前言：

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  

序言：

丛书序
能源利用一直伴随着人类科技和经济发展的进程，从最初的利用天然火源到主动利用火，人类走过了从燃烧木材、木炭到燃烧煤炭的过程，从发现石油、天然气到利用清洁能源，人类逐渐走上了部分替代煤炭、石油、天然气等化石能源的清洁能源之路。
20世纪50年代以来，人类逐渐认识到化石能源的危害，化石能源不可再生并逐渐走向枯竭，化石能源燃烧利用带来了严重的大气污染以及随之而来的温室效应。人们除了研究化石能源的清洁利用之外，如何发现和利用清洁能源成为各国科研人员共同面临的挑战。
太阳能作为已知的清洁能源，取之不尽、用之不竭，没有污染，人类利用太阳能有长久的历史，但科学利用太阳能始于20世纪，经过不断发展和进步，太阳能逐步走向能源利用的前台。目前，太阳能的开发与利用也带动了21世纪相关领域的科技发展，太阳能广泛利用的时代已初现端倪。
太阳能利用和储能技术涉及物理、光学、材料、化学，涉及光电转换等物质运动形态转换规律及利用技术，还涉及相关的工业设备和仪器，这都带动不同学科的发展和进步。如光伏材料和新型光伏电池的不断研究开发，促进了物理、化学、材料等学科的发展，还促进了太阳能系统设备等工程学科的研究和发展。太阳能等可再生能源的利用，也促进了储能技术领域的持续研究热潮和发展，等等。
站在能源利用替代和发展的历史节点，我国科研人员需要大视野、大格局、大情怀，不断突破行业固有桎梏，从规划、研究、技术应用等方面进行努力，运用学科综合思维和多领域交叉糅合等进行思维和技术调整，在已有基础上阔步前进，为我国能源科技进步提供有力支撑。
正是基于能源科技中太阳能等可再生能源的重要性，21世纪以来，太阳能一直被列为我国中长期发展规划中的重要部分，在国家政策扶植和支持下，太阳能等可再生能源技术取得了长足的进步，如：光伏光电材料性能不断改善；电池效率不断提高，成本不断下降；新型电池研究取得一定突破；光热发电、储能方面也有多个示范项目等。三年前，在化学工业出版社积极协调和提议下，考虑组织编写“太阳能利用前沿技术丛书”。
根据丛书设置的初衷，拟定的出版方向包括：光伏、光热、光生物、光化学、储能、光电技术应用等领域，具体分册如下：
1. 太阳电池物理与技术应用（沈辉）
2. 基于纳米材料的光伏器件（戴宁）
3. 铜基化合物半导体薄膜太阳电池（孙云）
4. 染料敏化太阳电池（林原）
5. 高效晶体硅太阳电池技术（丁建宁）
6. 柔性太阳电池材料与器件（宋伟杰）
7. 光伏电池检测技术及应用（吴建国）
8. 植物的太阳能固能机制及应用（杨春虹）
9. 光电净化水处理技术（孙卓）
10. 太阳能高温集热原理及应用（王志峰）
11. 钠电池储能技术（温兆银）
12. 储能技术概论（陈海生）
各册主编均为国内相关行业领域的知名专家，经编委会各位同仁及出版社编辑的积极努力，丛书初具雏形，后续还将补充出版相关领域的内容。希望丛书的出版，能为我国太阳能领域与储能领域的各位技术人员提供一定的借鉴。
目前，我国太阳能、储能等新型能源技术不断发展，在绿色无污染的优势前提下，希望我国太阳能等能源技术不断应用和布局，为我国的绿色、进步提供动力。

中国科学院院士
国家能源集团首席科学家
中科院上海技术物理研究所研究员
2020年10月  

目录：

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