太阳能利用前沿技术丛书--柔性太阳电池材料与器件

近年来，柔性电子技术、可穿戴器件和物联网技术的发展极大地带动了人们对便携式能源器件的需求。开发具有可弯曲、可拉伸、可折叠等特性的柔性太阳电池成为光伏技术研究的热点之一。柔性太阳电池应用领域广泛，不仅能与窗户、屋顶等建筑外墙面，汽车、船、飞行器等交通设施，以及衣帽、书包、帐篷等可穿戴设备表面集成，赋予常规产品新功能，而且能作为柔性功率源与其他柔性光电器件集成，形成自供电的柔性电子系统，拓展了其他功能器件的工作场景。柔性太阳电池轻质和高功率质量比的特性也使其在信息和国防等领域有重要的应用前景。柔性太阳电池技术在政府、企业和科研界的广泛关注下已进入高速发展的快车道。然而，与已经形成年产值数千亿的晶体硅太阳电池产业相比，柔性太阳电池产业尚处于早期阶段，在器件效率、寿命、稳定性、成本、生产加工效率等很多方面存在着巨大的挑战。本书较为简洁地介绍了太阳电池相关理论和各类柔性太阳电池的结构，系统总结了柔性电池中应用的衬底和透明电极等共性材料的发展现状和柔性衬底上薄膜沉积技术，最后展望了柔性太阳电池发展挑战及未来方向。
《柔性太阳电池材料与器件》分为七章。第1章为柔性太阳电池概述，介绍了太阳电池的发展历史，以及柔性太阳电池种类及产业化发展历史和现状。第2章为太阳电池结构与物理简述，分析了太阳电池效率理论极限，并概述了提升电池效率的几种关键方法和手段。第3章为柔性太阳电池研究进展，详细介绍了柔性化合物、硅基、有机及钙钛矿薄膜电池和染料敏化电池的研究进展。第4章为柔性衬底材料，主要介绍了金属及合金、高分子聚合物、超薄玻璃这几类柔性衬底材料的基本特性，以及在柔性薄膜太阳电池中的应用示例。第5章为柔性透明电极，重点介绍了透明导电薄膜、金属网格、银纳米线、石墨烯、碳纳米管及导电高分子等体系。第6章为柔性薄膜沉积技术，介绍了物理气相沉积、化学气相沉积、涂覆、印刷等技术的原理以及在柔性薄膜太阳电池中的应用情况。第7章为柔性太阳电池技术发展挑战与展望，探讨了提高柔性太阳电池光电转换效率及稳定性的关键技术，并对柔性太阳电池未来的应用领域作了展望。
本书由王维燕、宋伟杰（第1章，第3章，第7章），鲁越晖（第2章），许炜（第4章），李佳（第5章），杨晔、谭瑞琴、沈文锋（第6章）撰写。全书由宋伟杰审阅、修改和统稿。本书的撰写者是中国科学院宁波材料技术与工程研究所和宁波大学长期从事太阳电池关键材料与技术研究的中青年研究人员，书中的部分内容也是撰写者近年来科研工作的总结和展望。
本书作为一本基础参考书，力求尽可能反映当前科研和生产的最先进水平和技术，使读者能对柔性太阳电池有一个直观和全面的认识。本书可供材料专业、物理专业、化学专业、动力与能源专业或相关专业的本科生、研究生和教师了解柔性电池技术，也可供太阳电池行业的工程师、进行政策决策的政府官员以及其他对柔性太阳电池技术和产业感兴趣的读者了解本领域的概况和技术发展方向。
本书中介绍的部分研究成果是在国家自然科学基金（61875209，61774160，61404143，61605224，21203226）、科技部国际合作项目（2015DFH60240）资助下取得的。感谢中国科学院上海技术物理研究所的褚君浩院士、戴宁研究员对本书出版的鼓励，感谢家人对撰写者工作的全力支持，也感谢化学工业出版社使得本书能够顺利出版。
在编写过程中，撰写者力求图像表述清晰、公式推导准确、文字叙述流畅，但限于经验、水平和知识面，书中存在的疏漏及不妥之处，期待专家和广大读者批评指正，以期在后续再版中完善。

宋伟杰
2020年2月

《柔性太阳电池材料与器件》是“太阳能利用前沿技术丛书”中的一个分册。主要介绍柔性太阳电池材料及器件，内容涵盖了柔性太阳电池的理论、材料、结构、工艺和市场。重点介绍柔性衬底材料、柔性透明电极、柔性薄膜种类及相关性能，还对柔性薄膜的沉积技术进行阐述，最后对柔性太阳电池技术发展及方向进行展望。
本书作为一本基础参考书，适合材料、物理、化学、动力与能源专业或相关专业的研究生、教师了解柔性电池技术。本书也对太阳电池企业的工程师、进行政策决策的政府官员以及其他对柔性太阳电池产业感兴趣的读者认识新技术发展方向有帮助。

第1章 柔性太阳电池概论 001
1.1 太阳电池及其发展历史 002
1.2 柔性太阳电池 005
1.3 柔性太阳电池及产业发展 007
参考文献 013

第2章 太阳电池结构与物理简述 015
2.1 太阳电池转换效率 016
2.2 太阳电池结构 019
2.3 太阳电池极限效率分析 021
2.3.1 光伏组件的冷却 024
2.3.2 发射角限制 025
2.3.3 光学微纳结构设计 027
2.3.4 载流子复合抑制 029
参考文献 030

第3章 柔性太阳电池研究进展 033
3.1 柔性化合物薄膜太阳电池 034
3.1.1 柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池 034
3.1.2 柔性碲化镉薄膜太阳电池 039
3.2 柔性硅基薄膜太阳电池 041
3.2.1 柔性硅基薄膜太阳电池概述 041
3.2.2 柔性硅基薄膜太阳电池衬底材料 044
3.2.3 柔性硅基薄膜太阳电池陷光技术 046
3.2.4 柔性硅基薄膜组件串联工艺 047
3.3 柔性有机太阳电池 049
3.3.1 柔性有机太阳电池概述 049
3.3.2 柔性有机太阳电池透明电极 051
3.3.3 柔性有机太阳电池力学性能 054
3.4 柔性钙钛矿太阳电池 057
3.4.1 柔性钙钛矿太阳电池概述 057
3.4.2 柔性钙钛矿太阳电池材料 058
3.4.3 柔性钙钛矿太阳电池光电性能 062
3.4.4 柔性钙钛矿太阳电池力学性能 063
3.4.5 柔性钙钛矿太阳电池制备技术 064
3.4.6 柔性钙钛矿太阳电池稳定性 065
3.5 柔性染料敏化太阳电池 068
3.5.1 柔性染料敏化太阳电池概述 068
3.5.2 柔性染料敏化太阳电池导电衬底及对电极 069
3.5.3 柔性染料敏化太阳电池光阳极 071
参考文献 073

第4章 柔性衬底材料 078
4.1 金属与合金柔性材料 080
4.1.1 不锈钢箔 080
4.1.2 金属钛箔 084
4.1.3 其他金属衬底 086
4.2 高分子聚合物 087
4.2.1 半结晶聚合物 087
4.2.2 热塑性非结晶聚合物 092
4.2.3 无定形聚合物 092
4.3 超薄玻璃 095
4.4 纤维素 098
4.5 其他衬底 106
参考文献 107

第5章 柔性透明电极 118
5.1 透明导电薄膜概述 119
5.1.1 透明电极的历史及材料体系 119
5.1.2 透明导电薄膜的光电特性 121
5.1.3 柔性透明导电薄膜的要求及挑战 125
5.2 金属网格 126
5.2.1 金属网格的理论研究 126
5.2.2 金属网格的制备方法 128
5.3 超薄金属电极 132
5.3.1 超薄金属导电薄膜的生长机制和光电特性 133
5.3.2 超薄金属导电薄膜的制备方法 135
5.4 银纳米线 141
5.4.1 银纳米线二维网络的电学和光学特性 141
5.4.2 银纳米线的合成及后处理 144
5.5 碳基透明电极 146
5.6 导电聚合物 150
5.7 柔性电极在电池中的应用展望 151
参考文献 152

第6章 柔性薄膜沉积技术 160
6.1 物理气相沉积方法 161
6.2 化学气相沉积方法 166
6.3 其他成膜方法 174
6.3.1 常规涂覆成膜方法 174
6.3.2 柔性印刷成膜方法 178
参考文献 183

第7章 柔性太阳电池技术发展挑战与展望 186
7.1 柔性太阳电池的高效化之路 187
7.2 柔性太阳电池的稳定性和可靠性 189
7.3 柔性太阳电池应用展望 192
参考文献 196