太陽能是自然界中重要的能量來源，太陽能電池板通過直接過程采集光能轉(zhuǎn)換為電能，與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，光伏發(fā)電不需要經(jīng)過熱能和動能的轉(zhuǎn)換，不依賴燃料供給，無需冷卻、無污染和噪聲，維護保養(yǎng)容易。

　　1 太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域

　　太陽能電池開始的應(yīng)用是從人造衛(wèi)星的搭載開始，近年來隨著技術(shù)的不斷積累進步，光伏材料的性能不斷提高，一些新型太陽能電池也已接近實用化。密切關(guān)注跟蹤新技術(shù)的發(fā)展方向，加快在軍事與民用領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

　　1.1 空間飛行器

　　人造衛(wèi)星、宇宙飛船等在軌空間飛行器上提供能源的太陽能電池，由于使用環(huán)境特殊，要求光伏材料具有高效率、耐高低溫沖擊、抗高能粒子輻射等性能。空間太陽能電池在空間領(lǐng)域目前使用較多的是化合物型太陽能電池，GaAs光伏電池雖然抗輻照能力強，但由于單晶材料成本高、機械強度較差，不符合空間電源高可靠性等要求，后來逐步采用Ge單晶替代GaAs制備單結(jié)電池。單結(jié)的化合物型電池只能吸收特定光譜的太陽光，轉(zhuǎn)換效率不夠高。目前常用不同禁帶寬度的III-V族材料制備的多結(jié)疊層電池，按禁帶寬度大小疊合，分別選擇性吸收和轉(zhuǎn)換太陽光譜的不同區(qū)域，可大幅度提高光電轉(zhuǎn)換效率。空間太陽能電池產(chǎn)品制造過程復(fù)雜，價格較高，因此暫不適合地面應(yīng)用。

　　1.2 近地飛行器

　　固定翼飛機、飛艇、氣球等近地飛行器要保證長時滯空，必須采用能夠長期工作的電能采集設(shè)備。美日等國的臨近空間長航時飛行器均采用在表面鋪設(shè)輕質(zhì)高效光伏陣列，并與儲能裝置相結(jié)合，作為飛行器能源動力來源。飛艇和氣球的蒙皮在升空過程中氣壓作用下膨脹，會對不可延展的硅基電池和延展性較差的各種薄膜電池造成破壞，要求粘接結(jié)合在表面的光伏材料具有可卷曲性、適度的伸縮性，大面積柔性薄膜太陽能電池是艇用光伏材料的好選擇。

　　1.3 野戰(zhàn)光伏電站

　　便攜式的光伏組件展開撤收快速、隱蔽性強，可實現(xiàn)模塊化組裝，可維護性高。小規(guī)模太陽能電池卷組可配置到戰(zhàn)術(shù)單位，作為獨立蓄電單位，分布式生產(chǎn)電能。大規(guī)模光伏陣列電池輸出功率高，可以與野戰(zhàn)微電網(wǎng)聯(lián)接作為大中型電站使用。美軍近年來加快了電站建設(shè)速度，陸軍在位于新墨西哥州白沙導(dǎo)彈試驗場建設(shè)了4.5MW光伏電站，又先后在亞利桑那州謝拉維斯塔、瓦丘卡堡軍事基地建造了18MW太陽能項目，本寧堡基地的30MW超大規(guī)模光伏電站，在81萬平方米用地上使用了134000張?zhí)柲茈姵匕濉Ｃ绹＼娫谡渲楦邸？仿?lián)合基地、夏威夷海軍陸戰(zhàn)隊基地建設(shè)的光伏陣發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為17MW，美國空軍在內(nèi)華達州內(nèi)利斯空軍基地建設(shè)的19 MW的光伏電站。

　　1.4光伏建筑一體化

　　剛性太陽能光伏發(fā)電已廣泛應(yīng)用于在建筑屋頂和外墻，柔性薄膜電池組件可以充分利用掩體、建筑、帳篷等外表面，根據(jù)需要做成透光和部分透光的，又能更好阻擋外部紅外線的進入發(fā)揮隔熱功能，形狀適應(yīng)性強、重量輕、安裝布設(shè)簡便。美軍采用柔性太陽能發(fā)電篷布，代號是PowerShade、TEMPERFly以及QUADrant，包括三種尺寸，功率分別為3KW、800W、200W，采用以聚酰亞胺為基底層的無定形硅，將光伏發(fā)電薄膜集成到帳篷上，輕便并且粘連強度好，即使強風(fēng)情況下篷布完全被揭起，光伏薄膜也不會與基底脫開，數(shù)據(jù)顯示篷布可以減少80%～90%太陽熱輻射。

　　1.5 電子設(shè)備自供能

　　單兵配備的電子裝備數(shù)量越來越多，如夜視與瞄準(zhǔn)具、定位設(shè)備、通信設(shè)備、測距儀和數(shù)字終端設(shè)備等，這些設(shè)備要保持不中斷運行狀態(tài)需要持續(xù)補充電能，連接外部電源充電或更換電池較為繁瑣。將柔性太陽能薄膜和電子設(shè)備外表面結(jié)合在一起，實現(xiàn)光伏自供能，可為各種小功率電子設(shè)備提供電力。

　　1.6 可穿戴電源

　　柔性光伏材料可以與紡織物或涂層復(fù)合，變?yōu)楦鞣N可穿戴太陽能電源，比如太陽能電池背包、帽子、頭盔與服裝等，裝備和車輛的表面也可以在戰(zhàn)場用于行進中發(fā)電。有機化合物等光伏材料在物理性質(zhì)上能夠模擬自然環(huán)境，所以具有一定的隱身能力。

　　2 .0太陽能電池的主要類型

　　從光伏材料的類型分類，主要包括硅基太陽能電池、無機化合物太陽能電池、有機太陽能電池、敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池。相比于傳統(tǒng)的太陽能電池，薄膜太陽能電池所需的沉積溫度更低、材料用量更少，而且隨著新型光伏材料的快速發(fā)展，可實現(xiàn)卷對卷的連續(xù)方式生產(chǎn)、大規(guī)模的絲網(wǎng)印刷以及噴墨印刷等制備工藝，因此薄膜太陽能電池的應(yīng)用更加靈活。

　　2.1 硅基太陽能電池

　　主要有非晶硅( a-Si )、微晶硅( μc-Si:H )和多晶硅( p-Si )薄膜等幾類。由于硅是一種間接帶隙材料，在帶隙對應(yīng)的波長附近對光子僅有非常低的吸收系數(shù)，尤其是在800～1100nm的波長范圍，對光子的吸收長度達到10μm～3mm，遠(yuǎn)超出了薄膜太陽能電池中核心吸收層(硅薄膜)的厚度，在此光譜范圍對近紅外波段的光吸收系數(shù)不高，限制了其光電轉(zhuǎn)換效率，而且非晶硅光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延長而衰減，即所謂的光致衰退(S-W)效應(yīng)，光致穩(wěn)定性不好。可以通過采用有不同帶隙的多結(jié)迭層，降低表面光反射，使用更薄的吸收層等方法進行改進。微晶硅薄膜材料具有過渡層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率高，光致衰退效應(yīng)相對較弱，制備技術(shù)能與現(xiàn)有非晶硅薄膜電池兼容。但微晶硅薄膜太陽能電池帶隙較窄、吸收系數(shù)低，在材料制備中生長速率較低沉、積速率較慢的問題，不利于降低制造成本。多晶硅薄膜材料在長波段具有高的光敏性，可見光吸收系數(shù)較高，光照穩(wěn)定性較高。材料制備工藝相對簡單，無光致衰退效應(yīng)，但成本依然較高。

　　2.2 無機化合物太陽能電池

　　主要包括砷化鎵( GaAs )III-V 族化合物、硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)及銅銦硒類薄膜電池等。III-V族化合物半導(dǎo)體光伏材料如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等，其禁帶寬度在1.0~1.5eV，與太陽光譜匹配較好，具有直接帶隙且太陽光吸收波段寬，在可見光范圍內(nèi)，GaAs等材料的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于硅基材料，化合物半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化效率是非晶硅的兩倍以上，不過成本則是非晶硅的十倍。GaAs光伏材料組成元素的原子量較大，造成材料本身相對質(zhì)量大，由于Ga比較稀缺，As有毒，所以其發(fā)展受到了限制，還不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

　  CIGS 是由銅、銦、鎵以及硒所組成的多元化合物半導(dǎo)體光伏材料。該材料是由硒化銅銦(CIS)以及硒化銅鎵所組成的固溶體。CIGS屬于四面體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體，黃銅礦晶體結(jié)構(gòu)，其能隙依據(jù)銦、鎵比例的不同可從1.0eV(硒化銅銦)變化至1.7eV(純硒化銅鎵)。CIGS屬于多晶薄膜的形式，其晶體結(jié)構(gòu)不同于硅晶體，是異質(zhì)界面系統(tǒng)，具有近似佳的光學(xué)能隙，光吸收率高，其能隙還可以通過Ga和Al部分取代In，或S部分取代Se進行調(diào)節(jié)，厚度為2～3μm，具有長期穩(wěn)定性好、無光誘導(dǎo)衰變、抗輻射能力強、成本低等特點。單結(jié)理論效率高30%，目前所能達到不到20%。電池的基本結(jié)構(gòu)為基底上濺鍍一層約0.5~1.0μm的Mo背電極以利于空穴傳導(dǎo)，CIGS光吸收層約為1.5~2.0μm，往上是約0.05μm 厚的N型半導(dǎo)體CdS，兼具緩沖層的功能，幫助電子有效傳導(dǎo)，再往上有一層約0.1μm 厚的N型 i-ZnO 層，防止電池元件效能下降，再濺鍍A-ZnO作為透明導(dǎo)電層窗口。目前常用的真空蒸發(fā)法和濺射法制備易造成原材料的浪費，In為稀有元素，制備過程中材料性質(zhì)易變。

　　為了進一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率，構(gòu)筑多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)是一種直接的方法。由于任何單一半導(dǎo)體材料只能將太陽光譜中一定范圍的光能有效地轉(zhuǎn)換成電能，從根本上制約了效率的提高。因此將具有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料組合起來，分別吸收利用不同波長范圍的入射光，頂層電池的能帶高。往下依次減少，這樣能量高的光子被上面能帶高的電池吸收，而能量低的光子則能透過上面的電池而被下面能帶低的電池吸收，從而有效地提高了太陽能電池的效率，由此產(chǎn)生了雙結(jié)、三結(jié)等多結(jié)疊層太陽能電池。

　　2.3 有機太陽能電池

　　有機太陽能電池是以有機半導(dǎo)體作為實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的活性材料，與無機太陽能電池相比，它具有成本低、厚度薄、質(zhì)量輕、制造工藝簡單、可做成大面積柔性器件等優(yōu)點，其主要缺點是能量轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性差和強度低。有機太陽能電池主要有單層結(jié)構(gòu)的肖特基電池、雙層p-n異質(zhì)結(jié)電池以及P型和N型半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的體相異質(zhì)結(jié)電池。但是現(xiàn)階段仍存在激子結(jié)合能大、電子遷移率低，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率低且壽命短等缺點，研究方向是提高材料的電導(dǎo)率、成膜技術(shù)、器件工藝制作水平和開發(fā)新的材料等。

　　2.4 敏化太陽能電池

　　以有機敏化分子作為吸光的主要材料，包括染料敏化和量子點敏化，目前染料敏化太陽能電池光電效率穩(wěn)定在13%以上，制作成本僅為硅太陽能電池的1/5~1/10，材料來源廣泛，成本低廉，對設(shè)備要求低，生產(chǎn)工藝簡單，適合大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。量子點材料的量子限制效應(yīng)可以調(diào)節(jié)能級結(jié)構(gòu)，使其吸收光譜能夠匹配太陽光光譜;量子點吸收一個光子能夠產(chǎn)生多個光子;量子點電子態(tài)與光陽極導(dǎo)帶間的部分重合提供了電子的快速傳遞，阻礙了電子—空穴對的復(fù)合。它與染料敏化太陽能電池不同點在于采用不同的量子點來替代有機染料作為光吸收體，并且通過調(diào)整不同的量子點組成、尺寸及結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)太陽光全光譜吸收進而產(chǎn)生更多的光生電子。

　　2.5 鈣鈦礦太陽能電池

　　鈣鈦礦太陽能電池是使用具有AMX3鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)類型材料作為光吸收層的一類電池，經(jīng)過幾年的發(fā)展，能量轉(zhuǎn)化效率飛速增長到了22.1%，逼近了單晶硅太陽能電池25%的高轉(zhuǎn)化效率。由于具有更低的材料成本和制備成本，被視為可能替代硅的新一代太陽能電池。可分為n-i-p和p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，其中n-i-p結(jié)構(gòu)是指電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層的器件結(jié)構(gòu)，而正好p-i-n結(jié)構(gòu)正好相反。柔性鈣鈦礦電池本身膜厚極小，在一定程度上具有較好的彎曲能力，還具備開路電壓高、適用溫度范圍寬、弱光性好、溫度穩(wěn)定性高等優(yōu)點，并對太陽光照角度不敏感，同時材料的制備溫度較低(<150℃)，適合直接在柔性基底上進行制備。

　　3 薄膜太陽能電池應(yīng)用發(fā)展方向

　　軍用電源對質(zhì)量體積、功率、可靠性等要求較高，太陽能電池材料的實際性能指標(biāo)亟需進一步提高，要繼續(xù)在提升能源轉(zhuǎn)化效率，增強便攜性、環(huán)境適應(yīng)性和器件穩(wěn)定性等方面開展研究，提高低溫制備技術(shù)的成熟度，加快推動卷對卷印刷等連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)工藝的進步。

　　3.1 提高轉(zhuǎn)化效率

　　能量轉(zhuǎn)換效率越高，可提供的輸出功率越大，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備就越節(jié)能。從光電轉(zhuǎn)化過程中可知，薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，與材料的帶隙大小、光吸收系數(shù)及載流子傳輸特性相關(guān)。為提高光電轉(zhuǎn)換效率，首先必須不斷研究開發(fā)新的高效光伏材料，開發(fā)新的太陽能電池制備技術(shù)，改進材料本身結(jié)構(gòu)性能來提高太陽能電池材料的光電轉(zhuǎn)換效率。同時還要優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，在電池表面層采用減少反射、增加透射的措施，改進透明電極的透過率，減小光在電池表面的反射損耗。在電池光吸收層進行光譜波段轉(zhuǎn)換，或采用疊層電池以及多個PN結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)等，盡可能利用太陽能全光譜。改善材料的成膜性和載流子的遷移距離。載流子遷移率高、壽命長，光生電子和空穴能夠移動足夠長的距離而被外電路收集形成電流，電池中的能量損耗就小。

　　3.2 增強便攜性

　　提高功率重量比，可以有效減輕設(shè)備重量。功率重量比越高，單位質(zhì)量或體積的發(fā)電設(shè)備能提供的功率越大。CIGS類薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率和面積比功率稍高，但非晶硅類薄膜電池的質(zhì)量比功率稍高。為滿足未來裝備發(fā)展的需要，能源裝備正逐步達到更高能量密度、功率密度的目標(biāo)，因此應(yīng)積極采取各種辦法，研究“更小、更輕、更持久”的大面積電池便攜式太陽能電池，以減輕單兵負(fù)重和裝備重量。太陽能電池的每個結(jié)是由多層結(jié)構(gòu)層疊而成，由于不同材料對光的吸收率存在差異，同樣吸收95%的太陽光，GaAs、鈣鈦礦電池僅需幾微米的厚度，多元化合物需要數(shù)十微米，而硅基電池則需要大于150μm。因此選擇吸收率高的材料制成的薄膜太陽能電池，質(zhì)量可大幅減小。光電轉(zhuǎn)換效率的提升可以減小太陽能電池的體積和重量，在滿足輸出功率同時也增強了便攜性。

　　3.3改善環(huán)境適應(yīng)性

　　實際環(huán)境需要在多云、陰雨或霧霾等戶外氣候條件仍能保持一定強度的發(fā)電能力。通常情況特定類型的光伏材料僅對某些波長范圍的光體現(xiàn)出良好的吸收，而改善電池弱光響應(yīng)，就必須提升材料質(zhì)量，要求器件在整個可見光范圍內(nèi)保持較高的吸收。戰(zhàn)場使用的能源設(shè)備還應(yīng)具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在較大的晝夜溫差、交變應(yīng)力、振動和噪聲沖擊性等惡劣條件下正常工作。柔性太陽能電池使用的大問題是光伏材料的彎折穩(wěn)定性，傳統(tǒng)多結(jié)電池每個結(jié)至少有三層不同材料，層數(shù)越多，彎折穩(wěn)定性的解決難度越大。多次彎折后器件效率下降的重要原因是襯底本身的破裂、光伏材料與襯底的結(jié)合，因此優(yōu)化提高各膜層的質(zhì)量，保持各膜層界面間的良好接觸等是方面主要努力方向。