柔性薄膜太陽(yáng)能電池與乙烯?四氟乙烯薄膜復(fù)合材料電?熱?力性能試驗(yàn)研究

陰 悅，胡建輝，2，3，陳務(wù)軍?，李一坡

（1.上海交通大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，上海200240；2.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；3.上海交通大學(xué)高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

1 引言

柔性薄膜太陽(yáng)能電池（Flexible Thin Film So?lar Cells）指的是在柔性襯底上制備的太陽(yáng)能電池，與傳統(tǒng)的晶硅電池相比，柔性薄膜太陽(yáng)能電池具有不易斷裂、材質(zhì)較輕、生產(chǎn)效率高、低成本等優(yōu)點(diǎn)。目前，市場(chǎng)上存在的柔性薄膜太陽(yáng)能電池主要有美國(guó)Konarka公司生產(chǎn)的以透明導(dǎo)電高分子柔性薄膜為襯底的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，美國(guó)United?Solar公司生產(chǎn)的以不銹鋼為襯底的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，以及日本Fuji公司生產(chǎn)的以塑料為襯底的薄膜太陽(yáng)能電池。

隨著薄膜光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，柔性薄膜太陽(yáng)能電池越來(lái)越多地與其他基材復(fù)合后使用，有效地拓展了其應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)柔性薄膜太陽(yáng)能電池及不同襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池復(fù)合材料的基本電學(xué)性能、制備工藝進(jìn)行了研究。Asano等［1］研究了以PSE薄膜為襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池的電化學(xué)性能，Weerasinghe等［2］研究了以塑料為襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池的制備工藝及電學(xué)性能，Nagata等［3］研究了以航天板材為襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池在動(dòng)力荷載作用下的抗彎性能及耐久性。Pascual等［4］研究了以半透明玻璃纖維增強(qiáng)層合板為襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池的透光性能及電學(xué)性能，并利用數(shù)值模擬對(duì)其力熱性能進(jìn)行了有關(guān)分析。周南等［5］研究了柔性薄膜太陽(yáng)能電池單軸拉伸時(shí)的力電性能，許賢等［6］研究了柔性薄膜太陽(yáng)能電池與聚偏氟乙烯膜材復(fù)合后的力電性能。

現(xiàn)有對(duì)柔性薄膜太陽(yáng)能電池及其復(fù)合材料的研究主要集中于制備方法及力、電等單一性能分析，而柔性薄膜太陽(yáng)能電池及其復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中，往往會(huì)受到電?熱?力等物理場(chǎng)的共同作用。為了保證工作穩(wěn)定性，有必要對(duì)其電?熱?力性能進(jìn)行深入研究。此外，將柔性薄膜太陽(yáng)能電池與乙烯?四氟乙烯共聚物（Ethylene Tetrafluoro?ethylene，ETFE）薄膜復(fù)合，能夠充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，得到光伏?ETFE 復(fù)合材料薄膜［7?10］?，F(xiàn)在也未見(jiàn)對(duì)以ETFE薄膜為襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池的制備工藝及基本性能的研究。

為了研究以ETFE為襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池的基本性能及該復(fù)合材料的光電熱力之間的耦合特性，本文首先采用兩種不同復(fù)合方式將柔性薄膜太陽(yáng)能電池與ETFE薄膜復(fù)合，分別制作ETFE襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池試件和雙層ETFE覆膜單條柔性薄膜太陽(yáng)能電池試件（下文簡(jiǎn)稱雙層覆膜PV?ETFE試件）。在日照輻射強(qiáng)度為1000 W／m2的光照條件下，對(duì)ETFE襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池試件進(jìn)行10 mm／min的單軸拉伸試驗(yàn)，對(duì)雙層覆膜 PV?ETFE試件進(jìn)行1 mm／min的單軸拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)得到了不同PV?ETFE試件的應(yīng)力?應(yīng)變曲線、溫度及電壓變化曲線，并對(duì)其電?熱?力性能進(jìn)行了分析。

2 ETFE襯底柔性薄膜太陽(yáng)能電池電?熱?力性能試驗(yàn)

2.1 試件制備

試驗(yàn)選用武漢美格科技有限公司生產(chǎn)的柔性薄膜太陽(yáng)能電池，型號(hào)為MG?OPV110。該電池以PET作為襯底進(jìn)行封裝，電池條部分的材料為具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電。電池平面尺寸為230 mm×200 mm，厚度為0.43 mm。為了增強(qiáng)柔性薄膜電池的力學(xué)強(qiáng)度，在電池背面增加一層ETFE薄膜襯底。ETFE薄膜與電池本身襯底PET均屬于高分子材料，為了保證兩者之間能跟緊密復(fù)合，選擇日本生產(chǎn)的ETFE膠帶作為柔性薄膜太陽(yáng)能電池的襯底。該膠帶厚度為0.15 mm，在ETFE薄膜表面附著一層膠黏劑，對(duì)于高分子材料良好的粘結(jié)性能，直接粘貼即可保證ETFE薄膜與電池的緊密結(jié)合。

柔性薄膜太陽(yáng)能電池的正負(fù)極位于沿對(duì)角線分布的兩個(gè)接頭處，為了便于測(cè)量電池的開(kāi)路電壓，分別用紅黑兩色導(dǎo)線連接正負(fù)極。用裁切的方式截取兩條ETFE膠帶，然后順電池方向并排粘結(jié)于電池背面，粘結(jié)時(shí)確保兩條膠帶緊密、無(wú)縫。制備共得到3個(gè)試件，將此類試件編號(hào)為S1，如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)方案

圖1 S1試件Fig．1 Specimen of S1

試驗(yàn)選用深圳三思UTM?3300單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)S1試件進(jìn)行拉伸，參照塑料薄膜拉伸試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［11］以及文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］，拉伸速率選擇10 mm／min。由于柔性薄膜太陽(yáng)能電池在順電池方向拉伸時(shí)力電性能最佳［5］，故試件沿順電池方向進(jìn)行拉伸，直至試件破壞。采用功率為150 W的鹵鎢燈模擬太陽(yáng)光源進(jìn)行照明，該光源的波長(zhǎng)為350～2500 nm，與太陽(yáng)光的輻射波長(zhǎng)（300 ～2500 nm）比較相近［6］。 參照非晶硅太陽(yáng)電池電性能測(cè)試的一般規(guī)定［12］，調(diào)節(jié)鹵鎢燈與試件之間的距離并用日照輻射強(qiáng)度測(cè)量?jī)x測(cè)試，使得照射在試件表面的日照輻射強(qiáng)度為1000 W ／m2。

選用采樣周期為1 s的溫度巡檢儀測(cè)量試件表面的溫度，用透光性較好的ETFE膠帶分別在S1試件的正反面粘結(jié)3個(gè)熱電阻，并進(jìn)行編號(hào)。熱電阻的粘貼位置位于順電池方向的中軸線上，且3個(gè)熱電阻沿中軸線均勻分布。為了與溫度巡檢儀的接線通道序號(hào)保持一致，正面熱電阻編號(hào)為1、2、3，反面熱電阻編號(hào)為4、5、6。 其中，1 與 4距電池部分上邊緣距離為20 mm，3與6距電池部分下邊緣距離為20 mm，2、5位于電池中部。選用具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出功能的萬(wàn)用表測(cè)量試件電壓，采樣周期為1 s。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

拉伸試驗(yàn)開(kāi)始后，S1試件首先被拉伸至緊繃狀態(tài)，試件表面測(cè)點(diǎn)溫度逐漸上升，電壓基本穩(wěn)定。隨著拉伸的逐漸進(jìn)行，試件邊緣處薄膜開(kāi)始發(fā)生斷裂，裂縫由試件兩側(cè)逐漸向中間發(fā)展。當(dāng)S1試件的導(dǎo)線柱發(fā)生斷裂時(shí)，電壓突降為0 V。S1試件拉伸破壞處位于電池上邊緣處，為柔性薄膜太陽(yáng)能電池表面覆膜與ETFE薄膜的斷裂破壞，而電池本身并未發(fā)生破壞，如圖2所示。

2.3.2 試驗(yàn)分析

圖2 S1試件破壞Fig．2 Failure of S1

圖3 （a）表示S1試件的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，可以看出，S1試件在拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服流動(dòng)階段，屈服點(diǎn)不明顯。當(dāng)試件拉伸至出現(xiàn)裂縫時(shí)，其應(yīng)力值達(dá)到抗拉強(qiáng)度，此后應(yīng)力應(yīng)變曲線迅速降低。經(jīng)測(cè)試得到S1試件的基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。試件極限強(qiáng)度為20.5 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.6%。根據(jù)基于應(yīng)變能理論計(jì)算非線性材料屈服點(diǎn)的方法［13］計(jì)算出試樣的屈服點(diǎn)，得到試件的屈服強(qiáng)度為20.2 MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.3%。通過(guò)對(duì)試件屈服點(diǎn)之前的曲線段進(jìn)行線性擬合，得到彈性模量為1110 MPa。

表1 S1試件力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical properties of S1

圖3 S1試件應(yīng)力?應(yīng)變及電壓曲線Fig．3 Stress?Strain curve and voltage curve of S1

試件開(kāi)始拉伸時(shí)電壓為5.18 V，拉伸過(guò)程中試樣電壓隨時(shí)間的變化曲線如圖3（b）所示?？梢钥闯?，輸出開(kāi)路電壓隨著試件拉伸緩慢降低，但降幅不大。當(dāng)試件裂縫發(fā)展至接線柱附近時(shí)，電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，最后由于接線柱被拉斷，電壓突降為0 V，此時(shí)試件的應(yīng)力約為3.3 MPa，應(yīng)變約為20%，試件仍處于拉伸狀態(tài)。

試件在拉伸過(guò)程中正反兩面共6個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖4所示?？梢钥闯?，正反表面溫度隨試樣拉伸不斷升高，隨后有所下降。由于柔性薄膜太陽(yáng)能電池材料由于吸收光照輻射，導(dǎo)致電池正反兩個(gè)表面溫度逐漸升高。而隨電池不斷拉伸，電池部分位置發(fā)生移動(dòng)，鹵鎢燈照射面積減少，導(dǎo)致溫度逐漸降低。

圖4 S1試件表面溫度Fig．4 Surface temperature of S1

對(duì)于相同表面不同測(cè)點(diǎn)溫度來(lái)說(shuō)，T1＞T2＞T3，T4＞T5＞T6；對(duì)于不同表面相同位置的測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，正面測(cè)點(diǎn)溫度高于反面測(cè)點(diǎn)溫度，這是由于試樣正面受到鹵鎢燈直接照射所致?？傮w來(lái)看，隨著S1試件的伸長(zhǎng)量不斷增大，試件表面溫度由于光照時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸升高，試件電壓雖有小幅下降，但基本保持穩(wěn)定。S1試件的力、熱、電參數(shù)之間不存在明顯的相互影響作用。

3 雙層覆膜 PV?ETFE 試件電?熱?力性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

將柔性薄膜太陽(yáng)能電池的電池部分裁剪成單條電池，截取兩條ETFE膠帶分別粘貼在電池條的正反兩面，電池條兩端連接導(dǎo)線，制備得到3個(gè)雙層覆膜試件，如圖5所示。試件總長(zhǎng)度為220 mm，寬度為50 mm，厚度為0.25 mm，標(biāo)距為120 mm，將此類試件編號(hào)為S2。S2試件的拉伸速率為1 mm／min，僅在試件背面中部粘貼一個(gè)熱電阻測(cè)溫，導(dǎo)線連接萬(wàn)用表測(cè)試試件開(kāi)路電壓。試驗(yàn)前先用鹵鎢燈對(duì)試件進(jìn)行照明，待試件表面溫度穩(wěn)定后開(kāi)始拉伸，當(dāng)熱電阻脫離試件時(shí)停止試驗(yàn)。

圖5 試件S2Fig．5 Specimen S2

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在試驗(yàn)的初始階段，試件S2逐漸被拉伸展平，開(kāi)路電壓有小幅提高，之后逐漸穩(wěn)定。隨著拉伸試驗(yàn)的進(jìn)行以及光照時(shí)間不斷增加，試件S2的電池條與ETFE襯底之間的粘性逐漸下降，電池條在雙層ETFE襯底中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，如圖6（a）所示。此時(shí)，電池條兩端的導(dǎo)線柱也隨ETFE襯底發(fā)生移動(dòng)而逐漸脫離電極，電壓在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)試件拉伸至導(dǎo)線柱脫離電池條時(shí)，試件電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，隨后迅速降至0 V。當(dāng)拉伸至熱電阻脫離試件時(shí)，試件出現(xiàn)頸縮和褶皺，如圖6（b）所示。試件S2的應(yīng)力?應(yīng)變曲線、溫度及電壓的變化曲線如圖7所示。

3.2.2 試驗(yàn)分析

由圖7（a）可知，試件開(kāi)始拉伸后應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，當(dāng)試件應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，應(yīng)力?應(yīng)變曲線出現(xiàn)較為明顯的拐點(diǎn)，隨后出現(xiàn)峰谷。在拉伸試驗(yàn)的初始階段，電池條與ETFE襯底協(xié)同受力，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)電池條與ETFE襯底的粘結(jié)力下降而產(chǎn)生滑移，隨后應(yīng)力下降后產(chǎn)生重分布。此后應(yīng)力?應(yīng)變曲線雖然出現(xiàn)一定波動(dòng)，但從總體來(lái)看，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而逐漸增大，曲線斜率低于線性段。

圖6 S2試件試驗(yàn)現(xiàn)象Fig．6 Experiment of S2

圖7 S2試件試驗(yàn)曲線Fig．7 Experimental curves of S2

S2試件的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)基于應(yīng)變能理論確定非線性材料屈服點(diǎn)的方法［13］，試件S2在拉伸速率為1 mm／min，溫度約為55℃的條件下的屈服強(qiáng)度為6.6 MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.9%，彈性模量為715 MPa。S2試件的力學(xué)性能指標(biāo)與ETFE薄膜基本一致，試件在拉伸時(shí)主要由ETFE襯底承受荷載作用。

表2 S2試件力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical properties of S2

圖7（b）表示S2試件的溫度變化曲線?？梢钥闯觯嚰砻鏈囟仍诶煸囼?yàn)前穩(wěn)定的溫度為55℃，試驗(yàn)過(guò)程中試件的升溫速率逐漸減小，試件最高表面溫度為57℃。溫度曲線在拉伸過(guò)程中略有波動(dòng)，總體趨勢(shì)較為明顯，當(dāng)粘貼熱電阻的膠帶受熱粘性下降后熱電阻逐漸脫離試件，導(dǎo)致測(cè)量得到溫度曲線迅速下降。實(shí)際上試件表面溫度的上升幅度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，溫度值逐漸趨于穩(wěn)定。

S2試件的電壓變化曲線見(jiàn)圖7（c）。在S2試件拉伸的初始階段，電池條逐漸被拉伸展平，電池條的開(kāi)路電壓隨試件應(yīng)力的增大而增大。此后隨著電池條導(dǎo)線柱逐漸與電池條脫離，電壓出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象并逐漸降低。當(dāng)試件電壓為降0 mV時(shí)，試件的應(yīng)力約為11.4 MPa，應(yīng)變約為10%。

圖8（a）、（b）、（c）分別表示 S2 試件的應(yīng)力?電壓曲線、應(yīng)力?溫度曲線及溫度?電壓曲線?？梢钥闯鯯2試件的應(yīng)力、溫度與電壓之間相互影響。在整體試驗(yàn)過(guò)程中，試件S2的應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸波動(dòng)增大的趨勢(shì)，而溫度一直在55℃附近波動(dòng)。兩者之間的波動(dòng)情況恰好相反，即溫度波動(dòng)變化的波谷段與應(yīng)力波動(dòng)變化的波峰段基本對(duì)應(yīng)。此外，由于受到表面溫度的影響，與常溫下ETFE單軸拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果相比，試件S2的力學(xué)強(qiáng)度明顯降低，試件表面的溫度升高降低了整體力學(xué)強(qiáng)度。

隨著S2試件充分拉伸展平，電池條的開(kāi)路電壓提升約30%，此后開(kāi)路電壓隨試件拉伸和表面溫度的逐漸升高而緩慢降低。而由于電池條在接收鹵鎢燈光照產(chǎn)生電壓的同時(shí)吸收光照輻射熱量，導(dǎo)致試件表面溫度逐漸升高。

4 結(jié)論

1）ETFE襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池試件（S1）的破壞形式為電池邊緣處的薄膜斷裂，電池部分不發(fā)生破壞，抗拉強(qiáng)度為20.6 MPa，屈服應(yīng)力為20.2 MPa，彈性模量為1110 MPa。試件的開(kāi)路電壓在試驗(yàn)過(guò)程中基本穩(wěn)定，當(dāng)拉伸至應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，由于試件導(dǎo)線柱破壞導(dǎo)致電壓出現(xiàn)下降突變點(diǎn)。對(duì)于相同表面不同測(cè)點(diǎn)溫度來(lái)說(shuō)，T1＞T2＞T3，T4＞T5＞T6；對(duì)于不同表面相同位置的測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，正面測(cè)點(diǎn)溫度高于反面測(cè)點(diǎn)溫度。

圖8 S2試件雙因素曲線Fig．8 Double variables curves of S2

2）雙層覆膜PV?ETFE試件（S2）的屈服強(qiáng)度為6.6 MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.9%，彈性模量為745 MPa。在試驗(yàn)過(guò)程中電池條發(fā)生滑移，當(dāng)拉伸至應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，導(dǎo)線柱與電池條脫離，電壓波動(dòng)較大直至降為0 V，試件主要由ETFE襯底承受荷載。

3）與ETFE襯底的柔性薄膜太陽(yáng)能電池試件（S1）相比，雙層覆膜 PV?ETFE 試件（S2）電?熱?力性能之間的相互影響較為顯著。試件S2表面溫度變化曲線與應(yīng)力?應(yīng)變曲線的波動(dòng)情況相反；當(dāng)試件充分拉伸展平后，開(kāi)路電壓隨試件拉伸和表面溫度的逐漸升高而緩慢降低。

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