中科院上海微系統與信息技術研究所Nature：可折疊的柔性太陽能電池

一、導讀

硅是地殼中最豐富的導電元素; 它通常被制成硅片，在目前的光伏市場，用來制造約95%的太陽能電池。然而，這些硅基電池在彎曲應力下很脆，容易開裂，限制了它們在柔性應用中的大規模使用。目前，由磷硅、Cu(In,Ga)Se₂、CdTe、有機物和鈣鈦礦制成的薄膜太陽能電池具有一定的靈活性，但其功率轉換效率(PCE) 低、向環境中釋放有毒物質、大面積情況下性能較差。本文提出了一種形態學工程方法來制造可折疊晶體硅(c-Si)，用于大規模商業減少太陽能電池的晶圓。

二、成果掠影

近日，來自中科院上海微系統與信息技術研究所的劉文柱、張麗平、孟凡英、狄增峰、劉正新研究員以及長沙理工大學的劉小春教授聯合發明了一種制造大規模可折疊硅片和柔性太陽能電池的策略。一般來說，在晶圓的邊緣區域，晶圓表面金字塔之間的尖利通道總是開始出現裂紋。這種技術主要通過鈍化邊緣區域的金字塔結構來提高硅片的柔韌性。這種邊緣鈍化技術使大規模(>240cm²)、高效率(>24%)的硅太陽能電池能夠商業化生產，制備電池可以像一張紙一樣卷起來。在1000次左右彎曲循環后，電池仍能保持100%的能量轉換效率。在組裝成大型(10,000 cm²)柔性組件后，這些電池在- 70°C和85°C之間熱循環120小時后仍能保持99.62%的功率。此外，當它們附著在軟氣囊上時(模擬了暴風雨期間的風)，在空氣中暴露20分鐘后，它們仍能保持96.03%的功率。相關成果以“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”為題發表在國際頂刊Nature上.

三、核心創新點

利用邊緣選擇性鈍化處理抑制單晶Si基片裂紋萌生與擴展，開啟柔性硅太陽能電池應用的新時代.

四、數據概覽

圖1 可折疊晶圓片；a, c-Si晶圓的SEM圖像，在邊緣區域尖銳的金字塔被酸溶液有效地去除；b，邊緣區域在10 vol% HF:90 vol% HNO3溶液中鈍化0、15和30 s后，140 μm c-Si晶圓的載荷-垂直位移(F-D)曲線；c，表面有金字塔的60 μm c- si晶圓；在10 vol% HF:90 vol% HNO3溶液中，它們在開裂時刻的彎曲半徑Rb隨鈍化時間的變化而變化。? 2023 Springer Nature

圖2 a,b，晶圓片斷口的形貌，有尖的(a)和圓的(b)金字塔；c,d，高分辨率STEM-HAADF圖像顯示了從晶圓斷裂面沿[001]方向觀察到的數十個原子深度的原子排列，具有鋒利(c)和圓形(d)金字塔，其中保護性碳層沉積在斷裂面上；e,f，尖金字塔晶圓片在x方向(e)和y方向(f)的彈性點陣應變分布；g,h，圓金字塔晶圓片x方向(g)和y方向(h)的彈性點陣應變分布；白色箭頭表示大擴張應變，正負值分別表示晶格擴張和晶格收縮，x方向與a、b所示斷裂面平行，y方向垂直。? 2023 Springer Nature

圖3太陽能電池(組件)性能；a，本SHJ太陽能電池的結構示意圖；b、15.6 cm × 15.6 cm柔性SHJ太陽能電池照片；c、65-μm和55-μm SHJ太陽能電池的c、Jsc、Voc、FF和PCE。頂線、底線、框中線、圓圈和方框分別代表最大值、最小值、中位數、平均值和25-75%的分布；d、兩個微型模塊的歸一化功率與入射角θ的函數關系:一個由140 μm SHJ電池組裝的剛性模塊和一個由60 μm SHJ電池組裝的柔性模塊。后者被連接在一個半徑為5厘米的黑色圓柱體上。e、柔性c-Si太陽能電池器件面積的演變。f，標準條件下測試的雙面、單面和柔性SHJ模塊的質量功率比。? 2023 Springer Nature

圖4 太陽能電池(組件)穩定性。a，彎曲循環中柔性SHJ太陽能電池性能的演變。在每個循環中，一條邊被折疊以接觸另一條邊;這種彎曲保持了10多秒。b、將一個大型(10,000 cm²)柔性SHJ太陽能組件連接在軟氣囊上。氣囊內壓力為94.7-830 Pa。風扇向模塊吹入空氣，模擬30 m/s的強風暴，持續20分鐘。c,d，模塊功率(c)和持續空氣撞擊20min前后的電致發光圖像(d)；e、5個柔性SHJ模塊在?70℃-85℃熱循環120h前后的相對功率。在每個循環中，模塊分別在- 70°C和85°C下保持1小時。? 2023 Springer Nature

五、成果啟示

簡單地鈍化硅片的邊緣就可以很好的平衡電池的靈活性和高效率。本工作還突出了織構化晶硅片的力學性能，屬于學科交叉領域的典范。

論文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z

本文由虛谷納物供稿