柔性太陽能板的應用現狀與性能測試分析

劉麗 周向陽

摘 要：在市場生長的不斷需要和發電成本持續降低的追求下，太陽能光伏技術是一個需要引進的“驅動力”。文中結合柔性太陽能電池的特點，對比三種硅基太陽能電池板，選取柔性太陽能板中的非晶硅薄膜太陽能作為研究對象，測量其效率并進行了分析。實驗表明柔性太陽能板的轉換效率要稍低于普通的硬性太陽能電池板。但由于柔性太陽能電池優越的柔韌性，使它能夠在傳統剛性板不易觸及的領域中使用。

關鍵詞：太陽能;剛性太陽能板;柔性太陽能板;轉換效率

1 緒論

柔性太陽能電池，是世界太陽能產業的“新生兒”，屬于薄膜太陽能電池的一種，它具有可彎曲、重量輕、性能穩定、技術先進、成本低、用途廣等優勢。以前制造剛性太陽能電池板時，會先在兩層玻璃中間鋪上EVA膠膜和電池片，然后再組裝起來，這樣帶來的麻煩是器件重量較大不易移動，而且安裝時需要支架來固定。柔性太陽能板在它的基礎上做了改進，采用了UV可固化的聚合物包裝，這樣的好處就是重量輕，彈性好，確保了高的耐用性。這類包裝的聚合物原料包含EVA和氟ETEE（高耐力ETEE是高度透明的聚合物），不銹鋼基底的背板更保證了產品的強度。奇特的安放讓它便于攜帶，容易配置。組件可以折疊，可以重新組裝，完全滿足對產品耐久性，功能性和可靠性的要求。

隨著柔性太陽能電池技術的日益成熟，種類也越來越多，其中主要包括非晶硅薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜電池、有機太陽電池、染料敏化太陽能電池等。

2 硅基太陽能電池

作為整條光伏產業鏈的核心，硅基太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。

2.1 單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池是用單一晶硅錠塊制作，通過在高科技實驗室切片、摻雜和蝕刻而制成。在太陽能電池行業中，單晶硅太陽能電池的轉換效率是最高的，技術也是最成熟的。實驗室測得的最大轉換效率為24.7%，規模化生產時的效率為18%。在大規模使用中和工業制造中占有主要地位。

2.2 多晶硅薄膜太陽能電池

這種電池是用硅錠構成的各類硅晶體制成的。他們還是通過切片、摻雜和蝕刻得來。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅對比，費用便宜，但功效比單晶硅稍低，其實驗室最大轉換效率為18%，產業領域生產的轉換效率為10%。

2.3 非晶硅薄膜太陽能電池

非晶指缺乏幾何晶格結構。就晶體硅而言，非晶組件不具有有序的晶體結構特征。非晶硅薄膜太陽能電池費用低，重量輕，轉換效率較高，便于大領域生產，有很大的發展。但受制于其原料引起的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接決定了它的實際使用情況。如果還能深入處理穩定性及轉換效率的問題，那非晶硅太陽能電池毫無疑問的是太陽能電池的重要發展產物之一。

3 非晶硅薄膜太陽能電池效率測量實驗

本次以柔性太陽能電池中的非晶硅薄膜太陽能電池作為研究對象，搭建電路，測量其轉換效率，展開分析。

3.1 太陽能電池等效電路

針對在現實情況下的太陽能電池，決定轉換效率的重要因素有：一是串聯電阻Rs，由三部分組成，即金屬電極的電阻、半導體材料的體電阻、接觸電阻;二是并聯電阻Rp，這部分是由于電池邊沿泄電或耗盡區內的負荷電流引起的。圖1是實際太陽能電池的單二級管等效模型。

圖1 ?實際太陽能電池的單二級管等效模型

3.2 太陽能電池效率測量系統設計

先測量入射光的功率，繼而用被測電池的最大輸出功率與入射光的功率相除，便可得到該電池的轉換效率。由于太陽能電池的性能不僅和入射光的功率相關，還要考慮光譜成分的影響，并且在室外測試時環境的影響很大，加上儀器儀表的誤差，因而在不同的時間、不同的地點，同一電池測出的數據也很有可能不一樣。為了對太陽能電池的輸出特性作出相對較正確的評估，衡量和計算應當從以下三個環節順序進行：

①測量入射于太陽能電池的光照度：首先要確定光源的種類，如果直接以室外太陽光做光源，應盡量選取光線相對較穩定的時間和地點，而如果選用室內接近于太陽光的模擬太陽光作光源（日光燈等），除了要注意上面問題，還要保證光照距離和受光面積等，再測量光照度。在測量光的照度時，要盡量保證光譜的能量和光譜的穩定性。本次實驗，時間是早上9：00-10：00，地點是室外走廊，天氣陰，無風。

②測量太陽能電池的輸出特性：太陽能電池輸出特性，能夠由太陽能電池、電壓表、電流表和可變負載構成的電路測得。這里，用兩個萬用表代替電壓表和電流表，以10KΩ的電位器當作太陽能電池負載，在固定光照強度下（將滑動支架牢固在導軌上某處），將太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電位器的電阻值，記錄對應表上的輸出電壓V和電流I。

③計算電池的轉換效率：測得的太陽能電池的輸出特性，計算出各點的電壓與電流乘積即為對應負載下的輸出功率P，對比找到最大輸出功率Pm，而根據步驟①光照度計測得的入射光照度Ev，可以計算出入射光功率：

Pin=S×Ev ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3-1）

據此，計算出轉換效率：

η=Um×Im /（S×Ev）=Pm/Pin ? ? ? ? ? ? ? ?（3-2）

其中S是電池的有效受光面積 。

3.3 測量數據記錄

不同負載時非晶硅薄膜太陽能電池的輸出電流與太陽能電池的輸出電壓的關系如表1所示。

3.4 測量數據分析

首先，用光照度計測得此時的光照度Ev=250lx左右。測得的太陽能電池的輸出特性如上表1所示，由上計算出各點的電壓與電流乘積，即輸出功率對應如上。如上表1可知，當外界光強恒定時，在一定的范圍里，隨著太陽能電池的輸出電壓增大，輸出的電流反而在減小，而兩者的乘積即輸出功率是先增大后減小，對應伏安特性曲線上有一峰峰值，即此條件下的最大輸出的輸出功率：Pm=53.41mW，此時最佳工作電壓Um是1.38V，最佳工作電流Im是38.7mA，最佳負載：R=Um/Im=1.38/（38.7×10-3）=35.66（Ω）。由于要考慮非晶硅薄膜太陽能板的有效受光面積，這里，采用的方法是：估算單個圓形受光區的面積，再乘以板上總圓數。實驗所用的非晶硅薄膜太陽能板的單個圓直徑d約2mm，總共有15×75個同樣的單元，即計算太陽能板的有效受光面積：S=π×r2=3.14×（1×10-3）2×15×75=3.53 ×10-3（m2）。綜合以上，由公式（3-1）所得，入射光功率：Pin=S×Ev=3.53×10-3×250=0.883 （W）。據此，由公式（3-2）計算出轉換效率：η=Um×Im/S×Ev=Pm/Pin=53.41 ×10-3/0.883×100%100 =6.05%。

實驗測得的非晶硅薄膜太陽能電池的轉換效率較低，只有6.05%，但與實際了解的轉換效率相差不大（理論上可以達到6%-8%左右）。在同樣環境下，對比非晶硅薄膜太陽能板，在相同環境下測量剛性板的伏安特性關系如表2所示。

測量數據分析后可知剛性太陽能板的轉換效率也只有11.64%（理論上可以達到10%-24%左右）。對比兩組數據，就太陽能板轉換效率的相對值而言，可以說明柔性太陽能板的轉換效率比剛性板的要低。

柔性太陽能板的轉換效率為什么比剛性太陽能板低這么多？首先，兩種太陽能板的材質不同。剛性板光伏材料主要是單晶硅，由于單晶硅的缺陷少，有利于光生載流子的收集，而柔性太陽能板使用的是非晶硅（又稱無定形硅），它是硅的同素異形體，和晶體硅不同的是，它的原子間晶格排列無序且不穩定，這使得部分原子含有懸空鍵，這些懸空鍵不利于光生載流子的存在，即不利于光電轉換，因此，轉化效率不高。還有，非晶硅太陽能板所特有的光致衰退效應，也會降低轉換效率，并且，非晶硅這種物質對光譜的響應范圍是1.7ev-1.8ev（E（ev）λ（nm）=1240），使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，這也限制了它的轉換效率。

其次，傳統剛性太陽能板所用的鋼化玻璃透光率很高（一般91%以上），大部分入射光能都能被有效透射，因此，光電轉換效率高。

再次，對比兩種太陽能板的有效受光面積，傳統剛性太陽能板只需要用全面積減去電極之間的隔離區、引線區和邊緣區即可，而柔性太陽能板只有照射于PN結上的那部分光才有效，靠近PN結周邊區域、給太陽能板彎曲提供伸縮空間的部分，不應計入有效受光面積中，則在入射光功率不變的條件下，轉換出的出射功率變小，效率下降。綜上，柔性太陽能板的轉換效率為何不及剛性太陽能板，原因便很明了了。

4 結論

對比剛性太陽能板可知，影響柔性太陽能板轉換效率的主要是太陽能電池的結構和材料。目前主要從以下幾方面進行嘗試：

①電池的材料;

②太陽能電池的制程;

③太陽能電池的表面優化;

④太陽能板的安置角度。事實上，這些也從一定的程度上，實現了太陽能板轉換效率的提高。但大幅度的提高太陽能板的轉換效率，才是光伏市場的終極目標。

參考文獻：

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