柔性非晶硅太陽能電池性能的研究

[摘要]隨著光伏技術的發(fā)展，光伏發(fā)電的應用越來越廣泛，種類也越來越多，從傳統(tǒng)的光伏電站（離網或并網），到光伏建筑一體化（BIPV），到PV-LED等等。這些應用中，絕大多數(shù)采用的是剛性太陽能電池，如晶體硅電池。而在一些剛性電池無法勝任的場合中，柔性太陽能電池正以其獨特、柔韌的特點贏得了一席之地，在各種戶外便攜的應用里，特別是科考、軍工等領域發(fā)揮著不可替代的作用。 　　本文主要以目前較為成熟、應用較為廣泛的柔性非晶硅太陽能電池為主，介紹了柔性太陽能電池的特點、與傳統(tǒng)電池的區(qū)別、制備方法和便攜式供電系統(tǒng)的構成，同時闡述了便攜式太陽能供電系統(tǒng)的配置關系，如何在最佳的成本控制上產生最佳的效果，為今后更細化的設計提供參考。隨著技術的發(fā)展，還將有更多的柔性太陽能電池被開發(fā)出來，形成產品，本文最后也將為未來新一代的柔性太陽能電池的趨勢進行介紹、探討。 　　1、柔性太陽能電池 　　上述的太陽能電池種類中，絕大部分為剛性結構，即是用玻璃材料封裝，輔以邊框緊固。我們可以想象，在戶外背負著一塊巨大的玻璃板進行，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品，雖然已經可以實現(xiàn)輕微斷裂后仍可繼續(xù)工作，但是柔性程度只能達到30%，即是說，彎折到31%時，電池將徹底斷裂而報廢。 　　在本文論述的戶外柔性便攜式太陽能供電系統(tǒng)中，太陽能電池無非是最為核心的內容。在戶外使用中，我們很難給用戶限定各種使用方法，特別在軍事領域，一款脆弱的電池，是不能勝任"便攜性"這三個字的。 　　雖然碲化鎘、CIGS等電池可制備成不易損壞的太陽能電池組件，但是他們仍舊還未解決隔氧隔水等問題，使用壽命相當有限。近年，中國的漢能集團席卷歐美CIGS企業(yè)，收購了數(shù)家重量級CIGS廠商，準備大干一場。雖然他們在屋頂發(fā)電（BIPV）方面營造出了不少成就，但是柔性太陽能電池仍舊遲遲未能推出產品，主要便是被隔水的封裝工藝困擾。 　　有機太陽能電池也是未來柔性太陽能電池的一個重要方向，他采用印刷生產，高效且低成本，未來不僅可制備成柔性，甚至可以作為涂料直接涂抹。但是，就目前全世界前沿的實驗室或公司來看，現(xiàn)在還僅僅能是停留在手套箱+玻璃器件階段，市場化的道路還十分漫長。 　　真正商業(yè)化應用較為成功的，只有柔性非晶硅太陽能電池。 　　2、柔性非晶硅太陽能電池 　　自1945年美國貝爾電話實驗室制造出了世界上第一塊實用的硅太陽能電池開始，便開創(chuàng)了現(xiàn)代人類利用太陽能的新紀元。隨著數(shù)十年來世界各國的大力研究，太陽能的開發(fā)方興未艾，近年來，研制出的太陽能新產品層出不窮，其中柔性非晶硅太陽能電池便是其中一顆最為璀璨的新星。 　　2.1 柔性非晶硅太陽能電池的形態(tài) 　　柔性非晶硅太陽能電池軟性、透明、細薄(約為1微米之厚度)，太陽能光電模塊原件（見圖②）呈片狀，其制造技術已完全成熟量產，每一KW所需硅材僅0.067公斤，而其對高頻日照光譜(藍色)最為敏感。 　　柔性薄膜太陽能電池除具備傳統(tǒng)太陽能的光電轉換功能外，顧名思義，其形體柔軟輕便，封裝后（太陽能電池芯片需經過封裝后方可正常使用）厚度僅為1.5mm，輸出功率為50W的電池板重量僅為2.5KG，是傳統(tǒng)太陽能的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，使產品更為柔韌耐用，并且可任意彎曲折疊（傳統(tǒng)太陽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，只需將太陽能電池板任意鋪展或懸掛，便可對負載進行供電，并可于行走時背負使用。 　　不受溫度影響 　　太陽能產品在一般戶外使用時，其內部的太陽能電池（Solar Cell）溫度不受影響 　　品質輕。7.0 kg/m?，不會因為太陽能板的鋪設給屋面造成過重負荷，屋面主結構的選型也不會因太陽能板的鋪設而發(fā)生大的變化。 　　靈活，易彎曲。薄膜板是輕質軟件材料，在屋頂平均坡度<60°，彎曲板半徑>13 m時可以隨屋面形狀任意彎曲。 　　持久耐用 　　使用抗UV聚合物封裝太陽能電池，故產品特別持久耐用、清潔，板表面光滑，不吸塵，任何灰塵都能在下雨時被雨水沖掉。屋面不需要進行外部清洗。 　　耐遮影 　　產品采用三復合層高伏特光電技術，當遇到遮蔽或陰影情況時，仍然能夠轉換輸出比一般太陽能產品要多的電能。 　　無玻璃 　　產品舍棄易碎的玻璃改采杜邦（DuPont）聚合物來保護太陽能電池。 　　2.2 旁路二極管技術 　　采用在太陽光線受到遮蔽時仍可提供較高的光電轉換率--旁路二極管技術。當太陽能板部分被周邊建筑物或屋頂上方對象遮擋時，由于旁路二極管的連通，僅僅只是陰影面覆蓋的太陽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生電流。而多晶硅板一旦有陰影遮蔽，整組太陽能板將退出工作狀態(tài)。 圖⑶ 非晶硅與晶硅太陽能電池遮影比較 　　2.3 光譜吸收范圍 　　柔性非晶硅太陽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)保護層。三層膜粘合可減薄每個子電子層的厚度，使每個子電池的內電場增加，增加了各子電池的收集效率，擴展了光譜相應范圍。每一層硅晶體都能轉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換率，彌補了非晶硅相對于多晶硅，單晶硅板在晴好天氣轉換率低的不足（晶體硅電池轉換效率在17%左右，非晶硅電池約為8-10%，轉換效率高主要體現(xiàn)在產品可節(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 三復合層結構設計 　　在傳統(tǒng)的非晶硅電池中，分為單結，雙結，三結，甚至還有5結之多。但是綜合成本考慮，比較多用的是3結結構。所謂的3結結構，就是分為三層吸光層，各吸收不同的太陽光譜波段。他采用P.I.N綜合多層制造以降低光感反射效應，而P.I.N又是主要導電層，因此由非晶質與鍺元素等材料結構，使帶隙空特性來調和能量轉換率可達8.6%左右。太陽能譜輻射電場范圍涵蓋X光輻射及珈碼輻射其波長有: 　　紫外線 (0.04-400nm)9% 　　可見光波 (400-700nm)47% 　　紅外線波 (700-300,000) 44% 　　微波及無線電波等。 　　晶體硅太陽能電池對紅色視覺光譜帶(如冬季日照光譜)吸收效應最高，在晴空明朗的日照密度下可達1100-1250w/m2。A-SI材質的非晶太陽能電池，對藍色日照光譜(如夏季及陰天之情況下)其吸收效應在日照密度僅 50-400w/m2的氣候下亦能獲得最高的光能轉換效率。 圖⑸ 三復合層結構 　　三復合層太陽能電池采三明治結構設計，分層吸收太陽各種波長光普，因此可轉換并輸出比一般太陽能產品更多的電能。 　　頂層使用非晶硅材料，光學能階間隙達1.8eV，利于吸收藍光。 　　底層使用非晶硅與40-50%之鍺合金材料，光學能階間隙達1.4eV，可吸收紅光與遠紅光。 　　中層使用非晶硅與10-15%之鍺合金材料，光學能階間隙達1.6eV，利于吸收綠光。 　　在光源進入時未被吸收的光線會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)性的關系，長年日照密度隨著大氣溫變化，太陽能日照密度、云層遮蓋的時間及溫(熱)效應等，太陽能電池運轉效率因產品與氣候有相當?shù)年P聯(lián)(如圖⑹、⑺曲線資料數(shù)據(jù)比較說明）。 　　由輸出能量溫升折損曲線比較表，多晶硅太陽能光電模塊在標準全日照量(1000 w/m2)以60℃運轉溫度情況下，其能量(電壓)轉換折損高達15%以上，單晶態(tài)太陽能光電模塊約17%。 　　而柔性非晶硅太陽能電池，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。是故太陽能光電模塊能量轉換率，直接受到材質與結構技術及區(qū)域季節(jié)性氣候溫度有密切的關系。 　　2.6 封裝特點 　　柔性非晶硅太陽能電池表面封裝的高分子膠膜進行了科學化設計，其表面的紋路處理可吸收來自各個角度的光線，有效的防止了日光折損。即使在沒有陽光的陰雨天，亦能產生30%左右的功率，整體效能比傳統(tǒng)太陽能電池提升20%。 　　不僅如此，柔性薄膜太陽能電池經封裝后還具有免維護、防水、防腐、防污、抗沖擊、抗重壓、耐溫絕緣等傳統(tǒng)太陽能無法具備的優(yōu)點。其表面使用高強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單的清潔去除臟物。TP-SOLAR柔性薄膜太陽能電池在-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生電能。 　　2.7 使用壽命 　　單就柔性非晶硅太陽能電池來說，其使用壽命很長，整套光伏板發(fā)電系統(tǒng)20年內有80％的電能輸出保證，（因為光伏板在15年后會停止退化，此后光伏板仍能產生不少于20％的電能），20年后整個光伏板系統(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，無需很多費用。據(jù)美國可再生能源研究室的戶外系統(tǒng)測試報告：衰減率為－0.74％（TP-SOLAR牌）。 　　3、柔性非晶硅太陽能電池與傳統(tǒng)太陽能電池的對比 　　評價一個太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)劣除了看它是否具有更高的光電轉換效率外，還應參考系統(tǒng)在白天的工作效率。目前市面上供應的單晶硅太陽能電池的光電轉化效率為17%，多晶硅的為16%，非晶硅太陽能電池的光電轉換效率僅為9%，但這并不意味晶體硅太陽能電池比非晶硅太陽能電池在一天里將更多的光能轉化為電能。由于材料本身的特性不同，非晶硅太陽能電池具有晶體硅太陽能電池不能比擬的優(yōu)點。 　　單晶硅太陽能電池一般只能在晴天正午時具有光電轉換能力，而非晶硅太陽能電池比單晶硅、多晶硅太陽能電池組件有著更長的發(fā)電時間，無論是晴天的強光輻照下或在沙塵天、陰雨天的弱散射光下，非晶硅太陽能電池板的同功率發(fā)電量均大于單晶硅太陽能電池的同功率發(fā)電量。因此在全年變化的氣候下，非晶硅太陽能電池板的發(fā)電效能均優(yōu)于單晶硅太陽能電池板。  　　作者資料：廈門大學物理與機電工程學院、廈門漢青信息技術有限公司 倪斌