柔性太阳电池的开展的新趋势和关键技术

毫无疑问，太阳能技术是很有前途和潜力的可再生能源和清洁能源技术，其涉及材料、器件和系统等方面，是多学科交叉的前沿研究领域。基于此，从科学层面来分析太阳电池的理论基础、发展思路和趋势，同时总结当前该领域的最新进展是非常必要的，也是十分亟须的。

由中国科学院和国家自然科学基金委员会最新发布的《中国学科发展战略·太阳电池科学技术》（北京：科学出版社，2019.10）聚焦太阳能光伏发电技术的科学基础、学科框架和发展的新趋势，分析了当前各类太阳电池能量转换技术的科学发展路径和科学原理制约，探讨各类太阳电池的发展的新趋势和关键技术，分析和预判太阳电池科学技术的发展形势，探索太阳电池科学技术发展的新思路，研究太阳电池产业高质量发展的策略路径、产业布局及规划目标。讨论了第三次工业革命新构想——能源互联网建设问题。在政策层面提出了针对发展太阳电池科学技术和应用的若干建议。

本文分享其中柔性太阳电池相关部分的核心摘要。

柔性太阳能的应用举例

柔性太阳电池的一个重要应用领域是光伏建筑一体化，高柔性和轻质化使得它可以集成在窗户、屋顶、外墙或内墙上。此外，柔性太阳电池还可以大范围的应用于背包、帐篷、汽车、帆船甚至飞机上，为各种便携式电子及通信设备、交通工具提供轻便的清洁能源。

与传统的晶硅太阳电池相比，柔性太阳电池，特别是柔性染料敏化太阳电池、聚合物太阳电池及新兴的钙钛矿太阳电池，可以运用成熟的高速报纸印刷卷对卷技术，将半导体材料通过印刷的方式覆盖在卷筒表面的导电塑料或不锈钢箔片上。

结合纳米技术的染料敏化太阳电池、有机钙钛矿太阳电池具有明显的材料和器件组装优势，因而是当前国际上较主流的柔性太阳电池。

要得到高性能的柔性染料敏化太阳电池并推动其产业化，需要从以下几个方面入手并寻求突破。一方面是需要进一步提升柔性染料敏化太阳电池的光电转换效率和稳定性。另一方面是进一步降低电池的成本并实现卷对卷的大规模印刷制备。

染料敏化太阳电池结构示意图与其应用

近几年来，钙钛矿太阳电池的研究处于非常活跃的状态。根据近年来快速更新的光电转换效率纪录，实现25%的光电转换效率离我们并不遥远。钙钛矿太阳电池能否实现大规模的制作并进入产业化，还有许多问题亟待解决。首先，选择正真适合的清洁有机金属卤化物来取代剧毒的含铅有机金属卤化物。近年来的研究表明，含锡的有机金属卤化物似乎是一个不错的选择，但是其最大的问题是二价的锡离子容易被空气中的氧氧化，从而带来更加严重的稳定性问题。其次，要进一步提升钙钛矿太阳电池的光电转换效率，设计新型结构的器件也是非常关键的一步。最后，解决了钙钛矿太阳电池器件大面积均匀性和一致性等重要问题，才能够得到大面积的高光电转换效率的钙钛矿太阳电池，使其接近产业化。

柔性钙钛矿太阳电池结构示意图及其实物图

柔性太阳电池作为太阳能产业的前沿代表，通过全球各研究机构和企业的不断努力，正以更多、更好、更廉价的方式进入更广阔的太阳电池市场。柔性太阳电池是现有商业太阳电池最有潜力的竞争者。积极开展柔性太阳电池研究对于抢占太阳电池行业发展的先机，促进太阳电池技术的升级换代具有重要意义。从更高的层次上讲，开展柔性太阳电池研究并推动其产业化，将使人类更廉价、更方便地获得取之不尽、用之不竭的清洁能源，对于整个人类社会和经济的可持续发展、提高绿色国内生产总值（gross domestic product，GDP）、治污防霾都具有重要意义。

聚合物太阳电池是近年来发展起来的一种新型太阳电池，其核心是利用聚合物/有机光电材料将光能转化成电能。这类电池具有质量轻、制备工艺简单及可通过低成本的印刷方式制备大面积柔性器件等突出优点；更为重要的是，人们通过分子设计合成新型半导体聚合物或有机分子、采用新的器件结构或对活性层进行特殊处理等方法可以很容易地提高器件的性能。基于这些独特的优点，聚合物太阳电池慢慢的变成了世界各国科学界研究的热点和产业界开发、推广的重点。

聚合物太阳电池中的构效关系示意图

经过十多年的发展，聚合物太阳电池慢慢的变成了新能源领域最前沿的研究方向之一，成为高分子科学、有机化学、材料学、半导体物理、光学等多学科交叉的综合性研究领域。聚合物太阳电池的产业化慢慢的变成了学术界和产业界共同追求的目标。光电转换效率是决定聚合物太阳电池能否走向实用的关键参数，因此如何实现高的光电转换效率成为本领域研究的核心问题。

在过去的十几年里，聚合物太阳电池的光电转换效率已经逐步从1%提高到10%以上。活性层材料的分子设计、形貌优化及界面材料的开发、器件结构的创新是推动聚合物太阳电池领域加快速度进行发展的重要途径。获得高性能聚合物太阳电池的难点在于：设计和合成性能更加优越的活性层给体和受体光伏材料、调控和优化活性层给体/受体共混形貌、选择正真适合的电极界面修饰层材料、优化器件结构及优化光电转换的各个基本物理过程。因此探索和开发更高效的聚合物太阳电池光伏材料和界面修饰层材料及器件制备工艺是聚合物太阳电池技术面向应用的必经之路。

本文摘编自《中国学科发展战略·太阳电池科学技术》（国家自然科学基金委员会，中国科学院编. 北京：科学出版社，2019.10）一书“摘要”，标题为编者所加。

（中国学科发展战略）

ISBN 978-7-03-062169-6

责任编辑：朱萍萍 李丽娇

太阳能光伏发电技术是很有前途和潜力的可再生能源与清洁能源技术，是多学科交叉的前沿研究领域。本书主要讨论光伏技术的科学基础、学科框架和发展的新趋势，分析各类太阳电池能量转换技术的科学技术路径和科学原理制约，探讨各类太阳电池的发展的新趋势和关键技术，探索太阳电池技术发展的新思路，研究太阳电池产业高质量发展的策略路径、产业布局及规划目标。

（本文编辑：刘四旦）

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