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如今拿破仑的名言不适用了：现在军队行军更多地是靠电池，而不是胃了。没有电池，在黑暗中就看不到东西，无法使用无线电，无法定位。但即使是最好的蓄电池（通常情况下占士兵45公斤负重的五分之一）也不能维持野战部队要求的一周左右的时间。我们现在比以往任何时候都更依赖于智能手机和GPS导航，因此也受到同一问题的困扰。在期待更好的电池的同时，必须找到新的方法，能在找不到电源插座时给现有的电池充电。我们需要的是一个性能良好的便携式光伏发电系统，大量吸收日光并将其中大部分转化为电能。这一进步也有助于降低全世界阳光充足地区的“太阳电”成本，减少碳排放。光学行业的资深人士道格.柯克帕特里克（DougKirkpatrick）曾经启动了一个超高效太阳能电池（VHESC）项目，该项目由美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助，是超高效光伏电池研究领域具有历史意义的一步。他的目标是建成转换效率达50%的太阳能电池模块。柯克帕特里克考虑到最终用户——士兵的需求。他指出，不同的电动装置，安放太阳能电池的空间大小也不同。因此可以在较大的装置中放更多的电池，再用这些电池为其他电池空间极小的装置（如手电筒）充电。但这个策略有点冒险，因为一台设备发生故障后，其他设备也就不能用了。因此，柯克帕特里克决定，在每个装置中都安装太阳能动力系统，每个系统中太阳能电池模块的面积不超过10平方厘米，转换效率至少达到50%。此外，功率至少为0.5瓦，以便能在可接受的时间内为比较常见的小装置的电池充电。最初该项目鼓励研究人员在DARPA现有项目的基础上，利用生物过程研制太阳能电池，但进展缓慢。当时就职于特拉华大学的两位电气工程师在白皮书中介绍了一种利用现有光伏电池的新方法，DARPA遂放弃了上述思路。克里斯蒂娜.豪斯伯格（Christiana Honsberg）和艾伦.巴奈特认为，最好的办法是聚光，将其分解成不同的原色光，再将每种颜色的光投射到最匹配的太阳能电池上。这意味着要将电池并排放置，而不是按常规方式垂直堆叠。他们的论文反响非常好，高级研究计划局邀请特拉华大学的这两位工程师出席会议，与其他10个人一起介绍他们的想法。“当时有很多人说转化效率达到50%是不可能的，33%还差不多，”柯克帕特里克说，“我们不以为然。”由于特拉华研究小组没有寄希望于某种特定材料，而是利用了多元化的材料，因此通向成功的方案可以有很多种。这是DARPA提名豪斯伯格和巴奈特负责VHESC项目的另一个原因，该项目已成为有史以来最大的太阳能研究计划之一。项目启动资金为5300万美元，2005年9月开始，涉及的机构一度达到21个，包括英国石油太阳能公司（BP Solar）、康宁和杜邦公司，以及佐治亚理工学院、哈佛大学、麻省理工学院（MIT）、普渡大学，加州大学圣塔芭芭拉分校和罗切斯特大学等高校。看看传统方法与50%的效率目标之间的差距，才能更好地了解豪斯伯格和巴奈特的方法的优势所在。一切都归结为优化问题，就像咖啡店的经理决定收取多少费用一样。定价高，则厚利少销；定价低，则薄利多销。因此必须找到最佳平衡点，即是利润率和销量的乘积（即利润）最大化的价格。太阳能电池也是一样，这里的变量是电流和电压，其乘积当然就是功率。光伏电池的中心是一对半导体层。其中一层，带负电荷的电子超过形成晶体键所需的量，因此被称为n型材料。另一层是p型材料，形成晶体键的电子不足，形成空穴。在两层交界的小块区域——p-n结，多余的电子就会去填补不足。电子和空穴移动后，p型和n型区分别带有负电荷和正电荷，形成电场。电池吸收光子后，产生电子和空穴对。由于电场本身和漫射的作用，空穴和电子向相反的方向做净运动——载流子向浓度较低的区域运动。在与电池连接的电路中就形成了电流。太阳能电池设计人员可能倾向于选择短波光吸收性能最好的半导体，如氮化镓半导体。那些光子携带的能量最多，产生的电压也最高。问题是高能光子数量较少，因此输出电流很微弱。或者，设计人员可使用碲镉汞，它能够吸收光谱中从紫外线波长范围的高能光子到短波红外范围的低能光子。从而可以产生很大的电流，但电压非常低，因此其输出功率也很低。因此，像咖啡店的店主一样，太阳能电池的设计人员需要找到一个可行的折中方案。理论上，吸收波长大于910纳米的红外光的半导体最有希望达到这一平衡点，实现功率最大化。砷化镓符合要求，早在2005年6月，荷兰内梅亨大学的研究人员称使用这种材料实现了26.1%的单电转换效率。加利福尼亚州圣克拉拉市的阿尔塔设备公司保持了28.2%的纪录。但这离柯克帕特里克50%的目标还差很远。要缩小这一差距，需要制定一项多元化的战略。太阳能电池制造商可使用多种材料，而不是依赖于一种材料。就像把咖啡分成三个档次（豪华品牌、廉价品牌和自有品牌），以便无论针对哪个层次的客户，都能实现利润最大化。考虑到传统的层叠方式，使用的材料最多不能超过三种——至少对于光电池是这样。为了捕获相对较低能量的光子，锗层是电池制造商最常用的媒介。对于中能光子，则加入砷化镓层，对高能光子，还会增加砷化铟镓层。电压累加。理论上，层数越多，这种策略起到的作用就越大。但实际中，虽然一些公司，如斯坦福大学实验项目衍生的Solar Junction公司一直在研究能够造出多达六结的叠层太阳能电池，但设备材质会不断退化。三结太阳能电池的效率一直在缓慢攀升。VHESC计划在2005年启动后，Spectrolab公司（位于加利福尼亚州西尔马的波音子公司）率先推出了转换效率为32%的设备，该设备是公司针对卫星开发的。日本的夏普公司开发出的设备的底结使用的是砷化铟镓，而不是锗。咖啡厅在经济上取得成功的另一大因素是广告宣传。设计精美的标牌能提高客户流量和销售量。对于太阳能电池，就是要将较大的三结设备换成透镜或反射镜，在受光面积不减小的情况下将光聚集到小得多和便宜得多的光伏芯片上。削减成本很重要，但提高电池的效率和输出功率同样重要。20倍聚光条件时，不仅光子数量会增加到20倍，输出电压也会提高，这需要一点数学知识加以解释。2005年，Spectrolab公司率先采用了这种方法，制造的三结电池在236倍聚光条件下的效率为39%。这一数字不断提高。2011年， Solar Junction宣称创造了400倍聚光条件下43.5%的电池效率纪录。一年后，夏普也实现了这一效率，但聚光比未披露。为了达到这些数字，安装电池的系统必须能极其精确地跟踪太阳位置。这种系统最小的有数米高，数米宽，因此适用于太阳能发电厂，但不适于作为士兵的装备。对于聚光型便携式太阳能系统，放大倍数必须适度。43%的效率已相当不错了，但还未达到50%的目标。要进一步提高效率，就需要采取一种完全不同的方法。豪斯伯格和巴奈特向DARPA提出了这种方法。即将电池横向平铺，而不是垂直堆叠，然后将日光分成几个能带，并聚焦到不同的电池上。从多结堆栈变为并排排列，可提高最大理论效率。因为叠层电池的每一层通常是串联的，因而产生的电流量相同。设计人员可以调整层的厚度及其他参数，以尽量满足这一要求，但很难做到完美，因为一天中太阳光谱是不断变化的——早上和傍晚较红，中午较蓝。因此，三结电池的电流往往受到效率最低的那一层的限制。此外，叠层电池还受到堆栈方式的限制。为了形成这种模式，晶体层逐个原子进行沉积，每层中原子的间隔距离必须非常近似，以避免晶体缺陷。这限制了多结电池可使用的材料组合数量——从而限制了吸收波长的范围。豪斯伯格和巴奈特的方法避免了堆栈方式，原子间隔截然不同的材料可一起使用，且质量不会有任何下降。计算结果表明，在非聚光条件下，从3结转为4结，效率应从51.5%提升到55.6%。如增加到5结或6结，效率应提高到58%和59.6%。当然，现实中得到的结果会比较低，但提高聚光度仍应能保证良好的效果。巴奈特和豪斯伯格估计，六结电池在20倍聚光条件下的效率可达到54.3%，在100倍聚光条件下的效率可达55.6%。如聚光倍数超过电池能承受的范围，很难精确地对准反射镜。巴奈特和他的同事们最初开发了20倍聚光条件下的免跟踪式太阳能模块。移动用户可手动将电池朝向太阳。虽然理论上可提高效率，但将太阳光谱分为6个部分并将每个部分分别聚焦到不同电池上的做法实际上是过犹不及，因为控制那么多光束也会造成重大损耗。“我们最好能将它们分到3个‘收集桶’中——高能、中能和低能。”巴奈特解释说。每个收集桶最多有3个电池，这意味着仍采用堆栈，但不用串联连接。这样一来就不必担心电流匹配的问题了。之所以沿用堆栈模式，是因为要造出实现50%的效率所需的5结或6结电池，这是唯一的方式。如何找到将日光引入这些收集桶的最好方法，是一个棘手的问题。柯克帕特里克曾在纽约罗切斯特大学举行的会议上提出，利用具有不同折射率的精细堆焊镀层，在这些镀层的共同作用下会产生所需的干涉条纹，就像薄油膜表面的条纹那样。在这种分光设计中，一部分波长的光可以通过，而另一部分几乎被完全反射。这样就可以将反射光送入一个收集桶并传输到其他地方，投射到电池上或通过另一个分光膜进行进一步的谱线分裂。而设计只用了两个收集桶，因为高能收集桶的性能仍不足以投入使用。“当时每个人都在说，‘不行，不行，绝对不行，这行不通。’你们错了，”柯克帕特里克说。反对者的怀疑态度源于他们的知识背景：他们只知道激光中使用了精准的分色涂层。而柯克帕特里克知道，在欧洲分色学还用于吊灯中，以防止吊灯因灯丝过热而过早损坏。柯克帕特里克安排位于美国俄亥俄州索伦的Fiberstars公司（现为Energy Focus公司）制造了一些分色涂层来证实这一能力。罗切斯特会议后不久，这家公司加入了VHESC项目。电池的最初设计理念（从未付诸实施）包括一个光学元件，将光分到三个光谱收集桶中；一个透镜，拇指指甲大小，将光聚焦在低能、中能和高能电池上。各模块平铺排成一排。中能收集桶的选择没有疑问：前放磷化镓铟电池，后放砷化镓电池，共同捕获光谱中的近红外至绿光区域的波长，绿光区域以外是高能收集桶的接收范畴。低能收集桶的范围从短红外到近红外波长，要“装满”这个桶比较难，从绿光区域到紫外线波长属高能收集桶范畴。硅在红外范畴效果很好，并可与锗系化合物配合使用，但与磷化砷镓铟和砷化铟镓搭配时效果更好，因为这样的组合会产生更高的电压。高能收集桶的可选材料都不尽如人意。氮化镓是最理想的，但却存在晶格位错等问题。由于在高能收集桶方面遇到困难，VHESC项目开发的光学模块仅包含低能电池，以及也能捕捉一些高能光子（尽管效率相对较低）的各种中能收集桶。研究人员测量了由磷化镓铟、砷化镓、硅、磷化砷镓铟和砷化铟镓制造的电池性能，计算了每种材料在20倍聚光条件下的5结电池中所起到的作用，并得出结论，这种装置效率可达到42.9%，远远超过当时Spectrolab公司240倍聚光条件下40.7%的记录。从那时起，项目修改了目标，即实现40%的模块效率，而不是50%的电池效率。这是有道理的：模块总比电池的效率低，部分原因是表面的瑕疵限制了其光学性能，无法使全部入射光都射向电池。重要的是模块的输出功率。由于最好的商用3结光伏模组在几百倍聚光条件下的效率刚刚超过30%，因此实现40%的目标仍很艰难。之后，对通过一个透镜吸收光，再利用分色镜将光谱分裂并聚焦到叠层电池（一个吸收紫外线和可见光，另一个吸收红外光）的太阳能电池，项目组设置了新的效率基准。在国家可再生能源实验室（NREL）对该设备进行了单独测试，显示在20倍聚光条件下整个模块的效率从32.6%提高到36.7%。在特拉华大学的测试中效率曾经达到过39.5%。由于聚焦透镜上方孔径的测量差异、电池未对准以及电池间存在差别，所以产生了不同的值。接着是制定达到40%效率目标以及超过这一目标的路线图。选择方案包括聚焦透镜使用具有更高反射率的涂层；掩盖硅的光学性能，以减少内部反射；为每个电池增添防反射涂层；改进模块整体的光学校准。项目组最近落实了其中一些想法，将美NREL测量的模块效率提高到38.5%。“我们放弃了硅，以实现高效率，”巴奈特承认，他不迷恋什么记录，但承认这些记录确实带来了良好的宣传效果。巴奈特认为最近制造的高品质磷化镓电池可插在反射镜前，将模块效率提高到40%以上，因此取得更引人注目的成功指日可待。不过，研究人员现在更关注的是经济因素，而不是效率，希望能从成本上战胜硅电池。据杜邦（负责建造首批原型模块的极少数公司之一）研究人员丹.劳巴赫（Dan Laubacher）称，在低能收集桶使用硅锗电池，涂以对性能影响小的廉价分色涂层，就可以消减成本。VHESC项目的目标显然是提供便携式、负担得起的太阳能电源。军队将是第一个而不是最后一个受益的对象。有了这种模块，几辆卡车就可以运完太阳能发电厂所需的材料，并迅速建设起来。结果会怎样？野战部队以及探险家、离网的环保主义者和孤立的农村社区不用再为用电发愁，发电厂占地相对较小，而且只要是有太阳的地方就能发光发热。－ The End －
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