柔性薄膜太陽電池封裝及環(huán)境耐受性研究

曹娜娜，陳萌炯，葉曉軍

(上?？臻g電源研究所，上海200245)

柔性薄膜太陽電池封裝及環(huán)境耐受性研究

曹娜娜，陳萌炯，葉曉軍

(上?？臻g電源研究所，上海200245)

封裝材料的選擇和封裝工藝的確定對柔性薄膜太陽電池在空間的應(yīng)用非常重要。封裝材料采用改性的硅氧烷系列膠水和高透過率含氟薄膜材料，封裝工藝采用涂覆方式和覆膜方式相結(jié)合，并利用封裝設(shè)備有效控制涂層厚度及其均勻性。對封裝后的柔性薄膜太陽電池進(jìn)行一系列環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)后太陽電池性能衰減較小，具有良好的環(huán)境耐受性。

封裝材料；封裝工藝；環(huán)境耐受性

臨近空間環(huán)境對臨近空間飛行器的飛行軌跡、結(jié)構(gòu)、元件、材料以及飛行性能等都有著十分明顯的影響。臨近空間飛行器是可利用臨近空間獨(dú)有資源和特點(diǎn)來執(zhí)行特定任務(wù)的飛行器。其中，平流層飛艇具有可定點(diǎn)性和機(jī)動性、駐空時(shí)間長、載質(zhì)量大、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)占領(lǐng)臨近空間、開發(fā)平流層資源的重要工具，在區(qū)域高速通信、導(dǎo)航定位、對地觀測和監(jiān)視、導(dǎo)彈預(yù)警和防御等領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢，具有重要的應(yīng)用前景。

平流層飛艇等臨近空間飛行器的電源通常采用由柔性薄膜太陽電池和對應(yīng)展開機(jī)構(gòu)構(gòu)成的柔性太陽電池陣。柔性薄膜太陽電池具有薄、輕、容易彎曲、能夠以較小的體積展開成具有較大面積和輸出功率的太陽電池陣等優(yōu)良的特性，這使得柔性太陽電池陣能夠大大降低臨近空間飛行器，甚至是地面便攜式移動式充電設(shè)備的有效載荷，從而提高其電源系統(tǒng)的工作能力[1]。通過相關(guān)的研究得出：采用涂覆方式可以減薄涂層厚度、降低因封裝所帶來的附加質(zhì)量，能夠更有效地提高太陽電池陣的質(zhì)量比功率，覆膜材料能夠有效地提高太陽電池陣的環(huán)境耐受性。

本文采用改性的硅氧烷系列膠水和高透過率含氟薄膜兩種封裝材料，采用涂覆方式和覆膜方式兩種封裝工藝，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量比功率柔性薄膜太陽電池陣?？紤]到平流層飛艇等臨近空間飛行器的應(yīng)用需求，有針對性地對柔性薄膜太陽電池進(jìn)行一系列環(huán)境實(shí)驗(yàn)，包括高低溫循環(huán)交變實(shí)驗(yàn)、濕熱實(shí)驗(yàn)、臭氧老化實(shí)驗(yàn)，對比實(shí)驗(yàn)前后的電性能并表征封裝材料和封裝工藝的可靠性。

1 太陽電池的制備與封裝

1.1 柔性薄膜太陽電池生長

空間用柔性薄膜太陽電池采用金屬箔或高分子材料作為襯底，金屬箔一般是惰性金屬不銹鋼(SS)，高分子材料一般是穩(wěn)定性好的聚酰亞胺(PI)。柔性襯底薄膜太陽電池有源吸收層是非晶硅(α-Si)，結(jié)構(gòu)為：PI(SS)/Ag/ZnO/n-α-Si/i-α-Si/p-nc-Si/ ITO/Ag柵線。其中銀(Ag)、氧化鋅(ZnO)、透明導(dǎo)電薄膜(ITO)層采用卷對卷磁控濺射設(shè)備制備；Ag柵線采用絲網(wǎng)印刷方法制備；n、i、p三層非晶硅薄膜制備采用卷對卷射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備(roll-to-roll RF-PECVD)，由放卷室、收卷室、三個(gè)工藝腔室以及兩個(gè)氣體隔離腔室組成，可實(shí)現(xiàn)不銹鋼(SS)和高分子(PI)等柔性襯底的卷對卷沉積工藝[2]，圖1為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 卷對卷(Roll-to-roll)PECVD結(jié)構(gòu)示意圖

采用射頻等離子體化學(xué)氣相沉積法(RF-PECVD)可以制備非晶硅(α-Si)薄膜太陽電池和非晶硅(α-Si)/非晶硅鍺(α-SiGe)疊層太陽電池，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，本文重點(diǎn)考察非晶硅薄膜太陽電池。

圖2 聚酰亞胺(PI)襯底非晶硅單結(jié)和非晶硅/非晶硅鍺疊層太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 涂覆工藝及其封裝材料

1.3 覆膜工藝及其封裝材料

柔性薄膜太陽電池所采用的封裝材料必須能夠抵抗各種空間環(huán)境確保太陽電池的性能不會在惡劣的環(huán)境中有所衰降，在平流層的應(yīng)用環(huán)境背景下盡可能地降低電學(xué)損失。本文所采用的覆膜封裝材料是改性的含氟薄膜，此種含氟聚合物具有良好的耐候性、耐老化、耐溶劑、耐熱性、透明性且防水性高[5]。完成涂覆封裝工藝后，采用覆膜工藝配合含氟粘合劑并利用高真空層壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)對柔性薄膜太陽電池的一體化封裝。

1.4 組件結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，柔性薄膜太陽電池通常以串聯(lián)、并聯(lián)或串并相間的混聯(lián)方式形成光伏陣列進(jìn)行工作，以滿足所需的電流、電壓或功率輸出要求[6-8]。本文中，也將柔性薄膜太陽電池通過串并聯(lián)組成陣列并封裝進(jìn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)。組件制備過程中通過優(yōu)化焊接工藝來降低串并聯(lián)連接損失。圖3為太陽電池陣封裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 太陽電池陣封裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 封裝前后的太陽電池性能對比

采用Spectrolab X-25 Mark II太陽模擬器分別測試未封裝、涂覆封裝以及覆膜封裝的太陽電池性能(光譜AM0，1 353 W/m2)，包括開路電壓，短路電流，填充因子，效率η，如表1所示。

表1 封裝前后柔性薄膜太陽電池的電性能對比

從表1可以得出采用涂覆工藝、硅氧烷系列膠水配合一定比例的稀釋劑對電池予以封裝，再采用覆膜工藝、含氟薄膜配合含氟粘合劑對涂覆封裝后電池予以封裝，封裝前后電池的電性能變化數(shù)據(jù)。從圖4可以看出：最終的效率衰降相對于未封裝電池分別為3.94%，1.98%，2.92%，0.83%，1.67%，平均效率損失是2.26%，接近甚至優(yōu)于國外因封裝所導(dǎo)致的光學(xué)和電學(xué)損失的綜合效應(yīng)[8-9]。

圖4 對比兩種封裝方式前后電池的效率變化

2 環(huán)境耐受性分析

2.1 高低溫循環(huán)交變實(shí)驗(yàn)

將柔性非晶硅薄膜太陽電池從室溫狀態(tài)放入盛有液氮的低溫容器中，禁止實(shí)驗(yàn)件與液氮直接接觸；當(dāng)?shù)蜏厝萜髦袑?shí)驗(yàn)件的溫度降至低溫點(diǎn)－80℃，保持8 min，然后取出實(shí)驗(yàn)件直接放入烘箱中(烘箱溫度設(shè)定為高溫點(diǎn)溫度+105℃)；當(dāng)烘箱中實(shí)驗(yàn)件的溫度升至最高點(diǎn)，保持8 min后取出，放入室溫2 min；從低溫到高溫再到室溫作為一次溫度循環(huán)，重復(fù)上述溫度循環(huán)400周后，并做好溫度記錄，測試實(shí)驗(yàn)前后太陽電池的電性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高低溫循環(huán)交變測試前后電池的電性能數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出：400個(gè)周期的高低溫循環(huán)交變后，電池的電性能并沒有明顯衰降，平均效率衰降為1%左右。由此可見，采用上述封裝材料和封裝工藝能夠有效地抵抗空間高低溫變化環(huán)境的影響。

2.2 濕熱實(shí)驗(yàn)

將未封裝的柔性非晶硅薄膜太陽電池和封裝后的柔性非晶硅薄膜太陽電池組件放入溫度85℃，相對濕度85%的濕熱箱中，保持30天，測試濕熱前后的電性能數(shù)據(jù)如表3、表4所示。從表3中可以看出未經(jīng)封裝的電池性能存在一定程度的衰降，11片電池中有5片的效率衰降幅度大于10%，2片完全失效；而從表4中可知，經(jīng)過封裝的太陽電池組件的效率平均衰降為4%左右，封裝可以有效地避免濕熱的影響。

表3 未封裝電池濕熱測試前后的電性能數(shù)據(jù)

2.3 臭氧老化實(shí)驗(yàn)

臭氧在大氣中占的比例極小，濃度為0～100 μg/m3，但它對太陽紫外輻射有強(qiáng)烈的吸收作用，所以是臨近空間環(huán)境特征中不能忽視的因素之一。O3濃度在20 km的平流層約為7×10－6，O3和O在紫外條件下可以相互轉(zhuǎn)化。在一定的O3濃度(50×10－6)暴露下，溫度60℃，濕度65%，暴露時(shí)間16 h。實(shí)驗(yàn)證明沒有封裝的裸電池性能有大幅衰降，近乎失效。而采用上述封裝的太陽電池組件性能如圖5所示，隨著暴露時(shí)間的增加，太陽電池的電性能衰降較小，控制在3%之內(nèi)，說明硅氧烷封裝材料在一定程度上可以抵抗O3(O)。

表4 封裝后電池組件濕熱測試前后的電性能數(shù)據(jù)

圖5 臭氧(O3)暴露實(shí)驗(yàn)時(shí)間對封裝后太陽電池組件的影響

3 結(jié)論

本文采用涂覆和覆膜兩種封裝工藝，硅氧烷系列和改性含氟薄膜兩種封裝材料對太陽電池進(jìn)行封裝，封裝后電池效率衰減僅為2.26%。通過一系列的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，包括高低溫循環(huán)交變實(shí)驗(yàn)、濕熱實(shí)驗(yàn)和臭氧老化實(shí)驗(yàn)，對比實(shí)驗(yàn)前后電池的電性能數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了封裝后太陽電池的高可靠性，為柔性薄膜太陽電池在平流層空間的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Research of coating and environment tolerance of flexible solar cell

The selection of coating materials and the determination of coating technology were very important for flexible solar cell for stratospheric application.Modified siloxane glue and high transmittance thin film containing fluorine were used as coating materials,both spraying and lamination method were combined,which selected by coating technology.The thickness and uniformity were controlled by equipment.A series of space environmental simulation test were applied on coating flexible solar cell,showing the electric property degrade slightly,and the result represents better environmental tolerance.

coating materials;coating technology;environment tolerance

TM 914

A

1002-087 X(2016)03-0600-04

2015-08-01

曹娜娜(1983—)，女，安徽省人，工程師，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)槿嵝员∧ぬ栯姵睾附?、封裝。