复合梯度钝化、掺杂接触垂直生长助力刊发晶硅光伏行业首篇Nature：比纸还薄的高效率晶硅太阳能电池

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2024年，江苏科技大学李阳教授团队与隆基中央研究院徐希翔博士团队合作在Nature期刊上发表了题为“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”的最新研究成果。该工作打破了人们对晶硅太阳能电池厚重、易碎的传统印象，通过详细的机理研究与技术革新，首次报道了具有高柔韧性、高功率重量比的晶硅异质结太阳能电池。本工作证实了晶硅太阳能电池向“超薄、柔性”太阳能电池发展的可行性，大大拓展了晶硅电池的应用范围，并可能在不久的将来使其变得更轻、更薄、更高效。
【背景介绍】
晶硅（c-Si）太阳能电池一直是绿色、可再生能源的支柱，占全球发电量的3.6%，成为全球大部分地区最具成本效益的新发电选择。虽然c-Si太阳能电池目前占据光伏市场的95%以上，但也存在一些行业痛点。首先，硅片厚度通常为150-180 μm，在某些重量限制与柔韧性要求高的应用场景中，如卫星、航天器和无人机等，是不适用的，需要进一步减轻太阳能电池的重量并增强其柔韧性。因此，将c-Si晶片的厚度减小到比典型的c-Si太阳能电池薄得多，将“薄膜太阳能电池”的优势融入到c-Si太阳能电池中，是目前的研究热点。然而，几十年来，所有研究的薄型c-Si太阳能电池（55-130 μm）的功率转换效率（PCE）一直停留在23.27-24.70%的范围内。
最近，前后接触式硅异质结（SHJ）太阳能电池由于其在双面发电、低成本和可大规模生产方面的优势，已成为下一代光伏器件的有力竞争者。为了在可弯曲厚度（< 130 μm）的前提下进一步提高前后接触式SHJ太阳能电池的性能，仔细研究和优化每个工艺步骤（钝化、掺杂接触层生长、导电层沉积、栅线印刷），以及有效衔接各步骤，同时避免对界面造成不必要的损坏是必不可少的。
【研究内容】
本工作可以生产出厚度为55-130 μm，功率转换效率（PCE）高于26%的c-Si太阳能电池，并且具有高柔韧性的特点。因此，必须将柔性作为一个重要因素。我们将c-Si太阳能电池根据最小弯曲曲率半径（rb）分类：非柔性电池（rb > 63 mm），厚度大于150 μm；半柔性（SF）电池（38 mm < rb < 63 mm），厚度在100-150 μm之间；柔性超薄（FT）电池（rb < 38 mm），厚度小于100 μm（比A4纸还薄）。因此，本文展示了c-Si太阳能电池成为一类具有显著柔性和可塑性的薄膜太阳能电池的潜力（图1a），这些电池可以经历各种变形，如弯曲和卷曲。相比之下，传统的c-Si太阳能电池（≥ 150 μm）在相对较小的应力下会立即碎裂。

图1. 超薄、柔性SHJ太阳能电池的结构与制造工艺示意图
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。对于SHJ太阳能电池，钝化通常使用本征氢化非晶硅（i:a-Si:H）或富氢i:a-Si:H钝化层，但c-Si表面的外延枝晶生长无法避免。虽然氧掺杂被认为有利于抑制外延生长，但它会引起钝化层的电学性能下降。本工作采用了两步复合梯度钝化技术来解决这一矛盾（图1b）。在第一阶段，含氧非晶硅亚纳米层通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积。超薄含氧钝化层阻止了c-Si晶体排列的周期性继续向外延伸，同时最大限度地减少了氧掺杂对后续钝化层电学性能的影响。在第二阶段，在i:a-SiOx:H (1)上继续沉积厚度为4.5 nm的无外延i:a-Si:H (2)钝化层，以加强钝化效应并隔离随后的掺杂接触。与传统的富氢i:a-Si:H/a-Si:H相比，i:a-SiOx:H(1)/a-Si:H(2)复合钝化层使PCE提高了0.34%（图2a）。

图2. 钝化和纳米晶接触层生长
后续，研究者还创造性地使用了低损伤连续等离子体化学气相沉积来防止钝化层损伤.为了使光生电子/空穴得到有效的分离，开发了纳米晶孪化与垂直生长技术，使掺杂接触层中的纳米晶垂直生长（与载流子迁移方向一致），最大程度降低迁移电阻。以及无接触激光转印来沉积低遮光面积的栅线。最终，制备了不同厚度(55-130 μm)的高性能SHJ电池，效率分别为26.06% (57 μm)、26.19% (74 μm)、26.50% (84 μm)、26.56% (106 μm)和26.81% (125 μm)。晶圆减薄不仅降低了重量和成本，而且有利于电荷迁移和分离。结果表明，与厚电池相比，57 μm柔性超薄太阳能电池具有最高的功重比(1.9 W g−1)和开路电压(761 mV)。

图3. 电池统计参数和认证报告
本次研究中用到的所有太阳能电池的测试面积为274.4 cm2，电池组件在电位诱导衰退和光致衰退测试中均表现出了充分的可靠性。这一技术进步为柔性、轻量化、低成本和高效率的太阳能电池的商业化提供了基础，可弯曲或卷曲的晶硅光伏组件有望成为现实。

图4. 量子效率，损耗分析和稳定性测试

【总结与展望】
本文提出了一种创新的方法，将传统的c-Si太阳能电池转变为具有显著柔性和轻量化特性的薄膜太阳能电池。通过降低硅片厚度并利用复合梯度钝化技术和自修复纳米晶形核等先进工艺，研究者成功地提高了电池的功率转换效率，同时保持了其柔韧性。这不仅拓展了太阳能电池在极端应用场景下的应用可能性，如卫星、航天器和无人机等，还为光伏商业化提供了实际基础。此外，本文还突破性地提出了复合梯度钝化技术，解决了外延生长和氧掺杂对钝化触点电学性能的矛盾，为硅异质结太阳能电池的稳定性和效率提升提供了新的思路和技术支持。综合而言，本研究的创新性成果为电池领域的进一步发展和实际应用提供了重要的科学启示，有望推动太阳能电池技术的进一步突破和应用推广。

欢迎材料、化学、能源、物理、工程技术等相关领域的专家学者引用该研究成果：
Li, Y., Ru, X., Yang, M. et al. Flexible silicon solar cells with high power-to-weight ratios. Nature 626, 105–110 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06948-y。

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