結(jié)合航天技術(shù),談?wù)動行Ю锰柲艿呐e措

【專家解說】：太陽能利弊: 優(yōu)點(diǎn)：? (1)普遍：太陽光普照大地，無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且勿須開采和運(yùn)輸。? (2)無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。? (3)巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130萬億t標(biāo)煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。 (4)長久：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。? 缺點(diǎn)：? (1)分散性：到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1平方米面積上接收到的太陽能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，則只有200W左右。而在冬季大致只有一半，陰天一般只有1／5左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價較高。? (2)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。? (3)效率低和成本高：目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來說，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相當(dāng)一段時期內(nèi)，太陽能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。? 太陽能利用中的經(jīng)濟(jì)問題：? 第一，世界上越來越多的國家認(rèn)識到一個能夠持續(xù)發(fā)展的社會應(yīng)該是一個既能滿足社會需要，而又不危及后代人前途的社會。因此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設(shè)應(yīng)該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。 第二，我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭約占商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的76％，已成為我國大氣污染的主要來源。大力開發(fā)新能源和可再生能源的利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠(yuǎn)看，太陽能利用技術(shù)和裝置的大量應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源價格的上漲。 第一個空間太陽電池載于1958年發(fā)射的Vangtuard I，體裝式結(jié)構(gòu)，單晶Si襯底，效率約10%（28℃）。到了1970年代，人們改善了電池結(jié)構(gòu)，采用BSF、光刻技術(shù)及更好減反射膜等技術(shù)，使電池的效率增加到14%。在70年代和80年代，地面太陽電池大約每5.5年全球產(chǎn)量翻番；而空間太陽電池在空間環(huán)境下的性能，如抗輻射性能等得到了較大改善。由于80年代太陽電池的理論得到迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)了地面和空間太陽電池性能的改善。到了90年代，薄膜電池和Ⅲ-Ⅴ電池的研究發(fā)展很快，而且聚光陣結(jié)構(gòu)也變得更經(jīng)濟(jì)，空間太陽電池市場競爭十分激烈。在繼續(xù)研究更高性能的太陽電池，主要有兩種途徑：研究聚光電池和多帶隙電池。 × 空間太陽電池主要性能 電池效率 由于太陽電池在不同光強(qiáng)或光譜條件下效率一般不同，對于空間太陽電池一般采用AM0光譜（1.367KW/㎡），對于地面應(yīng)用一般采用AM1.5光譜（即地面中午晴空太陽光，1.000 KWm-2）作為測試電池效率的標(biāo)準(zhǔn)光源。太陽電池在AM0光譜效率一般低于AM1.5光譜效率2～4個百分點(diǎn)，例如一個AM0效率為16%的Si太陽電池AM1.5效率約為19%）。 ◎ 25℃，AM0條件下太陽電池效率 電池類型 面積（cm2） 效率（%） 電池結(jié)構(gòu) 一般Si太陽電池 64cm2 14.6 單結(jié)太陽電池 先進(jìn)Si太陽電池 4cm2 20.8 單結(jié)太陽電池 GaAs太陽電池 4cm2 21.8 單結(jié)太陽電池 InP太陽電池 4cm2 19.9 單結(jié)太陽電池 GaInP/GaAs 4cm2 26.9 單片疊層雙結(jié)太陽電池 GaInP/GaAs/Ge 4cm2 25.5 單片疊層雙結(jié)太陽電池 GaInP/GaAs/Ge 4cm2 27.0 單片疊層三結(jié)太陽電池 ◎ 聚光電池 GaAs太陽電池 0.07 24.6 100X GaInP/GaAs 0.25 26.4 50X，單片疊層雙結(jié)太陽電池 GaAs/GaSb 0.05 30.5 100X，機(jī)械堆疊太陽電池 空間太陽電池在大氣層外工作，在近地球軌道太陽平均輻照強(qiáng)度基本不變，通常稱為AM0輻照，其光譜分布接近5800K黑體輻射光譜，強(qiáng)度1353mW/cm2。因此空間太陽電池多采用AM0光譜設(shè)計和測試。 空間太陽電池通常具有較高的效率，以便在空間發(fā)射的重量、體積受限制的條件下，能獲得特定的功率輸出。特別在一些特定的發(fā)射任務(wù)中，如微小衛(wèi)星（重量在50～100公斤）上應(yīng)用，要求單位面積或單位重量的比功率更高。 抗輻照性能 空間太陽電池在地球大氣層外工作，必然會受到高能帶電粒子的輻照，引起電池性能的衰減，主要原因是由于電子或質(zhì)子輻射使少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度減小。其光電參數(shù)衰減的程度取決于太陽電池的材料和結(jié)構(gòu)。還有反向偏壓、低溫和熱效應(yīng)等因素也是電池性能衰減的重要原因，尤其對疊層太陽電池，由于熱脹系數(shù)顯著不同，電池性能衰減可能更嚴(yán)重。 × 空間太陽電池的可靠性 光伏電源的可靠性對整個發(fā)射任務(wù)的成功起關(guān)鍵作用，與地面應(yīng)用相比，太陽電池/陣的費(fèi)用高低并不重要，因為空間電源系統(tǒng)的平衡費(fèi)用更高，可靠性是最重要的?？臻g太陽電池陣必須經(jīng)過一系列機(jī)械、熱學(xué)、電學(xué)等苛刻的可靠性檢驗。 Si太陽電池 硅太陽電池是最常用的衛(wèi)星電源，從1970年代起，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種飛行器對功率的需求越來越大，在加速發(fā)展其他類型電池的同時，世界上空間技術(shù)比較發(fā)達(dá)的美、日和歐空局等國家，都相繼開展了高效硅太陽電池的研究。以日本SHARP公司、美國的SUNPOWER公司以及歐空局為代表，在空間太陽電池的研究發(fā)展方面領(lǐng)先。其中，以發(fā)展背表面場（BSF）、背表面反射器（BSR）、雙層減反射膜技術(shù)為第一代高效硅太陽電池，這種類型的電池典型效率最高可以做到15%左右，目前在軌的許多衛(wèi)星應(yīng)用的是這種類型的電池。 到了70年代中期，COMSAT研究所提出了無反射絨面電池（使電池效率進(jìn)一步提高）。但這種電池的應(yīng)用受到限制：一是制備過程復(fù)雜，避免損壞PN結(jié)；二是這樣的表面會吸收所有波長的光，包括那些光子能量不足以產(chǎn)生電子-空穴對的紅外輻射，使太陽電池的溫度升高，從而抵消了采用絨面而提高的效率效應(yīng)；三是電極的制作必須沿著絨面延伸，增加了接觸的難度，使成本升高。 80年代中期，為解決這些問題，高效電池的制作引入了電子器件制作的一些工藝手段，采用了倒金子塔絨面、激光刻槽埋柵、選擇性發(fā)射結(jié)等制作工藝，這些工藝的采用不但使電池的效率進(jìn)一步提高，而且還使得電池的應(yīng)用成為可能。特別在解決了諸如采用帶通濾波器消除溫升效應(yīng)以后，這類電池的應(yīng)用成了空間電源的主角。 雖然很多工藝技術(shù)是由一些研究所提出，但卻是在一些比較大的公司得到了發(fā)揚(yáng)光大，比如倒金子塔絨面、選擇性發(fā)射結(jié)等工藝是在澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏研究中心出現(xiàn)，但日本的SHARP公司和美國的SUNPOWER公司目前的技術(shù)水平卻為世界一流，有的技術(shù)甚至已經(jīng)移植到了地面用太陽電池的大批量生產(chǎn)。 為了進(jìn)一步降低電池背面復(fù)合影響，背面結(jié)構(gòu)則采用背面鈍化后開孔形成點(diǎn)接觸，即局部背場。這些高效電池典型結(jié)構(gòu)為PERC、PERL、PERT、PERF[1]，其中前種結(jié)構(gòu)的電池已經(jīng)在空間獲得實用。典型的高效硅太陽電池厚度為100μm，也被稱為NRS/BSF（典型效率為17%）和NRS/LBSF（典型效率為18%），其特征是正面具有倒金子塔絨面的選擇性發(fā)射結(jié)構(gòu)，前后表面均采用鈍化結(jié)構(gòu)來降低表面復(fù)合，背面場采用全部或局部背場。實際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)，雖然采用局部背場工藝的電池要普遍比NRS/BSF的電池效率高一個百分點(diǎn)，但通常局部背場的抗輻照能力比較差。 到了上世紀(jì)90年代中期，空間電源工程人員發(fā)現(xiàn)，雖然這種類型電池的初期效率比較高，但電池的末期效率比初期效率下降25%左右，限制了電池的進(jìn)一步應(yīng)用，空間電源的成本仍然不能很好地降低。 為了改變這種情況，以SHARP為首的研究機(jī)構(gòu)提出了雙邊結(jié)電池結(jié)構(gòu)，這種電池的出現(xiàn)有效地提高了電池的末期效率，并在HES、HES-1衛(wèi)星上獲得了實際應(yīng)用。 另外研究人員還發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星對電池陣位置的要求比較苛刻，如果太陽電池陣不對日定向或?qū)θ斩ㄏ虿畹榷紩绊懙叫l(wèi)星電源的功率，這在一定程度上也限制了衛(wèi)星整體系統(tǒng)的配置。比如空間站這樣復(fù)雜的飛行器，有的電池陣幾乎不能完全保證其充足的太陽角，因而就需要高效電池來滿足要求。雖然目前已經(jīng)部分應(yīng)用了常規(guī)的高效電池，但電池的高的α吸收系數(shù)、有限的空間和重量的需要使其仍然不能滿足空間系統(tǒng)大規(guī)模功率的需要。傳統(tǒng)的電池結(jié)構(gòu)仍然受到很大程度的限制。在這種情況下，俄羅斯在研究高效硅電池初期就側(cè)重于提高電池的末期效率為主，在結(jié)合電池陣研究方面提出了雙面電池的構(gòu)想并獲得了成功，真正做到了高效長壽命和低成本。 GaAs太陽電池 隨著空間科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，對空間電源提出了更高的要求。80年代初期，前蘇聯(lián)、美國、英國、意大利等國開始研究GaAs基系太陽電池。80年代中期，GaAs太陽電池已經(jīng)用于空間系統(tǒng)，如1986年前蘇聯(lián)發(fā)射的“和平號”空間站，裝備了10KW的GaAs太陽電池，單位面積比功率達(dá)到180W/㎡。8年后，電池陣輸出功率總衰退不大于15%。 GaAs基系太陽電池經(jīng)歷了從LPE到MOVPE，從同質(zhì)外延到異質(zhì)外延，從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)發(fā)展變化，其效率不斷提高。從最初的16%增加到25%，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模年產(chǎn)達(dá)100KW以上，并在空間系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。更高的效率減小了陣列的大小和重量，增加了火箭的裝載量，減少火箭燃料消耗，因此整個衛(wèi)星電源系統(tǒng)的費(fèi)用更低。 薄膜太陽電池 為適應(yīng)空間應(yīng)用需求，國際上紛紛制訂各自的薄膜太陽電池計劃（如NASA，主要目標(biāo)在于提高比功率和降低發(fā)射裝載容量），提出解決措施： （1）研制超輕柔性襯底薄膜太陽電池； （2）研制多結(jié)薄膜太陽電池。目前，國際發(fā)展趨勢主要涉及非晶硅（a-Si:H）太陽電池、銅銦（鎵）硒（CuInGaSe2）太陽電池和碲化鎘(CdTe)太陽電池。經(jīng)過數(shù)年的努力，其效率達(dá)到15～20%（AM0）。 另一方面，為展開柔性薄膜太陽電池的研制（展開式、折疊式、套桶式、卷廉式）的設(shè)計與應(yīng)用提供可能。自90年代后期，國外已開展了以聚合物為襯底薄膜太陽電池的研制，并取得一定的進(jìn)展。薄膜太陽電池是獲得高效率、長壽命、高可靠、低成本的重要途徑之一。主要包括：a-Si及其合金、CuInSe2 及其合金、以及CdTe三種材料的薄膜太陽電池。 聚光太陽電池 一般認(rèn)為，現(xiàn)代聚光PV開始于1970年代末悉尼國家實驗室，采用了點(diǎn)聚焦非涅耳透鏡硅電池雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)，隨后并研制了幾個原型。在1980年代，很多研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一系列成功的實驗，在聚光技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展，如非涅耳透鏡、棱形玻璃蓋片等。在1990年代中期，線聚焦Fresenel透鏡聚光陣技術(shù)已經(jīng)成功地用于SCARLET太陽電池陣，電池為GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池，聚光陣的功率密度大于200 W/㎡，比功率大于45 W/kg。線聚焦Fresenel透鏡聚光陣已經(jīng)用于DEEPSPACE-1。 由于三結(jié)GaAs太陽電池有很好的高溫特性（為高電壓低電流器件），通過聚光將顯著提高電池電流輸出，特別在實現(xiàn)高倍聚光后，可獲得更高的功率輸出。因此，以三結(jié)砷化鎵太陽電池為主要部件的聚光太陽電池以其高效率（可達(dá)到40%以上）、高溫性能好（工作溫度每升高1?C性能僅下降0.2%，可在200?C情況下正常工作，聚光倍數(shù)可達(dá)500倍以上）等特點(diǎn)被國際公認(rèn)為最有發(fā)展前途和最具商用價值的新一代太陽能器件。