柔性太阳电池发展研究
广告位招租
一、前言
当前，太阳电池发展的趋势是薄膜化和柔性化。相比于晶体硅太阳电池，薄膜太阳电池所需原材料更少、能耗更低、成本更低。此外，薄膜太阳电池可制备在金属箔和塑料衬底上，形成柔性太阳电池。柔性太阳电池具有重量轻、可弯曲、便于携带和运输等优点，可应用在卫星、飞艇、无人机、单兵装备等国防军工领域，以及光伏建筑一体化、可穿戴智能设备等民用领域，具有广阔的市场前景。
目前，已经商业化的薄膜太阳电池有硅薄膜太阳电池、碲化镉太阳电池和铜铟镓硒太阳电池，这三种商业化的薄膜太阳电池均以玻璃为衬底。此外，需要特别指出的是，钙钛矿薄膜太阳电池是最近薄膜太阳电池研究的热点。短短9年时间，电池效率从2009年的3.8%，提升到现在的22.7%，极具商业化发展潜力。以上四种薄膜太阳电池均可制备在金属箔和塑料衬底上，形成柔性太阳电池。本文将分别介绍不同种类柔性太阳电池的发展现状、存在的问题以及发展的建议。
二、柔性太阳电池的发展现状
目前，柔性太阳电池主要有柔性硅薄膜太阳电池、柔性铜铟镓硒太阳电池、柔性碲化镉太阳电池和柔性钙钛矿太阳电池，可用作柔性衬底的材料主要有金属箔（不锈钢、钼、钛、铝、铜等）和塑料（PI、PEN、PET等）。其中，已经有商业化组件的电池是柔性硅薄膜太阳电池和柔性铜铟镓硒太阳电池。
（一）柔性硅薄膜太阳电池
硅薄膜太阳电池是最早进行研究并实现商业化的薄膜太阳电池。由于硅薄膜带隙在1.1~1.7eV范围内可调，能够吸收不同波段的太阳光。因此，硅薄膜太阳电池可制备成单结或多结太阳电池。
硅薄膜太阳电池可制备在不锈钢和塑料衬底上，形成柔性硅薄膜太阳电池。根据衬底的透明度不同，柔性衬底硅薄膜太阳电池结构可分为nip型或pin型，电池结构如图1所示。效率最高的柔性硅薄膜太阳电池是由美国UnitedSolar公司在不锈钢衬底上制备的，最高效率是16.3%，面积是0.25cm2；效率最高的柔性硅薄膜太阳电池组件孔径效率是8.2%，功率是144W，也是由美国UnitedSolar公司制备的。目前，还没有塑料衬底硅薄膜太阳电池组件问世。
图1 柔性硅薄膜太阳电池结构图注：TCO：透明导电氧化物。
1.金属衬底柔性硅薄膜太阳电池
硅薄膜太阳电池可沉积在不锈钢上，形成金属衬底柔性硅薄膜太阳电池。由于不锈钢衬底不透明，电池结构为nip结构。美国UnitedSolar公司是最早研究不锈钢衬底柔性硅薄膜太阳电池的公司，也是唯一实现柔性不锈钢衬底硅薄膜电池商业化的公司。该公司于2002年建立了生产线，产品的孔径效率只有8.2%，之后，该公司制备的a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三结电池，初始效率为16.3%，是效率最高的柔性硅薄膜太阳电池。
为了进一步提高电池的稳定性和降低生产成本，时任UnitedSolar公司高级科学家刘生忠及其团队，采用高速沉积（>1nm/s）制备的a-Si:H/ncSi:H/nc-Si:H三结电池，稳定效率为12.41%，面积为1.05cm2。之后，该团队进一步优化电池工艺，制备了大面积电池组件，面积为400cm2组件的稳定效率为11.2%，面积为807.8cm2组件的初始效率为11.8%，电池实物图如图2所示。
中国科学院大连化学物理研究所刘生忠团队，在30μm厚的不锈钢衬底上，制备的a-Si:H/nc-Si:H双结电池组件，效率为11%，面积为200cm2，这是国内最好的不锈钢衬底柔性硅薄膜太阳电池组件。
图2 大面积柔性硅薄膜太阳电池组件实物图
2.塑料衬底柔性硅薄膜太阳电池
可做柔性衬底的塑料有PI、PET和PEN。在这三种材料中，PI的玻璃态转换温度最高（450℃），PET的玻璃态转换温度最低（80℃），但是PET的透过率最好，成本最低。所以，以PI和PEN为衬底制备硅薄膜太阳电池，电池结构为nip结构；以PET为衬底制备硅薄膜太阳电池，电池结构可为nip或pin结构。
（1）nip结构柔性硅薄膜太阳电池
Haug等在50μm厚的PET和PEN衬底上制备了小面积nip型单结非晶硅、单结纳晶硅以及双结太阳电池。制备的非晶硅单结电池效率为8.1%，纳晶硅单结电池效率为8.7%，双结电池效率为10.9%。Sodeestorm等在PEN衬底上制备的nip非晶硅单结电池效率为8.8%。Marins等在125μm厚的PI衬底上制备的微晶硅单结电池效率为7.5%。Liu等采用转移衬底技术制备非晶硅单结电池，制备的nip非晶硅单结电池效率为7.69%，小组件效率为6.7%。Li等也采用转移衬底技术制备柔性双结太阳电池，小面积电池效率为7.8%，面积为0.16cm2；小组件效率为7.4%，面积为25cm2。
（2）pin结构柔性硅薄膜太阳电池
Fenández等以250μm厚的PET为衬底，制备了pin型单结非晶硅太阳电池，研究表明，当采用较低的沉积功率制备掺铝氧化锌（AZO）膜层时，电池的开路电压和填充因子较大，电池效率为5.14%。
（二）柔性铜铟镓硒太阳电池
铜铟镓硒是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm–1数量级，通过调节薄膜中In和Ga两种元素的比例，带隙宽度可以在1.04~1.67eV范围连续调节。
铜铟镓硒太阳电池可沉积在金属或塑料衬底上，形成柔性铜铟镓硒太阳电池，电池结构如图3所示。在电池方面，效率最高的金属衬底柔性铜铟镓硒太阳电池是日本青山学院大学（AGU）在Ti衬底上制备的，电池效率为17.9%，效率最高的塑料衬底柔性铜铟镓硒太阳电池是瑞士联邦材料测试与开发研究所（EMPA）在PI衬底上制备的，电池效率为20.4%；在组件方面，效率最高的柔性铜铟镓硒太阳电池组件是Miasole公司在不锈钢衬底上制备的，孔径效率为16.7%，面积为2585mm×1293mm，功率为510W，重量为6.6kg。目前，还没有以塑料为衬底的柔性铜铟镓硒太阳电池组件问世。
图3柔性铜铟镓硒太阳电池结构图
1.金属衬底柔性铜铟镓硒太阳电池
可用作柔性铜铟镓硒太阳电池金属衬底的有不锈钢、钼、钛、铝、铜等。1992年，美国国际太阳能技术集团（ISET）以Mo为衬底，制备的电池效率为8.3%；2010年，日本产业综合技术研究所（AIST）在金属Mo衬底上，制备的电池效率为14.6%；2000年，德国巴登符腾堡太阳能和氢能源研究中心（ZSW）在Ti衬底上制备的电池效率为12%；2009年，AGU在Ti衬底上，制备的电池效率为17.9%；德国法兰克福太阳能技术研究所（IST）在Cu衬底上制备的电池效率低于10%；1999年，美国国家可再生能源实验室（NREL）在不锈钢衬底上，制备的电池效率为17.4%；2012年，EMPA在镀Ti的不锈钢衬底上，制备的铜铟镓硒电池效率为17.7%；NanoSolar和EMPA在Al衬底上制备的电池最高效率为17.1%。在组件方面，效率最高的柔性铜铟镓硒太阳电池组件是Miasole公司在不锈钢衬底上，制备的铜铟镓硒电池组件，孔径效率为16.7%，面积为2585mm×1293mm。
2.塑料衬底柔性铜铟镓硒太阳电池
目前，只有PI衬底可以作为柔性铜铟镓硒太阳电池衬底。1996年，ISET在PI衬底上制备的电池效率为8.7%；1999年，EMPA在PI衬底上制备的电池效率为12.8%；2011年，EMPA又将电池效率提升为18.7%，并将8个子电池集成制作了一个PI衬底小组件，效率为14.8%，电池实物图如图4所示；2013年，EMPA又将PI衬底柔性铜铟镓硒电池效率提升为20.4%。
图4效率为14.8%的PI衬底柔性铜铟镓硒小组件实物图
（三）柔性碲化镉太阳电池
碲化镉（CdTe）材料是一种直接带隙材料，光学带隙为1.45eV，光吸收系数高，2μm厚的碲化镉材料可吸收100%的太阳光。并且，在质子和电子辐射下，材料性能非常稳定。
碲化镉太阳电池可制备在柔性金属或塑料衬底上，形成柔性碲化镉太阳电池。效率最高的金属衬底柔性碲化镉太阳电池是EMPA在金属钼衬底上制备的，效率为11.5%，效率最高的塑料衬底柔性碲化镉太阳电池也是EMPA在PI衬底上制备的，效率为13.8%，这两种电池都是小面积电池。目前，还未有任何柔性碲化镉太阳电池组件问世。
1.金属衬底柔性碲化镉太阳电池
金属衬底柔性碲化镉太阳电池的电池结构如图5所示。金属衬底碲化镉太阳电池效率普遍较低，一般在3.5%~8%。直至2013年，EMPA通过调节CdTe中的Cu掺杂含量，获得效率为11.5%的钼衬底碲化镉太阳电池。
图5金属衬底柔性碲化镉太阳电池结构图
2.塑料衬底柔性碲化镉太阳电池
塑料衬底具有一定的透光性，因此，可分为上衬底和下衬底两种柔性碲化镉太阳电池，电池结构如图6所示。然而，对于上衬底结构电池，光需要通过塑料衬底进入到电池中，因此塑料衬底的透光性也是一个考虑因素。
图6塑料衬底柔性碲化镉太阳电池结构图
（1）塑料衬底（上衬底结构）柔性碲化镉太阳电池
EMPA以10μm厚的聚酰亚胺薄膜（UpilexTM）为衬底制备了上衬底结构的柔性碲化镉太阳电池，制备结构如图7所示。该方法制备的柔性碲化镉太阳电池效率为11.38%。相比玻璃衬底碲化镉太阳电池，聚酰亚胺的透光率较低，因此，进一步提高聚酰亚胺的透光率是该结构电池下一步研究的重点。
图7上衬底结构柔性碲化镉太阳电池制备结构图
（2）塑料衬底（下衬底结构）柔性碲化镉太阳电池
相比于塑料衬底（上衬底结构）柔性碲化镉太阳电池，下衬底结构碲化镉太阳电池的一个优势就是聚酰亚胺的透光性对电池性能没有影响。EMPA采用商业化的聚酰亚胺薄膜（UpilexTM）制备下衬底结构柔性碲化镉太阳电池，制备流程如图8所示。采用这种方法，分别获得了效率为7.3%和6%（TCO分别为FTO和AZO）的柔性碲化镉太阳电池。因此，在未来通过优化电池工艺可以制备更高效率的电池。
图8下衬底结构柔性碲化镉太阳电池制备流程图
（四）柔性钙钛矿太阳电池
钙钛矿太阳电池是太阳电池最近研究的热点。自2009年制备出第一个钙钛矿太阳电池，短短9年时间内，电池效率从3.8%提升到22.7%，并且由于制备工艺简单，原材料成本低廉，极具商业化潜力，并有可能取代晶体硅太阳电池。
钙钛矿电池也可制备在塑料和金属衬底上，形成柔性钙钛矿电池。根据钙钛矿层基底不同，柔性钙钛矿太阳电池可分为nip型和pin型两种结构，电池结构如图9所示。目前，效率最高的柔性钙钛矿太阳电池，是中国科学院大连化学物理研究所与陕西师范大学刘生忠团队在PET衬底上制备的，电池效率为18.4%。
图9柔性钙钛矿太阳电池结构图注：HTL：空穴传输层；ETL：电子传输层。
1.塑料衬底柔性钙钛矿太阳电池
在塑料衬底上，可制备nip（正式）结构或pin（反式）结构的柔性钙钛矿太阳电池。柔性钙钛矿太阳电池的塑料衬底一般为PET、PEN等聚酯塑料，不能承受高温。因此，采用低温制备TiO2薄膜或其他电子传输层是塑料衬底柔性钙钛矿太阳电池首要考虑的问题。
（1）nip结构塑料衬底柔性钙钛矿太阳电池
Giacomo等在PET/ITO衬底上实现低温（150℃）制备TiO2，电池效率为8.4%，面积为0.12cm2；Kim等在PEN/ITO衬底上制备致密TiOx层，电池效率为12.2%；2015年，Yang等在柔性PET基底上（室温下）制备出具有良好透光性和合适能级的优质TiO2电子传输层，结合自主研发的真空交替沉积法制备的柔性钙钛矿电池效率突破世界纪录，达到15.07%，电池实物图如图10所示。之后，该团队通过对TiO2薄膜进行界面修饰，研制的柔性电池效率达到16.09%。2017年，Wang等利用二氧化锡作为电子传输层将柔性钙钛矿太阳电池效率提高到18.3%。同年刘生忠团队利用电子束蒸发五氧化二铌作为柔性钙钛矿太阳电池电子传输层并对钙钛矿吸收层进行修饰得到柔性钙钛矿太阳电池小面积（0.052cm2）效率提高到18.4%，大面积（1.2cm2）效率提高到13.35%，该效率都是现阶段柔性钙钛矿太阳电池世界最高效率。
图10效率为15.07%柔性钙钛矿太阳电池实物图
（2）pin结构塑料衬底柔性钙钛矿太阳电池
柔性钙钛矿电池也可以在PET、PEN等塑料上制备为pin结构，基本结构为:柔性衬底/电极/PEDOT:PSS/钙钛矿/PCBM/电极。Roldáncarmona等在涂有AZO/Ag/AZO的PET衬底上，制备的电池效率为7%。Docampo等在PET/ITO衬底上制备了pin结构钙钛矿电池，效率为6.3%。You等在PET/ITO衬底上制备了pin结构钙钛矿电池，效率为9.5%。总体而言，pin结构的钙钛矿电池比nip结构的电池性能要差。
2.金属衬底柔性钙钛矿太阳电池
理论上，在金属衬底上可以制备nip结构和pin结构电池，但是，由于PEDOT:PSS本身具有酸性而且容易腐蚀的电极，因此，金属衬底钙钛矿太阳电池多为nip结构。
Lee等在127μm厚的金属Ti上制备nip结构钙钛矿电池，电池效率最高为6.15%。Troughton等也在金属Ti上制备nip结构钙钛矿电池，电池效率为10.3%。Wang等在镀有TiO2纳米管的Ti衬底上制备了钙钛矿电池，电池效率为8.31%。Qiu等以直径为127μm的不锈钢为基底，制备了nip结构的纤维状钙钛矿太阳电池，电池效率为3.3%，是效率最高的纤维状太阳电池。
截至目前，柔性衬底钙钛矿电池比导电玻璃衬底钙钛矿电池效率要低，这主要是由于柔性钙钛矿薄膜中的不完美的界面以及结构、化学上的缺陷造成的。因此，研究适用于柔性衬底制备的ETL和HTL材料以及界面修饰，是柔性钙钛矿太阳电池研究的一个重要方向。此外，开发非溶液法制备钙钛矿电池技术，可以扩展ETL和HTL层的选择，是另一个重要研究方向。另外，钙钛矿太阳电池的稳定性是限制钙钛矿太阳电池产业化和应用的关键因素，也是必须要解决的问题。
三、柔性太阳电池发展建议
经过几十年的发展，柔性太阳电池取得了很大进展。在电池方面，柔性硅薄膜太阳电池最高效率为16.3%，柔性铜铟镓硒太阳电池最高效率为20.4%，柔性碲化镉太阳电池的最高效率为13.8%，柔性钙钛矿太阳电池最高效率为18.4%。在组件方面，已经实现商业化的组件有UnitedSolar公司的柔性硅薄膜太阳电池和汉能集团的柔性铜铟镓硒太阳电池，组件的孔径效率分别为8.2%和16.7%。遗憾的是，由于经营不善，UnitedSolar公司已于2012年倒闭，汉能集团的柔性铜铟镓硒太阳电池，是目前市场上唯一可见的柔性太阳电池组件，但由于价格太高（30元/W），销量很少。由此可见，转换效率较低和生产成本太高是制约柔性太阳电池发展的两大因素。提高转换效率和降低生产成本可从以下几个方面进行。
1.开发新型柔性衬底材料
作为柔性太阳电池的衬底，需要满足几个条件：具有与电池材料相同或相近的热膨胀系数，能够承受电池制备工艺温度，表面粗糙度小，轻质，成本低等。目前，常用作柔性衬底的材料有不锈钢箔、PI、PEN、PET。其中，不锈钢箔能够承受电池制备工艺温度，但是衬底表面粗糙度大，并且其中的金属杂质会在制备过程中向电池中扩散，影响电池效率。PI、PEN、PET三种材料表面粗糙度小，更加轻质，但是不能承受高温工艺，电池效率也会受到影响。因此，开发新型轻质、廉价、耐高温的柔性衬底材料，不仅有助于进一步降低成本，也会对提高电池效率有帮助。
2.开发电池制备新型工艺
电池材料的结构、性能与衬底的结构形貌有着直接的关系，太阳电池的制备温度不同，电池性能也不同。因此，针对粗糙度较大，不能承受高温的柔性衬底，需要开发新型制备工艺，设计新型结构，从而提高太阳电池的效率。
3.提高产业化装备制造水平
柔性太阳电池的产业化生产需要卷到卷生产设备，当前，国内外卷到卷设备制造水平普遍较低。大面积柔性太阳电池组件生产节拍较慢、良率较低，这也造成了柔性太阳电池成本较高。因此，提高产业化装备制造水平有助于降低柔性太阳电池的生产成本，有助于推进柔性太阳电池的产业化生产和应用。
四、结语
柔性太阳电池可应用在卫星、飞艇、无人机、单兵装备等国防军工领域以及光伏建筑一体化、可穿戴智能设备等民用领域，具有广阔的市场前景。经过多年的发展，柔性太阳电池效率得到很大提升，柔性硅薄膜太阳电池最高效率为16.3%，柔性铜铟镓硒太阳电池最高效率为20.4%，柔性碲化镉太阳电池的最高效率为13.8%，柔性钙钛矿太阳电池最高效率为18.4%。并且，已经有商业化的柔性硅薄膜太阳电池和柔性铜铟镓硒太阳电池组件问世，显示出柔性太阳电池具有巨大的发展潜力。然而，柔性太阳电池还没有形成大规模产业化，效率和成本是制约柔性太阳电池发展的两大因素。开发新型柔性衬底材料、开发电池制备新型工艺与结构、提高卷到卷装备制造业水平，将有助于提高柔性太阳电池转换效率，降低生产成本，从而推进柔性太阳电池的产业化发展。
文/王辉 曹越先 冯江山 杜敏永 张豆豆 王开 秦炜 刘生忠；中国科学院大连化学物理研究所 陕西师范大学，中国工程科学；《中国工程科学》 2018年03期
往期精彩内容推荐
光伏技术|先猜再看：6月最火热的认证技术
光伏技术|全球光伏市场趋势全面分析
光伏技术|隆基、协鑫、东方日升、晶澳、阿特斯、昱辉阳光等中国企业为什么能跻身印度顶级组件供应商？
光伏技术|关于PERC光衰，这个说法还算中肯？