柔性太陽電池發(fā)展研究

王輝，曹越先，馮江山，杜敏永，張豆豆，王開，秦煒，劉生忠,

（1. 中國科學院大連化學物理研究所，遼寧大連116023；2. 陜西師范大學，西安710119）

一、前言

當前，太陽電池發(fā)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(yōu)點，可應用在衛(wèi)星、飛艇、無人機、單兵裝備等國防軍工領域，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[1]。

目前，已經商業(yè)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(yè)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最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%[2]，提升到現在的22.7%，極具商業(yè)化發(fā)展?jié)摿?。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(fā)展現狀、存在的問題以及發(fā)展的建議。

二、柔性太陽電池的發(fā)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(yè)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

硅薄膜太陽電池是最早進行研究并實現商業(yè)化的薄膜太陽電池。由于硅薄膜帶隙在1.1～1.7 eV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。效率最高的柔性硅薄膜太陽電池是由美國United Solar公司在不銹鋼襯底上制備的，最高效率是16.3%[3]，面積是0.25 cm2；效率最高的柔性硅薄膜太陽電池組件孔徑效率是8.2%，功率是144 W[4]，也是由美國United Solar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。

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United Solar公司是最早研究不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池的公司，也是唯一實現柔性不銹鋼襯底硅薄膜電池商業(yè)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%，是效率最高的柔性硅薄膜太陽電池。

為了進一步提高電池的穩(wěn)定性和降低生產成本，時任United Solar公司高級科學家劉生忠及其團隊，采用高速沉積（＞1 nm/s）制備的a-Si:H/nc-Si:H/nc-Si:H三結電池，穩(wěn)定效率為12.41%，面積為1.05 cm2。之后，該團隊進一步優(yōu)化電池工藝，制備了大面積電池組件[5]，面積為400 cm2組件的穩(wěn)定效率為11.2%，面積為807.8 cm2組件的初始效率為11.8%，電池實物圖如圖2所示。

圖2 大面積柔性硅薄膜太陽電池組件實物圖

中國科學院大連化學物理研究所劉生忠團隊，在30 μm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%[6]，面積為200 cm2，這是國內最好的不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池組件。

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(tài)轉換溫度最高（450 ℃），PET的玻璃態(tài)轉換溫度最低（80 ℃），但是PET的透過率最好，成本最低。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 [7]在 50 μm 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[8]在PEN襯底上制備的nip非晶硅單結電池效率為8.8%。Marins等[9]在125 μm厚的PI襯底上制備的微晶硅單結電池效率為7.5%。Liu等[10]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[11]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0.16 cm2；小組件效率為7.4%，面積為25 cm2。

（2）pin結構柔性硅薄膜太陽電池

Fenández等 [12]以 250 μm 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(jié)薄膜中In和Ga兩種元素的比例，帶隙寬度可以在1.04～1.67 eV范圍連續(xù)調節(jié)。

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，效率最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%，效率最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(fā)研究所（EMPA）在PI襯底上制備的，電池效率為20.4%；在組件方面，效率最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2 585 mm×1 293 mm，功率為510 W，重量為6.6 kg。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。

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%[13]；2010年，日本產業(yè)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%[14]；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%[15]；2009年，AGU在Ti襯底上，制備的電池效率為17.9%[16]；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%[17]；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%[18]；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%[19]；Nano-Solar和EMPA在Al襯底上制備的電池最高效率為17.1%。在組件方面，效率最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2 585 mm×1 293 mm。

圖3 柔性銅銦鎵硒太陽電池結構圖

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%[20]；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%[21]，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%。

（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1.45 eV，光吸收系數高[22]，2 μm厚的碲化鎘材料可吸收100%的太陽光[23]。并且，在質子和電子輻射下，材料性能非常穩(wěn)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。效率最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%，效率最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。

圖4 效率為14.8%的Pl襯底柔性銅銦鎵硒小組件實物圖

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(jié)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。

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。

（1）塑料襯底（上襯底結構）柔性碲化鎘太陽電池

EMPA以10 μm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。

（2）塑料襯底（下襯底結構）柔性碲化鎘太陽電池

相比于塑料襯底（上襯底結構）柔性碲化鎘太陽電池，下襯底結構碲化鎘太陽電池的一個優(yōu)勢就是聚酰亞胺的透光性對電池性能沒有影響。EMPA采用商業(yè)化的聚酰亞胺薄膜（UpilexTM）制備下襯底結構柔性碲化鎘太陽電池，制備流程如圖8所示。采用這種方法，分別獲得了效率為7.3%和6%（TCO分別為FTO和AZO）的柔性碲化鎘太陽電池。因此，在未來通過優(yōu)化電池工藝可以制備更高效率的電池。

圖5 金屬襯底柔性碲化鎘太陽電池結構圖

圖6 塑料襯底柔性碲化鎘太陽電池結構圖

圖7 上襯底結構柔性碲化鎘太陽電池制備結構圖

（四）柔性鈣鈦礦太陽電池

鈣鈦礦太陽電池是太陽電池最近研究的熱點。自2009年制備出第一個鈣鈦礦太陽電池，短短9年時間內，電池效率從3.8%提升到22.7%，并且由于制備工藝簡單，原材料成本低廉，極具商業(yè)化潛力，并有可能取代晶體硅太陽電池。

鈣鈦礦電池也可制備在塑料和金屬襯底上，形成柔性鈣鈦礦電池。根據鈣鈦礦層基底不同，柔性鈣鈦礦太陽電池可分為nip型和pin型兩種結構[24]，電池結構如圖9所示。目前，效率最高的柔性鈣鈦礦太陽電池，是中國科學院大連化學物理研究所與陜西師范大學劉生忠團隊在PET襯底上制備的，電池效率為18.4%[25]。

1.塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池

在塑料襯底上，可制備nip（正式）結構或pin（反式）結構的柔性鈣鈦礦太陽電池。柔性鈣鈦礦太陽電池的塑料襯底一般為PET、PEN等聚酯塑料，不能承受高溫。因此，采用低溫制備TiO2薄膜或其他電子傳輸層是塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池首要考慮的問題。

（1）nip結構塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池

圖8 下襯底結構柔性碲化鎘太陽電池制備流程圖

圖9 柔性鈣鈦礦太陽電池結構圖

Giacomo等[26]在PET/ITO襯底上實現低溫（150℃）制備TiO2，電池效率為8.4%，面積為0.12 cm2；Kim等[27]在PEN/ITO襯底上制備致密TiOx層，電池效率為12.2%；2015年，Yang等[28]在柔性PET基底上（室溫下）制備出具有良好透光性和合適能級的優(yōu)質TiO2電子傳輸層，結合自主研發(fā)的真空交替沉積法制備的柔性鈣鈦礦電池效率突破世界紀錄，達到15.07%，電池實物圖如圖10所示。之后，該團隊通過對TiO2薄膜進行界面修飾，研制的柔性電池效率達到16.09%[29]。2017年，Wang等[30]利用二氧化錫作為電子傳輸層將柔性鈣鈦礦太陽電池效率提高到18.3%。同年劉生忠團隊利用電子束蒸發(fā)五氧化二鈮作為柔性鈣鈦礦太陽電池電子傳輸層并對鈣鈦礦吸收層進行修飾得到柔性鈣鈦礦太陽電池小面積（0.052 cm2）效率提高到18.4%，大面積（1.2 cm2）效率提高到13.35%，該效率都是現階段柔性鈣鈦礦太陽電池世界最高效率[25]。

（2）pin結構塑料襯底柔性鈣鈦礦太陽電池

柔性鈣鈦礦電池也可以在PET、PEN等塑料上制備為pin結構，基本結構為:柔性襯底/電極/PEDOT:PSS/鈣鈦礦 /PCBM/電極。Roldáncarmona等[31]在涂有AZO/Ag/AZO的PET襯底上，制備的電池效率為7%。Docampo等[32]在PET/ITO襯底上制備了pin結構鈣鈦礦電池，效率為6.3%。You等[33]在PET/ITO襯底上制備了pin結構鈣鈦礦電池，效率為9.5%?？傮w而言，pin結構的鈣鈦礦電池比nip結構的電池性能要差。

2.金屬襯底柔性鈣鈦礦太陽電池

理論上，在金屬襯底上可以制備nip結構和pin結構電池，但是，由于PEDOT:PSS本身具有酸性而且容易腐蝕的電極，因此，金屬襯底鈣鈦礦太陽電池多為nip結構。

Lee等[34]在127 μm厚的金屬Ti上制備nip結構鈣鈦礦電池，電池效率最高為6.15%。Troughton等[35]也在金屬Ti上制備nip結構鈣鈦礦電池，電池效率為10.3%。Wang等[36]在鍍有TiO2納米管的Ti襯底上制備了鈣鈦礦電池，電池效率為8.31%。Qiu等[37]以直徑為127 μm的不銹鋼為基底，制備了nip結構的纖維狀鈣鈦礦太陽電池，電池效率為3.3%，是效率最高的纖維狀太陽電池。

圖10 效率為15.07%柔性鈣鈦礦太陽電池實物圖

截至目前，柔性襯底鈣鈦礦電池比導電玻璃襯底鈣鈦礦電池效率要低，這主要是由于柔性鈣鈦礦薄膜中的不完美的界面以及結構、化學上的缺陷造成的。因此，研究適用于柔性襯底制備的ETL和HTL材料以及界面修飾，是柔性鈣鈦礦太陽電池研究的一個重要方向。此外，開發(fā)非溶液法制備鈣鈦礦電池技術，可以擴展ETL和HTL層的選擇，是另一個重要研究方向。另外，鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性是限制鈣鈦礦太陽電池產業(yè)化和應用的關鍵因素，也是必須要解決的問題。

三、柔性太陽電池發(fā)展建議

經過幾十年的發(fā)展，柔性太陽電池取得了很大進展。在電池方面，柔性硅薄膜太陽電池最高效率為16.3%，柔性銅銦鎵硒太陽電池最高效率為20.4%，柔性碲化鎘太陽電池的最高效率為13.8%，柔性鈣鈦礦太陽電池最高效率為18.4%。在組件方面，已經實現商業(yè)化的組件有United Solar公司的柔性硅薄膜太陽電池和漢能集團的柔性銅銦鎵硒太陽電池，組件的孔徑效率分別為8.2%和16.7%。遺憾的是，由于經營不善，United Solar公司已于2012年倒閉，漢能集團的柔性銅銦鎵硒太陽電池，是目前市場上唯一可見的柔性太陽電池組件，但由于價格太高（30元/W），銷量很少。由此可見，轉換效率較低和生產成本太高是制約柔性太陽電池發(fā)展的兩大因素。提高轉換效率和降低生產成本可從以下幾個方面進行。

1.開發(fā)新型柔性襯底材料

作為柔性太陽電池的襯底，需要滿足幾個條件：具有與電池材料相同或相近的熱膨脹系數，能夠承受電池制備工藝溫度，表面粗糙度小，輕質，成本低等。目前，常用作柔性襯底的材料有不銹鋼箔、PI、PEN、PET。其中，不銹鋼箔能夠承受電池制備工藝溫度，但是襯底表面粗糙度大，并且其中的金屬雜質會在制備過程中向電池中擴散，影響電池效率。PI、PEN、PET三種材料表面粗糙度小，更加輕質，但是不能承受高溫工藝，電池效率也會受到影響。因此，開發(fā)新型輕質、廉價、耐高溫的柔性襯底材料，不僅有助于進一步降低成本，也會對提高電池效率有幫助。

2.開發(fā)電池制備新型工藝

電池材料的結構、性能與襯底的結構形貌有著直接的關系，太陽電池的制備溫度不同，電池性能也不同。因此，針對粗糙度較大，不能承受高溫的柔性襯底，需要開發(fā)新型制備工藝，設計新型結構，從而提高太陽電池的效率。

3.提高產業(yè)化裝備制造水平

柔性太陽電池的產業(yè)化生產需要卷到卷生產設備，當前，國內外卷到卷設備制造水平普遍較低。大面積柔性太陽電池組件生產節(jié)拍較慢、良率較低，這也造成了柔性太陽電池成本較高。因此，提高產業(yè)化裝備制造水平有助于降低柔性太陽電池的生產成本，有助于推進柔性太陽電池的產業(yè)化生產和應用。

四、結語

柔性太陽電池可應用在衛(wèi)星、飛艇、無人機、單兵裝備等國防軍工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。經過多年的發(fā)展，柔性太陽電池效率得到很大提升，柔性硅薄膜太陽電池最高效率為16.3%，柔性銅銦鎵硒太陽電池最高效率為20.4%，柔性碲化鎘太陽電池的最高效率為13.8%，柔性鈣鈦礦太陽電池最高效率為18.4%。并且，已經有商業(yè)化的柔性硅薄膜太陽電池和柔性銅銦鎵硒太陽電池組件問世，顯示出柔性太陽電池具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而，柔性太陽電池還沒有形成大規(guī)模產業(yè)化，效率和成本是制約柔性太陽電池發(fā)展的兩大因素。開發(fā)新型柔性襯底材料、開發(fā)電池制備新型工藝與結構、提高卷到卷裝備制造業(yè)水平，將有助于提高柔性太陽電池轉換效率，降低生產成本，從而推進柔性太陽電池的產業(yè)化發(fā)展。