鈣鈦礦火熱，柔性太陽電池發展研究

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

文/王輝 曹越先 馮江山 杜敏永 張豆豆 王開 秦煒 劉生忠，中國科學院大連化學物理研究所 陜西師范大學，中國工程科學

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**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。

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*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%，提升到現在的22.7%，**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*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1.1~1.7eV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*高的柔性硅薄膜太陽電池是由美國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電池組件孔徑效率是8.2%，功率是144W，也是由美國UnitedSolar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。

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UnitedSolar公司是*早研究不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池的公司，也是**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*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UnitedSolar公司**科學家劉生忠及其團隊，采用高速沉積（>1nm/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1.05cm2。之后，該團隊進一步優化電池工藝，制備了大面積電池組件，面積為400cm2組件的穩定效率為11.2%，面積為807.8cm2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30μm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%，面積為200cm2，這是國內*好的不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池組件。

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*高（450℃），PET的玻璃態轉換溫度*低（80℃），但是PET的透過率*好，成本*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等在50μm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等在PEN襯底上制備的nip非晶硅單結電池效率為8.8%。Marins等在125μm厚的PI襯底上制備的微晶硅單結電池效率為7.5%。Liu等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0.16cm2；小組件效率為7.4%，面積為25cm2。

（2）pin結構柔性硅薄膜太陽電池

Fenández等以250μm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105cm–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1.04~1.67eV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*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*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*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2585mm×1293mm，功率為510W，重量為6.6kg。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。

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%；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%；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%；2009年，AGU在Ti襯底上，制備的電池效率為17.9%；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%；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%；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%；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%。

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1.45eV，光吸收系數高，2μm厚的碲化鎘材料可吸收100%的太陽光。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*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*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。

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。

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10μm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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