钛翼导电膜应用方向——柔性太阳能电池，有机光伏？钙钛矿光伏？
发布日期： 2024-09-06 11:30:40.916
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在当今对清洁能源的迫切需求下，柔性光伏电池作为一种创新的太阳能电池技术，具有柔韧性、轻便性和广泛的应用前景，为太阳能的利用开辟了新的道路。
一、部分柔性光伏电池的种类及特点
1.有机光伏电池（OPV）
有机光伏：采用具有半导体特性的有机分子或聚合物材料作为光吸收层和电荷传输层。通过对聚合物等分子的结构进行设计和调控，可以改变有机半导体的带隙，从而实现对电池性能的优化。其摩尔消光系数很高，使得少量的有机物就可以吸收大量的光。
OPV使用的有机材料来源非常广泛，可以通过化学合成的方法大量制备，制造成本低，生产能耗低，相对较为环保。
特性：薄轻半透明、柔性佳，电池可以轻松弯曲、折叠甚至卷曲，能够适应各种复杂的形状和表面，在弱光条件下仍然能够有效地工作。这些特性使它具有广泛应用的可能性，例如可以集成到衣物、背包或者帐篷上，室内照明和阴影区域等光照不足的环境。
面临的挑战：其光电转换效率相对较低，对水氧较为敏感，其性能容易受到影响，这对电池的封装和保护提出了较高的要求。
2.铜铟镓硒光伏电池（CIGS）
铜铟镓硒光伏：吸光层以铜铟镓硒化物组成的高效薄膜太阳能电池。
特性：具有较高的光电转换效率和稳定的性能，弱光性能好，污染较小，可以制备在柔性基底上，轻薄可折叠，可适用于建筑一体化、便携式电源等领域。
面临的挑战：CIGS具有敏感的元素配比和复杂的多层结构，电池的制备工艺相对复杂，需要精确控制各元素的比例和沉积过程，这在一定程度上增加了生产成本和制备难度，产业化进程十分缓慢。
3.柔性染料敏化太阳能电池（DSSC）
图片来源：南京大学昆山创新研究院
染料敏化光伏：模仿光合作用原理的一种新型太阳能电池，主要由光阳极、染料敏化剂、氧化－还原电解质、对电极和导电基底等部分组成。
光阳极通常采用纳米结构的二氧化钛薄膜，表面吸附染料分子作为光敏剂，吸收太阳光后，电子从基态跃迁到激发态，然后注入到光阳极，通过光阳极材料传输到外电路，失去电子的染料分子被电解液中的还原电对还原。
该类电池原材料成本较低，结构简单，制备工艺相对简单，不需要昂贵的设备和高洁净度的厂房设施，生产成本低。
可使用柔性基底，轻薄可弯曲，通过选择不同的染料对电池的颜色进行调节，具有较好的美观性和装饰性，同时它在比较弱的光线照射下也能工作，有着广泛的应用前景和十分广阔的产业化前景。
面临的挑战：目前，光电转换效率取得了一定的突破，但与其他类型的太阳能电池相比，仍有一定的差距。此外，其长期稳定性也需要进一步提高。
4.柔性钙钛矿太阳能电池（PSCs）
柔性钙钛矿光伏：是一种以钙钛矿型晶体结构的有机金属卤化物半导体为吸光材料的太阳能电池。是当前最热门的光伏材料。
“钙钛矿”并非指一种特定材料，而是由常见的化学材料合成的ABX₃晶体结构，通常由金属阳离子、卤素阴离子和有机阳离子组成，其中A位、B位、X位均可迭代替换，合成这种晶体结构的材料家族，统称为钙钛矿材料。
原材料由人工合成，易得且便宜，其晶体结构具备可设计性和灵活性，带隙可调，吸收光谱广，光吸收系数高。具有高光电转换效率、成本低、弱光效率高、可柔性制备、轻薄半透明、应用场景丰富等优势。
面临的挑战：在强光、高温、高湿等环境下容易发生降解，内部离子易迁移，稳定性较差。科研人员正在努力寻找解决方案，如改进材料的封装技术、优化材料结构等，以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。
二、特别的柔性光伏电池—柔性单晶硅太阳能电池
图片来源：上海微系统所
目前，单晶硅太阳能电池是光伏领域的“绝对主流”，占据整个市场份额的95%以上。它具有光电转换效率高、环境运行稳定、工艺成熟、产业链发达、规模成本低等一系列优点。但这种材料的缺点也十分明显—易碎性，制备成的光伏电池通常都是采用刚性基底。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文柱研究员，专注于高效非晶硅/单晶硅异质结太阳电池基础与应用研究。他主导的团队发明了一种柔性单晶硅太阳电池制作技术，打破了人们的普遍认知。
将硅片表面设计为介观对称性结构，制出像A4纸一样柔韧高效的单晶硅太阳电池，实现力学韧性和抗震性跨越式提升，并率先研制出工业尺寸的高效柔性单晶硅太阳电池。
该电池柔性佳，能弯曲甚至“卷起来”，弯曲角度超360度。在1000次“边对边”折叠/卷曲后，电池转换效率依然能够保持100%；组装成超过10000cm²的柔性模块，在70℃和85℃之间经过120小时热循环后，保留了99.62%的功率。成功验证批量生产的可行性，且基于简单工艺处理即可制备出该种柔性单晶硅太阳电池。（来源：上海微系统所/DeepTech深科技）
三、柔性光伏电池的应用领域
相比传统刚性的晶硅电池，柔性光伏电池具有更广泛的应用空间。如建筑一体化、车辆集成光伏、弱光发电、便携式充电设备、室内无线物联网产品、分布式发电等领域。
-建筑一体化：高柔性和轻质化使其可以集成在建筑物的窗户、屋顶、外墙上，为其供电。不影响建筑物的结构，可降低建筑的能耗和碳排放。
-便携式电子设备：便携式电子设备普及的当下，柔性光伏电池为这些设备的供电提供了新的解决方案。可以将其集成在手机、平板电脑、智能手表等设备中，或者制备成便携式充电器，实现及时或便捷式充电。
-交通运输：可以应用于汽车、飞机、船舶等交通工具上。例如，可以集成在汽车车顶、侧面等部位，减少对传统燃油的依赖，降低尾气排放。在航空领域，通过集成柔性光伏电池获得能源，可以减轻飞机的重量，提高燃油效率。
四、柔性光伏电池的发展前景
随着全球对清洁能源的重视程度不断提高，柔性光伏电池作为一种具有巨大发展潜力的太阳能技术，相信未来的发展前景十分广阔。
一方面，科研人员将不断探索新的材料和制备工艺，提高柔性光伏电池的光电转换效率、稳定性和使用寿命，降低成本，使其更具市场竞争力。
另一方面，随着应用领域的不断拓展和市场需求的不断增加，柔性光伏电池的产业化进程将不断加快，有望在未来的能源市场中占据重要的地位。
五、钛翼超薄金属导电膜在柔性光伏领域的应用
钛翼提供一种新型的透明导电膜——超薄金属导电膜。应用于柔性太阳能电池中，作为电池的透明电极材料，既是光的入射窗口，又是电子传输通道。
目前，钛翼可提供有机光伏型导电膜和柔性钙钛矿型导电薄膜。该导电薄膜具有与两者相匹配的光谱特性和功函数，有助于光吸收和电荷传输，有利于光电转换，并且拥有良好的化学稳定性和机械柔韧性，契合柔性光伏电池的稳定性与柔韧性的应用需求。
-有机光伏型：分别用钛翼导电膜、玻璃基底ITO和PET基底ITO制成有机光伏电池，对其测试，钛翼导电膜型的有机光伏电池其开路电压（Voc）、填充因子（FF）、光电转换效率（PCE）与采用玻璃基底ITO的光伏电池相当，成功验证用于有机光伏电池的可行性。
-柔性钙钛矿光伏型：通过相同的方法进行测试和对比，采用钛翼导电膜的柔性钙钛矿电池，其光电转换效率（PCE）接近于玻璃基底ITO型电池，且不会被钙钛矿物质所氧化，且具备良好的柔韧性。
钛翼的超薄金属导电膜在柔性光伏领域，具有较厚的技术储备。该导电膜具备低方阻、高透过率、低雾度和良好的稳定性。此外，还具有热屏蔽性和良好的柔性。适配柔性光伏、智能调光模组、触控屏、导电玻璃发光字等领域的应用需求。
结语
在能源发展道路上，柔性光伏电池无疑将扮演着越来越重要的角色。它以其柔韧性、轻便性、实用性和多彩透明化，构成多样化的能源解决方案，在多场景应用中，能够根据需求灵活设计，开拓广泛的应用前景。
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