仰山军民融合发展高技术装备成果展览暨论坛论文征集

编者按：2018年10月8日至15日，第四届军民融合发展高新技术装备成果展示暨论坛在北京成功举办。为配合本次活动，主办方组织了“第四届军民融合发展高新技术装备成果展示暨论坛”征文活动。共收到论文385篇。经过专家组多轮评审，最终评选出54篇优秀论文。 洋山智库将陆续为读者推送优秀论文。

太阳能是自然界重要的能源。太阳能电池收集光能并通过直接过程将其转化为电能。与传统的发电方式相比，光伏发电不需要热能和动能的转换，不依赖燃料供应，不需要冷却，无污染和噪音，维护方便。

1太阳能电池的应用领域

太阳能电池的最初应用是从安装人造卫星开始的。近年来，随着技术的不断积累和进步，光伏材料的性能不断提高，一些新型太阳能电池也已接近实用化。密切关注新技术发展方向，加快其在军民领域的应用，意义重大。

1.1 航天器

为人造卫星和航天器等轨道空间飞行器提供能量的太阳能电池，由于特殊的运行环境，要求光伏材料具有高效率、耐高低温冲击、耐高能粒子辐射等特性。太空太阳能电池目前在太空领域应用最多的是复合太阳能电池。 GaAs光伏电池虽然抗辐射能力强，但由于单晶材料成本高，机械强度差，不满足空间电源高可靠性的要求。后来逐渐用Ge单晶代替GaAs制备单结电池。单结复合电池只能吸收特定光谱的太阳光，转换效率不够高。目前，常用的多结串联电池由具有不同带隙的III-V材料制备而成。根据带隙，它们可以选择性地吸收和转换太阳光谱的不同区域，可以大大提高光电转换效率。空间太阳能电池产品制造工艺复杂，价格昂贵，不适合地面应用。

1.2 近地飞行器

对于固定翼飞机、飞艇、气球等近地飞行器，为保证长期停留在空中，必须使用能长时间工作的集电设备。美国、日本等国的近太空长航时飞行器均在表面采用轻质高效的光伏阵列，与储能装置相结合，作为飞行器的能源和动力来源。飞艇和气球的蒙皮在升空时在气压作用下膨胀，会对非延展性硅基电池和各种延展性较差的薄膜电池造成损坏。表面粘合的光伏材料要求具有可卷曲性、中等柔韧性，大面积柔性薄膜太阳能电池是海洋光伏材料的最佳选择。典型的例子包括美国宇航局的“HeiloS”高空无人机，在皮肤上排列着64,000个太阳能电池。洛克希德马丁公司的“HALE-D”飞艇，薄膜太阳能电池铺设在轻巧的皮肤上。日本的“SPF”飞艇在其轻巧的外壳上也铺设了非晶硅柔性薄膜太阳能电池。

1.3个现场光伏电站

便携式光伏组件可快速展开和撤出，隐蔽性强，模块化组装，可维护性高。小型太阳能电池线圈可以部署到战术单元，作为分布式电力生产的独立存储单元。大型光伏阵列电池输出功率高，可作为大中型电站接入现场微电网。近年来，美军加快了电厂的建设。陆军在新墨西哥州白沙导弹试验场建设了4.5MW光伏电站，并先后在亚利桑那州的Sierra Vista和Fort Huachuca军事基地建设了18MW太阳能电站。该项目是位于本宁堡基地的 30MW 超大型光伏电站，在 810,000 平方米的土地上使用 134,000 块太阳能电池板。美国海军在珍珠港-希卡姆联合基地和夏威夷海军陆战队基地建设的光伏阵列发电系统总装机容量为17兆瓦薄膜太阳能电池技术，美国空军在内华达州内利斯空军基地建设的光伏电站总装机容量为17兆瓦。为 19 兆瓦。

1.4PV楼宇集成

刚性太阳能光伏发电已广泛应用于建筑屋顶和外墙。柔性薄膜电池模组可充分利用掩体、建筑物、帐篷等外表面，可根据需要做成透光和部分透光，能更好地阻隔外界的进入红外线，发挥隔热作用，形状适应性强，重量轻，安装布置方便。美军采用柔性太阳能发电篷布，代号为PowerShade、TEMPERFly和QUADrant，包括三种尺寸，功率分别为3KW、800W和200W。它采用聚酰亚胺作为非晶硅的基层，将光伏发电薄膜集成到帐篷上，重量轻，附着力好。即使在强风条件下将篷布完全掀起，光伏薄膜也不会从基板上脱落。数据显示，篷布可以减少80%~90%的太阳热辐射。

1.5 自供电电子设备

单兵装备越来越多的电子设备，如夜视仪、定位设备、通讯设备、测距仪和数字终端设备等，这些设备需要不断补充，以保持不间断的作战。连接到外部电源来充电或更换电池很麻烦。柔性太阳能薄膜与电子器件外表面结合，实现光伏自供能，可为各种小功率电子器件供电。

1.6 可穿戴电源

柔性光伏材料可以与纺织品或涂料结合成为各种可穿戴的太阳能电源，如太阳能电池背包、帽子、头盔和衣服等。装备和车辆的表面也可以在战场上用于发电电 。有机化合物等光伏材料在物理性质上可以模拟自然环境，因此具有一定的隐身能力。美军将太阳能组件集成到单兵系统中，开发了一系列适用于单兵的超轻柔性光伏发电设备，如Powerfilm开发的与被子配套的太阳能充电器。与携带储能电池相比，单兵光伏发电设备大大减轻了士兵的负担。

2种主要类型的太阳能电池

从光伏材料种类分类，主要包括硅基太阳能电池、无机化合物太阳能电池、有机太阳能电池、敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池。与传统太阳能电池相比，薄膜太阳能电池需要更低的沉积温度和更少的材料消耗，并且随着新型光伏材料的快速发展，可以实现连续卷对卷生产和大规模丝网印刷。以及喷墨打印等制备工艺，薄膜太阳能电池的应用更加灵活。

2.1 硅基太阳能电池

主要包括非晶硅（a-Si）、微晶硅（μc-Si:H）和多晶硅（p-Si）薄膜。由于硅是一种间接带隙材料，其禁带宽度为1.7 eV，它对带隙对应波长附近的光子只有极低的吸收系数，特别是在800-1100nm波长范围内。光子的吸收长度达到10μm～3mm，远远超过了薄膜太阳能电池核心吸收层（硅膜）的厚度。在这个光谱范围内，近红外波段的光吸收系数不高，限制了其光电转换效率。晶体硅的光电转换效率会随着光照时间的延长而衰减，这就是所谓的光致退化（S-W）效应，光致稳定性不好。可以通过使用具有不同带隙的多结堆叠、减少表面光反射和使用更薄的吸收层来进行改进。该微晶硅薄膜材料具有过渡层结构，转换效率高，光致降解效应相对较弱，制备技术与现有非晶硅薄膜电池兼容。但微晶硅薄膜太阳能电池在材料制备过程中禁带宽度窄、吸收系数低、生长速率低、沉积速率慢，不利于降低制造成本。该多晶硅薄膜材料在长波长波段具有高光敏性、高可见光吸收系数和高光稳定性。材料制备工艺比较简单，没有光致衰退效应薄膜太阳能电池技术，但成本仍然较高。

2.2个无机化合物太阳能电池

主要包括砷化镓（GaAs）III-V族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）和铜铟硒薄膜电池。 III-V族化合物半导体光伏材料如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，其禁带宽度为1.0~1.5eV，与太阳能电池匹配良好。光谱。它具有直接的带隙和较宽的太阳光吸收带。在可见光范围内，GaAs等材料的光吸收系数远高于硅基材料。化合物半导体的转换效率是非晶硅的两倍以上，但成本是非晶硅的十倍。次。 GaAs光伏材料的组成元素的原子量较大，导致材料本身的相对质量较大。由于Ga相对稀缺，As有毒，发展受限，不适合大规模生产。

CdTe薄膜太阳能电池结构简单，成本相对较低，但CdTe材料具有自补偿效应，难以制备高导同质结，且大部分电池为异质结结构。 CdS的结构与CdTe相同，晶格常数差异很小。它是 CdTe 基电池的最佳窗口材料。典型CdTe电池结构的主体由厚度约为2μm的p型（CdTe）层和0.1μm的n型（CdS）层组成。光子吸收主要发生在 CdTe 层中。 CdS和CdTe薄膜太阳能电池的转换效率高于非晶硅薄膜太阳能电池，性能稳定，成本低于单晶硅电池。虽然已实现大规模商业化生产，但发展速度较慢。主要原因是镉是剧毒的，碲是稀有元素。

CIGS是一种由铜、铟、镓和硒组成的多组分化合物半导体光伏材料。该材料是由铜铟硒（CIS）和铜镓硒组成的固溶体。 CIGS是一种具有黄铜矿晶体结构的四面体结构半导体，其能隙可以在1.0eV（硒化铜铟）到1.7eV（纯硒化铜）之间变化，具体取决于铟和镓镓的比例）。 CIGS为多晶薄膜形式，其晶体结构不同于硅晶体，是异质界面体系，具有近似最优的光能隙，光吸收率高，能隙可也可用Ga和Al部分替代In，或S部分替代Se进行调节，厚度为2-3μm，具有长期稳定性好、无光致衰减、抗辐射能力强、低成本。单节理论效率可达30%，目前可达到20%以下。电池的基本结构是在基板上溅射一层约0.5~1.0μm的Mo背电极以利于空穴传导，CIGS光吸收层约1.5~2.0μm，往上是厚度约为0.05μm的N型半导体CdS，也起到缓冲层的作用，帮助电子有效传导，一层约< @0.1μm厚N型以上。 i-ZnO层用于防止电池元件性能下降，然后溅射A-ZnO作为透明导电层的窗口。目前常用的真空蒸镀法和溅射法容易造成原材料的浪费。 In是一种稀有元素，在制备过程中材料性质不稳定。

为了进一步提高其光电转换效率，构建多结太阳能电池结构是最直接的方法。由于任何单一的半导体材料只能有效地将太阳光谱一定范围内的光能转化为电能，因此效率的提高受到了根本的限制。因此，结合不同禁带宽度的半导体材料，分别吸收和利用不同波长范围的入射光，顶部电池的能带最高。这样，能量高的光子被上面的高能带电池吸收，而能量低的光子可以穿过上面的电池，被下面的低能带电池吸收，从而有效提高了电池的效率。太阳能电池，产生双结、三结和其他多结串联太阳能电池。目前主要有GaInP/Ga(In)As/Ge、Al-GaAs/GaAs、GaInP/GaAs和GaInP/GaInAs类型。

2.3 有机太阳能电池

有机太阳能电池使用有机半导体作为活性材料进行光电转换。与无机太阳能电池相比，具有成本低、厚度薄、重量轻、制造工艺简单、可大面积柔性器件等优点。其主要缺点是能量转换效率低、稳定性差、强度低。有机太阳能电池主要包括单层肖特基电池、双层p-n异质结电池和具有互穿P型和N型半导体网络的体异质结电池。但现阶段仍存在激子结合能高、电子迁移率低等缺点，导致转换效率低、寿命短。 .

2.4 敏化太阳能电池

有机敏化分子作为主要的吸光材料，包括染料敏化和量子点敏化。目前，染料敏化太阳能电池的光电效率稳定在13%以上，生产成本仅为硅太阳能电池的1/5。 1/10，材料来源广，成本低，设备要求低，生产工艺简单，适合大规模生产应用。量子点材料的量子限域效应可以调整能级结构，使其吸收光谱与太阳光光谱相匹配；量子点可以吸收一个光子产生多个光子；量子点的电子态与光阳极导带的部分重合提供了电子，离子的快速转移阻碍了电子-空穴对的复合。它与染料敏化太阳能电池的不同之处在于，利用不同的量子点代替有机染料作为光吸收剂，通过调整不同量子点的组成、大小和结构，实现对太阳光的全光谱吸收，产生更多的光生电子.

2.5 个钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池是一类使用具有AMX3钙钛矿晶体结构的材料作为光吸收层的电池。经过几年的发展，能量转换效率迅速提高到22.1%，逼近单晶硅太阳能电池25%的最高转换效率。由于其较低的材料成本和制造成本，它被认为是可以替代硅的新一代太阳能电池。它可以分为两种器件结构，n-i-p和p-i-n。 n-i-p结构是指电子传输层/钙钛矿层/空穴传输层的器件结构，而p-i-n结构正好相反。柔性钙钛矿电池本身的膜厚非常小，在一定程度上具有良好的弯曲能力。它还具有开路电压高、适用温度范围广、弱光性能好、温度稳定性高等优点。灵敏度高，材料在低温（°C）下制备，适合在柔性基板上直接制备。

3薄膜太阳能电池的应用发展方向

军用电源对质量、体积、功率、可靠性等有更高的要求，太阳能电池材料的实际性能指标有待进一步提高。需要继续提高能量转换效率，增强便携性、环境适应性和器件稳定性等。研究提高低温制备技术的成熟度，加快推进如作为卷对卷打印。

3.1 提高转化效率

能量转换效率越高，可以提供的输出功率越大，能量转换设备的能源效率也越高。从光电转换过程可知，薄膜太阳能电池的能量转换效率与材料的带隙大小、光吸收系数和载流子传输特性有关。为了提高光电转换效率，需要不断研究开发新型高效光伏材料，开发新型太阳能电池制备技术，改善材料本身的结构性能，以提高太阳能电池材料的光电转换效率。 同时，要优化器件结构，采取措施减少电池表层的反射和增加透射，提高透明电极的透光率，减少光在电池表面的反射损失。电池。在电池的吸光层进行光谱波段转换，或采用串联电池和多个PN结串联电池结构等，尽可能利用太阳能的全光谱。提高材料的成膜性能和载流子的迁移距离。载流子迁移率高，寿命长，光生电子和空穴可以移动足够长的距离被外电路收集形成电流，电池内能量损失小。

3.2 增强的可移植性

提高功率重量比可有效减轻设备重量。功率重量比越高，单位质量或体积的发电设备所能提供的功率就越大。 CIGS薄膜电池的转换效率和面积比功率略高，但非晶硅薄膜电池的质量比功率略高。为适应未来装备发展的需要，能源装备正逐步向更高能量密度和功率密度的目标迈进。因此，应积极采用多种方法研究“更小、更轻、更耐用”的大面积电池便携式太阳能电池。为了减轻单兵和装备的重量。太阳能电池的每个结是通过堆叠多层结构形成的。由于不同材料对光的吸收率不同，它也能吸收95%的太阳光。 GaAs和钙钛矿电池只需要几微米的厚度，多组分化合物需要几十微米，而硅基电池需要大于150微米。因此，由高吸收率材料制成的薄膜太阳能电池的质量会大大降低。光电转换效率的提高可以减小太阳能电池的体积和重量，在满足输出功率的同时增强便携性。

3.3 提高环境适应性

实际环境需要在多云、下雨或雾霾等室外天气条件下保持一定强度的发电能力。通常，某些类型的光伏材料仅表现出对某些波长范围内的光的良好吸收。要改善细胞的弱光响应，就必须提高材料的质量，并且要求器件在整个可见光范围内保持高吸收。战场使用的能源装备还应具有良好的环境适应性，能够在昼夜温差大、交变应力、振动和噪声冲击等恶劣条件下正常工作。柔性太阳能电池使用中最大的问题是光伏材料的弯曲稳定性。传统的多结电池的每个结至少有三层不同的材料。层数越多，弯曲稳定性越难解决。多次弯曲后器件效率下降的重要原因是基板本身的破裂以及光伏材料与基板的结合。因此，优化各膜层的质量，保持膜层之间的良好接触是主要的努力方向。 .

参考文献

[1] 杨金环，太阳能光伏发电应用技术[M]．北京：电子工业出版社，2009.62~63；