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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
柔性太陽能電池具有重量輕、防震和自供電等優點，在建筑光伏集成和可穿戴電子產品方面具有很大的市場潛力。硅是地殼中最豐富的半導體元素；它被制成晶圓，用于制造當前光伏市場中大約95%的太陽能電池，硅太陽能電池已成功應用于大型發電廠。
然而，柔性硅太陽能電池的開發仍存在以下問題：
1、柔性硅太陽能電池的剛性限制了其柔性應用
盡管經過50多年的努力，柔性硅太陽能電池在彎曲應力下易碎和破裂，這限制了它們在柔性應用中的大規模使用。
2、薄膜太陽能電池存在多種限制
由非晶硅、Cu(In, Ga)Se2、CdTe、有機物和鈣鈦礦等材料制成的薄膜太陽能電池表現出的柔性，但存在光電轉換效率較低、釋放有毒材料、在大面積和不穩定的操作條件下性能較差等問題。
有鑒于此，中國科學院上海微系統與信息技術研究所劉文柱、劉正新、狄增峰、孟凡英、張麗平以及長沙理工大學劉小春等人合作提供了一種制造大規模、可折疊硅片和制造柔性太陽能電池的策略。有紋理的晶體硅片總是在硅片邊緣區域表面金字塔之間的尖銳通道處開始開裂。這一事實使得作者可以通過鈍化邊緣區域的金字塔結構來提高硅片的柔性。這種刻邊技術可以實現大規模(> 240?cm2)、高效率(> 24 %)硅太陽能電池的商業化生產，這種電池可以像紙張一樣卷曲。電池在1000次側彎循環后仍保持100 %的功率轉換效率。組裝成大型(>10000?cm2)柔性模塊后，這些電池在-70?°C和85?°C之間熱循環120?h后仍保留99.62%的功率。此外，當連接到一個軟氣囊模擬強烈風暴時的風吹時，在20?min暴露于空氣流動后，保留了96.03 %的功率。
技術方案：
1、制造了可折疊晶硅晶圓
作者探究了晶圓的開裂特性，考慮通過鈍化邊緣區域的尖銳通道以提高硅晶圓的柔韌性，表明鈍化后晶片臨界彎曲半徑大大減小，接近理論極限。
2、分析了c-Si晶圓彈性機制
作者通過SEM和球差校正 TEM分析了晶圓的開裂過程以及晶格應變，表明鈍化處理極大地減輕了c-Si晶片的固有脆性。
3、表征了太陽能電池（模塊）性能
作者將可折疊的c-Si晶圓制成太陽能電池并表征了電池和器件的光伏性能，表明本研究開發的靈活技術在太陽能電池（模塊）層面將能源平準化成本降低了。
4、探究了電池（模塊）在極端條件下的運行穩定性
作者通過長時間循環、模擬連續空氣沖擊以及大溫差環境下循環等多種測試，表明構建的電池模塊具有優異的穩定性。
技術優勢：
1、提出了形貌工程方法來制備可折疊的晶體硅晶片
在本研究中，作者提出了一種形貌工程方法來制備可折疊的晶體硅(c-Si)晶片，實現了大規模商業化生產效率顯著的太陽能電池。
2、開發了大規模、高效率、超穩定的硅太陽能電池
作者制備了>240 cm2、效率>24%)的柔性硅太陽能電池，這些電池在1000次左右彎曲循環后仍保持 100% 的功率轉換效率。
3、實現了惡劣環境下電池的穩定運行
作者設計組裝了大型柔性模塊，在低溫和高溫條件下循環120?h后仍保留99.62%的功率。模擬強烈風暴時的風吹20min后，電池仍能保留96.03 %的功率。
可折疊晶硅晶圓的制造
首要目標是制造具有強大光捕獲能力的可折疊晶硅晶圓。減小晶圓的厚度可以提高其柔韌性，但需要在厚度和光捕獲效率之間進行權衡。通過使用鋸損去除，將160 μm 晶圓的厚度減少到60μm。器件的光學模擬證實了鈍化晶片顯示出較差的抗反射和光捕獲。使用超高速攝像機探究晶圓的破裂過程，表明裂紋始于晶圓邊緣。基于晶圓的開裂特性，作者考慮鈍化邊緣區域的尖銳通道以提高硅晶圓的柔韌性。結果表明，鈍化后的60 μm紋理晶片臨界彎曲半徑(Rb)在開裂時刻，從15.2 ± 2 mm大大減少到大約 4.0mm，接近 0.72mm 的理論極限。
圖 折疊晶圓
彈性機制
為了解析c-Si晶圓的柔韌性，通過施加彎曲力來弄斷兩個晶圓以找出斷裂表面的形態。鈍化晶圓具有多個解理位點和高密度微裂紋的斷口，表明在開裂過程中復雜應力狀態的發展。使用球差校正 TEM分析了斷裂表面下方的晶格應變，結果表明鈍化晶片在開裂過程中經歷了更大的彈性和塑性應變。顯然，可以通過調整表面金字塔之間通道的銳度來控制c-Si 晶片的斷裂行為，從而改變彎曲載荷下的應力狀態和變形機制。因此，在這項研究中，鈍化處理極大地減輕了c-Si晶片的固有脆性，從而導致斷裂機制從固有脆性解理斷裂轉變為具有臺階和裂紋的剪切帶。
圖 斷裂面的GPA
太陽能電池（模塊）表征
接下來，將可折疊的c-Si晶圓制成太陽能電池。作者展示了制造的SHJ太陽能電池的結構并表征了65-μm和55-μm器件的光伏性能。對于 65-μm 設備，短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）和PCE分別為37.65± 0.09 mA cm?2、0.752 ± 0.002V、82.40 ± 0.99%和23.31 ± 0.33%。55 μm 器件的相應Jsc、Voc、FF 和 PCE值分別為 37.59 ± 0.11 mA cm?2、0.753 ± 0.001 V、82.51 ± 0.39% 和 23.35 ± 0.13%，獲得了 244.3 cm2晶圓的認證 PCE 為 24.50%。此外， 作者還組裝了兩個微型模塊以比較它們的性能，表明本研究開發的靈活技術在太陽能電池（模塊）層面將能源平準化成本降低了約39%(23%)。
圖 太陽能電池（組件）性能
運行穩定
最后，作者研究了電池（模塊）在極端條件下的運行穩定性。該裝置表現出約8mm 的小 Rb。柔性電池的Jsc、Voc、FF和PCE在1000 次左右彎曲循環后保持其初始值的 100%。將電池組裝成一個10009.94 cm2的柔性模塊，并將該模塊連接到充氣氣囊上。然后，使用強大的風扇來模擬在暴風雨期間以30 m s?1的速度吹的風的影響。在連續空氣沖擊20min后，相對功率損失僅為3.07%，這表明柔性模塊可以在振動條件下穩健運行。將柔性模塊在?70°C下循環1小時和85°C下循環1小時，在連續溫度循環120 h后，平均相對功率損耗僅為 0.32%，這表明這些模塊可以在寒冷的近太空條件下或在南極或北極安全運行，以及在炎熱的夏天在沙漠中。
圖 太陽能電池（組件）穩定性
總之，作者通過晶圓鈍化開發了一種制造大規模、可折疊硅片和制造柔性太陽能電池的策略，實現了大規模(> 240?cm2)、高效率(> 24 %)、高穩定性硅太陽能電池的商業化生產。盡管如此，所開發的電池仍不足以保證在壓力源可能同時發生的現實生活操作條件下的一致穩定性。因此，在大規模生產之前需要進行更多的原位測試。
參考文獻：
Liu, W., Liu, Y., Yang, Z. et al. Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges. Nature 617, 717–723 (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-05921-z
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z
