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1954年，晶體硅(c-Si)太陽(yáng)能電池首次被開發(fā)，距今已有近70年的歷史。1967年，一篇論文(Nature 213, 1223–1224, 1967.)前瞻性地指出，如果這些電池(也稱為光伏電池)可以制造得輕巧靈活，它們可用于制造太陽(yáng)能航天器。今天，c-Si太陽(yáng)能電池在極端氣候下具有高功率轉(zhuǎn)換效率和良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，并且在將電子電路集成到其組成硅晶片方面取得了重大進(jìn)展。然而，因?yàn)橛糜谥圃祀姵氐木A易碎，柔性c-Si太陽(yáng)能電池的開發(fā)一直沒(méi)有取得顯著進(jìn)展。




鑒于此，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉正新研究員、狄增峰研究員、孟凡英研究員、張麗平副研究員、劉文柱副研究員與長(zhǎng)沙理工大學(xué)劉小春教授提供了一種制造大規(guī)模、可折疊硅晶圓和柔性太陽(yáng)能電池的制造策略。具體而言，有紋理的晶體硅晶片總是在晶片邊緣區(qū)域的表面金字塔之間的尖銳通道處開始破裂。這一事實(shí)使研究人員能夠通過(guò)鈍化邊緣區(qū)域的金字塔結(jié)構(gòu)來(lái)提高硅晶片的柔韌性。這種邊緣鈍化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 (>240 cm2)、高效 (>24%) 硅太陽(yáng)能電池的商業(yè)化生產(chǎn)，這些電池可以像一張紙一樣卷起來(lái)。在 1000 次左右彎曲循環(huán)后，電池保持 100% 的功率轉(zhuǎn)換效率。在組裝成大型(>10000 cm2)柔性模塊后，這些電池在 -70°C 至 85°C 之間熱循環(huán) 120 小時(shí)后仍保留 99.62% 的功率。此外，當(dāng)連接到軟氣囊時(shí)(該軟氣囊模擬暴風(fēng)雨中的風(fēng))，它們?cè)诒┞队跉饬髦?20 分鐘后仍保留 96.03% 的功率。相關(guān)研究成果以題為“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”發(fā)表在最新一期《Nature》期刊上。

值得一提的是，該篇論文的第一作者兼通訊作者劉文柱副研究員，自2020年參加工作以來(lái)，已經(jīng)以第一作者兼通訊作者身份連續(xù)發(fā)表了Nature Energy與Joule。







【可折疊晶硅晶圓的制造】借助機(jī)械和原子級(jí)模擬，研究人員預(yù)測(cè)晶硅晶圓在細(xì)觀尺度(微米量級(jí))的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性對(duì)晶圓的柔韌性起著關(guān)鍵作用。在實(shí)驗(yàn)中，他們通過(guò)采用兩種用于處理半導(dǎo)體材料的技術(shù)來(lái)優(yōu)化c-Si的介觀對(duì)稱性：涉及酸的濕化學(xué)工藝和基于干等離子體的工藝。在稱為三點(diǎn)彎曲測(cè)試的柔韌性測(cè)定中，這兩種技術(shù)都提高了晶圓對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的彈性。由此產(chǎn)生的晶圓可以劇烈搖晃而不會(huì)破裂——就像一張柔韌的紙(圖1)。

圖 1. 可折疊晶圓【彈性機(jī)制】大多數(shù)商用柔性c-Si太陽(yáng)能模塊可以彎曲小于30–40°。研究人員最初的目標(biāo)是制造彎曲角度大于90°的大型太陽(yáng)能組件;令人高興的是，他們超越了這種樂(lè)觀的預(yù)期。使用濕法化學(xué)工藝或干法等離子工藝對(duì)晶圓的邊緣進(jìn)行簡(jiǎn)單鈍化，大大減輕了晶圓的固有脆性。這改變了晶圓的斷裂方式：經(jīng)過(guò)處理的晶圓在嚴(yán)重應(yīng)變下沒(méi)有發(fā)生脆性斷裂，而是顯示出帶有臺(tái)階和裂紋的剪切帶。從物理上講，這些顛簸的裂解過(guò)程在裂解開始之前消耗了更多的能量;因此，它們解釋了為防止劇烈折疊提供保護(hù)的穩(wěn)健行為(圖1c)。鈍化晶片在開裂過(guò)程中經(jīng)歷了更大的彈性和塑性應(yīng)變，其次，復(fù)雜的開裂會(huì)導(dǎo)致更大的晶格膨脹(圖2)。這些發(fā)現(xiàn)證明，可以通過(guò)調(diào)整表面金字塔之間通道的銳度來(lái)控制c-Si晶片的斷裂行為，從而改變彎曲載荷下的應(yīng)力狀態(tài)和變形機(jī)制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在這項(xiàng)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(dǎo)致斷裂機(jī)制從固有脆性解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂信_(tái)階和裂紋的剪切帶。

圖 2. 斷裂面的 GPA【太陽(yáng)能電池(模塊)表征】研究人員能夠生產(chǎn)工業(yè)尺寸的c-Si晶片，這些晶片可以以小至約4毫米的彎曲半徑(彎曲曲率的最小半徑)折疊(圖1a)。使用這些可折疊c-Si 晶圓，他們制作了由c-Si和非晶硅表層組成的15厘米太陽(yáng)能電池，其功率轉(zhuǎn)換效率超過(guò)24%，彎曲角度超過(guò)360°和大約8毫米的彎曲半徑(圖3)。此外，本文實(shí)現(xiàn)了器件尺寸和PCE的顯著增加，分別從4 cm2和23.27%增加到244.3 cm2和24.5%(圖3e)。工業(yè)級(jí)柔性c-Si太陽(yáng)能電池的實(shí)現(xiàn)表明這里展示的技術(shù)路線與標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)生產(chǎn)兼容。

圖 3. 太陽(yáng)能電池(模塊)性能【運(yùn)行穩(wěn)定】最后，研究人員研究了電池(模塊)在極端條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性。柔性電池的Jsc、Voc、FF和PCE在1000次左右彎曲循環(huán)后保持其初始值的100%(圖4a)。在每個(gè)循環(huán)中，一個(gè)邊緣被折疊以接觸相對(duì)的邊緣;這種彎曲保持了10秒以上。進(jìn)一步地，他們將這些電池封裝成面積超過(guò)10000平方厘米的大型太陽(yáng)能組件，這些組件重量輕、靈活、高效且成本低。將它們安裝在無(wú)人飛行器上，可以為資源勘探和森林火災(zāi)檢查等長(zhǎng)途飛行任務(wù)創(chuàng)造可持續(xù)的能源供應(yīng)。

圖 4. 太陽(yáng)能電池(模塊)穩(wěn)定性【影響】作者希望這項(xiàng)工作和由此產(chǎn)生的柔性太陽(yáng)能模塊的演示將刺激大型柔性太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的增長(zhǎng)。本文已經(jīng)表明，材料的機(jī)械性能不僅僅取決于其在原子水平上的晶格結(jié)構(gòu);中尺度對(duì)稱性也有顯著的作用。這一發(fā)現(xiàn)可能與包括但不限于太陽(yáng)能電池制造在內(nèi)的領(lǐng)域相關(guān)。它也可能對(duì)遇到材料脆性挑戰(zhàn)的其他領(lǐng)域有廣泛的興趣。此外，60 μm c-Si晶圓的理論彎曲半徑應(yīng)該是0.72 mm左右，作者不知道為什么我們能達(dá)到的最低彎曲半徑只有4 mm左右。進(jìn)一步的研究應(yīng)側(cè)重于檢查晶圓側(cè)面(與其邊緣相對(duì))上的硅晶格方向是否影響機(jī)械性能。接下來(lái)，他們將嘗試通過(guò)優(yōu)化切割邊緣的角度來(lái)進(jìn)一步減小晶圓的彎曲半徑。作者希望這將進(jìn)一步推動(dòng)自供電飛機(jī)以及建筑物和車輛的能源生產(chǎn)等應(yīng)用的發(fā)展。

原標(biāo)題：登上Nature封面！可以像紙一樣彎曲！我國(guó)研制出高柔韌性單晶硅太陽(yáng)電池