一柔性襯底薄膜太陽電池的特點

在過去的幾十年中，人類經濟活動的持續高速發展使得電力需求迅速增加。太陽電池是一種利用光生伏特效應將太陽能能直接轉換為電能的半導體器件，很容易實現并網發電或作為獨立能源。眾所周知，太陽電池發電具有許多優點，如安全可靠，無噪聲，無污染，能量隨處可得，不受無需消耗燃料、無機械轉動部件、故障率低、維護方便、可以無人值守、規模大小隨意、可以方便地與建筑物相結合等，這些優點都是常規發電所不及的。

目前，太陽電池發電在航天、通訊及微電子領域已占據了不可替代的位置，但在社會整體能源結構中所占比例很小，主要原因是太陽電池成本較高，要使其真正成為能源體系的組成部分，必須大幅度降低成本。薄膜太陽電池在降低成本方面比晶體硅(單晶或多晶)太陽電池具有更大的優勢，一是實現薄膜化后，可極大地節省昂貴的半導體材料;二是薄膜電池的材料制備和電池同時形成，因此節省了許多工序;三是薄膜太陽電池采用低溫工藝技術，不僅有利于節能降耗，而且便于采用廉價襯底(玻璃、不銹鋼等)。為此,自上世紀70年代以來，世界各國紛紛投入巨資，制定規劃，組織隊伍，掀起對薄膜太陽電池的研究熱潮，三十幾年來在研究和開發應用方面均取得了長足的進步。

薄膜太陽電池主要涉及非晶硅(a-Si：H)、銅銦鎵硒(Cu(In、Ga)Se2，CIGS)和碲化鎘(CdTe)光伏電池和集成組件，在本文中主要討論的是目前商業化最成熟的非晶硅太陽電池。薄膜太陽電池按襯底分為硬襯底和柔性襯底兩大類。所謂柔性襯底太陽電池是指在柔性材料(如不銹鋼、聚酯膜)上制作的電池，與平板式晶體硅、玻璃襯底的非晶硅等硬襯底電池相比，其最大的特點是重量輕、可折疊和不易破碎。以美國Uni-Solar公司采用不銹鋼作襯底為例，不銹鋼的厚度僅為127um，且具有極好的柔軟性，可以任意卷曲、裁剪、粘貼，既使彎成很小的半徑，作數百次卷曲，電池性能也不會發生變化。而以高分子聚合物聚酰亞胺為柔性襯底制備的非晶硅太陽電池，器件總厚度約100um左右(含封裝層)，功率重量比可達到500W/Kg以上，比不銹鋼襯底非晶硅電池高出近十倍，是世界上最輕的太陽電池。從制備工藝上看，由于此結構電池采用卷對卷(rolltoroll)工藝制造，便于大面積連續生產，降低成本的潛力很大，具有很強的競爭力。

柔性襯底太陽電池能被安置在流線型汽車的頂部、帆船、賽艇、摩托艇的船艙等不平整表面、房屋等建筑物的樓頂與外墻面。另外由于柔性薄膜電池具有較高的質量比功率(500W/kg)，同時具有可彎曲性，非常適用于對地觀測的平流層飛艇表面，特種上的利用前景光明。

近年來，國外推行的光伏與建筑相結合(BIpV)，極大地推動了光伏并網系統的發展。在城鎮建筑物上安裝的光伏系統，通常采用與公共電網并網的形式。并網光伏系統不需要配備蓄電池，既節省投資，又不受蓄電池荷電狀態的限制，可以充分利用光伏系統所發出的電力;光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要;夏天是用電高峰的季節，也正好是日照量最大，光伏系統發電量最多時期，對電網可以起到調峰作用;光伏陣列吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，所以也可以起到建筑節能作用。

BIpV的開發是目前世界上大規模利用光伏技術發電的一大研究熱點，西方發達國家都在作為重點項目積極進行。除了在屋頂安裝光伏電池板外，已推出了把光伏電池裝在瓦片內的產品。此外，國外還在研究光伏墻結構(pVWALL)，將光伏系統和建筑物外墻相結合。可以預計，光伏與建筑相結合是未來光伏應用中最重要的領域之一，其發展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場潛力，柔性襯底薄膜電池無疑將在其中扮演重要角色。