什么是柔性太阳能电池

柔性薄膜太阳能电池是相对于常规太阳能电池优势：

1、结构优势：

常规太阳能电池一般是两层玻璃中间是EVA材料和电池片的结构，这样的组件重量较重，安装的时候需要支架，不易移动。柔性薄膜太阳能电池不需要采用玻璃背板和盖板，重量比双层玻璃的太阳能电池片组件轻80%，采用pvc背板和ETFE薄膜盖板的柔性电池片甚至可以任意弯曲，方便携带。

2、作用优势：

可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。使用范围较为广泛。缺点是光电的转换效率要比常规的晶硅组件低。还有一种半柔性的太阳能电池板，转化率高，只能弯曲在30度左右，这类产品的太阳能电池板光瑞实业做的比较成熟。

3、组装优势：

结合纳米技术的染料敏化太阳能电池、有机钙钛矿太阳能电池具有明显的材料和器件组装优势，是当前国际上较主流的柔性太阳能电池。

要得到高性能的柔性染料敏化太阳能电池并推动其产业化，要从以下几个方面寻求突破。一方面是需要进一步提高柔性染料敏化太阳能电池的光电转换效率和稳定性。另一方面是进一步降低电池的成本并实现卷对卷的大规模印刷制备。

香港城市大学研发第三代柔性太阳能电池，成功后将会迎来市场快速发展，而且使太阳能资源能够合理利用，加强各种技术创新，促使光伏建筑一体化使用。

通过香港的相关媒体，报道对于第3代柔性太阳能电池，至于技术不断创新，突破用于研发各个透明质酸，也已经获得了香港有关企业支持发展的技术之一，能够有效促进关于光伏建设一体化的应用和开展参加此次研究团队的毕业生，也将对于全球前500强建筑产业进行获聘，有着很好发展前途和未来倾向。此种设计能够加强对太阳能使用太阳能资源，是最丰富的可再生资源，加强运用半导体把光转化为电能的，这种发电方式是非常值得赞扬和肯定，近年来在全球有不断迅速发展大规模的开发太阳能，但是有时候也会受到局限，如何透过各个科技创新领域来加强，对于光伏技术应用也是近来对于第3代太阳能电池开创的主要原因和目的。

这种电池的开发和创新，减少了相关制造成本增加，了各种智能产品的可能性和发展为这一种太阳能资源使用力度，提高有效性，关于制造这一种电池团队，近几年来也会研发出以光伏发电，具有隔热节能产品的窗户，这种窗户将会很大，资源得到节能，所以是非常具有发展前景和创业意义。项目未来也会加强，对开发各种大面积的柔性太阳能电池利用之中，会招募各种人才进行技术开发和改革创新科学技术水平应用，加强对于光伏建筑一体化方面的改善。

对于此种第3代柔性太阳能电池又是关于太阳能使用的一大创新和突破。作为新型人才要加大培养，要加大各种新型能源投资力度，这样才能够加强改革创新和科技研发。

科技 日报记者 李丽云 通讯员 兰鑫 刘立武

未来下一代大型或超大型空间结构对能源系统提出了极高的要求，柔性太阳能电池作为太阳能电池发展的新趋势之一，具有质量轻、柔韧性好、收纳比高等优点，但在航天应用过程中存在收拢锁紧、驱动展开和展开后刚度较低等难题。

在杜善义院士、韩杰才院士带领下，哈工大复合材料与结构研究所于20世纪90年代初就在国内较早确立了智能材料与结构的研究方向。在其“理工结合，服务航天”发展理念的指导下，冷劲松教授课题组从事智能材料结构力学及其在航天、航空、生物医学等领域的研究。2006年开始，课题组启动开展形状记忆聚合物及其复合材料结构的研究，自主研发了适用于航天环境的多种类、不同系列的形状记忆聚合物材料，这些材料能满足高低轨道等不同极端空间环境的需求。

与形状记忆合金(Shape Memory Alloy)不同，形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer)是一种激励响应的非金属高分子材料，具有主动可控大变形(20%-500%)、驱动方式多样、刚度可变等特性，可被设计成集驱动与承载功能一体化的部件，结构简单，可靠性高，未来有望部分替代复杂的机电驱动系统。

本次搭载的“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”，主要包括哈工大研制的形状记忆复合材料锁紧释放机构、形状记忆聚合物复合材料可展开梁和上海空间电源研究所研制的柔性太阳能薄膜电池。基于复合材料力学理论和结构精细化设计，本次搭载的可展开柔性太阳能电池系统，通过形状记忆聚合物复合材料结构实现了锁紧、释放和结构展开的功能，没有采用传统的火工分离装置、铰链及电机驱动等方法，结构简单，解锁和展开过程几乎无冲击，展开时间和过程可控，展开后结构的基频和刚度都较高。

在中国空间技术研究院通信卫星事业部的大力支持和帮助下，本次哈工大科研团队在国际上首次实现了基于形状记忆聚合物复合材料结构的柔性太阳能电池系统的在轨可控展开验证，是该团队继2016年在国际上首次实现地球同步轨道环境下形状记忆聚合物复合材料的在轨验证之后，再次创造的一个“国际首次”记录，两次“国际首次”在轨任务的成功，标志着我国智能材料及其航天器结构的研究处于国际前列。在前期技术积累基础上，基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构，还将应用于我国首次火星探测任务—“天问一号”。

未来，相关技术也有望应用于深空探测、空间站、探月工程、卫星等不同航天器平台中的空间可展开结构、锁紧释放机构及柔性太阳能电池系统，在航天、航空、 汽车 、高端装备、智能制造、机器人及生物医疗等领域也具有广泛的应用前景。

(文中图片由受访者提供)

所以，单指应用领域范围讲，柔性太阳能电池比传统的太阳能电池好。但是，有两项重要的指标还有待于提高，否则会严重影响到它的推广。一是转换效率，目前柔性太阳能电池的转化效率只有8-10%,最高也只有11%。传统型的已经做到20几了。二是工业化应用后的成本能够实现多少。

柔性太阳能电池板目前主要有5大类，具体转化率如下：

一、有机太阳能光伏电池转化效率：8%左右。

二、非晶硅太阳能光伏电池转化效率：10%-12%。

三、铜铟镓硒太阳能光伏电池转化效率：14%-18%。

四、碲化镉太阳能光伏电池转化效率：16%-18%。

五、砷化镓太阳能光伏电池转化效率：28%-31%。

柔性太阳能电池板是世界太阳能产业的新兴技术产品，它是由树脂包封的无定形硅作为主要光电元件层平铺在柔性材料制成的底板上制成的太阳能电池板。特点是：可弯曲折叠，便于携带。但转换效率稍低于普通的硬性太阳能电池板。

利用太阳能发电在技术上早已成熟。但迄今为止所有硅太阳能电池存在的最大问题是：它必须加工成坚硬的板块状电池板。这就限制了它的许多日常用途。

日本东京佳能公司的科研人员去年发明了一种由新材料制成的柔性太阳能电池板。其特点是：由树脂包封的无定形硅作为主要光电元件层平铺在柔性材料制成的底板上。这种新型太阳能电池能任意弯曲成为曲面状或任何不规则形状。

它能安置在流线型汽车的顶部、帆船、赛艇、摩托艇的船舱表面以及房屋等建筑物的楼顶与外墙面上以便充分利用丰富的太阳能并将其转化成电流。这种电流可贮存在蓄电池中以便产生动力或作为能源。

非晶硅（amorphous silicon, a -Si）柔性电池的厚度是晶体硅电池的1/300，可以进一步地降低原材料 成本。非晶硅柔性电池的一个突破时 1997 年提出的三结叠层电池结构，提高了转换效率和稳定性，稳定后的转换效率达到8 .0%-8.5%。

以美国 United Solar Ovonic 公司的非晶硅柔性电池为例，非晶硅三结叠层电池结构包含了三层不同带隙的 p -n 结吸收层，如图 3 所示。顶电池用 1 .8eV 带隙的非晶硅 a -Si，吸收蓝光。中间电池用 1 .6eV 带隙的硅锗合金 a -SiGe，吸收绿光，Ge 的含量为 10%-15%。底电池用 1 .4eV 带隙的硅锗合金 a -SiGe, 为 40%-50%吸收红光和红外光，Ge 的含量较高。太阳光依次通过三层半导体吸收层后，还有一部分没有 被吸收的光线，经过 Al/ZnO 的背反射层反射后，回到三层半导体吸收层，再进行一次吸收过程，背反射 层起到陷光作用。这样非晶硅柔性电池可以更有效地吸收入射光，提高了转换效率和输出功率，在低入射光和散射光的条件下，性能更好。 在有机太阳电池（organic photovoltaic, OPV）中，有机半导体吸收介质通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善于给出电子、吸收空穴，混合后具有正电性，共轭聚合物（conjugated polymer）是典型的施主 材料。受主材料善于吸收电子、给出空穴，混合后具有负电性，富勒烯（fullerene，C 60）是典型的受主材料。

激子（excition）是被束缚的电子- 空穴对，是受激后的准离子（quasiparticle）。受激后，电子和空穴分离，但是电子- 空穴对仍然通过静电的库伦力互相吸引，由于库伦束缚而不能彻底分离，形成激子。激子有两种，瓦

尔尼- 模特激子（Wannier-Mottexcition）和弗伦克尔激子（Frenkel exciton）。瓦尔尼-模特激子存在于在晶体硅半 导体中，被激发到导带中的电子和价带中的空穴形成束缚态，库伦力较弱，在 0.01eV 左右。弗伦克尔激子存在 于有机介质的施主材料中，之间的库伦力较强，在0.3eV 左右。 早在 20 世纪 70 年代，人们就希望通过模拟光合作用，开发出新型太阳能电池。那时，人们在半导体晶体 材料二氧化钛（titanium dioxide， TiO2 ）表面，包裹一层叶绿素（chlorophyll）染料。虽然提出了染料敏化太 阳能电池（dye-sensitized solar cell, DSC）的概念，但是由于电子在叶绿素中输运困难，转换效率只有0 .01%。

直到 1991 年，瑞士化学家 Michael Gratzel 运用纳米技术，才推动了染料敏化电池的实质性发展。Gratzel 把大颗粒的 TiO2 晶体，替换成直径 20nm 的小颗粒海绵状 TiO2 ，外层包裹染料薄层，形成 10um 厚的光学透明薄膜。第一次制成的染料敏化电池，其转换效率就已经达到了7 .1%，电流密度达到 12mA/cm。 而现 在，染料敏化电池转换效率的世界纪录是11%。

在燃料敏化电池的结构中，光敏剂（ photosensitizer）通过羧基（ crboxyl,-COOH）、磷酸基（ phosphonic acid,-PO3H2）或硼酸基（boronic acid –B(OH)2）功能团，覆盖在TiO2 颗粒表面，形成电荷转移络合物（charge transfer complex），再浸泡在氧化还原介体（redox mediator）溶液中，TCO 玻璃和金属衬底分别作为阴极和阳 极，如图 5.10 所示。光敏剂吸收入射光，基态中的So 中的电子被激发到高能态S*,在 fs 到 ps 时间内，光敏剂中的电子进入 TiO2 的导带，光敏剂失去电子，被氧化，成为S+。氧化还原介体从金属阳极得到电子，再对光 敏剂提供电子，使之还原，回到 So.TiO2 导带上的自由电子，通过 TCO 阴极和电路，来到金属阳极，2 个电极之间形成电流，驱动电路中的负载。 2016年3月 我科学家研制出新型柔性太阳能电池，专家认为，该成果有望用于发展智能温控型太阳能电池及可穿戴太阳能电池。

晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结成制作，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反肘膜、凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为 ∮10至 20cm的圆片，年产能力46MW/a。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24％，空间用高质量的效率在AMO条件约为13.5—18％地面用大量生产的在AM1条件下多在11—18％之间。以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替＃晶硅，可降低成本，但效率较低。优化正背电极的银浆和铝浆丝网印刷，磨图抛工艺，千方百计进一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达18.6%。

非晶硅光电池

a－Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于外解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜，易于大面积化（05rn×l.0m），成本较低，多采用p in结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层P in等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。发展集成型a－Si光电池组件，激光切割的使用有效面积达90％以上，小面积转换效率提高到 14.6％，大面积大量生产的为8－10％，叠层结构的最高效率为21％。研发动向是改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。弱光性好，造价低！多晶硅光电池

P－Si（多晶硅，包括微品）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的p－Si光电池转换效率为15.3％，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制备的转换效率约为12.6—l7.3%。采用廉价衬底的p—si薄膜生长方法有PECVD和热丝法，或对a—si：H材料膜进行后退火，达到低温固相晶化，可分别制出效率9.8%和9.2%的无退化电池。微晶硅薄膜生长与a—si工艺相容，光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，但效率仅为7.7％大面积低温p—si膜与—si组成叠层电池结构，是提高比a—S光电池稳定性和转换效率的重要途径，可更充分利用太阳光谱，理论计算表明其效率可在28％以上，将使硅基薄膜光电池性能产生突破性进展。铜烟硒光电池 CIS（铜锁硒）薄膜光电池己成为国际先伏界研究开发的热门课题，它具有转换效率高（已达到17.7％），性能稳定，制造成本低的特点。CIS光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积多层膜而构成的，厚度可做到2－3μrn，吸收层CIS膜对电池性能起着决定性作用。现已开发出反应共蒸法和硒化法（溅射、蒸发、电沉积等）两大类多种制备方法，其它外层通常采用真空蒸发或溅射成膜。阻碍其发展的原风是工艺重复性差，高效电池成品率低，材料组分较复杂，缺乏控制薄膜生长的分析仪器。CIS光电池正受到产业界重视，

工作原理可以参考：http://www.htpower.com.cn/questions/questions440.html