特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

柔性太阳能电池具有重量轻、防震和自供电等优点，在建筑光伏集成和可穿戴电子产品方面具有很大的市场潜力。硅是地壳中最丰富的半导体元素；它被制成晶圆，用于制造当前光伏市场中大约95%的太阳能电池，硅太阳能电池已成功应用于大型发电厂。

然而，柔性硅太阳能电池的开发仍存在以下问题：

1、柔性硅太阳能电池的刚性限制了其柔性应用

尽管经过50多年的努力，柔性硅太阳能电池在弯曲应力下易碎和破裂，这限制了它们在柔性应用中的大规模使用。

2、薄膜太阳能电池存在多种限制

由非晶硅、Cu(In, Ga)Se₂、CdTe、有机物和钙钛矿等材料制成的薄膜太阳能电池表现出的柔性，但存在光电转换效率较低、释放有毒材料、在大面积和不稳定的操作条件下性能较差等问题。

有鉴于此，中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文柱、刘正新、狄增峰、孟凡英、张丽平以及长沙理工大学刘小春等人合作提供了一种制造大规模、可折叠硅片和制造柔性太阳能电池的策略。有纹理的晶体硅片总是在硅片边缘区域表面金字塔之间的尖锐通道处开始开裂。这一事实使得作者可以通过钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅片的柔性。这种刻边技术可以实现大规模(> 240 cm²)、高效率(> 24 %)硅太阳能电池的商业化生产，这种电池可以像纸张一样卷曲。电池在1000次侧弯循环后仍保持100 %的功率转换效率。组装成大型(>10000 cm²)柔性模块后，这些电池在-70 °C和85 °C之间热循环120 h后仍保留99.62%的功率。此外，当连接到一个软气囊模拟强烈风暴时的风吹时，在20 min暴露于空气流动后，保留了96.03 %的功率。

技术方案：

1、制造了可折叠晶硅晶圆

作者探究了晶圆的开裂特性，考虑通过钝化边缘区域的尖锐通道以提高硅晶圆的柔韧性，表明钝化后晶片临界弯曲半径大大减小，接近理论极限。

2、分析了c-Si晶圆弹性机制

作者通过SEM和球差校正 TEM分析了晶圆的开裂过程以及晶格应变，表明钝化处理极大地减轻了c-Si晶片的固有脆性。

3、表征了太阳能电池（模块）性能

作者将可折叠的c-Si晶圆制成太阳能电池并表征了电池和器件的光伏性能，表明本研究开发的灵活技术在太阳能电池（模块）层面将能源平准化成本降低了。

4、探究了电池（模块）在极端条件下的运行稳定性

作者通过长时间循环、模拟连续空气冲击以及大温差环境下循环等多种测试，表明构建的电池模块具有优异的稳定性。

技术优势：

1、提出了形貌工程方法来制备可折叠的晶体硅晶片

在本研究中，作者提出了一种形貌工程方法来制备可折叠的晶体硅(c-Si)晶片，实现了大规模商业化生产效率显著的太阳能电池。

2、开发了大规模、高效率、超稳定的硅太阳能电池

作者制备了>240 cm²、效率>24%)的柔性硅太阳能电池，这些电池在1000次左右弯曲循环后仍保持 100% 的功率转换效率。

3、实现了恶劣环境下电池的稳定运行

作者设计组装了大型柔性模块，在低温和高温条件下循环120 h后仍保留99.62%的功率。模拟强烈风暴时的风吹20min后，电池仍能保留96.03 %的功率。

可折叠晶硅晶圆的制造

首要目标是制造具有强大光捕获能力的可折叠晶硅晶圆。减小晶圆的厚度可以提高其柔韧性，但需要在厚度和光捕获效率之间进行权衡。通过使用锯损去除，将160 μm 晶圆的厚度减少到60μm。器件的光学模拟证实了钝化晶片显示出较差的抗反射和光捕获。使用超高速摄像机探究晶圆的破裂过程，表明裂纹始于晶圆边缘。基于晶圆的开裂特性，作者考虑钝化边缘区域的尖锐通道以提高硅晶圆的柔韧性。结果表明，钝化后的60 μm纹理晶片临界弯曲半径(R_b)在开裂时刻，从15.2 ± 2 mm大大减少到大约 4.0mm，接近 0.72mm 的理论极限。

图  折叠晶圆

弹性机制

为了解析c-Si晶圆的柔韧性，通过施加弯曲力来弄断两个晶圆以找出断裂表面的形态。钝化晶圆具有多个解理位点和高密度微裂纹的断口，表明在开裂过程中复杂应力状态的发展。使用球差校正 TEM分析了断裂表面下方的晶格应变，结果表明钝化晶片在开裂过程中经历了更大的弹性和塑性应变。显然，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。因此，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  断裂面的GPA

太阳能电池（模块）表征

接下来，将可折叠的c-Si晶圆制成太阳能电池。作者展示了制造的SHJ太阳能电池的结构并表征了65-μm和55-μm器件的光伏性能。对于 65-μm 设备，短路电流密度（J_sc）、开路电压（V_oc）、填充因子（FF）和PCE分别为37.65± 0.09 mA cm⁻²、0.752 ± 0.002V、82.40 ± 0.99%和23.31 ± 0.33%。55 μm 器件的相应J_sc、V_oc、FF 和 PCE值分别为 37.59 ± 0.11 mA cm⁻²、0.753 ± 0.001 V、82.51 ± 0.39% 和 23.35 ± 0.13%，获得了 244.3 cm²晶圆的认证 PCE 为 24.50%。此外， 作者还组装了两个微型模块以比较它们的性能，表明本研究开发的灵活技术在太阳能电池（模块）层面将能源平准化成本降低了约39%(23%)。

图  太阳能电池（组件）性能

运行稳定

最后，作者研究了电池（模块）在极端条件下的运行稳定性。该装置表现出约8mm 的小 R_b。柔性电池的J_sc、V_oc、FF和PCE在1000 次左右弯曲循环后保持其初始值的 100%。将电池组装成一个10009.94 cm²的柔性模块，并将该模块连接到充气气囊上。然后，使用强大的风扇来模拟在暴风雨期间以30 m s⁻¹的速度吹的风的影响。在连续空气冲击20min后，相对功率损失仅为3.07%，这表明柔性模块可以在振动条件下稳健运行。将柔性模块在−70°C下循环1小时和85°C下循环1小时，在连续温度循环120 h后，平均相对功率损耗仅为 0.32%，这表明这些模块可以在寒冷的近太空条件下或在南极或北极安全运行，以及在炎热的夏天在沙漠中。

图  太阳能电池（组件）稳定性

总之，作者通过晶圆钝化开发了一种制造大规模、可折叠硅片和制造柔性太阳能电池的策略，实现了大规模(> 240 cm²)、高效率(> 24 %)、高稳定性硅太阳能电池的商业化生产。尽管如此，所开发的电池仍不足以保证在压力源可能同时发生的现实生活操作条件下的一致稳定性。因此，在大规模生产之前需要进行更多的原位测试。

参考文献：

Liu, W., Liu, Y., Yang, Z. et al. Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges. Nature 617, 717–723 (2023).

DOI：10.1038/s41586-023-05921-z

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z