刘新磊;邱天昱;赵星洋
【摘 要】综述了太阳能汽车的发展状况和研究现状,指出当前太阳能汽车仍存在的技术难题,着重阐述了太阳能电池存在的问题并介绍了太阳能电池现阶段的发展现状;对现阶段太阳能汽车的能量管理系统的设计进行简要阐述. 【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2019(032)002
【总页数】4页(P211-214)
【关键词】太阳能汽车;太阳能电池;能量管理;控制策略
【作 者】刘新磊;邱天昱;赵星洋
【作者单位】山东交通学院,山东 济南 250300;山东交通学院,山东 济南 250300;山东交通学院,山东 济南 250300
【正文语种】中 文
【中图分类】U461
0 引 言
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太阳能汽车是近几年来广受关注的新能源汽车之一，也被认为是汽车行业内最为环保的汽车。随着全球经济和科学技术的飞速发展，太阳能汽车相关技术得到了长足的发展。太阳能汽车的正式研究始于英国，1978年，世界上第一辆太阳能汽车在英国诞生，其车速可达13 km/h。1982年，墨西哥研制出三轮太阳能车，速度达到40 km/h，受限于太阳能电池的转换效率，该车的续航时间仅为40 min。发展到今天，虽然各种新型太阳能汽车层出不穷，但是在核心技术层面始终未取得突破性进展，本文就太阳能汽车核心技术领域仍存在的相关问题展开研究。1 太阳能汽车的发展与研究现状
自动化运维系统1.1 太阳能汽车的发展
近年来，世界各大汽车厂商积极探索太阳能在汽车上的量产化应用。
2014年，福特推出了一款名为“C-MAX Solar energy”的太阳能概念车。该车车顶由集光性强的菲涅尔聚光透镜组和太阳能电池板组成，能够更为高效地吸收太阳光，数据显示该太阳能转化系统的发电量可供汽车行驶33 km。2017年7月，德国SONO汽车初创公司在慕尼黑发布了首款接近量产的太阳能汽车“Sion”。“Sion”整车长约4 m，车身周围被330 片单晶硅太阳能电池板覆盖，最高时速可达到140 km/h。在仅用太阳能作为动力来源的情况下，“Sion”太阳能汽车充电12 h可续航18英里(约29 km)。我国太阳能汽车研究开始于20世纪90年代，1984年9月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功。汽车车顶上安装了2808块单晶硅片，车速达到20 km/h，可连续行驶100 km。 2017年，中国汉能控股集团旗下的太阳能电池公司推出四款全太阳能动力汽车，其太阳能电池组件的光电转化效率达到31.6%。四款车均采用汉能砷化镓薄膜太阳能电池芯片技术，在一定的光照条件下实现光电转化，并结合储能系统、智能控制系统来实现太阳能充电。在行车状态时，太阳能薄膜受光面积为5 m2，静止展开时受光面积可达7.5 m2，光照5～6 h，其发电量在8～10 kW·h，驱动汽车行驶80 km左右。
2018年，万向公司旗下的子公司KARMA推出了一款太阳能混动式电动汽车。通过在轿车
车顶加装一套功率200 W的太阳能电池板来同时给低压12 V电池和高压电池组提供电能，以此增加整车的动力性能。
1.2 太阳能车的研究现状
自太阳能汽车问世以后，各国针对其关键技术进行攻关的汽车实验室屡见不鲜。发展到今天，高校与知名车企合作，通过举办各种比赛来为太阳能汽车的发展提供良好的契机，也为新技术的出现和应用提供了良好的载体。车企依托于各高校实验中心和研发团队，在太阳能汽车光电转化、能量管理等关键领域取得重大进展。
但是，太阳能汽车距离大规模推广还有很长一段距离，影响它进一步发展的因素主要有：
(1) 太阳能目前只能作为辅助能源来为车辆提供动力，它为整车提供的能量只能占到总驱动能量的30%左右。太阳能电池的光电转化效率尚未取得突破性进展，现有的转化效率远远不能支持汽车长时间行驶。
(2) 太阳能汽车受阳光强弱、太阳高度角、气候等因素的影响较大 ，这对太阳能汽车在现实中的应用造成很大的局限性。虽然通过DC-DC控制器的最大功率点跟踪控制 (MPPT)技
术能够实现快速、准确跟踪最优工作点，最大程度地利用太阳能，但是就目前来看应用现状仍旧达不到期望要求。
从上文分析可以看出，太阳能电池的光电转化问题和太阳能汽车的能量管理问题如果得不到妥善解决，太阳能汽车的进一步发展和商业化道路将依旧漫长。
2 太阳能电池技术
2.1 太阳能电池当前问题
电池是太阳能汽车的主要动力来源, 也是一直制约太阳能汽车发展的关键因素。目前太阳能电池面临的主要技术难题有：
(1) 单PN结太阳能电池材料问题 根据Shockley —Queisser Limit理论，单PN结太阳能电池的最佳带隙为1.3～1.4 EV，理论最高转换效率33.7%[1]。以硅晶太阳能电池为例，晶体硅的带隙是1.1 Ev，理论上对光的高效率转化是有利的。
但是由于硅为间接带隙半导体，对光的吸收利用能力十分有限。在保证电池转化效率前提
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下，电池吸收层厚度一般要求达到150～300 μm。这种条件下电池的理论极限效率仅为29%，难以做到进一步提升，还需考虑到电池加工过程中过程中近40%的材料损耗。因为电池原材料过高的成本，以硅为材料的太阳能电池面临着被淘汰的窘境。
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(2) 热载流子冷却造成的电池热损失问题 当带隙过窄时，电池中吸收能量较高的光子产生大量高动能的载流子，这种载流子叫做热载流子。热载流子在半导体中会发生碰撞电离效应，即和晶格碰撞打破价键产生电子-空穴对[2]。由于此过程满足动量定律和能量守恒定律，所以热载流子的动能最终会以热能形式损失掉，太阳能电池的光电转化效率因此无法得到本质改善。
(3)电池主动层材料问题
光电转化过程中，太阳光首先被主动层吸收，经过一系列反应后以激子(束缚电子空穴对)的形式存在。激子克服束缚能后变成自由载子，然后被电池的阳极和阴极吸收，产生电能。电子给体与电子受体均存在于主动层中，在上述过程中，如何将激子以适合的方式导引到电子给体与受体的接口，成为增加电池组件效率的关键。主动层材料要求具有高立体规则性和电子迁移率，所以如何合成满足上述要求的主动层材料成了急需解决的问题。
2.2 太阳能电池的发展
太阳能电池的发展过程划分为以下3个阶段：
通脉汤(1) 基于硅片技术的第一代太阳能电池 1839年，法国科学家贝克勒尔发现并命名“光生伏特效应”。1954年，美国贝尔实验室首次制成实用的无机单晶太阳能电池。这也是第一代太阳能电池。第一代太阳能电池最先被研究开发并投入使用，所以占据了较大份额的太阳能电池市场。
(2) 半导体薄膜电池 半导体薄膜太阳能电池的研究始于2001年，相较于第一代太阳能电池，它具有以下特点：
(1) 制作工艺简单，电池使用寿命增加;
(2) 电池转化效率稳定，衰退现象不明显。
连通域CdTe(碲化镉)与光谱匹配程度较高，是一种良好的光伏材料，其理论最高转化效率可达28%。因为碲化镉良好的特性被学术界和光伏行业看中，所以碲化镉薄膜太阳能电池成为
了第二代太阳能电池发展迅速的电池代表。1982年，美国柯达实验室用化学沉积法制备了第一款碲化镉异质结薄膜太阳电池[3]，光电转化效率达到了10%。
发展到今天，碲化镉薄膜太阳能电池的转化效率不断被刷新。2015年2月5日，美国第一太阳能公司宣布其碲化镉太阳能电池转化效率达到21.5%，刷新了之前多晶硅电池太阳能组件创下的全尺寸转换效率17.7%的纪录。2017年年底, 日本电池厂商Solar Frontier宣布, 通过溅射和硒化工艺, 薄膜太阳能电池的转换效率纪录再次被刷新, 其实验室转化效率达到了22.9%。
染料敏化太阳能电池是以纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、电解质等几部分组成的第二代太阳能电池，由于其原材料成本较低、加工难度小而受到产业的青睐。1991年，瑞士洛桑联邦理工学院迈克尔.格兰泽尔制成光电转化效率为7%的染料敏化电池，在随后的几十年里，各种染料敏化太阳能电池层出不穷，但光电转化效率始终在10%左右。2014年，迈克尔.格兰泽尔课题组制备出转化效率为13%的染料敏化太阳能电池[4]。
(3) 第三代太阳能电池 第三代太阳能电池通过在太阳能电池结构中加入不同化合物，改变其禁带宽度，使电池对太阳光吸收的频谱范围拉宽，从而扩大了太阳能电池对光的吸收能
力。
铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特点，光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，接近晶体硅太阳电池，而成本则是晶体硅电池的1/3，被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。
