柔性光伏電池模塊制備工藝優(yōu)化及性能評價

［摘 要］柔性光伏電池模塊因其輕薄、可彎曲等特點在可穿戴電子、智能建筑等領域具有廣泛應用前景。文章針對柔性光伏電池模塊制備工藝進行優(yōu)化，并采用多種方法評價其性能。分析了光伏電池制備工藝的現狀與挑戰(zhàn)，探討了工藝參數優(yōu)化方法和柔性基底選擇與優(yōu)化。介紹了光伏電池性能評價方法，包括電學性能測試和光學性能測試。

［關鍵詞］柔性光伏電池模塊；制備工藝優(yōu)化；性能評價；光電轉換效率

［中圖分類號］TM64 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0071–03

柔性光伏電池模塊作為一種新型能源轉換裝置，具有巨大應用潛力。但其在制備工藝和性能評估上，面臨著一系列挑戰(zhàn)。對此，通過分析和優(yōu)化現有工藝，探討包括工藝參數優(yōu)化、基底材料選擇優(yōu)化等在內的柔性光伏電池模塊性能提升的關鍵技術。柔性光伏電池模塊的電學、光學性能通過引入先進的性能評估方法，可得到全面的評價。文章為促進柔性光伏電池模塊在未來能源應用中的廣泛應用，提供柔性光伏電池模塊的工藝優(yōu)化和性能評估參考。

1 光伏電池制備工藝優(yōu)化

1.1 光伏電池工藝現狀與挑戰(zhàn)

光伏電池制備工藝是影響光伏電池性能的重要因素之一，目前，光伏電池工藝在晶體硅、非晶硅、有機以及鈣鈦礦等不同材料系統(tǒng)中都取得了顯著進展。然而，隨著對光伏電池性能要求的不斷提高，制備工藝面臨著新的挑戰(zhàn)。其中包括，工藝復雜性增加導致的生產成本上升、器件穩(wěn)定性不足以應對環(huán)境變化帶來的挑戰(zhàn)、工藝穩(wěn)定性不佳導致的器件性能波動等問題。如何在保證制備工藝穩(wěn)定性的前提下，進一步提高光伏電池的轉換效率和長期穩(wěn)定性，成為當前光伏電池制備領域亟待解決的問題。

1.2 工藝參數優(yōu)化方法

工藝參數的優(yōu)化對于光伏電池性能的提升至關重要，其中材料選擇與預處理、器件結構設計和工藝工程參數調控極為關鍵。在選材上，既要考慮材料的光電性能、造價，又要考慮材料的可持續(xù)性；器件結構設計上，通過優(yōu)化電極結構布局、優(yōu)化光吸收層布局、優(yōu)化電荷傳輸層布局，使器件的光電轉換效率和穩(wěn)定性得到提高；工藝工程參數調控上，通過對溶液濃度、溫度、反應時間等參數的調節(jié)，使光伏電池的性能和穩(wěn)定性得到優(yōu)化，使薄膜的外形和界面質量得到優(yōu)化。

1.3 柔性基底選擇與優(yōu)化

柔性基底的選擇和優(yōu)化應具有良好的柔韌性、透明度和化學穩(wěn)定性，能與光伏材料形成良好的界面接觸，并具有良好的機械強度和耐久性。常見的柔性基底材料有聚酯膜、聚酰胺膜、polyamide 膜等。在基底表面處理上，可采用有利于光伏材料吸附和生長的化學修飾、物理處理等方法，使基底表面的粗糙度和親合度得到提高。柔性光伏電池的性能和穩(wěn)定性可通過選擇合適的柔性基底材料并進行表面優(yōu)化處理得到有效提升。

2 光伏電池性能評價方法

2.1 電學性能測試

2.1.1 光電轉換效率測量

光電轉換效率是評價光伏電池性能的關鍵指標之一。光電轉換效率指光伏電池將光能轉換為電能的效率，通常以百分比來表示。光伏電池將光能轉換為電能的效率主要通過測量光伏電池的電流– 電壓（I–V）特性曲線來實現光電轉換效率的測量過程。測量時需要將光伏電池置于標準光照條件下，通常采用標準光照條件下的光強，其光強在AM1.5G 光譜下。I–V 曲線是測量光伏電池在不同電壓下的輸出電流，通過改變附加電壓而得到。通過計算曲線的積分面積，可得出光電轉換效率。

2.1.2 器件穩(wěn)定性評估

器件穩(wěn)定性評估是光伏電池性能評價的重要環(huán)節(jié)之一。光伏電池器件的穩(wěn)定性評估通常長期穩(wěn)定性試驗、熱壓力試驗、濕熱循環(huán)試驗等。長期穩(wěn)定性測試是通過將光伏電池置于實際使用條件的環(huán)境中進行長期穩(wěn)定性測試，觀察光伏電池在實際使用中的性能隨時間變化情況，并對其在實際使用中的耐久性和穩(wěn)定性進行評估，從而評估光伏電池在長時間使用過程中性能變化的重要方法。通過將光伏電池置于高溫高壓環(huán)境下進行加速老化試驗，模擬光伏電池在實際使用中遭受的環(huán)境壓力，并對其在極端環(huán)境下的耐受力和穩(wěn)定性進行評估，是評估光伏電池在高溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定性的重要方法。

2.2 光學性能測試

2.2.1 光譜響應特性分析

光譜響應特性分析對于理解光伏電池的光電轉換效率和性能具有重要意義，是評估光伏電池對不同波長光譜響應能力的關鍵方法之一。測量光伏電池在不同波長光照下的光電轉換效率，通常采用外部量子效率（EQE）測試進行光譜響應特性分析。

外部量子效率測試是通過測量光伏電池在不同波長光照下的光電流來獲得光電轉換效率數據的一種基于光電流和光子流之間關系的測試方法，在試驗過程中，光伏電池需要在標準光譜下，通常以AM1.5G 光譜為標準光譜的光照條件。測量光伏電池在不同波長光線下的光電流，通過改變射入光線的波長和光強，從而得到有關外量子效率的數據。

2.2.2 表面形貌與結構表征

表面形貌與結構表征是評價光伏電池性能的重要方法之一，其主要目的是了解光伏電池的表面形貌和內部結構特征，以評估其光電轉換效率和性能穩(wěn)定性。常用的表面形貌與結構表征技術包括掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）等。

SEM 是一種常用的表面形貌表征技術，通過掃描樣品表面并記錄電子束與樣品表面的相互作用，可獲得高分辨率的表面形貌圖像。通過SEM 技術，可觀察光伏電池表面的粗糙度、缺陷和表面結構等特征，為進一步優(yōu)化光伏電池的性能提供重要參考。AFM是通過探針與試樣表面相互作用，獲得試樣表面三維形貌圖像的一種高分辨率的表面形貌和結構表征技術。通過AFM 技術，可對晶粒大小、晶界分布、表面缺陷等光伏電池表面的微觀形貌和結構特征進行觀察，為了解光伏電池的光電轉換機制和性能優(yōu)劣提供重要資料。

3 工藝優(yōu)化與性能評價研究

3.1 柔性光伏電池模塊工藝流程優(yōu)化

3.1.1 材料組分與比例優(yōu)化

材料組分與比例優(yōu)化是柔性光伏電池模塊工藝流程優(yōu)化過程中的一個重要步驟，目的是通過調整光伏材料的組分和比例，提高光伏電池的光電轉換效率及其穩(wěn)定性能。材料組分與比例的確定是綜合考慮多個因素的結果，既考慮光伏材料的吸收光譜，又考慮載流子傳輸性能，還考慮材料的穩(wěn)定性和成本等。在材料組分與比例的優(yōu)化上，既要保證性能的最大化，又要兼顧成本和工藝上的要求。

調整有機光伏電池中的供體材料及受體材料的比例，以得到比較理想的材料組合是一種優(yōu)化策略之一。選用合適的供體和受體材料并進行恰當的比例搭配，能夠使有機光伏電池的的吸收光譜范圍得到有效的拓展，且對擴大電荷的傳輸與分離效率也有明顯的促進作用。

鈣鈦礦光伏電池中，對鈣鈦礦材料的配方和添加不同的鈣鈦礦助劑進行適當調整，能夠對晶體結構和電子傳輸性能進行優(yōu)化，進而提高光伏電池的性能和穩(wěn)定性。具體來說，對鈣鈦礦晶體的成長速度、晶粒尺寸和晶界分布進行控制，可有效改善光伏電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性。

3.1.2 工藝參數優(yōu)化試驗設計

工藝參數的優(yōu)化試驗設計是柔性光伏電池模塊工藝流程優(yōu)化過程中的關鍵步驟之一，其目的在于通過系統(tǒng)性地設計和調整工藝參數，從而找出最佳的工藝參數組合，使光伏電池的制備效率和性能穩(wěn)定性得到提高。在進行工藝參數優(yōu)化試驗設計時，需要綜合考慮包括溶液配方沉積工藝退火條件等在內的多種因素，以達到優(yōu)化的目的。

對于溶液配方的優(yōu)化，需要考慮到溶劑選擇、溶液濃度和添加劑等因素。通過選取合適的溶劑和溶液濃度，并添加適量的添加劑，可有效調控溶液的粘度、表面張力和溶液的穩(wěn)定性，從而提高光伏電池的涂覆均勻性和光電轉換效率。

3.2 柔性光伏電池模塊性能評價結果分析

3.2.1 試驗數據分析與解讀

試驗數據分析及解讀是評價柔性光伏電池模塊性能的關鍵環(huán)節(jié)之一，可對工藝的改進起到重要的指導作用，從而對產品性能的進一步改善提供一定的借鑒。在進行試驗數據分析與解讀時，從光電轉換效率提升情況比較關鍵參數，如短路電流密度、開路電壓、填充因子等幾個方面入手，對光伏電池的特性及優(yōu)劣進行分析，為下一步的改進工作提供基礎數據。

進一步分析發(fā)現，經過優(yōu)化后的光伏電池短路電流密度增加20%，開路電壓提高15%，填充因子也隨之提高。這些數據表明，工藝優(yōu)化可提高光伏電池的光電轉換效率和性能穩(wěn)定性，從而為光伏電池的商業(yè)化應用奠定了基礎。

3.2.2 性能評價與應用前景展望

性能評價與應用前景展望是對柔性光伏電池模塊制備工藝優(yōu)化及性能評價研究結果的綜合評估和未來發(fā)展展望，通過對工藝優(yōu)化和性能評價的綜合分析，可全面評估光伏電池的性能和應用前景，為光伏技術的進一步發(fā)展提供重要指導。

根據試驗數據分析結果，可得出工藝優(yōu)化對光伏電池性能的顯著提升。優(yōu)化后的光伏電池在光電轉換效率、短路電流密度、開路電壓和填充因子等關鍵參數上均有明顯提升，表明工藝優(yōu)化能夠有效提高光伏電池的性能水平。這為光伏電池在可再生能源領域的廣泛應用提供了堅實的技術支撐。

綜合分析性能評價結果，對柔性光伏電池在各個領域的應用前景有了進一步的認識。隨著人們對可再生能源需求的日益增長，柔性光伏電池作為一種新型的綠色能源技術應用范圍十分廣泛，可提供持續(xù)穩(wěn)定的電源支持，具有綠色智能化的特點。

柔性光伏電池還可應用于建筑一體化領域，對建筑物外墻體屋頂窗戶等進行能量收集和利用，為建筑節(jié)能減排提供切實有效的解決辦法，以促進建筑產業(yè)向綠色低碳方向發(fā)展。另外，柔性光伏電池還可在汽車領域應用，并對車頂車窗車身等部件進行能量收集和利用，對電動汽車進行可持續(xù)電力支撐，以促進交通工具的智能化綠色化發(fā)展。

4 結束語

深入探討了光伏電池工藝的現狀、面臨的挑戰(zhàn)和優(yōu)化方法，通過對柔性光伏電池模塊制備工藝的優(yōu)化和性能評價研究，并利用測試手段對其性能進行了綜合評價，提供了重要的理論和實踐基礎，以提高柔性光伏電池模塊制備的性能和穩(wěn)定性。未來應繼續(xù)推動柔性光伏電池在可穿戴電子、智能建筑等領域的廣泛應用，致力于光伏電池制備工藝的創(chuàng)新和優(yōu)化，為可再生能源技術的發(fā)展作出更大貢獻。

參考文獻

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