行业报告丨柔性太阳电池最新前沿进展分析
来源：中国科学院文献情报系统双碳战略研究团队 时间：2023-07-10 14:51
柔性太阳电池具有广阔的市场前景，有集成到建筑物或可穿戴电子设备中的巨大潜力，已发展出柔性硅薄膜太阳电池、柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池、柔性碲化镉太阳电池、柔性有机太阳电池和柔性钙钛矿太阳电池五大类，其使用的柔性衬底材料主要有金属箔和塑料两类。晶硅太阳电池在70年前就开发出来，是当今社会中应用最为广泛的太阳电池，但是不可弯折、脆性较高等局限性大大限制了其柔性应用场景。5月24日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所针对单晶硅片容易碎裂的力学问题，提出了一种新的结构设计方案，通过边缘钝化技术可实现大规模（>240平方厘米）和高效（>24%）的柔性晶硅太阳电池商业化生产。相关研究成果发表于Nature杂志并选为封面文章[1]。本文解读了柔性晶硅太阳电池的重大技术突破，并分析了柔性太阳电池其他技术路线的前沿进展。
一、柔性硅太阳电池的发展历程
过去二十年，柔性太阳电池技术快速发展（图1）。美国UnitedSolar公司是最早研究不锈钢衬底柔性硅薄膜太阳电池的公司，也是唯一实现柔性不锈钢衬底硅薄膜电池商业化的公司[2]。该公司于2002年建立了生产线，产品的孔径效率只有8.2%，制备出的a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三结电池初始效率为16.3%，是当时效率最高的柔性硅薄膜太阳电池。通过采用高速沉积（>1纳米每秒）工艺，稳定效率达到12.41%，面积为1.05平方厘米。通过进一步优化电池工艺，该公司制备了大面积电池组件，400平方厘米组件的稳定效率为11.2%，807.8平方厘米组件的初始效率为11.8%。2018年，韩国蔚山科学技术院Kwanyong Seo团队设计出厚度为50微米的晶硅光伏器件，最大效率达到了18.9%[3]，2020年引入RIP-PDMS薄膜提高了薄晶硅太阳电池的柔韧性，在1000次曲率为10毫米的弯曲测试中保持18.4%的效率[4]。2021年6月，日本产业技术综合研究所制备了一系列厚度为50~400微米的硅异质结太阳电池，最大转换效率超过22%[5]；同年9月，利用氢化纳米硅制备了超薄（56微米）硅异质结太阳电池，效率达到了23.3%[6]。
二、破解硅片“力学短板”，柔性晶硅太阳电池取得革命性突破
上海微系统所研究团队通过高速相机观察发现，太阳电池的单晶硅片在弯曲应力作用下的断裂总是从硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。根据这一发现，该团队创新地采用湿法化学反应和干法等离子体反应圆滑处理两种不同的技术方案，通过表面的各向异性反应，将硅片边缘表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽圆滑处理成平滑的“U”字型沟槽，改变了硅片边缘和侧面在介观尺度上的结构对称性。结合有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，揭示了介观对称性变化与实现将单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为的关联关系。此外，圆滑处理只限于硅片边缘区域，因此基本不影响硅片对光的捕获能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率基本不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，60微米厚的硅片能完成类似于A4纸折叠的动作，最小弯曲半径可实现5毫米以下，弯曲角度逾360度电池在经历1000次左右弯曲循环后仍然能够保持100%的初始效率，并在量产线成功验证了工艺放大生产的可行性。
上海微系统所研发的器件是柔性太阳电池研究领域的革命性突破。之前大多数报道的柔性太阳电池转换效率低于20%，该研究实现了器件尺寸和转换效率的显著增加，分别从4平方厘米和23.27%增加到244.3平方厘米和24.5%。工业规模的柔性晶硅太阳电池的实现表明，其技术路线与标准化的商业生产兼容。在组件层面，柔性硅异质结组件没有厚重的玻璃和背板，这使得质量功率比非常小，为2.31克每瓦，远低于标准单面和双面晶硅太阳能组件的45.57克/瓦和82.93克/瓦。本研究中展示的柔性硅异质结组件可以解决快速发展的建筑集成光伏研究领域遇到的承重问题，并使晶硅太阳能组件能够附着在具有平坦或弯曲表面的建筑墙壁上。
该项研究在国际上产生了巨大反响。领域专家澳大利亚新南威尔士大学Bram Hoex评价说：“硅太阳电池目前在光伏市场上占主导地位，但它们的柔韧性因其金字塔结构而受到阻碍。使用具有‘钝化’周边的薄硅片，制备得到了柔性太阳电池，对于这样的薄设备来说，其效率令人印象深刻。因此，该研究解决了薄硅太阳电池的主要障碍——脆性。这一结果可能会改变柔性太阳电池应用的游戏规则”[7]。Nature杂志副主编评价说：“当我第一次读到这项研究时，对简单地钝化硅片的边缘就能带来柔性和高效率之间的适当平衡印象深刻。这项工作还因其对有纹理的晶体硅片的机械性能的见解而脱颖而出，作者利用这些性能开发高性能的柔性太阳电池，并为大规模应用提供了令人信服的理由，这些结果非常引人注目。”该文的一位审稿人指出，对于曲率半径很小的太阳电池应用场景，该工作将成为“游戏规则”的改变者。另一位审稿人则表示：“无论从哪个角度该科研工作都是一流水平的”。
三、柔性太阳电池其他技术路线前沿进展
1、柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池（CIGS）
经过多年的发展，柔性CIGS已经具备大规模产业化的基础条件。高效率上限和良好的稳定性是CIGS太阳电池的优点。柔性CIGS太阳电池最关键的吸收层的制备，仍需要克服许多技术难关，目前研究最广泛的是共蒸发法和溅射后硒化法，另外通过本征缺陷、掺杂、错配等方法对吸收层进行调控，也是提升CIGS性能的有效途径。近年来通过制备工艺的不断创新，取得了很多进展，电池效率和规模化效率逐步提升。
2019年，汉能MiaSolé采用柔性溅射法研发的铜铟镓硒薄膜太阳小面积芯片（单位面积0.86平方厘米）转换效率达到20.56%。同期，经德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）验证，汉能MiaSolé制备的商用大尺寸柔性铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能组件（采光面积1.08平方米），采光面积光电转换效率达到了17.44%，创下大面积柔性CIGS组件效率最新世界纪录[8]。2021年，瑞士联邦材料测试与开发研究所的Ayodhya N. Tiwari团队开发了低温沉积工艺，在聚合物薄膜衬底上生产的柔性铜铟镓硒太阳能电池效率达到了21.4%[9]，2022年采用低温沉积工艺开发出CIGS（铜铟镓二硒）双面薄膜太阳能电池，其将光转化为电能的效率实现了创纪录的30%以上，其前照式的效率达到创纪录的19.77%，后照式的效率达到10.89%[10]。2023年6月，尚越光电采用独特的卷对卷铜网压印工艺，规模化量产CIGS组件最高效率，认证最高效率超过17.75%（超越了此前由MiaSole保持的17.44%的世界记录）[11]。
2、柔性碲化镉太阳电池（CdTe）
CdTe是一种II-VI族化合物半导体，吸收率较高，适合于制作成薄膜太阳电池的吸收层，理论效率高达28%~-29%，是实现建筑单体玻璃幕墙低成本和低能耗的选择。其生产主要采用近空间升华（CSS）和气相传输沉淀（VTD）两种方法，两种方法理论都是可以满足技术和商业化要求，不过实际应用中需要积累生产经验不断优化生产工艺。
目前实验室CdTe太阳电池的最高转换效率为First Solar公司2016年取得的22.1%，拥有独家VTD技术专利。2022年龙焱能源采用CSS技术，实现了碲化镉薄膜标准光伏组件（0.72 m2，1200 mm*600 mm）的批量化生产，组件最高输出功率达到123.73 W，即全面积光电转换效率17.19%，另外公司的碲化镉实验室小面积电池转换效率也已取得了突破，达到20.61%[12]。
3、柔性有机太阳电池
柔性有机太阳能电池由于具有柔性、轻质、超薄、无毒、颜色可调以及可高通量大面积印刷制备等优点一直备受关注。目前大面积柔性器件的效率与小面积刚性有机太阳电池之间还存在着很大差距。基于塑料基底制备的柔性透明电极在面电阻、透光率、可加工性以及稳定性等方面受到极大限制。同时目前的涂布技术难以精确掌控有机薄膜的厚度，不利于有机太阳能电池向大面积生产化、产业化发展。近年来，通过柔性透明电极开发，给受体分子的设计与合成、活性层形貌调控和涂布工艺优化，在提升效率方面取得了一系列研究成果。
2020年5月，韩国蔚山国立科学技术研究所（UNIST）的Changduk Yang教授和Hyesung Park教授团队制备了一种聚酰亚胺-石墨烯（PI@GR）新型透明电极应用于柔性有机太阳能电池，实现了15.2%的光电转换效率，是当时报道的柔性有机太阳能电池的最高数值[13]。2021年5月，苏州大学李耀文教授等人与瑞典林雪平大学高峰教授团队合作，提出有机太阳能电池活性层的主客体材料设计策略，制备了高效大面积有机太阳能电池组件，解决了可溶液印刷有机太阳能电池在大面积模组制备过程中的多个瓶颈性问题[14]。2022年6月，中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义团队运用三元策略引入能级匹配和光谱互补的聚合物客体，有效构筑了缠绕结构形态的活性层，效率达16.52%，具有较好的机械稳定性，在1000次连续循环弯曲（弯曲半径r=2 mm）后仍可保持初始能量转换效率（PCE）的97.5%[15]。2022年6月13日，通过调整原子取向构建非富勒烯第三组分受体，设计并合成了两种具有异构中心缺电子核单元的Y6衍生物QX-α和QX-γ，基于D18:N3:QX-α的刚性和柔性器件的PCE分别高达19.33%和18.01%（最佳柔性器件效率）[16]。2022年12月，国家纳米科学中心魏志祥研究员、吕琨研究员、张建齐副研究员团队发现两种受体Qx-1和Qx-2应用于槽模涂覆过程，PM6:Qx-1的30 cm2的大面积模块，功率转换效率超过12%[17]。
4、柔性钙钛矿太阳电池
柔性钙钛矿太阳电池（FPSCs）由于制备工艺简单，原材料成本低廉，极具商业化潜力，成为近年来太阳电池领域的研究热点。在FPSCs的制造中主要采用聚合物基板和金属箔两种类型的柔性基板，高质量的柔性衬底需要兼顾优异的光学特性和稳定的物理化学耐性并保持柔性特质。虽然FPSCs设备在最近几年取得了重大进展，但冠军PCE仍然远远落后于刚性设备。除了柔性导电基底之外，包括吸收层、电子传输层（ETL）、空穴传输层（HTL）和柔性界面在内的功能层对于改善器件性能也起着不可或缺的作用[18]。近期，国内外一些团队在提升各功能层性能、界面弯曲稳定性，以及开发薄且兼容柔性的复合层方面取得了一定进展。
2023年2月15日，苏州大学李耀文等人报道原位交联辅助钙钛矿薄膜生长的方法，以削弱钙钛矿生长过程对基底的依赖性以及钙钛矿薄膜本征脆性，实现了钙钛矿能够在塑性基底上生长[19]，在面积为0.062 cm2的柔性钙钛矿电池器件实现了23.4%纪录效率（认证效率22.9%）。4月4日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员葛子义团队采用预埋式ETL与自下而上的策略，实现效率超过23%的柔性钙钛矿太阳电池[20]，这是目前国际上报道的柔性钙钛矿电池最高效率之一。此外，在弯曲半径为5 mm、循环弯曲4000次后仍可以保持初始转换效率的84%以上。4月27日，复旦大学杨迎国团队利用碳量子点掺杂SnO2，明显改善了钙钛矿的结晶度和相纯度[21]。该柔性n-i-p钙钛矿太阳电池的转换效率高达23.57%（认证效率22.75%），是单结n-i-p柔性钙钛矿太阳电池的最高值之一。并且在弯曲半径为6毫米的情况下，经过2500次弯曲循环后，保持了>90%的初始效率。4月30日，大连化物所杨栋研究员和刘生忠研究员团队采用电子传输层中氧空位缺陷填充的策略[22]，制备出面积为36.50 cm2的柔性钙钛矿电池组件，效率达到18.71%，这是目前有文献报道的大面积柔性钙钛矿组件最高效率。同时，柔性钙钛矿组件表现出良好得机械性能，器件在弯曲1000次后，仍可保持83%的初始效率。（朱丹晨）
参考文献：
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[2] 王辉, 曹越先, 冯江山, 等. 柔性太阳电池发展研究. 中国工程科学, 2018, 20(3): 66-73
[3]Hwang I, Um H D, Kim B S, et al. Flexible Crystalline Silicon Radial Junction Photovoltaics with Vertically Aligned Tapered Microwires. Energy & Environmental Science, 2018, 11(3): 641-647
[4] Hwang I, Jeong Y, Shiratori Y, et al. Effective Photon Management of Non-surface-textured Flexible Thin Crystalline Silicon Solar Cells. Cell Reports Physical Science, 2020, 1(11): 100242
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[6] Sai H, Umishio H, Matsui T. Very Thin (56 μm) Silicon Heterojunction Solar Cells with an Efficiency of 23.3% and an Open-Circuit Voltage of 754 mV. Solar RRL, 2021, 5(11): 2100634
[7] Nature. Flexible Solar Cells Made with Crystalline Silicon. https://www.nature.com/articles/d41586-023-01357-7
[8] 中国科学院上海硅酸盐研究所. 世界纪录！新型CIGS太阳能电池转换效率达23%. https://sic.cas.cn/xwzx/kj/201909/t20190925_5400548.html
[9] ACT化合物半导体. 21.4%！柔性CIGS的瑞士效率记录. https://mp.weixin.qq.com/s/00mU98jWe84jr_82SAfixg
[10] Yang S C, Lin T Y, Ochoa M, et al. Efficiency Boost of Bifacial Cu (In, Ga) Se2 Thin-film Solar Cells for Flexible and Tandem Applications with Silver-assisted Low-temperature Process. Nature Energy, 2023, 8(1): 40-51
[11] 国家智能电网分布式电源装备质量检验检测中心（上海）. 尚越光电CIGS大组件转化效率超过17.3%！. http://dpse.org.cn/NCIGDP/IGdpDetail.aspx?NGUID=41de6df3fee54ff99a34cbb233b2af8d
[12] 国际太阳能光伏网. 全面积17.19%！龙焱碲化镉组件转换效率取得重大突破. https://solar.in-en.com/html/solar-2409313.shtml
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责任编辑：张栋钧
