著損失，不到三分之一粘在玻璃上。

雖然硅具有最廣泛的知識基礎(chǔ)材料，可用于任何太陽能材料的大批量生產(chǎn)，但它并不是具有相當(dāng)好或高效率的經(jīng)濟(jì)型薄膜電池的唯一選擇（圖2） 。還有一些其他薄膜候選產(chǎn)品不僅生產(chǎn)成本低，而且提供比a-Si更好的轉(zhuǎn)換效率，甚至達(dá)到相同的20％mc-Si水平。這種材料被廣泛稱為CIGS-鎘 - 銦 - 鎵 - 硒的簡稱。

圖2：比較競爭太陽能電池類型的效率記錄的歷史趨勢。硅以相對較低的成本為各種應(yīng)用提供具有競爭力的效率。

有趣的是，CIGS細(xì)胞與其競爭對手相比并沒有那么長時間，因?yàn)榻?30年前首次在硒中觀察到光伏效應(yīng)。自查爾斯弗里茨1838細(xì)胞的1％以來，硒基細(xì)胞已經(jīng)走過了漫長的道路。

CIGS太陽能電池提供高效率和低瓦特每瓦特峰值輸出的最佳組合之一。缺點(diǎn)一直是鎘的存在以及對退役和妥善處置或負(fù)責(zé)任地回收致命材料的擔(dān)憂。但這些好處促使制造商將回收利用作為其前期銷售包的一部分。

CIGS電池通過避免需要大容量真空室（如生產(chǎn)器件質(zhì)量a-Si所需的真空室），進(jìn)一步降低了氣相沉積的成本。在一種方法中，CIGS電池目前在標(biāo)準(zhǔn)大氣中通過用構(gòu)成材料的納米顆粒涂覆基板并燒結(jié)它們來制造，該過程比需要真空沉積室的任何東西便宜得多。

高性能CIGS電池的關(guān)鍵是它可以吸收并轉(zhuǎn)換成電流的光譜。它是一種直接的帶隙材料，因此生產(chǎn)性電池只需要非常薄的活性材料層。當(dāng)然，這降低了電池的成本。

最后一個主要的薄膜太陽能電池是另一種基于鎘的電池。復(fù)合碲化鎘（CdTe）電池的性能略低于其CIGS表兄弟。最好的發(fā)布單元提供的效率僅為17％。 CdTe通過更簡單的生產(chǎn)工藝彌補(bǔ)了輕微的效率缺陷。另一方面，CdTe電池含有更高百分比的致命鎘。

在大多數(shù)情況下，硅片統(tǒng)治光伏世界，從計算器到住宅屋頂再到公用事業(yè)規(guī)模的太陽能農(nóng)場。 Digi-Key本身專注于硅太陽能電池。

在比較用于大規(guī)模能量收集的太陽能電池品種時，重要的是要注意Digi-Key提供適合這些應(yīng)用的幾種產(chǎn)品。 Parallax生產(chǎn)一種18V，10W太陽能電池板，包括四個多晶硅電池，可為單個面板提供高輸出，并可直接組合多個面板以獲得更高輸出。 （圖3）。

圖3：Parallax的18V-at-10-W太陽能電池板包括四個多晶340×280-mm多晶硅電池。