鈣鈦礦火熱，柔性太陽(yáng)電池發(fā)展研究

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專(zhuān)業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國(guó)科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

文/王輝 曹越先 馮江山 杜敏永 張豆豆 王開(kāi) 秦?zé)?劉生忠，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 陜西師范大學(xué)，中國(guó)工程科學(xué)

一、前言

當(dāng)前，太陽(yáng)電池發(fā)展的趨勢(shì)是薄膜化和柔性化。相比于晶體硅太陽(yáng)電池，薄膜太陽(yáng)電池所需原材料更少、能耗更低、成本更低。此外，薄膜太陽(yáng)電池可制備在金屬箔和塑料襯底上，形成柔性太陽(yáng)電池。柔性太陽(yáng)電池具有重量輕、可彎曲、便于攜帶和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用在衛(wèi)星、飛艇、無(wú)人機(jī)、單兵裝備等國(guó)防**領(lǐng)域，以及光伏建筑一體化、可穿戴智能設(shè)備等民用領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

目前，已經(jīng)商業(yè)化的薄膜太陽(yáng)電池有硅薄膜太陽(yáng)電池、碲化鎘太陽(yáng)電池和銅銦鎵硒太陽(yáng)電池，這三種商業(yè)化的薄膜太陽(yáng)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(yáng)電池是*近薄膜太陽(yáng)電池研究的熱點(diǎn)。短短9年時(shí)間，電池效率從2009年的3.8%，提升到現(xiàn)在的22.7%，**商業(yè)化發(fā)展?jié)摿?。以上四種薄膜太陽(yáng)電池均可制備在金屬箔和塑料襯底上，形成柔性太陽(yáng)電池。本文將分別介紹不同種類(lèi)柔性太陽(yáng)電池的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題以及發(fā)展的建議。

二、柔性太陽(yáng)電池的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，柔性太陽(yáng)電池主要有柔性硅薄膜太陽(yáng)電池、柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池、柔性碲化鎘太陽(yáng)電池和柔性鈣鈦礦太陽(yáng)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(jīng)有商業(yè)化組件的電池是柔性硅薄膜太陽(yáng)電池和柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池。

（一）柔性硅薄膜太陽(yáng)電池

硅薄膜太陽(yáng)電池是*早進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的薄膜太陽(yáng)電池。由于硅薄膜帶隙在1.1~1.7eV范圍內(nèi)可調(diào)，能夠吸收不同波段的太陽(yáng)光。因此，硅薄膜太陽(yáng)電池可制備成單結(jié)或多結(jié)太陽(yáng)電池。

硅薄膜太陽(yáng)電池可制備在不銹鋼和塑料襯底上，形成柔性硅薄膜太陽(yáng)電池。根據(jù)襯底的透明度不同，柔性襯底硅薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)可分為nip型或pin型，電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。效率*高的柔性硅薄膜太陽(yáng)電池是由美國(guó)UnitedSolar公司在不銹鋼襯底上制備的，*高效率是16.3%，面積是0.25cm2；效率*高的柔性硅薄膜太陽(yáng)電池組件孔徑效率是8.2%，功率是144W，也是由美國(guó)UnitedSolar公司制備的。目前，還沒(méi)有塑料襯底硅薄膜太陽(yáng)電池組件問(wèn)世。

圖1 柔性硅薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖注：TCO：透明導(dǎo)電氧化物。

1.金屬襯底柔性硅薄膜太陽(yáng)電池

硅薄膜太陽(yáng)電池可沉積在不銹鋼上，形成金屬襯底柔性硅薄膜太陽(yáng)電池。由于不銹鋼襯底不透明，電池結(jié)構(gòu)為nip結(jié)構(gòu)。美國(guó)UnitedSolar公司是*早研究不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽(yáng)電池的公司，也是**實(shí)現(xiàn)柔性不銹鋼襯底硅薄膜電池商業(yè)化的公司。該公司于2002年建立了生產(chǎn)線，產(chǎn)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(jié)電池，初始效率為16.3%，是效率*高的柔性硅薄膜太陽(yáng)電池。

為了進(jìn)一步提高電池的穩(wěn)定性和降低生產(chǎn)成本，時(shí)任UnitedSolar公司**科學(xué)家劉生忠及其團(tuán)隊(duì)，采用高速沉積（>1nm/s）制備的a-Si:H/ncSi:H/nc-Si:H三結(jié)電池，穩(wěn)定效率為12.41%，面積為1.05cm2。之后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化電池工藝，制備了大面積電池組件，面積為400cm2組件的穩(wěn)定效率為11.2%，面積為807.8cm2組件的初始效率為11.8%，電池實(shí)物圖如圖2所示。

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠團(tuán)隊(duì)，在30μm厚的不銹鋼襯底上，制備的a-Si:H/nc-Si:H雙結(jié)電池組件，效率為11%，面積為200cm2，這是國(guó)內(nèi)*好的不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽(yáng)電池組件。

圖2 大面積柔性硅薄膜太陽(yáng)電池組件實(shí)物圖

2.塑料襯底柔性硅薄膜太陽(yáng)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(tài)轉(zhuǎn)換溫度*高（450℃），PET的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度*低（80℃），但是PET的透過(guò)率*好，成本*低。所以，以PI和PEN為襯底制備硅薄膜太陽(yáng)電池，電池結(jié)構(gòu)為nip結(jié)構(gòu)；以PET為襯底制備硅薄膜太陽(yáng)電池，電池結(jié)構(gòu)可為nip或pin結(jié)構(gòu)。

（1）nip結(jié)構(gòu)柔性硅薄膜太陽(yáng)電池

Haug等在50μm厚的PET和PEN襯底上制備了小面積nip型單結(jié)非晶硅、單結(jié)納晶硅以及雙結(jié)太陽(yáng)電池。制備的非晶硅單結(jié)電池效率為8.1%，納晶硅單結(jié)電池效率為8.7%，雙結(jié)電池效率為10.9%。Sodeestorm等在PEN襯底上制備的nip非晶硅單結(jié)電池效率為8.8%。Marins等在125μm厚的PI襯底上制備的微晶硅單結(jié)電池效率為7.5%。Liu等采用轉(zhuǎn)移襯底技術(shù)制備非晶硅單結(jié)電池，制備的nip非晶硅單結(jié)電池效率為7.69%，小組件效率為6.7%。Li等也采用轉(zhuǎn)移襯底技術(shù)制備柔性雙結(jié)太陽(yáng)電池，小面積電池效率為7.8%，面積為0.16cm2；小組件效率為7.4%，面積為25cm2。

（2）pin結(jié)構(gòu)柔性硅薄膜太陽(yáng)電池

Fenández等以250μm厚的PET為襯底，制備了pin型單結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池，研究表明，當(dāng)采用較低的沉積功率制備摻鋁氧化鋅（AZO）膜層時(shí)，電池的開(kāi)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(yáng)電池

銅銦鎵硒是一種直接帶隙材料，可見(jiàn)光的吸收系數(shù)高達(dá)105cm–1數(shù)量級(jí)，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜中In和Ga兩種元素的比例，帶隙寬度可以在1.04~1.67eV范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。

銅銦鎵硒太陽(yáng)電池可沉積在金屬或塑料襯底上，形成柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池，電池結(jié)構(gòu)如圖3所示。在電池方面，效率*高的金屬襯底柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池是日本青山學(xué)院大學(xué)（AGU）在Ti襯底上制備的，電池效率為17.9%，效率*高的塑料襯底柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池是瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開(kāi)發(fā)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*高的柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)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2585mm×1293mm，功率為510W，重量為6.6kg。目前，還沒(méi)有以塑料為襯底的柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池組件問(wèn)世。

圖3柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖

1.金屬襯底柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池

可用作柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池金屬襯底的有不銹鋼、鉬、鈦、鋁、銅等。1992年，美國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能技術(shù)集團(tuán)（ISET）以Mo為襯底，制備的電池效率為8.3%；2010年，日本產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)研究所（AIST）在金屬M(fèi)o襯底上，制備的電池效率為14.6%；2000年，德國(guó)巴登符騰堡太陽(yáng)能和氫能源研究中心（ZSW）在Ti襯底上制備的電池效率為12%；2009年，AGU在Ti襯底上，制備的電池效率為17.9%；德國(guó)法蘭克福太陽(yáng)能技術(shù)研究所（IST）在Cu襯底上制備的電池效率低于10%；1999年，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在不銹鋼襯底上，制備的電池效率為17.4%；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%；NanoSolar和EMPA在Al襯底上制備的電池*高效率為17.1%。在組件方面，效率*高的柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)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2585mm×1293mm。

2.塑料襯底柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池

目前，只有PI襯底可以作為柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池襯底。1996年，ISET在PI襯底上制備的電池效率為8.7%；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%，并將8個(gè)子電池集成制作了一個(gè)PI襯底小組件，效率為14.8%，電池實(shí)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%。

圖4效率為14.8%的PI襯底柔性銅銦鎵硒小組件實(shí)物圖

（三）柔性碲化鎘太陽(yáng)電池

碲化鎘（CdTe）材料是一種直接帶隙材料，光學(xué)帶隙為1.45eV，光吸收系數(shù)高，2μm厚的碲化鎘材料可吸收100%的太陽(yáng)光。并且，在質(zhì)子和電子輻射下，材料性能非常穩(wěn)定。

碲化鎘太陽(yáng)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(yáng)電池。效率*高的金屬襯底柔性碲化鎘太陽(yáng)電池是EMPA在金屬鉬襯底上制備的，效率為11.5%，效率*高的塑料襯底柔性碲化鎘太陽(yáng)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(yáng)電池組件問(wèn)世。

1.金屬襯底柔性碲化鎘太陽(yáng)電池

金屬襯底柔性碲化鎘太陽(yáng)電池的電池結(jié)構(gòu)如圖5所示。金屬襯底碲化鎘太陽(yáng)電池效率普遍較低，一般在3.5%~8%。直至2013年，EMPA通過(guò)調(diào)節(jié)CdTe中的Cu摻雜含量，獲得效率為11.5%的鉬襯底碲化鎘太陽(yáng)電池。

圖5金屬襯底柔性碲化鎘太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖

2.塑料襯底柔性碲化鎘太陽(yáng)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(yáng)電池，電池結(jié)構(gòu)如圖6所示。然而，對(duì)于上襯底結(jié)構(gòu)電池，光需要通過(guò)塑料襯底進(jìn)入到電池中，因此塑料襯底的透光性也是一個(gè)考慮因素。

圖6塑料襯底柔性碲化鎘太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖

（1）塑料襯底（上襯底結(jié)構(gòu)）柔性碲化鎘太陽(yáng)電池

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

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