新能源-薄膜太阳能电池的应用、类型及发展方向

　太阳能是自然界中重要的能量来源，太阳能电池板通过直接过程采集光能转换为电能，与传统的发电方式相比，光伏发电不需要经过热能和动能的转换，不依赖燃料供给，无需冷却、无污染和噪声，维护保养容易。

　　1 太阳能电池的应用领域

　　太阳能电池开始的应用是从人造卫星的搭载开始，近年来随着技术的不断积累进步，光伏材料的性能不断提高，一些新型太阳能电池也已接近实用化。密切关注跟踪新技术的发展方向，加快在军事与民用领域的应用具有重要意义。

　　1.1 空间飞行器

　　人造卫星、宇宙飞船等在轨空间飞行器上提供能源的太阳能电池，由于使用环境特殊，要求光伏材料具有高效率、耐高低温冲击、抗高能粒子辐射等性能。空间太阳能电池在空间领域目前使用较多的是化合物型太阳能电池，GaAs光伏电池虽然抗辐照能力强，但由于单晶材料成本高、机械强度较差，不符合空间电源高可靠性等要求，后来逐步采用Ge单晶替代GaAs制备单结电池。单结的化合物型电池只能吸收特定光谱的太阳光，转换效率不够高。目前常用不同禁带宽度的III-V族材料制备的多结叠层电池，按禁带宽度大小叠合，分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同区域，可大幅度提高光电转换效率。空间太阳能电池产品制造过程复杂，价格较高，因此暂不适合地面应用。

　　1.2 近地飞行器

　　固定翼飞机、飞艇、气球等近地飞行器要保证长时滞空，必须采用能够长期工作的电能采集设备。美日等国的临近空间长航时飞行器均采用在表面铺设轻质高效光伏阵列，并与储能装置相结合，作为飞行器能源动力来源。飞艇和气球的蒙皮在升空过程中气压作用下膨胀，会对不可延展的硅基电池和延展性较差的各种薄膜电池造成破坏，要求粘接结合在表面的光伏材料具有可卷曲性、适度的伸缩性，大面积柔性薄膜太阳能电池是艇用光伏材料的好选择。

　　1.3 野战光伏电站

　　便携式的光伏组件展开撤收快速、隐蔽性强，可实现模块化组装，可维护性高。小规模太阳能电池卷组可配置到战术单位，作为独立蓄电单位，分布式生产电能。大规模光伏阵列电池输出功率高，可以与野战微电网联接作为大中型电站使用。美军近年来加快了电站建设速度，陆军在位于新墨西哥州白沙导弹试验场建设了4.5MW光伏电站，又先后在亚利桑那州谢拉维斯塔、瓦丘卡堡军事基地建造了18MW太阳能项目，本宁堡基地的30MW超大规模光伏电站，在81万平方米用地上使用了134000张太阳能电池板。美国海军在珍珠港—希卡姆联合基地、夏威夷海军陆战队基地建设的光伏阵发电系统总装机容量为17MW，美国空军在内华达州内利斯空军基地建设的19 MW的光伏电站。

　　1.4光伏建筑一体化

　　刚性太阳能光伏发电已广泛应用于在建筑屋顶和外墙，柔性薄膜电池组件可以充分利用掩体、建筑、帐篷等外表面，根据需要做成透光和部分透光的，又能更好阻挡外部红外线的进入发挥隔热功能，形状适应性强、重量轻、安装布设简便。美军采用柔性太阳能发电篷布，代号是PowerShade、TEMPERFly以及QUADrant，包括三种尺寸，功率分别为3KW、800W、200W，采用以聚酰亚胺为基底层的无定形硅，将光伏发电薄膜集成到帐篷上，轻便并且粘连强度好，即使强风情况下篷布完全被揭起，光伏薄膜也不会与基底脱开，数据显示篷布可以减少80%～90%太阳热辐射。

　　1.5 电子设备自供能

　　单兵配备的电子装备数量越来越多，如夜视与瞄准具、定位设备、通信设备、测距仪和数字终端设备等，这些设备要保持不中断运行状态需要持续补充电能，连接外部电源充电或更换电池较为繁琐。将柔性太阳能薄膜和电子设备外表面结合在一起，实现光伏自供能，可为各种小功率电子设备提供电力。

　　1.6 可穿戴电源

　　柔性光伏材料可以与纺织物或涂层复合，变为各种可穿戴太阳能电源，比如太阳能电池背包、帽子、头盔与服装等，装备和车辆的表面也可以在战场用于行进中发电。有机化合物等光伏材料在物理性质上能够模拟自然环境，所以具有一定的隐身能力。

　　2 .0太阳能电池的主要类型

　　从光伏材料的类型分类，主要包括硅基太阳能电池、无机化合物太阳能电池、有机太阳能电池、敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池。相比于传统的太阳能电池，薄膜太阳能电池所需的沉积温度更低、材料用量更少，而且随着新型光伏材料的快速发展，可实现卷对卷的连续方式生产、大规模的丝网印刷以及喷墨印刷等制备工艺，因此薄膜太阳能电池的应用更加灵活。

　　2.1 硅基太阳能电池

　　主要有非晶硅( a-Si )、微晶硅( μc-Si:H )和多晶硅( p-Si )薄膜等几类。由于硅是一种间接带隙材料，在带隙对应的波长附近对光子仅有非常低的吸收系数，尤其是在800～1100nm的波长范围，对光子的吸收长度达到10μm～3mm，远超出了薄膜太阳能电池中核心吸收层(硅薄膜)的厚度，在此光谱范围对近红外波段的光吸收系数不高，限制了其光电转换效率，而且非晶硅光电转换效率会随着光照时间的延长而衰减，即所谓的光致衰退(S-W)效应，光致稳定性不好。可以通过采用有不同带隙的多结迭层，降低表面光反射，使用更薄的吸收层等方法进行改进。微晶硅薄膜材料具有过渡层结构，转换效率高，光致衰退效应相对较弱，制备技术能与现有非晶硅薄膜电池兼容。但微晶硅薄膜太阳能电池带隙较窄、吸收系数低，在材料制备中生长速率较低沉、积速率较慢的问题，不利于降低制造成本。多晶硅薄膜材料在长波段具有高的光敏性，可见光吸收系数较高，光照稳定性较高。材料制备工艺相对简单，无光致衰退效应，但成本依然较高。

　　2.2 无机化合物太阳能电池

　　主要包括砷化镓( GaAs )III-V 族化合物、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)及铜铟硒类薄膜电池等。III-V族化合物半导体光伏材料如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等，其禁带宽度在1.0~1.5eV，与太阳光谱匹配较好，具有直接带隙且太阳光吸收波段宽，在可见光范围内，GaAs等材料的光吸收系数远高于硅基材料，化合物半导体转化效率是非晶硅的两倍以上，不过成本则是非晶硅的十倍。GaAs光伏材料组成元素的原子量较大，造成材料本身相对质量大，由于Ga比较稀缺，As有毒，所以其发展受到了限制，还不适合大规模生产。

　  CIGS 是由铜、铟、镓以及硒所组成的多元化合物半导体光伏材料。该材料是由硒化铜铟(CIS)以及硒化铜镓所组成的固溶体。CIGS属于四面体结构半导体，黄铜矿晶体结构，其能隙依据铟、镓比例的不同可从1.0eV(硒化铜铟)变化至1.7eV(纯硒化铜镓)。CIGS属于多晶薄膜的形式，其晶体结构不同于硅晶体，是异质界面系统，具有近似佳的光学能隙，光吸收率高，其能隙还可以通过Ga和Al部分取代In，或S部分取代Se进行调节，厚度为2～3μm，具有长期稳定性好、无光诱导衰变、抗辐射能力强、成本低等特点。单结理论效率高30%，目前所能达到不到20%。电池的基本结构为基底上溅镀一层约0.5~1.0μm的Mo背电极以利于空穴传导，CIGS光吸收层约为1.5~2.0μm，往上是约0.05μm 厚的N型半导体CdS，兼具缓冲层的功能，帮助电子有效传导，再往上有一层约0.1μm 厚的N型 i-ZnO 层，防止电池元件效能下降，再溅镀A-ZnO作为透明导电层窗口。目前常用的真空蒸发法和溅射法制备易造成原材料的浪费，In为稀有元素，制备过程中材料性质易变。

　　为了进一步提高其光电转换效率，构筑多结太阳能电池结构是一种直接的方法。由于任何单一半导体材料只能将太阳光谱中一定范围的光能有效地转换成电能，从根本上制约了效率的提高。因此将具有不同禁带宽度的半导体材料组合起来，分别吸收利用不同波长范围的入射光，顶层电池的能带高。往下依次减少，这样能量高的光子被上面能带高的电池吸收，而能量低的光子则能透过上面的电池而被下面能带低的电池吸收，从而有效地提高了太阳能电池的效率，由此产生了双结、三结等多结叠层太阳能电池。

　　2.3 有机太阳能电池

　　有机太阳能电池是以有机半导体作为实现光电转换的活性材料，与无机太阳能电池相比，它具有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点，其主要缺点是能量转换效率较低，稳定性差和强度低。有机太阳能电池主要有单层结构的肖特基电池、双层p-n异质结电池以及P型和N型半导体网络互穿结构的体相异质结电池。但是现阶段仍存在激子结合能大、电子迁移率低，从而导致转化效率低且寿命短等缺点，研究方向是提高材料的电导率、成膜技术、器件工艺制作水平和开发新的材料等。

　　2.4 敏化太阳能电池

　　以有机敏化分子作为吸光的主要材料，包括染料敏化和量子点敏化，目前染料敏化太阳能电池光电效率稳定在13%以上，制作成本仅为硅太阳能电池的1/5~1/10，材料来源广泛，成本低廉，对设备要求低，生产工艺简单，适合大规模的生产应用。量子点材料的量子限制效应可以调节能级结构，使其吸收光谱能够匹配太阳光光谱;量子点吸收一个光子能够产生多个光子;量子点电子态与光阳极导带间的部分重合提供了电子的快速传递，阻碍了电子—空穴对的复合。它与染料敏化太阳能电池不同点在于采用不同的量子点来替代有机染料作为光吸收体，并且通过调整不同的量子点组成、尺寸及结构来实现太阳光全光谱吸收进而产生更多的光生电子。

　　2.5 钙钛矿太阳能电池

　　钙钛矿太阳能电池是使用具有AMX3钙钛矿型晶体结构类型材料作为光吸收层的一类电池，经过几年的发展，能量转化效率飞速增长到了22.1%，逼近了单晶硅太阳能电池25%的高转化效率。由于具有更低的材料成本和制备成本，被视为可能替代硅的新一代太阳能电池。可分为n-i-p和p-i-n两种器件结构，其中n-i-p结构是指电子传输层/钙钛矿层/空穴传输层的器件结构，而正好p-i-n结构正好相反。柔性钙钛矿电池本身膜厚极小，在一定程度上具有较好的弯曲能力，还具备开路电压高、适用温度范围宽、弱光性好、温度稳定性高等优点，并对太阳光照角度不敏感，同时材料的制备温度较低(<150℃)，适合直接在柔性基底上进行制备。

　　3 薄膜太阳能电池应用发展方向

　　军用电源对质量体积、功率、可靠性等要求较高，太阳能电池材料的实际性能指标亟需进一步提高，要继续在提升能源转化效率，增强便携性、环境适应性和器件稳定性等方面开展研究，提高低温制备技术的成熟度，加快推动卷对卷印刷等连续大规模生产工艺的进步。

　　3.1 提高转化效率

　　能量转换效率越高，可提供的输出功率越大，能源转换设备就越节能。从光电转化过程中可知，薄膜太阳能电池的能量转换效率，与材料的带隙大小、光吸收系数及载流子传输特性相关。为提高光电转换效率，首先必须不断研究开发新的高效光伏材料，开发新的太阳能电池制备技术，改进材料本身结构性能来提高太阳能电池材料的光电转换效率。同时还要优化器件结构，在电池表面层采用减少反射、增加透射的措施，改进透明电极的透过率，减小光在电池表面的反射损耗。在电池光吸收层进行光谱波段转换，或采用叠层电池以及多个PN结叠层电池结构等，尽可能利用太阳能全光谱。改善材料的成膜性和载流子的迁移距离。载流子迁移率高、寿命长，光生电子和空穴能够移动足够长的距离而被外电路收集形成电流，电池中的能量损耗就小。

　　3.2 增强便携性

　　提高功率重量比，可以有效减轻设备重量。功率重量比越高，单位质量或体积的发电设备能提供的功率越大。CIGS类薄膜电池的转化效率和面积比功率稍高，但非晶硅类薄膜电池的质量比功率稍高。为满足未来装备发展的需要，能源装备正逐步达到更高能量密度、功率密度的目标，因此应积极采取各种办法，研究“更小、更轻、更持久”的大面积电池便携式太阳能电池，以减轻单兵负重和装备重量。太阳能电池的每个结是由多层结构层叠而成，由于不同材料对光的吸收率存在差异，同样吸收95%的太阳光，GaAs、钙钛矿电池仅需几微米的厚度，多元化合物需要数十微米，而硅基电池则需要大于150μm。因此选择吸收率高的材料制成的薄膜太阳能电池，质量可大幅减小。光电转换效率的提升可以减小太阳能电池的体积和重量，在满足输出功率同时也增强了便携性。

　　3.3改善环境适应性

　　实际环境需要在多云、阴雨或雾霾等户外气候条件仍能保持一定强度的发电能力。通常情况特定类型的光伏材料仅对某些波长范围的光体现出良好的吸收，而改善电池弱光响应，就必须提升材料质量，要求器件在整个可见光范围内保持较高的吸收。战场使用的能源设备还应具备良好的环境适应性，能够在较大的昼夜温差、交变应力、振动和噪声冲击性等恶劣条件下正常工作。柔性太阳能电池使用的大问题是光伏材料的弯折稳定性，传统多结电池每个结至少有三层不同材料，层数越多，弯折稳定性的解决难度越大。多次弯折后器件效率下降的重要原因是衬底本身的破裂、光伏材料与衬底的结合，因此优化提高各膜层的质量，保持各膜层界面间的良好接触等是方面主要努力方向。