柔性太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)、與傳統(tǒng)電池的區(qū)別、制備方法

摘要：隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，種類也越來(lái)越多，從傳統(tǒng)的光伏電站（離網(wǎng)或并網(wǎng)），到光伏建筑一體化（BIPV），到PV-LED等等。這些應(yīng)用中，絕大多數(shù)采用的是剛性太陽(yáng)能電池，如晶體硅電池。而在一些剛性電池?zé)o法勝任的場(chǎng)合中，柔性太陽(yáng)能電池正以其獨(dú)特、柔韌的特點(diǎn)贏得了一席之地，在各種戶外便攜的應(yīng)用里，特別是科考、軍工等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。 　　本文主要以目前較為成熟、應(yīng)用較為廣泛的柔性非晶硅太陽(yáng)能電池為主，介紹了柔性太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)、與傳統(tǒng)電池的區(qū)別、制備方法和便攜式供電系統(tǒng)的構(gòu)成，同時(shí)闡述了便攜式太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的配置關(guān)系，如何在最佳的成本控制上產(chǎn)生最佳的效果，為今后更細(xì)化的設(shè)計(jì)提供參考。隨著技術(shù)的發(fā)展，還將有更多的柔性太陽(yáng)能電池被開發(fā)出來(lái)，形成產(chǎn)品，本文最后也將為未來(lái)新一代的柔性太陽(yáng)能電池的趨勢(shì)進(jìn)行介紹、探討。 　　1、柔性太陽(yáng)能電池 　　上述的太陽(yáng)能電池種類中，絕大部分為剛性結(jié)構(gòu)，即是用玻璃材料封裝，輔以邊框緊固。我們可以想象，在戶外背負(fù)著一塊巨大的玻璃板進(jìn)行，是多么不令人愉快的。有的品種雖然可制備成柔性形態(tài)，但是柔韌度、抗破壞性、耐候性和壽命均存在很大的不足。比如SUNPOWER公司的柔性單晶硅產(chǎn)品，雖然已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)輕微斷裂后仍可繼續(xù)工作，但是柔性程度只能達(dá)到30%，即是說(shuō)，彎折到31%時(shí)，電池將徹底斷裂而報(bào)廢。 　　在本文論述的戶外柔性便攜式太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池?zé)o非是最為核心的內(nèi)容。在戶外使用中，我們很難給用戶限定各種使用方法，特別在軍事領(lǐng)域，一款脆弱的電池，是不能勝任“便攜性”這三個(gè)字的。 　　雖然碲化鎘、CIGS等電池可制備成不易損壞的太陽(yáng)能電池組件，但是他們?nèi)耘f還未解決隔氧隔水等問(wèn)題，使用壽命相當(dāng)有限。近年，中國(guó)的漢能集團(tuán)席卷歐美CIGS企業(yè)，收購(gòu)了數(shù)家重量級(jí)CIGS廠商，準(zhǔn)備大干一場(chǎng)。雖然他們?cè)谖蓓敯l(fā)電（BIPV）方面營(yíng)造出了不少成就，但是柔性太陽(yáng)能電池仍舊遲遲未能推出產(chǎn)品，主要便是被隔水的封裝工藝?yán)_。 　　有機(jī)太陽(yáng)能電池也是未來(lái)柔性太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向，他采用印刷生產(chǎn)，高效且低成本，未來(lái)不僅可制備成柔性，甚至可以作為涂料直接涂抹。但是，就目前全世界前沿的實(shí)驗(yàn)室或公司來(lái)看，現(xiàn)在還僅僅能是停留在手套箱+玻璃器件階段，市場(chǎng)化的道路還十分漫長(zhǎng)。 　　真正商業(yè)化應(yīng)用較為成功的，只有柔性非晶硅太陽(yáng)能電池。 　　2、柔性非晶硅太陽(yáng)能電池 　　自1945年美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室制造出了世界上第一塊實(shí)用的硅太陽(yáng)能電池開始，便開創(chuàng)了現(xiàn)代人類利用太陽(yáng)能的新紀(jì)元。隨著數(shù)十年來(lái)世界各國(guó)的大力研究，太陽(yáng)能的開發(fā)方興未艾，近年來(lái)，研制出的太陽(yáng)能新產(chǎn)品層出不窮，其中柔性非晶硅太陽(yáng)能電池便是其中一顆最為璀璨的新星。 　　2.1 柔性非晶硅太陽(yáng)能電池的形態(tài) 　　柔性非晶硅太陽(yáng)能電池軟性、透明、細(xì)薄（約為1微米之厚度），太陽(yáng)能光電模塊原件（見圖②）呈片狀，其制造技術(shù)已完全成熟量產(chǎn)，每一KW所需硅材僅0.067公斤，而其對(duì)高頻日照光譜（藍(lán)色）最為敏感。 　　柔性薄膜太陽(yáng)能電池除具備傳統(tǒng)太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換功能外，顧名思義，其形體柔軟輕便，封裝后（太陽(yáng)能電池芯片需經(jīng)過(guò)封裝后方可正常使用）厚度僅為1.5mm，輸出功率為50W的電池板重量?jī)H為2.5KG，是傳統(tǒng)太陽(yáng)能的1/6。由于其表面舍棄了易碎、脆弱的玻璃或樹脂材料，而采用高分子聚合物膠膜封裝，使產(chǎn)品更為柔韌耐用，并且可任意彎曲折疊（傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池均以玻璃封裝，脆弱易損），甚至可根據(jù)不同的裝備要求制作成任意造型，折疊后僅為書本大小，便于攜帶。野外作業(yè)時(shí)，只需將太陽(yáng)能電池板任意鋪展或懸掛，便可對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，并可于行走時(shí)背負(fù)使用。 　　不受溫度影響：太陽(yáng)能產(chǎn)品在一般戶外使用時(shí)，其內(nèi)部的太陽(yáng)能電池（Solar Cell）溫度不受影響 　　品質(zhì)輕：7.0 kg/m?，不會(huì)因?yàn)樘?yáng)能板的鋪設(shè)給屋面造成過(guò)重負(fù)荷，屋面主結(jié)構(gòu)的選型也不會(huì)因太陽(yáng)能板的鋪設(shè)而發(fā)生大的變化。 　　靈活，易彎曲：薄膜板是輕質(zhì)軟件材料，在屋頂平均坡度<60°，彎曲板半徑>13 m時(shí)可以隨屋面形狀任意彎曲。 　　持久耐用：使用抗UV聚合物封裝太陽(yáng)能電池，故產(chǎn)品特別持久耐用、清潔，板表面光滑，不吸塵，任何灰塵都能在下雨時(shí)被雨水沖掉。屋面不需要進(jìn)行外部清洗。 　　耐遮影：產(chǎn)品采用三復(fù)合層高伏特光電技術(shù)，當(dāng)遇到遮蔽或陰影情況時(shí)，仍然能夠轉(zhuǎn)換輸出比一般太陽(yáng)能產(chǎn)品要多的電能。 　　無(wú)玻璃：產(chǎn)品舍棄易碎的玻璃改采杜邦（DuPont）聚合物來(lái)保護(hù)太陽(yáng)能電池。 　　2.2 旁路二極管技術(shù) 　　采用在太陽(yáng)光線受到遮蔽時(shí)仍可提供較高的光電轉(zhuǎn)換率——旁路二極管技術(shù)。當(dāng)太陽(yáng)能板部分被周邊建筑物或屋頂上方對(duì)象遮擋時(shí)，由于旁路二極管的連通，僅僅只是陰影面覆蓋的太陽(yáng)能板部分不參與工作，其余部分仍正常工作，也即被陰影遮蔽的這組板仍能產(chǎn)生電流。而多晶硅板一旦有陰影遮蔽，整組太陽(yáng)能板將退出工作狀態(tài)。 　　2.3 光譜吸收范圍 　　柔性非晶硅太陽(yáng)能電池中嵌有三層硅晶體，粘附在不銹鋼薄膜上，外覆醋酸乙烯乙烷聚合物（EVA）保護(hù)層。三層膜粘合可減薄每個(gè)子電子層的厚度，使每個(gè)子電池的內(nèi)電場(chǎng)增加，增加了各子電池的收集效率，擴(kuò)展了光譜相應(yīng)范圍。每一層硅晶體都能轉(zhuǎn)換可見光譜中的特定部分，從而即使在陰雨、多云天氣中也可提供較高的光電轉(zhuǎn)換率，彌補(bǔ)了非晶硅相對(duì)于多晶硅，單晶硅板在晴好天氣轉(zhuǎn)換率低的不足（晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率在17%左右，非晶硅電池約為8-10%，轉(zhuǎn)換效率高主要體現(xiàn)在產(chǎn)品可節(jié)省一定受光面積，而總體功率不變）。 圖⑷ 光譜吸收范圍 　　2.4 三復(fù)合層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　在傳統(tǒng)的非晶硅電池中，分為單結(jié)，雙結(jié)，三結(jié)，甚至還有5結(jié)之多。但是綜合成本考慮，比較多用的是3結(jié)結(jié)構(gòu)。所謂的3結(jié)結(jié)構(gòu)，就是分為三層吸光層，各吸收不同的太陽(yáng)光譜波段。他采用P.I.N綜合多層制造以降低光感反射效應(yīng)，而P.I.N又是主要導(dǎo)電層，因此由非晶質(zhì)與鍺元素等材料結(jié)構(gòu)，使帶隙空特性來(lái)調(diào)和能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)8.6%左右。太陽(yáng)能譜輻射電場(chǎng)范圍涵蓋X光輻射及珈碼輻射其波長(zhǎng)有： 　　紫外線 （0.04-400nm）9% 　　可見光波 （400-700nm）47% 　　紅外線波 （700-300,000） 44% 　　微波及無(wú)線電波等。 　　晶體硅太陽(yáng)能電池對(duì)紅色視覺(jué)光譜帶（如冬季日照光譜）吸收效應(yīng)最高，在晴空明朗的日照密度下可達(dá)1100-1250w/m2。A-SI材質(zhì)的非晶太陽(yáng)能電池，對(duì)藍(lán)色日照光譜（如夏季及陰天之情況下）其吸收效應(yīng)在日照密度僅 50-400w/m2的氣候下亦能獲得最高的光能轉(zhuǎn)換效率。 　　晶體硅太陽(yáng)能電池對(duì)紅色視覺(jué)光譜帶（如冬季日照光譜）吸收效應(yīng)最高，在晴空明朗的日照密度下可達(dá)1100-1250w/m2。A-SI材質(zhì)的非晶太陽(yáng)能電池，對(duì)藍(lán)色日照光譜（如夏季及陰天之情況下）其吸收效應(yīng)在日照密度僅 50-400w/m2的氣候下亦能獲得最高的光能轉(zhuǎn)換效率。 圖⑸ 三復(fù)合層結(jié)構(gòu) 　　三復(fù)合層太陽(yáng)能電池采三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分層吸收太陽(yáng)各種波長(zhǎng)光普，因此可轉(zhuǎn)換并輸出比一般太陽(yáng)能產(chǎn)品更多的電能。 　　頂層使用非晶硅材料，光學(xué)能階間隙達(dá)1.8eV，利于吸收藍(lán)光。 　　底層使用非晶硅與40-50%之鍺合金材料，光學(xué)能階間隙達(dá)1.4eV，可吸收紅光與遠(yuǎn)紅光。 　　中層使用非晶硅與10-15%之鍺合金材料，光學(xué)能階間隙達(dá)1.6eV，利于吸收綠光。 　　在光源進(jìn)入時(shí)未被吸收的光線會(huì)被基底層的銀與氧化鋅（Ag/Zno）反射回去，并在往外反射的途中被吸收。） 　　2.5 環(huán)境與氣候影響 　　由于季節(jié)性的關(guān)系，長(zhǎng)年日照密度隨著大氣溫變化，太陽(yáng)能日照密度、云層遮蓋的時(shí)間及溫（熱）效應(yīng)等，太陽(yáng)能電池運(yùn)轉(zhuǎn)效率因產(chǎn)品與氣候有相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)（如圖⑹、⑺曲線資料數(shù)據(jù)比較說(shuō)明）。 　　由輸出能量溫升折損曲線比較表，多晶硅太陽(yáng)能光電模塊在標(biāo)準(zhǔn)全日照量（1000 w/m2）以60℃運(yùn)轉(zhuǎn)溫度情況下，其能量（電壓）轉(zhuǎn)換折損高達(dá)15%以上，單晶態(tài)太陽(yáng)能光電模塊約17%。 　　而柔性非晶硅太陽(yáng)能電池，不但未受影響且在日照密度（600 w/m2）情況期獲取能量顯然毫無(wú)損失，因此于東亞季節(jié)氣候下，其輸出能量反而有提升的跡象。是故太陽(yáng)能光電模塊能量轉(zhuǎn)換率，直接受到材質(zhì)與結(jié)構(gòu)技術(shù)及區(qū)域季節(jié)性氣候溫度有密切的關(guān)系。 圖⑹ 25℃與60℃非晶硅與晶體硅的相對(duì)效率對(duì)比 圖⑺ 25℃與60℃非晶硅與晶體硅的產(chǎn)生電能對(duì)比 　　2.6 封裝特點(diǎn) 　　柔性非晶硅太陽(yáng)能電池表面封裝的高分子膠膜進(jìn)行了科學(xué)化設(shè)計(jì)，其表面的紋路處理可吸收來(lái)自各個(gè)角度的光線，有效的防止了日光折損。即使在沒(méi)有陽(yáng)光的陰雨天，亦能產(chǎn)生30%左右的功率，整體效能比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池提升20%。 　　不僅如此，柔性薄膜太陽(yáng)能電池經(jīng)封裝后還具有免維護(hù)、防水、防腐、防污、抗沖擊、抗重壓、耐溫絕緣等傳統(tǒng)太陽(yáng)能無(wú)法具備的優(yōu)點(diǎn)。其表面使用高強(qiáng)惰性的氟塑料膠膜封裝，表面光滑不吸附，即使受到污染，亦可憑借雨水的沖刷或簡(jiǎn)單的清潔去除臟物。TP-SOLAR柔性薄膜太陽(yáng)能電池在-40℃至80℃的環(huán)境中均可正常工作，即使某部位被子彈擊穿，其余部分仍可不受之影響產(chǎn)生電能。 圖（8） 用迷彩布基封裝的柔性非晶硅太陽(yáng)能組件 圖（9） 柔性非晶硅太陽(yáng)能組件展開和折疊后的形態(tài) 　　2.7 使用壽命 　　單就柔性非晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，其使用壽命很長(zhǎng)，整套光伏板發(fā)電系統(tǒng)20年內(nèi)有80％的電能輸出保證，（因?yàn)楣夥逶?5年后會(huì)停止退化，此后光伏板仍能產(chǎn)生不少于20％的電能），20年后整個(gè)光伏板系統(tǒng)還能使用多久主要依賴于建筑物所處的氣候環(huán)境。控制器、逆變器等電子設(shè)備通常只有5年的使用壽命，5年后需更換其中某些配件以使其正常工作，好比汽車或日用電器需更換某些零部件一樣，無(wú)需很多費(fèi)用。據(jù)美國(guó)可再生能源研究室的戶外系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告：衰減率為－0.74％（TP-SOLAR牌）。 　　3、柔性非晶硅太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的對(duì)比 　　評(píng)價(jià)一個(gè)太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)劣除了看它是否具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率外，還應(yīng)參考系統(tǒng)在白天的工作效率。目前市面上供應(yīng)的單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率為17%，多晶硅的為16%，非晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率僅為9%，但這并不意味晶體硅太陽(yáng)能電池比非晶硅太陽(yáng)能電池在一天里將更多的光能轉(zhuǎn)化為電能。由于材料本身的特性不同，非晶硅太陽(yáng)能電池具有晶體硅太陽(yáng)能電池不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。 　　單晶硅太陽(yáng)能電池一般只能在晴天正午時(shí)具有光電轉(zhuǎn)換能力，而非晶硅太陽(yáng)能電池比單晶硅、多晶硅太陽(yáng)能電池組件有著更長(zhǎng)的發(fā)電時(shí)間，無(wú)論是晴天的強(qiáng)光輻照下或在沙塵天、陰雨天的弱散射光下，非晶硅太陽(yáng)能電池板的同功率發(fā)電量均大于單晶硅太陽(yáng)能電池的同功率發(fā)電量。因此在全年變化的氣候下，非晶硅太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效能均優(yōu)于單晶硅太陽(yáng)能電池板。 （文/倪斌 廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院（廈門漢青信息技術(shù)有限公司）　王亞軍 副教授 廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院　賈迎春 陳艷玲 周珍富 郭捷）