四、蓄勢：在黎明破曉前

（世紀(jì)之交至2003年）

全球光伏產(chǎn)量緩慢增長（續(xù)）

在太陽能光電材料的發(fā)展過程中，各國都圍繞新型材料進(jìn)行了研發(fā)應(yīng)用。上文提到的太陽能玻璃就是其中一種路徑，將光電技術(shù)融入玻璃，把以前被當(dāng)做有害因素而屏蔽在建筑物表面的太陽光轉(zhuǎn)化為可被利用的電能。此外，這種復(fù)合材料不多占建筑面積，同時(shí)，優(yōu)美的外觀具有特殊裝飾效果，也賦予建筑物鮮明的現(xiàn)代科技和時(shí)代特色。實(shí)際上，早在1995年，德國柏林落成的TIETGARTEN大樓，就將多晶硅太陽電池板安裝于其外立面，這種電池板的質(zhì)感和反射性與鏡面玻璃非常相似，不會(huì)對建筑造成任何影響。比如，太陽能瓦，是將太陽能光伏電池與屋頂瓦板結(jié)合形成一體化的產(chǎn)品，其創(chuàng)新之處在于使太陽能與建筑達(dá)到了真正意義上的一體化。系統(tǒng)可以直接鋪在屋面上，不需要安裝任何支架。太陽能瓦由光電模塊組成，其形狀、尺寸、鋪裝時(shí)的構(gòu)造方法都與平板式的大片屋面瓦一樣。光電屋面瓦每套包括20塊電池板，每套每年可以產(chǎn)生1000千瓦時(shí)電力。當(dāng)屋面的朝向和日照時(shí)間符合規(guī)定條件時(shí)，2-3套屋面瓦便可以滿足一個(gè)家庭的日常用電。再如，太陽能墻。電力墻是將太陽能光伏電池與建筑相結(jié)合、構(gòu)成一種可用來發(fā)電又具有裝飾作用的外墻貼面。在美國，4位芝加哥建筑師為坐落于華盛頓的美國能源部設(shè)計(jì)了當(dāng)時(shí)世界上最大的太陽能圍墻。據(jù)報(bào)道，“這一巨大的太陽能板覆蓋在能源部原來光禿禿的南墻表面，所提供的電能相當(dāng)于60個(gè)家庭的總用電量。”

尤其值得一提的是，在這一時(shí)期，小衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展，質(zhì)量和體積不斷縮小，成本也不斷下降。電源系統(tǒng)是衛(wèi)星的重要分系統(tǒng)之一，幾乎所有的衛(wèi)星都需要配置一個(gè)可靠的電源系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代以來，空間飛行器開始向兩個(gè)極端發(fā)展：一是處于成本考慮的微型化，二是出于載人、多功能、多任務(wù)、多設(shè)備需求的大型化。這無疑對航天器提出了更高的要求，從而使空間太陽能電池的應(yīng)用和研究再上一個(gè)新臺(tái)階。在宇宙空間環(huán)境中，環(huán)境條件非常惡劣，且存在大量的高能粒子，會(huì)破壞太陽電池的晶格結(jié)構(gòu)，使晶格缺陷增多，造成電池性能下降，對于在這種條件下工作的太陽能電池，必須具備性能穩(wěn)定和耐輻照等基本特性。所以，抗輻照是空間太陽能電池區(qū)別于地面應(yīng)用的太陽能電池的重要特征之一。在當(dāng)時(shí)，太陽能電池已經(jīng)有了很大的發(fā)展，高效太陽能電池的研究突飛猛進(jìn)，出現(xiàn)了各種各樣新材料和新結(jié)構(gòu)的電池。

表 主要太陽電池的效率情況

從上表中可以看出，砷化鎵等Ⅲ-Ⅴ族電池具有很高的廣電轉(zhuǎn)換效率，且抗輻照特性較好，滿足空間應(yīng)用的需求。但是，由于材料成本高，且其具有尖銳的反向擊穿特性，電池需要增加保護(hù)，這就極大地增加了器件制造的成本和工藝復(fù)雜性，此外，有些材料還非常易碎，不能做成薄電池，這就會(huì)增加電池的質(zhì)量和成本。在這方面，硅電池的優(yōu)勢就極大地顯現(xiàn)出來：由于其密度小，材料強(qiáng)度大，基片可以很薄，降低了材料成本，自然成為行業(yè)技術(shù)研發(fā)的主流。所以，為克服傳統(tǒng)晶體硅電池的缺點(diǎn)，IBC（Interdigitated Backside-Contact）背面叉指電池、VMJ（Vertical Multi Junction）垂直多結(jié)電池和EVMJ（Etched Vertical Multi Junction）垂直多結(jié)電池、點(diǎn)接觸（Point Contact）電池、雙面（Double-Sided）電池、激光刻槽埋柵（Laser Grooved Buried Contact Cell）電池、具有轉(zhuǎn)換光譜膜的電池、PERL（Passivated Emitter,Rear Locally Diffused）表面鈍化背面局域擴(kuò)散電池等。

這一時(shí)期，關(guān)于建設(shè)太陽能空間站的大膽設(shè)想再一次被提及。太陽光經(jīng)過大氣層到達(dá)地球表面時(shí)，已經(jīng)被大大減弱，而到達(dá)地面的太陽光，又有三分之一被反射回空間之中。因此，在大氣層以上接收的太陽能要比在地球上接收到的多4倍以上。為此，把太陽能發(fā)電站建到宇宙空間，以獲得更多太陽能、避免地面太陽能電站接收陽光時(shí)斷時(shí)續(xù)的缺點(diǎn)的大膽想法，似乎在技術(shù)的“加持”下，也沒有那么遙不可及。要達(dá)到這個(gè)目的，就必須研制一種太陽能動(dòng)力衛(wèi)星，并把它送到距離地面3.5萬公里的高空，且與地球保持同步軌道。這樣，衛(wèi)星繞地球飛行一圈的時(shí)間，正好與地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相同，這樣就可以使其能夠直接將太陽能引到地球上。衛(wèi)星上裝有巨大的太陽能電池板，能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后將電能轉(zhuǎn)化為微波束發(fā)回地面。地面接收站通過巨型天線，將動(dòng)力衛(wèi)星送回到地面的微波重新轉(zhuǎn)換成電能。在20世紀(jì)70年代，人類就對空間太陽能方案進(jìn)行了廣泛的研究，但是按照那個(gè)時(shí)代的設(shè)想需要花費(fèi)巨大的財(cái)力，這也導(dǎo)致20世紀(jì)80年代后，此項(xiàng)方案一直擱置。到了20世紀(jì)90年代，財(cái)力充裕后，該方案又重新回到大眾的視野，并在21世紀(jì)初成為熱點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，歐洲航空防務(wù)與航天公司耗資60萬歐元進(jìn)行相關(guān)研發(fā)，科學(xué)家哈特穆特·米勒還曾在不萊梅演示了新研發(fā)的激光設(shè)備，可以作為太空發(fā)電廠向地球傳送能量的重要部件。時(shí)至今日，實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想還有諸多難關(guān)有待攻克，人類對于科學(xué)的探索永無止境，但只要堅(jiān)守終將見到光明。