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(kāi)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(lái)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(lái)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。
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(kāi)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(wèn)題。據(jù)記載,人類利用太陽(yáng)能已有3000多年的歷史。將太陽(yáng)能作為一種能源和動(dòng)力加以利用,只有300多年的歷史。真正將太陽(yáng)能作為“近期急需的補(bǔ)充能源”,“未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”,則是近年的事。20世紀(jì)70年代以來(lái),太陽(yáng)能科技突飛猛進(jìn),太陽(yáng)能利用日新月異。近代太陽(yáng)能利用歷史可以從1615年法國(guó)工程師所羅門(mén)·德·考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)算起。該發(fā)明是一臺(tái)利用太陽(yáng)能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機(jī)器。在1615年~1900年之間,世界上又研制成多臺(tái)太陽(yáng)能動(dòng)力裝置和一些其它太陽(yáng)能裝置。這些動(dòng)力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽(yáng)光,發(fā)動(dòng)機(jī)功率不大,工質(zhì)主要是水蒸汽,價(jià)格昂貴,實(shí)用價(jià)值不大,大部分為太陽(yáng)能愛(ài)好者個(gè)人研究制造。20世紀(jì)的100年間,太陽(yáng)能科技發(fā)展歷史大體可分為七個(gè)階段。
第一階段
第一階段(1900~1920年),清立新能源在這一階段,世界上太陽(yáng)能研究的重點(diǎn)仍是太陽(yáng)能動(dòng)力裝置,但采用的聚光方式多樣化,且開(kāi)始采用平板集熱器和低沸點(diǎn)工質(zhì),裝置逐漸擴(kuò)大,最大輸出功率達(dá)73.64kW,實(shí)用目的比較明確,造價(jià)仍然很高。建造的典型裝置有:1901年,在美國(guó)加州建成一臺(tái)太陽(yáng)能抽水裝置,采用截頭圓錐聚光器,功率:7.36kW;1902~1908年,在美國(guó)建造了五套雙循環(huán)太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機(jī),采用平板集熱器和低沸點(diǎn)工質(zhì);1913年,在埃及開(kāi)羅以南建成一臺(tái)由5個(gè)拋物槽鏡組成的太陽(yáng)能水泵,每個(gè)長(zhǎng)62.5m,寬4m,總采光面積達(dá)1250m2。
第二階段
第二階段(1920~1945年),在這20多年中,太陽(yáng)能研究工作處于低潮,參加研究工作的人數(shù)和研究項(xiàng)目大為減少,其原因與礦物燃料的大量開(kāi)發(fā)利用和發(fā)生第二次世界大戰(zhàn)(1935~1945年)有關(guān),而太陽(yáng)能又不能解決當(dāng)時(shí)對(duì)能源的急需,因此使太陽(yáng)能研究工作逐漸受到冷落。
第三階段第三階段(1945~1965年),在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的20年中,一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的人士已經(jīng)注意到石油和天然氣資源正在迅速減少,呼吁人們重視這一問(wèn)題,從而逐漸推動(dòng)了太陽(yáng)能研究工作的恢復(fù)和開(kāi)展,并且成立太陽(yáng)能學(xué)術(shù)組織,舉辦學(xué)術(shù)交流和展覽會(huì),再次興起太陽(yáng)能研究熱潮。在這一階段,太陽(yáng)能研究工作取得一些重大進(jìn)展,比較突出的有:1945年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型硅太陽(yáng)電池,為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ);1955年,以色列泰伯等在第一次國(guó)際太陽(yáng)熱科學(xué)會(huì)議上提出選擇性涂層的基礎(chǔ)理論,并研制成實(shí)用的黑鎳等選擇性涂層,為高效集熱器的發(fā)展創(chuàng)造了條件。此外,在這一階段里還有其它一些重要成果,比較突出的有:1952年,法國(guó)國(guó)家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為50kW的太陽(yáng)爐。1960年,在美國(guó)佛羅里達(dá)建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨——水吸收式空調(diào)系統(tǒng),制冷能力為5冷噸。1961年,一臺(tái)帶有石英窗的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世。在這一階段里,加強(qiáng)了太陽(yáng)能基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)材料的研究,取得了如太陽(yáng)選擇性涂層和硅太陽(yáng)電池等技術(shù)上的重大突破。平板集熱器有了很大的發(fā)展,技術(shù)上逐漸成熟。太陽(yáng)能吸收式空調(diào)的研究取得進(jìn)展,建成一批實(shí)驗(yàn)性太陽(yáng)房。對(duì)難度較大的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了初步研究。
第四階段
第四階段(1965~1973年),這一階段,太陽(yáng)能的研究工作停滯不前,主要原因是太陽(yáng)能利用技術(shù)處于成長(zhǎng)階段,尚不成熟,并且投資大,效果不理想,難以與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng),因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。
第五階段
第五階段(1973~1980年),自從石油在世界能源結(jié)構(gòu)中擔(dān)當(dāng)主角之后,石油就成了左右經(jīng)濟(jì)和決定一個(gè)國(guó)家生死存亡、發(fā)展和衰退的關(guān)鍵因素,1973年10月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭(zhēng),石油輸出國(guó)組織采取石油減產(chǎn)、提價(jià)等辦法,支持中東人民的斗爭(zhēng),維護(hù)該國(guó)的利益。其結(jié)果是使那些依靠從中東地區(qū)大量進(jìn)口廉價(jià)石油的國(guó)家,在經(jīng)濟(jì)上遭到沉重打擊。于是,西方一些人驚呼:世界發(fā)生了“能源危機(jī)”(有的稱“石油危機(jī)”)。這次“危機(jī)”在客觀上使人們認(rèn)識(shí)到:現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變,應(yīng)加速向未來(lái)能源結(jié)構(gòu)過(guò)渡。從而使許多國(guó)家,尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,重新加強(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持,在世界上再次興起了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮。1973年,美國(guó)制定了政府級(jí)陽(yáng)光發(fā)電計(jì)劃,太陽(yáng)能研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長(zhǎng),并且成立太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)銀行,促進(jìn)太陽(yáng)能產(chǎn)品的商業(yè)化。日本在1974年公布了政府制定的“陽(yáng)光計(jì)劃”,其中太陽(yáng)能的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有:太陽(yáng)房、工業(yè)太陽(yáng)能系統(tǒng)、太陽(yáng)熱發(fā)電、太陽(yáng)電池生產(chǎn)系統(tǒng)、分散型和大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等。為實(shí)施這一計(jì)劃,日本政府投入了大量人力、物力和財(cái)力。
70年代初世界上出現(xiàn)的開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮,對(duì)中國(guó)也產(chǎn)生了巨大影響。一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的科技人員,紛紛投身太陽(yáng)能事業(yè),積極向政府有關(guān)部門(mén)提建議,出書(shū)辦刊,介紹國(guó)際上太陽(yáng)能利用動(dòng)態(tài);在農(nóng)村推廣應(yīng)用太陽(yáng)灶,在城市研制開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能熱水器,空間用的太陽(yáng)電池開(kāi)始在地面應(yīng)用……。1975年,在河南安陽(yáng)召開(kāi)“全國(guó)第一次太陽(yáng)能利用工作經(jīng)驗(yàn)交流大會(huì)”,進(jìn)一步推動(dòng)了中國(guó)太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展。這次會(huì)議之后,太陽(yáng)能研究和推廣工作納入了中國(guó)政府計(jì)劃,獲得了專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)和物資支持。一些大學(xué)和科研院所,紛紛設(shè)立太陽(yáng)能課題組和研究室,有的地方開(kāi)始籌建太陽(yáng)能研究所。當(dāng)時(shí),中國(guó)也興起了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮。這一時(shí)期,太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用工作處于前所未有的大發(fā)展時(shí)期,具有以下特點(diǎn):
各國(guó)加強(qiáng)了太陽(yáng)能研究工作的計(jì)劃性,不少國(guó)家制定了近期和遠(yuǎn)期陽(yáng)光計(jì)劃。開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能成為政府行為,支持力度大大加強(qiáng)。國(guó)際間的合作十分活躍,一些第三世界國(guó)家開(kāi)始積極參與太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用工作。
研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,研究工作日益深入,取得一批較大成果,如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽(yáng)電池、光解水制氫、太陽(yáng)能熱發(fā)電等。
各國(guó)制定的太陽(yáng)能發(fā)展計(jì)劃,普遍存在要求過(guò)高、過(guò)急問(wèn)題,對(duì)實(shí)施過(guò)程中的困難估計(jì)不足,希望在較短的時(shí)間內(nèi)取代礦物能源,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用太陽(yáng)能。例如,美國(guó)曾計(jì)劃在1985年建造一座小型太陽(yáng)能示范衛(wèi)星電站,1995年建成一座500萬(wàn)kW空間太陽(yáng)能電站。事實(shí)上,這一計(jì)劃后來(lái)進(jìn)行了調(diào)整,至今空間太陽(yáng)能電站還未升空。
太陽(yáng)熱水器、太陽(yáng)電池等產(chǎn)品開(kāi)始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)初步建立,但規(guī)模較小,經(jīng)濟(jì)效益尚不理想。這主要受制于技術(shù)運(yùn)用及科研水平。
第六階段
第六階段(1980~1992年),70年代興起的開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮,進(jìn)入80年代后不久開(kāi)始落潮,逐漸進(jìn)入低谷。世界上許多國(guó)家相繼大幅度削減太陽(yáng)能研究經(jīng)費(fèi),其中美國(guó)最為突出。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是:世界石油價(jià)格大幅度回落,而太陽(yáng)能產(chǎn)品價(jià)格居高不下,缺乏競(jìng)爭(zhēng)力;太陽(yáng)能技術(shù)沒(méi)有重大突破,提高效率和降低成本的目標(biāo)沒(méi)有實(shí)現(xiàn),以致動(dòng)搖了一些人開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的信心;核電發(fā)展較快,對(duì)太陽(yáng)能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。受80年代國(guó)際上太陽(yáng)能低落的影響,中國(guó)太陽(yáng)能研究工作也受到一定程度的削弱,有人甚至提出:太陽(yáng)能利用投資大、效果差、貯能難、占地廣,認(rèn)為太陽(yáng)能是未來(lái)能源,主張外國(guó)研究成功后中國(guó)引進(jìn)技術(shù)。雖然,持這種觀點(diǎn)的人是少數(shù),但十分有害,對(duì)中國(guó)太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展造成不良影響。這一階段,雖然太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)研究經(jīng)費(fèi)大幅度削減,但研究工作并未中斷,有的項(xiàng)目還進(jìn)展較大,而且促使人們認(rèn)真地去審視以往的計(jì)劃和制定的目標(biāo),調(diào)整研究工作重點(diǎn),爭(zhēng)取以較少的投入取得較大的成果。
第七階段
第七階段(1992年~至今),由于大量燃燒礦物能源,造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞,對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣背景下,1992年聯(lián)合國(guó)在巴西召開(kāi)“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”,會(huì)議通過(guò)了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》,《21世紀(jì)議程》和《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》等一系列重要文件,把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架,確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會(huì)議之后,世界各國(guó)加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開(kāi)發(fā),將利用太陽(yáng)能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起,使太陽(yáng)能利用工作走出低谷,逐漸得到加強(qiáng)。世界環(huán)發(fā)大會(huì)之后,中國(guó)政府對(duì)環(huán)境與發(fā)展十分重視,提出10條對(duì)策和措施,明確要“因地制宜地開(kāi)發(fā)和推廣太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮、潮汐能、生物質(zhì)能等清潔能源”,制定了《中國(guó)21世紀(jì)議程》,進(jìn)一步明確了太陽(yáng)能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。
1995年國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委和國(guó)家經(jīng)貿(mào)委制定了《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》在(1996~2010年)制出,明確提出中國(guó)在1996-2010年新能源和可再生能源的發(fā)展目標(biāo)、任務(wù)以及相應(yīng)的對(duì)策和措施。這些文件的制定和實(shí)施,對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)太陽(yáng)能事業(yè)發(fā)揮了重要作用。1996年,聯(lián)合國(guó)在津巴布韋召開(kāi)“世界太陽(yáng)能高峰會(huì)議”,會(huì)后發(fā)表了《哈拉雷太陽(yáng)能與持續(xù)發(fā)展宣言》,會(huì)上討論了《世界太陽(yáng)能10年行動(dòng)計(jì)劃》(1996~2005年),《國(guó)際太陽(yáng)能公約》,《世界太陽(yáng)能戰(zhàn)