太阳能发电系统对半导体器件的需求分析

尽管太阳能资源是无穷尽的，每秒钟到达地球表面的太阳光能量高达80万千瓦，但是，由于太阳光辐射密度太低，导致太阳能电池的转换效率非常低，所以，提升把太阳能电池收集的直流电转化为交流电的太阳能逆变器的效率，对于提升太阳能发电效率就显得至关重要。高效率且具有成本效益的逆变器成为评定太阳能发电系统优劣的关键指标。未来的发展关键以及竞争的焦点在于提高光电转换效率。

专家预言，因受到部署大规模太阳能发电厂的需求刺激，在未来的五年内，三相中央逆变器系统的市场预计将有非常好的市场表现。从技术趋势上看，Triphase NV公司的逆变器专家J. Van den KeyBus指出，未来的三相逆变器将由逆变器控制单元、IGBT逆变器、PWM发生器、ADC、死区保护电路、以太网、联网个人电脑等部分组成，如图3所示。建设这种系统的目的在于实现太阳能电池组并网向电网供电，并借助于联网控制来实现跟踪峰值功率点来实现最高效率的太阳能并网发电。

从图3可见，太阳能并网发电系统将对下列系统和器件产生巨大的需求：

(1) 电网管理网络系统;

(2) 以太网端口;

(3) AD转换器;

(4) PWM发生器;

(5) 逆变器控制器;

(6) IGBT模块以及逆变器;

(7) 太阳能电池板方位角和高度角转向电机及其控制装置;

从功率分立器件来看，随着太阳能并网发电站规模的增大，采用1200V IGBT将是未来的发展趋势。针对各种不同规格的逆变器的需求，IGBT模块呈现集成度越来越高的发展趋势。

值得关注的是，为了获得更高的转换效率，采用SiC二极管来设计太阳能逆变器系统是最新的发展趋势。原因在于：(1) SiC的导热率是砷化镓的几倍，也超过了Si的三倍，这将可以制造出更高电流密度的器件;(2) SiC的击穿电场几乎是Si击穿电场的十倍，所以，采用SiC的相同设计将获得硅元件十倍的额定击穿电压，因此，有可能开发出非常高电压的肖特基二极管;(3) SiC是一种宽能带材料，因此，相对于任何硅器件而言，SiC可在高得多的温度下工作。

此外，因为太阳能微型逆变器需要监测电流、电压、温度等模拟参数，具有模拟和数字混合信号处理能力的微控制器有望在这里找到用武之地。

利用新材料提高光电转换效率

太阳能电池为未来大规模发电提供了巨大商机，但目前大部分太阳能电池的输出功率相对较低，典型的输出效率在15%%左右。

"太阳每天产生的太阳能为165,000太瓦特(TeraWatt)，我们只要能从中获取极小的一部分能量，就能朝解决能源危机问题迈进一大步"，IMCE首席运营官Luc Van den hove表示，"我们现在面临的最大技术挑战是如何降低电阳能电池的成本和提高其效率。" IMEC的太阳能电池开发计划的计划表是，到2011年120微米晶硅电池的效率有望达到20%;到2015年，厚度为80微米的晶硅太阳能电池的效率将高于20%。其技术的发展思路是，提高材料的吸收系数，使之接近太阳能光谱的最大光子通量，并具有较高迁移率。此外，通过采用旋涂工艺涂覆该材料，改善其薄膜形貌，从而提高载流子迁移率和可重复性。

另一方面，荷兰戴夫特理工大学和物质基础研究基金会研究人员指出，非常小的特定半导体晶体会产生电子的"雪崩效应"。在传统的太阳能电池中，1个光子只能精确地释出1个电子，而在某些半导体纳米晶体中，1个光子可释出2个或3个电子，这就是所谓的"雪崩效应"。这些释出的自由电子能够确保太阳能电池运作并提供电力。释出的电子越多，太阳能电池的输出功率也越大。这种物理效应为生产廉价的、高输出功率的太阳能电池铺平了道路，从而有望利用半导体纳米晶体(晶体尺寸在纳米范围内)来制造新型太阳能电池。此次的新发现表明，理论上由半导体纳米晶体组成的太阳能电池的最大输出能源效率将可能达到44%，同时有助于减少生产成本。

此外，IBM不久前声称他们已经在实验室实现了从1平方厘米的太阳能电池板上提取230W的能量，并最终获得70W可用电力的技术。其技术细节不祥。