柔性薄膜太阳电池封装及环境耐受性研究

曹娜娜，陈萌炯，叶晓军

(上海空间电源研究所，上海200245)

柔性薄膜太阳电池封装及环境耐受性研究

曹娜娜，陈萌炯，叶晓军

(上海空间电源研究所，上海200245)

封装材料的选择和封装工艺的确定对柔性薄膜太阳电池在空间的应用非常重要。封装材料采用改性的硅氧烷系列胶水和高透过率含氟薄膜材料，封装工艺采用涂覆方式和覆膜方式相结合，并利用封装设备有效控制涂层厚度及其均匀性。对封装后的柔性薄膜太阳电池进行一系列环境模拟实验，发现实验后太阳电池性能衰减较小，具有良好的环境耐受性。

封装材料；封装工艺；环境耐受性

临近空间环境对临近空间飞行器的飞行轨迹、结构、元件、材料以及飞行性能等都有着十分明显的影响。临近空间飞行器是可利用临近空间独有资源和特点来执行特定任务的飞行器。其中，平流层飞艇具有可定点性和机动性、驻空时间长、载质量大、可重复使用等特点，是实现占领临近空间、开发平流层资源的重要工具，在区域高速通信、导航定位、对地观测和监视、导弹预警和防御等领域有着独特的优势，具有重要的应用前景。

平流层飞艇等临近空间飞行器的电源通常采用由柔性薄膜太阳电池和对应展开机构构成的柔性太阳电池阵。柔性薄膜太阳电池具有薄、轻、容易弯曲、能够以较小的体积展开成具有较大面积和输出功率的太阳电池阵等优良的特性，这使得柔性太阳电池阵能够大大降低临近空间飞行器，甚至是地面便携式移动式充电设备的有效载荷，从而提高其电源系统的工作能力[1]。通过相关的研究得出：采用涂覆方式可以减薄涂层厚度、降低因封装所带来的附加质量，能够更有效地提高太阳电池阵的质量比功率，覆膜材料能够有效地提高太阳电池阵的环境耐受性。

本文采用改性的硅氧烷系列胶水和高透过率含氟薄膜两种封装材料，采用涂覆方式和覆膜方式两种封装工艺，实现高质量比功率柔性薄膜太阳电池阵。考虑到平流层飞艇等临近空间飞行器的应用需求，有针对性地对柔性薄膜太阳电池进行一系列环境实验，包括高低温循环交变实验、湿热实验、臭氧老化实验，对比实验前后的电性能并表征封装材料和封装工艺的可靠性。

1 太阳电池的制备与封装

1.1 柔性薄膜太阳电池生长

空间用柔性薄膜太阳电池采用金属箔或高分子材料作为衬底，金属箔一般是惰性金属不锈钢(SS)，高分子材料一般是稳定性好的聚酰亚胺(PI)。柔性衬底薄膜太阳电池有源吸收层是非晶硅(α-Si)，结构为：PI(SS)/Ag/ZnO/n-α-Si/i-α-Si/p-nc-Si/ ITO/Ag栅线。其中银(Ag)、氧化锌(ZnO)、透明导电薄膜(ITO)层采用卷对卷磁控溅射设备制备；Ag栅线采用丝网印刷方法制备；n、i、p三层非晶硅薄膜制备采用卷对卷射频等离子体增强化学气相沉积设备(roll-to-roll RF-PECVD)，由放卷室、收卷室、三个工艺腔室以及两个气体隔离腔室组成，可实现不锈钢(SS)和高分子(PI)等柔性衬底的卷对卷沉积工艺[2]，图1为该设备的结构示意图。

图1 卷对卷(Roll-to-roll)PECVD结构示意图

采用射频等离子体化学气相沉积法(RF-PECVD)可以制备非晶硅(α-Si)薄膜太阳电池和非晶硅(α-Si)/非晶硅锗(α-SiGe)叠层太阳电池，其结构示意图如图2所示，本文重点考察非晶硅薄膜太阳电池。

图2 聚酰亚胺(PI)衬底非晶硅单结和非晶硅/非晶硅锗叠层太阳电池结构示意图

1.2 涂覆工艺及其封装材料

1.3 覆膜工艺及其封装材料

柔性薄膜太阳电池所采用的封装材料必须能够抵抗各种空间环境确保太阳电池的性能不会在恶劣的环境中有所衰降，在平流层的应用环境背景下尽可能地降低电学损失。本文所采用的覆膜封装材料是改性的含氟薄膜，此种含氟聚合物具有良好的耐候性、耐老化、耐溶剂、耐热性、透明性且防水性高[5]。完成涂覆封装工艺后，采用覆膜工艺配合含氟粘合剂并利用高真空层压设备实现对柔性薄膜太阳电池的一体化封装。

1.4 组件结构

在实际应用中，柔性薄膜太阳电池通常以串联、并联或串并相间的混联方式形成光伏阵列进行工作，以满足所需的电流、电压或功率输出要求[6-8]。本文中，也将柔性薄膜太阳电池通过串并联组成阵列并封装进行环境实验。组件制备过程中通过优化焊接工艺来降低串并联连接损失。图3为太阳电池阵封装结构示意图。

图3 太阳电池阵封装结构示意图

1.5 封装前后的太阳电池性能对比

采用Spectrolab X-25 Mark II太阳模拟器分别测试未封装、涂覆封装以及覆膜封装的太阳电池性能(光谱AM0，1 353 W/m2)，包括开路电压，短路电流，填充因子，效率η，如表1所示。

表1 封装前后柔性薄膜太阳电池的电性能对比

从表1可以得出采用涂覆工艺、硅氧烷系列胶水配合一定比例的稀释剂对电池予以封装，再采用覆膜工艺、含氟薄膜配合含氟粘合剂对涂覆封装后电池予以封装，封装前后电池的电性能变化数据。从图4可以看出：最终的效率衰降相对于未封装电池分别为3.94%，1.98%，2.92%，0.83%，1.67%，平均效率损失是2.26%，接近甚至优于国外因封装所导致的光学和电学损失的综合效应[8-9]。

图4 对比两种封装方式前后电池的效率变化

2 环境耐受性分析

2.1 高低温循环交变实验

将柔性非晶硅薄膜太阳电池从室温状态放入盛有液氮的低温容器中，禁止实验件与液氮直接接触；当低温容器中实验件的温度降至低温点－80℃，保持8 min，然后取出实验件直接放入烘箱中(烘箱温度设定为高温点温度+105℃)；当烘箱中实验件的温度升至最高点，保持8 min后取出，放入室温2 min；从低温到高温再到室温作为一次温度循环，重复上述温度循环400周后，并做好温度记录，测试实验前后太阳电池的电性能数据如表2所示。

表2 高低温循环交变测试前后电池的电性能数据

从以上数据可以看出：400个周期的高低温循环交变后，电池的电性能并没有明显衰降，平均效率衰降为1%左右。由此可见，采用上述封装材料和封装工艺能够有效地抵抗空间高低温变化环境的影响。

2.2 湿热实验

将未封装的柔性非晶硅薄膜太阳电池和封装后的柔性非晶硅薄膜太阳电池组件放入温度85℃，相对湿度85%的湿热箱中，保持30天，测试湿热前后的电性能数据如表3、表4所示。从表3中可以看出未经封装的电池性能存在一定程度的衰降，11片电池中有5片的效率衰降幅度大于10%，2片完全失效；而从表4中可知，经过封装的太阳电池组件的效率平均衰降为4%左右，封装可以有效地避免湿热的影响。

表3 未封装电池湿热测试前后的电性能数据

2.3 臭氧老化实验

臭氧在大气中占的比例极小，浓度为0～100 μg/m3，但它对太阳紫外辐射有强烈的吸收作用，所以是临近空间环境特征中不能忽视的因素之一。O3浓度在20 km的平流层约为7×10－6，O3和O在紫外条件下可以相互转化。在一定的O3浓度(50×10－6)暴露下，温度60℃，湿度65%，暴露时间16 h。实验证明没有封装的裸电池性能有大幅衰降，近乎失效。而采用上述封装的太阳电池组件性能如图5所示，随着暴露时间的增加，太阳电池的电性能衰降较小，控制在3%之内，说明硅氧烷封装材料在一定程度上可以抵抗O3(O)。

表4 封装后电池组件湿热测试前后的电性能数据

图5 臭氧(O3)暴露实验时间对封装后太阳电池组件的影响

3 结论

本文采用涂覆和覆膜两种封装工艺，硅氧烷系列和改性含氟薄膜两种封装材料对太阳电池进行封装，封装后电池效率衰减仅为2.26%。通过一系列的环境模拟实验，包括高低温循环交变实验、湿热实验和臭氧老化实验，对比实验前后电池的电性能数据进一步验证了封装后太阳电池的高可靠性，为柔性薄膜太阳电池在平流层空间的应用奠定了基础。

[1]郑威，宋琦，李勇，等.平流层飞艇太阳电池阵发电功率计算及分析[J].宇航学报，2010，31(4)：1224-1230.

[2]王小顺，周丽华，唐道远，等.卷对卷技术制备大面积柔性硅基薄膜太阳电池[C]//第三届航天技术应用创新论坛文集.上海：上海航天技术研究院，2011.

[3]郑永军.新型光敏封装胶的研制[J].粘接，2004，25(4)：14-16.

[4]帅争峰，杨宏，雷咸道.晶体硅太阳电池组件封装的电学损失分析[J].电源技术，2014，38(1)：82-84.

[5]柳青，杜彦飞，张学建.新型太阳能电池封装材料的研究进展[J].信息记录材料，2012,13(5)：47-52.

[6]杨秀媛，梁贵书.风力发电的发展及其市场前景[J].电网技术，2003，27(7)：78-79.

[7]京特·莱纳，汉斯·卡尔.太阳能的光伏利用[M].余世杰，何慧若，译.合肥：合肥工业大学出版社，1991.

[8]王群，耿云玲，何益宏.不同系统联结方式下通用电能质量控制器的功率分析[J].中国电机工程学报，2005，25(21)：98-105.

[9]LIU S Z,BEERNINK K,BANERJEE A,et al.Solar cells for stratospheric and out space use:US,2008/0173349 A1[P].2008-01-07.

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，工程师，硕士学位，主要研究方向为柔性薄膜太阳电池焊接、封装。