柔性太陽電池及其應(yīng)用

深圳市創(chuàng)益科技發(fā)展有限公司 ■ 姜希猛 汪磊

一 柔性太陽電池

柔性太陽電池是薄膜太陽電池的一種，是指以柔性材料(如不銹鋼、塑料等)為基底的薄膜太陽電池[1]。一般來講，所有薄膜太陽電池都可以做成柔性太陽電池。從材料上分，柔性太陽電池主要有非晶硅(a-Si)薄膜太陽電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池、染料敏化薄膜太陽電池和有機(jī)薄膜太陽電池等幾種類型[2]。

表1為代表性生產(chǎn)廠家的柔性太陽電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征及信息。非晶硅柔性太陽電池的典型產(chǎn)品有兩種結(jié)構(gòu)，如日本Fuji Electric公司的以塑料為基底的a-Si/a-SiGe 雙結(jié)電池、美國United-Solar公司的以不銹鋼為基底的a-Si/a-SiGe/a-SiGe 三結(jié)電池；銅銦鎵硒柔性太陽電池以美國Global Solar公司的產(chǎn)品為代表，基底為不銹鋼；染料敏化柔性太陽電池與有機(jī)柔性薄膜太陽電池分別以英國G24i公司和英國Konarka公司的產(chǎn)品為代表，基底為塑料，目前處于小規(guī)模生產(chǎn)階段。以上各廠家的部分產(chǎn)品規(guī)格如表2所示。

表1 幾種典型的柔性太陽電池產(chǎn)品

和柔性太陽電池相比，單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、HIT太陽電池、玻璃基底非晶硅及碲化鎘薄膜等非柔性太陽電池的規(guī)格參數(shù)如表3所示。

依據(jù)表2、表3中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，F(xiàn)uji Electric和United-Solar的非晶硅柔性太陽電池的功率面積比分別為55.6 W/m2和60.6 W/m2，Global solar的柔性CIGS太陽電池的功率面積比為100.6 W/m2，低于晶體硅等太陽電池的功率面積比(133.6～155.1 W/m2)，但非晶硅和CIGS柔性太陽電池的功率質(zhì)量比(17.4～54.8 W/kg)卻明顯高于晶體硅太陽電池的相應(yīng)值(10.7～12.2 W/kg)及非晶硅玻璃基底薄膜太陽電池和CdTe太陽電池相應(yīng)值(4.8～7.1 W/kg)。這表明相同質(zhì)量的柔性太陽電池功率更大。由于目前染料敏化柔性太陽電池與有機(jī)薄膜柔性太陽電池的轉(zhuǎn)換效率均低于5%，轉(zhuǎn)換效率為晶體硅太陽電池的1/3左右，導(dǎo)致其功率質(zhì)量比與晶體硅等太陽電池的相應(yīng)值相當(dāng)。

和非柔性太陽電池相比，柔性太陽電池的厚度僅為1～3 mm，厚度小、質(zhì)量輕，并有很強(qiáng)的可彎曲性，適合安裝固定在各種曲面上。另外，生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體材料少，可有效降低原材料的成本，卷對卷(roll-to-roll)工藝使大面積連續(xù)生產(chǎn)成為可能，所生產(chǎn)的產(chǎn)品便于攜帶和運(yùn)輸。

表2幾種柔性太陽電池的規(guī)格參數(shù)

表3 幾種非柔性太陽電池產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)

柔性太陽電池的特點(diǎn)決定了它比非柔性太陽電池的應(yīng)用領(lǐng)域更廣，在太陽能光伏建筑、城市遮陽設(shè)施、便攜式充電電源、移動(dòng)式動(dòng)力電源等眾多應(yīng)用領(lǐng)域更具獨(dú)特優(yōu)勢。

二 柔性太陽電池的應(yīng)用

1 光伏建筑

柔性太陽電池更適合與建筑相結(jié)合，隨著產(chǎn)品技術(shù)的逐漸成熟，柔性太陽電池將可以用于建筑物構(gòu)件的各個(gè)部分，如屋頂、外墻、遮陽棚、窗簾等。

(1)弧形屋頂

柔性太陽電池可以直接粘貼在鋼、鋁材、塑料等板料屋頂結(jié)構(gòu)上，對于一些大跨度、承重能力有限的弧形屋頂更為適用。柔性太陽電池的安裝固定方式包括粘貼、夾具固定、鋼索拉伸等多種形式。其中粘接方式一般按以下步驟進(jìn)行：首先將粘接表面進(jìn)行清洗，然后鋪設(shè)防水卷材如TPO(熱塑性聚烯烴類)、EPDM(三元乙丙橡膠)、PVC、改性瀝青卷材等，最后對粘接后的柔性太陽電池組件進(jìn)行壓實(shí)。圖1為Global solar公司19.8 kWp柔性CIGS太陽電池組件在意大利米蘭市某工程建筑上的安裝過程。

圖2為位于深圳市龍崗區(qū)創(chuàng)益科技發(fā)展有限公司產(chǎn)業(yè)園屋頂18.03 kWp的柔性非晶硅太陽電池光伏發(fā)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)由392片46 W的非晶硅柔性太陽電池片串并聯(lián)而成。

(2)玻璃幕墻

玻璃幕墻是柔性太陽電池在建筑中的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，芯板可以封裝在夾層玻璃或者中空玻璃當(dāng)中。此外，柔性太陽電池還可以直接粘貼在玻璃幕墻的內(nèi)表面，易于安裝及維護(hù)。半透明柔性太陽電池和建筑玻璃的結(jié)合，既不影響屋內(nèi)的采光要求，又能避免強(qiáng)光照射對屋內(nèi)物品帶來的損傷。konarka公司的柔性有機(jī)太陽電池與玻璃幕墻的結(jié)合如圖3所示。

(3)柔性窗簾

此外，柔性太陽電池做成的窗簾[3]等建筑內(nèi)裝飾產(chǎn)品也正在研究開發(fā)中。圖4為麻省理工學(xué)院發(fā)明的利用柔性有機(jī)光伏電池織物制成的窗簾。這種窗簾每一條葉片的向陽面都有一層薄片的柔性太陽電池，不僅具有遮陽和裝飾功能，還可以進(jìn)行太陽能發(fā)電，白天將粘有柔性太陽電池的百葉窗簾拉起遮陽并開始儲(chǔ)存電能，供晚上室內(nèi)照明或?yàn)槠渌娖鞴╇姟?/p>

太陽能光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應(yīng)用最重要的領(lǐng)域之一，有著巨大的市場潛力，柔性太陽電池?zé)o疑將在其中扮演重要角色。

2 城市遮陽設(shè)施

城市中的公共設(shè)施如公交亭、停車篷、遮陽亭的夜間照明、廣告應(yīng)用等都需要提供電源，但由于其分布零散，市電供電需要復(fù)雜的地下布線網(wǎng)絡(luò)，利用太陽能是解決供電問題的良好選擇之一。然而，這些設(shè)施結(jié)構(gòu)比較簡單難以承載重物，篷頂也并非全是平面結(jié)構(gòu)，以致晶體硅太陽電池及玻璃基底的薄膜太陽電池不適于應(yīng)用。柔性太陽電池質(zhì)量輕、可彎曲，可以為這些設(shè)施的供電帶來方便。

3 偏遠(yuǎn)地區(qū)及農(nóng)業(yè)供電

(1)帳篷

在野外進(jìn)行野營、災(zāi)害救援、科學(xué)考察等戶外活動(dòng)時(shí)，儀器設(shè)備供電、夜晚生活照明都需要大量的電能，僅靠蓄電池供電不能維持長久。將柔性太陽電池固定或者懸掛在帳篷頂上安裝，通過合理設(shè)置柔性太陽電池的面積，以滿足發(fā)電供電功率從幾瓦到幾百瓦的使用要求。

(2)農(nóng)業(yè)大棚[4]

目前農(nóng)業(yè)大棚采用LED對不同農(nóng)作物進(jìn)行單色光照射，促進(jìn)其快速生長。與柔性薄膜太陽電池相結(jié)合的新型農(nóng)業(yè)大棚不存在供電難問題，能解決LED的用電及農(nóng)業(yè)大棚的抽水灌溉問題。柔性薄膜太陽電池一般鋪設(shè)在農(nóng)業(yè)大棚頂部，電池片之間要留有一定的空隙使太陽光照射到大棚內(nèi)的農(nóng)作物。此外，使用半透明的柔性薄膜太陽電池，只需將其鋪設(shè)在大棚頂部，電池片之間不需留有空隙，也能保證作物生長所需要的陽光透過。

圖7為安裝在美國布魯克代爾的柔性光伏電池農(nóng)業(yè)大棚，是在大棚的普通聚丙烯膜上鋪konarka公司半透明有機(jī)太陽電池。相關(guān)人員對此種柔性太陽能農(nóng)業(yè)大棚與普通農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的四種作物生長進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，由于柔性太陽電池的遮擋，柔性太陽能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的平均溫度比普通大棚內(nèi)低約10℃，但柔性太陽電池農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的作物株苗比預(yù)期要高，兩大棚內(nèi)的作物產(chǎn)量卻相差無幾。

4 便攜式應(yīng)急充電

柔性太陽電池質(zhì)量輕、可折疊，且便于攜帶，可以與背包、手提袋等日常生活用品進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，可以為MP3、手機(jī)或手提電腦等小功率用電設(shè)備提供便攜式電源。

由于所配置的柔性太陽電池面積的不同，這些便攜式充電電源提供的電流、電壓等規(guī)格參數(shù)均不盡相同，功率也從不到一瓦至幾十瓦不等，因此這些便攜式產(chǎn)品各有各的應(yīng)用領(lǐng)域，充電所需時(shí)間與柔性電池的功率和陽光強(qiáng)度有關(guān)。表4為Global solar公司提供的CIGS柔性太陽電池供電的部分用電器充電時(shí)間數(shù)據(jù)。

5 交通工具輔助電源

最初在航天器、太陽能船舶、太陽能汽車上作為輔助電源的太陽電池多為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池及砷化鎵太陽電池，然而這些太陽電池自身較重且不易折疊，限制了其使用。柔性薄膜太陽電池重量輕、可以折疊，并可制成帆板，還可粘貼在輪船甲板或汽車的表面。以航天器上的應(yīng)用為例，若將柔性薄膜太陽電池陣貼在空間飛行器的輕質(zhì)支撐表面，與當(dāng)前最新的晶體硅多結(jié)剛性支撐太陽電池相比，其成本可降低80%，單位面積功率比增加近7倍，可裝載體積增加近10倍。[5]

表4 柔性組件供電的用電器的充電時(shí)間

柔性薄膜太陽電池在交通工具上作為電源應(yīng)用尚處于初始階段，目前大多作為交通工具輔助電源使用。

6 其他

除了上述應(yīng)用，柔性太陽電池還可以與小型電子產(chǎn)品如電子書等集成，為其提供電源。此外，柔性太陽電池還可以與織物結(jié)合，形成柔性太陽能衣服，可以增強(qiáng)衣服的保暖功能。

三 柔性太陽電池存在問題及解決思路

柔性太陽電池也存在一些問題：

(1)柔性太陽電池產(chǎn)品的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率相對較低；(2)柔性太陽電池大多采用塑料封裝，產(chǎn)品穩(wěn)定性較差，耐用年限短；(3)柔性太陽電池生產(chǎn)技術(shù)水平要求較高，年產(chǎn)量較少，尚不能滿足市場需求。

解決這些問題就需要對薄膜太陽電池基本原理進(jìn)行更為深入的研究，對其封裝材料進(jìn)行大力的研究、開發(fā)，還需要進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本。

四 前景展望

目前，柔性太陽電池整體性能仍然相對較低，成本也比硬襯底太陽電池要高，限制了其廣泛應(yīng)用。隨著柔性太陽電池技術(shù)的突破，其不僅將在弧形光伏建筑、便攜式移動(dòng)電源等柔性太陽能專屬利用領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，在傳統(tǒng)太陽電池利用領(lǐng)域也將會(huì)與硬襯底太陽電池競爭，在太陽能市場上顯示出極強(qiáng)的競爭力。

[1]帕格利亞諾.柔性太陽電池[M].上海交通大學(xué)出版社,2010.

[2]熊紹珍,朱美芳.太陽電池基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2009：327-392.

[3]太陽能窗簾[J].發(fā)明與創(chuàng)新(綜合版), 2008,(07),27.

[4]杜容熠.太陽能光伏發(fā)電在農(nóng)業(yè)溫室補(bǔ)光系統(tǒng)中直流電直接應(yīng)用的探討[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（22）.

[5]http://mil.news.sina.com.cn/2006-06-13/1048376794.html

[6]http://www.fujielectric.com/products

[7]http://www.uni-solar.com/products

[8]http://www.konarka.com

[9]http://www.g24i.com

[10]http://www.globalsolar.com