江苏科技大学，2024年首篇Nature！

硅太阳能电池是商品化光伏的支柱，进一步提高大面积柔性电池的功率转换效率是一个重要的研究目标。

在此，来自的陕西隆基绿能科技有限公司的李振国&Xixiang Xu和澳大利亚科廷大学的邵宗平和江苏科技大学的陈代芬&许俊华&晏超等研究者报告了一种结合的方法来提高硅异质结太阳能电池的功率转换效率，同时使它们兼备灵活性。相关论文以题为“Flexible silicon solar cells with high power-to-weight ratios”于2024年01月31日发表在Nature上。

晶体硅(c-Si)太阳能电池一直是绿色和可再生能源的主流，占全球发电量的3.6%，在世界大部分地区成为最具成本效益的新发电选择。虽然目前c-Si太阳能电池占据了太阳能电池95%以上的市场份额，其晶片厚度通常为150-180 μm，但在一些极端应用场景下，如卫星、航天器和无人机，其使用是不可行的，并且对太阳能电池的进一步减重和灵活性存在需求。

因此，减少c-Si晶片厚度比典型的c-Si太阳电池薄得多，从而将“薄膜太阳电池”的优点融入到c-Si太阳电池中，是许多研究的重点。然而，所研究的所有薄c-Si太阳电池(55~130 μm)的功率转换效率(PCEs)数十年来一直保持在23.27~24.70%的范围内。

近年来，前-后接触式硅异质结(SHJ)太阳能电池凭借其双面发电、低成本和可扩展的优势，已成为下一代光伏器件的有力竞争者。为了在厚度可弯曲的前提下(<130 μm)进一步提高前-后接触式SHJ太阳电池的性能，必须对每一个技术步骤(钝化、掺杂接触层生长、金属氧化物导电层沉积和栅格线打印)进行细致的研究和优化，并在有效连接所有步骤的同时避免对界面造成不必要的破坏。

在此基础上，可生产出厚度为55~130 μm, PCE含量为26%的c-Si太阳电池，具有高PCE和柔性的特点。因此，灵活性是必须考虑的一个重要因素。根据最小弯曲曲率半径(r_b)将c-Si太阳电池分为三类：非柔性电池(r_b> 63 mm)，厚度为> 150μm；半柔性(SF)电池(38 mm< r_b<63 mm)，厚度在100~150 μm之间；柔性薄(FT)电池(r_b< 38mm)，厚度为100 μm(比一张A4纸还薄)。

因此，研究者展示了c-Si太阳电池成为一类具有显著柔性和可塑性的薄膜太阳电池的潜力(图1a)，这种电池可以经历各种变形，如弯曲和卷曲。传统的c-Si太阳能电池(≥150μm)立即断裂，畸变较小。

图1. FT和SF SHJ太阳能电池示意图

解决FT和SF电池效率瓶颈的第一步是实现良好的钝化接触。对于SHJ太阳能电池，钝化通常使用固有氢化非晶硅(i:a-Si:H)或富氢i:a-Si:H钝化层在传统技术中实现，但从c-Si表面外延枝晶生长是不可避免的。虽然氧掺杂被认为有利于抑制外延生长，但它与钝化接触的电学性能下降有关。

本文采用两级复合梯度钝化工艺来解决这一矛盾(图1b)。第一阶段为含氧非晶硅亚纳米层(< 0.5 nm；采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在c-Si表面双面生长i:a-SiOx:H (1) x≈10 at%)。超薄钝化层i:a-SiOx:H(1)防止了c-Si晶体排列的周期性继续向外，同时最大限度地降低了氧掺杂对钝化接触电学性能的影响。

在第二阶段，在i:a- siox:H(1)表面有意地镀上4.5 nm厚度的无外延i:a- si:H(2)钝化层，以加强钝化效果并隔离后续掺杂层。扩展数据图1c中的放大截面形态突出了复合梯度钝化层的各个区域，并表明超薄掺氧亚纳米层从根本上阻止了外延硅纳米孪晶的形成。与传统的富氢i:a-Si:H/a-Si:H相比，i:a-SiOx:H (1)/a-Si:H(2)复合钝化层使PCE提高了0.34%(图2a)。

图2. 钝化和纳米晶接触

在此。研究者使用低损伤连续等离子体化学气相沉积来防止外延，自修复纳米晶体播种和垂直生长来开发掺杂触点，以及无接触激光转移打印来沉积低遮光栅线。制备了不同厚度(55~130μm)的高性能单元，效率分别为26.06% (57 μm)、26.19% (74μm)、26.50% (84 μm)、26.56% (106 μm)和26.81% (125 μm)。晶圆减薄不仅降低了重量和成本，而且有利于电荷迁移和分离。

结果表明，与厚板相比，57 μm薄柔性太阳能电池具有最高的功重比(1.9 W g⁻¹)和开路电压(761 mV)。所有太阳能电池的面积为274.4 cm²，电池组件在电位退化和光退化老化测试中均具有可靠性。

这一技术进步为柔性、轻量化、低成本和高效率的太阳能电池的商业化提供了实际基础，可弯曲或卷起用于旅行的晶体硅太阳能电池的能力有望实现。

图3. 参数统计和认证报告

图4. 量子效率，损耗元素和稳定性

为了全面研究电池的性能，研究者根据国际电工委员会61215:2021，系统地研究了FT和SF SHJ太阳电池的稳定性。经过96 h的电位诱导降解(PID)老化试验，FT和SF电池的功率衰减约为0.6%(图4f)，远低于阈值(5%)。同时，研究者还发现FT和SF电池的抗PID能力优于传统的SHJ电池，因为反应等离子体沉积衍生的ICO层表现出优于传统的铟锡氧化层的电性能。

此外，在光致退化老化试验过程中，累计光照20 kWh m⁻²后，衰减值不应高于1%。由图4g可见，在210 kWh m⁻²辐照后，FT和SF电池的实际功率衰减仍为< 0.4%，低于传统SHJ电池的0.67%，这是由于强化了i:a-SiO_x:H (1)/a-Si:H(2)复合钝化层和纳米晶n⁺:nc-SiO_x:H和p⁺:nc-Si:H接触点。上述结果表明，FT和SF电池具有良好的环境适应性和持久性。

此外，研究者还观察到一个有趣的现象:光诱导降解后，PCE会有一定程度的恢复，主要是由于V_OC和FF的反弹，而J_SC则保持相对稳定。光致退化的潜在因果机制极其复杂，需要进一步深入研究。然而，根据研究者目前的研究，强化钝化层和降低整体非晶态程度是降低光致退化影响的有效方法。研究者结构的另一个优点是原材料成本较低。根据最近的SHJ太阳能电池成本模型，FT和SF电池每细化10μm，可减少约7%的硅使用量，节省约3%的总制造成本。

参考文献

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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06948-y

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/02/02/62a2e03017/

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