伏电池新技术如何惠及能量收集？

如今，大约85%的光伏（PV）电池是由硅制造的，因为硅非常适合用来将光转化为电，储量也很丰富，而且采用硅制造的光伏电池可以借助集成电路（IC）行业开创的晶圆制造技术实现批量生产。然而，硅也有它的缺点：最高效率只能达到33%左右，加工过程需要采用高耗能的高温工艺，并且成品易碎。

图源：stock.adobe.com/Shawn Hempel

为解决硅存在的问题，多种光伏新技术应运而生，包括将砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、钙钛矿（CaTiO）等化合物半导体新材料运用到光伏电池中，以及新型聚光光伏（CPV）架构，还有采用多结、薄膜和大晶体，具备高能效和高耐久性的装配技术。

虽然硅光伏电池由于生产规模大、价格下跌等因素，依然会主导大规模光伏电站领域，但上述光伏新技术依然能够运用到某些特定应用中，例如无线物联网传感器就可以借助高效、紧凑、耐用、廉价的光伏技术收集太阳能，为设备电池充电。这样的技术无疑为物联网（IoT）的推广带来了福音，让无线传感器能够在只需极少维护乃至完全无需维护的情况下可靠运行。

本文将探讨光伏电池的工作原理、硅的作用、硅作为基础半导体的优缺点，以及新型半导体材料、架构和装配技术的潜力。
 
光伏过程

虽然深入了解光伏（也称光电）过程需要熟悉量子力学，但光伏电池的基本工作原理还是相对简单的：它利用的就是半导体中的PN结。在N型半导体中，电流的载体是电子；而在PN结另一侧的P型半导体中，电流的载体是电子之间的“空穴”。当一个较窄波长范围内的光子进入半导体晶体基体时，有一定概率会被N型半导体中与原子结合的电子吸收，使该电子具有足够的能量从母原子逃逸出来，于是N型一侧多余的电子会扩散到P型一侧与空穴重新结合，这就在PN结上产生了电位差。此时将导电回路连接到PN结两侧，便会有直流电流（DC）流过回路（图1）。

图1：单结光伏电池的工作原理：具有适当能量的光子激发电子逃逸，该电子穿过PN结产生电位差（图源：英语维基百科的Cyferz）

在实际应用中，太阳能电池由成千上万个PN结组成，使产生的电流大大增加。在商用产品中，这些电池将会组合成模块，再由模块组合成面板。光伏电池产生的直流电可通过逆变器转变为交流电，然后用来执行具体工作或者直接输入到电网中（图2）。

图2：光伏电池组合成模块，模块再组合成面板，面板构成最终产品（图源：维基百科）

第一代光伏电池：单结硅光伏电池

第一代光伏面板主要由晶体硅（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获得。硅的储量非常丰富（占地壳所含元素的28%），其相关制造技术和设施也可以直接从芯片行业沿用。然而，面向光伏面板的大规模硅晶圆加工过程存在能耗大、工艺复杂、成本高昂的缺点。
 
硅光伏电池的全球产能较高，这在一定程度上缓解了成本问题。此外，多国政府还通过发放补贴来刺激光伏产业发展，降低对化石燃料发电的依赖性，这也推动了硅光伏面板得到更广泛应用。可即便如此，对于许多特定应用而言，这项技术还是太过昂贵了。
 
1 硅的优势：效率和禁带宽度

对光伏技术而言，硅可以带来多种优势。首先，硅具有不错的光伏效率。此处所说的效率是指光伏电池接收的阳光强度与其产生的能量之比。当太阳直射地面时，每平方米地面平均会接受约1100W能量。如果一块面积1m2、效率10%的光伏面板暴露在这样的阳光下，那么它将输出约110W的能量。
 
限制半导体最高效率的关键特性是其禁带宽度。禁带宽度是使一个电子从原子中逃逸并进入“导带”所需的能量，单位是电子伏特（eV）。1eV约等于1.602×10−19J。光子的能量由其波长决定，波长较短（频率较高）的光子能量也较高。许多光子在进入晶体硅的晶格后，其所携带的能量并不足以使电子逃逸，这些光子除了让晶体硅材料温度升高外，几乎不起任何作用。如果光子携带的能量大于越过禁带宽度所需的能量，那么它可能会使一个电子逃逸，但多余的能量依然会作用到升高晶体硅温度上，无法得到利用。1961年，William Shockley和Hans-Joachim Queisser计算了一定的禁带宽度范围内单结（仅包含一个PN结）光伏电池的理论最高光伏效率（图3）。根据计算结果，单结光伏电池的最佳禁带宽度为1.13eV，其最高效率约为33%。硅的禁带宽度经证实为1.10eV，非常接近最佳数值。

图3：Shockley和Queisser计算得出的单结光伏电池禁带宽度和最高效率之间的关系。硅的禁带宽度为1.1eV。（图源：维基百科）

2 硅的缺点：晶体大小、加工能耗、效率和易碎性
 
然而，硅并不是一种完美的光伏电池材料。例如，禁带宽度事实上并非决定效率的唯一因素，晶体大小也会显著影响效率。如果一种半导体材料由很小的晶体构成，它的内部就会存在大量晶体界面，阻碍电子迁移，从而限制电流流动，进而降低效率。
 
此外，硅还存在以下几种缺点，进一步导致它不能成为理想的光伏电池半导体：
 
 
最高理论效率只有33%。实际应用中，即便是最优秀的商用晶体硅光伏面板，也只能达到约24%的效率，超过四分之三的太阳能都浪费掉了。
 
易碎，需要沉重的玻璃板来提供机械支撑，增加了重量和成本。
 
加工过程需采用复杂的高耗能高温工艺。
 
固有成本高，如果供应受到限制，并且/或者补贴被取消，实际应用中就可能出问题。
 
光伏技术的新发展

在过去几年中，第二代光伏产品已经实现商业化，第三代技术也已经进入研发阶段。第二代和第三代技术基于成熟的硅技术，尤其是广获认可的支持基础设施——如隔离器、电表、控制器和逆变器等。这些技术在很大程度上独立于光伏技术，同时解决了硅技术的一些缺陷。
 
1 第二代光伏技术

第二代光伏面板的关注重点是安装在玻璃、塑料或金属基板上，厚度为纳米到微米级的光伏材料层。这些“薄膜”光伏（TFPV）电池（由于PN结数量更多，所以也称为“多结”产品）在制造过程中的成本和能耗更低，使用的材料更廉价，重量也更轻，适合应用于能够贴在窗户上的半透明光伏贴面材料（图4）。

图4：多结薄膜光伏电池的内部结构（图源：NREL）

薄膜光伏面板的一大问题，在于其制造、能耗和成本上的优势是通过降低效率换来的。这些薄膜由微小的晶体构成，会对电子迁移构成影响，其效率明显低于大块材料制成的多结光伏面板。商业薄膜光伏面板通常采用多晶硅（晶体非常小）或非晶硅（没有晶体结构），而非由相对较大的晶体构成的晶体硅。这类面板声称可以达到20%的效率，但目前的商用产品通常只能以10%的效率工作。
 
薄膜光伏面板的另一项劣势在于薄膜的老化速度相对更快，缩短了面板的使用寿命。第二代光伏电池不太可能挑战硅在大规模光伏发电项目中的主导地位，但可以在成本和重量比效率更重要的应用中占有一席之地。
 
2 第三代光伏技术

光伏技术依然在不断开发中，以增强第一代和第二代技术，同时对新领域的探索也在不断发现新的技术，这些技术将构成第三代光伏产品的基础。这些开发和研究通常可分为四个方面：
 
材料：同时采用硅以及不同禁带宽度的多种材料，使能量较低的光子可以激发电子逃逸，能量较高的光子可以将更多能量转化为电能。
结构：通过新技术降低第一代光伏面板生产过程中的能耗和工艺复杂度。
加工：改进半导体加工技术，提高晶体的质量和尺寸，让电子更容易移动。
架构：通过镜面或透镜聚焦入射光，提高落在单位面积基板上的光子数量。
 
3 材料方面的发展

通过引入禁带宽度比硅更低和更高的材料，可以将更多的入射光子能量转化为电能。硅的禁带宽度为1.1eV，是所有单一半导体中从可见光收集能量的最佳材料。然而，来自太阳的大部分能量都是由能量低于该值的光子携带的。此外，虽然蓝光光子携带的能量是红光光子的三倍，但即使蓝光光子被硅电子吸收，其中三分之二的能量也会被浪费掉。
 
禁带宽度低于硅的半导体可以使原本无用的光子为光伏效应作出贡献，例如砷化铟（InAs）的禁带宽度为0.36eV，已成功地用于补充硅的不足。
 
禁带宽度高于硅的半导体可以让更多的短波长光子能量用于发电，其中禁带宽度为1.43eV的砷化镓（GaAs）和禁带宽度为2.25eV的磷化镓（GaP）等材料也都得到了成功应用。通过一些研究，这些材料得到了进一步的复合，产生了诸如砷化镓铟（InGaAs）和磷化镓铟（InGaP）等材料，有助于进一步优化光伏效应。
 
4 结构方面的发展

上述不同禁带宽度半导体材料的最高效率低于硅，如果单独采用它们的话并没有多大意义，不过我们可以将一种或多种半导体材料组合成多层结构一起使用，将禁带宽度最大，也就是需要短波长（高能量）光子激发电子逃逸的材料放在顶层，让较低能量的光子通过而不与其发生相互作用，并被后续几层禁带宽度更小的材料吸收。每一层都需要采用透明的导体，以承载产生的电流，同时又能够让光子通过并到达下层。这项技术已经在薄膜光伏面板上成功部署，并且依旧是一大重点研究领域。
 
硅的最高效率为33%，但理论上这个数字可以通过多层光伏面板来提高。例如，在一个两层光伏电池中，其中一层的禁带宽度为1.64eV，另一层为0.94eV，那么它的最高效率可以达到44%。同样，一个禁带宽度为1.83eV、1.16eV和0.71eV的三层光伏电池，其最高理论效率为48%。商用多层产品可包含两层、三层或四层。
 
5 加工方面的发展

科研人员正在研究一系列用于第三代光伏面板的新材料，这些材料结合了第一代光伏面板的高效率与第二代光伏板更简单、更便宜的制造方式。
 
其中，有一类源自于钙钛矿（CaTiO）的材料引起了人们极大的兴趣。该类材料的禁带宽度介于1.4eV至2.5eV之间，理论最高效率并不如硅，但其近阶段的实际效率从原先的4%左右迅速提升到了20%，这又让人们燃起了商用产品效率终将超过薄膜光伏面板的希望。与硅相比，钙钛矿类材料的主要优势就是加工工艺更加容易，并且所需温度更低，可以生长出毫米级大小的完整晶体——这对于完整晶体的晶格而言可谓非常大了，因而该类材料能够显著提高电子迁移能力，进而提升效率，同时降低制造成本。当前，钙钛矿类材料的研究重点集中在如何生长出更大的完整晶体，例如美国麻省理工学院的研究人员最近就发现了一种方法，可以通过将钙钛矿光伏电池暴露在强光下来“愈合”其中的晶体缺陷。此外，加州大学伯克利分校的研究人员发现，钙钛矿晶体不同晶面的效率有明显区别，为此科研人员正集中研究如何加工大体积钙钛矿材料，从而只让效率最高的晶面与光伏电池电极连接，从而提高整体效率。
 
与薄膜光伏材料一样，目前阻碍钙钛矿光伏电池商业化部署的一大关键问题是材料的老化速度。
 
6  架构方面的发展

第三代光伏面板的另一个发展目标是聚光光伏K（CPV）技术，旨在利用透镜和反射镜将阳光聚焦，让更多的光子落在单位面积的光伏面板上。CPV技术通常采用高效率的多结光伏电池来构建，如（图4）所示。聚光可以提升效率，从而大幅缩小面板尺寸、降低产品的成本和重量，使之能够安装在更多地方。
 
CPV有“低倍”和“高倍”的区别。低倍CPV可将相当于2倍到100倍强度的阳光聚焦到面板上，而高倍CPV可以聚焦相当于1000倍强度的阳光。CPV系统通常会使用太阳追踪器，有时还会使用冷却系统来提高效率。（表1）总结了当前各种光伏电池技术的效率。

表1：晶体硅、薄膜光伏和聚光光伏技术的效率（数据来源：IRENA）

案例研究：具有能量收集功能的无线物联网传感器

一直以来，光伏技术的主要应用都是为电网提供可再生能源发电能力，但第三代光伏技术使更廉价、更耐用、更小巧的光伏面板成为了可能，有望使特定应用能够加入能量收集功能。
 
1  无线物联网传感器

长期以来，物联网无线传感器的设计者一直热衷于借助能量收集来获得优势。物联网的“万物互联”设想需要由数以亿计的传感器来实现，其中有不少需要部署在偏远的位置，远离主电源并且难以到达现场进行诸如更换电池等维护工作。
许多此类产品都采用诸如低功耗蓝牙和Zigbee等低功耗无线技术，这些技术从设计之初就旨在借助并不充裕的电力资源来运行，其中的许多应用都采用容量220mAh左右的一次电池来供电。在轻负载的循环工作中，低功耗无线片上系统（SoC）的平均电流消耗可以控制在微安培的级别，可将电池续航时间延长至数千小时（相当于数月）。不过，如果将一次电池更换为二次电池，并采用光伏电池来进行充电，即可大幅延长电池续航时间，实现长达数年的自足工作。
 
2  能量收集技术

用于小容量锂离子电池充电的能量收集技术是一项成熟技术，例如Mikroe的能量收集模块就是一块能够产生4V电压、最高功率0.4W的光伏电池。
 
不同光伏电池的电压和电流区别很大，其电压/电流输出必须经过调节，才能用来为锂离子电池充电，因为后者在充电循环中必须搭配精细的电流/电压管理措施，这就需要采用专门设计、高度集成的电源管理芯片。例如，Maxim的MAX17710电源管理IC就可以管理输出电流在1µW至100mW之间的诸如光伏电池等缺乏调节的电源。该器件还包含升压调节电路，可采用低至0.75V的电源为电池充电，其内置稳压器可防止电池过度充电。借助低压差（LDO）线性稳压器，该器件可为无线物联网传感器提供3.3V、2.3V或1.8V输出。此外，Texas Instruments也提供了bq25504这款超低功耗升压转换器。该器件专为高效获取和管理光伏电池产生的电力而设计，集成了一个DC-DC升压转换器/充电器，只需数微瓦的功率和低至330mV的电压即可开始能量采集（图5）。

图5：采用TI电源管理IC的能量收集电池充电应用电路（图源：Texas Instruments）

3 第三代光伏技术的实际应用

虽然目前的光伏电池能量收集解决方案取得了令人满意的结果，但它们也存在一些缺点。例如，Mikroe的能量收集模块尺寸为7cm×6.5cm×0.3cm（受光面积为45.5cm2），相对较重并且易碎。但是，由于效率高于其他替代方案，类似该产品的硅光伏电池依然是目前唯一实用的选择。
 
第三代光伏电池采用的新技术可以显著提升效率，不再像当前商用产品那样只能达到10%的水平。许多目前还在实验室中的技术预计将在未来几年内使效率翻倍，让薄膜光伏电池的效率也能达到硅光伏电池的水平，同时还具有成本低、重量轻、耐用度高的优势。例如，一块面积仅为4cm2的第三代薄膜光伏电池，其在直射阳光下可接收约0.22W的入射功率。在20%的效率下，其输出功率约为44mW。在以平均3.5V的电压充电时（锂离子电池在充电周期内的电压会发生变化），电源管理芯片提供的电流约为12mA，足以在大约25小时内将300mAh的锂离子电池充满电。虽然这样的充电机制需要有好几天的完全日照才能充满电，但必须注意到的是，在为典型的低功耗无线传感器供电的情况下，锂离子电池每天的放电量也许只有几个毫安时，所以光伏电池的目的只是对锂离子电池补电（而非完全充满电），因而即使连续多天日照不足，也能轻松应对传感器的用电需求。紧凑型的第三代光伏电池尚未实现商业化；即使实现了大规模生产，其最初阶段的价格对于无线物联网传感器应用而言也可能太高。不过，随着技术日渐成熟以及需求逐渐增加，薄膜光伏电池终将成为对特定应用而言更实惠、更实用的选择。与此同时，薄膜光伏电池的效率也将不断提升，为能量收集无线传感器的设计带来更大的优势，包括：
 
室内传感器可通过人工灯光收集能量。给定功率输出下的面板尺寸可以做得更小，满足空间严重受限的设计需求。在先进的无线SoC上运行复杂的软件算法时，可以获得更好的电源保障。无线传感器可以实现更远的传感距离和更高的数据吞吐量。多个传感器可由单个光伏面板供电。
 
结论

目前，大约85%的光伏（PV）电池是由硅制造的，因为硅的储量丰富，并且非常适合用来将光转化为电。第二代和第三代光伏技术则旨在解决硅的缺点，例如最高效率只能达到33%左右、加工过程需要采用高耗能的高温工艺，并且成品易碎。
 
第二代光伏面板：关注重点是安装在玻璃、塑料或金属基板上的“薄膜”光伏电池，它们在制造过程中的成本和能耗更低，使用的材料更廉价，重量也更轻，适合应用于能够贴在窗户上的半透明光伏贴面材料。这些产品不太可能挑战硅在大规模光伏发电项目中的主导地位，但可以在成本和重量比效率更重要的应用中占有一席之地。
 
第三代光伏电池：建立在第二代产品的优势之上，同时让效率也能达到硅光伏电池的水平，这对位置偏远、维护极少的物联网传感器非常有利，让它们可以借助太阳能持续为可充电锂离子电池补电。第三代光伏电池采用了多种新技术，包括将砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、钙钛矿（CaTiO）等化合物半导体新材料运用到光伏电池中，以及新型聚光光伏（CPV）架构，还有采用多结、薄膜和大晶体，具备高能效和高耐久性的装配技术。
 
带能量收集功能的无线物联网传感器等特定应用需要采用高效、紧凑、耐用、廉价的光伏技术，这正是第三代光伏电池的优势所在。这样的技术可以让无线传感器能够在只需极少维护乃至完全无需维护的情况下可靠运行。随着第三代光伏技术发展成熟，我们将会看到更加丰富多样的无线传感器设计，例如从室内照明中收集能量，以及其他各种需要紧凑、高效、强大和耐用设计的能量收集应用。
 
要点提炼

硅是主导市场的通用光伏面板应用材料，因为其原材料丰富、制造基础设施成熟，而且效率不错。
硅光伏电池存在一些明显缺点：沉重、易碎、生产耗能高、成本高昂。
这些缺点使得硅并不适合用在紧凑型无线物联网传感器的能量收集应用中。
新材料和新的光伏电池制造技术解决了硅的缺点，但降低了效率，对无线物联网传感器而言依然不太实用。
第三代光伏电池提高了效率，使该技术适用于无线物联网传感器，并有望以合适的成本提高计算能力、无线传感距离和数据吞吐量。
 


Steven Keeping作者介绍
 
Steven先在Eurotherm和BOC的电子部门工作了七年， 然后又加入了《Electronic Production》杂志，担任电子制造、测试和设计领域的高级编辑以及出版方面的工作长达13年。Steven还曾在英国和澳大利亚的三一镜报、CMP和RBI工作过，负责《What’s New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》杂志的相关工作。2006年，Steven成为了专攻电子行业的独立记者， 他目前居住在悉尼。