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柔性太陽能電池，具有重量輕、防震和自供電的特點，在集成到建筑和可穿戴電子產品中的光伏應用方面具有很大的市場潛力。硅太陽能電池已成功地應用于大型發電廠。

然而，盡管經過了50多年的努力，由于柔性硅太陽能電池的剛性，其發展一直沒有顯著的進展。

在此，來自長沙理工大學的劉小春和中國科學院上海微系統與信息技術研究所的Wenzhu Liu &張麗萍&孟凡英&狄增峰&劉正新等研究者提供了一種制造大規模可折疊硅片和柔性太陽能電池的策略。

相關論文以題為“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”于2023年05月24日發表在Nature上。

硅是地殼中最豐富的半導體元素；它被制成硅片，用于制造目前光伏市場上約95%的太陽能電池。然而，這些電池在彎曲應力下很脆，容易開裂，這限制了它們在柔性應用中的大規模使用。

目前，由非晶硅，Cu(In,Ga)Se₂, CdTe，有機物和鈣鈦礦制成的薄膜太陽能電池具有靈活性，但由于其低功率轉換效率(PCE)，向環境中釋放有毒物質，大面積情況下性能較差以及工作條件不穩定，其使用受到限制。

因此，許多可用的柔性太陽能電池沒有吸引到客戶，大多數制造它們的公司已經倒閉。在這項研究中，研究者提出了一種形態工程方法來制造可折疊晶體硅(c-Si)晶圓，用于大規模商業生產太陽能電池，效率顯著。

研究者的第一個目標是制造具有強光捕獲能力的可折疊c-Si晶圓。減少晶圓的厚度可以提高其靈活性，但由于c-Si是一種具有間接光學帶隙的半導體，因此在厚度和光捕獲效率之間存在權衡。

通過鋸損傷去除，研究者將160 μm的晶圓厚度減小到60 μm。雖然晶圓開始表現出類似于一張紙的柔韌性，但由于超過30%的入射陽光被其光滑的表面反射，它不適合用于太陽能電池的制造。在c-Si表面化學構造微尺度金字塔作為一種有效的策略，被廣泛應用于將反射率降低到10%以下，這是由于朗伯氏光捕獲。

然而，當對這種紋理晶圓施加彎曲力時，最大應力位于金字塔之間的尖銳通道中，這在COMSOL Multiphysics中的固體力學模塊的模擬中觀察到。

這一結果與利用透射電子顯微鏡(TEM)獲得的原位圖像一致，在該圖像中，在典型的微機械臂施加的彎曲載荷下，金字塔之間的通道中積累了彎曲應力。

進一步的模擬表明，當通道半徑(R_p)從0 μm增加到2.3μm時，最大應力從0.25 MPa迅速降低到0.016 MPa。但是這種鈍化處理使反射率增加到30%以上，這不利于光的收集。器件的光學模擬證實了這一點，其中鈍化的晶片表現出較差的抗反射和光捕獲。

在這里，研究者提供了一種制造大規模可折疊硅片和柔性太陽能電池的策略。在晶圓的邊緣區域，晶圓表面金字塔之間的尖利通道總是開始出現裂紋。這一事實使得研究者能夠通過鈍化邊緣區域的金字塔結構來提高硅片的柔韌性。

這種邊緣鈍化技術使大規模(>240?cm²)、高效率(>24%)的硅太陽能電池能夠商業化生產，這種電池可以像一張紙一樣卷起來。這種電池在1000次左右彎曲循環后，仍能保持100%的能量轉換效率。

在組裝成大型(>10,000 cm²)柔性組件后，這些電池在- 70°C至85°C之間熱循環120小時后，仍能保持99.62%的功率。此外，當它們附著在軟氣囊上時，在空氣流動中暴露20分鐘后，它們仍能保持96.03%的功率，軟氣囊模擬了暴風雨期間的風。

圖1. 可折疊的晶片

圖2. 斷裂面GPA

圖3. 太陽能電池(組件)性能

圖4. 太陽能電池(組件)穩定性

總之，研究者證明了材料的機械性能，并不完全取決于它在原子水平上的晶格結構；中尺度的對稱性也起著重要的作用。目前，研究者的生產線每天可以生產6萬多個柔性SHJ電池，碎片率低于2%。

這為高性能柔性c-Si太陽能電池的商業化生產，提供了一種廉價的策略。這可能會在不久的將來導致柔性電池市場的顯著增長。此外，這里展示的概念適用于太陽能電池制造，但不限于此；對其他柔性電子產品感興趣的研究人員也應該對此感興趣。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

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