太陽能電池—便攜式裝置中電池的新替代品

如果提到便攜式裝置電源(也就是電池)的替代品，業(yè)界人士總會想到燃料電池和超級電容器。盡管這兩種電源很有希望取代電池(也有炒作之嫌)，最近卻有一種新型的能源正悄無聲息地在便攜式領(lǐng)域中嶄露頭角——太陽能。

人類從誕生那天開始就一直在嘗試利用太陽能，特別是近來許多美國研發(fā)小組將其作為頭號研究目標。主要緣于加州的能源危機，已經(jīng)讓研究人員、制造商、甚至消費者坐立不安了。

在加州出售的各式各樣太陽能設(shè)備中所采用的太陽能電池，其效率在12～14%之間。太空中的衛(wèi)星所用的太陽能電池的效率高達28～30%。兩者在價格和成本方面有很大的差別：前者約為5～6美元/W，后者則要500美元/W。這些太陽能電池都組成大面積的電池板，可以為整個家庭提供電力，但它們的出現(xiàn)也對體積更小的手持式裝置的研發(fā)產(chǎn)生了影響。多年以前，依靠太陽能工作的計算器就已經(jīng)出現(xiàn)。但是驅(qū)動一個典型的消費電子產(chǎn)品所需的功率要比驅(qū)動手持式計算器的大得多。

最常用的太陽能電池材料是半導(dǎo)體材料，制作成電池時，在其上形成一個大面積的二極管(p-n結(jié)）。電流通過正面的柵格狀接觸電極結(jié)構(gòu)引出，通過電池背面的接觸電極使電路閉合。柵格電極結(jié)構(gòu)可以讓陽光充分入射到電池材料上。電池正面還加有一層防反射涂層，以減小被電池材料反射的光能（圖1）。

AstroPower公司是一家太陽能產(chǎn)品廠商，主要出售太陽能電池板，同時也為其他電池板OEM（委托加工）廠商提供電池。除了制造外，該公司還進行了許多研發(fā)工作。

太陽能專家認為，太陽能的可靠性高達99.999%，因此被認為是一種極有價值的能源。它可以提供的電能的可靠性近于100%，或者說是隨處可得的。 在實踐中，太陽能電池并不直接驅(qū)動整個系統(tǒng)。電池板收集太陽能，將其變換產(chǎn)生的電能送入一個電池子系統(tǒng)中儲存。用電系統(tǒng)再從電池直接獲取所需電能。電池子系統(tǒng)可以采用多種不同的化學(xué)原理，包括最常見的幾種，如鋰離子型(Liion)、鎳氫型（NiH)和鎳鎘型(NiCd）。

AstroPower公司最近開發(fā)了一種用于移動電話、可以放入掌中的電池充電器。移動電話最大的問題在于其可利用的面積很小。該充電器的面積略大于一包香煙，但更薄一些。它可象一本書那樣展開，里面包含兩塊太陽能電池板。這種充電器目前只是實驗樣品，但離批量投放市場已為時不遠。它可提供0.75W的功率，很快還將推出一個類似的、輸出功率為1W的產(chǎn)品。這類產(chǎn)品的零售價約為29～35美元。

AstroPower的一位產(chǎn)品經(jīng)理Cris Eiforuegiero說：“輸出功率達到1W的產(chǎn)品沒法在室內(nèi)用，必須在陽光照射下才行。光子在陽光下比在人造光里要強得多。因此你就得用陽光，盡管不一定是直接照射的陽光。但是，陽光越強，你能獲得的電流就越大。”

要給一個功耗更大的系統(tǒng)(如膝上計算機）充電，就需要采用大得多的太陽能電池板，相應(yīng)的一對太陽能電池將有筆記本那么大，即8.5×11英寸(約21.59×27.94cm）(圖2）。

AstroPower 在研制太陽能電池時采用了一種特殊的工藝：對從半導(dǎo)體工廠購買的回收大圓片（silicon wafer)進行加工。采用這種工藝的原因有兩個：①回收的大園片比新大圓片便宜；②盡管回收大圓片的質(zhì)量不能夠生產(chǎn)集成電路，卻足以生產(chǎn)太陽能電池，只要將表層的電路剝離就可以進行加工。而一般的廠商購買回收大圓片只是為了重融再用。

Cris Eiforuegiero認為：“這樣做本身在成本和性能方面就占有優(yōu)勢。我們大多數(shù)的競爭對手采用的是與目前半導(dǎo)體業(yè)生產(chǎn)大圓片相類似的工藝。他們先生長出晶體硅錠，再將它們切割成大圓片，這樣做成本很高。”

在很多方面，太陽能技術(shù)基本上與15年前沒什么兩樣，特別是在核心材料方面，仍然是單晶硅、多晶硅和其它形式的硅。它只經(jīng)歷了一些微小的變化和改進，主要是為了降低成本。

要在性能上有一個很大的提高，就必須在材料方面實現(xiàn)變革，最有可能的是采用薄膜器件。最近在這方面已經(jīng)有了一些進展（對硅材料的改進，銻化鎘、二硒化銦銅的采用）。

為了與更為成熟的晶體硅技術(shù)競爭，薄膜型光電池必須在性能方面與之相當(dāng)，成本則應(yīng)該更低。要獲得更低的成本，最好的辦法是實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。Siemens公司正在制造能力方面投入大筆資金。

太陽能技術(shù)其他有希望的手持式應(yīng)用是那些通常在室外使用的裝置，如GPS(全球定位系統(tǒng))信號接收機。GPS常常在船上或在遠足的時候使用，這兩個場合總是可以獲得陽光。另一類受歡迎的應(yīng)用是那些在荒遠地方使用的固定式設(shè)備，它們往往無法獲得標準的電源。

SunWize(另一家太陽能產(chǎn)品的制造商)的事業(yè)發(fā)展方面的副總裁Mark Wilkerson指出：“毫無疑問，如今人們正在為太陽能技術(shù)在便攜式系統(tǒng)中的應(yīng)用投資。小型便攜式裝置的挑戰(zhàn)在于應(yīng)用空間太小。太陽能在計算器中的應(yīng)用有其合理性，因為負載很小，特別是你把它與蜂窩式電話之類的裝置相比時。”

SunWize已經(jīng)制作了一種能為膝上計算機供電的產(chǎn)品，可以輸出20W的功率。然而，如今的許多膝上計算機的功耗超過了20W。

太陽能充電器的輸出功率也與可獲得的太陽能多少有關(guān)。衛(wèi)星電話應(yīng)用需要的功率約為10W，太陽能電池板的面積約為1平方英尺（0.0929m2），但只有在陽光明媚時才能達到10W的輸出。在辦公室的熒光燈或室外陰沉、多云的天空下，無法達到10W的輸出。

SunWize曾試圖將一種3W的產(chǎn)品推向市場，這種產(chǎn)品適用于Motorola 或Nokia的蜂窩電話，作為附件出售。盡管兩家電話廠商承認，它可望插入電話中使用，但它們也認為潛在的用戶基數(shù)太小，不值得花時間對此進行開發(fā)。

Wilkerson說：“Nokia 不會考慮這樣的產(chǎn)品，除非它占有Nokia市場份額的10%～20%但即使Nokia占市場的1%，對我們來說就很可觀。”

把太陽能充電器與電池組連接起來可不是一件容易的事，因為兩者的工作特性正好相反，太陽能充電器需要充足的陽光，電池組在過熱的環(huán)境下卻無法正常工作。SunWize的解決辦法是制作一個分立的裝置，通過插座與電話連接，以取代臺式裝置。

另一個要滿足的要求是能在晴間多云的情況下為電話供電。但是為了獲得所需的3W輸出，電池板的尺寸變得過大。

“接下來就是價格問題，”Wilkerson還認為，“為了使這種產(chǎn)品更為合理，讓它象我們希望的那樣工作，它的售價就應(yīng)該達到100～129美元。我們與之交談的每家廠商都認為該價格太過昂貴，理想售價應(yīng)該在30～40美元之間?！?/font>