柔性薄膜太阳能电池的研究进展_李荣荣

池，按照衬底的种类可分为硬衬底和柔性衬底２大类。 柔性衬底薄膜太阳能电池是指在柔性材料（如不锈钢、 聚酯膜等）上制作 的 薄 膜 太 阳 能 电 池。 与 晶 体 硅 片 太 阳能电池和硬衬底（如玻璃）薄膜太阳能电池相比，柔 性薄膜太阳能电池具有可弯曲、不易破碎、质量轻等特 点，且应用广泛。新的无机和有机太阳能材料的研究， 新型太阳能电池结构的探索，卷对卷（ｒｏｌｌ－ｔｏ－ｒｏｌｌ）的印
第４２卷 第７期
李 荣 荣 等 ：柔 性 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 研 究 进 展
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刷生产工艺以及喷墨印刷（Ｉｎｋ－Ｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）为降低 柔 性薄膜太阳能电池成本提供了可能［２－－４］。
介绍了在柔 性 衬 底 基 础 上 制 备 非 晶 硅／wk.baidu.com 米 晶 硅、铜铟镓硒（ＣＩＧＳ）、铜 锌 锡 硫 （ＣＺＴＳ）、ＴｉＯ２ 染 料 敏化（ＤＳＣｓ）、有 机 聚 合 物、新 型 纳 米 材 料 薄 膜 太 阳 能电池的研究进展及其潜在的应用场合。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ；ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ；ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｉｎｋ－ｊｅｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ
基于半导体光伏效应原理的太阳能电池是太阳能 利用的有 效 方 式 之 一。 目 前，以 玻 璃 硬 性 材 料 为 衬 底 的单晶硅与多晶硅太阳能电池占生产量的绝大多数， 但是由于其本身制造过程的高能耗与高真空条件使这 类电池的发电成本较高，而且其容易破碎、不可弯曲等 特点限制了某些应用场合，其光电转化效率也有待进 一步提 高［１］。薄 膜 太 阳 能 电 池 属 于 新 一 代 太 阳 能 电
硅基薄膜 太 阳 能 电 池 分 为 非 晶 硅 （α－Ｓｉ）、微 晶 硅（μ－Ｓｉ）、纳米 晶 硅 （ｎｃ－Ｓｉ）薄 膜 电 池。 近 年 来 硅 基 薄膜太阳能电池受 到 广 泛 重 视，由 于 薄 膜 硅 太 阳 能 电池硅吸收层所用 材 料 比 硅 晶 片 明 显 减 少，加 之 薄 膜沉积方法日渐成 熟，薄 膜 硅 太 阳 能 电 池 被 认 为 比 硅晶片电池成本更低。薄膜硅太阳能电池的一个关 键挑战是如何提高光电转换效率。
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ
ＬＩ Ｒｏｎｇｒｏｎｇ１，ＺＨＡＯ Ｊｉｎｊｉｎ１，ＳＩ Ｈｕａｙａｎ１，ＢＩＡＮ Ｚｈｉｊｉａｎ２，ＭＡ Ｈｕｉｄｏｎｇ２，ＤＩＮＧ Ｚｈａｎｌａｉ１，３ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｔｉｅｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈｉＪｉａＺｈｕａｎｇ ０５００４３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉｎｇｌｏｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＸｉｎｇＴａｉ ０５５５５０，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ；３．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ
大多数有机聚合物膜材料具有密度小、可弯曲、耐 冲击和易携带等特点，利用连续卷对卷印刷工艺生产 能提高产率、降低生产成本。聚合物衬底主要有：聚对 苯二甲酸二乙酯（ＰＥＴ）、聚 萘 二 酸 乙 二 醇 酯 （ＰＥＮ）、聚 酰亚胺（ＰＩ）等 聚 合 物［８］，甚 至 纸 张 也 可 以 作 为 衬 底 材 料［９－－１０］。尽管柔性有机材料完全可以取代玻璃作为衬 底，但其不耐 高 温，因 此 要 求 较 低 的 成 膜 温 度，使 得 目
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第４２卷 第７期 ２０１４ 年 ７ 月
檾檾檾檾殧 综合评述
硅 酸 盐 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＥＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＳＯＣＩＥＴＹ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ，２０１４
ＤＯＩ：１０．７５２１／ｊ．ｉｓｓｎ．０４５４－５６４８．２０１４．０７．１１
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柔性薄膜太阳能电池的研究进展
Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｔｉｅｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００４３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｍａｔｅｒｉ－ ａｌｓ，ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ，ｃｏｐｐｅｒ－ｉｎｄｉｕｍ－ｇａｌｌｉｕｍ－ｓｅｌｅｎｉｕｍ（ＣＩＧＳ）ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ，Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４ （ＣＺＴＳ）－ｂａｓｅｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ，ｄｙｅ ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ，ｐｏｌｙｍｅｒ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｒｏｌｌ－ｔｏ－ｒｏｌｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｋ－ｊｅｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｉｎ ｎｏｎ－ｖａｃｕ－ ｕｍ ｒｏｕｔｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｔ ｌｏｗ ｃｏｓｔｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｆｕｔｕｒｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｎｄ ｃｈａｌ－ ｌｅｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．
李 荣 荣１，赵 晋 津１，司 华 燕１，边 志 坚２，马 辉 东２，丁 占 来１，３
（１．石家庄铁道大学材料科学与工程学院，石家庄 ０５００４３；２．晶龙实业集团有限公司，河北 邢台 ０５５５５０； ３．石家庄铁道大学交通工程材料重点实验室，石家庄 ０５００４３ ）
摘 要：综述了柔性薄膜太阳能电池的研究现状、发展趋势及 其 应 用 前 景，分 别 就 柔 性 衬 底 材 料、硅 系 薄 膜 太 阳 能 电 池、铜 铟 镓硒薄膜太阳能电池、铜锌锡硫、染料敏化太阳能电 池、有 机 太 阳 能 电 池 和 新 型 纳 米 材 料 太 阳 能 电 池 进 行 了 介 绍 。 卷 对 卷 以 及喷墨印刷法等非真空大面积制备柔性薄膜太阳能电池的工艺，为低成本生产 此 类 太 阳 能 电 池 带 来 了 希 望 ，对 其 发 展 遇 到 的 挑战进行了展望。
收 稿 日 期 ：２０１３－－１２－－２８。 修 订 日 期 ：２０１４－－０２－－１０。 基 金 项 目 ：河 北 省 高 校 重 点 学 科 建 设 项 目 资 助 （ＨＢＪＧ２０１３－４）。 第 一 作 者 ：李 荣 荣 （１９８８— ），女 ，硕 士 研 究 生 。 通 信 作 者 ：丁 占 来 （１９６４— ），男 ，硕 士 ，教 授 。
１ 柔性衬底材料
为 实 现 卷 对 卷 大 批 量 、低 成 本 制 造 ，柔 性 薄 膜 太 阳 能 电 池 所 用 的 柔 性 衬 底 （或 称 基 底 ）材 料 应 具 有 如 下性能：１）足 够 的 强 度，能 够 承 受 制 备 过 程 中 的 张 拉应力；２）良 好 的 热 稳 定 性，制 备 过 程 中 衬 底 保 证 一定的温度；３）热膨胀系数与 ｐ－ｎ 结光电转换材 料 相匹配；４）价格尽量低 廉；５）良 好 的 透 光 性。 此 类 薄膜太阳能电池可以与建筑物窗户实现一体化。目 前柔性薄膜太阳能电池采用的衬底材料可分为２大 类 ：金 属 及 其 合 金 和 聚 合 物 。 １．１ 金 属 及 其 合 金
前薄膜与 基 体 之 间 的 附 着 力 较 差，效 率 普 遍 偏 低。 相 对玻璃衬底而言，有机柔性衬底由于其柔韧性释放应 变，在薄膜制备过程中呈现小的应变。
２ 柔性薄膜太阳能电池的种类
柔性薄膜太阳能电池按照光电转换材料分为硅 （微晶硅、非晶 硅、纳 米 晶 硅 ）、铜 铟 镓 硒 （ＣＩＧＳ）、铜 锌锡硫（ＣＺＴＳ）、ＴｉＯ２ 染 料 敏 化 （ＤＳＣｓ）、有 机 聚 合 物 、量 子 点 纳 米 材 料 等 。 ２．１ 微 晶 硅 、非 晶 硅 和 纳 米 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１３－－１２－－２８． Ｒｅｖｉｓｅｄ ｄａｔｅ：２０１４－－０２－－１０． Ｆｉｒｓｔ ａｕｔｈｏｒ：ＬＩ Ｒｏｎｇｒｏｎｇ （１９８８－），ｆｅｍａｌｅ，Ｍａｓｔｅｒ ｃａｎｄｉｄａｔｅ． Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｒ２００８１９８８＠１２６．ｃｏｍ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ：ＤＩＮＧ Ｚｈａｎｌａｉ（１９６４－），ｍａｌｅ，Ｍａｓｔｅｒ，Ｐｒｏ－ ｆｅｓｓｏｒ． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｌｄｉｎｇ＠ｓｔｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
金属与合 金 柔 性 材 料 用 于 薄 膜 太 阳 能 电 池 衬 底，可以使 用 较 高 的 衬 底 温 度 沉 积 电 池 薄 膜 材 料。 金 属 类 衬 底 主 要 有 不 锈 钢 、钛 、铝 、镍 、锌 、钼 、铬 、Ｉｎ－ ｃｏｎｅｌ合 金 （６１％ Ｎｉ，２２％ Ｃｒ，９％ Ｍｏ，５％ Ｆｅ） 等 。 ［５］ 不锈钢具有 耐 高 温、耐 腐 蚀、导 电 性 能 优 越、 延展性好及成本低 廉 等 优 点，不 锈 钢 成 为 薄 膜 太 阳 能电池柔性衬底的首选材料。以不锈钢作为薄膜太 阳 能 电 池 衬 底 ，有 利 于 实 现 柔 性 电 池 卷 对 卷 （ｒｏｌｌ－ｔｏ－ ｒｏｌ１）的生产工艺，对电池 的 大 面 积 连 续 生 产 更 具 有 经济价值 。 ［６］ 陶杰等综述了不锈钢基底薄膜太阳 能 电池的研 究 进 展 以 及 不 锈 钢 基 板 的 国 内 外 生 产 情 况，并针对柔性薄膜 太 阳 能 电 池 对 不 锈 钢 基 板 的 性 能 要 求 ，介 绍 了 不 锈 钢 基 板 的 轧 制 成 形 、光 亮 退 火 及 拉伸矫直成形过 程。 利 用 有 限 元 方 法，对 柔 性 薄 膜 太阳能电池用不锈 钢 基 板 轧 制 工 艺 进 行 了 模 拟，研 究了不同压下量及前后张力在不锈钢基板轧制过程 中应力分布。在模 拟 结 果 的 指 导 下，成 功 轧 制 得 到 厚０．２５ｍｍ 的不锈钢基板 。 ［７］ １．２ 聚 合 物
Ｓｕｂｈｅｎｄｕ与Ｊｅｆｆｒｅｙ Ｙａｎｇ 等 综 ［１２］ 述 了 非 晶 硅 与纳米晶硅太阳能 电 池 的 研 究 进 展，多 结 非 晶 硅 太 阳能电池的结构一般如图１ａ所示，在不锈钢基 底上 沉积 Ａｇ／ＺｎＯ 背反射层，之后是三结ａ－Ｓｉ／ａ－ＳｉＧｅ／ａ－ ＳｉＧｅ，最后沉积ＩＴＯ 正电极与导电栅。认为氢 化 对 非晶硅及非晶硅锗多结太阳能电池的性能起关键作 用，另外材料的质量 与 器 件 结 构 设 计 也 具 有 很 大 影 响［１１］。Ｓｕｂｈｅｎｄｕ等 在 ［１２－－１３］ 不锈钢 衬 底 上 利 用 氢 化 非晶硅、氢 化 非 晶 硅 锗 与 氢 化 纳 米 晶 硅 组 成 ａ－Ｓｉ∶ Ｈ／ａ－ＳｉＧｅ∶Ｈ／ｎｃ－Ｓｉ∶Ｈ 三 结 柔 性 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池，实验室电池 模 型 （０．２５ｃｍ２）的 初 始 转 换 效 率 达 到１４．６％，稳定转换 效 率 达 １３％，大 面 积 电 池 组 件 的稳定效率 达 到 １１．８５％，电 池 结 构 如 图 １ｂ 所 示， 背反射层为 Ａｇ／ＺｎＯ。
关 键 词 ：柔 性 薄 膜 ；太 阳 能 电 池 ；卷 对 卷 印 刷 ；喷 墨 印 刷 ；柔 性 衬 底 中 图 分 类 号 ：ＴＢ３４ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０４５４－５６４８（２０１４）０７－０８７８－０８ 网络出版时间：２０１４－７－１ １５：５１：１９ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２３１０．ＴＱ．２０１４０７０１．１６４３．０３２．ｈｔｍｌ