具有高功率重量比的柔性矽太陽能電池
晶體矽（c-Si）太陽能電池一直是綠色和可再生能源的支柱，佔全球發電量的 3.6%，在世界大部分地區已成為最具成本效益的新發電選擇。儘管晶體矽太陽能電池目前佔太陽能電池市場的 95% 以上，其晶圓厚度通常為 150-180 μm，但在一些極端應用場景（如衛星、航天器和無人機）中無法使用，因此需要進一步減輕太陽能電池的重量並提高其靈活性。因此，將晶體矽晶片的厚度減至比典型晶體矽太陽能電池薄得多，從而將 "薄膜太陽能電池 "的優勢融入晶體矽太陽能電池，成為許多研究的重點。
在這裡，江蘇科技大學陳代芬教授、許俊華教授、晏超教授聯合隆基中央研究院李振國、徐希翔博士和科廷大學邵宗平教授共同報告了一種既能提高矽異質結太陽能電池的功率轉換效率，又能使其具有柔性的組合方法。作者使用低損傷的連續等離子體化學氣相沉積技術來防止外延，使用自恢復奈米晶播種和垂直生長技術來開發摻雜觸點，並使用無接觸鐳射轉移印花技術來沉積低陰影柵線。製造出不同厚度（55-130 微米）的高效能電池，經認證的效率分別為26.06%（57 微米）、26.19%（74 微米）、26.50%（84 微米）、26.56%（106 微米）和 26.81%（125 微米）。晶片減薄不僅降低了重量和成本，而且有利於電荷遷移和分離。研究發現，與厚太陽能電池相比，57 μm 的柔性薄太陽能電池顯示出最高的功率重量比（1.9 W g -1）和開路電壓（761 mV）。這一技術進步為柔性、輕質、低成本和高效太陽能電池的商業化提供了實用基礎，預計可將晶體矽太陽能電池彎曲或捲起用於旅行。相關成果以“Flexible silicon solar cells with high power-to-weight ratios”為題發表在《Nature》上，第一作者為Yang Li，Xiaoning Ru, Miao Yang, Yuhe Zheng為共同一作。值得一提的是，這是江蘇科技大學校史的首篇《Nature》。
高效柔性薄型 SHJ 太陽能電池
本文可以生產出 PCE >26% 的晶體矽太陽能電池，其厚度在 55-130 μm 之間，同時具有高 PCE 和靈活性的特點。作者證明了晶矽太陽能電池成為一類具有顯著柔性和可塑性的薄膜太陽能電池的潛力（圖1a），電池可以經歷各種變形，例如彎曲和捲曲。相比之下，傳統的晶體矽太陽能電池（≥150 μm）只要發生相對較小的變形，就會立即破裂。
圖 1：FT 和 SF SHJ 太陽能電池示意圖
防外延複合梯度鈍化
解決FT和SF電池效率瓶頸的第一步是實現良好的鈍化接觸。本工作採用兩階段複合梯度鈍化工藝來實現（圖1b）。在第一階段，在 2-3 個含氧非晶矽亞奈米層（<0.5 nm）原子層上雙面生長透過等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD) 製備 c-Si。超薄鈍化層i:a-SiO x :H (1)防止c-Si晶體排列的週期性向外延續，同時最大限度地減少氧摻雜對鈍化電效能的影響。第二階段，在 i:a-SiO x :H (1) 上刻意塗覆一層厚度約為 4.5 nm 的無外延鈍化層，加強鈍化效果並隔離後續摻雜層。與傳統富氫i:a-Si:H/a-Si:H相比複合鈍化層數使PCE增加了0.34%（圖2a）。
圖 2：鈍化和奈米晶觸點
低損傷連續等離子體 CVD 操作
傳統的不連續等離子體 CVD 工藝並不理想，因為亞奈米層對等離子體的波動和復燃（瞬時高壓浪湧）非常脆弱和敏感。i:a-SiOx:H (1) 經過分步 PECVD 過程後，發現其表面分佈著穿孔缺陷，峰值粗糙度為 0.5 nm（圖 2b）。這些破壞性空位可作為晶體矽外延生長的新基礎，損害 i:a-SiOx:H (1) 的鈍化功能。因此，本文將常用的分步式工藝調整為一步式連續等離子體 CVD 鈍化工藝，使 i:a-Si:H (2) 可以在 i:a-SiOx:H (1) 上連續生長，同時保證防止外延的 i:a-SiOx:H (1) 亞奈米層的完整性（圖 2c），從而獲得最佳的鈍化效果。在上述最佳化的基礎上，透過保護性連續等離子體 CVD，電池效能明顯得到全面提高，與離散 PECVD 工藝相比，PCE、FF、VOC 和短路電流（JSC）的平均值分別提高了 0.30%、0.42%、1.0 mV 和 0.22 mA cm-2（圖 2f-i）。
電池效能和認證
本文在 55-130 μm 的整個範圍內實現了 26% 以上的效率，如圖 3a 所示，並獲得了哈梅林太陽能研究所的認證。圖 3b-f 分別顯示了厚度為 57 μm（26.06%）、74 μm（26.19%）、84 μm（26.50%）、106 μm（26.56%）和 125 μm（26.81%）的電池的證書（這是迄今為止每種厚度的最高值）。值得注意的是，SF 電池（125 μm）獲得了最高的晶體矽太陽能電池效率，據我們所知，FT 電池（57 μm）獲得了所有晶體矽太陽能電池中最高的 VOC（761 mV）。這項工作的重要性還體現在每種厚度的功率重量比（PWR）上（圖 3g）。FT 電池（57 微米）的功率重量比達到 1.9 W g-1，據我們所知，這是目前晶體矽太陽能電池的最高水平，是 125 微米 SF 電池（0.89 W g-1）的兩倍多。同時，減薄帶來的靈活性也得到了大幅提高，使電池的曲率半徑達到 19.6 毫米。這為無人機、航天器和其他對重量和靈活性要求極高的應用提供了新的可能性。
圖3：引數統計和認證報告
外部量子效率和穩定性測試
電池減薄有兩個好處，以理論極限（29.1%）為基準的絕對效率損失模型（圖 4a）證明了這一點。首先，矽基質的電阻減小，使電阻損耗從 0.37%（125 μm）降低到 0.31%（57 μm）。其次，光生載流子的遷移距離縮短，降低了重組機率，外重組損耗從 0.49%（125 μm）降至 0.46%（57 μm）。因此，從圖 4b 可以看出，在紫外-可見光（UV-Vis）區域，外部量子效率隨著電池變薄而提高。然而，近紅外（NIR）光的吸收深度超過了電池厚度，因此隨著電池變薄，近紅外範圍內的外部量子效率下降，光損耗從 1.44% (125 μm) 增加到 2.27% (57 μm)，這是導致 JSC 隨電池變薄而下降的主要原因。如圖 4c 所示，FT 電池（57 μm）的近紅外損耗比 SF 電池（125 μm）高 0.35 mA cm-2，而最薄的 FT 電池的藍光（紫外可見光）損耗最低，比 PCE 最好的電池低 0.22 mA cm-2。此外，由於採用了先進的 LTP 工藝，遮光損失降低到了 1.7%。
圖 4：量子效率、損耗元素和穩定性
為了全面研究電池的效能，作者根據國際電工委員會 61215:2021 標準系統地研究了 FT 和 SF SHJ 太陽能電池的穩定性。經過 96 小時的電位誘導衰減（PID）老化測試，FT 和 SF 電池的功率衰減約為 0.6%（圖 4f），遠低於閾值（5%）。此外，在光誘導降解老化試驗過程中，在 20 kWh m -2 的累積光照下，衰減不應高於 1%。上述結果表明，FT 和 SF 電池具有環境適應性和耐久性。此結構的另一個優點是原材料成本較低。根據最新的SHJ太陽能電池成本模型，FT和SF電池每薄化10μm，可以減少約7%的矽用量，並節省約3%的總體制造成本。
來源：高分子科學前沿
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