柔性太阳能电池的研究进展和应用前景

柔性太阳能电池的研究进展和应用前景
十二五末期
赵艳新
【摘 要】Compared with rigid solar cells, flexible solar cells have the advantages of flexibility, rapid preparation at low temperature, low cost and are easy to carry. In this paper, the research progress of flexible amorphous silicon solar cells, flexible organic solar cells and flexible perovskite solar cells at home and abroad is reviewed. The aspects of improving the efficiency and stability of solar cells, such as optimizing device structure, introducing new photosensitive materials, optimizing the interface modification layer and improving the coating process, are discussed in details. In addition, the application and prospects of flexible solar cells are prospected in this paper. With the continuous maturity of roll-to-roll technology and printing technology, the commercial prospects of flexible solar cells are bright.%相对于刚性太阳能电池, 柔性太阳能电池具有柔韧性好、成本低、低温快速制备、便于携带等优势.在此, 主要论述了柔性非晶硅太阳能电池、柔性有机太阳能电池、柔性钙钛矿太阳能电池的国内外研究进展, 并就改善器件结构、引入新型光敏材料、优化界面
修饰层、改进镀膜工艺等提升电池效率和稳定性的方面进行了重点探讨.另外, 对柔性太阳能电池的应用情况和前景作了展望.随着卷对卷、印刷等技术的不断成熟, 柔性太阳能电池的商业化前景光明.
【期刊名称】《常州信息职业技术学院学报》
【年(卷),期】2019(018)002
【总页数】5页(P23-27)
【关键词】柔性太阳能电池;研究进展;应用前景
【作 者】赵艳新
【作者单位】晋城职业技术学院机械与电子工程系, 山西晋城 048026
【正文语种】中 文
动脉硬化指数【中图分类】TM914.4
0 引言
近十几年来,能源的大量消耗与环境的亟待保护形成了鲜明对比,光伏等新能源行业得到了蓬勃发展。其中,以单晶硅、多晶硅为主的光伏组件大批量进入市场[1],逐渐代替了一些传统高污染能源,使人们看到了绿能源的潜力和未来。同时,要想让太阳能电池更容易走进人们的日常生活,就需要柔韧性更好、更便携、制作工艺更简单的柔性太阳能电池。基于柔性太阳能电池的一系列优点,它一直都是国内外学者研究的热点[2,3]。
在柔性衬底选择方面,首先,塑料衬底(聚对苯二甲酸二乙醇酯PET、聚酰亚胺PI)最先被用于柔性太阳能电池研究[4];其次,可弯曲的不锈钢衬底以其耐高温性、良好的导电性也引起了研究者的关注[5];最后,超薄玻璃衬底以其良好的膨胀系数和较好的工艺复制性更得到了广泛的应用研究[6]。在光电材料分类方面,非晶硅薄膜太阳能电池以其良好的弱光效应、低温制备等特点已经得到商业化应用;另外,铜铟镓硒薄膜电池、有机聚合物太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、量子点太阳能电池等柔性电池更是得到了学者的广泛关注,并取得了极大进展。以下重点对柔性非晶硅太阳能电池、柔性有机聚合物太阳能电池、柔性钙钛矿太阳能电池近年来的研究进展和应用作论述。
1 研究进展
1.1 柔性非晶硅太阳能电池
虽然非晶硅太阳能电池的Staebler-Wronski效应引起非晶硅亚稳定悬挂键的产生机理至今尚无定论,但是非晶硅薄膜电池相对于单晶硅、多晶硅电池,具有更宽的吸收光谱、较高的光敏感性、成本更低等优势,得到了学者的广泛关注。基于非晶硅薄膜电池的一系列优点和低温制备工艺,以FTO(掺杂氟的SnO2)、BZO(掺杂硼的ZnO)导电玻璃为基底的大面积刚性非晶硅薄膜太阳能电池已经得到商业化生产和应用。同时,在柔性PET、柔性不锈钢、超薄玻璃基底上制备非晶硅薄膜太阳能电池也得到了深入的研究[7,8]。
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近年来,通过优化薄膜制备工艺、改善器件结构和加入氢化纳米晶硅(nc-Si:H)、微晶硅(uc-Si)薄膜等手段,柔性非晶硅太阳能电池(如图1)的光电转换效率被不断提高。在薄膜制备工艺优化方面,M.Ramakrishna等[9]研究了射频功率对本征氢化非晶硅(i-a-Si:H)薄膜结构和光电性能的影响,在柔性PET和角锥玻璃上制备氢化非晶硅(a-Si:H)太阳能电池,在110 °C的衬底温度下,当射频功率为50 w时,制备出了PET基底转化效率为3.3%和玻璃基底转化效率为3.82%的柔性非晶硅薄膜太阳能电池。李旺等[6]以厚度为3.2 mm的超薄柔性
玻璃为衬底,在超薄玻璃上使用低压化学气相沉积(LPCVD)设备沉积BZO导电膜为阳极制备单结非晶硅电池,通过优化薄膜沉积工艺和薄膜厚度,发现与硬质玻璃基底相比,基于柔性超薄玻璃基底的BZO薄膜具有更高的透光率,有利于短路电流的提高,最终在柔性玻璃衬底上制备出了稳定转化效率为7.82%的柔性非晶硅太阳能电池。在改善器件结构方面,叠层结构表现出巨大的潜力,南开大学倪牮等[10]早些年就在PET塑料衬底上制备出了结构为:PET/ITO/p-a-Si:H/ i-a-Si:H /n-uc-Si:H/ p-uc-Si:H/ i-uc-Si:H/ n-a-Si:H/Al的叠层太阳能电池,通过梯度H稀释技术优化本征层uc-Si材料,在125 °C的低温下,光电转化效率达到6.0%。同时,Baojie Yan等[11]利用卷对卷生产工艺(如图2),通过梯度高氢稀释技术,沉积接近非晶/纳米晶转变的非晶材料,极大改善了a-Si:H和a-SiGe:H薄膜的质量,同时采用a-Si:H /a-SiGe:H /nc-Si:H叠层结构,制备出多结柔性非晶硅太阳能电池,0.25 cm2面积的电池效率为16.3%,400 cm2面积的模块电池效率为12.0%,800 cm2面积的模块电池效率为11.3%。总之,柔性非晶硅薄膜电池近年来在薄膜工艺优化、器件结构等方面取得了惊人的进步,但是其器件稳定性和使用寿命仍面临极大的考验。
图1  United Solar制造的柔性非晶硅太阳能电池
给斯大林的礼物
图2 卷对卷工艺路线图
1.2 柔性有机聚合物太阳能电池
柔性有机聚合物太阳能电池(如图3)非常适合卷对卷、喷墨打印等新型制造技术。具有重量更轻,柔韧性更好、成本更低、低温制备等突出优点,近十几年来得到了学者的深入研究。有机聚合物太阳能电池的典型结构为PET/ITO/PEDOT:PSS /P3HT:PCBM/LiF/Al。
研究者们通过改善空穴—电子传输层、优化光敏层、插入光学间隔层、优化器件结构等手段不断提高聚合物太阳能电池的光电转换效率和稳定性。首先,在优化空穴传输层方面,聚噻吩衍生物聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)溶于水溶性的电解质聚苯乙烯磺酸(PSS)得到的PEDOT:PSS导电膜具有高导电率、高强度性、好的透光性和稳定性,是应用广泛的空穴传输层材料,它能大幅提高空穴注入能力从而改善短路电流,大量实验证明,PEDOT:PSS薄膜的加入实现光电转化效率为3%左右。最近,Tobias Stubhan等[12]报道了使用三氧化钼(MoO3)层作为空穴提取层代替PEDOT:PSS,仍以典型器件结构为基础,当薄膜沉积厚度为65 nm时,功率转换效率达到2.92%,且器件效率更为稳定。另外V2O5、Cs2O5和P-NiO等也可作为空穴传输层材料。其次,在优化光敏层材料方面,聚-3己基噻吩和C60富勒烯衍生物(P3HT:PC61BM)分别作为电子给体材料和电子受体材料应用
广泛,通过优化镀膜工艺,在玻璃基底上光电转化效率可达5%左右,在PET基底上光电转化效率可达3%左右。再次,为了获得更高的开路电压,学者们研究了具备更低HOMO(已占有电子的能级最高的轨道)能级的电子给体材料PCDTBT[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2,7-二基]-2,5-噻吩二基-2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基-2,5噻吩二基]与PC71BM(C70衍生物)组成光敏层的聚合物太阳能电池,Ta-Ya Chu等[13]采用PCDTBT:PC70BM组成共混活性层,电池结构为ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC70BM/LiF/Al,当优化光敏活性层厚度分别为75 nm时,制备出了光电转换效率为5.7%的聚合物太阳能电池。同时Jianhui Hou等[14]报道了使用具备低HOMO能级的电子给体材料时,电池光电转换效率也达到了5.66%。另外,杨少鹏[15]等利用插入Ag薄层优化PEDOT:PSS的同时,使用PCDTBT:PC70BM作为光敏层,器件结构为ITO/Ag/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC70BM/LiF /Al,通过优化制备工艺和退火温度,当Ag薄层厚度约为8 nm、活性层厚度约为80 nm时,制备出了转化效率为6.03%的高效聚合物太阳能电池。然后,插入光学间隔层方面,光学间隔层(如TiOx、ZnO等金属氧化物薄膜)可以改善聚合物电池的内部光场分布,并提高量子效率,从而优化电子和空穴的传输以获得较大的短路电流。最后,在优化电池结构方面,常规结构中功函数较低Al作为金属阴极较易被氧化,从而影响器件使用寿命,所以学
者们研究了反向的聚合物电池,以Au、Ag作为反向聚合物电池的阳极,利用MoO3、V2O5等稳定的金属氧化物作为空穴传输层,使用ZnO、TiOx等作为电子传输层。反向结构电池正极不使用金属材料,可以有效避免水氧的侵蚀,更具备在柔性基底上批量生产的商业潜力。目前Letian Dou等[16]报道了一种基于玻璃基底的反向级联聚合物太阳能电池,结构为:ITO/ZnO/P3HT:ICBA/ZnO/PBDTT-DPP:PC71BM/ MoO3/Ag(如图4),通过对两侧活性层薄膜的优化匹配出最佳光谱吸收,达到了8.62%的光电转化效率,同时连续测试30天,电池性能没有明显衰退。这为柔性反向级联聚合物太阳电池的优化提供了重要参考。
图3  Konarka公司制造的柔性有机太阳能电池
图4  反向级联有机太阳能电池结构
1.3 柔性钙钛矿太阳能电池笼天地于形内 挫万物于笔端
钙钛矿太阳能电池(如图5)以其较高的光吸收特性和优异的载流子分离传输特性,迅速成为了新型太阳能电池的研究热点。2009年,Kojima A等[17]首先将有机/无机杂化钙钛矿材料当作光敏吸收材料应用于染料敏化太阳能电池;到2012年,为了改善钙钛矿电池的稳定性,
Kim等[18]报道了基于有机/无机杂化钙钛矿固态太阳能电池;近几年来,钙钛矿太阳能电池发展速度惊人,科研单位和企业不断刷新着钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。刚性钙钛矿太阳能电池最高效率22.7%,由韩国KRICT的Seok小组研发制备;柔性钙钛矿太阳能电池方面,Heo等[19]文献报道最高效率为15.96%。
近年来,学者们主要从电极材料研发、电子—空穴传输层工艺优化和器件结构调整等方面深入对柔性钙钛矿太阳能电池的研究。首先在电极新材料研发方面,传统的刚性钙钛矿太阳能电池结构为FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/HTL/Au,为了到达柔性目标,需要在PET、薄层金属、超薄玻璃基底上制备电极等代替传统的FTO玻璃电极(结构如图6),Xiangyang Liu等[20]报道了将分散在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4)和水的混合溶液中的超细银(Ag)纳米线作为钙钛矿型太阳能电池(PVSCs)的柔性电极,通过旋涂技术在PET上制备电极代替FTO玻璃,并将弱氧化石墨烯纳米片(GN)掺入SnO2中,以提高电子选择层(ESL)的电子迁移率和柔韧性,最终制备出了光电转化效率为12.81%的高效柔性钙钛矿太阳能电池。另外,为了提高钙钛矿电池的稳定性,碳电极材料也引起了人们的重视,碳的疏水性使其较金属电极更具稳定性和更长寿命,北京航空航天大学陈海宁等[21]近期报道了使用碳电极代替金属金电极的碳基钙钛矿太阳能电池,可用的碳电极材料有碳墨、石墨烯、碳
纳米管等,虽然碳电极钙钛矿太阳能电池的转化效率低于常规电池,但有很好的稳定性。其次,在电子传输层优化方面,TiO2无疑是应用最广泛的电子传输层材料,Park等首先用TiO2无致密层减少了漏电流,制备出了固态钙钛矿太阳能电池,随后Yang等报道了通过掺杂钇的TiO2致密层改善导电性,大幅提高了光电转化效率。另外,SnO2、石墨烯、Al2O3等都可作为代替TiO2电子选择传输层的替换材料。然后,在阳极修饰层方面,spiro-MeOTAD[(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)]是应用较广的空穴传输材料,河北大学刘大超等[22]通过旋涂法制备二甲基亚砜(DMSO)对PEDOT:PSS薄膜进行修饰,以提高PEDOT薄膜的透光性、电导率和表面粗糙度,这些性能有助于提升量子效率和空穴迁移率,应用经过修饰的PEDOT:PSS作为阳极修饰层,器件的短路电流密度提升明显,从而大幅提高光电转化效率。最后,在器件结构方面,p-i-n结构最先被You等[23]人引入钙钛矿太阳能电池中,它的优点是可以直接复制有机太阳能电池的制备工艺,而且可以低温制备。

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