柔性薄膜太陽能電池專利技術(shù)發(fā)展分析

王真真 詹斯琦

摘要：柔性薄膜太陽能電池由于其厚度薄、重量輕，不易破碎、可任意彎曲等優(yōu)勢，在地面和未來的空間應(yīng)用中具有難以取代的地位，新的無機和有機太陽能吸收材料的研究、新型太陽能電池結(jié)構(gòu)的探索、卷對卷的印刷生產(chǎn)工藝以及噴墨印刷為降低柔性薄膜太陽能電池成本提供了可能。本文通過對專利文獻的整理，分析和梳理了目前相關(guān)技術(shù)的主要研究方向。

關(guān)鍵詞：柔性；太陽能電池；光伏

太陽能發(fā)電是最重要的可再生能源利用方式之一，其核心組件則是太陽能電池。太陽能電池是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。目前，以光電效應(yīng)工作的太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的太陽能電池則還處于萌芽階段。

薄膜太陽能電池，其厚度較薄，降低了對原材料的消耗，并且采用玻璃等相對廉價的襯底材料，因此具有廣闊的應(yīng)用空間和光明的應(yīng)用前景。薄膜太陽能電池中的柔性電池具有傳統(tǒng)的晶體硅太陽能電池不可比擬的優(yōu)勢，由于其本身很薄、重量輕、質(zhì)量功率比高，電池生產(chǎn)成本低，并且其具有很強的可彎曲程度可以粘附在彎曲表面上，因此在汽車、衛(wèi)星、建筑等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 全球?qū)＠夹g(shù)構(gòu)成分布

圖1.1為全球柔性薄膜太陽能電池的專利申請在技術(shù)構(gòu)成方面的分布，包括對電極、工藝方法、結(jié)構(gòu)、材料和襯底的研究和開發(fā)。

1 關(guān)于襯底相關(guān)技術(shù)的分析

關(guān)于襯底的專利申請并不到總量的1/5，也就是說只有少量申請是對于襯底的研究和改進。目前柔性薄膜太陽能電池的柔性襯底發(fā)展已經(jīng)比較成熟，主要為不銹鋼、玻璃和聚酯膜等，因此關(guān)于柔性襯底的研究比較少。

夏普在1983年提出了公開號為JPS6050976的專利申請，提出了一種金屬纖維基薄片作為多晶硅薄膜太陽能電池的柔性襯底。日本的富士膠卷在2009年提出了一種鋁合金基板作為柔性太陽能電池的襯底（申請?zhí)朖P2009000058257），該基板形成為在鋁合金的表面上具有絕緣性能的氧化物膜，該基板具有優(yōu)異的絕緣性能和耐電壓特性以及高的高溫強度，并且可以利用卷對卷工藝使用鋁合金基板有效地制備柔性薄膜太陽能電池。

2 關(guān)于工藝方法相關(guān)技術(shù)的分析

其中關(guān)于工藝方法方面的研究最多。這主要是因為柔性薄膜太陽能電池對于工藝生產(chǎn)條件有著較高的要求，對于工藝方法方面有著較高的研究和發(fā)著空間。

索尼早在1996年提出低成本生產(chǎn)柔性薄膜太陽能電池的方法（JPH08213645），在單晶硅襯底上依次形成多孔硅、p+型硅、p型硅和n+型硅，上面形成頂層覆蓋，頂層覆蓋和單晶硅襯底分別吸附到兩個夾具上，通過往相反方向拉將多晶硅層機械拉斷，從而形成柔性太陽能電池元件。SOLOPOWER公司在2010年還提出了一種卷對卷工藝生產(chǎn)太陽能電池中的低電阻導(dǎo)電柵格的方法（US20080018147），選擇性地電沉積導(dǎo)電材料到導(dǎo)電層上，沉積不透明的導(dǎo)電材料到其余的導(dǎo)電層上形成導(dǎo)電柵格。

3 關(guān)于電極相關(guān)技術(shù)的分析

電極是整個薄膜太陽能電池中除了吸收層外與電池性能關(guān)系最密切的部分，對于電池的改進也受到了申請人較大的關(guān)注，對于電池的改進主要圍繞透明導(dǎo)電電極的性能改進和背電極的增強散射等方向展開。

日本的株式會社小村技術(shù)在2009年提出，將含有金屬粒子的導(dǎo)電性墨轉(zhuǎn)印于在透明電極層的背面?zhèn)葘盈B形成有光電轉(zhuǎn)換層的絕緣透光性基板之后，對上述轉(zhuǎn)印的導(dǎo)電性墨進行加熱，形成規(guī)定圖案的背面電極層。南開大學(xué)在2010年提出的專利申請CN101820003中提出一種利用對沉積薄膜過程中沉積氣氛的有效調(diào)控，實現(xiàn)同時具有（0001）結(jié)晶相的電荷傳輸層與結(jié)晶相的絨面散射層的雙層ZnO薄膜結(jié)構(gòu)。

4 關(guān)于材料相關(guān)技術(shù)的分析

吸收層作為薄膜太陽能電池最核心和最基礎(chǔ)的部分，與轉(zhuǎn)換效率的高低有著直接的關(guān)系，因此有關(guān)吸收層的材料選擇始終是最受申請人關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域，在該領(lǐng)域始終保持著最活躍的的研發(fā)熱度。

德國拜爾技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司在2007年提出了一種在光活性層中半導(dǎo)體納米顆粒被光活性表面活性劑材料包圍的太陽能電池（申請?zhí)朌E2007100009790），來提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。中國電子科技集團公司第十八研究所在2012年公開了一種采用后摻鈉制備薄膜太陽電池吸收層的方法（CN102956754），由能夠有效提高薄膜太陽電池的電學(xué)性能，與目前同類電池比，采用該吸收層制備電池的光電轉(zhuǎn)換效率可提高20%～30%。

5 關(guān)于結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)的分析

為了提高薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通常對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行改進；而組件與薄膜太陽能電池的產(chǎn)品化關(guān)系最為密切，因此也被申請人極為重視。

韓國的周星公司在2009年提出了公開號為KR20100076930的專利申請，在柔性薄膜太陽能電池的基板上設(shè)置有包含珠粒和用于固定該珠粒的粘結(jié)劑的光散射層，增加了半導(dǎo)體層中太陽光線的路徑長度，從而提高了太陽能電池的效率。上海中科高等研究院在2013年提出了一項相關(guān)申請CN103151399，公開了一種具有周期性陷光結(jié)構(gòu)的柔性薄膜太陽電池；優(yōu)點為Al薄膜具有容易用電化學(xué)的方法形成周期性結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合柔性金屬襯底良好的機械性能，形成一種機械性能和陷光性能均優(yōu)異的襯底，用于薄膜太陽電池可以提高太陽電池的效率。

6.結(jié)語

柔性薄膜太陽能電池在襯底、工藝、電極、材料、結(jié)構(gòu)等方面經(jīng)過幾十年的技術(shù)開發(fā)，效率已經(jīng)極大提升，而對于新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝的研發(fā)，占據(jù)了柔性薄膜太陽能電池研發(fā)的很大位置，并且還在穩(wěn)步推進著。作為太陽能電池從業(yè)者，應(yīng)重視柔性薄膜太陽能電池在太陽能電池行業(yè)所占的重要地位，關(guān)注并積極推動柔性薄膜太陽能電池的發(fā)展，不斷提高柔性薄膜太陽能電池的效率。

參考文獻：

[1]李榮榮等.柔性薄膜太陽能電池的研究進展[J].硅酸鹽學(xué)報，2014，42（7）：878-885.