中科院上海微系统与信息技术研究所Nature：可折叠的柔性太阳能电池

一、导读

硅是地壳中最丰富的导电元素; 它通常被制成硅片，在目前的光伏市场，用来制造约95%的太阳能电池。然而，这些硅基电池在弯曲应力下很脆，容易开裂，限制了它们在柔性应用中的大规模使用。目前，由磷硅、Cu(In,Ga)Se₂、CdTe、有机物和钙钛矿制成的薄膜太阳能电池具有一定的灵活性，但其功率转换效率(PCE) 低、向环境中释放有毒物质、大面积情况下性能较差。本文提出了一种形态学工程方法来制造可折叠晶体硅(c-Si)，用于大规模商业减少太阳能电池的晶圆。

二、成果掠影

近日，来自中科院上海微系统与信息技术研究所的刘文柱、张丽平、孟凡英、狄增峰、刘正新研究员以及长沙理工大学的刘小春教授联合发明了一种制造大规模可折叠硅片和柔性太阳能电池的策略。一般来说，在晶圆的边缘区域，晶圆表面金字塔之间的尖利通道总是开始出现裂纹。这种技术主要通过钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅片的柔韧性。这种边缘钝化技术使大规模(>240cm²)、高效率(>24%)的硅太阳能电池能够商业化生产，制备电池可以像一张纸一样卷起来。在1000次左右弯曲循环后，电池仍能保持100%的能量转换效率。在组装成大型(10,000 cm²)柔性组件后，这些电池在- 70°C和85°C之间热循环120小时后仍能保持99.62%的功率。此外，当它们附着在软气囊上时(模拟了暴风雨期间的风)，在空气中暴露20分钟后，它们仍能保持96.03%的功率。相关成果以“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”为题发表在国际顶刊Nature上.

三、核心创新点

利用边缘选择性钝化处理抑制单晶Si基片裂纹萌生与扩展，开启柔性硅太阳能电池应用的新时代.

四、数据概览

图1 可折叠晶圆片；a, c-Si晶圆的SEM图像，在边缘区域尖锐的金字塔被酸溶液有效地去除；b，边缘区域在10 vol% HF:90 vol% HNO3溶液中钝化0、15和30 s后，140 μm c-Si晶圆的载荷-垂直位移(F-D)曲线；c，表面有金字塔的60 μm c- si晶圆；在10 vol% HF:90 vol% HNO3溶液中，它们在开裂时刻的弯曲半径Rb随钝化时间的变化而变化。© 2023 Springer Nature

图2 a,b，晶圆片断口的形貌，有尖的(a)和圆的(b)金字塔；c,d，高分辨率STEM-HAADF图像显示了从晶圆断裂面沿[001]方向观察到的数十个原子深度的原子排列，具有锋利(c)和圆形(d)金字塔，其中保护性碳层沉积在断裂面上；e,f，尖金字塔晶圆片在x方向(e)和y方向(f)的弹性点阵应变分布；g,h，圆金字塔晶圆片x方向(g)和y方向(h)的弹性点阵应变分布；白色箭头表示大扩张应变，正负值分别表示晶格扩张和晶格收缩，x方向与a、b所示断裂面平行，y方向垂直。© 2023 Springer Nature

图3太阳能电池(组件)性能；a，本SHJ太阳能电池的结构示意图；b、15.6 cm × 15.6 cm柔性SHJ太阳能电池照片；c、65-μm和55-μm SHJ太阳能电池的c、Jsc、Voc、FF和PCE。顶线、底线、框中线、圆圈和方框分别代表最大值、最小值、中位数、平均值和25-75%的分布；d、两个微型模块的归一化功率与入射角θ的函数关系:一个由140 μm SHJ电池组装的刚性模块和一个由60 μm SHJ电池组装的柔性模块。后者被连接在一个半径为5厘米的黑色圆柱体上。e、柔性c-Si太阳能电池器件面积的演变。f，标准条件下测试的双面、单面和柔性SHJ模块的质量功率比。© 2023 Springer Nature

图4 太阳能电池(组件)稳定性。a，弯曲循环中柔性SHJ太阳能电池性能的演变。在每个循环中，一条边被折叠以接触另一条边;这种弯曲保持了10多秒。b、将一个大型(10,000 cm²)柔性SHJ太阳能组件连接在软气囊上。气囊内压力为94.7-830 Pa。风扇向模块吹入空气，模拟30 m/s的强风暴，持续20分钟。c,d，模块功率(c)和持续空气撞击20min前后的电致发光图像(d)；e、5个柔性SHJ模块在−70℃-85℃热循环120h前后的相对功率。在每个循环中，模块分别在- 70°C和85°C下保持1小时。© 2023 Springer Nature

五、成果启示

简单地钝化硅片的边缘就可以很好的平衡电池的灵活性和高效率。本工作还突出了织构化晶硅片的力学性能，属于学科交叉领域的典范。

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z

本文由虚谷纳物供稿