利用能量收集的第三代光伏电池

目前，在已安装的光伏电池中约有85%是由硅材料制造的，因为硅原料丰富并且适合把光能转化成电能。光伏电池可以采用IC行业首创的晶圆制造技术进行生产。但是，硅有很多缺点，包括约为33%的最大转换效率，大能耗高温处理以及易碎性。

可替代PV技术能够解决硅材料的这些缺点，他们使用了新材料、新架构和新的组装技术。新材料包括砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP），以及矿物钙钛矿。新能源聚焦光伏电池（CPV）的结构和组装技术使用多结，薄膜和大晶体来实现高能量功率和耐用性。

由于批量生产和价格持续下降，硅光伏电池可能会主导大规模发电产业，可替代技术将在利基应用中得到使用。无线loT传感器就是其中的一个应用，在该项应用中，高效、紧密、耐用且廉价的的光伏技术可以利用太阳能为电池设备充电。这种技术将成为推动物联网发展的一个福利，因为它几乎不需要维护就可以使无线传感器可靠地运行。

本文探讨了光伏电池的工作原理，硅的作用、硅作为底层半导体的优缺点，以及新半导体，架构和组装技术的潜力。

光伏过程

虽然想要深刻理解光伏（也称为光电）工艺需要熟悉量子力学，但光伏电池运行的基本原理比较简单：光伏电池利用半导体p-n结。 在n型材料中，电子作为载流子，在p型材料中，电子空穴或“孔”作为载流子。

当窄波长带内的光子进入半导体晶体矩阵时，有可能被n型材料中与原子结合的电子所吸收，从而赋予粒子足够的能量使其从母体原子逸出。然后n型材料上的多余电子扩散穿过结和p型材料的空位复合，从而在结上产生电位差。在结两侧形成的导通回路允许直流（DC）通过（图1）。

图1：单结PV电池操作：适当能量的光子释放电子，其穿过半导体结并产生电位差。 （资料来源：Cyferz，英文维基百科）

由于光伏电池由数千个p-n结组成，所以产生的电流需要叠加。 在商业产品中，这些电池被组合以形成模块并且最终创建面板。 转换器可以将直流电压变为交流，以便完成有用的工作，或直接将电力发送到配电网（图2）。

图2：PV电池组合成模块，然后组合成面板以形成最终产品。 （来源：维基百科）

第一代光伏电池：单结硅

第一代PV板主要由硅晶体（“c-Si”）制成。 硅片被大量采用的关键驱动因素是其光伏性能和供应便利性。硅的原料丰富（占地壳28％），制造技术和设备可以借用芯片行业生产的。 然而，大规模硅晶片光伏板处理起来耗能大而且复杂昂贵。

由于全球制造产量过剩，成本已有所下降; 仅在过去一年中，硅光伏电池板的价格下降了约30％，旨在鼓励采用硅光伏电池以减少对发电化石燃料依赖的政府补贴也有着重要作用。 然而，对于许多利基应用而言，该技术仍然是很昂贵的。

硅的优势：效率和带隙

硅为光伏技术提供了几个优势。 首先，其光伏效率好（效率是指PV电池接收的光能与其产生能量的比例）。在地球表面，太阳在直射时提供能量约1100W / m2。 一块光伏板能够达到这个水平10％的效率，例如，将输出约110W。

限制半导体最大效率的关键特性是其带隙。 带隙是将电子从原子释放到“导带”中所需的能量，测量单位是电子伏特（eV）; 1eV约等于1.602×10-19J。

光子的能量由波长决定，波长较短（较高频率）的光子更活跃。 进入c-Si晶格的许多太阳光子的能量不足以释放电子，因此需要稍微加热材料。 具有的能量比桥接带隙所需能量大的光子可能释放单个电子，但是它们的多余能量将仅仅有助于加热晶体，而不是做任何有用的操作。

1961年，William Shockley和Hans-Joachim Queisser通过一系列带隙计算了单结（仅由一块半导体制造而成）电池的最大光伏效率理论值（图3）。计算表明，单结光伏电池的最佳带隙为1.13eV，最大效率约为33％。事实证明，硅1.10eV的带隙接近最佳数值。

图3：Shockley和Queisser对单结光伏电池半导体的最大效率与带隙的计算。硅的带隙为1.1eV。 （来源：维基百科）

硅缺点：晶体尺寸，能量，效率和脆弱性

然而，硅并不是光伏电池的最佳材料。 例如，带隙不是效率的唯一决定因素; 晶体尺寸也有很大的影响。 如果材料由小晶体组成，则电子迁移率由于大量晶体界面而降低。减少的迁移率限制了电流流动，从而限制了效率。

此外，这些缺点进一步阻碍硅作为光伏电池的理想半导体：

• 理论最大效率只有33％。 最好的商用c-Si光伏板在实际使用中能获得约24％的效率，浪费了四分之三的太阳能量。

• 易碎，需要重型玻璃面板的机械支撑，增加重量和成本。

• 能源密集，高温度和加工复杂。

• 固有成本昂贵，如果供应受限制和/或补贴被撤销，可能会带来挑战。

光伏科技的新发展

近几年来，第二代光伏产品已经实现商业化，第三代技术已进入研发实验室。 第二代和第三代技术基于成熟硅技术的成功，特别是已建立的基础设施，例如绝大多数独立于光伏技术类型的隔离器，仪表，控制器和逆变器，同时这也解决了硅片的一些缺点。

第二代光伏技术

第二代光伏板致力于安装在玻璃，塑料或金属基板上的纳米至微米量级的光伏材料。这些“薄膜”PV（TFPV）电池（由于额外的活性层也被称为“多结”产品）制造成本低，能耗低，使用更便宜的材料，重量轻，适用于如可以层压在窗户上的半透明PV玻璃材料等应用（图4）。

图4：多结TFPV单元内部结构。 （来源：NREL）

TFPV面板的缺点是制造，能源，成本和重量方面的优势与效率背道而驰。由于薄膜包含影响电子迁移率的微小晶体，大多数多结PV板的一些潜在效率增益将会丧失。 例如，代替由相对较大的晶体构成的c-Si，商业TFPV面板使用多晶硅（非常小的晶体）或非晶硅（无晶体）。 尽管今天的商业产品通常以10％的效率运行，但是TFPV面板承诺的效率为20％。

TFPV面板的第二个缺点是由于薄膜的快速降解作用降低了面板寿命。 第二代光伏电池不太可能挑战硅在大规模发电方面的主导地位，但是在低成本，重量和耐用性匹配效率的应用中提供了保证。

第三代光伏技术

光伏技术在不断发展，以加强第一代和第二代技术。 对新领域的研究正在开展，这将会成为第三代光伏产品的基础。 这些发展和研究一般分为四个部分：

• 材料：用不同带隙的半导体补充硅，使得较低能量的光子能够释放电子，并使高能量的光子将更多的能量转换成电能。

• 结构：引进能够降低第一代光伏产品能源强度和复杂性的技术。

• 加工：改进半导体加工技术来提高晶体的质量和尺寸，以便提高电子迁移率。

• 机械：通过用镜子或透镜聚焦光线来扩大落在单位面积基板上的光子数。

材料发展

通过引入具有比硅更低和更高带隙的材料，可以将更多的入射光子能量转换成电。硅的带隙是1.1eV，是从可见光中收集能量的最佳单个半导体。 然而，来自太阳的大部分能量由能量低于该带隙的光子承载。例如，虽然蓝光光子可以承载三倍于红光光子的能量，但是即使光子被硅电子吸收，也有三分之二的能量被浪费掉。

带隙比硅低的半导体使光子的存在有意义，否则光子在促进PV效应方面是没用的。 例如砷化铟（InAs）具有0.36eV的带隙，已成功地用于补充硅。

带隙比硅高的半导体允许更短波长光子的能量转化为电能。 例如具有1.43eV带隙的砷化镓（GaAs）和带隙为2.25eV的磷化镓（GaP）等材料也被成功使用。几行研究已经导致这些材料的进一步复合，例如砷化铟镓（InGaAs）和磷酸铟镓（InGaP），以进一步优化PV效应。

结构发展

可替代带隙半导体比硅的最大效率要低，因此单独使用它们没有好处。 相反，在多层结构中使用一个或多个半导体。具有最大带隙--需要短波长（高能量）可移除电子的光子材料位于顶部，允许低能量光子通过而不需要相互作用，然后被下层中的低带隙材料吸收。每个层需要透明导体来承载所产生的电流，而使光子通过下一个层。 这项技术已经在TFPV面板上取得成功，并成为关键领域的研究焦点。

硅的最大效率为33％，但是多层光伏板在理论上可以提高最大效率。例如，一个两层的光伏电池，其中一层带隙为1.64eV，另一层带隙为0.94eV，其最大效率可达44％。 类似地，具有1.83，1.16和0.71eV带隙的三层光伏电池理论上能达到48％的最大效率。 商业多层产品包括两层，三层或四层。

加工发展

研究人员正在研究第三代PV面板的新材料组合技术，致力于将第一代的高效率与第二代的更简单、更便宜的制造相结合。

已经引起极大兴奋的一组材料是CaTiO。 该组材料的带隙范围为1.4至2.5eV。 钙钛矿组的理论最大效率不能和硅相匹敌，但4％至20％的效率增益提高了希望，商业产品最终将会比TFPV面板有更高的效能。

钙钛矿组相对于硅的关键优点是比较容易且处理温度低，可以生长出毫米级的完美晶体。对于完美的晶格这是很大的尺寸，并且在降低制造成本的同时，显著提高了电子迁移率和效率。目前的研究路线旨在增长更大的完美晶体; 例如，美国麻省理工学院的研究人员最近已经发现如何通过将电池暴露于强光来“治愈”以钙钛矿为基础的PV电池中的晶体缺陷。

在其他地方，加州大学伯克利分校的研究人员发现，钙钛矿晶体不同方面得效率显著不同。科学家现在将研究重点放在散装材料的处理方法上，将效率最高的面与光伏电池电极相接合并作为提高整体效率的方法。

与TFPV材料一样，目前限制基于钙钛矿的PV电池商业部署的关键挑战是材料降解的速度。

机械发展

第三代PV面板的另一个发展目标是集中光伏（CPV）技术。 CPV设计旨在使用透镜和镜子对阳光进行聚焦，从而使落在PV面板单位面积上的光子数量明显增多。 该技术通常采用高效，多结的光伏电池，如图4所示。聚焦光线可以提高效率，从而大大减少面板尺寸，降低产品的成本和重量，并且可以增加产品安装位置的数量。

“低”CPV将相当于两到一百倍的阳光照射到面板上，而“高”CPV可以将光乘以相当于1000倍的阳光。 CPV系统通常使用太阳能跟踪器，有时还使用冷却系统来提高效率。 表1总结了目前光伏电池技术的效率。

表1：c-Si，TFPV和CPV技术的效率（资料来源：IRENA）

案例研究：能量收集无线IoT传感器

光伏技术的关键应用是可再生能源的发电能力。 但是提供更便宜，更耐用和更小光伏面板的第三代技术承诺引入能源收集利基应用。

无线IoT传感器

IoT无线传感器的设计人员长期热衷于能量收集。可以设想，物联网将包括数十亿个能够远程定位的传感器，因此loT与主电源隔离，难以进行维护，例如更换电池。

许多产品将采用低功耗无线技术，如蓝牙和Zigbee，这些产品都是从从底层设计出来的，并在适度的电力资源中运行。许多应用由容量约为220mAh的电池供电。 在低功耗循环运行中，低能耗无线片上系统（SoC）的平均电流功耗在微安范围内，将电池寿命延长到数千小时（几个月）。

然而，通过用二次电池替换一次电池和给PV电池充电可以使自给式操作的使用寿命长达数年。

能量获取技术

小容量锂离子可充电电池的能量采集技术是一项成熟的技术。 例如，MikroElektronika的能量收集模块是能够在4V电压下产生高达0.4W功率的硅光伏电池。

光伏电池的电压和电流变化很大。 因此，由于锂离子电池在充电周期内需要精确的电流/电压管理，因此必须对可充电锂离子电池进行电压/电流输出调节。专用设计、高度集成的电源管理芯片可用于此项工作。

例如，Maxim的MAX17710电源管理IC可以管理不稳定的电源，例如输出电平范围在1μW至100mW范围的光伏电池。该装置还包括升压调节器电路，用于从低至0.75V的电源对电池进行充电。内部稳压器保护电池以免受过量充电。通过低压差（LDO）线性稳压器可将 3.3，2.3或1.8V的输出提供给无线IoT传感器。

德州仪器还提供电源管理IC bq25504。该器件专门用于有效地采集和管理光伏电池产生的电力。该芯片集成了DC-DC升压转换器/充电器，只需要微瓦功率和低达330mV的电压来获取能量（图5）。

图5：使用TI电源管理IC的能量采集电池充电的应用电路。 （资料来源：德州仪器）

第三代光伏技术应用

尽管目前的光伏电池能量收集解决方案工作令人满意，但确实还存在一些缺点。例如，MikroElektronika的能量采集模块尺寸为7 x 6.5 x 0.3厘米（表面积为45.5厘米2），比较重而且易碎。然而，因为硅光伏电池与替代品相比效率显著，所以它们目前是唯一的实际选择。

第三代电池融合多项技术来提高效率，超出目前商业产品的10％。预计在未来几年，实验室的技术将双倍提高效率。这将为TFPV电池引入硅PV电池的性能，融合了成本低，重量轻，更坚固等优点。

例如，直射面积为4cm2的第三代TFPV电池将会接收大约0.22W的入射功率。 效率达到20％时，TFPV电池的输出功率约为44mW。当平均充电3.5V（锂离子电池充电周期内的电压变化）时，电源管理芯片提供的电流约为12mA，足以在25小时内完成对300mAh锂离子电池的充电。

虽然这样的充电方式需要几天的充足阳光，但请注意，锂离子电池只能在典型的低功率无线传感器操作下以每天几mAh的速率放电（而不是完全充电），以确保即使在没有充分阳光的日子里也能轻松应对能源需求。

第三代紧密型光伏电池尚未商业化。 当批量生产确实开始时，无线IoT传感器应用的价格在初期可能会很高。然而，随着技术的成熟和需求的增加，TFPV电池将变得更便宜，这对于利基应用来说是一个实际的提议。

同时，TFPV 光伏电池的效率将持续增加，并为无线传感器设计带来更大的优势，包括：

• 利用室内传感器收集人造光的能量。

• 为给定功率输出的高空间受限设计减少面板尺寸。

• 更高的功率可用于在先进的无线SoC上运行复杂的软件算法。

• 增加无线传感器范围和吞吐量。

• 单PV面板为多个传感器供电。

结论

目前安装的光伏（PV）电池估计有85％是由硅制造，因为硅材料原料丰富，适合将光转换成电。第二代和第三代光伏技术正在解决硅片的缺点，包括其最大效率仅为33％，能源密集型高温处理和易碎性。

第二代PV面板专注于安装在玻璃，塑料或金属基板上的“薄膜”PV电池。这些制造成本更低，所需能量更少，使用便宜的材料，重量轻，并且适用于诸如可以层压在窗户上的半透明PV玻璃材料的应用。 第二代光伏技术不太可能挑战硅在大规模发电方面的主导地位，但是在成本，重量和耐用性可以和效率相抗衡的应用中可以大量使用。

尽管第三代光伏电池建立在第二代产品的优势上，但是在匹配硅片效率上做出了进一步的保证。这将使电池成为远程，低维护的IoT传感器应用的良好选择，该应用使用可再充电锂离子电池利用太阳能量不断充电。这些光伏技术使用新的材料，结构，加工和机械技术来解决硅的缺陷。 新材料包括化合物半导体砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）以及矿物钙钛矿（CaTiO）; 新的能量聚焦光伏（CPV）架构和组装技术使用多结，薄膜和大晶体来实现高能效和耐久性。

像能源收集无线IoT传感器这样的利基应用，需要高效，紧密，耐用和便宜的光伏技术，将受益于第三代光伏电池。这样的技术将使得无线传感器能够在几乎不进行维护的情况下可靠地操作。随着第三代光伏技术的发展，我们期待看到额外的无线传感器设计，例如从室内照明和其他要求紧密，高效和强大设计的应用中获取能量。

关键外包

• 硅是通用光伏面板应用的市场主导材料，因为其原材料丰富，制造基础设施建全，并且能提供高效率。

• 硅光伏电池有一些明显的缺点：重，易碎，生产能源密集，价格昂贵。

• 这使得硅对于紧密型无线IoT传感器的能量收集应用来说是不切实际的。

• 新的材料和光伏电池构造技术解决了硅片的缺点，但效率下降限制了无线传感器的有用性。

• 第三代电池提高了效率使该技术适用于无线IoT传感器，并承诺在可承受成本范围内提高计算能力，无线范围和吞吐量。