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新的光伏电池有利于能量收集

目前,安装的光伏(PV)电池中有85%是由硅制造的,因为它特别适合将光转化为电和丰富。而且,通过采用集成电路(IC)行业开创的晶圆制造技术,可以大量生产PV电池。然而,硅也有一些缺点,其中最高效率约为33%,高能耗高温处理和脆弱性。
已经开发出使用新材料,体系结构和组装技术的替代光伏技术来解决硅的缺点。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)。新型聚焦式能量聚光光伏(CPV)架构和组装技术采用多结,薄膜和大晶体,具有高能效和耐用性。
尽管由于大规模生产和价格下降,硅光伏电池很可能会主导大规模的发电,但替代技术将会在小众应用中发挥作用。一种这样的应用是无线IoT传感器,其中高效,紧凑,耐用且便宜的PV技术可以收集太阳能来给设备电池充电。这种技术对于物联网(IoT)的推出将是一个福音,因为它可以使无线传感器在没有维护的情况下可靠地运行。
本文探讨了光伏电池的工作原理,硅的作用以及硅作为基础半导体的优缺点,以及新型半导体,体系结构和组装技术的潜力。

光伏过程

尽管对光伏(也称为光电)过程的深刻理解需要熟悉量子力学,但光伏电池操作的基本原理相对简单:PV电池利用半导体p - n结。在n型材料中,电子充当电流载流子,电子空位或“空穴” 在结的p侧进行相同的工作。
当一个窄波段内的光子进入半导体晶体矩阵时,有一定几率被与n型材料中的原子结合的电子吸收,赋予粒子足够的能量从其母体原子逸出。结的n型侧上的过量电子然后扩散穿过结,以与p型侧上的孔重新结合,从而在整个结点上产生电势差。在接头两侧之间加入导电回路,可以使直流(DC)流过(图1)。
单结PV电池操作

图1:单结PV电池操作:合适能量的光子释放电子,其穿过半导体结而产生电势差。(来源:维基百科的Cyferz)
由于光伏电池由数以千计的这些pn结组成,因此所产生的电流相乘。在商业产品中,这些细胞被组合起来形成模块并最终形成面板。直流电压可以通过逆变器变成交流电来做有用的工作或直接向配电网发电(图2)。
光伏电池组成模块

图2: PV电池被组合成模块,然后被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

第一代光伏电池板主要由硅晶体(“c-Si”)制成。硅片吸引力大的关键因素是其光伏性能和供应便利性。散装材料很丰富(占地壳的28%),制造的技术和设备已经从芯片工业借用。然而,处理用于PV面板的大规模硅片是高能耗,复杂且昂贵的。
成本已经得到缓解,部分原因是全球制造能力过剩; 仅在去年一年,硅光伏电池板的价格就下降了30%左右。旨在鼓励吸收硅光伏电池以减少对用于发电的化石燃料的依赖的政府补贴也鼓励采用。尽管如此,这项技术对许多利基应用来说仍然是太昂贵的。

硅的优势:效率和带隙

硅为光伏技术提供了几个优势。首先,其光伏效率是好的。(在这种情况下,效率是指太阳能电池接收到的阳光与其产生的能量的比例,平均在地球表面上方,太阳直接从上方输送到大约1100W / m 2,测量1m 2暴露在这种阳光下,并且显示10%的效率,例如,将输出大约110W。
限制半导体最大效率的关键特点是其带隙。带隙是将电子从原子释放到“导带”所需的能量的量,以电子伏特(eV)来测量; 1eV近似等于1.602×10 -19 J.
光子的能量由其波长决定,较短波长(较高频率)的光子更有活力。进入c-Si晶格的许多阳光光子将携带不足以释放电子的能量,因此只会加热材料。光子能量超过能带隙所需的能量,可能会释放一个电子,但是它们的多余能量将再次促成晶体的加热,而不是做任何有用的事情。
1961年,威廉·肖克利(William Shockley)和汉斯·约阿希姆·奎瑟(Hans-Joachim Queisser)计算了在一系列带隙上单结(仅由一个半导体制成的电池)光伏电池的理论最大光伏效率(图3)。计算结果显示,单结PV电池的最佳带隙为1.13eV,最大效率约为33%。事实证明,1.10eV的硅带隙接近最佳值。
Shockley和Queisser最高效率的计算

图3: Shockley和Queisser计算单结光伏电池半导体的最大效率与带隙的关系。硅具有1.1eV的带隙。(来源:维基百科)

硅的缺点:晶体尺寸,能量,效率和脆弱性

然而,作为材料的硅对于PV电池并不完美。例如,带隙不是效率的唯一决定因素; 晶体大小也有重大影响。如果材料是由小晶体组成的,则由于大量的晶体界面而降低了电子迁移率。流动性降低会限制电流,从而影响效率。
此外,这些缺点进一步阻碍了硅作为PV电池的理想半导体:
  • 最大理论效率只有33%。最好的商用C-Si光伏电池板在实践中浪费了四分之三的太阳能,实现了24%左右的效率。
  • 脆弱,需要重型玻璃面板的机械支撑,增加重量和成本。
  • 高能耗,高温度和复杂的加工。
  • 本质上昂贵,如果供应受到限制和(或)补贴被撤回,这可能会带来挑战。

光伏技术的新发展

在过去的几年中,第二代光伏产品已经商品化,第三代技术已经进入研发实验室。第二代和第三代技术的成功基础是成熟的硅技术,尤其是成熟的支持基础设施,如绝大部分独立于光伏技术类型的隔离器,仪表,控制器和逆变器等,同时解决硅的一些缺点。

第二代光伏技术

第二代光伏面板专注于安装在玻璃,塑料或金属基板上的纳米到微米厚的光伏材料层。这些“薄膜”光伏(TFPV)电池(由于附加的有源层而被称为“多结”产品)更便宜,能耗更低,制造成本更低,材料更便宜,重量更轻,例如可以层压在窗户上的半透明PV玻璃材料(如图4所示)。
多结TFPV细胞内部结构

图4:多结TFPV电池内部结构 (来源:NREL)
TFPV面板的缺点是,制造,能源,成本和重量优势与效率相抵消。由于薄膜包含影响电子迁移率的微小晶体,因此散装材料多结光伏面板的一些潜在效率增益会丧失。例如,含有比较大的晶体的c-Si,商业的TFPV板使用多晶硅(非常小的晶体)或非晶硅(无晶体)。TFPV面板承诺效率为20%,尽管今天的商业产品通常以10%的效率运行。
TFPV面板的第二个缺点是薄膜的相对快速退化,降低了面板寿命。第二代光伏电池不太可能挑战芯片在大规模发电领域的主导地位,但在低成本,重量和耐用性可以抵消效率的应用中提供了保证。

第三代光伏技术

光伏技术不断发展,以提高第一代和第二代技术。而对新领域的研究正在揭开构成第三代光伏产品基础的技术。这些发展和研究大致分为四个部分:
  • 材料:利用不同带隙的半导体补充硅,使较低能量的光子能够释放电子,并使较高能量的能量将更多的能量转化为电能。
  • 结构:引入降低第一代光伏面板生产的能源强度和复杂性的技术。
  • 加工:改善半导体加工技术以提高晶体的质量和尺寸,从而提高电子迁移率。
  • Mechanical(机械):通过用入射光镜或镜头聚焦来放大落在单位面积基板上的光子数。

材料开发

通过引入具有比硅更高和更高带隙的材料,可以将更多的入射光子能量转换成电能。硅的1.1eV带隙是从可见光收集能量的任何单一半导体中最好的。然而,来自太阳的大部分能量都是由低于此带隙的光子携带的。例如,蓝光光子可以承载三倍于红光的能量,即使光子被硅电子吸收,该能量的三分之二也被浪费了。
带隙低于硅的半导体使得光子无法作用于光伏效应。例如,砷化铟(InAs)具有0.36eV​​的带隙,并已被成功用于补充硅。
具有比硅更高带隙的半导体允许更短波长的光子的更多能量贡献于发电。带隙为1.43eV的砷化镓(GaAs)和带隙为2.25eV的磷化镓(GaP)等材料也已成功使用。几条线的研究已经导致这些材料的进一步混合 - 例如砷化铟镓(InGaAs)和磷化铟镓(InGaP) - 以进一步优化PV效应。

结构性发展

备选带隙半导体的最大效率比单独的硅低,因此单独使用它们没有好处。相反,一个或多个半导体以多层结构一起使用。具有最大带隙需要短波长(高能量)光子去除电子的材料位于顶部,允许低能量光子通过而没有相互作用,然后被下面层中的较低带隙材料吸收。每层都需要透明导体来承载产生的电流,但是让光子穿过下层。这项技术已经在TFPV面板上取得了成功,并且仍然是研究的关键领域。
硅具有33%的最大效率,但理论上这个数字可以被多层PV面板所改善。例如,具有一个带隙为1.64,另一个带隙为0.94eV的两层电池可以达到44%的最大效率。类似地,带隙为1.83,1.16和0.71eV的三层PV电池将具有48%的最大理论效率。商业多层产品包含两层,三层或四层。

加工发展

研究人员正在研究第三代光伏面板的新材料组,将第一代高效率与第二代高效率的生产相结合。
一组引起兴奋的材料来源于矿物钙钛矿(CaTiO)。这组材料的带隙范围从1.4到2.5eV。钙钛矿组的理论最大效率不能与硅相匹配,但是最近从4%到20%的快速效率增加已经带来希望商业产品最终将比TFPV面板更有效率的希望。
钙钛矿相比硅的关键优势在于比较容易,加工温度低,可以生长出毫米级的完美晶体。这是一个完美的巨大的尺寸
晶格,并大幅提高电子迁移率,从而提高效率,同时削减制造成本。目前的研究线是为了生长更大的完美晶体。例如,美国麻省理工学院的研究人员最近发现如何通过将细胞暴露于强光下来“治愈”基于钙钛矿的PV电池中的晶体缺陷。
另外,加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员发现钙钛矿晶体的不同方面的效率明显不同。科学家们正在把他们的研究重点放在处理散装材料的方法上,以便只有最有效的刻面才能与PV电池电极接合,从而提高整体效率。
与TFPV材料一样,目前限制基于钙钛矿的PV电池的商业应用的关键挑战是材料降解的速度。

机械发展

第三代光伏面板的另一个发展目标是聚光光伏(CPV)技术。CPV被设计为使用透镜和反射镜来聚焦阳光,使得光伏面板的单位面积上出现大量的光子。该技术通常采用高效率,多结光伏电池构建,如图4所示。聚焦光线可提高效率,大大减少面板尺寸,降低产品的成本和重量,并增加可安装位置的数量。
“低”CPV将相当于2到100倍的太阳光聚焦到面板上,而“高”CPV可以将光线乘以相当于1000倍的阳光。CPV系统通常使用太阳能追踪器,有时使用冷却系统来提高效率。表1总结了当前光伏电池技术的效率。
c-Si,TFPV和CPV技术的效率

表1: c-Si,TFPV和CPV技术的效率(来源:IRENA)

案例研究:能量收集无线物联网传感器

光伏技术的关键应用是可再生能源发电能力为电网供电。但是第三代技术(承诺更便宜,更耐用,更小的光伏电池)承诺引入能量收集利基应用。

无线物联网传感器

物联网无线传感器的设计者一直热衷于利用能量收集。预计物联网将包括数十亿传感器,其中很多传感器远程定位,因此与主电源隔离,难以进行维护,如电池更换。
许多产品将采用低功耗无线技术,如蓝牙低功耗和Zigbee,这些低功耗无线技术已经从最基本的电源资源运行。许多应用都由220mAh容量的紧凑型主电池供电。在低占空比的操作中,低功耗无线片上系统(SoC)的平均电流为微安范围,将电池寿命延长至数千小时(数月)的运行时间。
但是,通过用二次电池更换一次电池并通过PV电池充电来延长电池寿命将自足操作延伸到几年。

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的技术。例如,MikroElektronika的能量收集模块是一个硅电池,在4V时能够产生高达0.4W 的功率。
来自PV电池的电压和电流差别很大。因此,锂离子电池充电时必须对电压/电流输出进行调节,因为锂离子电池在充电周期中需要小心的电流/电压管理。)目的设计的高度集成的电源管理芯片可用于工作。
例如,Maxim的MAX17710电源管理IC可以管理输出电平在1μW至100mW范围内的光伏电池等管理不善的光源。该器件还包括一个升压调节器电路,用于从低至0.75V的电源为电池充电。内部稳压器保护电池免受过度充电。3.3,2.3或1.8V输出通过低压差(LDO)线性稳压器提供给无线物联网传感器。
德州仪器还提供电源管理IC bq25504。该器件专门设计用于高效采集和管理光伏电池产生的电力。该芯片集成了一个DC-DC升压转换器/充电器,只需要微瓦的功率和330mV的低电压即可开始能量采集(图5)。
TI bq25504能量收集电池充电器

图5:采用TI电源管理IC进行能量采集电池充电的应用电路 (来源:德州仪器)

第三代光伏技术应用

虽然目前的光伏电池能量收集解决方案的工作令人满意,但也有一些缺点。例如,制造商mikroElektronika的能量收获模块测量7×6.5×0.3厘米(的45.5厘米表面积2),是相对较重且易碎。然而,像这种产品的硅光伏电池是目前唯一的实际选择,因为它们的效率与替代品相比。
第三代电池采用技术来提高效率,超过商业产品目前的10%。目前在实验室的技术预计将在未来几年中效率提高一倍。将为TFPV电池引入硅光伏电池型性能,同时具有成本更低,重量更轻,鲁棒性更高的优点。
例如,第三代TFPV电池在阳光直射下的尺寸仅为4cm 2,将会获得大约0.22W的入射功率。当效率为20%时,TFPV电池的输出功率约为44mW。当平均充电电压为3.5V(锂离子电池充电周期中的电压变化)时,电源管理芯片提供的电流大约为12mA,足以在25小时内完全充满300mAh锂离子电池。
虽然这样的充电方式需要几天的充足阳光,但请注意,在典型的低功率无线传感器操作下,锂离子电池将仅以每天几毫安的速率放电, (而不是完全充电),确保即使在没有充足日照的情况下也能轻松应对能源需求。
第三代紧凑型光伏电池尚未实现商业化。而且,当大规模生产开始时,无线物联网传感器应用的价格可能会最初过高。然而,随着技术的成熟和需求的增加,TFPV电池将会变得更便宜和实用。
同时,TFPV光伏电池的效率将继续增加,为能量收集无线传感器设计带来更大的优势,包括:
  • 从人造光源收集室内传感器的能量。
  • 对于高度空间受限的设计,给定功率输出的面板尺寸减小。
  • 可以在先进的无线SoC上运行更复杂的软件算法
  • 无线传感器范围和吞吐量增加
  • 多个传感器由单个PV面板供电。

结论

目前安装的光伏(PV)电池估计有85%是由硅制造的,因为它既丰富又适合将光转化为电。第二代和第三代光伏技术正在解决芯片的缺点,其最大效率仅为33%左右,高能耗高温处理和脆弱性。
第二代太阳能电池板集中安装在玻璃,塑料或金属基板上的“薄膜”光伏电池。这些产品制造成本更低,能耗更低,使用更便宜的材料,重量更轻,适用于可以层压在窗户上的半透明PV玻璃材料等应用。这些不太可能挑战芯片在大规模发电领域的主导地位,但是在低成本,重量和耐用性可以与效率相抵消的应用中提供了承诺。
第三代光伏电池通过在利用第二代产品的优势的同时匹配硅的效率而更有保证。这将使电池成为远程,低维护的物联网传感器应用的理想选择,使用可充电锂离子电池不断补充太阳的能量。这些光伏技术使用新材料,结构,加工和机械技术来解决硅的缺点。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)结构和组装技术使用多结,薄膜和大晶体,以实现高能效和耐用性。
能源收集无线物联网传感器等需要高效,紧凑,耐用且价格低廉的光伏技术的利基应用将受益于第三代光伏电池。这种技术将使无线传感器能够可靠运行,而且几乎不需要维护。随着第三代光伏技术的发展,我们可以期待看到更多的无线传感器设计,例如从室内照明中获取能量,以及其他需要紧凑,高效,功能强大和坚固设计的应用。

关键要点

  • 由于原材料丰富,制造基础设施建立,并且如果提供高效率,硅是通用光伏面板应用市场领先的材料。
  • 硅光伏电池有一些明显的缺点:它们沉重,脆弱,能源密集,生产成本高。
  • 这使得硅对于紧凑型无线物联网传感器的能量收集应用来说不切实际。
  • 新材料和光伏电池构造技术解决了硅的缺点,但效率较低限制了无线物联网传感器的实用性。
  • 第三代电池的效率提高将使该技术适用于无线物联网传感器,并承诺以可承受的成本增加计算能力,无线范围和吞吐量。

(责任编辑:ioter)

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