柔性非晶矽太陽能電池性能的研究

 摘要：隨著光伏技術的發展，光伏發電的應用越來越廣泛，種類也越來越多，從傳統的光伏電站（離網或併網），到光伏建築一體化（BIPV），到PV-LED等等。這些應用中，絕大多數採用的是剛性太陽能電池，如晶體矽電池。而在一些剛性電池無法勝任的場合中，柔性太陽能電池正以其獨特、柔韌的特點贏得了一席之地，在各種戶外便攜的應用裡，特別是科考、軍工等領域發揮著不可替代的作用。本文主要以目前較為成熟、應用較為廣泛的柔性非晶矽太陽能電池為主，介紹了柔性太陽能電池的特點、與傳統電池的區別、製備方法和可攜式供電系統的構成，同時闡述了可攜式太陽能供電系統的配置關係，如何在最佳的成本控制上產生最佳的效果，為今後更細化的設計提供參考。隨著技術的發展，還將有更多的柔性太陽能電池被開發出來，形成產品，本文最後也將為未來新一代的柔性太陽能電池的趨勢進行介紹、探討。

關鍵詞： 柔性太陽能；可攜式電源；蓄電池

1、柔性太陽能電池

上述的太陽能電池種類中，絕大部分為剛性結構，即是用玻璃材料封裝，輔以邊框緊固。我們可以想像，在戶外背負著一塊巨大的玻璃板進行，是多麼不令人愉快的。有的品種雖然可製備成柔性形態，但是柔韌度、抗破壞性、耐候性和壽命均存在很大的不足。比如SUNPOWER公司的柔性單晶矽產品，雖然已經可以實現輕微斷裂後仍可繼續工作，但是柔性程度只能達到30%，即是說，彎折到31%時，電池將徹底斷裂而報廢。

在本文論述的戶外柔性可攜式太陽能供電系統中，太陽能電池無非是最為核心的內容。在戶外使用中，我們很難給用戶限定各種使用方法，特別在軍事領域，一款脆弱的電池，是不能勝任「便攜性」這三個字的。

雖然碲化鎘、CIGS等電池可製備成不易損壞的太陽能電池組件，但是他們仍舊還未解決隔氧隔水等問題，使用壽命相當有限。近年，中國的漢能集團席捲歐美CIGS企業，收購了數家重量級CIGS廠商，準備大幹一場。雖然他們在屋頂發電（BIPV）方面營造出了不少成就，但是柔性太陽能電池仍舊遲遲未能推出產品，主要便是被隔水的封裝工藝困擾。

有機太陽能電池也是未來柔性太陽能電池的一個重要方向，他採用印刷生產，高效且低成本，未來不僅可製備成柔性，甚至可以作為塗料直接塗抹。但是，就目前全世界前沿的實驗室或公司來看，現在還僅僅能是停留在手套箱+玻璃器件階段，市場化的道路還十分漫長。

真正商業化應用較為成功的，只有柔性非晶矽太陽能電池。

2、柔性非晶矽太陽能電池

自1945年美國貝爾電話實驗室製造出了世界上第一塊實用的矽太陽能電池開始，便開創了現代人類利用太陽能的新紀元。隨著數十年來世界各國的大力研究，太陽能的開發方興未艾，近年來，研製出的太陽能新產品層出不窮，其中柔性非晶矽太陽能電池便是其中一顆最為璀璨的新星。

2.1 柔性非晶矽太陽能電池的形態

柔性非晶矽太陽能電池軟性、透明、細薄（約為1微米之厚度），太陽能光電模塊原件（見圖②）呈片狀，其製造技術已完全成熟量產，每一KW所需矽材僅0.067公斤，而其對高頻日照光譜（藍色）最為敏感。

柔性薄膜太陽能電池除具備傳統太陽能的光電轉換功能外，顧名思義，其形體柔軟輕便，封裝後（太陽能電池晶片需經過封裝後方可正常使用）厚度僅為1.5mm，輸出功率為50W的電池板重量僅為2.5KG，是傳統太陽能的1/6。由於其表面捨棄了易碎、脆弱的玻璃或樹脂材料，而採用高分子聚合物膠膜封裝，使產品更為柔韌耐用，並且可任意彎曲摺疊（傳統太陽能電池均以玻璃封裝，脆弱易損），甚至可根據不同的裝備要求製作成任意造型，摺疊後僅為書本大小，便於攜帶。野外作業時，只需將太陽能電池板任意鋪展或懸掛，便可對負載進行供電，並可於行走時背負使用。

不受溫度影響：太陽能產品在一般戶外使用時，其內部的太陽能電池（Solar Cell）溫度不受影響

品質輕：7.0 kg/m?，不會因為太陽能板的鋪設給屋面造成過重負荷，屋面主結構的選型也不會因太陽能板的鋪設而發生大的變化。

靈活，易彎曲：薄膜板是輕質軟體材料，在屋頂平均坡度<60°，彎曲板半徑>13 m時可以隨屋面形狀任意彎曲。

持久耐用：使用抗UV聚合物封裝太陽能電池，故產品特別持久耐用、清潔，板表面光滑，不吸塵，任何灰塵都能在下雨時被雨水衝掉。屋面不需要進行外部清洗。

耐遮影：產品採用三複合層高伏特光電技術，當遇到遮蔽或陰影情況時，仍然能夠轉換輸出比一般太陽能產品要多的電能。

無玻璃：產品捨棄易碎的玻璃改採杜邦（DuPont）聚合物來保護太陽能電池。

2.2  旁路二極體技術

採用在太陽光線受到遮蔽時仍可提供較高的光電轉換率——旁路二極體技術。當太陽能板部分被周邊建築物或屋頂上方對象遮擋時，由於旁路二極體的連通，僅僅只是陰影面覆蓋的太陽能板部分不參與工作，其餘部分仍正常工作，也即被陰影遮蔽的這組板仍能產生電流。而多晶矽板一旦有陰影遮蔽，整組太陽能板將退出工作狀態。

2.3 光譜吸收範圍

柔性非晶矽太陽能電池中嵌有三層矽晶體，粘附在不鏽鋼薄膜上，外覆醋酸乙烯乙烷聚合物（EVA）保護層。三層膜粘合可減薄每個子電子層的厚度，使每個子電池的內電場增加，增加了各子電池的收集效率，擴展了光譜相應範圍。每一層矽晶體都能轉換可見光譜中的特定部分，從而即使在陰雨、多雲天氣中也可提供較高的光電轉換率，彌補了非晶矽相對於多晶矽，單晶矽板在晴好天氣轉換率低的不足（晶體矽電池轉換效率在17%左右，非晶矽電池約為8-10%，轉換效率高主要體現在產品可節省一定受光面積，而總體功率不變）。

圖⑷ 光譜吸收範圍

2.4 三複合層結構設計

在傳統的非晶矽電池中，分為單結，雙結，三結，甚至還有5結之多。但是綜合成本考慮，比較多用的是3結結構。所謂的3結結構，就是分為三層吸光層，各吸收不同的太陽光譜波段。他採用P.I.N綜合多層製造以降低光感反射效應，而P.I.N又是主要導電層，因此由非晶質與鍺元素等材料結構，使帶隙空特性來調和能量轉換率可達8.6%左右。太陽能譜輻射電場範圍涵蓋X光輻射及珈碼輻射其波長有：

紫外線 （0.04-400nm）9%

可見光波 （400-700nm）47%

紅外線波 （700-300,000） 44%

微波及無線電波等。

晶體矽太陽能電池對紅色視覺光譜帶（如冬季日照光譜）吸收效應最高，在晴空明朗的日照密度下可達1100-1250w/m2。A-SI材質的非晶太陽能電池，對藍色日照光譜（如夏季及陰天之情況下）其吸收效應在日照密度僅 50-400w/m2的氣候下亦能獲得最高的光能轉換效率。

晶體矽太陽能電池對紅色視覺光譜帶（如冬季日照光譜）吸收效應最高，在晴空明朗的日照密度下可達1100-1250w/m2。A-SI材質的非晶太陽能電池，對藍色日照光譜（如夏季及陰天之情況下）其吸收效應在日照密度僅 50-400w/m2的氣候下亦能獲得最高的光能轉換效率。

圖⑸  三複合層結構

三複合層太陽能電池採三明治結構設計，分層吸收太陽各種波長光普，因此可轉換並輸出比一般太陽能產品更多的電能。

頂層使用非晶矽材料，光學能階間隙達1.8eV，利於吸收藍光。

底層使用非晶矽與40-50%之鍺合金材料，光學能階間隙達1.4eV，可吸收紅光與遠紅光。

中層使用非晶矽與10-15%之鍺合金材料，光學能階間隙達1.6eV，利於吸收綠光。

在光源進入時未被吸收的光線會被基底層的銀與氧化鋅（Ag/Zno）反射回去，並在往外反射的途中被吸收。）

2.5 環境與氣候影響

由於季節性的關係，長年日照密度隨著大氣溫變化，太陽能日照密度、雲層遮蓋的時間及溫（熱）效應等，太陽能電池運轉效率因產品與氣候有相當的關聯（如圖⑹、⑺曲線資料數據比較說明）。

由輸出能量溫升折損曲線比較表，多晶矽太陽能光電模塊在標準全日照量（1000 w/m2）以60℃運轉溫度情況下，其能量（電壓）轉換折損高達15%以上，單晶態太陽能光電模塊約17%。

而柔性非晶矽太陽能電池，不但未受影響且在日照密度（600 w/m2）情況期獲取能量顯然毫無損失，因此於東亞季節氣候下，其輸出能量反而有提升的跡象。是故太陽能光電模塊能量轉換率，直接受到材質與結構技術及區域季節性氣候溫度有密切的關係。

圖⑹  25℃與60℃非晶矽與晶體矽的相對效率對比

圖⑺  25℃與60℃非晶矽與晶體矽的產生電能對比

2.6 封裝特點

柔性非晶矽太陽能電池表面封裝的高分子膠膜進行了科學化設計，其表面的紋路處理可吸收來自各個角度的光線，有效的防止了日光折損。即使在沒有陽光的陰雨天，亦能產生30%左右的功率，整體效能比傳統太陽能電池提升20%。

不僅如此，柔性薄膜太陽能電池經封裝後還具有免維護、防水、防腐、防汙、抗衝擊、抗重壓、耐溫絕緣等傳統太陽能無法具備的優點。其表面使用高強惰性的氟塑料膠膜封裝，表面光滑不吸附，即使受到汙染，亦可憑藉雨水的衝刷或簡單的清潔去除髒物。TP-SOLAR柔性薄膜太陽能電池在-40℃至80℃的環境中均可正常工作，即使某部位被子彈擊穿，其餘部分仍可不受之影響產生電能。

圖（8）  用迷彩布基封裝的柔性非晶矽太陽能組件

圖（9）  柔性非晶矽太陽能組件展開和摺疊後的形態

2.7 使用壽命

單就柔性非晶矽太陽能電池來說，其使用壽命很長，整套光伏板發電系統20年內有80％的電能輸出保證，（因為光伏板在15年後會停止退化，此後光伏板仍能產生不少於20％的電能），20年後整個光伏板系統還能使用多久主要依賴於建築物所處的氣候環境。控制器、逆變器等電子設備通常只有5年的使用壽命，5年後需更換其中某些配件以使其正常工作，好比汽車或日用電器需更換某些零部件一樣，無需很多費用。據美國可再生能源研究室的戶外系統測試報告：衰減率為－0.74％（TP-SOLAR牌）。

3、柔性非晶矽太陽能電池與傳統太陽能電池的對比

 

評價一個太陽能電池發電系統的優劣除了看它是否具有更高的光電轉換效率外，還應參考系統在白天的工作效率。目前市面上供應的單晶矽太陽能電池的光電轉化效率為17%，多晶矽的為16%，非晶矽太陽能電池的光電轉換效率僅為9%，但這並不意味晶體矽太陽能電池比非晶矽太陽能電池在一天裡將更多的光能轉化為電能。由於材料本身的特性不同，非晶矽太陽能電池具有晶體矽太陽能電池不能比擬的優點。單晶矽太陽能電池一般只能在晴天正午時具有光電轉換能力，而非晶矽太陽能電池比單晶矽、多晶矽太陽能電池組件有著更長的發電時間，無論是晴天的強光輻照下或在沙塵天、陰雨天的弱散射光下，非晶矽太陽能電池板的同功率發電量均大於單晶矽太陽能電池的同功率發電量。因此在全年變化的氣候下，非晶矽太陽能電池板的發電效能均優於單晶矽太陽能電池板。

文/倪斌 廈門大學物理與機電工程學院（廈門漢青信息技術有限公司）

王亞軍 副教授 廈門大學物理與機電工程學院

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