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(guó)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(yáng)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(chǎng)。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(shí)用。典型的高效硅太陽(yáng)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(chǎng)采用全部或局部背場(chǎng)。實(shí)際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)，雖然采用局部背場(chǎng)工藝的電池要普遍比NRS/BSF的電池效率高一個(gè)百分點(diǎn)，但通常局部背場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用。
另外研究人員還發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星對(duì)電池陣位置的要求比較苛刻，如果太陽(yáng)電池陣不對(duì)日定向或?qū)θ斩ㄏ虿畹榷紩?huì)影響到衛(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(yáng)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(zhǎng)壽命和低成本。
GaAs太陽(yáng)電池
隨著空間科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空間電源提出了更高的要求。80年代初期，前蘇聯(lián)、美國(guó)、英國(guó)、意大利等國(guó)開始研究GaAs基系太陽(yáng)電池。80年代中期，GaAs太陽(yáng)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(hào)”空間站，裝備了10KW的GaAs太陽(yáng)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(yáng)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(gè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的費(fèi)用更低。
薄膜太陽(yáng)電池
為適應(yīng)空間應(yīng)用需求，國(guó)際上紛紛制訂各自的薄膜太陽(yáng)電池計(jì)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(yáng)電池;
(2)研制多結(jié)薄膜太陽(yáng)電池。目前，國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)主要涉及非晶硅(a-Si:H)太陽(yáng)電池、銅銦(鎵)硒(CuInGaSe2)太陽(yáng)電池和碲化鎘(CdTe)太陽(yáng)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(yáng)電池的研制(展開式、折疊式、套桶式、卷廉式)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供可能。自90年代后期，國(guó)外已開展了以聚合物為襯底薄膜太陽(yáng)電池的研制，并取得一定的進(jìn)展。薄膜太陽(yáng)電池是獲得高效率、長(zhǎng)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(yáng)電池。
聚光太陽(yáng)電池
一般認(rèn)為，現(xiàn)代聚光PV開始于1970年代末悉尼國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)，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(yáng)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(yáng)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(shí)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(yáng)電池為主要部件的聚光太陽(yáng)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(guó)際公認(rèn)為最有發(fā)展前途和最具商用價(jià)值的新一代太陽(yáng)能器件。
× 太陽(yáng)能路燈
太陽(yáng)能路燈是一種利用太陽(yáng)能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽(yáng)光充足就可以就地安裝等特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽(yáng)能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，但太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問題。
太陽(yáng)能硒光電池
日本制成了世界上第一架太陽(yáng)能照相機(jī),重量?jī)H有475克,機(jī)內(nèi)裝有先進(jìn)的太陽(yáng)能電池系統(tǒng),其蓄電池可連續(xù)使用4年。美國(guó)一家公司生產(chǎn)了一種新型的135太陽(yáng)能照相機(jī),它的光圈、速度均由微電腦自動(dòng)控制,電力則由太陽(yáng)能硒光電池提供,只要有光線就能供電使用。
【第一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電站】
法國(guó)奧德約太陽(yáng)能發(fā)電站是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的太陽(yáng)能電站。雖然當(dāng)時(shí)發(fā)電功率才64千瓦，但它為后來的太陽(yáng)能電站的研究與設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。1982年美國(guó)建成了一座1000萬(wàn)千瓦的塔式太陽(yáng)熱中間試驗(yàn)電站。美國(guó)計(jì)劃到2000年，太陽(yáng)能發(fā)電站總裝機(jī)容量將達(dá)4000萬(wàn)千瓦。2000年和2020年，生產(chǎn)的電量占總能量的百分比將是7%和25%。由于光熱轉(zhuǎn)換器(聚光器)需要占據(jù)較大的空間采光受熱，設(shè)備偏大，以美國(guó)在加利福尼亞州計(jì)劃建一座1萬(wàn)千瓦發(fā)電設(shè)備為例，集光裝置達(dá)40萬(wàn)平方米，200萬(wàn)千瓦，則需占地50平方千米。據(jù)估計(jì)，大型太陽(yáng)能發(fā)電站效率僅為30%左右。另外，太陽(yáng)能發(fā)電站還需要有應(yīng)付晚上和陰天用電需要的蓄電器，而所需的聚光器造價(jià)也較昂貴，發(fā)電經(jīng)濟(jì)性差，因此，影響了廣泛地推廣和應(yīng)用。
【太陽(yáng)能電池】
太陽(yáng)能電池發(fā)電原理
太陽(yáng)能電池是一對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)。
當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。
晶體硅太陽(yáng)能電池的制作過程
“硅”是我們這個(gè)星球上儲(chǔ)藏最豐量的材料之一。自從19世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。20世紀(jì)末，我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽(yáng)能電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過程大致可分為五個(gè)步驟：a、提純過程 b、拉棒過程 c、切片過程 d、制電池過程 e、封裝過程。
太陽(yáng)能電池的應(yīng)用
上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽(yáng)電池應(yīng)用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對(duì)于
光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng)、光伏水泵(飲水或灌溉)、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國(guó)家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽(yáng)電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。太陽(yáng)能光伏玻璃幕墻組件得應(yīng)用越來越多，隨著上海和北京的幾個(gè)項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)質(zhì)性運(yùn)轉(zhuǎn)，這種方式將會(huì)代替普通玻璃幕墻，它具有反射光強(qiáng)度小、保溫性能好等特點(diǎn)!
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我國(guó)首套家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在滬成功運(yùn)行
“請(qǐng)來小半屋頂?shù)奶?yáng)光，就能把家里的電視機(jī)、電冰箱、微波爐……都帶動(dòng)起來!”中國(guó)首套專為家庭設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，已在上海莘莊某小區(qū)成功運(yùn)行了100天，產(chǎn)生了令人驚奇的功效。
這套裝置的主人上海電力學(xué)院趙春江博士是一位太陽(yáng)能專家。去年12月中旬，他在自己位于莘莊某小區(qū)一幢小高層頂層的三層復(fù)式建筑的屋面上安裝了一套總面積22平方米的硅晶光伏電池板陣。100天來，這套系統(tǒng)為趙家“造”出了797度電。一旦進(jìn)入夏秋季節(jié)，這些光電板的工作熱情會(huì)更高，每天將能發(fā)出10來度電。女主人頗為自豪地說，“這套設(shè)備預(yù)計(jì)全年可產(chǎn)電3000度，足夠全家電器的用電所需。”
趙春江簡(jiǎn)要介紹了這套家用發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)國(guó)家，它可節(jié)省發(fā)3000度電所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤1140公斤，減少二氧化碳排放3.6噸。對(duì)個(gè)人，它的直接好處是“用電自主”，而且還無(wú)需任何日常維護(hù)。
他表示，如果下述兩個(gè)重要問題能夠及時(shí)解決，那么這套具有許多優(yōu)點(diǎn)的家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)就能在上海，甚至在全國(guó)全面推廣。首先，是必須抓緊制訂標(biāo)準(zhǔn)和施工程序，讓大家有章可循。更重要的是，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)拿出一個(gè)向居民適價(jià)采購(gòu)“太陽(yáng)電”的具體方案，以幫助安裝家用太
陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的家庭降低投資成本。
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原標(biāo)題：太陽(yáng)能利用發(fā)展史
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