南大余林蔚教授課題組耐彎曲柔性徑向結太陽能電池新進展

機械彎折穩定性是推廣高性能、柔性、便攜式可穿戴光電/電子器件的重要性能指標。相較于傳統平面沉積的器件結構，在低溫氣-液-固?(Vapor-liquid-solid, VLS) 生長的硅納米線陣列上構建三維非晶硅 (a-Si:H) 徑向結?(Radial junction, RJ) 架構有助于大幅度提升器件的耐彎曲力學特性，其中納米線結構通過<350 °C低溫技術可以直接生長在諸多便宜的柔性金屬箔襯底上，如鋁箔、不銹鋼箔等。不銹鋼箔襯底已在工業成熟的卷對卷 (Roll-to-Roll) 工藝上得到驗證，可用于大批量、大面積制備光伏器件，但將其用于制備耐彎曲超柔性的三維徑向結器件還鮮有探索。南京大學余林蔚教授課題組探索使用與現有工藝兼容的柔性不銹鋼 (Stainless steel, SS) 箔作為柔性襯底，并通過沉積氧化鋅 (ZnO) 層優化硅納米線 (Silicon nanowire, SiNW) 密度，實現了6.01%的轉換效率。如圖1所示為器件制備流程示意圖和相應的SEM照片。

圖1. 在不銹鋼襯底上制備徑向p-i-n結太陽能電池流程圖及器件結構示意圖

直接生長在柔性襯底表面的硅納米線陣列可以對后續沉積的薄膜起到支撐作用，使其遠離應力集中的柔性襯底表面，避免了薄膜在襯底形變時發生破裂，甚至剝離。隨機分布、取向的三維徑向結可以限制彎曲應力所產生的裂紋僅在徑向結與徑向結之間的平面區域擴散，或穿過徑向結單元灌木叢，或從徑向結單元側邊通過，或被徑向結單元所阻。同時，站立著的徑向結單元具有抑制裂紋無限制擴展的功能，尤其是在本工作中，隨著ZnO層的沉積，納米線具有更高密度且更多的“短樁結構 (Short stump structures)”像“灌木叢”一樣阻止長而連續的大裂紋形成，將裂紋分散成局部的、細小的狀態，使柔性薄膜器件具有優異的耐彎曲力學特性。在經歷過彎曲4000次（彎曲半徑僅為2.5 mm）的凸彎曲后，在沉積ZnO層的不銹鋼襯底上制備的徑向結光電器件仍能保持93%的初始性能，如圖2所示。該工作突出與工業成熟PECVD技術兼容的潛力，建立耐彎曲的高性能柔性光伏技術，以滿足蓬勃發展的對輕便可穿戴器件的市場需求。

圖2.?徑向結太陽能電池耐彎曲力學特性測試示意圖

此工作近期發表于《納米能源》，Nano Energy (2024) 109262，DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109262。南京大學電子科學與工程學院博士生王姝怡同學為論文的第一作者，南京大學電子學院余林蔚教授、揚州大學物理學院張少波博士為論文共同通訊作者。相關工作得到了南京大學電子學院徐駿教授、王軍轉教授、揚州大學物理學院劉宗光教授大力支持，以及國家自然科學基金杰出青年、重點研發項目支持，在此一并表示衷心感謝！

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109262

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