上海交大「国家杰青」「长江学者」团队Nature子刊：大面积、高效率破纪录！

第一作者：Taojian Wu、Zhaolang Liu

通讯作者：沈文忠、Hao Lin、Pingqi Gao

通讯单位：上海交通大学、中山大学

图1：TSRR（薄硅带加固环）结构的制备过程。

通过使用KOH和TMAH等碱性溶液将厚硅片刻蚀到所需厚度，然后在PECVD或LPCVD下在硅片两侧沉积70nm的硅氮化物（SiN_x），接着在一侧的中心区域去除SiN_x以形成开口，最后将硅片刻蚀至期望的厚度。

图中还展示了4英寸薄硅片的厚度测量和截面SEM图像，以及4.7-μm厚的TSRR结构硅片在白光下的光学图像，展示了其超薄度和高红光透过率。

图2：通过COMSOL Multiphysics研究了ATS（全薄硅）和TSRR结构在三种制造过程中的应力和变形情况，这些情况的破裂率非常高。

模拟结果显示，TSRR结构的加固环在受到外力作用时可以分散大量应力，从而使得TSRR结构的中心薄硅区域承受的力比ATS结构小。

图3：使用TSRR结构制造的自由支撑薄硅太阳能电池的流程图、截面SEM图像、光电流密度-电压（J-V）曲线以及反射率（R）、外部量子效率（EQE）和内部量子效率（IQE）。

图4：通过TCAD数值模拟，研究了TSRR结构对太阳能电池光电性能的影响，包括载流子传输机制以及中心薄硅区域的厚度和加固环宽度对太阳能电池性能的影响。

图5：TSRR结构的工业兼容性，包括纹理化TSRR硅片的图片、经过丝网印刷的TSRR硅片的正面和柔性性能，以及经过多次高温和湿法制造过程的TSRR硅片。

总结展望

本研究提出了一种新型的TSRR结构，通过仅增加三个步骤，即可在光伏工厂中大规模生产自支撑的4英寸4.7-μm厚的单晶硅片，这是迄今为止报道的最大面积的自支撑单晶硅。

通过COMSOL Multiphysics模拟，证实了TSRR结构在受到外力时能够分担大量应力，从而降低中心薄硅区域的受力，有效减少了太阳能电池制备过程中的破裂率。

实验中，28-μm厚的硅太阳能电池实现了20.33%的效率（认证效率为20.05%），这是目前报道的小于35μm厚的薄硅太阳能电池中的最高效率。此外，通过TCAD模拟，研究了TSRR结构对太阳能电池光电性能的影响，建议加固环的宽度占整个太阳能电池宽度的比例应小于10%，以保持高效率。

最后，研究者还展示了基于182×182 mm²伪方形硅片的50～60-μm纹理化TSRR硅片，并成功进行了丝网印刷、高温和湿法制造过程，证实了TSRR方法的工业兼容性。这项TSRR技术为大规模生产薄硅太阳能电池提供了一个可行的解决方案。

文献信息

标题：Free-standing ultrathin silicon wafers and solar cells through edges reinforcement

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48290-5