Nature:基于钝化边缘可折叠硅晶片的柔性太阳能电池(2023)

摘要

摘要图
本研究提出了一种通过边缘钝化技术制造可折叠硅晶片,用于生产高效柔性太阳能电池的策略。研究显示,边缘钝化能显著降低晶片在折叠应力下的裂纹扩展,同时保持高效的光电转化性能。在此基础上,制备了24.5%效率的柔性硅异质结(SHJ)太阳能电池,并展示了模块在-70°C至85°C极端温度循环及模拟暴风中空气流冲击下的长期稳定性。本技术有望大规模生产用于建筑一体化光伏和便携式电子设备的柔性太阳能电池。

关键词

  • 柔性太阳能电池 (Flexible solar cells)
  • 可折叠硅晶片 (Foldable silicon wafers)
  • 钝化边缘技术 (Edge-blunting technique)
  • 异质结太阳能电池 (Silicon heterojunction, SHJ)
  • 高效光电转化效率 (High power conversion efficiency, PCE)
  • 机械柔性 (Mechanical flexibility)

研究背景

硅基太阳能电池因其高光电转化效率(PCE)和稳定性,占据了光伏市场约95%的份额。然而,其脆性限制了在柔性应用中的推广,尤其是在建筑一体化光伏和便携式电子设备中。尽管薄膜太阳能电池(如非晶硅、钙钛矿等)具有一定柔性,但其低效率和稳定性问题限制了实际应用。本研究提出一种钝化晶片边缘的形貌工程方法,显著提升了硅晶片的机械柔性,并结合异质结技术实现了高效柔性太阳能电池,为解决传统硅太阳能电池的柔性问题提供了新思路。

创新点

  • 提出并实现了边缘钝化技术,显著改善硅晶片的机械柔性。
  • 制备了效率高达24.5%的柔性硅异质结太阳能电池。
  • 展示了柔性模块在极端温度和模拟暴风中的长期稳定性。
  • 提出柔性硅技术在光伏建筑一体化及便携式应用中的潜力。

研究内容

本研究通过化学钝化方法,处理硅晶片边缘的尖锐棱柱结构,显著降低了在机械弯曲下的裂纹扩展应力。实验显示,边缘钝化晶片在4毫米曲率半径下可实现完全折叠,同时保持光电转化性能。采用此晶片制作的柔性异质结太阳能电池,短路电流密度(JscJ_{\text{sc}})达37.65 mA cm−2,光电转化效率(PCE)为24.5%。此外,模块在极端温度(-70°C至85°C)和模拟暴风中展示出超过96%的初始性能保持率。进一步分析揭示,钝化处理改善了晶片的应力分布,转变了其裂纹模式,从而显著提升了机械柔性和模块稳定性。本技术实现了低成本、工业化生产高效柔性硅太阳能电池的可能性。

图1
图1 | 可折叠晶硅(c-Si)晶圆。

(a) 晶硅晶圆的扫描电子显微镜(SEM)图像。酸性溶液有效去除了边缘区域的尖锐金字塔结构。
(b) 在10 vol% HF:90 vol% HNO3溶液中边缘钝化处理0秒、15秒和30秒的140-μm纹理化晶硅晶圆的载荷-垂直位移(F–D)曲线。
(c) 表面具有金字塔结构的60-μm纹理化晶硅晶圆,其弯曲半径(\(R_b\))在裂纹形成时随着在酸性溶液中钝化时间的变化情况。对比显示60-μm纹理化和准平面晶硅晶圆的\(R_b\)值,以及理论计算的60-μm晶圆\(R_b\)值(\(R_b = E \cdot d / 2\sigma\),其中\(E\)、\(d\)和\(\sigma\)分别为弹性模量、晶圆厚度和拉伸屈服强度)。插图展示在酸性溶液中钝化90秒的60-μm纹理化晶圆(尺寸为15.6 cm × 15.6 cm)。

图2
图2 | 晶圆断裂表面的几何相位分析(GPA)。

(a,b) 具有尖锐(a)和圆形(b)金字塔结构的晶圆断裂表面形貌。粉红线标记了通过聚焦离子束(FIB)保护并移出用于透射电子显微镜(TEM)观察的断裂表面顶部位置。
(c,d) 高分辨率扫描透射电子显微镜(STEM-HAADF)图像,显示了从断裂表面沿[001]方向观察的原子排列,其中保护层为沉积在断裂表面的碳层。GPA区域以虚线框突出显示。
(e,f) 带尖锐金字塔结构的晶圆在x方向(e)和y方向(f)的弹性晶格应变分布。
(g,h) 带圆形金字塔结构的晶圆在x方向(g)和y方向(h)的弹性晶格应变分布。白色箭头标记了较大的膨胀应变。正值和负值分别表示晶格的扩张和收缩。比例尺:5 μm (a,b);5 nm (c-h)。

图3
图3 | 太阳能电池(组件)性能。

(a) 本研究中使用的SHJ(异质结)太阳能电池的结构示意图。IWO表示掺钨氧化铟。
(b) 15.6 cm × 15.6 cm柔性SHJ太阳能电池的照片。
(c) 65-μm和55-μm SHJ太阳能电池的短路电流密度(\(J_{sc}\))、开路电压(\(V_{oc}\))、填充因子(FF)和功率转换效率(PCE)。图中显示了最大值、最小值、中位值、平均值及25%到75%分布范围。
(d) 两个小型模块的归一化功率与光线入射角度的函数关系: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。后者附着在半径为5 cm的黑色圆柱体上。
(e) 柔性c-Si太阳能电池的设备面积随时间的演变。
(f) 在标准条件下测试的双面、单面和柔性SHJ模块的质量-功率比(\(m_\text{module}/P_\text{module}\))。

图4
图4 | 太阳能电池(组件)的稳定性。

(a) 柔性SHJ太阳能电池在弯曲周期中的性能演变。在每个周期中,一边折叠至接触对侧边缘,并保持超过10秒。
(b) 一个面积超过10,000 cm²的柔性SHJ太阳能模块被附着到充气气囊上,通过强风模拟暴风(30 m/s)对模块进行20分钟连续气流冲击。
(c,d) 在20分钟连续气流冲击前后的模块功率(c)和电致发光图像(d)。
(e) 在-70°C至85°C之间进行120小时的热循环后,五个柔性SHJ模块的相对功率变化。

结论与展望

本研究开发的钝化边缘可折叠硅晶片技术,不仅实现了高效柔性太阳能电池的制造,还展示了其在极端条件下的长期稳定性。这一技术突破为柔性光伏领域提供了新的发展方向,尤其是在光伏建筑一体化和便携式应用领域。未来的研究可进一步优化晶片结构和封装工艺,以实现更高的效率和更广泛的工业化应用。

论文直达

原文标题:Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges

Nature 2023, 617, 717–723.

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