柔性太阳能板的应用现状与性能测试分析

刘丽 周向阳

摘 要：在市场生长的不断需要和发电成本持续降低的追求下，太阳能光伏技术是一个需要引进的“驱动力”。文中结合柔性太阳能电池的特点，对比三种硅基太阳能电池板，选取柔性太阳能板中的非晶硅薄膜太阳能作为研究对象，测量其效率并进行了分析。实验表明柔性太阳能板的转换效率要稍低于普通的硬性太阳能电池板。但由于柔性太阳能电池优越的柔韧性，使它能够在传统刚性板不易触及的领域中使用。

关键词：太阳能;刚性太阳能板;柔性太阳能板;转换效率

1 绪论

柔性太阳能电池，是世界太阳能产业的“新生儿”，属于薄膜太阳能电池的一种，它具有可弯曲、重量轻、性能稳定、技术先进、成本低、用途广等优势。以前制造刚性太阳能电池板时，会先在两层玻璃中间铺上EVA胶膜和电池片，然后再组装起来，这样带来的麻烦是器件重量较大不易移动，而且安装时需要支架来固定。柔性太阳能板在它的基础上做了改进，采用了UV可固化的聚合物包装，这样的好处就是重量轻，弹性好，确保了高的耐用性。这类包装的聚合物原料包含EVA和氟ETEE（高耐力ETEE是高度透明的聚合物），不锈钢基底的背板更保证了产品的强度。奇特的安放让它便于携带，容易配置。组件可以折叠，可以重新组装，完全满足对产品耐久性，功能性和可靠性的要求。

随着柔性太阳能电池技术的日益成熟，种类也越来越多，其中主要包括非晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜电池、有机太阳电池、染料敏化太阳能电池等。

2 硅基太阳能电池

作为整条光伏产业链的核心，硅基太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

2.1 单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是用单一晶硅锭块制作，通过在高科技实验室切片、掺杂和蚀刻而制成。在太阳能电池行业中，单晶硅太阳能电池的转换效率是最高的，技术也是最成熟的。实验室测得的最大转换效率为24.7%，规模化生产时的效率为18%。在大规模使用中和工业制造中占有主要地位。

2.2 多晶硅薄膜太阳能电池

这种电池是用硅锭构成的各类硅晶体制成的。他们还是通过切片、掺杂和蚀刻得来。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅对比，费用便宜，但功效比单晶硅稍低，其实验室最大转换效率为18%，产业领域生产的转换效率为10%。

2.3 非晶硅薄膜太阳能电池

非晶指缺乏几何晶格结构。就晶体硅而言，非晶组件不具有有序的晶体结构特征。非晶硅薄膜太阳能电池费用低，重量轻，转换效率较高，便于大领域生产，有很大的发展。但受制于其原料引起的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接决定了它的实际使用情况。如果还能深入处理稳定性及转换效率的问题，那非晶硅太阳能电池毫无疑问的是太阳能电池的重要发展产物之一。

3 非晶硅薄膜太阳能电池效率测量实验

本次以柔性太阳能电池中的非晶硅薄膜太阳能电池作为研究对象，搭建电路，测量其转换效率，展开分析。

3.1 太阳能电池等效电路

针对在现实情况下的太阳能电池，决定转换效率的重要因素有：一是串联电阻Rs，由三部分组成，即金属电极的电阻、半导体材料的体电阻、接触电阻;二是并联电阻Rp，这部分是由于电池边沿泄电或耗尽区内的负荷电流引起的。图1是实际太阳能电池的单二级管等效模型。

图1  实际太阳能电池的单二级管等效模型

3.2 太阳能电池效率测量系统设计

先测量入射光的功率，继而用被测电池的最大输出功率与入射光的功率相除，便可得到该电池的转换效率。由于太阳能电池的性能不仅和入射光的功率相关，还要考虑光谱成分的影响，并且在室外测试时环境的影响很大，加上仪器仪表的误差，因而在不同的时间、不同的地点，同一电池测出的数据也很有可能不一样。为了对太阳能电池的输出特性作出相对较正确的评估，衡量和计算应当从以下三个环节顺序进行：

①测量入射于太阳能电池的光照度：首先要确定光源的种类，如果直接以室外太阳光做光源，应尽量选取光线相对较稳定的时间和地点，而如果选用室内接近于太阳光的模拟太阳光作光源（日光灯等），除了要注意上面问题，还要保证光照距离和受光面积等，再测量光照度。在测量光的照度时，要尽量保证光谱的能量和光谱的稳定性。本次实验，时间是早上9：00-10：00，地点是室外走廊，天气阴，无风。

②测量太阳能电池的输出特性：太阳能电池输出特性，能够由太阳能电池、电压表、电流表和可变负载构成的电路测得。这里，用两个万用表代替电压表和电流表，以10KΩ的电位器当作太阳能电池负载，在固定光照强度下（将滑动支架牢固在导轨上某处），将太阳能电池板安装到支架上，通过改变电位器的电阻值，记录对应表上的输出电压V和电流I。

③计算电池的转换效率：测得的太阳能电池的输出特性，计算出各点的电压与电流乘积即为对应负载下的输出功率P，对比找到最大输出功率Pm，而根据步骤①光照度计测得的入射光照度Ev，可以计算出入射光功率：

Pin=S×Ev                           （3-1）

据此，计算出转换效率：

η=Um×Im /（S×Ev）=Pm/Pin                （3-2）

其中S是电池的有效受光面积 。

3.3 测量数据记录

不同负载时非晶硅薄膜太陽能电池的输出电流与太阳能电池的输出电压的关系如表1所示。

3.4 测量数据分析

首先，用光照度计测得此时的光照度Ev=250lx左右。测得的太阳能电池的输出特性如上表1所示，由上计算出各点的电压与电流乘积，即输出功率对应如上。如上表1可知，当外界光强恒定时，在一定的范围里，随着太阳能电池的输出电压增大，输出的电流反而在减小，而两者的乘积即输出功率是先增大后减小，对应伏安特性曲线上有一峰峰值，即此条件下的最大输出的输出功率：Pm=53.41mW，此时最佳工作电压Um是1.38V，最佳工作电流Im是38.7mA，最佳负载：R=Um/Im=1.38/（38.7×10-3）=35.66（Ω）。由于要考虑非晶硅薄膜太阳能板的有效受光面积，这里，采用的方法是：估算单个圆形受光区的面积，再乘以板上总圆数。实验所用的非晶硅薄膜太阳能板的单个圆直径d约2mm，总共有15×75个同样的单元，即计算太阳能板的有效受光面积：S=π×r2=3.14×（1×10-3）2×15×75=3.53 ×10-3（m2）。综合以上，由公式（3-1）所得，入射光功率：Pin=S×Ev=3.53×10-3×250=0.883 （W）。据此，由公式（3-2）计算出转换效率：η=Um×Im/S×Ev=Pm/Pin=53.41 ×10-3/0.883×100%100 =6.05%。

实验测得的非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率较低，只有6.05%，但与实际了解的转换效率相差不大（理论上可以达到6%-8%左右）。在同样环境下，对比非晶硅薄膜太阳能板，在相同环境下测量刚性板的伏安特性关系如表2所示。

测量数据分析后可知刚性太阳能板的转换效率也只有11.64%（理论上可以达到10%-24%左右）。对比两组数据，就太阳能板转换效率的相对值而言，可以说明柔性太阳能板的转换效率比刚性板的要低。

柔性太阳能板的转换效率为什么比刚性太阳能板低这么多？首先，两种太阳能板的材质不同。刚性板光伏材料主要是单晶硅，由于单晶硅的缺陷少，有利于光生载流子的收集，而柔性太阳能板使用的是非晶硅（又称无定形硅），它是硅的同素异形体，和晶体硅不同的是，它的原子间晶格排列无序且不稳定，这使得部分原子含有悬空键，这些悬空键不利于光生载流子的存在，即不利于光电转换，因此，转化效率不高。还有，非晶硅太阳能板所特有的光致衰退效应，也会降低转换效率，并且，非晶硅这种物质对光谱的响应范围是1.7ev-1.8ev（E（ev）λ（nm）=1240），使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这也限制了它的转换效率。

其次，传统刚性太阳能板所用的鋼化玻璃透光率很高（一般91%以上），大部分入射光能都能被有效透射，因此，光电转换效率高。

再次，对比两种太阳能板的有效受光面积，传统刚性太阳能板只需要用全面积减去电极之间的隔离区、引线区和边缘区即可，而柔性太阳能板只有照射于PN结上的那部分光才有效，靠近PN结周边区域、给太阳能板弯曲提供伸缩空间的部分，不应计入有效受光面积中，则在入射光功率不变的条件下，转换出的出射功率变小，效率下降。综上，柔性太阳能板的转换效率为何不及刚性太阳能板，原因便很明了了。

4 结论

对比刚性太阳能板可知，影响柔性太阳能板转换效率的主要是太阳能电池的结构和材料。目前主要从以下几方面进行尝试：

①电池的材料;

②太阳能电池的制程;

③太阳能电池的表面优化;

④太阳能板的安置角度。事实上，这些也从一定的程度上，实现了太阳能板转换效率的提高。但大幅度的提高太阳能板的转换效率，才是光伏市场的终极目标。

参考文献：

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