今日Nature：像纸一样折叠！50年历史的柔性太阳能电池焕发新生！

柔性太阳能电池，具有重量轻、防震和自供电的特点，在集成到建筑和可穿戴电子产品中的光伏应用方面具有很大的市场潜力。硅太阳能电池已成功地应用于大型发电厂。

然而，尽管经过了50多年的努力，由于柔性硅太阳能电池的刚性，其发展一直没有显著的进展。

在此，来自长沙理工大学的刘小春和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的Wenzhu Liu &张丽萍&孟凡英&狄增峰&刘正新等研究者提供了一种制造大规模可折叠硅片和柔性太阳能电池的策略。

相关论文以题为“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”于2023年05月24日发表在Nature上。

硅是地壳中最丰富的半导体元素；它被制成硅片，用于制造目前光伏市场上约95%的太阳能电池。然而，这些电池在弯曲应力下很脆，容易开裂，这限制了它们在柔性应用中的大规模使用。

目前，由非晶硅，Cu(In,Ga)Se₂, CdTe，有机物和钙钛矿制成的薄膜太阳能电池具有灵活性，但由于其低功率转换效率(PCE)，向环境中释放有毒物质，大面积情况下性能较差以及工作条件不稳定，其使用受到限制。

因此，许多可用的柔性太阳能电池没有吸引到客户，大多数制造它们的公司已经倒闭。在这项研究中，研究者提出了一种形态工程方法来制造可折叠晶体硅(c-Si)晶圆，用于大规模商业生产太阳能电池，效率显著。

研究者的第一个目标是制造具有强光捕获能力的可折叠c-Si晶圆。减少晶圆的厚度可以提高其灵活性，但由于c-Si是一种具有间接光学带隙的半导体，因此在厚度和光捕获效率之间存在权衡。

通过锯损伤去除，研究者将160 μm的晶圆厚度减小到60 μm。虽然晶圆开始表现出类似于一张纸的柔韧性，但由于超过30%的入射阳光被其光滑的表面反射，它不适合用于太阳能电池的制造。在c-Si表面化学构造微尺度金字塔作为一种有效的策略，被广泛应用于将反射率降低到10%以下，这是由于朗伯氏光捕获。

然而，当对这种纹理晶圆施加弯曲力时，最大应力位于金字塔之间的尖锐通道中，这在COMSOL Multiphysics中的固体力学模块的模拟中观察到。

这一结果与利用透射电子显微镜(TEM)获得的原位图像一致，在该图像中，在典型的微机械臂施加的弯曲载荷下，金字塔之间的通道中积累了弯曲应力。

进一步的模拟表明，当通道半径(R_p)从0 μm增加到2.3μm时，最大应力从0.25 MPa迅速降低到0.016 MPa。但是这种钝化处理使反射率增加到30%以上，这不利于光的收集。器件的光学模拟证实了这一点，其中钝化的晶片表现出较差的抗反射和光捕获。

在这里，研究者提供了一种制造大规模可折叠硅片和柔性太阳能电池的策略。在晶圆的边缘区域，晶圆表面金字塔之间的尖利通道总是开始出现裂纹。这一事实使得研究者能够通过钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅片的柔韧性。

这种边缘钝化技术使大规模(>240 cm²)、高效率(>24%)的硅太阳能电池能够商业化生产，这种电池可以像一张纸一样卷起来。这种电池在1000次左右弯曲循环后，仍能保持100%的能量转换效率。

在组装成大型(>10,000 cm²)柔性组件后，这些电池在- 70°C至85°C之间热循环120小时后，仍能保持99.62%的功率。此外，当它们附着在软气囊上时，在空气流动中暴露20分钟后，它们仍能保持96.03%的功率，软气囊模拟了暴风雨期间的风。

图1. 可折叠的晶片

图2. 断裂面GPA

图3. 太阳能电池(组件)性能

图4. 太阳能电池(组件)稳定性

总之，研究者证明了材料的机械性能，并不完全取决于它在原子水平上的晶格结构；中尺度的对称性也起着重要的作用。目前，研究者的生产线每天可以生产6万多个柔性SHJ电池，碎片率低于2%。

这为高性能柔性c-Si太阳能电池的商业化生产，提供了一种廉价的策略。这可能会在不久的将来导致柔性电池市场的显著增长。此外，这里展示的概念适用于太阳能电池制造，但不限于此；对其他柔性电子产品感兴趣的研究人员也应该对此感兴趣。

文献信息

Liu, W., Liu, Y., Yang, Z. et al. Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges. Nature 617, 717–723 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z#citeas

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