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柔性太陽(yáng)能電池，具有重量輕、防震和自供電的特點(diǎn)，在集成到建筑和可穿戴電子產(chǎn)品中的光伏應(yīng)用方面具有很大的市場(chǎng)潛力。硅太陽(yáng)能電池已成功地應(yīng)用于大型發(fā)電廠。

然而，盡管經(jīng)過(guò)了50多年的努力，由于柔性硅太陽(yáng)能電池的剛性，其發(fā)展一直沒有顯著的進(jìn)展。

在此，來(lái)自長(zhǎng)沙理工大學(xué)的劉小春和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的Wenzhu Liu &張麗萍&孟凡英&狄增峰&劉正新等研究者提供了一種制造大規(guī)?？烧郫B硅片和柔性太陽(yáng)能電池的策略。

相關(guān)論文以題為“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”于2023年05月24日發(fā)表在Nature上。

今日Nature：像紙一樣折疊！50年歷史的柔性太陽(yáng)能電池?zé)òl(fā)新生！

硅是地殼中最豐富的半導(dǎo)體元素；它被制成硅片，用于制造目前光伏市場(chǎng)上約95%的太陽(yáng)能電池。然而，這些電池在彎曲應(yīng)力下很脆，容易開裂，這限制了它們?cè)谌嵝詰?yīng)用中的大規(guī)模使用。

目前，由非晶硅，Cu(In,Ga)Se₂, CdTe，有機(jī)物和鈣鈦礦制成的薄膜太陽(yáng)能電池具有靈活性，但由于其低功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)，向環(huán)境中釋放有毒物質(zhì)，大面積情況下性能較差以及工作條件不穩(wěn)定，其使用受到限制。

因此，許多可用的柔性太陽(yáng)能電池沒有吸引到客戶，大多數(shù)制造它們的公司已經(jīng)倒閉。在這項(xiàng)研究中，研究者提出了一種形態(tài)工程方法來(lái)制造可折疊晶體硅(c-Si)晶圓，用于大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，效率顯著。

研究者的第一個(gè)目標(biāo)是制造具有強(qiáng)光捕獲能力的可折疊c-Si晶圓。減少晶圓的厚度可以提高其靈活性，但由于c-Si是一種具有間接光學(xué)帶隙的半導(dǎo)體，因此在厚度和光捕獲效率之間存在權(quán)衡。

通過(guò)鋸損傷去除，研究者將160 μm的晶圓厚度減小到60 μm。雖然晶圓開始表現(xiàn)出類似于一張紙的柔韌性，但由于超過(guò)30%的入射陽(yáng)光被其光滑的表面反射，它不適合用于太陽(yáng)能電池的制造。在c-Si表面化學(xué)構(gòu)造微尺度金字塔作為一種有效的策略，被廣泛應(yīng)用于將反射率降低到10%以下，這是由于朗伯氏光捕獲。

然而，當(dāng)對(duì)這種紋理晶圓施加彎曲力時(shí)，最大應(yīng)力位于金字塔之間的尖銳通道中，這在COMSOL Multiphysics中的固體力學(xué)模塊的模擬中觀察到。

這一結(jié)果與利用透射電子顯微鏡(TEM)獲得的原位圖像一致，在該圖像中，在典型的微機(jī)械臂施加的彎曲載荷下，金字塔之間的通道中積累了彎曲應(yīng)力。

進(jìn)一步的模擬表明，當(dāng)通道半徑(R_p)從0 μm增加到2.3μm時(shí)，最大應(yīng)力從0.25 MPa迅速降低到0.016 MPa。但是這種鈍化處理使反射率增加到30%以上，這不利于光的收集。器件的光學(xué)模擬證實(shí)了這一點(diǎn)，其中鈍化的晶片表現(xiàn)出較差的抗反射和光捕獲。

在這里，研究者提供了一種制造大規(guī)?？烧郫B硅片和柔性太陽(yáng)能電池的策略。在晶圓的邊緣區(qū)域，晶圓表面金字塔之間的尖利通道總是開始出現(xiàn)裂紋。這一事實(shí)使得研究者能夠通過(guò)鈍化邊緣區(qū)域的金字塔結(jié)構(gòu)來(lái)提高硅片的柔韌性。

這種邊緣鈍化技術(shù)使大規(guī)模(>240?cm²)、高效率(>24%)的硅太陽(yáng)能電池能夠商業(yè)化生產(chǎn)，這種電池可以像一張紙一樣卷起來(lái)。這種電池在1000次左右彎曲循環(huán)后，仍能保持100%的能量轉(zhuǎn)換效率。

在組裝成大型(>10,000 cm²)柔性組件后，這些電池在- 70°C至85°C之間熱循環(huán)120小時(shí)后，仍能保持99.62%的功率。此外，當(dāng)它們附著在軟氣囊上時(shí)，在空氣流動(dòng)中暴露20分鐘后，它們?nèi)阅鼙３?6.03%的功率，軟氣囊模擬了暴風(fēng)雨期間的風(fēng)。

圖1. 可折疊的晶片

圖2. 斷裂面GPA

圖3. 太陽(yáng)能電池(組件)性能

圖4. 太陽(yáng)能電池(組件)穩(wěn)定性

總之，研究者證明了材料的機(jī)械性能，并不完全取決于它在原子水平上的晶格結(jié)構(gòu)；中尺度的對(duì)稱性也起著重要的作用。目前，研究者的生產(chǎn)線每天可以生產(chǎn)6萬(wàn)多個(gè)柔性SHJ電池，碎片率低于2%。

這為高性能柔性c-Si太陽(yáng)能電池的商業(yè)化生產(chǎn)，提供了一種廉價(jià)的策略。這可能會(huì)在不久的將來(lái)導(dǎo)致柔性電池市場(chǎng)的顯著增長(zhǎng)。此外，這里展示的概念適用于太陽(yáng)能電池制造，但不限于此；對(duì)其他柔性電子產(chǎn)品感興趣的研究人員也應(yīng)該對(duì)此感興趣。

文獻(xiàn)信息

Liu, W., Liu, Y., Yang, Z.?et al.?Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges.?Nature?617, 717–723 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z#citeas

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