第一作者：Taojian Wu、Zhaolang Liu

通訊作者：沈文忠、Hao Lin、Pingqi Gao

通訊單位：上海交通大學(xué)、中山大學(xué)

圖1：TSRR（薄硅帶加固環(huán)）結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程。

通過(guò)使用KOH和TMAH等堿性溶液將厚硅片刻蝕到所需厚度，然后在PECVD或LPCVD下在硅片兩側(cè)沉積70nm的硅氮化物（SiN_x），接著在一側(cè)的中心區(qū)域去除SiN_x以形成開(kāi)口，最后將硅片刻蝕至期望的厚度。

圖中還展示了4英寸薄硅片的厚度測(cè)量和截面SEM圖像，以及4.7-μm厚的TSRR結(jié)構(gòu)硅片在白光下的光學(xué)圖像，展示了其超薄度和高紅光透過(guò)率。

圖2：通過(guò)COMSOL Multiphysics研究了ATS（全薄硅）和TSRR結(jié)構(gòu)在三種制造過(guò)程中的應(yīng)力和變形情況，這些情況的破裂率非常高。

模擬結(jié)果顯示，TSRR結(jié)構(gòu)的加固環(huán)在受到外力作用時(shí)可以分散大量應(yīng)力，從而使得TSRR結(jié)構(gòu)的中心薄硅區(qū)域承受的力比ATS結(jié)構(gòu)小。

圖3：使用TSRR結(jié)構(gòu)制造的自由支撐薄硅太陽(yáng)能電池的流程圖、截面SEM圖像、光電流密度-電壓（J-V）曲線以及反射率（R）、外部量子效率（EQE）和內(nèi)部量子效率（IQE）。

圖4：通過(guò)TCAD數(shù)值模擬，研究了TSRR結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能電池光電性能的影響，包括載流子傳輸機(jī)制以及中心薄硅區(qū)域的厚度和加固環(huán)寬度對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響。

圖5：TSRR結(jié)構(gòu)的工業(yè)兼容性，包括紋理化TSRR硅片的圖片、經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)印刷的TSRR硅片的正面和柔性性能，以及經(jīng)過(guò)多次高溫和濕法制造過(guò)程的TSRR硅片。

總結(jié)展望

本研究提出了一種新型的TSRR結(jié)構(gòu)，通過(guò)僅增加三個(gè)步驟，即可在光伏工廠中大規(guī)模生產(chǎn)自支撐的4英寸4.7-μm厚的單晶硅片，這是迄今為止報(bào)道的最大面積的自支撐單晶硅。

通過(guò)COMSOL Multiphysics模擬，證實(shí)了TSRR結(jié)構(gòu)在受到外力時(shí)能夠分擔(dān)大量應(yīng)力，從而降低中心薄硅區(qū)域的受力，有效減少了太陽(yáng)能電池制備過(guò)程中的破裂率。

實(shí)驗(yàn)中，28-μm厚的硅太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了20.33%的效率（認(rèn)證效率為20.05%），這是目前報(bào)道的小于35μm厚的薄硅太陽(yáng)能電池中的最高效率。此外，通過(guò)TCAD模擬，研究了TSRR結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能電池光電性能的影響，建議加固環(huán)的寬度占整個(gè)太陽(yáng)能電池寬度的比例應(yīng)小于10%，以保持高效率。

最后，研究者還展示了基于182×182 mm2偽方形硅片的50～60-μm紋理化TSRR硅片，并成功進(jìn)行了絲網(wǎng)印刷、高溫和濕法制造過(guò)程，證實(shí)了TSRR方法的工業(yè)兼容性。這項(xiàng)TSRR技術(shù)為大規(guī)模生產(chǎn)薄硅太陽(yáng)能電池提供了一個(gè)可行的解決方案。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Free-standing ultrathin silicon wafers and solar cells through edges reinforcement

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48290-5