碳化硅为光伏系统提供技术解决方案

引言

太阳能技术的持续发展对人类的能源利用意义重大。它是目前世界上最清洁和丰富的资源。太阳能可以通过多种方式加以利用，例如光伏转换和太阳能加热。太阳辐射的能量为3.8×1020 MW（3.8×1020 M/s），到达地球的能量为173×106 kw（相当于1360 W/m2）。虽然太阳能能量十分巨大，但是其较低的利用效率一直是一个令人头疼的问题。硅太阳能电池具有理论由于材料特性，最大效率为31-40%，但在实际部署项目中，最大面板效率仅达到15-30%。

因此，最大限度地将太阳能转化为电能是一项挑战。相关领域的研究者们已经提出了太阳能电池技术中的各种解决方案以有效利用从太阳接收的总太阳能。其中一些如下：

l使用由元素铅（项目号：L121996）和硒（项目号：S105193）制成的纳米晶体作为太阳能电池原料

l降低太阳能电池制造成本

l用小圆柱体或纳米棒组成太阳能电池的基本单元

l使用染色剂修饰的二氧化钛（项目号：T164497）材料增加阳能电池的光吸收效率[1-3]

除以上四点之外，还有关于使用半导体材料制造太阳能逆变器的记录，目的是实现高效率和可靠性。碳化硅（项目号：S104650）是第三代半导体材料，由于其优越的材料特性，目前在大功率应用中占有一席之地。与硅相比。碳化硅器件在太阳能逆变器的制造中发挥着至关重要的作用。在光伏能量转换系统中，逆变器的成本、性能和运行是主要关注点。当今的逆变器需要在以下参数方面进行改进，例如高可靠性、高效率、增强的通信、更低的成本和支持专业应用的灵活性。典型的光伏逆变器应用场景如下：

l1-10 kW用于生活应用

l100 W至 300 kW用于商业应用

l10-500 kW（未来将达到2 MW~20 MW） 用于公用工程系统

目前的重点是提高体积功率密度（W/m3） 和比功率 （W/kg），从而最大限度地降低成本光伏逆变器。SiC功率半导体器件在光伏电池中的应用，可以帮助解决几个重要问题。

SiC用于光伏电池中的逆变器

50 kW三相光伏逆变器系统

商业光伏装置的额定功率通常为100 kW至1 MW，尤其适用于商业体系。为满足大功率光伏系统的需求，有研究机构开发了50kW光伏逆变器系统样机，是业内第一款比功率为1kW/kg的全SiC逆变器[4]。

图1：简化的50kw光伏逆变器电路原理图，显示系统中各种功率转换阶段

电源转换过程由4个通道组成（每通道12.5 kW）交错升压转换器和三个相位逆变器。升压转换器由两个20A SiC MOSFET和两个1200 V/10 A SiC肖特基二极管并联组成。升压转换器在75 kHz的切换频率下运行，在不同的输入电压条件下效率超过99%。

图2：50kw升压变流器部分的光伏逆变系统硬件单元结构图

5 kW三相逆变器

除此之外，也有研究者使用额定1200v/160a的XT-1000半桥MOSFET模块研制了一种5 kW三相全SiC逆变器样机[5]。图3显示了最终原型及其内部结构，尽管该逆变器不是专门为光伏应用设计的，但它能够证明SiC功率器件在缩小系统规模的同时提高其效率的能力。该系统的切换频率为50 kHz。将SiC逆变器与商业化的5 kW硅基逆变器[6]进行比较，以量化性能参数。两个系统都使用自然空气对流进行冷却。从图4中可看出，与硅基逆变器相比，SiC基逆变器能够减少27%的损耗。

图3：5kW的SiC三相逆变器样机及其内部结构图
图4：SiC逆变器相对于商用

硅逆变器的优势（基于关键性能参数）

SiC用于光伏电池中的转换器

因为具备较宽的可调能带带隙，并且易于在较低的衬底温度下合成，无定形非化学计量碳化硅（a-SixC1-x）是光电应用的理想候选材料。通常情况下，化学计量SiC在可见光区吸收系数低，即使掺杂后电学性能也很差。为了克服这些缺点，近年来有很多研究都集中在了制备具有可调能带带隙的非化学计量SixC1-x [7,8]。通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD），通过改变生长参数（如衬底温度）合成了非化学计量的SixC1-x[9,10]。该过程类似于合成非化学计量的SiOx和SiNx材料。非化学计量SixC1-x的可调能带带隙与其C/Si成分有很大关系，进而影响吸收光谱。在氢稀释的PECVD过程中，氢载流子可以降低表面缺陷态的密度。然而，在氢稀释下的制备通常需要较高的衬底温度和射频等离子体功率。

在无氢PECVD下，非化学计量富Si的SixC1-x可以在较低的衬底温度下合成，显著提高其吸收系数。与结晶Si薄膜相比，非化学计量的富Si的SixCx材料在可见光区（400-600 nm）具有更小的光学带隙和更高的吸收系数。许多研究报道了a-Si和SixC1-x杂化PVSC的实际应用。然而，很少有报道强调所有基于SixC1-x的PVSCs。Gao等人[11]将基于SixC1-x的n-i-p结PVSCs作为半透明太阳能电池应用于光透过调制器中，但报道转换效率<1%。如图5，Lee等人将基于SixC1-x的p-n结PVSCs的n型SixC1-x薄膜的厚度从150 nm降低到25 nm，这种参数调谐将转换效率从5×10-3%提高到4.7%[12]。

图5：用n型（厚度25 ~ 100 nm）和p型（厚度50 nm）富硅SiC薄膜制备了ITO/p-SiC/n-SiC/Al基PVSC结构

在石英衬底上生长全SixC1-x基的单p-i-n结半透明PVSC也是一个非常好的思路。Lin等人[13]使用异常无氢PECVD在远低于SiC合成温度1000℃的衬底温度下生长非化学计量的SixC1-x薄膜。本底SixC1-x （i-SixC1-x）薄膜作为吸收层，在生长过程中通过改变硅烷（SiH4）和甲烷（CH4）的通量比来调节其组成比例，以提高光电流响应。此外，研究者还制备了具有不同C/Si组成比的i- SixC1-x层的富硅SixC1-x/a-Si串联太阳能电池。为了优化富Si的SixC1-x/a-Si串联太阳能电池的转换效率，通过在生长过程中改变SiH4和CH4的通量比来调节n-a-SixC1-x层的C/Si组成比，增加n-a-SixC1-x的p-a-Si界面的隧道化概率。

图6：SixCi1-x/a-Si串联PVSC的能带结构

结论

随着全球温室效应日益显著，碳中和势在必行，这给新能源领域的发展注入了巨大动力。太阳是最清洁的能源，这使得光伏材料的发展和应用具有十分重要的意义。以碳化硅等具备优异特性的半导体材料，正在光伏转换器，逆变器等关键器件中发挥重要作用，未来也一定能够持续贡献力量。

参考文献

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