柔性太陽電池及其應用

深圳市創益科技發展有限公司 ■ 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薄膜太陽電池等幾種類型[2]。

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

表1 幾種典型的柔性太陽電池產品

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格參數如表3所示。

依據表2、表3中的相關數據進行分析，Fuji 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量比(17.4～54.8 W/kg)卻明顯高于晶體硅太陽電池的相應值(10.7～12.2 W/kg)及非晶硅玻璃基底薄膜太陽電池和CdTe太陽電池相應值(4.8～7.1 W/kg)。這表明相同質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薄膜柔性太陽電池的轉換效率均低于5%，轉換效率為晶體硅太陽電池的1/3左右，導致其功率質量比與晶體硅等太陽電池的相應值相當。

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、質量輕，并有很強的可彎曲性，適合安裝固定在各種曲面上。另外，生產所需的半導體材料少，可有效降低原材料的成本，卷對卷(roll-to-roll)工藝使大面積連續生產成為可能，所生產的產品便于攜帶和運輸。

表2幾種柔性太陽電池的規格參數

表3 幾種非柔性太陽電池產品的規格參數

柔性太陽電池的特點決定了它比非柔性太陽電池的應用領域更廣，在太陽能光伏建筑、城市遮陽設施、便攜式充電電源、移動式動力電源等眾多應用領域更具獨特優勢。

二 柔性太陽電池的應用

1 光伏建筑

柔性太陽電池更適合與建筑相結合，隨著產品技術的逐漸成熟，柔性太陽電池將可以用于建筑物構件的各個部分，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、塑料等板料屋頂結構上，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行：首先將粘接表面進行清洗，然后鋪設防水卷材如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行壓實。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創益科技發展有限公司產業園屋頂18.03 kWp的柔性非晶硅太陽電池光伏發電系統。此系統由392片46 W的非晶硅柔性太陽電池片串并聯而成。

(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用領域，芯板可以封裝在夾層玻璃或者中空玻璃當中。此外，柔性太陽電池還可以直接粘貼在玻璃幕墻的內表面，易于安裝及維護。半透明柔性太陽電池和建筑玻璃的結合，既不影響屋內的采光要求，又能避免強光照射對屋內物品帶來的損傷。konarka公司的柔性有機太陽電池與玻璃幕墻的結合如圖3所示。

(3)柔性窗簾

此外，柔性太陽電池做成的窗簾[3]等建筑內裝飾產品也正在研究開發中。圖4為麻省理工學院發明的利用柔性有機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，還可以進行太陽能發電，白天將粘有柔性太陽電池的百葉窗簾拉起遮陽并開始儲存電能，供晚上室內照明或為其他電器供電。

太陽能光伏與建筑相結合是未來光伏應用最重要的領域之一，有著巨大的市場潛力，柔性太陽電池無疑將在其中扮演重要角色。

2 城市遮陽設施

城市中的公共設施如公交亭、停車篷、遮陽亭的夜間照明、廣告應用等都需要提供電源，但由于其分布零散，市電供電需要復雜的地下布線網絡，利用太陽能是解決供電問題的良好選擇之一。然而，這些設施結構比較簡單難以承載重物，篷頂也并非全是平面結構，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用。柔性太陽電池質量輕、可彎曲，可以為這些設施的供電帶來方便。

3 偏遠地區及農業供電

(1)帳篷

在野外進行野營、災害救援、科學考察等戶外活動時，儀器設備供電、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，通過合理設置柔性太陽電池的面積，以滿足發電供電功率從幾瓦到幾百瓦的使用要求。

(2)農業大棚[4]

目前農業大棚采用LED對不同農作物進行單色光照射，促進其快速生長。與柔性薄膜太陽電池相結合的新型農業大棚不存在供電難問題，能解決LED的用電及農業大棚的抽水灌溉問題。柔性薄膜太陽電池一般鋪設在農業大棚頂部，電池片之間要留有一定的空隙使太陽光照射到大棚內的農作物。此外，使用半透明的柔性薄膜太陽電池，只需將其鋪設在大棚頂部，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業大棚，是在大棚的普通聚丙烯膜上鋪konarka公司半透明有機太陽電池。相關人員對此種柔性太陽能農業大棚與普通農業大棚內的四種作物生長進行了實驗研究，結果表明，由于柔性太陽電池的遮擋，柔性太陽能農業大棚內的平均溫度比普通大棚內低約10℃，但柔性太陽電池農業大棚內的作物株苗比預期要高，兩大棚內的作物產量卻相差無幾。

4 便攜式應急充電

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

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、電壓等規格參數均不盡相同，功率也從不到一瓦至幾十瓦不等，因此這些便攜式產品各有各的應用領域，充電所需時間與柔性電池的功率和陽光強度有關。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間數據。

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。以航天器上的應用為例，若將柔性薄膜太陽電池陣貼在空間飛行器的輕質支撐表面，與當前最新的晶體硅多結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間

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

6 其他

除了上述應用，柔性太陽電池還可以與小型電子產品如電子書等集成，為其提供電源。此外，柔性太陽電池還可以與織物結合，形成柔性太陽能衣服，可以增強衣服的保暖功能。

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)柔性太陽電池產品的實際光電轉換效率相對較低；(2)柔性太陽電池大多采用塑料封裝，產品穩定性較差，耐用年限短；(3)柔性太陽電池生產技術水平要求較高，年產量較少，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行更為深入的研究，對其封裝材料進行大力的研究、開發，還需要進行規?；a，從而降低生產成本。

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，限制了其廣泛應用。隨著柔性太陽電池技術的突破，其不僅將在弧形光伏建筑、便攜式移動電源等柔性太陽能專屬利用領域得到越來越多的應用，在傳統太陽電池利用領域也將會與硬襯底太陽電池競爭，在太陽能市場上顯示出極強的競爭力。

[1]帕格利亞諾.柔性太陽電池[M].上海交通大學出版社,2010.

[2]熊紹珍,朱美芳.太陽電池基礎與應用[M].科學出版社,2009：327-392.

[3]太陽能窗簾[J].發明與創新(綜合版), 2008,(07),27.

[4]杜容熠.太陽能光伏發電在農業溫室補光系統中直流電直接應用的探討[J].現代農業科技，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