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研究背景
随着全球对清洁能源和可再生能源的需求不断增长，太阳能作为一种广泛可利用的能源资源备受关注。晶体硅（c-Si）太阳能电池是绿色和可再生能源的支柱，但其传统厚度较大，对于一些极端应用场景（如卫星、航天器和无人机等）的使用并不可行，需要进一步减轻太阳能电池的重量和增加柔性。因此，引入薄膜太阳能电池已成为研究热点，也就是将c-Si晶片的厚度减小，以获得更轻、更柔性的太阳能电池。然而，传统的薄型c-Si太阳能电池的功率转换效率（PCE）一直受到限制，且存在着制备成本高、工艺复杂、生产难度大等问题。为解决这些问题，科学家们开始探索新的制备方法和工艺优化，以提高薄膜c-Si太阳能电池的性能和效率。其中，前后接触硅异质结（SHJ）太阳能电池因其在双面发电、低成本和可伸缩生产方面的优势，成为了备受关注的研究对象。鉴于此。近日，江苏科技大学陈代芬教授，许俊华教授，隆基绿能科技股份有限公司李振国，徐希翔和澳大利亚科廷大学邵宗平教授等科学家们意识到，如果要想生产出厚度更薄、性能更优的SHJ太阳能电池，需要仔细研究和优化每个制备步骤，包括钝化、掺杂接触层生长、金属氧化物导电层沉积和网格线打印等，并有效地连接这些步骤，同时避免界面损伤。相关成果为“Flexible silicon solar cells with high power-to-weight ratios”为题在Nature发表。其研究旨在提出一种综合方法，通过优化工艺步骤和材料选择，提高硅异质结太阳能电池的功率转换效率，并使其更具有柔性。通过采用低损伤连续等离子体化学气相沉积、自恢复纳米晶形核和垂直生长、无接触激光转移打印等技术手段，制备了不同厚度的高性能电池，从而解决了薄膜c-Si太阳能电池面临的诸多挑战。
研究内容
为了研究高效、柔性、薄的SHJ太阳能电池，研究者在图1 a部分展示了FT和SF SHJ太阳能电池的结构示意图和照片（166×166 mm）。b部分则呈现了连续等离子体CVD复合梯度钝化、纳米晶形核和垂直生长诱导步骤的结构示意图。在连续等离子体CVD过程中，RF等离子体保持稳定，通过实时监测和快速响应调节而无需重新启动，以保护外延防止的i:a-SiOx:H（1）亚纳米层。在复合梯度钝化过程中，通过连续等离子体CVD过程创建了具有逐渐过渡界面的低损伤i:a-SiOx:H（1）/a-Si:H（2）复合钝化层。这项研究成功制备了厚度为55-130μm的c-Si太阳能电池，其PCE达到了26%。为了将柔性作为一个重要因素，研究者将c-Si太阳能电池根据最小弯曲曲率半径分为非柔性电池、半柔性电池和柔性薄电池。图1a表明这些电池具有显著的柔性和可塑性，可以经受各种形变，如弯曲和卷曲。相比之下，传统的c-Si太阳能电池（≥150μm）会产生相对较小的失真。这项研究结果表明，c-Si太阳能电池有望成为一类具有高效、柔性和薄的薄膜太阳能电池，为太阳能电池的应用提供了新的可能性。 为了解决FT和SF电池效率瓶颈，研究者进行了图2的实验。图中a展示了i:a-SiOx:H (1)/a-Si:H (2)对电池性能的增益效应。图b和c分别展示了在不连续等离子体和连续等离子体CVD过程后的i:a-SiOx:H (1)的原子力显微镜图像（顶部）和相应的表面轮廓（底部）。图d显示了在连续等离子体CVD过程中有效载流子寿命（τeff）随复合钝化层中氢含量的变化。图e展示了通过连续等离子体CVD钝化方法增强的τeff。图f至i展示了通过连续等离子体CVD钝化方法改进的电池性能。图j展示了传统纳米晶形核的示意图。图k展示了自恢复纳米晶形核和垂直生长诱导过程的示意图。图2m展示了自恢复纳米晶形核前后钝化层表面的HRTEM图像。图2n展示了n+：nc-SiOx:H窗层的带隙和导电性随结晶度分数的变化。图o展示了p+：nc-Si:H背面发射体的带隙和导电性随结晶度分数的变化。图p和q展示了具有不同结晶度的n+：nc-SiOx:H窗层和p+：nc-Si:H背面发射体的PCE和结晶度分数之间的关系。图r展示了具有不同厚度的n+：nc-SiOx:H窗层的VOC曲线。图s展示了具有不同厚度的VOC曲线。图中的虚线是拟合线，用于评估数据的趋势。这些实验结果表明，通过采用复合梯度钝化和自恢复纳米晶形核等方法，可以显著提高太阳能电池的性能，特别是在提高有效载流子寿命和改善表面和背面发射体的结晶度方面取得了显著进展。这对于解决太阳能电池效率瓶颈，进一步提高太阳能电池的性能和可靠性具有重要意义。 
为了评估不同厚度的太阳能电池的性能，图中3a展示了100个具有不同厚度的电池的统计参数。图b至f展示了FT和SF SHJ太阳能电池在厚度分别为57 μm至125 μm时的认证的电流-电压（I-V）和功率-电压（P-V）曲线。在这些曲线中，mpp表示最大功率点。图g展示了FT和SF SHJ太阳能电池的功率重量比（PWR）数据和柔性。虚线是拟合线，用于评估数据的趋势。通过对不同厚度的太阳能电池进行认证和参数统计分析，研究者展示了这些电池在各项性能指标上的优越表现。具体而言，57 μm厚度的薄型柔性太阳能电池表现出最高的功重比和开路电压，这意味着其在单位质量下产生的功率更高，且具有更高的电压输出。所有太阳能电池的面积相同，且在电位退化和光退化老化测试中表现出可靠性，这表明它们具有稳定的性能。这些结果为柔性、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，并且显示出这些太阳能电池具有弯曲或卷起的潜力，可以用于旅行等应用场景。 最后，为了全面评估太阳能电池的性能和稳定性，研究者进行相关测试分析。具体来说，图中a总结了FT和SF SHJ太阳能电池相对于实际极限（29.1%）的损失元素。图b展示了FT（57和84 μm）和SF（125 μm）太阳能电池的外部量子效率（EQE）。图c展示了FT和SF太阳能电池的近红外（NIR）和蓝光光学损失。图d展示了FT和SF太阳能电池的遮蔽（SD）和基底集电（BC）损失。图e展示了FT和SF太阳能电池的防反射涂层（ARC）和前表面逃逸（FSE）损失。图中f和g展示了经过认证的PID老化测试和光诱导降解老化测试。经过96小时的PID老化试验，FT和SF电池的功率衰减约为0.6%，远低于5%的阈值。在210 kWh m−2的累计光照后，FT和SF电池的实际功率衰减仍然低于0.4%，明显优于传统SHJ电池。这表明FT和SF电池具有出色的环境适应性和持久性。此外，研究者观察到一个有趣的现象：在光诱导降解后，由于VOC和FF的反弹，PCE有一定程度的恢复稳定。由于光致退化的潜在因果机制复杂，需要进一步深入研究。然而，根据当前的研究，强化钝化层和降低整体非晶是减轻光致退化影响的有效方法。另一个优势是FT和SF电池的原材料成本较低。根据最近的SHJ太阳能电池成本模型，每减小10μm的细化，FT和SF电池可减少约7%的硅使用量，节省制造成本约3%。这意味着FT和SF电池不仅在性能上表现优异，而且在成本效益上也具有潜在优势，这为其商业化提供了实际基础。
总结展望
本文提出了一种创新的方法，将传统的c-Si太阳能电池转变为具有显著柔性和轻量化特性的薄膜太阳能电池。通过降低硅片厚度并利用复合梯度钝化技术和自修复纳米晶形核等先进工艺，研究者成功地提高了电池的功率转换效率，同时保持了其柔韧性。这不仅拓展了太阳能电池在极端应用场景下的应用可能性，如卫星、航天器和无人机等，还为光伏商业化提供了实际基础。此外，本文还突破性地提出了复合梯度钝化技术，解决了外延生长和氧掺杂对钝化触点电学性能的矛盾，为硅异质结太阳能电池的稳定性和效率提升提供了新的思路和技术支持。综合而言，本研究的创新性成果为电池领域的进一步发展和实际应用提供了重要的科学启示，有望推动太阳能电池技术的进一步突破和应用推广。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。
