阴 悦，胡建辉，2，3，陈务军∗，李一坡

（1.上海交通大学空间结构研究中心，上海200240；2.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240；3.上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240）

1 引言

柔性薄膜太阳能电池（Flexible Thin Film So⁃lar Cells）指的是在柔性衬底上制备的太阳能电池，与传统的晶硅电池相比，柔性薄膜太阳能电池具有不易断裂、材质较轻、生产效率高、低成本等优点。目前，市场上存在的柔性薄膜太阳能电池主要有美国Konarka公司生产的以透明导电高分子柔性薄膜为衬底的有机薄膜太阳能电池，美国United⁃Solar公司生产的以不锈钢为衬底的非晶硅薄膜太阳能电池，以及日本Fuji公司生产的以塑料为衬底的薄膜太阳能电池。

随着薄膜光伏产业的不断发展，柔性薄膜太阳能电池越来越多地与其他基材复合后使用，有效地拓展了其应用范围。国内外诸多学者对柔性薄膜太阳能电池及不同衬底的柔性薄膜太阳能电池复合材料的基本电学性能、制备工艺进行了研究。Asano等［1］研究了以PSE薄膜为衬底的柔性薄膜太阳能电池的电化学性能，Weerasinghe等［2］研究了以塑料为衬底的柔性薄膜太阳能电池的制备工艺及电学性能，Nagata等［3］研究了以航天板材为衬底的柔性薄膜太阳能电池在动力荷载作用下的抗弯性能及耐久性。Pascual等［4］研究了以半透明玻璃纤维增强层合板为衬底的柔性薄膜太阳能电池的透光性能及电学性能，并利用数值模拟对其力热性能进行了有关分析。周南等［5］研究了柔性薄膜太阳能电池单轴拉伸时的力电性能，许贤等［6］研究了柔性薄膜太阳能电池与聚偏氟乙烯膜材复合后的力电性能。

现有对柔性薄膜太阳能电池及其复合材料的研究主要集中于制备方法及力、电等单一性能分析，而柔性薄膜太阳能电池及其复合材料在应用过程中，往往会受到电⁃热⁃力等物理场的共同作用。为了保证工作稳定性，有必要对其电⁃热⁃力性能进行深入研究。此外，将柔性薄膜太阳能电池与乙烯⁃四氟乙烯共聚物（Ethylene Tetrafluoro⁃ethylene，ETFE）薄膜复合，能够充分发挥两种材料的优点，得到光伏⁃ETFE 复合材料薄膜［7⁃10］。现在也未见对以ETFE薄膜为衬底的柔性薄膜太阳能电池的制备工艺及基本性能的研究。

为了研究以ETFE为衬底的柔性薄膜太阳能电池的基本性能及该复合材料的光电热力之间的耦合特性，本文首先采用两种不同复合方式将柔性薄膜太阳能电池与ETFE薄膜复合，分别制作ETFE衬底的柔性薄膜太阳能电池试件和双层ETFE覆膜单条柔性薄膜太阳能电池试件（下文简称双层覆膜PV⁃ETFE试件）。在日照辐射强度为1000 W／m2的光照条件下，对ETFE衬底的柔性薄膜太阳能电池试件进行10 mm／min的单轴拉伸试验，对双层覆膜 PV⁃ETFE试件进行1 mm／min的单轴拉伸试验。试验得到了不同PV⁃ETFE试件的应力⁃应变曲线、温度及电压变化曲线，并对其电⁃热⁃力性能进行了分析。

2 ETFE衬底柔性薄膜太阳能电池电⁃热⁃力性能试验

2.1 试件制备

试验选用武汉美格科技有限公司生产的柔性薄膜太阳能电池，型号为MG⁃OPV110。该电池以PET作为衬底进行封装，电池条部分的材料为具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流，实现太阳能发电。电池平面尺寸为230 mm×200 mm，厚度为0.43 mm。为了增强柔性薄膜电池的力学强度，在电池背面增加一层ETFE薄膜衬底。ETFE薄膜与电池本身衬底PET均属于高分子材料，为了保证两者之间能跟紧密复合，选择日本生产的ETFE胶带作为柔性薄膜太阳能电池的衬底。该胶带厚度为0.15 mm，在ETFE薄膜表面附着一层胶黏剂，对于高分子材料良好的粘结性能，直接粘贴即可保证ETFE薄膜与电池的紧密结合。

柔性薄膜太阳能电池的正负极位于沿对角线分布的两个接头处，为了便于测量电池的开路电压，分别用红黑两色导线连接正负极。用裁切的方式截取两条ETFE胶带，然后顺电池方向并排粘结于电池背面，粘结时确保两条胶带紧密、无缝。制备共得到3个试件，将此类试件编号为S1，如图1所示。

2.2 试验方案

图1 S1试件Fig．1 Specimen of S1

试验选用深圳三思UTM⁃3300单轴拉伸试验机对S1试件进行拉伸，参照塑料薄膜拉伸试验的国家标准［11］以及文献［5］和文献［6］，拉伸速率选择10 mm／min。由于柔性薄膜太阳能电池在顺电池方向拉伸时力电性能最佳［5］，故试件沿顺电池方向进行拉伸，直至试件破坏。采用功率为150 W的卤钨灯模拟太阳光源进行照明，该光源的波长为350～2500 nm，与太阳光的辐射波长（300 ～2500 nm）比较相近［6］。 参照非晶硅太阳电池电性能测试的一般规定［12］，调节卤钨灯与试件之间的距离并用日照辐射强度测量仪测试，使得照射在试件表面的日照辐射强度为1000 W ／m2。

选用采样周期为1 s的温度巡检仪测量试件表面的温度，用透光性较好的ETFE胶带分别在S1试件的正反面粘结3个热电阻，并进行编号。热电阻的粘贴位置位于顺电池方向的中轴线上，且3个热电阻沿中轴线均匀分布。为了与温度巡检仪的接线通道序号保持一致，正面热电阻编号为1、2、3，反面热电阻编号为4、5、6。 其中，1 与 4距电池部分上边缘距离为20 mm，3与6距电池部分下边缘距离为20 mm，2、5位于电池中部。选用具有实时数据输出功能的万用表测量试件电压，采样周期为1 s。

2.3 试验结果分析

2.3.1 试验现象

拉伸试验开始后，S1试件首先被拉伸至紧绷状态，试件表面测点温度逐渐上升，电压基本稳定。随着拉伸的逐渐进行，试件边缘处薄膜开始发生断裂，裂缝由试件两侧逐渐向中间发展。当S1试件的导线柱发生断裂时，电压突降为0 V。S1试件拉伸破坏处位于电池上边缘处，为柔性薄膜太阳能电池表面覆膜与ETFE薄膜的断裂破坏，而电池本身并未发生破坏，如图2所示。

2.3.2 试验分析

图2 S1试件破坏Fig．2 Failure of S1

图3 （a）表示S1试件的应力⁃应变曲线，可以看出，S1试件在拉伸时没有明显的屈服流动阶段，屈服点不明显。当试件拉伸至出现裂缝时，其应力值达到抗拉强度，此后应力应变曲线迅速降低。经测试得到S1试件的基本力学性能参数如表1所示。试件极限强度为20.5 MPa，极限应变为2.6%。根据基于应变能理论计算非线性材料屈服点的方法［13］计算出试样的屈服点，得到试件的屈服强度为20.2 MPa，屈服应变为2.3%。通过对试件屈服点之前的曲线段进行线性拟合，得到弹性模量为1110 MPa。

表1 S1试件力学性能参数Table 1 Mechanical properties of S1

图3 S1试件应力⁃应变及电压曲线Fig．3 Stress⁃Strain curve and voltage curve of S1

试件开始拉伸时电压为5.18 V，拉伸过程中试样电压随时间的变化曲线如图3（b）所示。可以看出，输出开路电压随着试件拉伸缓慢降低，但降幅不大。当试件裂缝发展至接线柱附近时，电压出现较大波动，最后由于接线柱被拉断，电压突降为0 V，此时试件的应力约为3.3 MPa，应变约为20%，试件仍处于拉伸状态。

试件在拉伸过程中正反两面共6个测点的温度变化如图4所示。可以看出，正反表面温度随试样拉伸不断升高，随后有所下降。由于柔性薄膜太阳能电池材料由于吸收光照辐射，导致电池正反两个表面温度逐渐升高。而随电池不断拉伸，电池部分位置发生移动，卤钨灯照射面积减少，导致温度逐渐降低。

图4 S1试件表面温度Fig．4 Surface temperature of S1

对于相同表面不同测点温度来说，T1＞T2＞T3，T4＞T5＞T6；对于不同表面相同位置的测点来说，正面测点温度高于反面测点温度，这是由于试样正面受到卤钨灯直接照射所致。总体来看，随着S1试件的伸长量不断增大，试件表面温度由于光照时间的增长逐渐升高，试件电压虽有小幅下降，但基本保持稳定。S1试件的力、热、电参数之间不存在明显的相互影响作用。

3 双层覆膜 PV⁃ETFE 试件电⁃热⁃力性能试验

3.1 试验过程

将柔性薄膜太阳能电池的电池部分裁剪成单条电池，截取两条ETFE胶带分别粘贴在电池条的正反两面，电池条两端连接导线，制备得到3个双层覆膜试件，如图5所示。试件总长度为220 mm，宽度为50 mm，厚度为0.25 mm，标距为120 mm，将此类试件编号为S2。S2试件的拉伸速率为1 mm／min，仅在试件背面中部粘贴一个热电阻测温，导线连接万用表测试试件开路电压。试验前先用卤钨灯对试件进行照明，待试件表面温度稳定后开始拉伸，当热电阻脱离试件时停止试验。

图5 试件S2Fig．5 Specimen S2

3.2 试验结果分析

3.2.1 试验现象

在试验的初始阶段，试件S2逐渐被拉伸展平，开路电压有小幅提高，之后逐渐稳定。随着拉伸试验的进行以及光照时间不断增加，试件S2的电池条与ETFE衬底之间的粘性逐渐下降，电池条在双层ETFE衬底中出现滑移现象，如图6（a）所示。此时，电池条两端的导线柱也随ETFE衬底发生移动而逐渐脱离电极，电压在一定范围内出现波动。当试件拉伸至导线柱脱离电池条时，试件电压出现较大波动，随后迅速降至0 V。当拉伸至热电阻脱离试件时，试件出现颈缩和褶皱，如图6（b）所示。试件S2的应力⁃应变曲线、温度及电压的变化曲线如图7所示。

3.2.2 试验分析

由图7（a）可知，试件开始拉伸后应力应变呈线性关系，当试件应变达到5%时，应力⁃应变曲线出现较为明显的拐点，随后出现峰谷。在拉伸试验的初始阶段，电池条与ETFE衬底协同受力，当应变达到5%时电池条与ETFE衬底的粘结力下降而产生滑移，随后应力下降后产生重分布。此后应力⁃应变曲线虽然出现一定波动，但从总体来看，应力随着应变的增加而逐渐增大，曲线斜率低于线性段。

图6 S2试件试验现象Fig．6 Experiment of S2

图7 S2试件试验曲线Fig．7 Experimental curves of S2

S2试件的力学性能参数见表2。根据基于应变能理论确定非线性材料屈服点的方法［13］，试件S2在拉伸速率为1 mm／min，温度约为55℃的条件下的屈服强度为6.6 MPa，屈服应变为0.9%，弹性模量为715 MPa。S2试件的力学性能指标与ETFE薄膜基本一致，试件在拉伸时主要由ETFE衬底承受荷载作用。

表2 S2试件力学性能参数Table 2 Mechanical properties of S2

图7（b）表示S2试件的温度变化曲线。可以看出，试件表面温度在拉伸试验前稳定的温度为55℃，试验过程中试件的升温速率逐渐减小，试件最高表面温度为57℃。温度曲线在拉伸过程中略有波动，总体趋势较为明显，当粘贴热电阻的胶带受热粘性下降后热电阻逐渐脱离试件，导致测量得到温度曲线迅速下降。实际上试件表面温度的上升幅度呈现出逐渐减小的趋势，温度值逐渐趋于稳定。

S2试件的电压变化曲线见图7（c）。在S2试件拉伸的初始阶段，电池条逐渐被拉伸展平，电池条的开路电压随试件应力的增大而增大。此后随着电池条导线柱逐渐与电池条脱离，电压出现波动现象并逐渐降低。当试件电压为降0 mV时，试件的应力约为11.4 MPa，应变约为10%。

图8（a）、（b）、（c）分别表示 S2 试件的应力⁃电压曲线、应力⁃温度曲线及温度⁃电压曲线。可以看出S2试件的应力、温度与电压之间相互影响。在整体试验过程中，试件S2的应力呈现出逐渐波动增大的趋势，而温度一直在55℃附近波动。两者之间的波动情况恰好相反，即温度波动变化的波谷段与应力波动变化的波峰段基本对应。此外，由于受到表面温度的影响，与常温下ETFE单轴拉伸试验的试验结果相比，试件S2的力学强度明显降低，试件表面的温度升高降低了整体力学强度。

随着S2试件充分拉伸展平，电池条的开路电压提升约30%，此后开路电压随试件拉伸和表面温度的逐渐升高而缓慢降低。而由于电池条在接收卤钨灯光照产生电压的同时吸收光照辐射热量，导致试件表面温度逐渐升高。

4 结论

1）ETFE衬底的柔性薄膜太阳能电池试件（S1）的破坏形式为电池边缘处的薄膜断裂，电池部分不发生破坏，抗拉强度为20.6 MPa，屈服应力为20.2 MPa，弹性模量为1110 MPa。试件的开路电压在试验过程中基本稳定，当拉伸至应变为20%时，由于试件导线柱破坏导致电压出现下降突变点。对于相同表面不同测点温度来说，T1＞T2＞T3，T4＞T5＞T6；对于不同表面相同位置的测点来说，正面测点温度高于反面测点温度。

图8 S2试件双因素曲线Fig．8 Double variables curves of S2

2）双层覆膜PV⁃ETFE试件（S2）的屈服强度为6.6 MPa，屈服应变为0.9%，弹性模量为745 MPa。在试验过程中电池条发生滑移，当拉伸至应变为10%时，导线柱与电池条脱离，电压波动较大直至降为0 V，试件主要由ETFE衬底承受荷载。

3）与ETFE衬底的柔性薄膜太阳能电池试件（S1）相比，双层覆膜 PV⁃ETFE 试件（S2）电⁃热⁃力性能之间的相互影响较为显著。试件S2表面温度变化曲线与应力⁃应变曲线的波动情况相反；当试件充分拉伸展平后，开路电压随试件拉伸和表面温度的逐渐升高而缓慢降低。

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