一柔性襯底薄膜太陽電池的特點

在過去的幾十年中，人類經(jīng)濟活動的持續(xù)高速發(fā)展使得電力需求迅速增加。太陽電池是一種利用光生伏特效應(yīng)將太陽能能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導體器件，很容易實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電或作為獨立能源。眾所周知，太陽電池發(fā)電具有許多優(yōu)點，如安全可靠，無噪聲，無污染，能量隨處可得，不受無需消耗燃料、無機械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護方便、可以無人值守、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點都是常規(guī)發(fā)電所不及的。

目前，太陽電池發(fā)電在航天、通訊及微電子領(lǐng)域已占據(jù)了不可替代的位置，但在社會整體能源結(jié)構(gòu)中所占比例很小，主要原因是太陽電池成本較高，要使其真正成為能源體系的組成部分，必須大幅度降低成本。薄膜太陽電池在降低成本方面比晶體硅(單晶或多晶)太陽電池具有更大的優(yōu)勢，一是實現(xiàn)薄膜化后，可極大地節(jié)省昂貴的半導體材料;二是薄膜電池的材料制備和電池同時形成，因此節(jié)省了許多工序;三是薄膜太陽電池采用低溫工藝技術(shù)，不僅有利于節(jié)能降耗，而且便于采用廉價襯底(玻璃、不銹鋼等)。為此,自上世紀70年代以來，世界各國紛紛投入巨資，制定規(guī)劃，組織隊伍，掀起對薄膜太陽電池的研究熱潮，三十幾年來在研究和開發(fā)應(yīng)用方面均取得了長足的進步。

薄膜太陽電池主要涉及非晶硅(a-Si：H)、銅銦鎵硒(Cu(In、Ga)Se2，CIGS)和碲化鎘(CdTe)光伏電池和集成組件，在本文中主要討論的是目前商業(yè)化最成熟的非晶硅太陽電池。薄膜太陽電池按襯底分為硬襯底和柔性襯底兩大類。所謂柔性襯底太陽電池是指在柔性材料(如不銹鋼、聚酯膜)上制作的電池，與平板式晶體硅、玻璃襯底的非晶硅等硬襯底電池相比，其最大的特點是重量輕、可折疊和不易破碎。以美國Uni-Solar公司采用不銹鋼作襯底為例，不銹鋼的厚度僅為127um，且具有極好的柔軟性，可以任意卷曲、裁剪、粘貼，既使彎成很小的半徑，作數(shù)百次卷曲，電池性能也不會發(fā)生變化。而以高分子聚合物聚酰亞胺為柔性襯底制備的非晶硅太陽電池，器件總厚度約100um左右(含封裝層)，功率重量比可達到500W/Kg以上，比不銹鋼襯底非晶硅電池高出近十倍，是世界上最輕的太陽電池。從制備工藝上看，由于此結(jié)構(gòu)電池采用卷對卷(rolltoroll)工藝制造，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)，降低成本的潛力很大，具有很強的競爭力。

柔性襯底太陽電池能被安置在流線型汽車的頂部、帆船、賽艇、摩托艇的船艙等不平整表面、房屋等建筑物的樓頂與外墻面。另外由于柔性薄膜電池具有較高的質(zhì)量比功率(500W/kg)，同時具有可彎曲性，非常適用于對地觀測的平流層飛艇表面，特種上的利用前景光明。

近年來，國外推行的光伏與建筑相結(jié)合(BIpV)，極大地推動了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。在城鎮(zhèn)建筑物上安裝的光伏系統(tǒng)，通常采用與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的形式。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)不需要配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力;光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要;夏天是用電高峰的季節(jié)，也正好是日照量最大，光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多時期，對電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用;光伏陣列吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負荷，所以也可以起到建筑節(jié)能作用。

BIpV的開發(fā)是目前世界上大規(guī)模利用光伏技術(shù)發(fā)電的一大研究熱點，西方發(fā)達國家都在作為重點項目積極進行。除了在屋頂安裝光伏電池板外，已推出了把光伏電池裝在瓦片內(nèi)的產(chǎn)品。此外，國外還在研究光伏墻結(jié)構(gòu)(pVWALL)，將光伏系統(tǒng)和建筑物外墻相結(jié)合。可以預計，光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，其發(fā)展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場潛力，柔性襯底薄膜電池無疑將在其中扮演重要角色。