行業報告丨柔性太陽電池最新前沿進展分析
來源：中國科學院文獻情報系統雙碳戰略研究團隊 時間：2023-07-10 14:51
柔性太陽電池具有廣闊的市場前景，有集成到建筑物或可穿戴電子設備中的巨大潛力，已發展出柔性硅薄膜太陽電池、柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池、柔性碲化鎘太陽電池、柔性有機太陽電池和柔性鈣鈦礦太陽電池五大類，其使用的柔性襯底材料主要有金屬箔和塑料兩類。晶硅太陽電池在70年前就開發出來，是當今社會中應用最為廣泛的太陽電池，但是不可彎折、脆性較高等局限性大大限制了其柔性應用場景。5月24日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所針對單晶硅片容易碎裂的力學問題，提出了一種新的結構設計方案，通過邊緣鈍化技術可實現大規模（>240平方厘米）和高效（>24%）的柔性晶硅太陽電池商業化生產。相關研究成果發表于Nature雜志并選為封面文章[1]。本文解讀了柔性晶硅太陽電池的重大技術突破，并分析了柔性太陽電池其他技術路線的前沿進展。
一、柔性硅太陽電池的發展歷程
過去二十年，柔性太陽電池技術快速發展（圖1）。美國UnitedSolar公司是最早研究不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池的公司，也是唯一實現柔性不銹鋼襯底硅薄膜電池商業化的公司[2]。該公司于2002年建立了生產線，產品的孔徑效率只有8.2%，制備出的a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三結電池初始效率為16.3%，是當時效率最高的柔性硅薄膜太陽電池。通過采用高速沉積（>1納米每秒）工藝，穩定效率達到12.41%，面積為1.05平方厘米。通過進一步優化電池工藝，該公司制備了大面積電池組件，400平方厘米組件的穩定效率為11.2%，807.8平方厘米組件的初始效率為11.8%。2018年，韓國蔚山科學技術院Kwanyong Seo團隊設計出厚度為50微米的晶硅光伏器件，最大效率達到了18.9%[3]，2020年引入RIP-PDMS薄膜提高了薄晶硅太陽電池的柔韌性，在1000次曲率為10毫米的彎曲測試中保持18.4%的效率[4]。2021年6月，日本產業技術綜合研究所制備了一系列厚度為50~400微米的硅異質結太陽電池，最大轉換效率超過22%[5]；同年9月，利用氫化納米硅制備了超薄（56微米）硅異質結太陽電池，效率達到了23.3%[6]。
二、破解硅片“力學短板”，柔性晶硅太陽電池取得革命性突破
上海微系統所研究團隊通過高速相機觀察發現，太陽電池的單晶硅片在彎曲應力作用下的斷裂總是從硅片邊緣處的“V”字型溝槽開始萌生裂痕，該區域被定義為硅片的“力學短板”。根據這一發現，該團隊創新地采用濕法化學反應和干法等離子體反應圓滑處理兩種不同的技術方案，通過表面的各向異性反應，將硅片邊緣表面和側面尖銳的“V”字型溝槽圓滑處理成平滑的“U”字型溝槽，改變了硅片邊緣和側面在介觀尺度上的結構對稱性。結合有限元分析、動態應力載荷下的分子動力學模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應力分析，揭示了介觀對稱性變化與實現將單晶硅的“脆性”斷裂行為轉變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為的關聯關系。此外，圓滑處理只限于硅片邊緣區域，因此基本不影響硅片對光的捕獲能力，從而保持了太陽電池的光電轉換效率基本不變。該結構設計方案可以顯著提升硅片的“柔韌性”，60微米厚的硅片能完成類似于A4紙折疊的動作，最小彎曲半徑可實現5毫米以下，彎曲角度逾360度電池在經歷1000次左右彎曲循環后仍然能夠保持100%的初始效率，并在量產線成功驗證了工藝放大生產的可行性。
上海微系統所研發的器件是柔性太陽電池研究領域的革命性突破。之前大多數報道的柔性太陽電池轉換效率低于20%，該研究實現了器件尺寸和轉換效率的顯著增加，分別從4平方厘米和23.27%增加到244.3平方厘米和24.5%。工業規模的柔性晶硅太陽電池的實現表明，其技術路線與標準化的商業生產兼容。在組件層面，柔性硅異質結組件沒有厚重的玻璃和背板，這使得質量功率比非常小，為2.31克每瓦，遠低于標準單面和雙面晶硅太陽能組件的45.57克/瓦和82.93克/瓦。本研究中展示的柔性硅異質結組件可以解決快速發展的建筑集成光伏研究領域遇到的承重問題，并使晶硅太陽能組件能夠附著在具有平坦或彎曲表面的建筑墻壁上。
該項研究在國際上產生了巨大反響。領域專家澳大利亞新南威爾士大學Bram Hoex評價說：“硅太陽電池目前在光伏市場上占主導地位，但它們的柔韌性因其金字塔結構而受到阻礙。使用具有‘鈍化’周邊的薄硅片，制備得到了柔性太陽電池，對于這樣的薄設備來說，其效率令人印象深刻。因此，該研究解決了薄硅太陽電池的主要障礙——脆性。這一結果可能會改變柔性太陽電池應用的游戲規則”[7]。Nature雜志副主編評價說：“當我第一次讀到這項研究時，對簡單地鈍化硅片的邊緣就能帶來柔性和高效率之間的適當平衡印象深刻。這項工作還因其對有紋理的晶體硅片的機械性能的見解而脫穎而出，作者利用這些性能開發高性能的柔性太陽電池，并為大規模應用提供了令人信服的理由，這些結果非常引人注目。”該文的一位審稿人指出，對于曲率半徑很小的太陽電池應用場景，該工作將成為“游戲規則”的改變者。另一位審稿人則表示：“無論從哪個角度該科研工作都是一流水平的”。
三、柔性太陽電池其他技術路線前沿進展
1、柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池（CIGS）
經過多年的發展，柔性CIGS已經具備大規模產業化的基礎條件。高效率上限和良好的穩定性是CIGS太陽電池的優點。柔性CIGS太陽電池最關鍵的吸收層的制備，仍需要克服許多技術難關，目前研究最廣泛的是共蒸發法和濺射后硒化法，另外通過本征缺陷、摻雜、錯配等方法對吸收層進行調控，也是提升CIGS性能的有效途徑。近年來通過制備工藝的不斷創新，取得了很多進展，電池效率和規模化效率逐步提升。
2019年，漢能MiaSolé采用柔性濺射法研發的銅銦鎵硒薄膜太陽小面積芯片（單位面積0.86平方厘米）轉換效率達到20.56%。同期，經德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所（Fraunhofer ISE）驗證，漢能MiaSolé制備的商用大尺寸柔性銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能組件（采光面積1.08平方米），采光面積光電轉換效率達到了17.44%，創下大面積柔性CIGS組件效率最新世界紀錄[8]。2021年，瑞士聯邦材料測試與開發研究所的Ayodhya N. Tiwari團隊開發了低溫沉積工藝，在聚合物薄膜襯底上生產的柔性銅銦鎵硒太陽能電池效率達到了21.4%[9]，2022年采用低溫沉積工藝開發出CIGS（銅銦鎵二硒）雙面薄膜太陽能電池，其將光轉化為電能的效率實現了創紀錄的30%以上，其前照式的效率達到創紀錄的19.77%，后照式的效率達到10.89%[10]。2023年6月，尚越光電采用獨特的卷對卷銅網壓印工藝，規模化量產CIGS組件最高效率，認證最高效率超過17.75%（超越了此前由MiaSole保持的17.44%的世界記錄）[11]。
2、柔性碲化鎘太陽電池（CdTe）
CdTe是一種II-VI族化合物半導體，吸收率較高，適合于制作成薄膜太陽電池的吸收層，理論效率高達28%~-29%，是實現建筑單體玻璃幕墻低成本和低能耗的選擇。其生產主要采用近空間升華（CSS）和氣相傳輸沉淀（VTD）兩種方法，兩種方法理論都是可以滿足技術和商業化要求，不過實際應用中需要積累生產經驗不斷優化生產工藝。
目前實驗室CdTe太陽電池的最高轉換效率為First Solar公司2016年取得的22.1%，擁有獨家VTD技術專利。2022年龍焱能源采用CSS技術，實現了碲化鎘薄膜標準光伏組件（0.72 m2，1200 mm*600 mm）的批量化生產，組件最高輸出功率達到123.73 W，即全面積光電轉換效率17.19%，另外公司的碲化鎘實驗室小面積電池轉換效率也已取得了突破，達到20.61%[12]。
3、柔性有機太陽電池
柔性有機太陽能電池由于具有柔性、輕質、超薄、無毒、顏色可調以及可高通量大面積印刷制備等優點一直備受關注。目前大面積柔性器件的效率與小面積剛性有機太陽電池之間還存在著很大差距。基于塑料基底制備的柔性透明電極在面電阻、透光率、可加工性以及穩定性等方面受到極大限制。同時目前的涂布技術難以精確掌控有機薄膜的厚度，不利于有機太陽能電池向大面積生產化、產業化發展。近年來，通過柔性透明電極開發，給受體分子的設計與合成、活性層形貌調控和涂布工藝優化，在提升效率方面取得了一系列研究成果。
2020年5月，韓國蔚山國立科學技術研究所（UNIST）的Changduk Yang教授和Hyesung Park教授團隊制備了一種聚酰亞胺-石墨烯（PI@GR）新型透明電極應用于柔性有機太陽能電池，實現了15.2%的光電轉換效率，是當時報道的柔性有機太陽能電池的最高數值[13]。2021年5月，蘇州大學李耀文教授等人與瑞典林雪平大學高峰教授團隊合作，提出有機太陽能電池活性層的主客體材料設計策略，制備了高效大面積有機太陽能電池組件，解決了可溶液印刷有機太陽能電池在大面積模組制備過程中的多個瓶頸性問題[14]。2022年6月，中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義團隊運用三元策略引入能級匹配和光譜互補的聚合物客體，有效構筑了纏繞結構形態的活性層，效率達16.52%，具有較好的機械穩定性，在1000次連續循環彎曲（彎曲半徑r=2 mm）后仍可保持初始能量轉換效率（PCE）的97.5%[15]。2022年6月13日，通過調整原子取向構建非富勒烯第三組分受體，設計并合成了兩種具有異構中心缺電子核單元的Y6衍生物QX-α和QX-γ，基于D18:N3:QX-α的剛性和柔性器件的PCE分別高達19.33%和18.01%（最佳柔性器件效率）[16]。2022年12月，國家納米科學中心魏志祥研究員、呂琨研究員、張建齊副研究員團隊發現兩種受體Qx-1和Qx-2應用于槽模涂覆過程，PM6:Qx-1的30 cm2的大面積模塊，功率轉換效率超過12%[17]。
4、柔性鈣鈦礦太陽電池
柔性鈣鈦礦太陽電池（FPSCs）由于制備工藝簡單，原材料成本低廉，極具商業化潛力，成為近年來太陽電池領域的研究熱點。在FPSCs的制造中主要采用聚合物基板和金屬箔兩種類型的柔性基板，高質量的柔性襯底需要兼顧優異的光學特性和穩定的物理化學耐性并保持柔性特質。雖然FPSCs設備在最近幾年取得了重大進展，但冠軍PCE仍然遠遠落后于剛性設備。除了柔性導電基底之外，包括吸收層、電子傳輸層（ETL）、空穴傳輸層（HTL）和柔性界面在內的功能層對于改善器件性能也起著不可或缺的作用[18]。近期，國內外一些團隊在提升各功能層性能、界面彎曲穩定性，以及開發薄且兼容柔性的復合層方面取得了一定進展。
2023年2月15日，蘇州大學李耀文等人報道原位交聯輔助鈣鈦礦薄膜生長的方法，以削弱鈣鈦礦生長過程對基底的依賴性以及鈣鈦礦薄膜本征脆性，實現了鈣鈦礦能夠在塑性基底上生長[19]，在面積為0.062 cm2的柔性鈣鈦礦電池器件實現了23.4%紀錄效率（認證效率22.9%）。4月4日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員葛子義團隊采用預埋式ETL與自下而上的策略，實現效率超過23%的柔性鈣鈦礦太陽電池[20]，這是目前國際上報道的柔性鈣鈦礦電池最高效率之一。此外，在彎曲半徑為5 mm、循環彎曲4000次后仍可以保持初始轉換效率的84%以上。4月27日，復旦大學楊迎國團隊利用碳量子點摻雜SnO2，明顯改善了鈣鈦礦的結晶度和相純度[21]。該柔性n-i-p鈣鈦礦太陽電池的轉換效率高達23.57%（認證效率22.75%），是單結n-i-p柔性鈣鈦礦太陽電池的最高值之一。并且在彎曲半徑為6毫米的情況下，經過2500次彎曲循環后，保持了>90%的初始效率。4月30日，大連化物所楊棟研究員和劉生忠研究員團隊采用電子傳輸層中氧空位缺陷填充的策略[22]，制備出面積為36.50 cm2的柔性鈣鈦礦電池組件，效率達到18.71%，這是目前有文獻報道的大面積柔性鈣鈦礦組件最高效率。同時，柔性鈣鈦礦組件表現出良好得機械性能，器件在彎曲1000次后，仍可保持83%的初始效率。（朱丹晨）
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責任編輯：張棟鈞
