光伏材料及光伏电池的介绍分析

目前市场上有许多类型的太阳能转换装置。它们可以发挥广泛的作用，从太阳能计算器等微功率应用到便携式电子设备的涓流充电，再到向电网提供数十或数百兆瓦的公用事业规模安装。起初，太阳能电池技术看起来非常简单，但随着电池类型和材料的广泛应用，它很快变得势不可挡。在这是设计师需要了解太阳能技术的系列文章的第一部分，我们介绍了一些基础知识，从历史背景开始。

光伏电池有多种形状和尺寸。太阳能发电历史悠久，大量的发展可以追溯到太空探索的早期。在太空中，太阳的光线不仅丰富，而且也是轨道车辆“现场”动力的唯一来源。当然，总是可以将其他能源提升到太空中，但是一旦到达就可以方便地获得一个随时可用的电源。

在航空航天领域之外，太阳能电池作为一种利基技术或者更适合科学博览会或其他新颖应用的东西，花了半个世纪的时间。

能源危机和绿色运动在过去十年中开始进一步推动光伏技术的发展。当然，这项技术在太空中得到了应用，但是离家较近的一系列完全不同的限制使研究人员走上了新的方向。功率密度是太空的迫切标准，因为它需要每磅数百万美元的投资才能将任何物质送入轨道。但在这里，需要更大的功率，经济因素如每瓦成本比纯性能更重要。

今天，至少有一种奇特的技术可以直接追溯到航空航天工业：聚光电池或聚光光伏（CPV）。虽然用于公用事业规模的电力生产的集中技术通常依赖于旧的主力汽轮机，但是一些装置在镜子或透镜的焦点处使用高效的光伏电池。使用这些特殊材料可以实现超过40％的效率，但半导体材料的成本太高，无法覆盖大型阳光捕获区域。相反，镜子或镜头将太阳光线聚焦到非常小的功率转换区域。电动多轴跟踪设备对于这些更昂贵的电池也是典型的，以最大化对半导体材料和光学器件的投资。

这两种聚光器技术突出了太阳能转换装置和光伏发电的定义。这两者在电子和半导体行业中经常互换使用，因为他们对这些领域的工程师更熟悉。然而，如上所述，太阳能可用于产生产生蒸汽以驱动涡轮机的热量。

在光伏发电的早期使用更便宜的材料，但不适用于任何严重耗电的应用。标准硅器件产生光电流的能力实际上是众所周知的现象。直到今天，测试工程师在获取I-V数据时才意识到显微镜上的光线保持开启之前，经常会对混乱的测量数据产生兴趣。

从广义上讲，光伏材料可分为两类 - 结晶和薄膜。结晶品种可以包括CPV阵列的奇特材料，但是对于大多数目的，我们讨论的是硅（图1）。

图1：这是光伏电池类型的广泛领域，但一般来说它可以分为两类 - 晶体和薄膜。 Crystalline可以包括CPV阵列的奇特材料，但是对于大多数目的，我们谈论的是硅。 （来源：Don Scansen）

在晶体硅类别中，还有几种器件类型。使用标准半导体级大块单晶晶片可以实现更高效率的电池。这些是最昂贵但性能最高的硅电池。在光伏圈中，该电池被称为单晶硅（c-Si）。

有几种制造方法试图采用晶体硅概念，使其生产成本更低。多晶电池仅略微滞后于潜在效率。生长多晶硅锭不仅需要在生产过程中进行较少的精细控制，而且还允许更接近方形的晶片，这显然是用于改善阵列内多个电池的封装密度的理想形状。标准的半导体级晶圆被“平方”以使它们更容易包装，这导致废料。尽管这些晶片钻头可以再循环，但废物仍然增加了成本，因此许多成本降低方法与最小化生产电池中的材料损失有关。

多晶硅（mc-Si）生产成本更低，因为它比生产单晶所需的工艺控制和护理更少。但主要特征是这些锭不必是圆形的。这些电池通常也被称为多晶硅，但这使得它们太容易与提供给任何硅晶体工艺的原始起始材料或用于CMOS集成电路中的晶体管栅极的多晶硅（有时只是多晶硅）层混淆。 。通常通过小心冷却成方形来铸造mc-Si块状材料。然而，仍然存在将该晶锭切割成电池的问题，这消耗了大量的硅。

为了避免输入材料的这种损失，寻求其他制造方法仍然可以利用体硅相对较高的转换效率但生产成本较低。输入字符串带状硅，这是一种允许从熔体中拉出薄片细胞材料的过程。除了避免将大块锯切成薄晶片切片的浪费之外，带状工艺还可以更灵活地设置单元尺寸。由于太阳能装置游戏的名称正在创造一个大型捕获孔径，因此连续形成过程非常适合。

第二大类光伏电池类型是薄膜品种。薄膜电池方法不是从基本上均匀的材料块中产生电池，而是采用大面积基板 - 通常是玻璃 - 并将其与有源层一起涂覆。 （注意：这仅用于说明，因为需要形成半导体结以从光产生电流，并且一些单元甚至是多结类型，其将不同材料分层以扩宽吸收光的光谱范围。）

硅仅通过这种方式沉积形成太阳能电池的各种材料中的一种。非晶硅（a-Si）薄膜电池充分利用了LCD面板行业在过去十年或更长时间内推动的技术改进和成本降低。标准LCD需要大量使用a-Si来创建薄膜晶体管来控制每个显示像素。对更大尺寸电视的推动有助于推进基板玻璃制造技术和硅蒸汽涂层系统，以适应非常大的面板。这些巨型玻璃面板的规模经济是每瓦成本的主要因素，这推动了任何大型电力生产装置的经济性。

您可能认为a-Si沉积在有效使用起始材料方面表现最佳，因为在最终玻璃基板上的蒸汽涂层消除了大块太阳能材料的通常切割和切片损失。不幸的是，在加工过程中，起始材料 - 硅烷 - 显着损失，不到三分之一粘在玻璃上。

虽然硅具有最广泛的知识基础材料，可用于任何太阳能材料的大批量生产，但它并不是具有相当好或高效率的经济型薄膜电池的唯一选择（图2） 。还有一些其他薄膜候选产品不仅生产成本低，而且提供比a-Si更好的转换效率，甚至达到相同的20％mc-Si水平。这种材料被广泛称为CIGS-镉 - 铟 - 镓 - 硒的简称。

图2：比较竞争太阳能电池类型的效率记录的历史趋势。硅以相对较低的成本为各种应用提供具有竞争力的效率。

有趣的是，CIGS细胞与其竞争对手相比并没有那么长时间，因为近130年前首次在硒中观察到光伏效应。自查尔斯弗里茨1838细胞的1％以来，硒基细胞已经走过了漫长的道路。

CIGS太阳能电池提供高效率和低瓦特每瓦特峰值输出的最佳组合之一。缺点一直是镉的存在以及对退役和妥善处置或负责任地回收致命材料的担忧。但这些好处促使制造商将回收利用作为其前期销售包的一部分。

CIGS电池通过避免需要大容量真空室（如生产器件质量a-Si所需的真空室），进一步降低了气相沉积的成本。在一种方法中，CIGS电池目前在标准大气中通过用构成材料的纳米颗粒涂覆基板并烧结它们来制造，该过程比需要真空沉积室的任何东西便宜得多。

高性能CIGS电池的关键是它可以吸收并转换成电流的光谱。它是一种直接的带隙材料，因此生产性电池只需要非常薄的活性材料层。当然，这降低了电池的成本。

最后一个主要的薄膜太阳能电池是另一种基于镉的电池。复合碲化镉（CdTe）电池的性能略低于其CIGS表兄弟。最好的发布单元提供的效率仅为17％。 CdTe通过更简单的生产工艺弥补了轻微的效率缺陷。另一方面，CdTe电池含有更高百分比的致命镉。

在大多数情况下，硅片统治光伏世界，从计算器到住宅屋顶再到公用事业规模的太阳能农场。 Digi-Key本身专注于硅太阳能电池。

在比较用于大规模能量收集的太阳能电池品种时，重要的是要注意Digi-Key提供适合这些应用的几种产品。 Parallax生产一种18V，10W太阳能电池板，包括四个多晶硅电池，可为单个面板提供高输出，并可直接组合多个面板以获得更高输出。 （图3）。

图3：Parallax的18V-at-10-W太阳能电池板包括四个多晶340×280-mm多晶硅电池。