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柔性太阳电池发展研究

2021-01-27    来源:中国节能网
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[ 导读 ]: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。
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 [1]。

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 %[2],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 1.1~1.7 eV 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 United Solar 公司在不 锈钢衬底上制备的,最高效率是 16.3 %[3],面积 是 0.25 cm2 ;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 144 W[4],也是由美国 United Solar 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。

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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 United Solar 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 United Solar 公司高级科学家刘生忠及其 团队,采用高速沉积(>1 nm/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 1.05 cm2 。之后,该团队进一步优化电池工艺, 制备了大面积电池组件 [5],面积为 400 cm2 组件的 稳定效率为 11.2 %,面积为 807.8 cm2 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 30 μm 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 %[6],面积为 200 cm2 , 这是国内最好的不锈钢衬底柔性硅薄膜太阳电池 组件。

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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 [7] 在 50 μm 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 [8] 在 PEN 衬底上制备 的 nip 非晶硅单结电池效率为 8.8 %。Marins 等 [9] 在 125 μm 厚的 PI 衬底上制备的微晶硅单结电池效 率为 7.5 %。Liu 等 [10] 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 [11] 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 0.16 cm2 ;小组件效率为 7.4 %, 面积为 25 cm2 。

(2)pin 结构柔性硅薄膜太阳电池

Fenández 等 [12] 以 250 μm 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 105 cm–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 1.04~1.67 eV 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 2 585 mm×1 293 mm,功 率为 510 W,重量为 6.6 kg。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。

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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 %[13];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 %[14];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 %[15];2009 年,AGU 在 Ti 衬底上,制 备的电池效率为 17.9 %[16];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 %[17];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 %[18];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 %[19];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 2 585 mm×1 293 mm。

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 %[20];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 %[21],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 %。

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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 1.45 eV,光吸收系数高 [22],2 μm 厚的 碲化镉材料可吸收 100 % 的太阳光 [23]。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。

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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。

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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 10 μm 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。

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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。

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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 [24],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 %[25]。

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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 [26] 在 PET/ITO 衬底上实现低温 (150℃)制备 TiO2,电池效率为 8.4 %,面积为 0.12 cm2 ;Kim 等 [27] 在 PEN/ITO 衬底上制备致密 TiOx 层,电池效率为 12.2 %;2015 年,Yang 等 [28] 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 %[29]。 2017 年,Wang 等 [30] 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(0.052 cm2 )效 率提高到 18.4 %,大面积(1.2 cm2 )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 [25]。

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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 [31] 在涂有 AZO/Ag/AZO 的 PET 衬底上,制备 的电池效率为 7 %。Docampo 等 [32] 在 PET/ITO 衬底上制备了 pin 结构钙钛矿电池,效率为 6.3 %。 You 等 [33] 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 [34] 在 127 μm 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 [35] 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 [36] 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 [37] 以直径为 127 μm 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 United Solar 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,United Solar 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。
 
关键词: 柔性 太阳电池 研究
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