美军士兵将配太阳能装备

不久以后，士兵们就将能够利用太阳能为其战场电子设备充电了。美国政府正在开发可以嵌入其它电池或夜视仪、单兵导航设备、电台等战术设备的高效能太阳能电池。这项工作的目的是减少士兵们携带的备用电池数量，以削减单兵负载和后勤需求。

国防先进研究计划局(DARPA)甚高效太阳能电效(VHESC)项目的技术目标是在一个光电设备上显示出至少一半的效率。根据项目管理者道格拉斯·基尔克帕特里克在弗吉尼亚州阿灵顿的介绍，工作正在迅速取得进展，并有可能对商业市场和政府采购产生影响。

该计划始于2005年，原来是用作对光学技术发展催生的非传统太阳能电池设计进行概念验证。一项重要的设计需求是直接将光电电池融合于系统，而无需展开太阳能采集器来为设备充电。基尔克帕特里克介绍说，减少对电池的依赖是一项紧迫的需求，因为向部队提供大量电池已经使战场后勤不堪重负。“这些电池决定着士兵们不得不负担的重量，进而决定着后勤需求。”他说。

基尔克帕特里克将甚高效太阳能电池(VHESC)计划视为国防先进研究计划局(DARPA)的一项经典工程，因为该计划采用了诸多领域的新技术以应对特定的挑战。他坚信，如果这项计划取得成功，将会对包括国防工业在内的很多市场产生潜在影响。“如果你能生产50%效率的太阳能电池，战场上的多数战术电子设备(还有大多数商业电子设备)就能变得像计算器一样，利用嵌入的综合太阳能电池进行有效充电。”他说。

该计划的经费达到5300万美元，第一阶段于2006年8月结束，并以突出的质量顺利通过了严格的验收。基尔克帕特里克介绍说，第一阶段如此成功，以至于该计划正在调整结构以便运用更为大胆的技术。计划的第一阶段采纳特拉华州大学的建议，在太阳能电池设计上运用了横向设计思路，大学、商界、政府实验室，DuPont, BP Solar, Coming Incorporated, Emcore公司, 蓝平方能源公司, LightSpin, 麻省理工学院，加利福尼亚大学圣巴巴拉学院，罗切斯特大学和国家可再生能源实验室。

传统的太阳能电池采取单层硅片，常规的高效率电池是采取多层硅片垂直叠压结构，以便有效地采集更多的阳光。垂直结构电池在生产过程中使用的类似于微芯片结构的叠加方式。每一层(每一格)采集某一光谱范围的光子，采集的光子频率越高，其层位就越靠上。这种结构要求各层原料的原子格结构能够逐次增高，这就限制了可使用的原料各类。这一结构有助于设计使用不同的光敏材料来覆盖太阳能光谱。在这一结构中，可以将硅、镓砷化合物和磷化铟一个挨一个地装进同一太阳能电池中，而不会带来匹配方面的问题。横向太阳能电池还采用了新的光学技术，能根据波段将太阳光进行区分和聚焦，实现其能量的最优化。

基尔克帕特里克介绍说，常规太阳能电池的固有问题在于它们的分层结构。垂直格子结构虽然可以使每一层都最大限度地捕捉特定频率的太阳光能量，但由于垂直结构中各层格子的匹配问题，这一设计也导致传统太阳能电池要漏掉60%的能量。在典型的紧密联结的垂直结构光电电池中，每一层都有各自的电流量，但整个设备的电流量却与电流量最小的层位相等。正是由于这个固有的设计问题，即使常规太阳能电池在理论上损失的效率也会达到47%到48%。

横向结构光电设备并不是一个新的创意。基尔克帕特里克说这一概念起源于20世纪70年代，但当时的光学技术无法使效率越过70%，这就使该设计思路失去了意义。甚高效太阳能电池计划使光谱收集效率达到了93%到94%，将来还可能达到97%。“我们现在已经生产出94%效率的系统，这就是区别所在。”他说。“如果你能使光学系统更有效率，它就能释放来自横向电池结构的能量。这是很了不起的。”

双色被覆是一项用于开发新型太阳能电池光谱分离设备的关键技术。双色滤光器通常用在汽车大灯上，能够有选择地透过一些颜色的光同时将其它颜色的光反射回去。基尔克帕特里克介绍，20世纪80年代时灯具制造业投入大量力量开发这种被覆技术，并取得了显著的进展。“20世纪70年代的人们接触不到这种技术，”他说。

横向结构的优点之一是无需将太阳能电池材料制成单片集成电路，也不需要采取格子匹配或连续联接的结构，无论从光学还是电子学角度都是如此。这就突破了关键的障碍，能以较低的花费来结合其它原本不兼容的材料。

尽管国防先进研究计划局(DARPA)的横向太阳能电池概念验证版还达不到50%的能量效率，但也比常规版本的效率要高。据基尔克帕特里克介绍，一种典型的先进双层太阳能电池的效率可以达到30%。传统的能安装到手机中的70平方厘米电池可以产生2.1瓦电能。与之相比，国防先进研究计划局(DARPA)希望其生产的横向结构电池每平方厘米可以产生至少50毫瓦电能，使电池的效率至少达到40%。一块70平方厘米横向电池将产生3.5瓦电能。

基尔克帕特里克提醒，使用高效率太阳能电池后仍会需要备份电池，但它们能减少对备份电池的数量需求，从而极大地影响后勤和战场维护。例如，军用单频道地面和空中无线电系统(SINCGARS)的电台使用一块210瓦时的电池。这种电池中有157平方厘米的空间用于容纳太阳能电池。一块安装到电池内的效率为50%的太阳能电池将产生大约7瓦的电能。他介绍说在每天日照8小时的情况下，这种太阳能电池使用时间能达到3天半。如果每块电池中都用太阳能电池充电，一部电台将只需要4块电池。“这就达到了我们的要求。以前一块电池没电了就拿出其它3块电池逐次装进去。现在我们把太阳能电池直接融合进电池组，就不需要重装电池，也不需要背着只有上帝才知道多少块的备用电池。只需要4块就够了。”他说。

除了验证技术之外，国防先进研究计划局(DARPA)也在计算成本，以将横向太阳电池投入生产。基尔克帕特里克说，高效率太阳能电池的生产费用已经低于生产传统光电电池，因为不需要将每块电池的组件都叠压在一起。

甚高效太阳能电池(VHESC)计划试图创造6个或7个能带隙的光电系统。每个能带隙是指光电电池之类半导体各个部分之间的能量差。半导体的传导率取决于其能带隙，同时又必须克服能带隙的限制。国防先进研究计划局(DARPA)的研究人员正在通过平行地而不是叠加地将3块2个能带隙的系统安装起来，来开发6个能带隙的太阳能电池。基尔克帕特里克说，随着该计划的推进，将来会以平台设计的方式来迅速提高产量。

此外，项目成员正在探索仿生技术。这项技术的灵感来自生成结构和原料的生物学流程，而这些结构和原料非常适应光电电池的需求。据基尔克帕特里克说，尽管仿生技术能够确保三维结构分子成分的高精确度，甚高效太阳能电池计划最初重点却在于极大地降低某些关键部件的生产费用。在第一阶段中，研究人员提出了大量仿生方法，但基尔克帕特里克估计只有几个方法将在计划的最终计划得以实际应用。

基尔克帕特里克介绍说，仿生技术已经取得了相当可观的进展，但目前还没有为商业开发做好准备。“我不知道是否会投入商业开发，这是目前为止计划中风险最高的部分，而且对仿生技术的投资只占全部计划的一小块。”

甚高频太阳能电池(VHESC)计划与其它将太阳能电池融入装备部件的计划不同。基尔克帕特里克说该计划的基础是可充电的电池已经出现在小型战术设备之中。该计划的目标则是使太阳能电池成为综合充电设备的一部分。他们借助作战人员携带的叫做“国防先进GPS接收机(DAGR)的全球定位系统单元来验证这个构想，DAGR有一个电池组。国防先进研究计划局(DARPA)将对在电池组中安装光电电池进行测试。背负这种全球定位系统单元的士兵要随身携带一个充电器，另一个充电器则被安装到设备中。

尽管横向太阳能电池有可能取代某些类型的常规太阳能电池，基尔克帕特里克却提醒说，能否最终应用横向太阳能电池要取决于费用，包括生产、安装、兼容、设计和结构方面的参数。国防先进研究计划局正在与民事机构的方案(如美国能源部太阳能计划和美国太阳能方案)紧密协作。基尔克帕特里克认为国防先进研究计划局(DARPA)与这些民事方案的协作，可以通过互通信息来避免重复研究。“他们(其他政府机构)密切关注着这些计划，他们还说‘如果这项计划取得成功，将改变我们的运作模式’。”他说。

   (编辑:xiaoyao)