打破校史，江苏科技大学，首篇Nature!

具有高功率重量比的柔性硅太阳能电池

晶体硅（c-Si）太阳能电池一直是绿色和可再生能源的支柱，占全球发电量的 3.6%，在世界大部分地区已成为最具成本效益的新发电选择。尽管晶体硅太阳能电池目前占太阳能电池市场的 95% 以上，其晶圆厚度通常为 150-180 μm，但在一些极端应用场景（如卫星、航天器和无人机）中无法使用，因此需要进一步减轻太阳能电池的重量并提高其灵活性。因此，将晶体硅晶片的厚度减至比典型晶体硅太阳能电池薄得多，从而将 "薄膜太阳能电池 "的优势融入晶体硅太阳能电池，成为许多研究的重点。

在这里，江苏科技大学陈代芬教授、许俊华教授、晏超教授联合隆基中央研究院李振国、徐希翔博士和科廷大学邵宗平教授共同报告了一种既能提高硅异质结太阳能电池的功率转换效率，又能使其具有柔性的组合方法。作者使用低损伤的连续等离子体化学气相沉积技术来防止外延，使用自恢复纳米晶播种和垂直生长技术来开发掺杂触点，并使用无接触激光转移印花技术来沉积低阴影栅线。制造出不同厚度（55-130 微米）的高性能电池，经认证的效率分别为26.06%（57 微米）、26.19%（74 微米）、26.50%（84 微米）、26.56%（106 微米）和 26.81%（125 微米）。晶片减薄不仅降低了重量和成本，而且有利于电荷迁移和分离。研究发现，与厚太阳能电池相比，57 μm 的柔性薄太阳能电池显示出最高的功率重量比（1.9 W g -1）和开路电压（761 mV）。这一技术进步为柔性、轻质、低成本和高效太阳能电池的商业化提供了实用基础，预计可将晶体硅太阳能电池弯曲或卷起用于旅行。相关成果以“Flexible silicon solar cells with high power-to-weight ratios”为题发表在《Nature》上，第一作者为Yang Li，Xiaoning Ru, Miao Yang, Yuhe Zheng为共同一作。值得一提的是，这是江苏科技大学校史的首篇《Nature》。

高效柔性薄型 SHJ 太阳能电池

本文可以生产出 PCE >26% 的晶体硅太阳能电池，其厚度在 55-130 μm 之间，同时具有高 PCE 和灵活性的特点。作者证明了晶硅太阳能电池成为一类具有显着柔性和可塑性的薄膜太阳能电池的潜力（图1a），电池可以经历各种变形，例如弯曲和卷曲。相比之下，传统的晶体硅太阳能电池（≥150 μm）只要发生相对较小的变形，就会立即破裂。

图 1：FT 和 SF SHJ 太阳能电池示意图

防外延复合梯度钝化

解决FT和SF电池效率瓶颈的第一步是实现良好的钝化接触。本工作采用两阶段复合梯度钝化工艺来实现（图1b）。在第一阶段，在 2-3 个含氧非晶硅亚纳米层（<0.5 nm）原子层上双面生长通过等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 制备 c-Si。超薄钝化层i:a-SiO x :H (1)防止c-Si晶体排列的周期性向外延续，同时最大限度地减少氧掺杂对钝化电性能的影响。第二阶段，在 i:a-SiO x :H (1) 上刻意涂覆一层厚度约为 4.5 nm 的无外延钝化层，加强钝化效果并隔离后续掺杂层。与传统富氢i:a-Si:H/a-Si:H相比复合钝化层数使PCE增加了0.34%（图2a）。

图 2：钝化和纳米晶触点

低损伤连续等离子体 CVD 操作

传统的不连续等离子体 CVD 工艺并不理想，因为亚纳米层对等离子体的波动和复燃（瞬时高压浪涌）非常脆弱和敏感。i:a-SiOx:H (1) 经过分步 PECVD 过程后，发现其表面分布着穿孔缺陷，峰值粗糙度为 0.5 nm（图 2b）。这些破坏性空位可作为晶体硅外延生长的新基础，损害 i:a-SiOx:H (1) 的钝化功能。因此，本文将常用的分步式工艺调整为一步式连续等离子体 CVD 钝化工艺，使 i:a-Si:H (2) 可以在 i:a-SiOx:H (1) 上连续生长，同时保证防止外延的 i:a-SiOx:H (1) 亚纳米层的完整性（图 2c），从而获得最佳的钝化效果。在上述优化的基础上，通过保护性连续等离子体 CVD，电池性能明显得到全面提高，与离散 PECVD 工艺相比，PCE、FF、VOC 和短路电流（JSC）的平均值分别提高了 0.30%、0.42%、1.0 mV 和 0.22 mA cm-2（图 2f-i）。

电池性能和认证

本文在 55-130 μm 的整个范围内实现了 26% 以上的效率，如图 3a 所示，并获得了哈梅林太阳能研究所的认证。图 3b-f 分别显示了厚度为 57 μm（26.06%）、74 μm（26.19%）、84 μm（26.50%）、106 μm（26.56%）和 125 μm（26.81%）的电池的证书（这是迄今为止每种厚度的最高值）。值得注意的是，SF 电池（125 μm）获得了最高的晶体硅太阳能电池效率，据我们所知，FT 电池（57 μm）获得了所有晶体硅太阳能电池中最高的 VOC（761 mV）。这项工作的重要性还体现在每种厚度的功率重量比（PWR）上（图 3g）。FT 电池（57 微米）的功率重量比达到 1.9 W g-1，据我们所知，这是目前晶体硅太阳能电池的最高水平，是 125 微米 SF 电池（0.89 W g-1）的两倍多。同时，减薄带来的灵活性也得到了大幅提高，使电池的曲率半径达到 19.6 毫米。这为无人机、航天器和其他对重量和灵活性要求极高的应用提供了新的可能性。

图3：参数统计和认证报告

外部量子效率和稳定性测试

电池减薄有两个好处，以理论极限（29.1%）为基准的绝对效率损失模型（图 4a）证明了这一点。首先，硅基质的电阻减小，使电阻损耗从 0.37%（125 μm）降低到 0.31%（57 μm）。其次，光生载流子的迁移距离缩短，降低了重组概率，外重组损耗从 0.49%（125 μm）降至 0.46%（57 μm）。因此，从图 4b 可以看出，在紫外-可见光（UV-Vis）区域，外部量子效率随着电池变薄而提高。然而，近红外（NIR）光的吸收深度超过了电池厚度，因此随着电池变薄，近红外范围内的外部量子效率下降，光损耗从 1.44% (125 μm) 增加到 2.27% (57 μm)，这是导致 JSC 随电池变薄而下降的主要原因。如图 4c 所示，FT 电池（57 μm）的近红外损耗比 SF 电池（125 μm）高 0.35 mA cm-2，而最薄的 FT 电池的蓝光（紫外可见光）损耗最低，比 PCE 最好的电池低 0.22 mA cm-2。此外，由于采用了先进的 LTP 工艺，遮光损失降低到了 1.7%。

图 4：量子效率、损耗元素和稳定性

为了全面研究电池的性能，作者根据国际电工委员会 61215:2021 标准系统地研究了 FT 和 SF SHJ 太阳能电池的稳定性。经过 96 小时的电位诱导衰减（PID）老化测试，FT 和 SF 电池的功率衰减约为 0.6%（图 4f），远低于阈值（5%）。此外，在光诱导降解老化试验过程中，在 20 kWh m -2 的累积光照下，衰减不应高于 1%。上述结果表明，FT 和 SF 电池具有环境适应性和耐久性。此结构的另一个优点是原材料成本较低。根据最新的SHJ太阳能电池成本模型，FT和SF电池每薄化10μm，可以减少约7%的硅用量，并节省约3%的总体制造成本。

来源：高分子科学前沿

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