目前，在已安裝的光伏電池中約有85%是由硅材料制造的，因為硅原料豐富并且適合把光能轉化成電能。光伏電池可以采用IC行業首創的晶圓制造技術進行生產。但是，硅有很多缺點，包括約為33%的最大轉換效率，大能耗高溫處理以及易碎性。

可替代PV技術能夠解決硅材料的這些缺點，他們使用了新材料、新架構和新的組裝技術。新材料包括砷化鎵（GaAs）和磷化鎵（GaP），以及礦物鈣鈦礦。新能源聚焦光伏電池（CPV）的結構和組裝技術使用多結，薄膜和大晶體來實現高能量功率和耐用性。

由于批量生產和價格持續下降，硅光伏電池可能會主導大規模發電產業，可替代技術將在利基應用中得到使用。無線loT傳感器就是其中的一個應用，在該項應用中，高效、緊密、耐用且廉價的的光伏技術可以利用太陽能為電池設備充電。這種技術將成為推動物聯網發展的一個福利，因為它幾乎不需要維護就可以使無線傳感器可靠地運行。

本文探討了光伏電池的工作原理，硅的作用、硅作為底層半導體的優缺點，以及新半導體，架構和組裝技術的潛力。

光伏過程

雖然想要深刻理解光伏（也稱為光電）工藝需要熟悉量子力學，但光伏電池運行的基本原理比較簡單：光伏電池利用半導體p-n結。 在n型材料中，電子作為載流子，在p型材料中，電子空穴或“孔”作為載流子。

當窄波長帶內的光子進入半導體晶體矩陣時，有可能被n型材料中與原子結合的電子所吸收，從而賦予粒子足夠的能量使其從母體原子逸出。然后n型材料上的多余電子擴散穿過結和p型材料的空位復合，從而在結上產生電位差。在結兩側形成的導通回路允許直流（DC）通過（圖1）。

圖1：單結PV電池操作：適當能量的光子釋放電子，其穿過半導體結并產生電位差。 （資料來源：Cyferz，英文維基百科）

由于光伏電池由數千個p-n結組成，所以產生的電流需要疊加。 在商業產品中，這些電池被組合以形成模塊并且最終創建面板。 轉換器可以將直流電壓變為交流，以便完成有用的工作，或直接將電力發送到配電網（圖2）。

圖2：PV電池組合成模塊，然后組合成面板以形成最終產品。 （來源：維基百科）

第一代光伏電池：單結硅

第一代PV板主要由硅晶體（“c-Si”）制成。 硅片被大量采用的關鍵驅動因素是其光伏性能和供應便利性。硅的原料豐富（占地殼28％），制造技術和設備可以借用芯片行業生產的。 然而，大規模硅晶片光伏板處理起來耗能大而且復雜昂貴。

由于全球制造產量過剩，成本已有所下降; 僅在過去一年中，硅光伏電池板的價格下降了約30％，旨在鼓勵采用硅光伏電池以減少對發電化石燃料依賴的政府補貼也有著重要作用。 然而，對于許多利基應用而言，該技術仍然是很昂貴的。

硅的優勢：效率和帶隙

硅為光伏技術提供了幾個優勢。 首先，其光伏效率好（效率是指PV電池接收的光能與其產生能量的比例）。在地球表面，太陽在直射時提供能量約1100W / m2。 一塊光伏板能夠達到這個水平10％的效率，例如，將輸出約110W。

限制半導體最大效率的關鍵特性是其帶隙。 帶隙是將電子從原子釋放到“導帶”中所需的能量，測量單位是電子伏特（eV）; 1eV約等于1.602×10-19J。

光子的能量由波長決定，波長較短（較高頻率）的光子更活躍。 進入c-Si晶格的許多太陽光子的能量不足以釋放電子，因此需要稍微加熱材料。 具有的能量比橋接帶隙所需能量大的光子可能釋放單個電子，但是它們的多余能量將僅僅有助于加熱晶體，而不是做任何有用的操作。

1961年，William Shockley和Hans-Joachim Queisser通過一系列帶隙計算了單結（僅由一塊半導體制造而成）電池的最大光伏效率理論值（圖3）。計算表明，單結光伏電池的最佳帶隙為1.13eV，最大效率約為33％。事實證明，硅1.10eV的帶隙接近最佳數值。

圖3：Shockley和Queisser對單結光伏電池半導體的最大效率與帶隙的計算。硅的帶隙為1.1eV。 （來源：維基百科）

硅缺點：晶體尺寸，能量，效率和脆弱性

然而，硅并不是光伏電池的最佳材料。 例如，帶隙不是效率的唯一決定因素; 晶體尺寸也有很大的影響。 如果材料由小晶體組成，則電子遷移率由于大量晶體界面而降低。減少的遷移率限制了電流流動，從而限制了效率。

此外，這些缺點進一步阻礙硅作為光伏電池的理想半導體：

? 理論最大效率只有33％。 最好的商用c-Si光伏板在實際使用中能獲得約24％的效率，浪費了四分之三的太陽能量。

? 易碎，需要重型玻璃面板的機械支撐，增加重量和成本。

? 能源密集，高溫度和加工復雜。

? 固有成本昂貴，如果供應受限制和/或補貼被撤銷，可能會帶來挑戰。

光伏科技的新發展

近幾年來，第二代光伏產品已經實現商業化，第三代技術已進入研發實驗室。 第二代和第三代技術基于成熟硅技術的成功，特別是已建立的基礎設施，例如絕大多數獨立于光伏技術類型的隔離器，儀表，控制器和逆變器，同時這也解決了硅片的一些缺點。

第二代光伏技術

第二代光伏板致力于安裝在玻璃，塑料或金屬基板上的納米至微米量級的光伏材料。這些“薄膜”PV（TFPV）電池（由于額外的活性層也被稱為“多結”產品）制造成本低，能耗低，使用更便宜的材料，重量輕，適用于如可以層壓在窗戶上的半透明PV玻璃材料等應用（圖4）。

圖4：多結TFPV單元內部結構。 （來源：NREL）

TFPV面板的缺點是制造，能源，成本和重量方面的優勢與效率背道而馳。由于薄膜包含影響電子遷移率的微小晶體，大多數多結PV板的一些潛在效率增益將會喪失。 例如，代替由相對較大的晶體構成的c-Si，商業TFPV面板使用多晶硅（非常小的晶體）或非晶硅（無晶體）。 盡管今天的商業產品通常以10％的效率運行，但是TFPV面板承諾的效率為20％。

TFPV面板的第二個缺點是由于薄膜的快速降解作用降低了面板壽命。 第二代光伏電池不太可能挑戰硅在大規模發電方面的主導地位，但是在低成本，重量和耐用性匹配效率的應用中提供了保證。

第三代光伏技術

光伏技術在不斷發展，以加強第一代和第二代技術。 對新領域的研究正在開展，這將會成為第三代光伏產品的基礎。 這些發展和研究一般分為四個部分：

? 材料：用不同帶隙的半導體補充硅，使得較低能量的光子能夠釋放電子，并使高能量的光子將更多的能量轉換成電能。

? 結構：引進能夠降低第一代光伏產品能源強度和復雜性的技術。

? 加工：改進半導體加工技術來提高晶體的質量和尺寸，以便提高電子遷移率。

? 機械：通過用鏡子或透鏡聚焦光線來擴大落在單位面積基板上的光子數。

材料發展

通過引入具有比硅更低和更高帶隙的材料，可以將更多的入射光子能量轉換成電。硅的帶隙是1.1eV，是從可見光中收集能量的最佳單個半導體。 然而，來自太陽的大部分能量由能量低于該帶隙的光子承載。例如，雖然藍光光子可以承載三倍于紅光光子的能量，但是即使光子被硅電子吸收，也有三分之二的能量被浪費掉。

帶隙比硅低的半導體使光子的存在有意義，否則光子在促進PV效應方面是沒用的。 例如砷化銦（InAs）具有0.36eV的帶隙，已成功地用于補充硅。

帶隙比硅高的半導體允許更短波長光子的能量轉化為電能。 例如具有1.43eV帶隙的砷化鎵（GaAs）和帶隙為2.25eV的磷化鎵（GaP）等材料也被成功使用。幾行研究已經導致這些材料的進一步復合，例如砷化銦鎵（InGaAs）和磷酸銦鎵（InGaP），以進一步優化PV效應。

結構發展

可替代帶隙半導體比硅的最大效率要低，因此單獨使用它們沒有好處。 相反，在多層結構中使用一個或多個半導體。具有最大帶隙--需要短波長（高能量）可移除電子的光子材料位于頂部，允許低能量光子通過而不需要相互作用，然后被下層中的低帶隙材料吸收。每個層需要透明導體來承載所產生的電流，而使光子通過下一個層。 這項技術已經在TFPV面板上取得成功，并成為關鍵領域的研究焦點。

硅的最大效率為33％，但是多層光伏板在理論上可以提高最大效率。例如，一個兩層的光伏電池，其中一層帶隙為1.64eV，另一層帶隙為0.94eV，其最大效率可達44％。 類似地，具有1.83，1.16和0.71eV帶隙的三層光伏電池理論上能達到48％的最大效率。 商業多層產品包括兩層，三層或四層。

加工發展

研究人員正在研究第三代PV面板的新材料組合技術，致力于將第一代的高效率與第二代的更簡單、更便宜的制造相結合。

已經引起極大興奮的一組材料是CaTiO。 該組材料的帶隙范圍為1.4至2.5eV。 鈣鈦礦組的理論最大效率不能和硅相匹敵，但4％至20％的效率增益提高了希望，商業產品最終將會比TFPV面板有更高的效能。

鈣鈦礦組相對于硅的關鍵優點是比較容易且處理溫度低，可以生長出毫米級的完美晶體。對于完美的晶格這是很大的尺寸，并且在降低制造成本的同時，顯著提高了電子遷移率和效率。目前的研究路線旨在增長更大的完美晶體; 例如，美國麻省理工學院的研究人員最近已經發現如何通過將電池暴露于強光來“治愈”以鈣鈦礦為基礎的PV電池中的晶體缺陷。

在其他地方，加州大學伯克利分校的研究人員發現，鈣鈦礦晶體不同方面得效率顯著不同。科學家現在將研究重點放在散裝材料的處理方法上，將效率最高的面與光伏電池電極相接合并作為提高整體效率的方法。

與TFPV材料一樣，目前限制基于鈣鈦礦的PV電池商業部署的關鍵挑戰是材料降解的速度。

機械發展

第三代PV面板的另一個發展目標是集中光伏（CPV）技術。 CPV設計旨在使用透鏡和鏡子對陽光進行聚焦，從而使落在PV面板單位面積上的光子數量明顯增多。 該技術通常采用高效，多結的光伏電池，如圖4所示。聚焦光線可以提高效率，從而大大減少面板尺寸，降低產品的成本和重量，并且可以增加產品安裝位置的數量。

“低”CPV將相當于兩到一百倍的陽光照射到面板上，而“高”CPV可以將光乘以相當于1000倍的陽光。 CPV系統通常使用太陽能跟蹤器，有時還使用冷卻系統來提高效率。 表1總結了目前光伏電池技術的效率。

表1：c-Si，TFPV和CPV技術的效率（資料來源：IRENA）

案例研究：能量收集無線IoT傳感器

光伏技術的關鍵應用是可再生能源的發電能力。 但是提供更便宜，更耐用和更小光伏面板的第三代技術承諾引入能源收集利基應用。

無線IoT傳感器

IoT無線傳感器的設計人員長期熱衷于能量收集。可以設想，物聯網將包括數十億個能夠遠程定位的傳感器，因此loT與主電源隔離，難以進行維護，例如更換電池。

許多產品將采用低功耗無線技術，如藍牙和Zigbee，這些產品都是從從底層設計出來的，并在適度的電力資源中運行。許多應用由容量約為220mAh的電池供電。 在低功耗循環運行中，低能耗無線片上系統（SoC）的平均電流功耗在微安范圍內，將電池壽命延長到數千小時（幾個月）。

然而，通過用二次電池替換一次電池和給PV電池充電可以使自給式操作的使用壽命長達數年。

能量獲取技術

小容量鋰離子可充電電池的能量采集技術是一項成熟的技術。 例如，MikroElektronika的能量收集模塊是能夠在4V電壓下產生高達0.4W功率的硅光伏電池。

光伏電池的電壓和電流變化很大。 因此，由于鋰離子電池在充電周期內需要精確的電流/電壓管理，因此必須對可充電鋰離子電池進行電壓/電流輸出調節。專用設計、高度集成的電源管理芯片可用于此項工作。

例如，Maxim的MAX17710電源管理IC可以管理不穩定的電源，例如輸出電平范圍在1μW至100mW范圍的光伏電池。該裝置還包括升壓調節器電路，用于從低至0.75V的電源對電池進行充電。內部穩壓器保護電池以免受過量充電。通過低壓差（LDO）線性穩壓器可將 3.3，2.3或1.8V的輸出提供給無線IoT傳感器。

德州儀器還提供電源管理IC bq25504。該器件專門用于有效地采集和管理光伏電池產生的電力。該芯片集成了DC-DC升壓轉換器/充電器，只需要微瓦功率和低達330mV的電壓來獲取能量（圖5）。

圖5：使用TI電源管理IC的能量采集電池充電的應用電路。 （資料來源：德州儀器）

第三代光伏技術應用

盡管目前的光伏電池能量收集解決方案工作令人滿意，但確實還存在一些缺點。例如，MikroElektronika的能量采集模塊尺寸為7 x 6.5 x 0.3厘米（表面積為45.5厘米2），比較重而且易碎。然而，因為硅光伏電池與替代品相比效率顯著，所以它們目前是唯一的實際選擇。

第三代電池融合多項技術來提高效率，超出目前商業產品的10％。預計在未來幾年，實驗室的技術將雙倍提高效率。這將為TFPV電池引入硅PV電池的性能，融合了成本低，重量輕，更堅固等優點。

例如，直射面積為4cm2的第三代TFPV電池將會接收大約0.22W的入射功率。 效率達到20％時，TFPV電池的輸出功率約為44mW。當平均充電3.5V（鋰離子電池充電周期內的電壓變化）時，電源管理芯片提供的電流約為12mA，足以在25小時內完成對300mAh鋰離子電池的充電。

雖然這樣的充電方式需要幾天的充足陽光，但請注意，鋰離子電池只能在典型的低功率無線傳感器操作下以每天幾mAh的速率放電（而不是完全充電），以確保即使在沒有充分陽光的日子里也能輕松應對能源需求。

第三代緊密型光伏電池尚未商業化。 當批量生產確實開始時，無線IoT傳感器應用的價格在初期可能會很高。然而，隨著技術的成熟和需求的增加，TFPV電池將變得更便宜，這對于利基應用來說是一個實際的提議。

同時，TFPV 光伏電池的效率將持續增加，并為無線傳感器設計帶來更大的優勢，包括：

? 利用室內傳感器收集人造光的能量。

? 為給定功率輸出的高空間受限設計減少面板尺寸。

? 更高的功率可用于在先進的無線SoC上運行復雜的軟件算法。

? 增加無線傳感器范圍和吞吐量。

? 單PV面板為多個傳感器供電。

結論

目前安裝的光伏（PV）電池估計有85％是由硅制造，因為硅材料原料豐富，適合將光轉換成電。第二代和第三代光伏技術正在解決硅片的缺點，包括其最大效率僅為33％，能源密集型高溫處理和易碎性。

第二代PV面板專注于安裝在玻璃，塑料或金屬基板上的“薄膜”PV電池。這些制造成本更低，所需能量更少，使用便宜的材料，重量輕，并且適用于諸如可以層壓在窗戶上的半透明PV玻璃材料的應用。 第二代光伏技術不太可能挑戰硅在大規模發電方面的主導地位，但是在成本，重量和耐用性可以和效率相抗衡的應用中可以大量使用。

盡管第三代光伏電池建立在第二代產品的優勢上，但是在匹配硅片效率上做出了進一步的保證。這將使電池成為遠程，低維護的IoT傳感器應用的良好選擇，該應用使用可再充電鋰離子電池利用太陽能量不斷充電。這些光伏技術使用新的材料，結構，加工和機械技術來解決硅的缺陷。 新材料包括化合物半導體砷化鎵（GaAs）和磷化鎵（GaP）以及礦物鈣鈦礦（CaTiO）; 新的能量聚焦光伏（CPV）架構和組裝技術使用多結，薄膜和大晶體來實現高能效和耐久性。

像能源收集無線IoT傳感器這樣的利基應用，需要高效，緊密，耐用和便宜的光伏技術，將受益于第三代光伏電池。這樣的技術將使得無線傳感器能夠在幾乎不進行維護的情況下可靠地操作。隨著第三代光伏技術的發展，我們期待看到額外的無線傳感器設計，例如從室內照明和其他要求緊密，高效和強大設計的應用中獲取能量。

關鍵外包

? 硅是通用光伏面板應用的市場主導材料，因為其原材料豐富，制造基礎設施建全，并且能提供高效率。

? 硅光伏電池有一些明顯的缺點：重，易碎，生產能源密集，價格昂貴。

? 這使得硅對于緊密型無線IoT傳感器的能量收集應用來說是不切實際的。

? 新的材料和光伏電池構造技術解決了硅片的缺點，但效率下降限制了無線傳感器的有用性。

? 第三代電池提高了效率使該技術適用于無線IoT傳感器，并承諾在可承受成本范圍內提高計算能力，無線范圍和吞吐量。