柔性太阳电池及其应用

太 阳 能SOLAR ENERGYSOLAR ENERGY 18/201256一 柔性太阳电池柔性太阳电池是薄膜太阳电池的一种，是指以柔性材料（如不锈钢、 塑料等）为基底的薄膜太阳电池 ［１］ 。 一般来讲， 所有薄膜太阳电池都可以做成柔性太阳电池。 从材料上分， 柔性太阳电池主要有非晶硅（ａ－Ｓｉ）薄膜太阳电池、铜铟镓硒（ＣＩＧＳ）薄膜太阳电池、染料敏化薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池等几种类型 ［２］ 。表 １ 为代表性生产厂家的柔性太阳电池产品结构特征及信息。非晶硅柔性太阳电池的典型产品有两种结构，如日本 Ｆｕｊｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ 公司的以塑料柔性太阳电池及其应用深圳市创益科技发展有限公司 ■ 姜希猛 汪磊产品图片 结构简图Ｆｕｊｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ 非晶硅／塑料Ｕｎｉ－Ｓｏｌａｒ 非晶硅／不锈钢Ｇｌｏｂａｌ ｓｏｌａｒ 铜铟镓硒／不锈钢Ｇ２４ｉ 染料敏化／塑料Ｋｏｎａｒｋａ 有 机 聚 合 物／塑料表 1 几种典型的柔性太阳电池产品电池类型／基底ＥＴＦＥ层a-si 层a-siGe 层ETFE 层ＥＴＦＥ层a-si 层a-siGe 层a-siGe 层不锈钢板ETFE 层ZnO 层CdS 层CIGS 层Mo不锈钢板出层压板反光极TiO2钛PET 层压板出层压板透明包装透明电极活性物质主电极塑料材料为基底的 ａ－Ｓｉ／ａ－ＳｉＧｅ 双结电池、美国 Ｕｎｉｔｅｄ－Ｓｏｌａｒ公司的以不锈钢为基底的 ａ－Ｓｉ／ａ－ＳｉＧｅ／ａ－ＳｉＧｅ 三结电池；铜铟镓硒柔性太阳电池以美国 Ｇｌｏｂａｌ Ｓｏｌａｒ公司的产品为代表， 基底为不锈钢 ； 染料敏化柔性太阳电池与有机柔性薄膜太阳电池分别以英国Ｇ２４ｉ 公司和英国 Ｋｏｎａｒｋａ 公司的产品为代表，基底为塑料， 目前处于小规模生产阶段。 以上各厂家的部分产品规格如表 ２ 所示。和柔性太阳电池相比，单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、 ＨＩＴ太阳电池、 玻璃基底非晶硅及碲化镉薄膜等非柔性太阳电池的规格参数如表 ３所示。依据表 ２、表 ３ 中的相关数据进行分析，ＦｕｊｉＥｌｅｃｔｒｉｃ 和 Ｕｎｉｔｅｄ－Ｓｏｌａｒ 的非晶硅柔性太阳电池的功率面积比分别为 ５５．６ Ｗ／ｍ ２ 和 ６０．６ Ｗ／ｍ ２ ，Ｇｌｏ－ｂａｌ ｓｏｌａｒ 的柔性 ＣＩＧＳ 太阳电池的功率面积比为１００．６ Ｗ／ｍ ２ ， 低于晶体硅等太阳电池的功率面积比（１３３．６～１５５．１ Ｗ／ｍ ２ ），但非晶硅和 ＣＩＧＳ 柔性太阳电池的功率质量比（１７．４～５４．８ Ｗ／ｋｇ）却明显高于晶体硅太阳电池的相应值（１０．７～１２．２ Ｗ／ｋｇ）及非晶硅玻璃基底薄膜太阳电池和 ＣｄＴｅ 太阳电池相应值（４．８～７．１ Ｗ／ｋｇ）。 这表明相同质量的柔性太阳电池功率更大。 由于目前染料敏化柔性太阳电池与有机薄膜柔性太阳电池的转换效率均低于 ５％， 转换效率为晶体硅太阳电池的１／３左右， 导致其功率质量比与晶体硅等太阳电池的相应值相当。和非柔性太阳电池相比，柔性太阳电池的厚技术与产品太 阳 能SOLAR ENERGYSOLAR ENERGY 18/201257度仅为 １～３ ｍｍ，厚度小、质量轻，并有很强的可弯曲性， 适合安装固定在各种曲面上。 另外， 生产所需的半导体材料少，可有效降低原材料的成本，卷对卷（ｒｏｌｌ－ｔｏ－ｒｏｌｌ）工艺使大面积连续生产成为可能，所生产的产品便于携带和运输。柔性太阳电池的特点决定了它比非柔性太阳电池的应用领域更广， 在太阳能光伏建筑、 城市遮阳设施、 便携式充电电源、 移动式动力电源等众多应用领域更具独特优势。二 柔性太阳电池的应用1 光伏建筑柔性太阳电池更适合与建筑相结合，随着产品技术的逐渐成熟，柔性太阳电池将可以用于建筑物构件的各个部分， 如屋顶、 外墙、 遮阳棚、 窗帘等。（１） 弧形屋顶柔性太阳电池可以直接粘贴在钢、铝材、塑料等板料屋顶结构上， 对于一些大跨度、 承重能力有限的弧形屋顶更为适用。柔性太阳电池的安装固定方式包括粘贴、 夹具固定、 钢索拉伸等多种形表 2 几种柔性太阳电池的规格参数功率 外部尺寸 重量 功率面积比 功率质量比（Ｗ） （ｍｍ ｍｍ ｍｍ） （ｋｇ） （Ｗ／ｍ ２ ） （Ｗ／ｋｇ）Ｆｕｊｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＦＰＶ １０２３ＣＯＭ１ ２３ ９００ ４６０ １ ０．４２ ５５．６ ５４．８Ｕｎｉ－Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｂｏｎｄ ＰＶＬ ６８ ２８４９ ３９４ ４ ３．９０ ６０．６ １７．４Ｇｌｏｂａｌ ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ ＦＬＥＸ ＴＭ ＢＩＰＶ １００ ２０１３ ４９４ ３ ２．９０ １００．６ ３４．５Ｇ２４ｉ Ｇ２４ｉ－Ｏｕｔｄｏｏｒｓ ０．５ ２５４ ２００ １．８ ０．０５ ９．８ １０．０Ｋｏｎａｒｋａ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｓｔｉｃ ５４０ １２．４ １１２７ ６７６ １．１０ １６．３ １１．６厂家 型号表 3 几种非柔性太阳电池产品的规格参数功率 外部尺寸 重量 功率面积比 功率质量比（Ｗ） （ｍｍ ｍｍ ｍｍ） （ｋｇ） （Ｗ／ｍ ２ ） （Ｗ／ｋｇ）Ｓｕｎｔｅｃｈ／ｍｏｎｏ－Ｓｉ ＳＴＰ１９０Ｓ－２４／Ａｄ＋ １９０ １５８０ ８０８ ３５ １５．５ １４８．８ １２．２ＲＥＷ／Ｐｏｌｙ－Ｓｉ ＲＣ２１５ ＭＰ６０ ２１５ １６３９ ９８２ ３５ ２０ １３３．６ １０．７ＳＡＮＹＯ／ＨＩＴ ＨＩＴ Ｐｏｗｅｒ １８０ １８０ １３１９ ８８０ ４６ １５ １５５．１ １２Ｄｕｐｏｎｔ／ａ－Ｓｉ ＤＡ１４５ １４５ １４００ １１００ ７．６ ３０ ９４．２ ４．８Ｆｉｒｓｔ Ｓｏｌａｒ／ ＣｄＴｅ ＦＳ－３８５ ８５ １２００ ６００ ６．８ １２ １１８．１ ７．１厂家 型号式。 其中粘接方式一般按以下步骤进行 首先将粘接表面进行清洗， 然后铺设防水卷材如ＴＰＯ（热塑性聚烯烃类）、 ＥＰＤＭ（三元乙丙橡胶）、 ＰＶＣ、 改性沥青卷材等，最后对粘接后的柔性太阳电池组件进行压实。图 １ 为 Ｇｌｏｂａｌ ｓｏｌａｒ 公司 １９．８ ｋＷ ｐ 柔性ＣＩＧＳ太阳电池组件在意大利米兰市某工程建筑上的安装过程。图 １ 柔性太阳电池屋面的安装施工例技术与产品太 阳 能SOLAR ENERGYSOLAR ENERGY 18/201258窗帘拉起遮阳并开始储存电能，供晚上室内照明或为其他电器供电。太阳能光伏与建筑相结合是未来光伏应用最重要的领域之一， 有着巨大的市场潜力， 柔性太阳电池无疑将在其中扮演重要角色。2 城市遮阳设施图 ２ 为位于深圳市龙岗区创益科技发展有限公司产业园屋顶１８．０３ ｋＷ ｐ 的柔性非晶硅太阳电池光伏发电系统。此系统由 ３９２ 片 ４６ Ｗ 的非晶硅柔性太阳电池片串并联而成。（２） 玻璃幕墙玻璃幕墙是柔性太阳电池在建筑中的又一重要应用领域，芯板可以封装在夹层玻璃或者中空玻璃当中。 此外， 柔性太阳电池还可以直接粘贴在玻璃幕墙的内表面， 易于安装及维护。 半透明柔性太阳电池和建筑玻璃的结合，既不影响屋内的采光要求，又能避免强光照射对屋内物品带来的损伤。ｋｏｎａｒｋａ 公司的柔性有机太阳电池与玻璃幕墙的结合如图 ３ 所示。（３） 柔性窗帘此外，柔性太阳电池做成的窗帘 ［３］ 等建筑内装饰产品也正在研究开发中。 图４为麻省理工学院发明的利用柔性有机光伏电池织物制成的窗帘。这种窗帘每一条叶片的向阳面都有一层薄片的柔性太阳电池， 不仅具有遮阳和装饰功能， 还可以进行太阳能发电，白天将粘有柔性太阳电池的百叶城市中的公共设施如公交亭、停车篷、遮阳亭的夜间照明、 广告应用等都需要提供电源， 但由于其分布零散，市电供电需要复杂的地下布线网络， 利用太阳能是解决供电问题的良好选择之一。然而， 这些设施结构比较简单难以承载重物， 篷顶也并非全是平面结构，以致晶体硅太阳电池及玻（双层玻璃）大厅柔性光伏 玻璃窗技术与产品太 阳 能SOLAR ENERGYSOLAR ENERGY 18/201259璃基底的薄膜太阳电池不适于应用。柔性太阳电池质量轻、 可弯曲， 可以为这些设施的供电带来方便。3 偏远地区及农业供电（１） 帐篷在野外进行野营、灾害救援、科学考察等户外活动时， 仪器设备供电、 夜晚生活照明都需要大量的电能， 仅靠蓄电池供电不能维持长久。 将柔性太阳电池固定或者悬挂在帐篷顶上安装，通过合理设置柔性太阳电池的面积，以满足发电供电功率从几瓦到几百瓦的使用要求。4 便携式应急充电柔性太阳电池质量轻、 可折叠， 且便于携带，可以与背包、手提袋等日常生活用品进行一体化设计，可以为 ＭＰ３、手机或手提电脑等小功率用电设备提供便携式电源。（２） 农业大棚 ［４］目前农业大棚采用ＬＥＤ对不同农作物进行单色光照射， 促进其快速生长。 与柔性薄膜太阳电池相结合的新型农业大棚不存在供电难问题，能解决 ＬＥＤ 的用电及农业大棚的抽水灌溉问题。 柔性薄膜太阳电池一般铺设在农业大棚顶部，电池片之间要留有一定的空隙使太阳光照射到大棚内的农作物。 此外， 使用半透明的柔性薄膜太阳电池，只需将其铺设在大棚顶部，电池片之间不需留有空隙，也能保证作物生长所需要的阳光透过。图 ７ 为安装在美国布鲁克代尔的柔性光伏电池农业大棚，是在大棚的普通聚丙烯膜上铺ｋｏｎａｒｋａ 公司半透明有机太阳电池。 相关人员对此种柔性太阳能农业大棚与普通农业大棚内的四种作物生长进行了实验研究， 结果表明， 由于柔性太阳电池的遮挡，柔性太阳能农业大棚内的平均温度比普通大棚内低约 １０℃，但柔性太阳电池农业大棚内的作物株苗比预期要高，两大棚内的作物产量却相差无几。由于所配置的柔性太阳电池面积的不同，这些便携式充电电源提供的电流、电压等规格参数均不尽相同， 功率也从不到一瓦至几十瓦不等， 因此这些便携式产品各有各的应用领域，充电所需时间与柔性电池的功率和阳光强度有关。表 ４ 为Ｇｌｏｂａｌ ｓｏｌａｒ公司提供的ＣＩＧＳ柔性太阳电池供电的部分用电器充电时间数据。5 交通工具辅助电源最初在航天器、太阳能船舶、太阳能汽车上图 ８ 柔性太阳电池便携式充电电源技术与产品太 阳 能SOLAR ENERGYSOLAR ENERGY 18/2012606 其他除了上述应用，柔性太阳电池还可以与小型电子产品如电子书等集成， 为其提供电源。 此外，柔性太阳电池还可以与织物结合，形成柔性太阳能衣服，可以增强衣服的保暖功能。三 柔性太阳电池存在问题及解决思路柔性太阳电池也存在一些问题（１） 柔性太阳电池产品的实际光电转换效率相对较低； （２） 柔性太阳电池大多采用塑料封装，产品稳定性较差，耐用年限短； （３） 柔性太阳电池生产技术水平要求较高， 年产量较少， 尚不能满足市场需求。解决这些问题就需要对薄膜太阳电池基本原理进行更为深入的研究，对其封装材料进行大力的研究、 开发， 还需要进行规模化生产， 从而降低生产成本。四 前景展望目前， 柔性太阳电池整体性能仍然相对较低，成本也比硬衬底太阳电池要高，限制了其广泛应用。 随着柔性太阳电池技术的突破， 其不仅将在弧形光伏建筑、便携式移动电源等柔性太阳能专属利用领域得到越来越多的应用，在传统太阳电池利用领域也将会与硬衬底太阳电池竞争，在太阳能市场上显示出极强的竞争力。参考文献［１］ 帕格利亚诺．柔性太阳电池［Ｍ］．上海交通大学出版社，２０１０．［２］ 熊绍珍，朱美芳．太阳电池基础与应用［Ｍ］．科学出版社，２００９３２７－３９２．［３］太阳能窗帘［Ｊ］．发明与创新（综合版） ， ２００８，（０７），２７．［４］杜容熠． 太阳能光伏发电在农业温室补光系统中直流电直接应用的探讨［Ｊ］．现代农业科技，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．ｃｏｍ２ Ｗ ４ Ｗ ６．５ Ｗ ２５ Ｗ ３０ Ｗ ６２ Ｗ手机 ／ ＭＰ３ ２～３ １～２ ２～３ － － －ＰＤＡ／ ＧＰＳ ／ ｉＰｈｏｎｅ ２～４ １～３ ２～４ － － －掌上游戏机 ２～４ １～３ ２～４ － － －卫星电话 － － － １～２ １～２ １～２笔记本电脑 － － － ８～１０ ４～５ ４～５表 4 柔性组件供电的用电器的充电时间组 件功 率充 电时 间（ ｈ ）用电 器作为辅助电源的太阳电池多为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池及砷化镓太阳电池， 然而这些太阳电池自身较重且不易折叠， 限制了其使用。 柔性薄膜太阳电池重量轻、 可以折叠， 并可制成帆板， 还可粘贴在轮船甲板或汽车的表面。 以航天器上的应用为例， 若将柔性薄膜太阳电池阵贴在空间飞行器的轻质支撑表面， 与当前最新的晶体硅多结刚性支撑太阳电池相比， 其成本可降低８０％， 单位面积功率比增加近 ７ 倍，可装载体积增加近 １０ 倍。 ［５］图 ９ 柔性太阳电池在交通工具辅助电源上的应用ｂ 太阳能船舶 ｃ 太阳能汽车ａ 太阳能太空帆柔性薄膜太阳电池在交通工具上作为电源应用尚处于初始阶段，目前大多作为交通工具辅助电源使用。技术与产品