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如今，大約85%的光伏（PV）電池是由硅制造的，因?yàn)楣璺浅＿m合用來(lái)將光轉(zhuǎn)化為電，儲(chǔ)量也很豐富，而且采用硅制造的光伏電池可以借助集成電路（IC）行業(yè)開創(chuàng)的晶圓制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。然而，硅也有它的缺點(diǎn)：最高效率只能達(dá)到33%左右，加工過(guò)程需要采用高耗能的高溫工藝，并且成品易碎。
圖源：stock.adobe.com/Shawn Hempel
為解決硅存在的問(wèn)題，多種光伏新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，包括將砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、鈣鈦礦（CaTiO）等化合物半導(dǎo)體新材料運(yùn)用到光伏電池中，以及新型聚光光伏（CPV）架構(gòu)，還有采用多結(jié)、薄膜和大晶體，具備高能效和高耐久性的裝配技術(shù)。
雖然硅光伏電池由于生產(chǎn)規(guī)模大、價(jià)格下跌等因素，依然會(huì)主導(dǎo)大規(guī)模光伏電站領(lǐng)域，但上述光伏新技術(shù)依然能夠運(yùn)用到某些特定應(yīng)用中，例如無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器就可以借助高效、緊湊、耐用、廉價(jià)的光伏技術(shù)收集太陽(yáng)能，為設(shè)備電池充電。這樣的技術(shù)無(wú)疑為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的推廣帶來(lái)了福音，讓無(wú)線傳感器能夠在只需極少維護(hù)乃至完全無(wú)需維護(hù)的情況下可靠運(yùn)行。
本文將探討光伏電池的工作原理、硅的作用、硅作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體的優(yōu)缺點(diǎn)，以及新型半導(dǎo)體材料、架構(gòu)和裝配技術(shù)的潛力。
光伏過(guò)程
雖然深入了解光伏（也稱光電）過(guò)程需要熟悉量子力學(xué)，但光伏電池的基本工作原理還是相對(duì)簡(jiǎn)單的：它利用的就是半導(dǎo)體中的PN結(jié)。在N型半導(dǎo)體中，電流的載體是電子；而在PN結(jié)另一側(cè)的P型半導(dǎo)體中，電流的載體是電子之間的“空穴”。當(dāng)一個(gè)較窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子進(jìn)入半導(dǎo)體晶體基體時(shí)，有一定概率會(huì)被N型半導(dǎo)體中與原子結(jié)合的電子吸收，使該電子具有足夠的能量從母原子逃逸出來(lái)，于是N型一側(cè)多余的電子會(huì)擴(kuò)散到P型一側(cè)與空穴重新結(jié)合，這就在PN結(jié)上產(chǎn)生了電位差。此時(shí)將導(dǎo)電回路連接到PN結(jié)兩側(cè)，便會(huì)有直流電流（DC）流過(guò)回路（圖1）。
圖1：?jiǎn)谓Y(jié)光伏電池的工作原理：具有適當(dāng)能量的光子激發(fā)電子逃逸，該電子穿過(guò)PN結(jié)產(chǎn)生電位差（圖源：英語(yǔ)維基百科的Cyferz）在實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)能電池由成千上萬(wàn)個(gè)PN結(jié)組成，使產(chǎn)生的電流大大增加。在商用產(chǎn)品中，這些電池將會(huì)組合成模塊，再由模塊組合成面板。光伏電池產(chǎn)生的直流電可通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1534490.html">交流電，然后用來(lái)執(zhí)行具體工作或者直接輸入到電網(wǎng)中（圖2）。
圖2：光伏電池組合成模塊，模塊再組合成面板，面板構(gòu)成最終產(chǎn)品（圖源：維基百科）
第一代光伏電池：?jiǎn)谓Y(jié)硅光伏電池
第一代光伏面板主要由晶體硅（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獲得。硅的儲(chǔ)量非常豐富（占地殼所含元素的28%），其相關(guān)制造技術(shù)和設(shè)施也可以直接從芯片行業(yè)沿用。然而，面向光伏面板的大規(guī)模硅晶圓加工過(guò)程存在能耗大、工藝復(fù)雜、成本高昂的缺點(diǎn)。
硅光伏電池的全球產(chǎn)能較高，這在一定程度上緩解了成本問(wèn)題。此外，多國(guó)政府還通過(guò)發(fā)放補(bǔ)貼來(lái)刺激光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，降低對(duì)化石燃料發(fā)電的依賴性，這也推動(dòng)了硅光伏面板得到更廣泛應(yīng)用?？杉幢闳绱?，對(duì)于許多特定應(yīng)用而言，這項(xiàng)技術(shù)還是太過(guò)昂貴了。
1 硅的優(yōu)勢(shì)：效率和禁帶寬度
對(duì)光伏技術(shù)而言，硅可以帶來(lái)多種優(yōu)勢(shì)。首先，硅具有不錯(cuò)的光伏效率。此處所說(shuō)的效率是指光伏電池接收的陽(yáng)光強(qiáng)度與其產(chǎn)生的能量之比。當(dāng)太陽(yáng)直射地面時(shí)，每平方米地面平均會(huì)接受約1100W能量。如果一塊面積1m2、效率10%的光伏面板暴露在這樣的陽(yáng)光下，那么它將輸出約110W的能量。
限制半導(dǎo)體最高效率的關(guān)鍵特性是其禁帶寬度。禁帶寬度是使一個(gè)電子從原子中逃逸并進(jìn)入“導(dǎo)帶”所需的能量，單位是電子伏特（eV）。1eV約等于1.602×10−19J。光子的能量由其波長(zhǎng)決定，波長(zhǎng)較短（頻率較高）的光子能量也較高。許多光子在進(jìn)入晶體硅的晶格后，其所攜帶的能量并不足以使電子逃逸，這些光子除了讓晶體硅材料溫度升高外，幾乎不起任何作用。如果光子攜帶的能量大于越過(guò)禁帶寬度所需的能量，那么它可能會(huì)使一個(gè)電子逃逸，但多余的能量依然會(huì)作用到升高晶體硅溫度上，無(wú)法得到利用。1961年，William Shockley和Hans-Joachim Queisser計(jì)算了一定的禁帶寬度范圍內(nèi)單結(jié)（僅包含一個(gè)PN結(jié)）光伏電池的理論最高光伏效率（圖3）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，單結(jié)光伏電池的最佳禁帶寬度為1.13eV，其最高效率約為33%。硅的禁帶寬度經(jīng)證實(shí)為1.10eV，非常接近最佳數(shù)值。
圖3：Shockley和Queisser計(jì)算得出的單結(jié)光伏電池禁帶寬度和最高效率之間的關(guān)系。硅的禁帶寬度為1.1eV。（圖源：維基百科） 2 硅的缺點(diǎn)：晶體大小、加工能耗、效率和易碎性
然而，硅并不是一種完美的光伏電池材料。例如，禁帶寬度事實(shí)上并非決定效率的唯一因素，晶體大小也會(huì)顯著影響效率。如果一種半導(dǎo)體材料由很小的晶體構(gòu)成，它的內(nèi)部就會(huì)存在大量晶體界面，阻礙電子遷移，從而限制電流流動(dòng)，進(jìn)而降低效率。
此外，硅還存在以下幾種缺點(diǎn)，進(jìn)一步導(dǎo)致它不能成為理想的光伏電池半導(dǎo)體：
最高理論效率只有33%。實(shí)際應(yīng)用中，即便是最優(yōu)秀的商用晶體硅光伏面板，也只能達(dá)到約24%的效率，超過(guò)四分之三的太陽(yáng)能都浪費(fèi)掉了。
易碎，需要沉重的玻璃板來(lái)提供機(jī)械支撐，增加了重量和成本。
加工過(guò)程需采用復(fù)雜的高耗能高溫工藝。
固有成本高，如果供應(yīng)受到限制，并且/或者補(bǔ)貼被取消，實(shí)際應(yīng)用中就可能出問(wèn)題。
光伏技術(shù)的新發(fā)展
在過(guò)去幾年中，第二代光伏產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，第三代技術(shù)也已經(jīng)進(jìn)入研發(fā)階段。第二代和第三代技術(shù)基于成熟的硅技術(shù)，尤其是廣獲認(rèn)可的支持基礎(chǔ)設(shè)施——如隔離器、電表、控制器和逆變器等。這些技術(shù)在很大程度上獨(dú)立于光伏技術(shù)，同時(shí)解決了硅技術(shù)的一些缺陷。
1 第二代光伏技術(shù)
第二代光伏面板的關(guān)注重點(diǎn)是安裝在玻璃、塑料或金屬基板上，厚度為納米到微米級(jí)的光伏材料層。這些“薄膜”光伏（TFPV）電池（由于PN結(jié)數(shù)量更多，所以也稱為“多結(jié)”產(chǎn)品）在制造過(guò)程中的成本和能耗更低，使用的材料更廉價(jià)，重量也更輕，適合應(yīng)用于能夠貼在窗戶上的半透明光伏貼面材料（圖4）。
圖4：多結(jié)薄膜光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖源：NREL）薄膜光伏面板的一大問(wèn)題，在于其制造、能耗和成本上的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)降低效率換來(lái)的。這些薄膜由微小的晶體構(gòu)成，會(huì)對(duì)電子遷移構(gòu)成影響，其效率明顯低于大塊材料制成的多結(jié)光伏面板。商業(yè)薄膜光伏面板通常采用多晶硅（晶體非常?。┗蚍蔷Ч瑁](méi)有晶體結(jié)構(gòu)），而非由相對(duì)較大的晶體構(gòu)成的晶體硅。這類面板聲稱可以達(dá)到20%的效率，但目前的商用產(chǎn)品通常只能以10%的效率工作。
薄膜光伏面板的另一項(xiàng)劣勢(shì)在于薄膜的老化速度相對(duì)更快，縮短了面板的使用壽命。第二代光伏電池不太可能挑戰(zhàn)硅在大規(guī)模光伏發(fā)電項(xiàng)目中的主導(dǎo)地位，但可以在成本和重量比效率更重要的應(yīng)用中占有一席之地。
2 第三代光伏技術(shù)
光伏技術(shù)依然在不斷開發(fā)中，以增強(qiáng)第一代和第二代技術(shù)，同時(shí)對(duì)新領(lǐng)域的探索也在不斷發(fā)現(xiàn)新的技術(shù)，這些技術(shù)將構(gòu)成第三代光伏產(chǎn)品的基礎(chǔ)。這些開發(fā)和研究通常可分為四個(gè)方面：
材料：同時(shí)采用硅以及不同禁帶寬度的多種材料，使能量較低的光子可以激發(fā)電子逃逸，能量較高的光子可以將更多能量轉(zhuǎn)化為電能。
結(jié)構(gòu)：通過(guò)新技術(shù)降低第一代光伏面板生產(chǎn)過(guò)程中的能耗和工藝復(fù)雜度。
加工：改進(jìn)半導(dǎo)體加工技術(shù)，提高晶體的質(zhì)量和尺寸，讓電子更容易移動(dòng)。
架構(gòu)：通過(guò)鏡面或透鏡聚焦入射光，提高落在單位面積基板上的光子數(shù)量。
3 材料方面的發(fā)展
通過(guò)引入禁帶寬度比硅更低和更高的材料，可以將更多的入射光子能量轉(zhuǎn)化為電能。硅的禁帶寬度為1.1eV，是所有單一半導(dǎo)體中從可見(jiàn)光收集能量的最佳材料。然而，來(lái)自太陽(yáng)的大部分能量都是由能量低于該值的光子攜帶的。此外，雖然藍(lán)光光子攜帶的能量是紅光光子的三倍，但即使藍(lán)光光子被硅電子吸收，其中三分之二的能量也會(huì)被浪費(fèi)掉。
禁帶寬度低于硅的半導(dǎo)體可以使原本無(wú)用的光子為光伏效應(yīng)作出貢獻(xiàn)，例如砷化銦（InAs）的禁帶寬度為0.36eV，已成功地用于補(bǔ)充硅的不足。
禁帶寬度高于硅的半導(dǎo)體可以讓更多的短波長(zhǎng)光子能量用于發(fā)電，其中禁帶寬度為1.43eV的砷化鎵（GaAs）和禁帶寬度為2.25eV的磷化鎵（GaP）等材料也都得到了成功應(yīng)用。通過(guò)一些研究，這些材料得到了進(jìn)一步的復(fù)合，產(chǎn)生了諸如砷化鎵銦（InGaAs）和磷化鎵銦（InGaP）等材料，有助于進(jìn)一步優(yōu)化光伏效應(yīng)。
4 結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展
上述不同禁帶寬度半導(dǎo)體材料的最高效率低于硅，如果單獨(dú)采用它們的話并沒(méi)有多大意義，不過(guò)我們可以將一種或多種半導(dǎo)體材料組合成多層結(jié)構(gòu)一起使用，將禁帶寬度最大，也就是需要短波長(zhǎng)（高能量）光子激發(fā)電子逃逸的材料放在頂層，讓較低能量的光子通過(guò)而不與其發(fā)生相互作用，并被后續(xù)幾層禁帶寬度更小的材料吸收。每一層都需要采用透明的導(dǎo)體，以承載產(chǎn)生的電流，同時(shí)又能夠讓光子通過(guò)并到達(dá)下層。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在薄膜光伏面板上成功部署，并且依舊是一大重點(diǎn)研究領(lǐng)域。
硅的最高效率為33%，但理論上這個(gè)數(shù)字可以通過(guò)多層光伏面板來(lái)提高。例如，在一個(gè)兩層光伏電池中，其中一層的禁帶寬度為1.64eV，另一層為0.94eV，那么它的最高效率可以達(dá)到44%。同樣，一個(gè)禁帶寬度為1.83eV、1.16eV和0.71eV的三層光伏電池，其最高理論效率為48%。商用多層產(chǎn)品可包含兩層、三層或四層。
5 加工方面的發(fā)展
科研人員正在研究一系列用于第三代光伏面板的新材料，這些材料結(jié)合了第一代光伏面板的高效率與第二代光伏板更簡(jiǎn)單、更便宜的制造方式。
其中，有一類源自于鈣鈦礦（CaTiO）的材料引起了人們極大的興趣。該類材料的禁帶寬度介于1.4eV至2.5eV之間，理論最高效率并不如硅，但其近階段的實(shí)際效率從原先的4%左右迅速提升到了20%，這又讓人們?nèi)计鹆松逃卯a(chǎn)品效率終將超過(guò)薄膜光伏面板的希望。與硅相比，鈣鈦礦類材料的主要優(yōu)勢(shì)就是加工工藝更加容易，并且所需溫度更低，可以生長(zhǎng)出毫米級(jí)大小的完整晶體——這對(duì)于完整晶體的晶格而言可謂非常大了，因而該類材料能夠顯著提高電子遷移能力，進(jìn)而提升效率，同時(shí)降低制造成本。當(dāng)前，鈣鈦礦類材料的研究重點(diǎn)集中在如何生長(zhǎng)出更大的完整晶體，例如美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員最近就發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以通過(guò)將鈣鈦礦光伏電池暴露在強(qiáng)光下來(lái)“愈合”其中的晶體缺陷。此外，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦晶體不同晶面的效率有明顯區(qū)別，為此科研人員正集中研究如何加工大體積鈣鈦礦材料，從而只讓效率最高的晶面與光伏電池電極連接，從而提高整體效率。
與薄膜光伏材料一樣，目前阻礙鈣鈦礦光伏電池商業(yè)化部署的一大關(guān)鍵問(wèn)題是材料的老化速度。
6 架構(gòu)方面的發(fā)展
第三代光伏面板的另一個(gè)發(fā)展目標(biāo)是聚光光伏K（CPV）技術(shù)，旨在利用透鏡和反射鏡將陽(yáng)光聚焦，讓更多的光子落在單位面積的光伏面板上。CPV技術(shù)通常采用高效率的多結(jié)光伏電池來(lái)構(gòu)建，如（圖4）所示。聚光可以提升效率，從而大幅縮小面板尺寸、降低產(chǎn)品的成本和重量，使之能夠安裝在更多地方。
CPV有“低倍”和“高倍”的區(qū)別。低倍CPV可將相當(dāng)于2倍到100倍強(qiáng)度的陽(yáng)光聚焦到面板上，而高倍CPV可以聚焦相當(dāng)于1000倍強(qiáng)度的陽(yáng)光。CPV系統(tǒng)通常會(huì)使用太陽(yáng)追蹤器，有時(shí)還會(huì)使用冷卻系統(tǒng)來(lái)提高效率。（表1）總結(jié)了當(dāng)前各種光伏電池技術(shù)的效率。
表1：晶體硅、薄膜光伏和聚光光伏技術(shù)的效率（數(shù)據(jù)來(lái)源：IRENA）
案例研究：具有能量收集功能的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器
一直以來(lái)，光伏技術(shù)的主要應(yīng)用都是為電網(wǎng)提供可再生能源發(fā)電能力，但第三代光伏技術(shù)使更廉價(jià)、更耐用、更小巧的光伏面板成為了可能，有望使特定應(yīng)用能夠加入能量收集功能。
1 無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器
長(zhǎng)期以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)者一直熱衷于借助能量收集來(lái)獲得優(yōu)勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)的“萬(wàn)物互聯(lián)”設(shè)想需要由數(shù)以億計(jì)的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中有不少需要部署在偏遠(yuǎn)的位置，遠(yuǎn)離主電源并且難以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行諸如更換電池等維護(hù)工作。
許多此類產(chǎn)品都采用諸如低功耗藍(lán)牙和Zigbee等低功耗無(wú)線技術(shù)，這些技術(shù)從設(shè)計(jì)之初就旨在借助并不充裕的電力資源來(lái)運(yùn)行，其中的許多應(yīng)用都采用容量220mAh左右的一次電池來(lái)供電。在輕負(fù)載的循環(huán)工作中，低功耗無(wú)線片上系統(tǒng)（SoC）的平均電流消耗可以控制在微安培的級(jí)別，可將電池續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)千小時(shí)（相當(dāng)于數(shù)月）。不過(guò)，如果將一次電池更換為二次電池，并采用光伏電池來(lái)進(jìn)行充電，即可大幅延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的自足工作。
2 能量收集技術(shù)
用于小容量鋰離子電池充電的能量收集技術(shù)是一項(xiàng)成熟技術(shù)，例如Mikroe的能量收集模塊就是一塊能夠產(chǎn)生4V電壓、最高功率0.4W的光伏電池。
不同光伏電池的電壓和電流區(qū)別很大，其電壓/電流輸出必須經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，才能用來(lái)為鋰離子電池充電，因?yàn)楹笳咴诔潆娧h(huán)中必須搭配精細(xì)的電流/電壓管理措施，這就需要采用專門設(shè)計(jì)、高度集成的電源管理芯片。例如，Maxim的MAX17710電源管理IC就可以管理輸出電流在1µW至100mW之間的諸如光伏電池等缺乏調(diào)節(jié)的電源。該器件還包含升壓調(diào)節(jié)電路，可采用低至0.75V的電源為電池充電，其內(nèi)置穩(wěn)壓器可防止電池過(guò)度充電。借助低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，該器件可為無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器提供3.3V、2.3V或1.8V輸出。此外，Texas Instruments也提供了bq25504這款超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器。該器件專為高效獲取和管理光伏電池產(chǎn)生的電力而設(shè)計(jì)，集成了一個(gè)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，只需數(shù)微瓦的功率和低至330mV的電壓即可開始能量采集（圖5）。
圖5：采用TI電源管理IC的能量收集電池充電應(yīng)用電路（圖源：Texas Instruments）
3 第三代光伏技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用
雖然目前的光伏電池能量收集解決方案取得了令人滿意的結(jié)果，但它們也存在一些缺點(diǎn)。例如，Mikroe的能量收集模塊尺寸為7cm×6.5cm×0.3cm（受光面積為45.5cm2），相對(duì)較重并且易碎。但是，由于效率高于其他替代方案，類似該產(chǎn)品的硅光伏電池依然是目前唯一實(shí)用的選擇。
第三代光伏電池采用的新技術(shù)可以顯著提升效率，不再像當(dāng)前商用產(chǎn)品那樣只能達(dá)到10%的水平。許多目前還在實(shí)驗(yàn)室中的技術(shù)預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)使效率翻倍，讓薄膜光伏電池的效率也能達(dá)到硅光伏電池的水平，同時(shí)還具有成本低、重量輕、耐用度高的優(yōu)勢(shì)。例如，一塊面積僅為4cm2的第三代薄膜光伏電池，其在直射陽(yáng)光下可接收約0.22W的入射功率。在20%的效率下，其輸出功率約為44mW。在以平均3.5V的電壓充電時(shí)（鋰離子電池在充電周期內(nèi)的電壓會(huì)發(fā)生變化），電源管理芯片提供的電流約為12mA，足以在大約25小時(shí)內(nèi)將300mAh的鋰離子電池充滿電。雖然這樣的充電機(jī)制需要有好幾天的完全日照才能充滿電，但必須注意到的是，在為典型的低功耗無(wú)線傳感器供電的情況下，鋰離子電池每天的放電量也許只有幾個(gè)毫安時(shí)，所以光伏電池的目的只是對(duì)鋰離子電池補(bǔ)電（而非完全充滿電），因而即使連續(xù)多天日照不足，也能輕松應(yīng)對(duì)傳感器的用電需求。緊湊型的第三代光伏電池尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化；即使實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)，其最初階段的價(jià)格對(duì)于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用而言也可能太高。不過(guò)，隨著技術(shù)日漸成熟以及需求逐漸增加，薄膜光伏電池終將成為對(duì)特定應(yīng)用而言更實(shí)惠、更實(shí)用的選擇。與此同時(shí)，薄膜光伏電池的效率也將不斷提升，為能量收集無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)，包括：
- 室內(nèi)傳感器可通過(guò)人工燈光收集能量。給定功率輸出下的面板尺寸可以做得更小，滿足空間嚴(yán)重受限的設(shè)計(jì)需求。在先進(jìn)的無(wú)線SoC上運(yùn)行復(fù)雜的軟件算法時(shí)，可以獲得更好的電源保障。無(wú)線傳感器可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳感距離和更高的數(shù)據(jù)吞吐量。多個(gè)傳感器可由單個(gè)光伏面板供電。
結(jié)論
目前，大約85%的光伏（PV）電池是由硅制造的，因?yàn)楣璧膬?chǔ)量豐富，并且非常適合用來(lái)將光轉(zhuǎn)化為電。第二代和第三代光伏技術(shù)則旨在解決硅的缺點(diǎn)，例如最高效率只能達(dá)到33%左右、加工過(guò)程需要采用高耗能的高溫工藝，并且成品易碎。
第二代光伏面板：關(guān)注重點(diǎn)是安裝在玻璃、塑料或金屬基板上的“薄膜”光伏電池，它們?cè)谥圃爝^(guò)程中的成本和能耗更低，使用的材料更廉價(jià)，重量也更輕，適合應(yīng)用于能夠貼在窗戶上的半透明光伏貼面材料。這些產(chǎn)品不太可能挑戰(zhàn)硅在大規(guī)模光伏發(fā)電項(xiàng)目中的主導(dǎo)地位，但可以在成本和重量比效率更重要的應(yīng)用中占有一席之地。
第三代光伏電池：建立在第二代產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)之上，同時(shí)讓效率也能達(dá)到硅光伏電池的水平，這對(duì)位置偏遠(yuǎn)、維護(hù)極少的物聯(lián)網(wǎng)傳感器非常有利，讓它們可以借助太陽(yáng)能持續(xù)為可充電鋰離子電池補(bǔ)電。第三代光伏電池采用了多種新技術(shù)，包括將砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、鈣鈦礦（CaTiO）等化合物半導(dǎo)體新材料運(yùn)用到光伏電池中，以及新型聚光光伏（CPV）架構(gòu)，還有采用多結(jié)、薄膜和大晶體，具備高能效和高耐久性的裝配技術(shù)。
帶能量收集功能的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器等特定應(yīng)用需要采用高效、緊湊、耐用、廉價(jià)的光伏技術(shù)，這正是第三代光伏電池的優(yōu)勢(shì)所在。這樣的技術(shù)可以讓無(wú)線傳感器能夠在只需極少維護(hù)乃至完全無(wú)需維護(hù)的情況下可靠運(yùn)行。隨著第三代光伏技術(shù)發(fā)展成熟，我們將會(huì)看到更加豐富多樣的無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)，例如從室內(nèi)照明中收集能量，以及其他各種需要緊湊、高效、強(qiáng)大和耐用設(shè)計(jì)的能量收集應(yīng)用。
要點(diǎn)提煉
- 硅是主導(dǎo)市場(chǎng)的通用光伏面板應(yīng)用材料，因?yàn)槠湓牧县S富、制造基礎(chǔ)設(shè)施成熟，而且效率不錯(cuò)。
- 硅光伏電池存在一些明顯缺點(diǎn)：沉重、易碎、生產(chǎn)耗能高、成本高昂。
- 這些缺點(diǎn)使得硅并不適合用在緊湊型無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器的能量收集應(yīng)用中。
- 新材料和新的光伏電池制造技術(shù)解決了硅的缺點(diǎn)，但降低了效率，對(duì)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器而言依然不太實(shí)用。
- 第三代光伏電池提高了效率，使該技術(shù)適用于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器，并有望以合適的成本提高計(jì)算能力、無(wú)線傳感距離和數(shù)據(jù)吞吐量。
Steven Keeping作者介紹
Steven先在Eurotherm和BOC的電子部門工作了七年， 然后又加入了《Electronic Production》雜志，擔(dān)任電子制造、測(cè)試和設(shè)計(jì)領(lǐng)域的高級(jí)編輯以及出版方面的工作長(zhǎng)達(dá)13年。Steven還曾在英國(guó)和澳大利亞的三一鏡報(bào)、CMP和RBI工作過(guò)，負(fù)責(zé)《What's New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》雜志的相關(guān)工作。2006年，Steven成為了專攻電子行業(yè)的獨(dú)立記者， 他目前居住在悉尼。
