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研究背景
隨著全球對清潔能源和可再生能源的需求不斷增長，太陽能作為一種廣泛可利用的能源資源備受關注。晶體硅（c-Si）太陽能電池是綠色和可再生能源的支柱，但其傳統(tǒng)厚度較大，對于一些極端應用場景（如衛(wèi)星、航天器和無人機等）的使用并不可行，需要進一步減輕太陽能電池的重量和增加柔性。因此，引入薄膜太陽能電池已成為研究熱點，也就是將c-Si晶片的厚度減小，以獲得更輕、更柔性的太陽能電池。然而，傳統(tǒng)的薄型c-Si太陽能電池的功率轉換效率（PCE）一直受到限制，且存在著制備成本高、工藝復雜、生產(chǎn)難度大等問題。為解決這些問題，科學家們開始探索新的制備方法和工藝優(yōu)化，以提高薄膜c-Si太陽能電池的性能和效率。其中，前后接觸硅異質結（SHJ）太陽能電池因其在雙面發(fā)電、低成本和可伸縮生產(chǎn)方面的優(yōu)勢，成為了備受關注的研究對象。鑒于此。近日，江蘇科技大學陳代芬教授，許俊華教授，隆基綠能科技股份有限公司李振國，徐希翔和澳大利亞科廷大學邵宗平教授等科學家們意識到，如果要想生產(chǎn)出厚度更薄、性能更優(yōu)的SHJ太陽能電池，需要仔細研究和優(yōu)化每個制備步驟，包括鈍化、摻雜接觸層生長、金屬氧化物導電層沉積和網(wǎng)格線打印等，并有效地連接這些步驟，同時避免界面損傷。相關成果為“Flexible silicon solar cells with high power-to-weight ratios”為題在Nature發(fā)表。其研究旨在提出一種綜合方法，通過優(yōu)化工藝步驟和材料選擇，提高硅異質結太陽能電池的功率轉換效率，并使其更具有柔性。通過采用低損傷連續(xù)等離子體化學氣相沉積、自恢復納米晶形核和垂直生長、無接觸激光轉移打印等技術手段，制備了不同厚度的高性能電池，從而解決了薄膜c-Si太陽能電池面臨的諸多挑戰(zhàn)。
研究內容
為了研究高效、柔性、薄的SHJ太陽能電池，研究者在圖1 a部分展示了FT和SF SHJ太陽能電池的結構示意圖和照片（166×166 mm）。b部分則呈現(xiàn)了連續(xù)等離子體CVD復合梯度鈍化、納米晶形核和垂直生長誘導步驟的結構示意圖。在連續(xù)等離子體CVD過程中，RF等離子體保持穩(wěn)定，通過實時監(jiān)測和快速響應調節(jié)而無需重新啟動，以保護外延防止的i:a-SiOx:H（1）亞納米層。在復合梯度鈍化過程中，通過連續(xù)等離子體CVD過程創(chuàng)建了具有逐漸過渡界面的低損傷i:a-SiOx:H（1）/a-Si:H（2）復合鈍化層。這項研究成功制備了厚度為55-130μm的c-Si太陽能電池，其PCE達到了26%。為了將柔性作為一個重要因素，研究者將c-Si太陽能電池根據(jù)最小彎曲曲率半徑分為非柔性電池、半柔性電池和柔性薄電池。圖1a表明這些電池具有顯著的柔性和可塑性，可以經(jīng)受各種形變，如彎曲和卷曲。相比之下，傳統(tǒng)的c-Si太陽能電池（≥150μm）會產(chǎn)生相對較小的失真。這項研究結果表明，c-Si太陽能電池有望成為一類具有高效、柔性和薄的薄膜太陽能電池，為太陽能電池的應用提供了新的可能性。 為了解決FT和SF電池效率瓶頸，研究者進行了圖2的實驗。圖中a展示了i:a-SiOx:H (1)/a-Si:H (2)對電池性能的增益效應。圖b和c分別展示了在不連續(xù)等離子體和連續(xù)等離子體CVD過程后的i:a-SiOx:H (1)的原子力顯微鏡圖像（頂部）和相應的表面輪廓（底部）。圖d顯示了在連續(xù)等離子體CVD過程中有效載流子壽命（τeff）隨復合鈍化層中氫含量的變化。圖e展示了通過連續(xù)等離子體CVD鈍化方法增強的τeff。圖f至i展示了通過連續(xù)等離子體CVD鈍化方法改進的電池性能。圖j展示了傳統(tǒng)納米晶形核的示意圖。圖k展示了自恢復納米晶形核和垂直生長誘導過程的示意圖。圖2m展示了自恢復納米晶形核前后鈍化層表面的HRTEM圖像。圖2n展示了n+：nc-SiOx:H窗層的帶隙和導電性隨結晶度分數(shù)的變化。圖o展示了p+：nc-Si:H背面發(fā)射體的帶隙和導電性隨結晶度分數(shù)的變化。圖p和q展示了具有不同結晶度的n+：nc-SiOx:H窗層和p+：nc-Si:H背面發(fā)射體的PCE和結晶度分數(shù)之間的關系。圖r展示了具有不同厚度的n+：nc-SiOx:H窗層的VOC曲線。圖s展示了具有不同厚度的VOC曲線。圖中的虛線是擬合線，用于評估數(shù)據(jù)的趨勢。這些實驗結果表明，通過采用復合梯度鈍化和自恢復納米晶形核等方法，可以顯著提高太陽能電池的性能，特別是在提高有效載流子壽命和改善表面和背面發(fā)射體的結晶度方面取得了顯著進展。這對于解決太陽能電池效率瓶頸，進一步提高太陽能電池的性能和可靠性具有重要意義。 
為了評估不同厚度的太陽能電池的性能，圖中3a展示了100個具有不同厚度的電池的統(tǒng)計參數(shù)。圖b至f展示了FT和SF SHJ太陽能電池在厚度分別為57 μm至125 μm時的認證的電流-電壓（I-V）和功率-電壓（P-V）曲線。在這些曲線中，mpp表示最大功率點。圖g展示了FT和SF SHJ太陽能電池的功率重量比（PWR）數(shù)據(jù)和柔性。虛線是擬合線，用于評估數(shù)據(jù)的趨勢。通過對不同厚度的太陽能電池進行認證和參數(shù)統(tǒng)計分析，研究者展示了這些電池在各項性能指標上的優(yōu)越表現(xiàn)。具體而言，57 μm厚度的薄型柔性太陽能電池表現(xiàn)出最高的功重比和開路電壓，這意味著其在單位質量下產(chǎn)生的功率更高，且具有更高的電壓輸出。所有太陽能電池的面積相同，且在電位退化和光退化老化測試中表現(xiàn)出可靠性，這表明它們具有穩(wěn)定的性能。這些結果為柔性、輕量化、低成本和高效率的太陽能電池的商業(yè)化提供了實際基礎，并且顯示出這些太陽能電池具有彎曲或卷起的潛力，可以用于旅行等應用場景。 圖3. 參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和認證報告。最后，為了全面評估太陽能電池的性能和穩(wěn)定性，研究者進行相關測試分析。具體來說，圖中a總結了FT和SF SHJ太陽能電池相對于實際極限（29.1%）的損失元素。圖b展示了FT（57和84 μm）和SF（125 μm）太陽能電池的外部量子效率（EQE）。圖c展示了FT和SF太陽能電池的近紅外（NIR）和藍光光學損失。圖d展示了FT和SF太陽能電池的遮蔽（SD）和基底集電（BC）損失。圖e展示了FT和SF太陽能電池的防反射涂層（ARC）和前表面逃逸（FSE）損失。圖中f和g展示了經(jīng)過認證的PID老化測試和光誘導降解老化測試。經(jīng)過96小時的PID老化試驗，F(xiàn)T和SF電池的功率衰減約為0.6%，遠低于5%的閾值。在210 kWh m?2的累計光照后，F(xiàn)T和SF電池的實際功率衰減仍然低于0.4%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)SHJ電池。這表明FT和SF電池具有出色的環(huán)境適應性和持久性。此外，研究者觀察到一個有趣的現(xiàn)象：在光誘導降解后，由于VOC和FF的反彈，PCE有一定程度的恢復穩(wěn)定。由于光致退化的潛在因果機制復雜，需要進一步深入研究。然而，根據(jù)當前的研究，強化鈍化層和降低整體非晶是減輕光致退化影響的有效方法。另一個優(yōu)勢是FT和SF電池的原材料成本較低。根據(jù)最近的SHJ太陽能電池成本模型，每減小10μm的細化，F(xiàn)T和SF電池可減少約7%的硅使用量，節(jié)省制造成本約3%。這意味著FT和SF電池不僅在性能上表現(xiàn)優(yōu)異，而且在成本效益上也具有潛在優(yōu)勢，這為其商業(yè)化提供了實際基礎。 圖4. 量子效率、損耗元素和穩(wěn)定性測試分析。
總結展望
本文提出了一種創(chuàng)新的方法，將傳統(tǒng)的c-Si太陽能電池轉變?yōu)榫哂酗@著柔性和輕量化特性的薄膜太陽能電池。通過降低硅片厚度并利用復合梯度鈍化技術和自修復納米晶形核等先進工藝，研究者成功地提高了電池的功率轉換效率，同時保持了其柔韌性。這不僅拓展了太陽能電池在極端應用場景下的應用可能性，如衛(wèi)星、航天器和無人機等，還為光伏商業(yè)化提供了實際基礎。此外，本文還突破性地提出了復合梯度鈍化技術，解決了外延生長和氧摻雜對鈍化觸點電學性能的矛盾，為硅異質結太陽能電池的穩(wěn)定性和效率提升提供了新的思路和技術支持。綜合而言，本研究的創(chuàng)新性成果為電池領域的進一步發(fā)展和實際應用提供了重要的科學啟示，有望推動太陽能電池技術的進一步突破和應用推廣。Li, Y., Ru, X., Yang, M. et al. Flexible silicon solar cells with high power-to-weight ratios. Nature 626, 105–110 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06948-y。
