柔性太阳能电池

2010年上海交通大学出版社出版的图书

柔性太阳能电池是薄膜太阳能电池的一种，而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是 BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一体化），它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。

电池原理

在金属表面照射紫外光，可以发生光电效应。如爱因斯坦结论的那样，由于入射光的光子能量大于电子的束缚能，所以产生自由电子。太阳能电池的功能是把太阳光转换为电压和电流，是一种光电转换。

光伏效应比光电效应的效率高得多。因为在发生光伏效应的太阳能电池中，2 种极性相反的半导体组成了 p-n 结（p-n Junction），形成内建电场，驱动电子进入电路，在电路中形成电压和电流。

类型介绍

非晶硅

非晶硅（amorphous silicon, a -Si）柔性电池的厚度是晶体硅电池的1/300，可以进一步地降低原材料成本。非晶硅柔性电池的一个突破时 1997 年提出的三结叠层电池结构，提高了转换效率和稳定性，稳定后的转换效率达到8 .0%-8.5%。

以美国 United Solar Ovonic 公司的非晶硅柔性电池为例，非晶硅三结叠层电池结构包含了三层不同带隙的 p -n 结吸收层。顶电池用 1 .8eV 带隙的非晶硅 a -Si，吸收蓝光。中间电池用 1 .6eV 带隙的硅锗合金 a -SiGe，吸收绿光，Ge 的含量为 10%-15%。底电池用 1 .4eV 带隙的硅锗合金 a -SiGe, 为 40%-50%吸收红光和红外光，Ge 的含量较高。太阳光依次通过三层半导体吸收层后，还有一部分没有被吸收的光线，经过 Al/ZnO 的背反射层反射后，回到三层半导体吸收层，再进行一次吸收过程，背反射层起到陷光作用。这样非晶硅柔性电池可以更有效地吸收入射光，提高了转换效率和输出功率，在低入射光和散射光的条件下，性能更好。

截止2016年国内只有迅力光能在生产非晶硅柔性薄膜电池及组件，转换效率为8-10%，整体厚度仅为1.5mm。在产品应用上，除了卷对卷式的柔性薄膜组件外，还有折叠式充电包，扩展了柔性非晶硅的应用。

铜铟镓硒

20 世纪70 年代中期，人们开始研究铜铟镓硒（copper indium gallium diselenide,Cu(In,Ga)Se2,CIGS）薄膜电池。CIGS 薄膜属于黄铜矿结构（chalcopyrite）晶体，其带隙可以调节。由于太阳能电池对带隙的要求是1~1.7eV，通过改变 III 族阳离子 In、Ga、Al 和 VI 族阴离子 Se、S 的含量，可以按照需要调节CIGS 的带隙。和非晶硅相比，CIGS 晶体内部缺陷少，性能更稳定，组件寿命达 25 年。在组件使用过程中，铜离子的移动可以修复缺陷，因此组件性能会不断地提高，这和非晶硅的光致衰退效应或S -W 效应（Staebler-Wronskieflect）恰恰相反。

有机

在有机太阳电池（organic photovoltaic, OPV）中，有机半导体吸收介质通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善于给出电子、吸收空穴，混合后具有正电性，共轭聚合物（conjugated polymer）是典型的施主材料。受主材料善于吸收电子、给出空穴，混合后具有负电性，富勒烯（fullerene，C 60）是典型的受主材料。

激子（excition）是被束缚的电子- 空穴对，是受激后的准离子（quasiparticle）。受激后，电子和空穴分离，但是电子- 空穴对仍然通过静电的库伦力互相吸引，由于库伦束缚而不能彻底分离，形成激子。激子有两种，瓦

尔尼- 模特激子（Wannier-Mottexcition）和弗伦克尔激子（Frenkel exciton）。瓦尔尼-模特激子存在于在晶体硅半导体中，被激发到导带中的电子和价带中的空穴形成束缚态，库伦力较弱，在 0.01eV 左右。弗伦克尔激子存在于有机介质的施主材料中，之间的库伦力较强，在0.3eV 左右。

染料敏化

早在 20 世纪 70 年代，人们就希望通过模拟光合作用，开发出新型太阳能电池。那时，人们在半导体晶体材料二氧化钛（titanium dioxide， TiO2 ）表面，包裹一层叶绿素（chlorophyll）染料。虽然提出了染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell, DSC）的概念，但是由于电子在叶绿素中输运困难，转换效率只有0 .01%。

直到 1991 年，瑞士化学家 Michael Gratzel 运用纳米技术，才推动了染料敏化电池的实质性发展。Gratzel 把大颗粒的 TiO2 晶体，替换成直径 20nm 的小颗粒海绵状 TiO2 ，外层包裹染料薄层，形成 10um 厚的光学透明薄膜。第一次制成的染料敏化电池，其转换效率就已经达到了7 .1%，电流密度达到 12mA/cm^2。而现在，染料敏化电池转换效率的世界纪录是11%。

在染料敏化电池的结构中，光敏剂（ photosensitizer）通过羧基（ crboxyl,-COOH）、磷酸基（ phosphonic acid,-PO3H2）或硼酸基（boronic acid –B(OH)2）功能团，覆盖在TiO2 颗粒表面，形成电荷转移络合物（charge transfer complex），再浸泡在氧化还原介体（redox mediator）溶液中，TCO 玻璃和金属衬底分别作为阴极和阳极。光敏剂吸收入射光，基态中的So 中的电子被激发到高能态S*,在 fs 到 ps 时间内，光敏剂中的电子进入 TiO2 的导带，光敏剂失去电子，被氧化，成为S+。氧化还原介体从金属阳极得到电子，再对光敏剂提供电子，使之还原，回到 So.TiO2 导带上的自由电子，通过 TCO 阴极和电路，来到金属阳极，2 个电极之间形成电流，驱动电路中的负载。

柔性太阳能电池记事

2016年3月，我科学家研制出新型柔性太阳能电池，专家认为，该成果有望用于发展智能温控型太阳能电池及可穿戴太阳能电池。

2023年5月，中国科学院消息，中国科学家通过合作成功破解了硅片的“力学短板”，显著提升硅片“柔韧性”，研发出柔性单晶硅太阳电池技术，在此基础上实现柔性单晶硅太阳电池制造，并已验证批量生产的可行性。

内容简介

柔性太阳能电池是世界太阳能产业的新兴技术，《柔性太阳能电池》将为读者介绍各种类型柔性太阳能电池的原理概念、基本工艺和市场应用。《柔性太阳能电池》的特点是篇幅内容简练、图片数据丰富、行业信息详实。除了柔性太阳能电池，《柔性太阳能电池》还简要地介绍了薄膜太阳能电池、第三代太阳能电池等新型太阳能电池。

进入21世纪，随着人们对全球气候变暖问题的关注，太阳能产业在世界各国蓬勃地发展起来。作为全球最大的太阳能电池生产国，中国不但希望为世界提供更加廉价的太阳能电池，更加希望提升太阳能电池生产的技术含量，进一步实现经济增长方式的转变。

《柔性太阳能电池》是一本入门级的参考书，适合在校师生、工程技术人员、风险投资人士或其他对太阳能感兴趣的读者阅读。

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