非平面碲硒镉薄膜太阳电池组件制备研究

李青霄，张心会，李安琪，林彬娜，陈学义

(1.河南城建学院材料与化工学院，河南平顶山 467036；2.河南城建学院能源与建筑环境工程学院，河南平顶山 467036)

随着可再生能源技术的不断发展，能够被集成在各种实体上的可再生能源尤其是太阳能的需求与日俱增。在众多太阳能利用技术中，太阳电池技术得到广泛应用。人们越来越希望太阳电池能够集成到如交通工具、建筑和景观等应用场景中，这些应用场景又必须兼顾其功能和美学需求。非平面太阳电池组件由于恰好能够兼顾上述应用场景的功能性与美学需求，受到科研人员的关注，成为一个研究热点。

在人们的印象中，太阳电池组件通常是平面结构，受材料性质、制备和封装工艺制约，如硅片易脆、柔性太阳电池及组件亦绝非可任意挠曲，大面积非平面太阳电池组件研制仍面临诸多挑战。

近年来，为制备出非平面光伏电池组件，国际上进行了曲面太阳电池组件研制。考虑到晶硅太阳电池光电转换效率高，性能稳定，技术成熟，因此，首选晶硅电池进行曲面太阳电池组件的研制。Budiman等[1]设计出专用的铝型材模具和层压机，利用薄晶硅电池片具有有限的可挠性特征，研制了曲面晶硅电池组件。日本产业技术综合研究所(AIST)采用晶硅太阳电池小组件在弯曲支架上以拼接贴合的方式研制能够应用在汽车顶棚上的曲面太阳电池组件[2]。另外，当前钙钛矿薄膜太阳电池技术进展迅速，各功能层易于沉积在非平面衬底上，合肥工业大学[3]、天津理工大学[4]和谢尔菲德大学[5]分别在非平面衬底上沉积制备钙钛矿太阳电池组件。此外，有机太阳电池技术的快速发展也为非平面太阳电池研制提供了一种解决方案。华中科技大学[6-7]采用转印技术制备出光电转换效率为10.8%的有机太阳电池，通过与基底剥离再与其他非平面实体贴合，研制成曲面太阳电池。

上述曲面太阳电池及组件研究和制备技术均取得了较大的进展。已经成功商业化的顶衬碲硒镉薄膜太阳电池以玻璃为基底，结构简单，光电转换效率高，稳定性好，集透光、隔热和美观于一体，适用于各类应用场景，具有制备非平面太阳电池的天然优势，然而其非平面电池组件制备研究报道却甚少。本文基于顶衬碲硒镉薄膜太阳电池结构特点，结合玻璃基底形变温度，考虑制作成本，采用顶衬碲硒镉太阳电池小面板，使用热弯技术对其进行非平面电池组件制备研究。

1 实验

1.1 玻璃热弯

为获得非平面顶衬碲硒镉薄膜太阳电池热弯程度与温度对应值，先取玻璃基底进行热弯标定，玻璃基底尺寸为7 cm×7 cm。使用管式炉对所选玻璃基底进行热弯，热弯在常压下进行，炉管内充氩气保护，炉内恒温区域设定温度分别为635、645、655 和665 ℃。图1 给出了经重复实验验证的玻璃热弯工艺流程。热弯之前，将玻璃基底样品放置在有凹面的模具内，然后将玻璃基底与模具从炉口缓慢推至靠近炉内温度300 ℃的区域预热，预热时间30 min；热弯时，把玻璃基底与模具快速推至炉内恒温区域，待玻璃基底实测温度为400 ℃时开始计时，第5 min时记录玻璃实测温度，玻璃在高温下因自重热弯；第7 min 时热弯结束，将玻璃基底与模具快速拉至炉内温度300 ℃的区域降温；最后，将玻璃基底拉至炉口自然降温至200 ℃取出，放置在水平台面上降至室温。其中，计时7 min 是基于实验验证顶衬碲硒镉薄膜太阳电池热弯后性能不会大幅衰减同时又实现了热弯目的的经验数据。热弯后的玻璃基底放置在水平台面上，测量玻璃曲面最高点距水平台面距离，以标记弯曲程度。

图1 玻璃热弯工艺过程示意图

图2 为玻璃热弯程度标定示意图。经过重复验证，玻璃弯曲程度与玻璃实测温度的对应值如表1 所示。

表1 炉温、玻璃温度与玻璃热弯程度对应值

图2 标定玻璃弯曲程度示意图

1.2 曲面小组件制备、表征和热弯

顶衬碲硒镉薄膜太阳电池采用文献[8]报道的制备工艺，期间，经激光划线制备成小组件。使用太阳能模拟器（Newport Oriel，94043A-S 型）测试小组件的I-V 特性。然后筛选I-V 特性值相同的小组件样品若干，使用1.1 节中的工艺在管式炉内分别对所选小组件样品进行热弯，热弯时玻璃基底面朝向模具凹面。

2 结果与讨论

图3 给出了所选小组件I-V 特性参数随热弯温度变化趋势。图4 给出了玻璃和电池小面板热弯实物图，其中图4(a)是热弯后的玻璃，图4(b)是热弯后电池小面板薄膜电池面。图5 给出了更高温度热弯后功能膜层损伤状况。图6 给出了经610 ℃热弯前后小组件I-V 曲线对比。

图3 小组件I-V特性参数随热弯温度变化趋势

图4 热弯的玻璃和碲硒镉电池小面板

图5 高温后功能膜层出现针孔

图6 小组件610 ℃热弯前后I-V曲线对比

从图3 中可以看出，随热弯温度升高，顶衬碲硒镉薄膜电池小组件VOC和FF的值呈现先增大后大幅下降趋势。其中，热弯温度为610 ℃时，VOC和FF的值比热弯前略有增大，JSC却有一定程度的降低。造成这一现象的原因或许与以下因素有关：

(1)吸收层再结晶，热弯过程实质上是小电池组件退火处理的过程，退火处理是改善光伏器件性能的常用措施，适当温度的退火处理可使薄膜太阳电池吸收层再结晶，再结晶有助于消除晶界缺陷，减少复合，空穴浓度增加，从而使VOC增大[9]；

(2)Cl 和Se 元素影响，热弯过程中，更多Cl 元素补偿吸收层中Te 空位，使n型施主的浓度大幅降低，同时降低了受主离化能，提高了空穴浓度[9-10]，Se 元素又具有钝化点缺陷作用[11-12]，也相应提高了空穴浓度，另外，Cl 元素有助于少子寿命增加，从而提高了FF[10]；

(3)高温对功能膜层的影响，热弯过程中更高温度处理后，碲硒镉电池小面板出现了大量针孔，如图5 所示，表明尽管有氩气保护，常压下高温对功能膜层还是存在一定的损伤，另外，炉管内少量氧气的存在对含碳背电极缓冲层和金属背电极也有一定氧化作用，这二者亦是更高温度致使非平面电池小组件性能衰减的因素；

(4)碲硒镉与硫化镉互扩散影响，热弯过程中尤其是高温时碲硒镉会与硫化镉发生反应，生成Cd-TexS1－x合金层，由于硫化镉扩散进入碲硒镉吸收层所需要的能量较低，因此，反应过程主要是以硫化镉扩散进入碲硒镉为主，高温时硫化镉快速扩散会造成其在空间上分布不均匀，甚至局部区域的硫化镉被完全消耗掉，使碲硒镉吸收层与前电极直接接触，造成微观漏电通道，引起VOC和FF下降，器件性能衰减[10]。

3 结论

本文利用顶衬碲硒镉薄膜太阳电池结构特点，采用玻璃热弯技术，在大气环境中使用管式炉对顶衬碲硒镉薄膜太阳电池小面板直接进行热弯，制备了非平面顶衬碲硒镉薄膜太阳电池小组件，使用I-V测试仪对其I-V 特性进行了研究。结果表明，所制备非平面电池小组件在610 ℃热弯时，其VOC、JSC、FF和效率与未热弯的小面板相比，未见明显衰减；经630 ℃热弯后，所制备非平面电池小组件仍能保持不低于9%的光电转化效率。该研究证明，当应用场景需要非平面光伏电池时，可以直接通过热弯顶衬碲硒镉薄膜太阳电池面板获得，这为非平面顶衬碲硒镉薄膜太阳电池组件产业化生产提供了一种制备方法。