引言

太陽(yáng)能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展對(duì)人類的能源利用意義重大。它是目前世界上最清潔和豐富的資源。太陽(yáng)能可以通過(guò)多種方式加以利用，例如光伏轉(zhuǎn)換和太陽(yáng)能加熱。太陽(yáng)輻射的能量為3.8×1020 MW（3.8×1020 M/s），到達(dá)地球的能量為173×106 kw（相當(dāng)于1360 W/m2）。雖然太陽(yáng)能能量十分巨大，但是其較低的利用效率一直是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。硅太陽(yáng)能電池具有理論由于材料特性，最大效率為31-40%，但在實(shí)際部署項(xiàng)目中，最大面板效率僅達(dá)到15-30%。

因此，最大限度地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。相關(guān)領(lǐng)域的研究者們已經(jīng)提出了太陽(yáng)能電池技術(shù)中的各種解決方案以有效利用從太陽(yáng)接收的總太陽(yáng)能。其中一些如下：

l使用由元素鉛（項(xiàng)目號(hào)：L121996）和硒（項(xiàng)目號(hào)：S105193）制成的納米晶體作為太陽(yáng)能電池原料

l降低太陽(yáng)能電池制造成本

l用小圓柱體或納米棒組成太陽(yáng)能電池的基本單元

l使用染色劑修飾的二氧化鈦（項(xiàng)目號(hào)：T164497）材料增加陽(yáng)能電池的光吸收效率[1-3]

除以上四點(diǎn)之外，還有關(guān)于使用半導(dǎo)體材料制造太陽(yáng)能逆變器的記錄，目的是實(shí)現(xiàn)高效率和可靠性。碳化硅（項(xiàng)目號(hào)：S104650）是第三代半導(dǎo)體材料，由于其優(yōu)越的材料特性，目前在大功率應(yīng)用中占有一席之地。與硅相比。碳化硅器件在太陽(yáng)能逆變器的制造中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，逆變器的成本、性能和運(yùn)行是主要關(guān)注點(diǎn)。當(dāng)今的逆變器需要在以下參數(shù)方面進(jìn)行改進(jìn)，例如高可靠性、高效率、增強(qiáng)的通信、更低的成本和支持專業(yè)應(yīng)用的靈活性。典型的光伏逆變器應(yīng)用場(chǎng)景如下：

l1-10 kW用于生活應(yīng)用

l100 W至 300 kW用于商業(yè)應(yīng)用

l10-500 kW（未來(lái)將達(dá)到2 MW~20 MW） 用于公用工程系統(tǒng)

目前的重點(diǎn)是提高體積功率密度（W/m3） 和比功率 （W/kg），從而最大限度地降低成本光伏逆變器。SiC功率半導(dǎo)體器件在光伏電池中的應(yīng)用，可以幫助解決幾個(gè)重要問(wèn)題。

SiC用于光伏電池中的逆變器

50 kW三相光伏逆變器系統(tǒng)

商業(yè)光伏裝置的額定功率通常為100 kW至1 MW，尤其適用于商業(yè)體系。為滿足大功率光伏系統(tǒng)的需求，有研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了50kW光伏逆變器系統(tǒng)樣機(jī)，是業(yè)內(nèi)第一款比功率為1kW/kg的全SiC逆變器[4]。

圖1：簡(jiǎn)化的50kw光伏逆變器電路原理圖，顯示系統(tǒng)中各種功率轉(zhuǎn)換階段

電源轉(zhuǎn)換過(guò)程由4個(gè)通道組成（每通道12.5 kW）交錯(cuò)升壓轉(zhuǎn)換器和三個(gè)相位逆變器。升壓轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)20A SiC MOSFET和兩個(gè)1200 V/10 A SiC肖特基二極管并聯(lián)組成。升壓轉(zhuǎn)換器在75 kHz的切換頻率下運(yùn)行，在不同的輸入電壓條件下效率超過(guò)99%。

圖2：50kw升壓變流器部分的光伏逆變系統(tǒng)硬件單元結(jié)構(gòu)圖

5 kW三相逆變器

除此之外，也有研究者使用額定1200v/160a的XT-1000半橋MOSFET模塊研制了一種5 kW三相全SiC逆變器樣機(jī)[5]。圖3顯示了最終原型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盡管該逆變器不是專門(mén)為光伏應(yīng)用設(shè)計(jì)的，但它能夠證明SiC功率器件在縮小系統(tǒng)規(guī)模的同時(shí)提高其效率的能力。該系統(tǒng)的切換頻率為50 kHz。將SiC逆變器與商業(yè)化的5 kW硅基逆變器[6]進(jìn)行比較，以量化性能參數(shù)。兩個(gè)系統(tǒng)都使用自然空氣對(duì)流進(jìn)行冷卻。從圖4中可看出，與硅基逆變器相比，SiC基逆變器能夠減少27%的損耗。

圖3：5kW的SiC三相逆變器樣機(jī)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

SiC用于光伏電池中的轉(zhuǎn)換器

因?yàn)榫邆漭^寬的可調(diào)能帶帶隙，并且易于在較低的襯底溫度下合成，無(wú)定形非化學(xué)計(jì)量碳化硅（a-SixC1-x）是光電應(yīng)用的理想候選材料。通常情況下，化學(xué)計(jì)量SiC在可見(jiàn)光區(qū)吸收系數(shù)低，即使摻雜后電學(xué)性能也很差。為了克服這些缺點(diǎn)，近年來(lái)有很多研究都集中在了制備具有可調(diào)能帶帶隙的非化學(xué)計(jì)量SixC1-x [7,8]。通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD），通過(guò)改變生長(zhǎng)參數(shù)（如襯底溫度）合成了非化學(xué)計(jì)量的SixC1-x[9,10]。該過(guò)程類似于合成非化學(xué)計(jì)量的SiOx和SiNx材料。非化學(xué)計(jì)量SixC1-x的可調(diào)能帶帶隙與其C/Si成分有很大關(guān)系，進(jìn)而影響吸收光譜。在氫稀釋的PECVD過(guò)程中，氫載流子可以降低表面缺陷態(tài)的密度。然而，在氫稀釋下的制備通常需要較高的襯底溫度和射頻等離子體功率。

在無(wú)氫PECVD下，非化學(xué)計(jì)量富Si的SixC1-x可以在較低的襯底溫度下合成，顯著提高其吸收系數(shù)。與結(jié)晶Si薄膜相比，非化學(xué)計(jì)量的富Si的SixCx材料在可見(jiàn)光區(qū)（400-600 nm）具有更小的光學(xué)帶隙和更高的吸收系數(shù)。許多研究報(bào)道了a-Si和SixC1-x雜化PVSC的實(shí)際應(yīng)用。然而，很少有報(bào)道強(qiáng)調(diào)所有基于SixC1-x的PVSCs。Gao等人[11]將基于SixC1-x的n-i-p結(jié)PVSCs作為半透明太陽(yáng)能電池應(yīng)用于光透過(guò)調(diào)制器中，但報(bào)道轉(zhuǎn)換效率<1%。如圖5，Lee等人將基于SixC1-x的p-n結(jié)PVSCs的n型SixC1-x薄膜的厚度從150 nm降低到25 nm，這種參數(shù)調(diào)諧將轉(zhuǎn)換效率從5×10-3%提高到4.7%[12]。

圖5：用n型（厚度25 ~ 100 nm）和p型（厚度50 nm）富硅SiC薄膜制備了ITO/p-SiC/n-SiC/Al基PVSC結(jié)構(gòu)

在石英襯底上生長(zhǎng)全SixC1-x基的單p-i-n結(jié)半透明PVSC也是一個(gè)非常好的思路。Lin等人[13]使用異常無(wú)氫PECVD在遠(yuǎn)低于SiC合成溫度1000℃的襯底溫度下生長(zhǎng)非化學(xué)計(jì)量的SixC1-x薄膜。本底SixC1-x （i-SixC1-x）薄膜作為吸收層，在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)改變硅烷（SiH4）和甲烷（CH4）的通量比來(lái)調(diào)節(jié)其組成比例，以提高光電流響應(yīng)。此外，研究者還制備了具有不同C/Si組成比的i- SixC1-x層的富硅SixC1-x/a-Si串聯(lián)太陽(yáng)能電池。為了優(yōu)化富Si的SixC1-x/a-Si串聯(lián)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)在生長(zhǎng)過(guò)程中改變SiH4和CH4的通量比來(lái)調(diào)節(jié)n-a-SixC1-x層的C/Si組成比，增加n-a-SixC1-x的p-a-Si界面的隧道化概率。

圖6：SixCi1-x/a-Si串聯(lián)PVSC的能帶結(jié)構(gòu)

結(jié)論

隨著全球溫室效應(yīng)日益顯著，碳中和勢(shì)在必行，這給新能源領(lǐng)域的發(fā)展注入了巨大動(dòng)力。太陽(yáng)是最清潔的能源，這使得光伏材料的發(fā)展和應(yīng)用具有十分重要的意義。以碳化硅等具備優(yōu)異特性的半導(dǎo)體材料，正在光伏轉(zhuǎn)換器，逆變器等關(guān)鍵器件中發(fā)揮重要作用，未來(lái)也一定能夠持續(xù)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

[1] El Chaar L, El Zein N. Review of photovoltaic technologies[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2011, 15(5): 2165-2175. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.01.004

[2] Parida B, Iniyan S, Goic R. A review of solar photovoltaic technologies[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2011, 15(3): 1625-1636. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.11.032.

[3] Behar O, Khellaf A, Mohammedi K. A review of studies on central receiver solar thermal power plants[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2013, 23: 12-39. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.017.

[4] Mookken J, Agrawal B, Liu J. Efficient and compact 50kW Gen2 SiC device based PV string inverter[C]//PCIM Europe 2014; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. VDE, 2014: 1-7. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6841306.

[5] Pushpakaran B N, Subburaj A S, Bayne S B, et al. Impact of silicon carbide semiconductor technology in Photovoltaic Energy System[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 55: 971-989. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.161.

[6] Bhalla A. Market Penetration of Wide-Bandgap SiC and GaN technology in light of Silicon Super junction and IGBT technology evolution[C]//CS MANTECH Conference. 2014: 9-12.

[7] Lin G R, Lo T C, Tsai L H, et al. Finite silicon atom diffusion induced size limitation on self-assembled silicon quantum dots in silicon-rich silicon carbide[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2011, 159（2）: K35.https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.014202jes/meta.

[8] Lo T C, Tsai L H, Cheng C H, et al. Self-aggregated Si quantum dots in amorphous Si-rich SiC[J]. Journal of non-crystalline solids, 2012, 358(17): 2126-2129. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2012.01.013.

[9] Cheng Q, Tam E, Xu S, et al. Si quantum dots embedded in an amorphous SiC matrix: nanophase control by non-equilibrium plasma hydrogenation[J]. Nanoscale, 2010, 2(4): 594-600. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2010/nr/b9nr00371a.

[10] Cheng Q, Xu S, Long J, et al. Homogeneous nanocrystalline cubic silicon carbide films prepared by inductively coupled plasma chemical vapor deposition[J]. Nanotechnology, 2007, 18(46): 465601. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/18/46/465601/meta.

[11] Gao W, Lee S H, Bullock J, et al. First a-SiC: H photovoltaic-powered monolithic tandem electrochromic smart window device[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 1999, 59(3): 243-254. https://doi.org/10.1016/S0927-0248（99）00025-2.

[12] Lee C T, Tsai L H, Lin Y H, et al. A chemical vapor deposited silicon rich silicon carbide PN junction based thin-film photovoltaic solar cell[J]. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2012, 1(6): Q144. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.005301jss/meta.

[13] Cheng C H, Chang J H, Wu C I, et al. Semi-transparent silicon-rich silicon carbide photovoltaic solar cells[J]. RSC