柔性太陽(yáng)能板的應(yīng)用現(xiàn)狀與性能測(cè)試分析

劉麗 周向陽(yáng)

摘 要：在市場(chǎng)生長(zhǎng)的不斷需要和發(fā)電成本持續(xù)降低的追求下，太陽(yáng)能光伏技術(shù)是一個(gè)需要引進(jìn)的“驅(qū)動(dòng)力”。文中結(jié)合柔性太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)，對(duì)比三種硅基太陽(yáng)能電池板，選取柔性太陽(yáng)能板中的非晶硅薄膜太陽(yáng)能作為研究對(duì)象，測(cè)量其效率并進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)表明柔性太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率要稍低于普通的硬性太陽(yáng)能電池板。但由于柔性太陽(yáng)能電池優(yōu)越的柔韌性，使它能夠在傳統(tǒng)剛性板不易觸及的領(lǐng)域中使用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;剛性太陽(yáng)能板;柔性太陽(yáng)能板;轉(zhuǎn)換效率

1 緒論

柔性太陽(yáng)能電池，是世界太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的“新生兒”，屬于薄膜太陽(yáng)能電池的一種，它具有可彎曲、重量輕、性能穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)、成本低、用途廣等優(yōu)勢(shì)。以前制造剛性太陽(yáng)能電池板時(shí)，會(huì)先在兩層玻璃中間鋪上EVA膠膜和電池片，然后再組裝起來(lái)，這樣帶來(lái)的麻煩是器件重量較大不易移動(dòng)，而且安裝時(shí)需要支架來(lái)固定。柔性太陽(yáng)能板在它的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，采用了UV可固化的聚合物包裝，這樣的好處就是重量輕，彈性好，確保了高的耐用性。這類包裝的聚合物原料包含EVA和氟ETEE（高耐力ETEE是高度透明的聚合物），不銹鋼基底的背板更保證了產(chǎn)品的強(qiáng)度。奇特的安放讓它便于攜帶，容易配置。組件可以折疊，可以重新組裝，完全滿足對(duì)產(chǎn)品耐久性，功能性和可靠性的要求。

隨著柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)的日益成熟，種類也越來(lái)越多，其中主要包括非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒薄膜電池、有機(jī)太陽(yáng)電池、染料敏化太陽(yáng)能電池等。

2 硅基太陽(yáng)能電池

作為整條光伏產(chǎn)業(yè)鏈的核心，硅基太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。

2.1 單晶硅太陽(yáng)能電池

單晶硅太陽(yáng)能電池是用單一晶硅錠塊制作，通過在高科技實(shí)驗(yàn)室切片、摻雜和蝕刻而制成。在太陽(yáng)能電池行業(yè)中，單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是最高的，技術(shù)也是最成熟的。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的最大轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)?；a(chǎn)時(shí)的效率為18%。在大規(guī)模使用中和工業(yè)制造中占有主要地位。

2.2 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

這種電池是用硅錠構(gòu)成的各類硅晶體制成的。他們還是通過切片、摻雜和蝕刻得來(lái)。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅對(duì)比，費(fèi)用便宜，但功效比單晶硅稍低，其實(shí)驗(yàn)室最大轉(zhuǎn)換效率為18%，產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。

2.3 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

非晶指缺乏幾何晶格結(jié)構(gòu)。就晶體硅而言，非晶組件不具有有序的晶體結(jié)構(gòu)特征。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池費(fèi)用低，重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大領(lǐng)域生產(chǎn)，有很大的發(fā)展。但受制于其原料引起的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接決定了它的實(shí)際使用情況。如果還能深入處理穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)換效率的問題，那非晶硅太陽(yáng)能電池毫無(wú)疑問的是太陽(yáng)能電池的重要發(fā)展產(chǎn)物之一。

3 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本次以柔性太陽(yáng)能電池中的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池作為研究對(duì)象，搭建電路，測(cè)量其轉(zhuǎn)換效率，展開分析。

3.1 太陽(yáng)能電池等效電路

針對(duì)在現(xiàn)實(shí)情況下的太陽(yáng)能電池，決定轉(zhuǎn)換效率的重要因素有：一是串聯(lián)電阻Rs，由三部分組成，即金屬電極的電阻、半導(dǎo)體材料的體電阻、接觸電阻;二是并聯(lián)電阻Rp，這部分是由于電池邊沿泄電或耗盡區(qū)內(nèi)的負(fù)荷電流引起的。圖1是實(shí)際太陽(yáng)能電池的單二級(jí)管等效模型。

圖1 ?實(shí)際太陽(yáng)能電池的單二級(jí)管等效模型

3.2 太陽(yáng)能電池效率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

先測(cè)量入射光的功率，繼而用被測(cè)電池的最大輸出功率與入射光的功率相除，便可得到該電池的轉(zhuǎn)換效率。由于太陽(yáng)能電池的性能不僅和入射光的功率相關(guān)，還要考慮光譜成分的影響，并且在室外測(cè)試時(shí)環(huán)境的影響很大，加上儀器儀表的誤差，因而在不同的時(shí)間、不同的地點(diǎn)，同一電池測(cè)出的數(shù)據(jù)也很有可能不一樣。為了對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出特性作出相對(duì)較正確的評(píng)估，衡量和計(jì)算應(yīng)當(dāng)從以下三個(gè)環(huán)節(jié)順序進(jìn)行：

①測(cè)量入射于太陽(yáng)能電池的光照度：首先要確定光源的種類，如果直接以室外太陽(yáng)光做光源，應(yīng)盡量選取光線相對(duì)較穩(wěn)定的時(shí)間和地點(diǎn)，而如果選用室內(nèi)接近于太陽(yáng)光的模擬太陽(yáng)光作光源（日光燈等），除了要注意上面問題，還要保證光照距離和受光面積等，再測(cè)量光照度。在測(cè)量光的照度時(shí)，要盡量保證光譜的能量和光譜的穩(wěn)定性。本次實(shí)驗(yàn)，時(shí)間是早上9：00-10：00，地點(diǎn)是室外走廊，天氣陰，無(wú)風(fēng)。

②測(cè)量太陽(yáng)能電池的輸出特性：太陽(yáng)能電池輸出特性，能夠由太陽(yáng)能電池、電壓表、電流表和可變負(fù)載構(gòu)成的電路測(cè)得。這里，用兩個(gè)萬(wàn)用表代替電壓表和電流表，以10KΩ的電位器當(dāng)作太陽(yáng)能電池負(fù)載，在固定光照強(qiáng)度下（將滑動(dòng)支架牢固在導(dǎo)軌上某處），將太陽(yáng)能電池板安裝到支架上，通過改變電位器的電阻值，記錄對(duì)應(yīng)表上的輸出電壓V和電流I。

③計(jì)算電池的轉(zhuǎn)換效率：測(cè)得的太陽(yáng)能電池的輸出特性，計(jì)算出各點(diǎn)的電壓與電流乘積即為對(duì)應(yīng)負(fù)載下的輸出功率P，對(duì)比找到最大輸出功率Pm，而根據(jù)步驟①光照度計(jì)測(cè)得的入射光照度Ev，可以計(jì)算出入射光功率：

Pin=S×Ev ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3-1）

據(jù)此，計(jì)算出轉(zhuǎn)換效率：

η=Um×Im /（S×Ev）=Pm/Pin ? ? ? ? ? ? ? ?（3-2）

其中S是電池的有效受光面積 。

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

不同負(fù)載時(shí)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的輸出電流與太陽(yáng)能電池的輸出電壓的關(guān)系如表1所示。

3.4 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

首先，用光照度計(jì)測(cè)得此時(shí)的光照度Ev=250lx左右。測(cè)得的太陽(yáng)能電池的輸出特性如上表1所示，由上計(jì)算出各點(diǎn)的電壓與電流乘積，即輸出功率對(duì)應(yīng)如上。如上表1可知，當(dāng)外界光強(qiáng)恒定時(shí)，在一定的范圍里，隨著太陽(yáng)能電池的輸出電壓增大，輸出的電流反而在減小，而兩者的乘積即輸出功率是先增大后減小，對(duì)應(yīng)伏安特性曲線上有一峰峰值，即此條件下的最大輸出的輸出功率：Pm=53.41mW，此時(shí)最佳工作電壓Um是1.38V，最佳工作電流Im是38.7mA，最佳負(fù)載：R=Um/Im=1.38/（38.7×10-3）=35.66（Ω）。由于要考慮非晶硅薄膜太陽(yáng)能板的有效受光面積，這里，采用的方法是：估算單個(gè)圓形受光區(qū)的面積，再乘以板上總圓數(shù)。實(shí)驗(yàn)所用的非晶硅薄膜太陽(yáng)能板的單個(gè)圓直徑d約2mm，總共有15×75個(gè)同樣的單元，即計(jì)算太陽(yáng)能板的有效受光面積：S=π×r2=3.14×（1×10-3）2×15×75=3.53 ×10-3（m2）。綜合以上，由公式（3-1）所得，入射光功率：Pin=S×Ev=3.53×10-3×250=0.883 （W）。據(jù)此，由公式（3-2）計(jì)算出轉(zhuǎn)換效率：η=Um×Im/S×Ev=Pm/Pin=53.41 ×10-3/0.883×100%100 =6.05%。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較低，只有6.05%，但與實(shí)際了解的轉(zhuǎn)換效率相差不大（理論上可以達(dá)到6%-8%左右）。在同樣環(huán)境下，對(duì)比非晶硅薄膜太陽(yáng)能板，在相同環(huán)境下測(cè)量剛性板的伏安特性關(guān)系如表2所示。

測(cè)量數(shù)據(jù)分析后可知?jiǎng)傂蕴?yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率也只有11.64%（理論上可以達(dá)到10%-24%左右）。對(duì)比兩組數(shù)據(jù)，就太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)換效率的相對(duì)值而言，可以說(shuō)明柔性太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率比剛性板的要低。

柔性太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率為什么比剛性太陽(yáng)能板低這么多？首先，兩種太陽(yáng)能板的材質(zhì)不同。剛性板光伏材料主要是單晶硅，由于單晶硅的缺陷少，有利于光生載流子的收集，而柔性太陽(yáng)能板使用的是非晶硅（又稱無(wú)定形硅），它是硅的同素異形體，和晶體硅不同的是，它的原子間晶格排列無(wú)序且不穩(wěn)定，這使得部分原子含有懸空鍵，這些懸空鍵不利于光生載流子的存在，即不利于光電轉(zhuǎn)換，因此，轉(zhuǎn)化效率不高。還有，非晶硅太陽(yáng)能板所特有的光致衰退效應(yīng)，也會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，并且，非晶硅這種物質(zhì)對(duì)光譜的響應(yīng)范圍是1.7ev-1.8ev（E（ev）λ（nm）=1240），使得材料本身對(duì)太陽(yáng)輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，這也限制了它的轉(zhuǎn)換效率。

其次，傳統(tǒng)剛性太陽(yáng)能板所用的鋼化玻璃透光率很高（一般91%以上），大部分入射光能都能被有效透射，因此，光電轉(zhuǎn)換效率高。

再次，對(duì)比兩種太陽(yáng)能板的有效受光面積，傳統(tǒng)剛性太陽(yáng)能板只需要用全面積減去電極之間的隔離區(qū)、引線區(qū)和邊緣區(qū)即可，而柔性太陽(yáng)能板只有照射于PN結(jié)上的那部分光才有效，靠近PN結(jié)周邊區(qū)域、給太陽(yáng)能板彎曲提供伸縮空間的部分，不應(yīng)計(jì)入有效受光面積中，則在入射光功率不變的條件下，轉(zhuǎn)換出的出射功率變小，效率下降。綜上，柔性太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率為何不及剛性太陽(yáng)能板，原因便很明了了。

4 結(jié)論

對(duì)比剛性太陽(yáng)能板可知，影響柔性太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)換效率的主要是太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和材料。目前主要從以下幾方面進(jìn)行嘗試：

①電池的材料;

②太陽(yáng)能電池的制程;

③太陽(yáng)能電池的表面優(yōu)化;

④太陽(yáng)能板的安置角度。事實(shí)上，這些也從一定的程度上，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)換效率的提高。但大幅度的提高太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率，才是光伏市場(chǎng)的終極目標(biāo)。

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