江科大、隆基綠能聯合刊發首篇Nature：比紙還薄的高效率晶硅太陽能電池

第一作者：李陽、汝小寧、楊苗、鄭雨荷?
通訊作者：陳代芬、許俊華、晏超、李振國、徐希翔、邵宗平

通訊單位：江蘇科技大學、隆基綠能科技股份有限公司、科廷大學（澳大利亞）

論文DOI：10.1038/s41586-023-06948-y

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北京時間2024年2月1日，江蘇科技大學李陽教授團隊與隆基中央研究院徐希翔博士團隊合作在Nature期刊上發表了題為“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”的最新研究成果。該工作打破了人們對晶硅太陽能電池厚重、易碎的傳統印象，通過詳細的機理研究與技術革新，首次報道了具有高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質結太陽能電池。本工作證實了晶硅太陽能電池向“超薄、柔性”太陽能電池發展的可行性，大大拓展了晶硅電池的應用范圍，并可能在不久的將來使其變得更輕、更薄、更高效。

【背景介紹】

晶硅（c-Si）太陽能電池一直是綠色、可再生能源的支柱，占全球發電量的3.6%，成為全球大部分地區最具成本效益的新發電選擇。雖然c-Si太陽能電池目前占據光伏市場的95%以上，但也存在一些行業痛點。首先，硅片厚度通常為150-180?μm，在某些重量限制與柔韌性要求高的應用場景中，如衛星、航天器和無人機等，是不適用的，需要進一步減輕太陽能電池的重量并增強其柔韌性。因此，將c-Si晶片的厚度減小到比典型的c-Si太陽能電池薄得多，將“薄膜太陽能電池”的優勢融入到c-Si太陽能電池中，是目前的研究熱點。然而，幾十年來，所有研究的薄型c-Si太陽能電池（55-130 μm）的功率轉換效率（PCE）一直停留在23.27-24.70%的范圍內。

最近，前后接觸式硅異質結（SHJ）太陽能電池由于其在雙面發電、低成本和可大規模生產方面的優勢，已成為下一代光伏器件的有力競爭者。為了在可彎曲厚度（<130μm）的前提下進一步提高前后接觸式SHJ太陽能電池的性能，仔細研究和優化每個工藝步驟（鈍化、摻雜接觸層生長、導電層沉積、柵線印刷），以及有效銜接各步驟，同時避免對界面造成不必要的損壞是必不可少的。

圖1. 超薄、柔性SHJ太陽能電池的結構與制造工藝示意圖

【研究出發點】
本工作可以生產出厚度為55-130?μm，功率轉換效率（PCE）高于26%的c-Si太陽能電池，并且具有高柔韌性的特點。因此，必須將柔性作為一個重要因素。我們將c-Si太陽能電池根據最小彎曲曲率半徑（r_b）分類：非柔性電池（r_b?>?63 mm），厚度大于150 μm；半柔性（SF）電池（38?mm?<?r_b?<?63?mm），厚度在100-150?μm之間；柔性超薄（FT）電池（r_b?<?38 mm），厚度小于100?μm（比A4紙還薄）。因此，本文展示了c-Si太陽能電池成為一類具有顯著柔性和可塑性的薄膜太陽能電池的潛力（圖1a），這些電池可以經歷各種變形，如彎曲和卷曲。相比之下，傳統的c-Si太陽能電池（≥ 150μm）在相對較小的應力下會立即碎裂。

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圖2.?鈍化和納米晶接觸層生長

解決FT和SF電池效率瓶頸的第一步是實現良好的鈍化接觸。對于SHJ太陽能電池，鈍化通常使用本征氫化非晶硅（i:a-Si:H）或富氫i:a-Si:H鈍化層，但c-Si表面的外延枝晶生長無法避免。雖然氧摻雜被認為有利于抑制外延生長，但它會引起鈍化層的電學性能下降。本工作采用了兩步復合梯度鈍化技術來解決這一矛盾（圖1b）。在第一階段，含氧非晶硅亞納米層通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）沉積。超薄含氧鈍化層阻止了c-Si晶體排列的周期性繼續向外延伸，同時最大限度地減少了氧摻雜對后續鈍化層電學性能的影響。在第二階段，在i:a-SiO_x:H (1)上繼續沉積厚度為4.5 nm的無外延i:a-Si:H (2)鈍化層，以加強鈍化效應并隔離隨后的摻雜接觸。與傳統的富氫i:a-Si:H/a-Si:H相比，i:a-SiO_x:H(1)/a-Si:H(2)復合鈍化層使PCE提高了0.34%（圖2a）。

圖3. 電池統計參數和認證報告

后續，研究者還創造性地使用了低損傷連續等離子體化學氣相沉積來防止鈍化層損傷.為了使光生電子/空穴得到有效的分離，開發了納米晶孿化與垂直生長技術，使摻雜接觸層中的納米晶垂直生長（與載流子遷移方向一致），最大程度降低遷移電阻。以及無接觸激光轉印來沉積低遮光面積的柵線。最終，制備了不同厚度(55~130 μm)的高性能SHJ電池，效率分別為26.06% (57 μm)、26.19% (74μm)、26.50% (84 μm)、26.56% (106 μm)和26.81% (125 μm)。晶圓減薄不僅降低了重量和成本，而且有利于電荷遷移和分離。結果表明，與厚電池相比，57 μm柔性超薄太陽能電池具有最高的功重比(1.9 W g^?1)和開路電壓(761 mV)。所有太陽能電池的測試面積為274.4 cm²，電池組件在電位誘導衰退和光致衰退測試中均表現出了充分的可靠性。這一技術進步為柔性、輕量化、低成本和高效率的太陽能電池的商業化提供了基礎，可彎曲或卷曲的晶硅光伏組件有望成為現實。

圖4. 量子效率，損耗分析和穩定性測試

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【總結與展望】

過去，提到“薄膜太陽能電池”的概念，人們通常想到的是非晶硅或者有機太陽能電池。然而，當我們把晶體硅太陽能電池做的比A4紙（~100 μm）更薄，并且轉換效率>26%，晶硅太陽能電池已逐步進入了薄膜太陽能電池領域，并有極大潛力變得更輕、更薄、更高效。這項工作彌補了晶硅電池的一個短板，可以想象，在未來，晶硅太陽能電池也可以像薄膜電池一樣卷起來，放在人們的背包或汽車后備箱里。

本工作特別致謝江蘇省人民政府“科技鎮長團”項目。自2021年起，中共江蘇省委組織部選派江蘇科技大學李陽教授進入“晶硅光伏”產業鏈，推動“強鏈、補鏈、固鏈、延鏈”取得實質性進展。

【課題組介紹】

本文第一作者：李陽，博士，教授，現任江蘇科技大學科學技術研究院副院長。分別于廈門大學化學化工學院獲學士學位（2010年），天津大學化工學院獲博士學位（2015年），期間受國家留學基金委公派前往瑞士聯邦洛桑理工學院（EPFL）進行博士研究生的聯合培養。入選江蘇省“333高層次人才培養工程”、鎮江市“青年科技人才托舉工程”、榮獲全省高校、科研院所節約創效“金點子”、江蘇省科技鎮長團榮譽團員，鎮江市科技創新先進個人、優秀論文專著等榮譽與稱號。目前，已經在Nature, npj Flexible Electronics, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Communications等雜志發表論文20余篇。兼職擔任西安交通大學泓芽生命生態研究院首席科學家，《稀有金屬》期刊青年編委。課題組主要從事主要從事能源化學、光伏技術、“雙碳”領域研究，具有充足的科研經費、實驗室空間和全新的實驗設備，歡迎報考碩士、博士，申請聯培研究生、科研助理和博士后。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06948-y