柔性光伏電池模塊制備工藝優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

［摘 要］柔性光伏電池模塊因其輕薄、可彎曲等特點(diǎn)在可穿戴電子、智能建筑等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。文章針對(duì)柔性光伏電池模塊制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，并采用多種方法評(píng)價(jià)其性能。分析了光伏電池制備工藝的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，探討了工藝參數(shù)優(yōu)化方法和柔性基底選擇與優(yōu)化。介紹了光伏電池性能評(píng)價(jià)方法，包括電學(xué)性能測(cè)試和光學(xué)性能測(cè)試。

［關(guān)鍵詞］柔性光伏電池模塊；制備工藝優(yōu)化；性能評(píng)價(jià)；光電轉(zhuǎn)換效率

［中圖分類號(hào)］TM64 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0071–03

柔性光伏電池模塊作為一種新型能源轉(zhuǎn)換裝置，具有巨大應(yīng)用潛力。但其在制備工藝和性能評(píng)估上，面臨著一系列挑戰(zhàn)。對(duì)此，通過(guò)分析和優(yōu)化現(xiàn)有工藝，探討包括工藝參數(shù)優(yōu)化、基底材料選擇優(yōu)化等在內(nèi)的柔性光伏電池模塊性能提升的關(guān)鍵技術(shù)。柔性光伏電池模塊的電學(xué)、光學(xué)性能通過(guò)引入先進(jìn)的性能評(píng)估方法，可得到全面的評(píng)價(jià)。文章為促進(jìn)柔性光伏電池模塊在未來(lái)能源應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，提供柔性光伏電池模塊的工藝優(yōu)化和性能評(píng)估參考。

1 光伏電池制備工藝優(yōu)化

1.1 光伏電池工藝現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

光伏電池制備工藝是影響光伏電池性能的重要因素之一，目前，光伏電池工藝在晶體硅、非晶硅、有機(jī)以及鈣鈦礦等不同材料系統(tǒng)中都取得了顯著進(jìn)展。然而，隨著對(duì)光伏電池性能要求的不斷提高，制備工藝面臨著新的挑戰(zhàn)。其中包括，工藝復(fù)雜性增加導(dǎo)致的生產(chǎn)成本上升、器件穩(wěn)定性不足以應(yīng)對(duì)環(huán)境變化帶來(lái)的挑戰(zhàn)、工藝穩(wěn)定性不佳導(dǎo)致的器件性能波動(dòng)等問(wèn)題。如何在保證制備工藝穩(wěn)定性的前提下，進(jìn)一步提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，成為當(dāng)前光伏電池制備領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

1.2 工藝參數(shù)優(yōu)化方法

工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于光伏電池性能的提升至關(guān)重要，其中材料選擇與預(yù)處理、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝工程參數(shù)調(diào)控極為關(guān)鍵。在選材上，既要考慮材料的光電性能、造價(jià)，又要考慮材料的可持續(xù)性；器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)布局、優(yōu)化光吸收層布局、優(yōu)化電荷傳輸層布局，使器件的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性得到提高；工藝工程參數(shù)調(diào)控上，通過(guò)對(duì)溶液濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)的調(diào)節(jié)，使光伏電池的性能和穩(wěn)定性得到優(yōu)化，使薄膜的外形和界面質(zhì)量得到優(yōu)化。

1.3 柔性基底選擇與優(yōu)化

柔性基底的選擇和優(yōu)化應(yīng)具有良好的柔韌性、透明度和化學(xué)穩(wěn)定性，能與光伏材料形成良好的界面接觸，并具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。常見(jiàn)的柔性基底材料有聚酯膜、聚酰胺膜、polyamide 膜等。在基底表面處理上，可采用有利于光伏材料吸附和生長(zhǎng)的化學(xué)修飾、物理處理等方法，使基底表面的粗糙度和親合度得到提高。柔性光伏電池的性能和穩(wěn)定性可通過(guò)選擇合適的柔性基底材料并進(jìn)行表面優(yōu)化處理得到有效提升。

2 光伏電池性能評(píng)價(jià)方法

2.1 電學(xué)性能測(cè)試

2.1.1 光電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量

光電轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)光伏電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。光電轉(zhuǎn)換效率指光伏電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率，通常以百分比來(lái)表示。光伏電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率主要通過(guò)測(cè)量光伏電池的電流– 電壓（I–V）特性曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量過(guò)程。測(cè)量時(shí)需要將光伏電池置于標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，通常采用標(biāo)準(zhǔn)光照條件下的光強(qiáng)，其光強(qiáng)在AM1.5G 光譜下。I–V 曲線是測(cè)量光伏電池在不同電壓下的輸出電流，通過(guò)改變附加電壓而得到。通過(guò)計(jì)算曲線的積分面積，可得出光電轉(zhuǎn)換效率。

2.1.2 器件穩(wěn)定性評(píng)估

器件穩(wěn)定性評(píng)估是光伏電池性能評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)之一。光伏電池器件的穩(wěn)定性評(píng)估通常長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)、熱壓力試驗(yàn)、濕熱循環(huán)試驗(yàn)等。長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試是通過(guò)將光伏電池置于實(shí)際使用條件的環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，觀察光伏電池在實(shí)際使用中的性能隨時(shí)間變化情況，并對(duì)其在實(shí)際使用中的耐久性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，從而評(píng)估光伏電池在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中性能變化的重要方法。通過(guò)將光伏電池置于高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，模擬光伏電池在實(shí)際使用中遭受的環(huán)境壓力，并對(duì)其在極端環(huán)境下的耐受力和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，是評(píng)估光伏電池在高溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定性的重要方法。

2.2 光學(xué)性能測(cè)試

2.2.1 光譜響應(yīng)特性分析

光譜響應(yīng)特性分析對(duì)于理解光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率和性能具有重要意義，是評(píng)估光伏電池對(duì)不同波長(zhǎng)光譜響應(yīng)能力的關(guān)鍵方法之一。測(cè)量光伏電池在不同波長(zhǎng)光照下的光電轉(zhuǎn)換效率，通常采用外部量子效率（EQE）測(cè)試進(jìn)行光譜響應(yīng)特性分析。

外部量子效率測(cè)試是通過(guò)測(cè)量光伏電池在不同波長(zhǎng)光照下的光電流來(lái)獲得光電轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)的一種基于光電流和光子流之間關(guān)系的測(cè)試方法，在試驗(yàn)過(guò)程中，光伏電池需要在標(biāo)準(zhǔn)光譜下，通常以AM1.5G 光譜為標(biāo)準(zhǔn)光譜的光照條件。測(cè)量光伏電池在不同波長(zhǎng)光線下的光電流，通過(guò)改變射入光線的波長(zhǎng)和光強(qiáng)，從而得到有關(guān)外量子效率的數(shù)據(jù)。

2.2.2 表面形貌與結(jié)構(gòu)表征

表面形貌與結(jié)構(gòu)表征是評(píng)價(jià)光伏電池性能的重要方法之一，其主要目的是了解光伏電池的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，以評(píng)估其光電轉(zhuǎn)換效率和性能穩(wěn)定性。常用的表面形貌與結(jié)構(gòu)表征技術(shù)包括掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）等。

SEM 是一種常用的表面形貌表征技術(shù)，通過(guò)掃描樣品表面并記錄電子束與樣品表面的相互作用，可獲得高分辨率的表面形貌圖像。通過(guò)SEM 技術(shù)，可觀察光伏電池表面的粗糙度、缺陷和表面結(jié)構(gòu)等特征，為進(jìn)一步優(yōu)化光伏電池的性能提供重要參考。AFM是通過(guò)探針與試樣表面相互作用，獲得試樣表面三維形貌圖像的一種高分辨率的表面形貌和結(jié)構(gòu)表征技術(shù)。通過(guò)AFM 技術(shù)，可對(duì)晶粒大小、晶界分布、表面缺陷等光伏電池表面的微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察，為了解光伏電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制和性能優(yōu)劣提供重要資料。

3 工藝優(yōu)化與性能評(píng)價(jià)研究

3.1 柔性光伏電池模塊工藝流程優(yōu)化

3.1.1 材料組分與比例優(yōu)化

材料組分與比例優(yōu)化是柔性光伏電池模塊工藝流程優(yōu)化過(guò)程中的一個(gè)重要步驟，目的是通過(guò)調(diào)整光伏材料的組分和比例，提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率及其穩(wěn)定性能。材料組分與比例的確定是綜合考慮多個(gè)因素的結(jié)果，既考慮光伏材料的吸收光譜，又考慮載流子傳輸性能，還考慮材料的穩(wěn)定性和成本等。在材料組分與比例的優(yōu)化上，既要保證性能的最大化，又要兼顧成本和工藝上的要求。

調(diào)整有機(jī)光伏電池中的供體材料及受體材料的比例，以得到比較理想的材料組合是一種優(yōu)化策略之一。選用合適的供體和受體材料并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)谋壤钆?，能夠使有機(jī)光伏電池的的吸收光譜范圍得到有效的拓展，且對(duì)擴(kuò)大電荷的傳輸與分離效率也有明顯的促進(jìn)作用。

鈣鈦礦光伏電池中，對(duì)鈣鈦礦材料的配方和添加不同的鈣鈦礦助劑進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，能夠?qū)w結(jié)構(gòu)和電子傳輸性能進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高光伏電池的性能和穩(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)鈣鈦礦晶體的成長(zhǎng)速度、晶粒尺寸和晶界分布進(jìn)行控制，可有效改善光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

3.1.2 工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

工藝參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)是柔性光伏電池模塊工藝流程優(yōu)化過(guò)程中的關(guān)鍵步驟之一，其目的在于通過(guò)系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)和調(diào)整工藝參數(shù)，從而找出最佳的工藝參數(shù)組合，使光伏電池的制備效率和性能穩(wěn)定性得到提高。在進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮包括溶液配方沉積工藝退火條件等在內(nèi)的多種因素，以達(dá)到優(yōu)化的目的。

對(duì)于溶液配方的優(yōu)化，需要考慮到溶劑選擇、溶液濃度和添加劑等因素。通過(guò)選取合適的溶劑和溶液濃度，并添加適量的添加劑，可有效調(diào)控溶液的粘度、表面張力和溶液的穩(wěn)定性，從而提高光伏電池的涂覆均勻性和光電轉(zhuǎn)換效率。

3.2 柔性光伏電池模塊性能評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與解讀

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及解讀是評(píng)價(jià)柔性光伏電池模塊性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，可對(duì)工藝的改進(jìn)起到重要的指導(dǎo)作用，從而對(duì)產(chǎn)品性能的進(jìn)一步改善提供一定的借鑒。在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與解讀時(shí)，從光電轉(zhuǎn)換效率提升情況比較關(guān)鍵參數(shù)，如短路電流密度、開(kāi)路電壓、填充因子等幾個(gè)方面入手，對(duì)光伏電池的特性及優(yōu)劣進(jìn)行分析，為下一步的改進(jìn)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的光伏電池短路電流密度增加20%，開(kāi)路電壓提高15%，填充因子也隨之提高。這些數(shù)據(jù)表明，工藝優(yōu)化可提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率和性能穩(wěn)定性，從而為光伏電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2.2 性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用前景展望

性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用前景展望是對(duì)柔性光伏電池模塊制備工藝優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)研究結(jié)果的綜合評(píng)估和未來(lái)發(fā)展展望，通過(guò)對(duì)工藝優(yōu)化和性能評(píng)價(jià)的綜合分析，可全面評(píng)估光伏電池的性能和應(yīng)用前景，為光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供重要指導(dǎo)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可得出工藝優(yōu)化對(duì)光伏電池性能的顯著提升。優(yōu)化后的光伏電池在光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流密度、開(kāi)路電壓和填充因子等關(guān)鍵參數(shù)上均有明顯提升，表明工藝優(yōu)化能夠有效提高光伏電池的性能水平。這為光伏電池在可再生能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

綜合分析性能評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)柔性光伏電池在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。隨著人們對(duì)可再生能源需求的日益增長(zhǎng)，柔性光伏電池作為一種新型的綠色能源技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，可提供持續(xù)穩(wěn)定的電源支持，具有綠色智能化的特點(diǎn)。

柔性光伏電池還可應(yīng)用于建筑一體化領(lǐng)域，對(duì)建筑物外墻體屋頂窗戶等進(jìn)行能量收集和利用，為建筑節(jié)能減排提供切實(shí)有效的解決辦法，以促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)向綠色低碳方向發(fā)展。另外，柔性光伏電池還可在汽車領(lǐng)域應(yīng)用，并對(duì)車頂車窗車身等部件進(jìn)行能量收集和利用，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行可持續(xù)電力支撐，以促進(jìn)交通工具的智能化綠色化發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

深入探討了光伏電池工藝的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)和優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)柔性光伏電池模塊制備工藝的優(yōu)化和性能評(píng)價(jià)研究，并利用測(cè)試手段對(duì)其性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，提供了重要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，以提高柔性光伏電池模塊制備的性能和穩(wěn)定性。未來(lái)應(yīng)繼續(xù)推動(dòng)柔性光伏電池在可穿戴電子、智能建筑等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，致力于光伏電池制備工藝的創(chuàng)新和優(yōu)化，為可再生能源技術(shù)的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

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