柔性太陽能電池

在金屬表面照射紫外光，可以發生光電效應。如愛因斯坦結論的那樣，由於入射光的光子能量大於電子的 束縛能，所以產生自由電子。太陽能電池的功能是把太陽光轉換為電壓和電流，是一種光電轉換。

光伏效應比光電效應的效率高得多。因為在發生光伏效應的太陽能電池中，2 種極性相反的半導體組成了 p-n 結（p-n Junction），形成內建電場，驅動電子進入電路，在電路中形成電壓和電流。

非晶硅

非晶硅（amorphous silicon, a -Si）柔性電池的厚度是晶體硅電池的1/300，可以進一步地降低原材料 成本。非晶硅柔性電池的一個突破時 1997 年提出的三結疊層電池結構，提高了轉換效率和穩定性，穩定后的轉換效率達到8 .0%-8.5%。

以美國 United Solar Ovonic 公司的非晶硅柔性電池為例，非晶硅三結疊層電池結構包含了三層不同帶隙的 p -n 結吸收層，如圖 3 所示。頂電池用 1 .8eV 帶隙的非晶硅 a -Si，吸收藍光。中間電池用 1 .6eV 帶隙的硅鍺合金 a -SiGe，吸收綠光，Ge 的含量為 10%-15%。底電池用 1 .4eV 帶隙的硅鍺合金 a -SiGe, 為 40%-50%吸收紅光和紅外光，Ge 的含量較高。太陽光依次通過三層半導體吸收層后，還有一部分沒有 被吸收的光線，經過 Al/ZnO 的背反射層反射后，回到三層半導體吸收層，再進行一次吸收過程，背反射 層起到陷光作用。這樣非晶硅柔性電池可以更有效地吸收入射光，提高了轉換效率和輸出功率，在低入射光和散射光的條件下，性能更好。

截止2016年國內只有迅力光能在生產非晶硅柔性薄膜電池及組件，轉換效率為8-10%，整體厚度僅為1.5mm。在產品應用上，除了卷對卷式的柔性薄膜組件外，還有摺疊式充電包，擴展了柔性非晶硅的應用。

銅銦鎵硒

20 世紀70 年代中期，人們開始研究銅銦鎵硒（copper indium gallium diselenide,Cu(In,Ga)Se2,CIGS）薄膜電池。CIGS 薄膜屬於黃銅礦結構（chalcopyrite）晶體，其帶 隙可以調節。由於太陽能電池對帶隙的要求是1~1.7eV，通過改變 III 族陽離子 In、Ga、Al 和 VI 族陰 離子 Se、S 的含量，可以按照需要調節CIGS 的帶隙。和非晶硅相比，CIGS 晶體內部缺陷少，性能 更穩定，組件壽命達 25 年。在組件使用過程中，銅離子的移動可以修復缺陷，因此組件性能會不斷地 提高，這和非晶硅的光致衰退效應或S -W 效應（Staebler-Wronskieflect）恰恰相反。

有機

在有機太陽電池（organic photovoltaic, OPV）中，有機半導體吸收介質通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善於給出電子、吸收空穴，混合后具有正電性，共軛聚合物（conjugated polymer）是典型的施主 材料。受主材料善於吸收電子、給出空穴，混合后具有負電性，富勒烯（fullerene，C 60）是典型的受主材料。

激子（excition）是被束縛的電子- 空穴對，是受激后的准離子（quasiparticle）。受激后，電子和空穴分離，但是電子- 空穴對仍然通過靜電的庫倫力互相吸引，由於庫倫束縛而不能徹底分離，形成激子。激子有兩種，瓦

爾尼- 模特激子（Wannier-Mottexcition）和弗倫克爾激子（Frenkel exciton）。瓦爾尼-模特激子存在於在晶體硅半 導體中，被激發到導帶中的電子和價帶中的空穴形成束縛態，庫倫力較弱，在 0.01eV 左右。弗倫克爾激子存在 於有機介質的施主材料中，之間的庫倫力較強，在0.3eV 左右。

染料敏化

早在 20 世紀 70 年代，人們就希望通過模擬光合作用，開發出新型太陽能電池。那時，人們在半導體晶體 材料二氧化鈦（titanium dioxide， TiO2 ）表面，包裹一層葉綠素（chlorophyll）染料。雖然提出了染料敏化太 陽能電池（dye-sensitized solar cell, DSC）的概念，但是由於電子在葉綠素中輸運困難，轉換效率只有0 .01%。

直到 1991 年，瑞士化學家 Michael Gratzel 運用納米技術，才推動了染料敏化電池的實質性發展。Gratzel 把大顆粒的 TiO2 晶體，替換成直徑 20nm 的小顆粒海綿狀 TiO2 ，外層包裹染料薄層，形成 10um 厚的光學透明薄膜。第一次製成的染料敏化電池，其轉換效率就已經達到了7 .1%，電流密度達到 12mA/cm^2。而現 在，染料敏化電池轉換效率的世界紀錄是11%。

在燃料敏化電池的結構中，光敏劑（ photosensitizer）通過羧基（ crboxyl,-COOH）、磷酸基（ phosphonic acid,-PO3H2）或硼酸基（boronic acid –B(OH)2）功能團，覆蓋在TiO2 顆粒表面，形成電荷轉移絡合物（charge transfer complex），再浸泡在氧化還原介體（redox mediator）溶液中，TCO 玻璃和金屬襯底分別作為陰極和陽 極，如圖 5.10 所示。光敏劑吸收入射光，基態中的So 中的電子被激發到高能態S*,在 fs 到 ps 時間內，光敏劑中的電子進入 TiO2 的導帶，光敏劑失去電子，被氧化，成為S+。氧化還原介體從金屬陽極得到電子，再對光 敏劑提供電子，使之還原，回到 So.TiO2 導帶上的自由電子，通過 TCO 陰極和電路，來到金屬陽極，2 個電極之間形成電流，驅動電路中的負載。

柔性太陽能電池記事

2016年3月 我科學家研製出新型柔性太陽能電池，專家認為，該成果有望用於發展智能溫控型太陽能電池及可穿戴太陽能電池。

柔性太陽能電池是世界太陽能產業的新興技術，《柔性太陽能電池》將為讀者介紹各種類型柔性太陽能電池的原理概念、基本工藝和市場應用。《柔性太陽能電池》的特點是篇幅內容簡練、圖片數據豐富、行業信息詳實。除了柔性太陽能電池，《柔性太陽能電池》還簡要地介紹了薄膜太陽能電池、第三代太陽能電池等新型太陽能電池。

進入21世紀，隨著人們對全球氣候變暖問題的關注，太陽能產業在世界各國蓬勃地發展起來。作為全球最大的太陽能電池生產國，中國不但希望為世界提供更加廉價的太陽能電池，更加希望提升太陽能電池生產的技術含量，進一步實現經濟增長方式的轉變。

《柔性太陽能電池》是一本入門級的參考書，適合在校師生、工程技術人員、風險投資人士或其他對太陽能感興趣的讀者閱讀。