钙钛矿火热，柔性太阳电池发展研究

钙钛矿火热，柔性太阳电池发展研究

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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

文/王辉 曹越先 冯江山 杜敏永 张豆豆 王开 秦炜 刘生忠，中国科学院大连化学物理研究所 陕西师范大学，中国工程科学

一、前言

当前，太阳电池发展的趋势是薄膜化和柔性化。相比于晶体硅太阳电池，薄膜太阳电池所需原材料更少、能耗更低、成本更低。此外，薄膜太阳电池可制备在金属箔和塑料衬底上，形成柔性太阳电池。柔性太阳电池具有重量轻、可弯曲、便于携带和运输等优点，可应用在卫星、飞艇、无人机、单兵装备等国防**领域，以及光伏建筑一体化、可穿戴智能设备等民用领域，具有广阔的市场前景。

目前，已经商业化的薄膜太阳电池有硅薄膜太阳电池、碲化镉太阳电池和铜铟镓硒太阳电池，这三种商业化的薄膜太阳电池均以玻璃为衬底。此外，需要特别指出的是，钙钛矿薄膜太阳电池是*近薄膜太阳电池研究的热点。短短9年时间，电池效率从2009年的3.8%，提升到现在的22.7%，**商业化发展潜力。以上四种薄膜太阳电池均可制备在金属箔和塑料衬底上，形成柔性太阳电池。本文将分别介绍不同种类柔性太阳电池的发展现状、存在的问题以及发展的建议。

二、柔性太阳电池的发展现状

目前，柔性太阳电池主要有柔性硅薄膜太阳电池、柔性铜铟镓硒太阳电池、柔性碲化镉太阳电池和柔性钙钛矿太阳电池，可用作柔性衬底的材料主要有金属箔（不锈钢、钼、钛、铝、铜等）和塑料（PI、PEN、PET等）。其中，已经有商业化组件的电池是柔性硅薄膜太阳电池和柔性铜铟镓硒太阳电池。

（一）柔性硅薄膜太阳电池

硅薄膜太阳电池是*早进行研究并实现商业化的薄膜太阳电池。由于硅薄膜带隙在1.1~1.7eV范围内可调，能够吸收不同波段的太阳光。因此，硅薄膜太阳电池可制备成单结或多结太阳电池。

硅薄膜太阳电池可制备在不锈钢和塑料衬底上，形成柔性硅薄膜太阳电池。根据衬底的透明度不同，柔性衬底硅薄膜太阳电池结构可分为nip型或pin型，电池结构如图1所示。效率*高的柔性硅薄膜太阳电池是由美国UnitedSolar公司在不锈钢衬底上制备的，*高效率是16.3%，面积是0.25cm2；效率*高的柔性硅薄膜太阳电池组件孔径效率是8.2%，功率是144W，也是由美国UnitedSolar公司制备的。目前，还没有塑料衬底硅薄膜太阳电池组件问世。

图1 柔性硅薄膜太阳电池结构图注：TCO：透明导电氧化物。

1.金属衬底柔性硅薄膜太阳电池

硅薄膜太阳电池可沉积在不锈钢上，形成金属衬底柔性硅薄膜太阳电池。由于不锈钢衬底不透明，电池结构为nip结构。美国UnitedSolar公司是*早研究不锈钢衬底柔性硅薄膜太阳电池的公司，也是**实现柔性不锈钢衬底硅薄膜电池商业化的公司。该公司于2002年建立了生产线，产品的孔径效率只有8.2%，之后，该公司制备的a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三结电池，初始效率为16.3%，是效率*高的柔性硅薄膜太阳电池。

为了进一步提高电池的稳定性和降低生产成本，时任UnitedSolar公司**科学家刘生忠及其团队，采用高速沉积（>1nm/s）制备的a-Si:H/ncSi:H/nc-Si:H三结电池，稳定效率为12.41%，面积为1.05cm2。之后，该团队进一步优化电池工艺，制备了大面积电池组件，面积为400cm2组件的稳定效率为11.2%，面积为807.8cm2组件的初始效率为11.8%，电池实物图如图2所示。

中国科学院大连化学物理研究所刘生忠团队，在30μm厚的不锈钢衬底上，制备的a-Si:H/nc-Si:H双结电池组件，效率为11%，面积为200cm2，这是国内*好的不锈钢衬底柔性硅薄膜太阳电池组件。

图2 大面积柔性硅薄膜太阳电池组件实物图

2.塑料衬底柔性硅薄膜太阳电池

可做柔性衬底的塑料有PI、PET和PEN。在这三种材料中，PI的玻璃态转换温度*高（450℃），PET的玻璃态转换温度*低（80℃），但是PET的透过率*好，成本*低。所以，以PI和PEN为衬底制备硅薄膜太阳电池，电池结构为nip结构；以PET为衬底制备硅薄膜太阳电池，电池结构可为nip或pin结构。

（1）nip结构柔性硅薄膜太阳电池

Haug等在50μm厚的PET和PEN衬底上制备了小面积nip型单结非晶硅、单结纳晶硅以及双结太阳电池。制备的非晶硅单结电池效率为8.1%，纳晶硅单结电池效率为8.7%，双结电池效率为10.9%。Sodeestorm等在PEN衬底上制备的nip非晶硅单结电池效率为8.8%。Marins等在125μm厚的PI衬底上制备的微晶硅单结电池效率为7.5%。Liu等采用转移衬底技术制备非晶硅单结电池，制备的nip非晶硅单结电池效率为7.69%，小组件效率为6.7%。Li等也采用转移衬底技术制备柔性双结太阳电池，小面积电池效率为7.8%，面积为0.16cm2；小组件效率为7.4%，面积为25cm2。

（2）pin结构柔性硅薄膜太阳电池

Fenández等以250μm厚的PET为衬底，制备了pin型单结非晶硅太阳电池，研究表明，当采用较低的沉积功率制备掺铝氧化锌（AZO）膜层时，电池的开路电压和填充因子较大，电池效率为5.14%。

（二）柔性铜铟镓硒太阳电池

铜铟镓硒是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm–1数量级，通过调节薄膜中In和Ga两种元素的比例，带隙宽度可以在1.04~1.67eV范围连续调节。

铜铟镓硒太阳电池可沉积在金属或塑料衬底上，形成柔性铜铟镓硒太阳电池，电池结构如图3所示。在电池方面，效率*高的金属衬底柔性铜铟镓硒太阳电池是日本青山学院大学（AGU）在Ti衬底上制备的，电池效率为17.9%，效率*高的塑料衬底柔性铜铟镓硒太阳电池是瑞士联邦材料测试与开发研究所（EMPA）在PI衬底上制备的，电池效率为20.4%；在组件方面，效率*高的柔性铜铟镓硒太阳电池组件是Miasole公司在不锈钢衬底上制备的，孔径效率为16.7%，面积为2585mm×1293mm，功率为510W，重量为6.6kg。目前，还没有以塑料为衬底的柔性铜铟镓硒太阳电池组件问世。

图3柔性铜铟镓硒太阳电池结构图

1.金属衬底柔性铜铟镓硒太阳电池

可用作柔性铜铟镓硒太阳电池金属衬底的有不锈钢、钼、钛、铝、铜等。1992年，美国国际太阳能技术集团（ISET）以Mo为衬底，制备的电池效率为8.3%；2010年，日本产业综合技术研究所（AIST）在金属Mo衬底上，制备的电池效率为14.6%；2000年，德国巴登符腾堡太阳能和氢能源研究中心（ZSW）在Ti衬底上制备的电池效率为12%；2009年，AGU在Ti衬底上，制备的电池效率为17.9%；德国法兰克福太阳能技术研究所（IST）在Cu衬底上制备的电池效率低于10%；1999年，美国国家可再生能源实验室（NREL）在不锈钢衬底上，制备的电池效率为17.4%；2012年，EMPA在镀Ti的不锈钢衬底上，制备的铜铟镓硒电池效率为17.7%；NanoSolar和EMPA在Al衬底上制备的电池*高效率为17.1%。在组件方面，效率*高的柔性铜铟镓硒太阳电池组件是Miasole公司在不锈钢衬底上，制备的铜铟镓硒电池组件，孔径效率为16.7%，面积为2585mm×1293mm。

2.塑料衬底柔性铜铟镓硒太阳电池

目前，只有PI衬底可以作为柔性铜铟镓硒太阳电池衬底。1996年，ISET在PI衬底上制备的电池效率为8.7%；1999年，EMPA在PI衬底上制备的电池效率为12.8%；2011年，EMPA又将电池效率提升为18.7%，并将8个子电池集成制作了一个PI衬底小组件，效率为14.8%，电池实物图如图4所示；2013年，EMPA又将PI衬底柔性铜铟镓硒电池效率提升为20.4%。

图4效率为14.8%的PI衬底柔性铜铟镓硒小组件实物图

（三）柔性碲化镉太阳电池

碲化镉（CdTe）材料是一种直接带隙材料，光学带隙为1.45eV，光吸收系数高，2μm厚的碲化镉材料可吸收100%的太阳光。并且，在质子和电子辐射下，材料性能非常稳定。

碲化镉太阳电池可制备在柔性金属或塑料衬底上，形成柔性碲化镉太阳电池。效率*高的金属衬底柔性碲化镉太阳电池是EMPA在金属钼衬底上制备的，效率为11.5%，效率*高的塑料衬底柔性碲化镉太阳电池也是EMPA在PI衬底上制备的，效率为13.8%，这两种电池都是小面积电池。目前，还未有任何柔性碲化镉太阳电池组件问世。

1.金属衬底柔性碲化镉太阳电池

金属衬底柔性碲化镉太阳电池的电池结构如图5所示。金属衬底碲化镉太阳电池效率普遍较低，一般在3.5%~8%。直至2013年，EMPA通过调节CdTe中的Cu掺杂含量，获得效率为11.5%的钼衬底碲化镉太阳电池。

图5金属衬底柔性碲化镉太阳电池结构图

2.塑料衬底柔性碲化镉太阳电池

塑料衬底具有一定的透光性，因此，可分为上衬底和下衬底两种柔性碲化镉太阳电池，电池结构如图6所示。然而，对于上衬底结构电池，光需要通过塑料衬底进入到电池中，因此塑料衬底的透光性也是一个考虑因素。

图6塑料衬底柔性碲化镉太阳电池结构图

（1）塑料衬底（上衬底结构）柔性碲化镉太阳电池

EMPA以10μm厚的聚酰亚胺薄膜（UpilexTM）为衬底制备了上衬底结构的柔性碲化镉太阳电池，制备结构如图7所示。该方法制备的柔性碲化镉太阳电池效率为11.38%。相比玻璃衬底碲化镉太阳电池，聚酰亚胺的透光率较低，因此，进一步提高聚酰亚胺的透光率是该结构电池下一步研究的重点。

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