柔性太阳电池及其应用

2012-08-04深圳市创益科技发展有限公司姜希猛汪磊

太阳能 2012年18期

深圳市创益科技发展有限公司 ■ 姜希猛汪磊

一柔性太阳电池

柔性太阳电池是薄膜太阳电池的一种，是指以柔性材料(如不锈钢、塑料等)为基底的薄膜太阳电池[1]。一般来讲，所有薄膜太阳电池都可以做成柔性太阳电池。从材料上分，柔性太阳电池主要有非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池、染料敏化薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池等几种类型[2]。

表1为代表性生产厂家的柔性太阳电池产品结构特征及信息。非晶硅柔性太阳电池的典型产品有两种结构，如日本Fuji Electric公司的以塑料为基底的a-Si/a-SiGe 双结电池、美国United-Solar公司的以不锈钢为基底的a-Si/a-SiGe/a-SiGe 三结电池；铜铟镓硒柔性太阳电池以美国Global Solar公司的产品为代表，基底为不锈钢；染料敏化柔性太阳电池与有机柔性薄膜太阳电池分别以英国G24i公司和英国Konarka公司的产品为代表，基底为塑料，目前处于小规模生产阶段。以上各厂家的部分产品规格如表2所示。

表1 几种典型的柔性太阳电池产品

和柔性太阳电池相比，单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、HIT太阳电池、玻璃基底非晶硅及碲化镉薄膜等非柔性太阳电池的规格参数如表3所示。

依据表2、表3中的相关数据进行分析，Fuji Electric和United-Solar的非晶硅柔性太阳电池的功率面积比分别为55.6 W/m2和60.6 W/m2，Global solar的柔性CIGS太阳电池的功率面积比为100.6 W/m2，低于晶体硅等太阳电池的功率面积比(133.6～155.1 W/m2)，但非晶硅和CIGS柔性太阳电池的功率质量比(17.4～54.8 W/kg)却明显高于晶体硅太阳电池的相应值(10.7～12.2 W/kg)及非晶硅玻璃基底薄膜太阳电池和CdTe太阳电池相应值(4.8～7.1 W/kg)。这表明相同质量的柔性太阳电池功率更大。由于目前染料敏化柔性太阳电池与有机薄膜柔性太阳电池的转换效率均低于5%，转换效率为晶体硅太阳电池的1/3左右，导致其功率质量比与晶体硅等太阳电池的相应值相当。

和非柔性太阳电池相比，柔性太阳电池的厚度仅为1～3 mm，厚度小、质量轻，并有很强的可弯曲性，适合安装固定在各种曲面上。另外，生产所需的半导体材料少，可有效降低原材料的成本，卷对卷(roll-to-roll)工艺使大面积连续生产成为可能，所生产的产品便于携带和运输。

表2几种柔性太阳电池的规格参数

表3 几种非柔性太阳电池产品的规格参数

柔性太阳电池的特点决定了它比非柔性太阳电池的应用领域更广，在太阳能光伏建筑、城市遮阳设施、便携式充电电源、移动式动力电源等众多应用领域更具独特优势。

二柔性太阳电池的应用

1 光伏建筑

柔性太阳电池更适合与建筑相结合，随着产品技术的逐渐成熟，柔性太阳电池将可以用于建筑物构件的各个部分，如屋顶、外墙、遮阳棚、窗帘等。

(1)弧形屋顶

柔性太阳电池可以直接粘贴在钢、铝材、塑料等板料屋顶结构上，对于一些大跨度、承重能力有限的弧形屋顶更为适用。柔性太阳电池的安装固定方式包括粘贴、夹具固定、钢索拉伸等多种形式。其中粘接方式一般按以下步骤进行：首先将粘接表面进行清洗，然后铺设防水卷材如TPO(热塑性聚烯烃类)、EPDM(三元乙丙橡胶)、PVC、改性沥青卷材等，最后对粘接后的柔性太阳电池组件进行压实。图1为Global solar公司19.8 kWp柔性CIGS太阳电池组件在意大利米兰市某工程建筑上的安装过程。

图2为位于深圳市龙岗区创益科技发展有限公司产业园屋顶18.03 kWp的柔性非晶硅太阳电池光伏发电系统。此系统由392片46 W的非晶硅柔性太阳电池片串并联而成。

(2)玻璃幕墙

玻璃幕墙是柔性太阳电池在建筑中的又一重要应用领域，芯板可以封装在夹层玻璃或者中空玻璃当中。此外，柔性太阳电池还可以直接粘贴在玻璃幕墙的内表面，易于安装及维护。半透明柔性太阳电池和建筑玻璃的结合，既不影响屋内的采光要求，又能避免强光照射对屋内物品带来的损伤。konarka公司的柔性有机太阳电池与玻璃幕墙的结合如图3所示。

(3)柔性窗帘

此外，柔性太阳电池做成的窗帘[3]等建筑内装饰产品也正在研究开发中。图4为麻省理工学院发明的利用柔性有机光伏电池织物制成的窗帘。这种窗帘每一条叶片的向阳面都有一层薄片的柔性太阳电池，不仅具有遮阳和装饰功能，还可以进行太阳能发电，白天将粘有柔性太阳电池的百叶窗帘拉起遮阳并开始储存电能，供晚上室内照明或为其他电器供电。

太阳能光伏与建筑相结合是未来光伏应用最重要的领域之一，有着巨大的市场潜力，柔性太阳电池无疑将在其中扮演重要角色。

2 城市遮阳设施

城市中的公共设施如公交亭、停车篷、遮阳亭的夜间照明、广告应用等都需要提供电源，但由于其分布零散，市电供电需要复杂的地下布线网络，利用太阳能是解决供电问题的良好选择之一。然而，这些设施结构比较简单难以承载重物，篷顶也并非全是平面结构，以致晶体硅太阳电池及玻璃基底的薄膜太阳电池不适于应用。柔性太阳电池质量轻、可弯曲，可以为这些设施的供电带来方便。

3 偏远地区及农业供电

(1)帐篷

在野外进行野营、灾害救援、科学考察等户外活动时，仪器设备供电、夜晚生活照明都需要大量的电能，仅靠蓄电池供电不能维持长久。将柔性太阳电池固定或者悬挂在帐篷顶上安装，通过合理设置柔性太阳电池的面积，以满足发电供电功率从几瓦到几百瓦的使用要求。

(2)农业大棚[4]

目前农业大棚采用LED对不同农作物进行单色光照射，促进其快速生长。与柔性薄膜太阳电池相结合的新型农业大棚不存在供电难问题，能解决LED的用电及农业大棚的抽水灌溉问题。柔性薄膜太阳电池一般铺设在农业大棚顶部，电池片之间要留有一定的空隙使太阳光照射到大棚内的农作物。此外，使用半透明的柔性薄膜太阳电池，只需将其铺设在大棚顶部，电池片之间不需留有空隙，也能保证作物生长所需要的阳光透过。

图7为安装在美国布鲁克代尔的柔性光伏电池农业大棚，是在大棚的普通聚丙烯膜上铺konarka公司半透明有机太阳电池。相关人员对此种柔性太阳能农业大棚与普通农业大棚内的四种作物生长进行了实验研究，结果表明，由于柔性太阳电池的遮挡，柔性太阳能农业大棚内的平均温度比普通大棚内低约10℃，但柔性太阳电池农业大棚内的作物株苗比预期要高，两大棚内的作物产量却相差无几。

4 便携式应急充电

柔性太阳电池质量轻、可折叠，且便于携带，可以与背包、手提袋等日常生活用品进行一体化设计，可以为MP3、手机或手提电脑等小功率用电设备提供便携式电源。

由于所配置的柔性太阳电池面积的不同，这些便携式充电电源提供的电流、电压等规格参数均不尽相同，功率也从不到一瓦至几十瓦不等，因此这些便携式产品各有各的应用领域，充电所需时间与柔性电池的功率和阳光强度有关。表4为Global solar公司提供的CIGS柔性太阳电池供电的部分用电器充电时间数据。

5 交通工具辅助电源

最初在航天器、太阳能船舶、太阳能汽车上作为辅助电源的太阳电池多为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池及砷化镓太阳电池，然而这些太阳电池自身较重且不易折叠，限制了其使用。柔性薄膜太阳电池重量轻、可以折叠，并可制成帆板，还可粘贴在轮船甲板或汽车的表面。以航天器上的应用为例，若将柔性薄膜太阳电池阵贴在空间飞行器的轻质支撑表面，与当前最新的晶体硅多结刚性支撑太阳电池相比，其成本可降低80%，单位面积功率比增加近7倍，可装载体积增加近10倍。[5]