太陽能電池在光激發(fā)下的轉變

太陽能電池在光激發(fā)下的轉變

作為一種新型能源，它受到了各國的高度重視，并迅速發(fā)展。然而，與軍事裝備相關的應用速度較晚，主要是因為太陽能電池轉換效率低，成本高，電池板重且破碎。隨著技術上的飛躍,太陽能電池性能不斷提高,價格也不斷下降,使其可能成為數(shù)字化部隊裝備的理想電源。一、太陽能電池的組成當表面蒸發(fā)一層透光金屬薄膜的半導體薄片被光照射時,在它的另一側和金屬膜之間將產生一定的電壓,這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應,簡稱光伏效應。能將光能轉換成電能的光電轉換器叫太陽能電池,在半導體:P—N結上,這種光伏效應更為明顯。因此,太陽能電池都是由半導體P—N結構成的,最簡單的太陽能電池由一個大面積的P—N結構成,例如P型半導體表面形成薄的N型層構成一個P—N結見圖1。由于N型層很薄,能透過照射的陽光,光照時,在P型和N型兩區(qū)內,光激發(fā)下都產生了電子—空穴對。如果在一個擴散長度的范圍內這些被激發(fā)出來的電子或空穴,就都有可能在復合之前通過擴散運動到達P—N結的強電場區(qū)。半導體P—N結的界面附近,電荷積累形成的阻擋層(耗盡層)中有一個強電場,場強方向由N區(qū)指向P區(qū)。這樣,在強電場的作用下,空穴由N區(qū)被掃到P區(qū),而電子則由P區(qū)掃到N區(qū)。電子和空穴的這種運動將使P區(qū)帶正電,而N區(qū)帶負電,P—N結上就產生了一定的電壓。完整的太陽能電池組成系統(tǒng)見圖2。1954年美國貝爾實驗室完成了人類歷史上第一個太陽能電池系統(tǒng),其轉換效率為6%,1956年,DrHenryHKolm于麻省理工學院林肯實驗室,將太陽能電池的轉換效率提高到了10%,最大輸出功率為1W。經過近半個世紀的發(fā)展,開發(fā)出來的用于制造太陽能電池的材料有單晶硅、多晶硅、非晶硅及III-V族化合物半導體等。目前單晶硅太陽能電池的轉換效率,在嚴格的實驗室工藝條件下最高可以達到24.7%,批量生產可達16%左右。多晶硅太陽能電池轉換效率可以達到15.1%。在III-V族化合物太陽能電池中,GaAs電池的轉換效率最高,可達28%。二、采用太陽能電池的必要性軍事領域中的變革隨著新世紀的到來如火如荼,從機械化向信息化轉變的腳步更是不可抗拒,而數(shù)字化部隊的建立成為了這場變革從理論走向實踐的標志。大量的數(shù)字化裝備列裝部隊,使得除了要保障其傳統(tǒng)能源(如汽油)的供應之外,還要保障其電能供應。美軍在一份計劃中設想:到2025年,任何一名美軍士兵可以在任何地方補充燃料和電能。要想實現(xiàn)這一目標,不能完全依靠傳統(tǒng)的補給線,因為傳統(tǒng)的補給線會隨著戰(zhàn)事的進展而延伸,使得補給變得越來越困難。由于太陽能夠照射到的地方就可以使用太陽能電池,摒棄了傳統(tǒng)的補給線,而且太陽能取之不盡,清潔無污染,發(fā)電過程外泄信號低,特別是無噪聲,太陽能電池必將以其獨特的優(yōu)勢為實現(xiàn)上述目標發(fā)揮重要的作用。20世紀90年代中期,美軍開始著力打造數(shù)字化部隊,GPS、夜視儀、戰(zhàn)場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等大量數(shù)字化裝備的配備,使得部隊裝備特別是單兵裝備對電能的需求激增。這造成兩方面的影響:(1)士兵不得不攜帶大量的充電電池作為攜行數(shù)字化裝備的電源,有資料顯示,參加伊拉克戰(zhàn)爭的美軍士兵平均單兵裝備重量為92lb(約41kg),充電電池所占的重量達到其中1/9(約4.5kg),如此大的負重,增加了士兵的體力消耗,限制了其機動能力的發(fā)揮,而且會在戰(zhàn)場上留下明顯的足跡,容易暴露行蹤;(2)戰(zhàn)場環(huán)境下市電體系很容易遭到破壞,移動式電源車的機動能力和偽裝性能有限,很難保證讓每名士兵都能夠及時的充電,失去電源的數(shù)字化裝備無異于廢銅爛鐵,這又限制了數(shù)字化裝備作戰(zhàn)性能的發(fā)揮。隨著武器系統(tǒng)日益復雜,士兵攜帶的電池也逐漸加重并成為嚴重的問題,只有依靠便攜式太陽能電池才能解決這一問題。2000年3月23日,美軍與全球太陽公司(GlobalSolar)簽訂了一份價值50萬美元的合同,由全球太陽公司向美軍提供太陽能電池作為柴油發(fā)電機組的補充電源,用于野戰(zhàn)環(huán)境下向無線電臺、計算機及其他裝備提供電源。這套太陽能電池有以下兩個特點:(1)新型的太陽能電池板:傳統(tǒng)的太陽能電池板笨重易碎、韌性差,由全球太陽公司研制的新型太陽能電池板堅韌耐用,而且可以彎曲折疊,外形尺寸為19×53in(50.4×142.2cm),重量不超過3lb(1.35kg),在陽光充足的條件下輸出功率為50W,數(shù)個這樣的太陽能電池板可以方便的組合為更大輸出功率的太陽能電池系統(tǒng);(2)先進的充電電池:這種充電電池可以在寬溫度范圍內工作,克服了傳統(tǒng)充電電池在高溫環(huán)境下容量下降的缺點,反復充電的次數(shù)可以達到上千次,而且能做成任意容量和形狀,以適應特種裝備的需要。2002年6月11日到15日,美軍在夏威夷附近海域舉行了代號為“強天使”(StrongAngel)聯(lián)合搜救演習,在演習中使用了這種太陽能電池。三、太陽能電池在軍事裝備中的應用太陽能電池在軍事裝備中的應用研究主要有3個發(fā)展方向:1.太陽能電池一體化一項由美軍資助,康納卡(Konarka)公司負責開發(fā)的太陽能電池項目的目的是增強太陽能電池的便攜性能?？导{卡公司的科學家們應用瑞士科學家Gratzel教授的研究成果,將僅為人類頭發(fā)直徑1/1000倍的納米吸光染料植入到二氧化鈦(TiO2)里面,這些吸光染料就像天線一樣吸收太陽光或熒光的能量進而躍遷到激發(fā)態(tài),激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定,電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶,染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償,進入TiO2導帶中的電子最終進入導電膜,然后通過外回路產生光電流,再將這些微小的發(fā)電模塊貼附到輕便的聚乙烯基片上組成太陽能發(fā)電系統(tǒng),士兵可以方便的攜帶這些像油布一樣可以快速打成背包的太陽能電池。這樣每個士兵就擁有各自的充電單元?？导{卡公司的科學家們還在研究可以傳導光能的光纖,將這種光纖混織到衣服里,最終士兵們就可以把太陽能電池穿在身上。整個項目預計將于2005年完成。從上述可以看出,提高太陽能電池便攜性的途徑在于實現(xiàn)一體化,將太陽能電池與軍裝整合使其最終成為軍裝的一個附屬功能,減少了單兵裝具的數(shù)量,縮短了士兵行動前準備的時間,并且可以在行軍中充電。這一思路剛好與“陸地勇士”計劃中將單兵攜行計算機穿在身上的構想相得益彰。2.太陽能電池的有機光伏轉化目前太陽能電池的轉換效率只有10%～15%,相比之下,自然選擇使得植物吸收光波的波段在紅光和藍光之間(除綠光外),而這一波段正是太陽光線能量密度最大的波段,高效的蛋白酶三磷酸腺甙(ATP)和還原型輔酶II(NADPH)參與了光合作用,植物可將這一波段光線能量的98%吸收轉化。美國國家科研理事會建議美軍研究植物是如何將光子轉化為能量。模擬植物的機理產生電能的技術被稱為有機光伏技術,美國國家科研理事會估計:應用基于蛋白質光電轉換物質的有機光伏技術可以使太陽能電池的轉換效率提高到40%～50%,如果將這種基于蛋白質的光電轉換物質涂在凱拉夫(Kelvar)頭盔上,就足以產生供給單兵數(shù)字化裝備的電能。其他的裝備和車輛的表面也可以涂以這樣基于蛋白質光電轉換物質用于戰(zhàn)場發(fā)電,由于有機光電轉換物質在物理性質上模擬自然環(huán)境,能夠和周圍環(huán)境融為一體,所以很難被敵方的探測設備發(fā)現(xiàn)。提高轉換效率,一方面可以大幅度減少太陽能電池的體積和重量,使其更易于貼附在其他裝備,如頭盔的表面,達到一體化的目的,從側面增強了便攜性;另一方面也可提供更大的輸出功率,以滿足未來數(shù)字化裝備發(fā)展的需要。3.太陽能電池充電的功率匹配問題目前大多數(shù)太陽能電池都是針對民用設備開發(fā)的,所以必須開展太陽能電池與數(shù)字化裝備緊密結合的研究。這其中包括太陽能電池與數(shù)字化裝備的功率匹配問題,即如何評估滿足數(shù)字化裝備需要的太陽能電池的最小功率;太陽能電池充電中產生的諧波對數(shù)字化裝備,特別是通訊裝備的干擾問題;數(shù)字化裝備待機狀態(tài)下的消耗功率與開機狀態(tài)下的消耗功率相差極大,太陽能電池如何滿足這一要求。四、加快太陽能電池的開發(fā),特別是以應對信息化的趨勢為我軍目前大力推進信息化建設,數(shù)字化裝備開始裝備部隊,美軍所面臨的困難同樣也是我軍所面臨的,甚至難度更大:如果完全依賴充電電池作為數(shù)字化裝備的電源,參考伊拉克戰(zhàn)爭中美軍單兵裝備重量(約41kg),這樣的負重顯然