顶刊 | 登上Nature封面!一种基于边缘钝化硅片的柔性太阳能电池


发布时间:

2023-12-14

柔性光伏太阳能电池具有轻薄、防震、自供电等特征,有集成到建筑物或可穿戴电子设备中的巨大潜力。如果大家留意就会发现,晶硅太阳能电池是当今社会中应用最为广泛的太阳能电池,在日常生活中随处可见,尽管科学家们已经付出了巨大努力,但是晶体硅太阳能电池不可折弯,脆性较高等局限性大大限制了晶体硅太阳能电池的柔性应用场景。

柔性光伏太阳能电池具有轻薄、防震、自供电等特征,有集成到建筑物或可穿戴电子设备中的巨大潜力。如果大家留意就会发现,晶硅太阳能电池是当今社会中应用最为广泛的太阳能电池,在日常生活中随处可见,尽管科学家们已经付出了巨大努力,但是晶体硅太阳能电池不可折弯,脆性较高等局限性大大限制了晶体硅太阳能电池的柔性应用场景。对于常规的绒面晶体硅晶圆,裂纹的源头往往发生在晶圆边缘处的金字塔谷处,“金字塔谷”是造成应力集中和晶圆弯曲失效的根源。针对这种现象,长沙理工大学刘小春教授和刘玉敬教授采用安徽泽攸科技生产的原位透射电镜样品杆,在透射电镜中对硅片进行了原位弯曲测试,在原位压缩/弯曲实验中,他们发现压缩或者弯曲时传统晶体硅太阳能电池表面呈金字塔谷的应力集中现象,这与动态分子动力学模拟结果吻合较好,证实了传统的晶体硅电池在弯曲时金字塔谷应力容易集中。

针对这种现象,中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文柱等人提出了一种钝化晶圆边缘处金字塔结构的方法,来提高硅晶圆的柔性,从而用于制备柔性太阳能电池。他们发现,钝化后的硅基片在断裂过程中会消耗更多能量,从而使晶体硅具备了‘柔性’特质。刘小春教授团队人员也借助于先进的球差校正透射电子显微镜表征技术和几何相位分析方法(GPA analysis),验证了边缘钝化硅基片具有柔性特征的深层次机理。

基于这种创新性的边缘钝化技术,研究人员使大规模商业化的高效率硅太阳能电池能像纸张一样折叠、弯曲。工艺改进后的太阳能电池在边对边弯曲1000次之后仍然能够100%保持弯曲前的转换效率。相关研究成果以Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges.为题发表在期刊《Nature》上。刘文柱,刘玉敬,杨自强,徐常清为该论文的共同第一作者,刘文柱(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)、刘小春(长沙理工大学)、张丽平(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)、孟凡英(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)、狄增峰(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)、刘正新(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)为论文的共同通讯作者。

图1:可折叠硅基片:a,通过酸溶液有效去除边缘区域的锋利金字塔得到织构化的晶体硅基片。b,140微米厚的织构化晶体硅基片的垂直加载力-位移曲线,其中边缘区域在氢氟酸、硝酸混合酸溶液中钝化0、15和30秒。c,绘制了表面有金字塔特征织构化晶体硅基片(60微米厚)的挠曲半径—混合酸溶液钝化时间曲线。为了进行比较,显示了60微米织构化晶体硅基片和准平面晶体硅基片的挠曲半径。我们还计算了60微米厚晶体硅基片的理论挠曲半径为Rb = ED/2σ,其中E,D和σ分别是弹性模量,晶片厚度和拉伸屈服强度的模量。插图:尺寸为15.6 cm×15.6 cm的60微米织构化晶体硅基片,其中边缘区域在酸溶液中钝化了90 秒。

图2:断面几何相位分析:a,b,具有尖锐(a)和圆润(b)金字塔的硅晶片断面的形貌。粉红色的线标记了用聚焦离子束加工沉积的位置,为了保护样品断面在透射电子显微镜下观察。c,d,高分辨高角环形暗场扫描透射原子图像显示了从硅晶片断裂面沿着[001]方向观察的几十个原子排列的深度,具有尖锐(c)和圆润(d)金字塔,其中在断裂面上沉积了保护碳层。几何相位分析区域通过虚线方格突出显示。e,f,尖锐金字塔晶片x方向(e)和y方向(f)的弹性点阵应变分布。g,h,圆形金字塔晶片x方向(g)和y方向(h)的弹性点阵应变分布。白色箭头标志着巨大的扩张应变。正值和负值分别代表晶格膨胀和收缩。x方向平行,y方向垂直于a和b中标记的断面。标尺,5 微米 (a,b);5 纳米 (c-h)。

支撑数据图2:原位弯曲实验。a,ZEPTOOLS(泽攸科技)PicoFemto透射电镜原位力学样品杆。b,用压电机械臂控制的钨针尖处理晶体硅箔的左侧。c,在加载弯曲力之前,弯曲轮廓线随机分布在晶体硅箔上。d,加载弯曲应力之后,这些弯曲轮廓线收集在金字塔之间的尖锐通道中(白色箭头),表明大部分应力集中在这些尖锐通道中。黄色方框表明加载弯曲力后,大部分应力转移到附近的尖锐通道。在这里,暗条纹是由应力诱导的晶格变形引起的。

图4:光伏模组稳定性。a,柔性硅异质结太阳能电池在弯曲循环过程中的性能演变。在每个循环中,一个边缘折叠以接触相反的边缘。这种折叠保持超过10秒。b,将大型(>10000 cm2)柔性硅异质结太阳能模组附加到气囊上。气囊内部的压力比大气压大94.7-830 帕斯卡。通过风扇将空气吹在模块上模拟30 米每秒的剧烈风暴20 分钟。c,d,模块的功率(c)和电致发光图像(d),连续空气冲击20 分钟模拟剧烈风暴。e,5个柔性硅异质结太阳能模组在零下70 ℃和85 ℃之间冻融循环120 小时前后的相对功率。在每个循环中,模块在零下70 ℃下保持1 小时,然后在85 ℃下保持1 小时。

Nature副主编Yohan Dall’Agnese评论到:当我第一次阅读这项研究时,我印象深刻的是,简单地钝化硅片的边缘可以带来灵活性和高效率之间的较好平衡。这项工作还突出了它对织构化晶硅片的机械性能的洞察,以及作者利用这些特性来开发高性能柔性太阳能电池的创造力,并为大规模应用提供了一个令人信服的案例刘文柱&刘正新研究团队希望这项工作和由此产生的柔性太阳能模块的演示将刺激大规模柔性太阳能电池市场的增长。此外,该研究团队已经证明材料的机械性能并不完全由其原子水平上的晶格结构决定;中尺度对称性也有显著的作用。这一发现可能与包括但不限于太阳能电池制造在内的领域有关。它也可能引起其他领域研究人员(例如遇到材料脆性挑战的柔性电子器件)的广泛兴趣。60微米晶体硅基片的理论弯曲半径应该在0.72毫米左右,研究团队目前不知道为何能够达到的最低弯曲半径只有4毫米左右。进一步的研究应集中在探求晶片侧面(相对于它的边缘)上硅晶格的取向是否影响机械性能。未来该研究团队将尝试通过优化晶片边缘切割的角度来进一步减小晶片的弯曲半径,希望这将进一步推动自供能飞机等应用的发展。安徽泽攸科技有限公司(Anhui Zeyou Technology Co., Ltd)作为国内原位电子显微镜行业的先行者,推出的PicoFemto®透射电镜原位多场耦合样品杆为该工作提供了技术支持作为泽攸科技战略合作伙伴,长沙理工大学有多套泽攸科技的电子显微镜原位表征仪器特别鸣谢长沙理工大学刘小春教授、刘玉敬教授、吴翔老师在泽攸科技电子显微镜原位表征产品宣传推广方面做出的贡献!

文中实验方法截图

a文中所用多场耦合样品杆的渲染照片

上图JEOL(日本电子)TEM兼容,下图Thermo Fisher Scientific(赛默飞)TEM 兼容

安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供卓越的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在类的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在高端精密仪器领域的诸多空白。