南大余林蔚教授课题组耐弯曲柔性径向结太阳能电池新进展

机械弯折稳定性是推广高性能、柔性、便携式可穿戴光电/电子器件的重要性能指标。相较于传统平面沉积的器件结构，在低温气-液-固 (Vapor-liquid-solid, VLS) 生长的硅纳米线阵列上构建三维非晶硅 (a-Si:H) 径向结 (Radial junction, RJ) 架构有助于大幅度提升器件的耐弯曲力学特性，其中纳米线结构通过<350 °C低温技术可以直接生长在诸多便宜的柔性金属箔衬底上，如铝箔、不锈钢箔等。不锈钢箔衬底已在工业成熟的卷对卷 (Roll-to-Roll) 工艺上得到验证，可用于大批量、大面积制备光伏器件，但将其用于制备耐弯曲超柔性的三维径向结器件还鲜有探索。南京大学余林蔚教授课题组探索使用与现有工艺兼容的柔性不锈钢 (Stainless steel, SS) 箔作为柔性衬底，并通过沉积氧化锌 (ZnO) 层优化硅纳米线 (Silicon nanowire, SiNW) 密度，实现了6.01%的转换效率。如图1所示为器件制备流程示意图和相应的SEM照片。

图1. 在不锈钢衬底上制备径向p-i-n结太阳能电池流程图及器件结构示意图

直接生长在柔性衬底表面的硅纳米线阵列可以对后续沉积的薄膜起到支撑作用，使其远离应力集中的柔性衬底表面，避免了薄膜在衬底形变时发生破裂，甚至剥离。随机分布、取向的三维径向结可以限制弯曲应力所产生的裂纹仅在径向结与径向结之间的平面区域扩散，或穿过径向结单元灌木丛，或从径向结单元侧边通过，或被径向结单元所阻。同时，站立着的径向结单元具有抑制裂纹无限制扩展的功能，尤其是在本工作中，随着ZnO层的沉积，纳米线具有更高密度且更多的“短桩结构 (Short stump structures)”像“灌木丛”一样阻止长而连续的大裂纹形成，将裂纹分散成局部的、细小的状态，使柔性薄膜器件具有优异的耐弯曲力学特性。在经历过弯曲4000次（弯曲半径仅为2.5 mm）的凸弯曲后，在沉积ZnO层的不锈钢衬底上制备的径向结光电器件仍能保持93%的初始性能，如图2所示。该工作突出与工业成熟PECVD技术兼容的潜力，建立耐弯曲的高性能柔性光伏技术，以满足蓬勃发展的对轻便可穿戴器件的市场需求。

图2. 径向结太阳能电池耐弯曲力学特性测试示意图

此工作近期发表于《纳米能源》，Nano Energy (2024) 109262，DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109262。南京大学电子科学与工程学院博士生王姝怡同学为论文的第一作者，南京大学电子学院余林蔚教授、扬州大学物理学院张少波博士为论文共同通讯作者。相关工作得到了南京大学电子学院徐骏教授、王军转教授、扬州大学物理学院刘宗光教授大力支持，以及国家自然科学基金杰出青年、重点研发项目支持，在此一并表示衷心感谢！

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109262

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