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柔性太陽電池發展研究

2021-01-27    來源:中國節能網
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[ 導讀 ]:當前,太陽電池發展的趨勢是薄膜化和柔性化。 相比于晶體硅太陽電池,薄膜太陽電池所需原材料 更少、能耗更低、成本更低。此外,薄膜太陽電池 可制備在金屬箔和塑料襯底上,形成柔性太陽電池。
一、前言

當前,太陽電池發展的趨勢是薄膜化和柔性化。 相比于晶體硅太陽電池,薄膜太陽電池所需原材料 更少、能耗更低、成本更低。此外,薄膜太陽電池 可制備在金屬箔和塑料襯底上,形成柔性太陽電池。柔性太陽電池具有重量輕、可彎曲、便于攜帶和運 輸等優點,可應用在衛星、飛艇、無人機、單兵裝 備等國防軍工領域,以及光伏建筑一體化、可穿戴 智能設備等民用領域,具有廣闊的市場前景 [1]。

目前,已經商業化的薄膜太陽電池有硅薄膜太 陽電池、碲化鎘太陽電池和銅銦鎵硒太陽電池,這三種商業化的薄膜太陽電池均以玻璃為襯底。此外, 需要特別指出的是,鈣鈦礦薄膜太陽電池是最近薄 膜太陽電池研究的熱點。短短 9 年時間,電池效率 從 2009 年的 3.8 %[2],提升到現在的 22.7 %,極具 商業化發展潛力。以上四種薄膜太陽電池均可制備 在金屬箔和塑料襯底上,形成柔性太陽電池。本文 將分別介紹不同種類柔性太陽電池的發展現狀、存 在的問題以及發展的建議。

二、柔性太陽電池的發展現狀

目前,柔性太陽電池主要有柔性硅薄膜太陽電 池、柔性銅銦鎵硒太陽電池、柔性碲化鎘太陽電池 和柔性鈣鈦礦太陽電池,可用作柔性襯底的材料主 要有金屬箔(不銹鋼、鉬、鈦、鋁、銅等)和塑料 (PI、PEN、PET 等)。其中,已經有商業化組件 的電池是柔性硅薄膜太陽電池和柔性銅銦鎵硒太 陽電池。

(一)柔性硅薄膜太陽電池

硅薄膜太陽電池是最早進行研究并實現商業化 的薄膜太陽電池。由于硅薄膜帶隙在 1.1~1.7 eV 范 圍內可調,能夠吸收不同波段的太陽光。因此,硅 薄膜太陽電池可制備成單結或多結太陽電池。

硅薄膜太陽電池可制備在不銹鋼和塑料襯底 上,形成柔性硅薄膜太陽電池。根據襯底的透明度不同,柔性襯底硅薄膜太陽電池結構可分為 nip 型或 pin 型,電池結構如圖 1 所示。效率最高的柔 性硅薄膜太陽電池是由美國 United Solar 公司在不 銹鋼襯底上制備的,最高效率是 16.3 %[3],面積 是 0.25 cm2 ;效率最高的柔性硅薄膜太陽電池組件 孔徑效率是 8.2 %,功率是 144 W[4],也是由美國 United Solar 公司制備的。目前,還沒有塑料襯底 硅薄膜太陽電池組件問世。

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圖 1  柔性硅薄膜太陽電池結構圖

注:TCO:透明導電氧化物。

1. 金屬襯底柔性硅薄膜太陽電池

硅薄膜太陽電池可沉積在不銹鋼上,形成金 屬襯底柔性硅薄膜太陽電池。由于不銹鋼襯底不透 明,電池結構為 nip 結構。美國 United Solar 公司 是最早研究不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池的公 司,也是唯一實現柔性不銹鋼襯底硅薄膜電池商業 化的公司。該公司于 2002 年建立了生產線,產品 的孔徑效率只有 8.2 %,之后,該公司制備的 a-Si:H/ a-SiGe:H/nc-Si:H 三結電池,初始效率為 16.3 %, 是效率最高的柔性硅薄膜太陽電池。

為了進一步提高電池的穩定性和降低生產成 本,時任 United Solar 公司高級科學家劉生忠及其 團隊,采用高速沉積(>1 nm/s)制備的 a-Si:H/ncSi:H/nc-Si:H 三結電池,穩定效率為 12.41 %,面積 為 1.05 cm2 。之后,該團隊進一步優化電池工藝, 制備了大面積電池組件 [5],面積為 400 cm2 組件的 穩定效率為 11.2 %,面積為 807.8 cm2 組件的初始 效率為 11.8 %,電池實物圖如圖 2 所示。

中國科學院大連化學物理研究所劉生忠團隊, 在 30 μm 厚的不銹鋼襯底上,制備的 a-Si:H/nc-Si:H 雙結電池組件,效率為 11 %[6],面積為 200 cm2 , 這是國內最好的不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池 組件。

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圖 2  大面積柔性硅薄膜太陽電池組件實物圖

2. 塑料襯底柔性硅薄膜太陽電池

可做柔性襯底的塑料有 PI、PET 和 PEN。在 這三種材料中,PI 的玻璃態轉換溫度最高(450℃), PET 的玻璃態轉換溫度最低(80℃),但是 PET 的 透過率最好,成本最低。所以,以 PI 和 PEN 為襯 底制備硅薄膜太陽電池,電池結構為 nip 結構;以 PET 為襯底制備硅薄膜太陽電池,電池結構可為 nip 或 pin 結構。

(1)nip 結構柔性硅薄膜太陽電池

Haug 等 [7] 在 50 μm 厚 的 PET 和 PEN 襯 底 上制備了小面積 nip 型單結非晶硅、單結納晶硅以 及雙結太陽電池。制備的非晶硅單結電池效率為 8.1 %,納晶硅單結電池效率為 8.7 %,雙結電池效 率為 10.9 %。Sodeestorm 等 [8] 在 PEN 襯底上制備 的 nip 非晶硅單結電池效率為 8.8 %。Marins 等 [9] 在 125 μm 厚的 PI 襯底上制備的微晶硅單結電池效 率為 7.5 %。Liu 等 [10] 采用轉移襯底技術制備非 晶硅單結電池,制備的 nip 非晶硅單結電池效率為 7.69 %,小組件效率為 6.7 %。Li 等 [11] 也采用轉 移襯底技術制備柔性雙結太陽電池,小面積電池效 率為 7.8 %,面積為 0.16 cm2 ;小組件效率為 7.4 %, 面積為 25 cm2 。

(2)pin 結構柔性硅薄膜太陽電池

Fenández 等 [12] 以 250 μm 厚的 PET 為襯底, 制備了 pin 型單結非晶硅太陽電池,研究表明,當 采用較低的沉積功率制備摻鋁氧化鋅(AZO)膜層 時,電池的開路電壓和填充因子較大,電池效率為 5.14 %。

(二)柔性銅銦鎵硒太陽電池

銅銦鎵硒是一種直接帶隙材料,可見光的吸收 系數高達 105 cm–1 數量級,通過調節薄膜中 In 和 Ga 兩種元素的比例,帶隙寬度可以在 1.04~1.67 eV 范圍連續調節。

銅銦鎵硒太陽電池可沉積在金屬或塑料襯底上, 形成柔性銅銦鎵硒太陽電池,電池結構如圖 3 所示。 在電池方面,效率最高的金屬襯底柔性銅銦鎵硒太 陽電池是日本青山學院大學(AGU)在 Ti 襯底上 制備的,電池效率為 17.9%,效率最高的塑料襯底 柔性銅銦鎵硒太陽電池是瑞士聯邦材料測試與開發 研究所(EMPA)在 PI 襯底上制備的,電池效率為 20.4%;在組件方面,效率最高的柔性銅銦鎵硒太陽 電池組件是 Miasole 公司在不銹鋼襯底上制備的,孔 徑效率為 16.7%,面積為 2 585 mm×1 293 mm,功 率為 510 W,重量為 6.6 kg。目前,還沒有以塑料為 襯底的柔性銅銦鎵硒太陽電池組件問世。

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圖 3 柔性銅銦鎵硒太陽電池結構圖

1. 金屬襯底柔性銅銦鎵硒太陽電池

可用作柔性銅銦鎵硒太陽電池金屬襯底的有不 銹鋼、鉬、鈦、鋁、銅等。1992 年,美國國際太 陽能技術集團(ISET)以 Mo 為襯底,制備的電池 效率為 8.3 %[13];2010 年,日本產業綜合技術研 究所(AIST)在金屬 Mo 襯底上,制備的電池效率 為 14.6 %[14];2000 年,德國巴登符騰堡太陽能和 氫能源研究中心(ZSW)在 Ti 襯底上制備的電池 效率為 12 %[15];2009 年,AGU 在 Ti 襯底上,制 備的電池效率為 17.9 %[16];德國法蘭克福太陽能 技術研究所(IST)在 Cu 襯底上制備的電池效率低于 10 %[17];1999 年,美國國家可再生能源實驗 室(NREL)在不銹鋼襯底上,制備的電池效率為 17.4 %[18];2012 年,EMPA 在鍍 Ti 的不銹鋼襯底 上,制備的銅銦鎵硒電池效率為 17.7 %[19];NanoSolar 和 EMPA 在 Al 襯底上制備的電池最高效率為 17.1 %。在組件方面,效率最高的柔性銅銦鎵硒太 陽電池組件是 Miasole 公司在不銹鋼襯底上,制備 的銅銦鎵硒電池組件,孔徑效率為 16.7 %,面積為 2 585 mm×1 293 mm。

2. 塑料襯底柔性銅銦鎵硒太陽電池

目前,只有 PI 襯底可以作為柔性銅銦鎵硒太 陽電池襯底。1996 年,ISET 在 PI 襯底上制備的電 池效率為 8.7 %[20];1999 年,EMPA 在 PI 襯底上 制備的電池效率為 12.8 %;2011 年,EMPA 又將電 池效率提升為 18.7 %[21],并將 8 個子電池集成制 作了一個 PI 襯底小組件,效率為 14.8 %,電池實 物圖如圖 4 所示;2013 年,EMPA 又將 PI 襯底柔 性銅銦鎵硒電池效率提升為 20.4 %。

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圖 4 效率為 14.8% 的 PI 襯底柔性銅銦鎵硒小組件實物圖

(三)柔性碲化鎘太陽電池

碲化鎘(CdTe)材料是一種直接帶隙材料,光 學帶隙為 1.45 eV,光吸收系數高 [22],2 μm 厚的 碲化鎘材料可吸收 100 % 的太陽光 [23]。并且,在 質子和電子輻射下,材料性能非常穩定。

碲化鎘太陽電池可制備在柔性金屬或塑料襯底 上,形成柔性碲化鎘太陽電池。效率最高的金屬襯 底柔性碲化鎘太陽電池是 EMPA 在金屬鉬襯底上制 備的,效率為 11.5 %,效率最高的塑料襯底柔性碲 化鎘太陽電池也是 EMPA 在 PI 襯底上制備的,效 率為 13.8 %,這兩種電池都是小面積電池。目前,還未有任何柔性碲化鎘太陽電池組件問世。

1. 金屬襯底柔性碲化鎘太陽電池

金屬襯底柔性碲化鎘太陽電池的電池結構如圖5 所示。金屬襯底碲化鎘太陽電池效率普遍較低,一 般 在 3.5 %~8 %。直至 2013 年,EMPA 通過調節 CdTe 中的 Cu 摻雜含量,獲得效率為 11.5 % 的鉬襯 底碲化鎘太陽電池。

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圖 5 金屬襯底柔性碲化鎘太陽電池結構圖

2. 塑料襯底柔性碲化鎘太陽電池

塑料襯底具有一定的透光性,因此,可分為上 襯底和下襯底兩種柔性碲化鎘太陽電池,電池結構 如圖 6 所示。然而,對于上襯底結構電池,光需要 通過塑料襯底進入到電池中,因此塑料襯底的透光 性也是一個考慮因素。

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圖 6 塑料襯底柔性碲化鎘太陽電池結構圖

(1)塑料襯底(上襯底結構)柔性碲化鎘太陽 電池

EMPA 以 10 μm 厚的聚酰亞胺薄膜(UpilexTM) 為襯底制備了上襯底結構的柔性碲化鎘太陽電池, 制備結構如圖 7 所示。該方法制備的柔性碲化鎘 太陽電池效率為 11.38 %。相比玻璃襯底碲化鎘太 陽電池,聚酰亞胺的透光率較低,因此,進一步 提高聚酰亞胺的透光率是該結構電池下一步研究 的重點。

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圖 7 上襯底結構柔性碲化鎘太陽電池制備結構圖

(2)塑料襯底(下襯底結構)柔性碲化鎘太陽 電池

相比于塑料襯底(上襯底結構)柔性碲化鎘太 陽電池,下襯底結構碲化鎘太陽電池的一個優勢就 是聚酰亞胺的透光性對電池性能沒有影響。EMPA 采用商業化的聚酰亞胺薄膜(UpilexTM)制備下襯 底結構柔性碲化鎘太陽電池,制備流程如圖 8 所示。采用這種方法,分別獲得了效率為 7.3 % 和 6 % (TCO 分別為 FTO 和 AZO)的柔性碲化鎘太陽電池。 因此,在未來通過優化電池工藝可以制備更高效率 的電池。

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圖 8 下襯底結構柔性碲化鎘太陽電池制備流程圖

(四)柔性鈣鈦礦太陽電池

鈣鈦礦太陽電池是太陽電池最近研究的熱點。 自 2009 年制備出第一個鈣鈦礦太陽電池,短短 9 年時間內,電池效率從 3.8 % 提升到 22.7 %,并 且由于制備工藝簡單,原材料成本低廉,極具商業 化潛力,并有可能取代晶體硅太陽電池。

鈣鈦礦電池也可制備在塑料和金屬襯底上,形 成柔性鈣鈦礦電池。根據鈣鈦礦層基底不同,柔 性鈣鈦礦太陽電池可分為 nip 型和 pin 型兩種結 構 [24],電池結構如圖 9 所示。目前,效率最高的 柔性鈣鈦礦太陽電池,是中國科學院大連化學物理 研究所與陜西師范大學劉生忠團隊在 PET 襯底上制 備的,電池效率為 18.4 %[25]。

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圖 9 柔性鈣鈦礦太陽電池結構圖

注:HTL:空穴傳輸層;ETL:電子傳輸層。

1. 塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池

在塑料襯底上,可制備 nip(正式)結構或 pin(反 式)結構的柔性鈣鈦礦太陽電池。柔性鈣鈦礦太陽 電池的塑料襯底一般為 PET、PEN 等聚酯塑料,不 能承受高溫。因此,采用低溫制備 TiO2 薄膜或其 他電子傳輸層是塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池首要 考慮的問題。

(1)nip 結構塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池

Giacomo 等 [26] 在 PET/ITO 襯底上實現低溫 (150℃)制備 TiO2,電池效率為 8.4 %,面積為 0.12 cm2 ;Kim 等 [27] 在 PEN/ITO 襯底上制備致密 TiOx 層,電池效率為 12.2 %;2015 年,Yang 等 [28] 在柔性 PET 基底上(室溫下)制備出具有良好透 光性和合適能級的優質 TiO2 電子傳輸層,結合自主研發的真空交替沉積法制備的柔性鈣鈦礦電池 效率突破世界紀錄,達到 15.07 %,電池實物圖如 圖 10 所示。之后,該團隊通過對 TiO2 薄膜進行 界面修飾,研制的柔性電池效率達到 16.09 %[29]。 2017 年,Wang 等 [30] 利用二氧化錫作為電子傳輸 層將柔性鈣鈦礦太陽電池效率提高到 18.3 %。同年 劉生忠團隊利用電子束蒸發五氧化二鈮作為柔性鈣 鈦礦太陽電池電子傳輸層并對鈣鈦礦吸收層進行修 飾得到柔性鈣鈦礦太陽電池小面積(0.052 cm2 )效 率提高到 18.4 %,大面積(1.2 cm2 )效率提高到 13.35 %,該效率都是現階段柔性鈣鈦礦太陽電池世 界最高效率 [25]。

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圖 10 效率為 15.07% 柔性鈣鈦礦太陽電池實物圖

(2)pin 結構塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池

柔性鈣鈦礦電池也可以在 PET、PEN 等塑料 上制備為 pin 結構,基本結構為 : 柔性襯底 / 電極 / PEDOT:PSS/ 鈣鈦礦 /PCBM/ 電極。Roldáncarmona 等 [31] 在涂有 AZO/Ag/AZO 的 PET 襯底上,制備 的電池效率為 7 %。Docampo 等 [32] 在 PET/ITO 襯底上制備了 pin 結構鈣鈦礦電池,效率為 6.3 %。 You 等 [33] 在 PET/ITO 襯底上制備了 pin 結構鈣鈦 礦電池,效率為 9.5 %??傮w而言,pin 結構的鈣鈦 礦電池比 nip 結構的電池性能要差。

2. 金屬襯底柔性鈣鈦礦太陽電池 理論上,在金屬襯底上可以制備 nip 結構和 pin 結構電池,但是,由于 PEDOT:PSS 本身具有酸性 而且容易腐蝕的電極,因此,金屬襯底鈣鈦礦太陽 電池多為 nip 結構。

Lee 等 [34] 在 127 μm 厚的金屬 Ti 上制備 nip 結構鈣鈦礦電池,電池效率最高為 6.15 %。Troughton 等 [35] 也在金屬 Ti 上制備 nip 結構鈣鈦礦電 池,電池效率為 10.3 %。Wang 等 [36] 在鍍有 TiO2 納米管的 Ti 襯底上制備了鈣鈦礦電池,電池效率為8.31 %。Qiu 等 [37] 以直徑為 127 μm 的不銹 鋼為基底,制備了 nip 結構的纖維狀鈣鈦礦太陽 電池,電池效率為 3.3 %,是效率最高的纖維狀 太陽電池。

截至目前,柔性襯底鈣鈦礦電池比導電玻璃襯 底鈣鈦礦電池效率要低,這主要是由于柔性鈣鈦礦 薄膜中的不完美的界面以及結構、化學上的缺陷造 成的。因此,研究適用于柔性襯底制備的 ETL 和 HTL 材料以及界面修飾,是柔性鈣鈦礦太陽電池研 究的一個重要方向。此外,開發非溶液法制備鈣鈦 礦電池技術,可以擴展 ETL 和 HTL 層的選擇,是 另一個重要研究方向。另外,鈣鈦礦太陽電池的穩 定性是限制鈣鈦礦太陽電池產業化和應用的關鍵因 素,也是必須要解決的問題。

三、柔性太陽電池發展建議

經過幾十年的發展,柔性太陽電池取得了很 大進展。在電池方面,柔性硅薄膜太陽電池最高 效率為 16.3 %,柔性銅銦鎵硒太陽電池最高效率為 20.4 %,柔性碲化鎘太陽電池的最高效率為 13.8 %, 柔性鈣鈦礦太陽電池最高效率為 18.4 %。在組件方 面,已經實現商業化的組件有 United Solar 公司的 柔性硅薄膜太陽電池和漢能集團的柔性銅銦鎵硒太 陽電池,組件的孔徑效率分別為 8.2 % 和 16.7 %。 遺憾的是,由于經營不善,United Solar 公司已于 2012 年倒閉,漢能集團的柔性銅銦鎵硒太陽電池, 是目前市場上唯一可見的柔性太陽電池組件,但由 于價格太高(30 元 /W),銷量很少。由此可見,轉 換效率較低和生產成本太高是制約柔性太陽電池發展的兩大因素。提高轉換效率和降低生產成本可從 以下幾個方面進行。

1. 開發新型柔性襯底材料

作為柔性太陽電池的襯底,需要滿足幾個條 件:具有與電池材料相同或相近的熱膨脹系數,能 夠承受電池制備工藝溫度,表面粗糙度小,輕質, 成本低等。目前,常用作柔性襯底的材料有不銹鋼 箔、PI、PEN、PET。其中,不銹鋼箔能夠承受電 池制備工藝溫度,但是襯底表面粗糙度大,并且其 中的金屬雜質會在制備過程中向電池中擴散,影響 電池效率。PI、PEN、PET 三種材料表面粗糙度小, 更加輕質,但是不能承受高溫工藝,電池效率也會 受到影響。因此,開發新型輕質、廉價、耐高溫的 柔性襯底材料,不僅有助于進一步降低成本,也會 對提高電池效率有幫助。

2. 開發電池制備新型工藝

電池材料的結構、性能與襯底的結構形貌有著 直接的關系,太陽電池的制備溫度不同,電池性能 也不同。因此,針對粗糙度較大,不能承受高溫的 柔性襯底,需要開發新型制備工藝,設計新型結構, 從而提高太陽電池的效率。

3. 提高產業化裝備制造水平

柔性太陽電池的產業化生產需要卷到卷生產設 備,當前,國內外卷到卷設備制造水平普遍較低。 大面積柔性太陽電池組件生產節拍較慢、良率較低, 這也造成了柔性太陽電池成本較高。因此,提高 產業化裝備制造水平有助于降低柔性太陽電池的 生產成本,有助于推進柔性太陽電池的產業化生 產和應用。

四、結語

柔性太陽電池可應用在衛星、飛艇、無人機、 單兵裝備等國防軍工領域以及光伏建筑一體化、可 穿戴智能設備等民用領域,具有廣闊的市場前景。 經過多年的發展,柔性太陽電池效率得到很大提升, 柔性硅薄膜太陽電池最高效率為 16.3 %,柔性銅銦 鎵硒太陽電池最高效率為 20.4 %,柔性碲化鎘太陽 電池的最高效率為 13.8 %,柔性鈣鈦礦太陽電池最 高效率為 18.4 %。并且,已經有商業化的柔性硅薄 膜太陽電池和柔性銅銦鎵硒太陽電池組件問世,顯 示出柔性太陽電池具有巨大的發展潛力。然而,柔性太陽電池還沒有形成大規模產業化,效率和成本 是制約柔性太陽電池發展的兩大因素。開發新型柔 性襯底材料、開發電池制備新型工藝與結構、提高 卷到卷裝備制造業水平,將有助于提高柔性太陽電 池轉換效率,降低生產成本,從而推進柔性太陽電 池的產業化發展。
 
關鍵詞: 柔性 太陽電池 研究
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