引言

太陽能技術的持續發展對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。太陽能可以通過多種方式加以利用，例如光伏轉換和太陽能加熱。太陽輻射的能量為3.8×1020 MW（3.8×1020 M/s），到達地球的能量為173×106 kw（相當于1360 W/m2）。雖然太陽能能量十分巨大，但是其較低的利用效率一直是一個令人頭疼的問題。硅太陽能電池具有理論由于材料特性，最大效率為31-40%，但在實際部署項目中，最大面板效率僅達到15-30%。

因此，最大限度地將太陽能轉化為電能是一項挑戰。相關領域的研究者們已經提出了太陽能電池技術中的各種解決方案以有效利用從太陽接收的總太陽能。其中一些如下：

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

l降低太陽能電池制造成本

l用小圓柱體或納米棒組成太陽能電池的基本單元

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

除以上四點之外，還有關于使用半導體材料制造太陽能逆變器的記錄，目的是實現高效率和可靠性。碳化硅（項目號：S104650）是第三代半導體材料，由于其優越的材料特性，目前在大功率應用中占有一席之地。與硅相比。碳化硅器件在太陽能逆變器的制造中發揮著至關重要的作用。在光伏能量轉換系統中，逆變器的成本、性能和運行是主要關注點。當今的逆變器需要在以下參數方面進行改進，例如高可靠性、高效率、增強的通信、更低的成本和支持專業應用的靈活性。典型的光伏逆變器應用場景如下：

l1-10 kW用于生活應用

l100 W至 300 kW用于商業應用

l10-500 kW（未來將達到2 MW~20 MW） 用于公用工程系統

目前的重點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功率半導體器件在光伏電池中的應用，可以幫助解決幾個重要問題。

SiC用于光伏電池中的逆變器

50 kW三相光伏逆變器系統

商業光伏裝置的額定功率通常為100 kW至1 MW，尤其適用于商業體系。為滿足大功率光伏系統的需求，有研究機構開發了50kW光伏逆變器系統樣機，是業內第一款比功率為1kW/kg的全SiC逆變器[4]。

圖1：簡化的50kw光伏逆變器電路原理圖，顯示系統中各種功率轉換階段

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

圖2：50kw升壓變流器部分的光伏逆變系統硬件單元結構圖

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[5]。圖3顯示了最終原型及其內部結構，盡管該逆變器不是專門為光伏應用設計的，但它能夠證明SiC功率器件在縮小系統規模的同時提高其效率的能力。該系統的切換頻率為50 kHz。將SiC逆變器與商業化的5 kW硅基逆變器[6]進行比較，以量化性能參數。兩個系統都使用自然空氣對流進行冷卻。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三相逆變器樣機及其內部結構圖

SiC用于光伏電池中的轉換器

因為具備較寬的可調能帶帶隙，并且易于在較低的襯底溫度下合成，無定形非化學計量碳化硅（a-SixC1-x）是光電應用的理想候選材料。通常情況下，化學計量SiC在可見光區吸收系數低，即使摻雜后電學性能也很差。為了克服這些缺點，近年來有很多研究都集中在了制備具有可調能帶帶隙的非化學計量SixC1-x [7,8]。通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD），通過改變生長參數（如襯底溫度）合成了非化學計量的SixC1-x[9,10]。該過程類似于合成非化學計量的SiOx和SiNx材料。非化學計量SixC1-x的可調能帶帶隙與其C/Si成分有很大關系，進而影響吸收光譜。在氫稀釋的PECVD過程中，氫載流子可以降低表面缺陷態的密度。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。

在無氫PECVD下，非化學計量富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。與結晶Si薄膜相比，非化學計量的富Si的SixCx材料在可見光區（400-600 nm）具有更小的光學帶隙和更高的吸收系數。許多研究報道了a-Si和SixC1-x雜化PVSC的實際應用。然而，很少有報道強調所有基于SixC1-x的PVSCs。Gao等人[11]將基于SixC1-x的n-i-p結PVSCs作為半透明太陽能電池應用于光透過調制器中，但報道轉換效率<1%。如圖5，Lee等人將基于SixC1-x的p-n結PVSCs的n型SixC1-x薄膜的厚度從150 nm降低到25 nm，這種參數調諧將轉換效率從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結構

在石英襯底上生長全SixC1-x基的單p-i-n結半透明PVSC也是一個非常好的思路。Lin等人[13]使用異常無氫PECVD在遠低于SiC合成溫度1000℃的襯底溫度下生長非化學計量的SixC1-x薄膜。本底SixC1-x （i-SixC1-x）薄膜作為吸收層，在生長過程中通過改變硅烷（SiH4）和甲烷（CH4）的通量比來調節其組成比例，以提高光電流響應。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串聯太陽能電池。為了優化富Si的SixC1-x/a-Si串聯太陽能電池的轉換效率，通過在生長過程中改變SiH4和CH4的通量比來調節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PVSC的能帶結構

結論

隨著全球溫室效應日益顯著，碳中和勢在必行，這給新能源領域的發展注入了巨大動力。太陽是最清潔的能源，這使得光伏材料的發展和應用具有十分重要的意義。以碳化硅等具備優異特性的半導體材料，正在光伏轉換器，逆變器等關鍵器件中發揮重要作用，未來也一定能夠持續貢獻力量。

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