[实用新型]一种柔性薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及薄膜太阳能电池领域，尤其涉及一种柔性薄膜太阳能电池。

背景技术

目前获得不同程度应用的各类太阳能电池主要包括：硅系太阳能电池(如单晶硅、多晶硅、非晶硅等薄膜太阳能电池)、多元无机化合物电池(以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池)、纳米晶太阳能电池(NPC)，和有机聚合物太阳能电池等。太阳能电池的基本工作原理是p-n结光生伏打(photovoltaic)效应，为提高太阳能电池的光电转换效率，国际上的研究工作主要集中在材料物理、太阳能电池新型结构等方面。

无机类太阳能电池。以硅系材料为代表，其最大优势是可达较高的光电能转换效率(单晶硅类可达19％以上，非单晶硅类可达10％以上)。但各类无机类太阳能电池的制造工艺都不能回避溅射、蒸镀、CVD、高纯度硅晶体生长制备、掺杂等薄膜工艺和物理或化学加工手段，虽制造工艺较成熟，但设备繁多、工艺复杂、代价高昂，电池制造面积受限，且存在环境污染风险；另外，可供应硅系太阳电池的头尾硅料愈来愈少，原材料价格越来越高，致使制造成本高居不下，产品也只能在政府支持的示范项目中得以应用，要获得民间或工业上广泛而自发的应用还存在一定的困难。

多元无机化合物薄膜电池。为了寻找硅系电池的替代品，其它材料的太阳能电池，如包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒等。尽管该类电池具有高于非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率，成本也较单晶硅电池低，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染。因此，从材料来源看，这类太阳能电池将来也不可能占据主导地位，还不是硅系太阳能电池理想替代品。纳米晶太阳能电池。随着瑞士洛桑大学Michael教授对半导体纳米晶体(如TiO2)受光子冲击产生光生电流以来，无机太阳能电池的制造有可能避免如掺杂和物理化学气相沉积等复杂工艺工艺，大幅度简化工艺、降低制造成本(硅系太阳能电池的10％-20％)，无环境污染风险，寿命能达到20年以上，且转换效率可达14％以上。当然，该材料的光电转换过程也有其特殊性，如试验中发现光电效能将随面积的增加而急剧下降(如14％/0.22cm2，5.9％/300cm2)，据材料领域内相关专家分析，产生这种现象的原因可能是当电解质层为激发态染料分子提供自由电荷时，随着面积的增大其内部自由离子互斥作用也将加剧，激发态分子的部分电能被转换为热能释放出去，因此降低影响敏化层中的电子补充，致使光电效能下降。目前，国际上通过间隔腔体结构形成电池内部并联形式，有效地减少了电热转换，成功的提高了转化效率(提高3～5％)，但腔体障壁将会造成异质结有效面积的极大浪费，另外考虑到腔体需要一定的机械强度，电池整体也将无法实现超薄、超轻等优势特性。因此，NPC随着连续光子反应面积的增加而大幅度降低光电转换效率的缺陷，也阻碍了其大面积批量生产和民间应用推广。

聚合物太阳能电池。近十数年来，以聚合物代替无机材料是太阳能电池的一个新研究方向，并认为其将具有极大的效能价格比优势。通过制备电子施主型(donor)与电子受主型聚合物半导体(acceptor)，可以获得类似硅系列半导体p-n结一样的界面(施主与受主聚合物形成所谓异质结(hetero-junction))。PSC的优势为：低成本，原材料合成、聚合物涂铺或沉积工艺简单，可以连续、大面积、成卷生产(Roll-to-Roll)成可卷展的形成，体积超薄、重量轻，特别是具有力学柔性，能够在不占有空间资源和破坏原有被覆盖物表面特征的前提下，表贴于各种物面(如，各类交通工具、建筑、服装、媒体广告、甚至于跨幅数百米的太空太阳帆)，获得全方位的太阳能资源。据国外资料估算，PSC的生产成本仅为等面积硅系太阳能电池的10％以下。但与无机材料相比，由于电子在聚合物中的越迁能级较高，光诱导电荷的密度较低，导致其光电能转换效率低下。目前，PSC在实验室条件下获得的最佳能量转换效率仅为6％以下。但据加州大学洛杉矾分校(UCLA)称，PSC的转换效率预计最终可达15％～20％，使用期限可达15～20年。另据国外测算，当PSC的能量转换效率达到8％以上后，将可取代现有的无机太阳能电池而获得广泛的民用。

在材料物理范畴之外，太阳能电池的结构同样对其光电转换效能起着至关重要的作用。改变结构的目标就是要提高异质结的实际界面面积，增加光诱导电荷密度，提高电池的光电效能。已有的结构包括：