太阳能电池—便携式装置中电池的新替代品

如果提到便携式装置电源(也就是电池)的替代品，业界人士总会想到燃料电池和超级电容器。尽管这两种电源很有希望取代电池(也有炒作之嫌)，最近却有一种新型的能源正悄无声息地在便携式领域中崭露头角——太阳能。

人类从诞生那天开始就一直在尝试利用太阳能，特别是近来许多美国研发小组将其作为头号研究目标。主要缘于加州的能源危机，已经让研究人员、制造商、甚至消费者坐立不安了。

在加州出售的各式各样太阳能设备中所采用的太阳能电池，其效率在12～14%之间。太空中的卫星所用的太阳能电池的效率高达28～30%。两者在价格和成本方面有很大的差别：前者约为5～6美元/W，后者则要500美元/W。这些太阳能电池都组成大面积的电池板，可以为整个家庭提供电力，但它们的出现也对体积更小的手持式装置的研发产生了影响。多年以前，依靠太阳能工作的计算器就已经出现。但是驱动一个典型的消费电子产品所需的功率要比驱动手持式计算器的大得多。

最常用的太阳能电池材料是半导体材料，制作成电池时，在其上形成一个大面积的二极管(p-n结）。电流通过正面的栅格状接触电极结构引出，通过电池背面的接触电极使电路闭合。栅格电极结构可以让阳光充分入射到电池材料上。电池正面还加有一层防反射涂层，以减小被电池材料反射的光能（图1）。

AstroPower公司是一家太阳能产品厂商，主要出售太阳能电池板，同时也为其他电池板OEM（委托加工）厂商提供电池。除了制造外，该公司还进行了许多研发工作。

太阳能专家认为，太阳能的可靠性高达99.999%，因此被认为是一种极有价值的能源。它可以提供的电能的可靠性近于100%，或者说是随处可得的。 在实践中，太阳能电池并不直接驱动整个系统。电池板收集太阳能，将其变换产生的电能送入一个电池子系统中储存。用电系统再从电池直接获取所需电能。电池子系统可以采用多种不同的化学原理，包括最常见的几种，如锂离子型(Liion)、镍氢型（NiH)和镍镉型(NiCd）。

AstroPower公司最近开发了一种用于移动电话、可以放入掌中的电池充电器。移动电话最大的问题在于其可利用的面积很小。该充电器的面积略大于一包香烟，但更薄一些。它可象一本书那样展开，里面包含两块太阳能电池板。这种充电器目前只是实验样品，但离批量投放市场已为时不远。它可提供0.75W的功率，很快还将推出一个类似的、输出功率为1W的产品。这类产品的零售价约为29～35美元。

AstroPower的一位产品经理Cris Eiforuegiero说：“输出功率达到1W的产品没法在室内用，必须在阳光照射下才行。光子在阳光下比在人造光里要强得多。因此你就得用阳光，尽管不一定是直接照射的阳光。但是，阳光越强，你能获得的电流就越大。”

要给一个功耗更大的系统(如膝上计算机）充电，就需要采用大得多的太阳能电池板，相应的一对太阳能电池将有笔记本那么大，即8.5×11英寸(约21.59×27.94cm）(图2）。

AstroPower 在研制太阳能电池时采用了一种特殊的工艺：对从半导体工厂购买的回收大圆片（silicon wafer)进行加工。采用这种工艺的原因有两个：①回收的大园片比新大圆片便宜；②尽管回收大圆片的质量不能够生产集成电路，却足以生产太阳能电池，只要将表层的电路剥离就可以进行加工。而一般的厂商购买回收大圆片只是为了重融再用。

Cris Eiforuegiero认为：“这样做本身在成本和性能方面就占有优势。我们大多数的竞争对手采用的是与目前半导体业生产大圆片相类似的工艺。他们先生长出晶体硅锭，再将它们切割成大圆片，这样做成本很高。”

在很多方面，太阳能技术基本上与15年前没什么两样，特别是在核心材料方面，仍然是单晶硅、多晶硅和其它形式的硅。它只经历了一些微小的变化和改进，主要是为了降低成本。

要在性能上有一个很大的提高，就必须在材料方面实现变革，最有可能的是采用薄膜器件。最近在这方面已经有了一些进展（对硅材料的改进，锑化镉、二硒化铟铜的采用）。

为了与更为成熟的晶体硅技术竞争，薄膜型光电池必须在性能方面与之相当，成本则应该更低。要获得更低的成本，最好的办法是实现大批量生产。Siemens公司正在制造能力方面投入大笔资金。

太阳能技术其他有希望的手持式应用是那些通常在室外使用的装置，如GPS(全球定位系统)信号接收机。GPS常常在船上或在远足的时候使用，这两个场合总是可以获得阳光。另一类受欢迎的应用是那些在荒远地方使用的固定式设备，它们往往无法获得标准的电源。

SunWize(另一家太阳能产品的制造商)的事业发展方面的副总裁Mark Wilkerson指出：“毫无疑问，如今人们正在为太阳能技术在便携式系统中的应用投资。小型便携式装置的挑战在于应用空间太小。太阳能在计算器中的应用有其合理性，因为负载很小，特别是你把它与蜂窝式电话之类的装置相比时。”

SunWize已经制作了一种能为膝上计算机供电的产品，可以输出20W的功率。然而，如今的许多膝上计算机的功耗超过了20W。

太阳能充电器的输出功率也与可获得的太阳能多少有关。卫星电话应用需要的功率约为10W，太阳能电池板的面积约为1平方英尺（0.0929m2），但只有在阳光明媚时才能达到10W的输出。在办公室的荧光灯或室外阴沉、多云的天空下，无法达到10W的输出。

SunWize曾试图将一种3W的产品推向市场，这种产品适用于Motorola 或Nokia的蜂窝电话，作为附件出售。尽管两家电话厂商承认，它可望插入电话中使用，但它们也认为潜在的用户基数太小，不值得花时间对此进行开发。

Wilkerson说：“Nokia 不会考虑这样的产品，除非它占有Nokia市场份额的10%～20%但即使Nokia占市场的1%，对我们来说就很可观。”

把太阳能充电器与电池组连接起来可不是一件容易的事，因为两者的工作特性正好相反，太阳能充电器需要充足的阳光，电池组在过热的环境下却无法正常工作。SunWize的解决办法是制作一个分立的装置，通过插座与电话连接，以取代台式装置。

另一个要满足的要求是能在晴间多云的情况下为电话供电。但是为了获得所需的3W输出，电池板的尺寸变得过大。

“接下来就是价格问题，”Wilkerson还认为，“为了使这种产品更为合理，让它象我们希望的那样工作，它的售价就应该达到100～129美元。我们与之交谈的每家厂商都认为该价格太过昂贵，理想售价应该在30～40美元之间。”

还要指出的是，随着电池技术和电源管理技术的进步，太阳能电池变得不那么有吸引力了。如今节电性能最好的电话充电一次可以工作很多天，甚至更长。这降低了采用太阳能装置的迫切性。

这里还需要提及的是在燃料电池和超级电容方面的广泛研究。超级电容器(也称为特种电容器)和电化学双层电容器(EDLC)的储电性能将介于高能量、低功率的电池和低能量、高功率的电解质电容值之间。

电容值相同时，PowerStor公司开发的气凝胶电容器的体积比电解质电容器小2000～5000倍。它们的工作温度范围更宽，与电池不同的是，在快速充电和放电情况下可以反复使用几十万次。

与传统超级电容器相比，气凝胶电容器的一个独特之处在于它的等效串联电阻很低。电容器的工作材料是气凝胶状碳，而不是传统的活性碳。气凝胶碳的特点是：孔洞尺寸分布均匀，可用表面积大，电导率高。它适合的应用范围从玩具到微处理器控制装置的电子控制系统和闭锁系统。

一般来说，在主电源或电池失效以及换电池时，气凝胶电容器可以维持长达几秒、几分钟甚至几天的供电。它也可以提供脉冲能量，为负载输送持续时间短、电流强度很大的脉冲。最后，它还能作为主电源或电池的替代品使用。

一些人并没有紧跟超级电容器这一新潮流。Motorola能源系统部的一名工程师Ed Decker说：“我的一部分工作就是观察这些技术的发展水平以及是否有一项能适用于我们的某件产品，我还看不出超级电容器能替代蜂窝式电话中的电池。”■（谬民译自Portable Design August)