登上Nature封面！可以像纸一样弯曲！我国研制出高柔韧性单晶硅太阳电池
1954年，晶体硅(c-Si)太阳能电池首次被开发，距今已有近70年的历史。1967年，一篇论文(Nature 213, 1223–1224, 1967.)前瞻性地指出，如果这些电池(也称为光伏电池)可以制造得轻巧灵活，它们可用于制造太阳能航天器。今天，c-Si太阳能电池在极端气候下具有高功率转换效率和良好的运行稳定性，并且在将电子电路集成到其组成硅晶片方面取得了重大进展。然而，因为用于制造电池的晶圆易碎，柔性c-Si太阳能电池的开发一直没有取得显著进展。
鉴于此，中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘正新研究员、狄增峰研究员、孟凡英研究员、张丽平副研究员、刘文柱副研究员与长沙理工大学刘小春教授提供了一种制造大规模、可折叠硅晶圆和柔性太阳能电池的制造策略。具体而言，有纹理的晶体硅晶片总是在晶片边缘区域的表面金字塔之间的尖锐通道处开始破裂。这一事实使研究人员能够通过钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅晶片的柔韧性。这种边缘钝化技术可以实现大规模 (>240 cm2)、高效 (>24%) 硅太阳能电池的商业化生产，这些电池可以像一张纸一样卷起来。在 1000 次左右弯曲循环后，电池保持 100% 的功率转换效率。在组装成大型(>10000 cm2)柔性模块后，这些电池在 -70°C 至 85°C 之间热循环 120 小时后仍保留 99.62% 的功率。此外，当连接到软气囊时(该软气囊模拟暴风雨中的风)，它们在暴露于气流中 20 分钟后仍保留 96.03% 的功率。相关研究成果以题为“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”发表在最新一期《Nature》期刊上。
值得一提的是，该篇论文的第一作者兼通讯作者刘文柱副研究员，自2020年参加工作以来，已经以第一作者兼通讯作者身份连续发表了Nature Energy与Joule。
【可折叠晶硅晶圆的制造】借助机械和原子级模拟，研究人员预测晶硅晶圆在细观尺度(微米量级)的结构对称性对晶圆的柔韧性起着关键作用。在实验中，他们通过采用两种用于处理半导体材料的技术来优化c-Si的介观对称性：涉及酸的湿化学工艺和基于干等离子体的工艺。在称为三点弯曲测试的柔韧性测定中，这两种技术都提高了晶圆对应力和应变的弹性。由此产生的晶圆可以剧烈摇晃而不会破裂——就像一张柔韧的纸(图1)。
图 1. 可折叠晶圆【弹性机制】大多数商用柔性c-Si太阳能模块可以弯曲小于30–40°。研究人员最初的目标是制造弯曲角度大于90°的大型太阳能组件;令人高兴的是，他们超越了这种乐观的预期。使用湿法化学工艺或干法等离子工艺对晶圆的边缘进行简单钝化，大大减轻了晶圆的固有脆性。这改变了晶圆的断裂方式：经过处理的晶圆在严重应变下没有发生脆性断裂，而是显示出带有台阶和裂纹的剪切带。从物理上讲，这些颠簸的裂解过程在裂解开始之前消耗了更多的能量;因此，它们解释了为防止剧烈折叠提供保护的稳健行为(图1c)。钝化晶片在开裂过程中经历了更大的弹性和塑性应变，其次，复杂的开裂会导致更大的晶格膨胀(图2)。这些发现证明，可以通过调整表面金字塔之间通道的锐度来控制c-Si晶片的断裂行为，从而改变弯曲载荷下的应力状态和变形机制。简单来说，在这项研究中，钝化处理极大地减轻了c-Si晶片的固有脆性，从而导致断裂机制从固有脆性解理断裂转变为具有台阶和裂纹的剪切带。
图 2. 断裂面的 GPA【太阳能电池(模块)表征】研究人员能够生产工业尺寸的c-Si晶片，这些晶片可以以小至约4毫米的弯曲半径(弯曲曲率的最小半径)折叠(图1a)。使用这些可折叠c-Si 晶圆，他们制作了由c-Si和非晶硅表层组成的15厘米太阳能电池，其功率转换效率超过24%，弯曲角度超过360°和大约8毫米的弯曲半径(图3)。此外，本文实现了器件尺寸和PCE的显著增加，分别从4 cm2和23.27%增加到244.3 cm2和24.5%(图3e)。工业级柔性c-Si太阳能电池的实现表明这里展示的技术路线与标准化商业生产兼容。
图 3. 太阳能电池(模块)性能【运行稳定】最后，研究人员研究了电池(模块)在极端条件下的运行稳定性。柔性电池的Jsc、Voc、FF和PCE在1000次左右弯曲循环后保持其初始值的100%(图4a)。在每个循环中，一个边缘被折叠以接触相对的边缘;这种弯曲保持了10秒以上。进一步地，他们将这些电池封装成面积超过10000平方厘米的大型太阳能组件，这些组件重量轻、灵活、高效且成本低。将它们安装在无人飞行器上，可以为资源勘探和森林火灾检查等长途飞行任务创造可持续的能源供应。
图 4. 太阳能电池(模块)稳定性【影响】作者希望这项工作和由此产生的柔性太阳能模块的演示将刺激大型柔性太阳能电池市场的增长。本文已经表明，材料的机械性能不仅仅取决于其在原子水平上的晶格结构;中尺度对称性也有显着的作用。这一发现可能与包括但不限于太阳能电池制造在内的领域相关。它也可能对遇到材料脆性挑战的其他领域有广泛的兴趣。此外，60 μm c-Si晶圆的理论弯曲半径应该是0.72 mm左右，作者不知道为什么我们能达到的最低弯曲半径只有4 mm左右。进一步的研究应侧重于检查晶圆侧面(与其边缘相对)上的硅晶格方向是否影响机械性能。接下来，他们将尝试通过优化切割边缘的角度来进一步减小晶圆的弯曲半径。作者希望这将进一步推动自供电飞机以及建筑物和车辆的能源生产等应用的发展。
