BSC – 双面太阳能电池：双面或两个表面太阳能电池的历史
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发布日期：2022年1月22日 / 更新日期：2023年2月24日 – 作者：Konrad Wolfenstein
双面或双表面太阳能电池的发展历程 – 图片：Xpert.Digital / Sunward Art|Shutterstock.com
硅太阳能电池最早由罗素·奥尔于 1946 年在贝尔实验室工作时获得专利，并于 1954 年由富勒、查平、皮尔逊在同一研究机构公开展示；然而，这些早期方案都是单面电池，其背面并非设计用于发光。
最早的双面太阳能电池理论构想见于1960年10月4日由日本专利持有者森博（Hiroshi Mori）的一项专利。森博当时就职于早川电机工业株式会社（Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha，后更名为夏普公司）。该专利提出的电池为pnp双面结构，接触电极位于两个相对的边缘。
然而，双面太阳能电池和面板的首次演示是在苏联太空计划中，在军用低地球轨道空间站“礼炮3号”（1974年）和“礼炮5号”（1976年）上进行的。这些双面太阳能电池由博尔迪纳等人于莫斯科的全苏能源科学研究所（VNIIT）研发和制造，该研究所于1975年更名为俄罗斯太阳能电池制造商KVANT。1974年，该团队申请了一项美国专利，提出了一种尺寸最大为1毫米×1毫米×1毫米的微型平行管状电池结构，这些管状电池串联起来，可实现100个电池/平方厘米的密度。与今天的双面太阳能电池一样，他们提出在其中一个光接收面附近使用同构的pp+化合物。在礼炮3号空间站上，总面积为24平方厘米的小型实验面板，由于地球反照率的影响，与当时使用的单面面板相比，每颗卫星轨道的能量产量提高了34%。在礼炮5号空间站飞行期间，通过使用双面面板（0.48平方米，40瓦），能量产量提高了17%至45%。
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与俄罗斯的研究并行，在铁幕的另一边，马德里理工大学电信工程学院的半导体实验室在安东尼奥·卢克教授的领导下，独立开展了一项全面的研究计划，旨在开发可工业应用的双面太阳能电池。森喜朗的专利和VNIIT-KVANT航天器原型都基于表面没有金属栅格的微型电池，因此互连结构复杂，更接近于当时还处于萌芽阶段的微电子器件。而卢克教授则在1976年和1977年分别申请了两项西班牙专利和一项美国专利，这些专利是现代双面太阳能电池的先驱。卢克教授的专利首次提出了每片硅片上只有一个电池的双面太阳能电池方案，这与当时乃至现在单面太阳能电池的方案相同，即在两个表面都覆盖金属栅格。他们考虑了npp+和pnp两种结构。
在半导体实验室中，背表面太阳能电池（BSC）的研发采用了三管齐下的方法，最终由安德烈斯·奎瓦斯（Andrés Cuevas，1980年）、哈维尔·埃古伦（Javier Eguren，1981年）和赫苏斯·桑格拉多尔（Jesús Sangrador，1982年）分别完成了博士论文。前两位博士的导师是卢克（Luque），第三位博士的导师是同一研究组的加布里埃尔·萨拉（Gabriel Sala）博士。奎瓦斯的博士论文研究了卢克于1976年获得的第一项专利，该专利由于其类似晶体管的npn结构，被称为“晶体管电池”（transcell）。埃古伦的博士论文则着重于验证卢克于1977年获得的第二项专利，该专利采用了npp+掺杂分布，其中pp+同位素结位于电池背面附近，从而形成了太阳能电池技术中通常所说的“背表面场”（BSF）。这项工作催生了多篇论文和多项专利。尤其值得注意的是，降低基区p型掺杂浓度带来的益处非常显著，因为发射极结（正面pn结）电压的降低可以通过背面同型结电压的升高来补偿，同时还能增加少数载流子的扩散长度，从而提高双面光照下的电流输出。在桑格拉多尔（Sangrador）于马德里理工大学完成的博士论文及其第三项研发工作中，他提出了所谓的垂直边缘光照多结太阳能电池。在这种电池中，p+nn+型电池堆叠串联，并从边缘进行光照。这些高压电池无需表面金属栅格即可产生电流。
双平面太阳能电池的主要优点
发电效率提升：与P型太阳能电池相比，N型太阳能电池的效率往往显著提高。双面太阳能电池凭借其双面发电能力和更高的系统效率，应用前景更为广阔，尤其适用于降雪量大的地区以及屋顶、围栏和隔音屏障等分布式发电系统。
电池背面的效率可达 19% 以上，入射背射光束可用于提高系统的发电能力，单位面积的发电能力提高可达 10%~30%。
采用双面电池技术的玻璃组件可以从组件的正面和背面同时捕获光线。提高光捕获率可以提升组件的效率。通过组件背面的主动式光捕获，总功率最高可达 360 Wp（仅正面 290 Wp / 总功率 320–360 Wp）。
效率提升取决于辐射情况（大气和背景辐射）。
采用双面太阳能组件的太阳能系统示例
- 太阳能支架系统、屋顶安装、双面太阳能组件的底座 – Jak76|Shutterstock.com
- 双面太阳能组件屋顶安装支架系统 – Jak76|Shutterstock.com
- 双面太阳能电池板屋顶安装支架系统 – Jak76|Shutterstock.com
- 双面太阳能电池板屋顶安装方案 – Jak76|Shutterstock.com
- 用于双面太阳能组件的屋顶安装式支架 – Jak76|Shutterstock.com
- 双面太阳能电池板屋顶系统下部结构 – Jak76|Shutterstock.com
1979年，半导体实验室转型为太阳能研究所（IES-UPM），在卢克担任首任所长期间，该研究所继续对双面太阳能电池进行深入研究，直至21世纪的第一个十年。例如，1994年，太阳能研究所的两名巴西博士生阿德里亚诺·莫赫莱克和伊泽特·扎内斯科与卢克合作，开发并生产了一种双面太阳能电池，其正面效率达到18.1%，背面效率达到19.1%，双面电池效率高达103%（当时单面电池的最高效率纪录略低于22%）。
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