作者:徐希翔等 来源:《自然》 发布时间:2024/2/4 11:29:47
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具有高功率重量比的柔性晶硅太阳能电池

 

北京时间2024年2月1日,隆基绿能科技股份有限公司徐希翔博士团队与江苏科技大学李阳教授团队合作在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。

本成果突破了人们对晶硅太阳能电池的传统印象(厚重、易碎),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。论文共同第一作者是李阳、汝小宁、杨苗;论文共同通讯作者为江苏科技大学陈代芬、许俊华、晏超,隆基绿能李振国、徐希翔,澳大利亚科延大学邵宗平。

晶硅太阳能电池是目前光伏产业的支柱产业,2023年光伏发电量已占全球发电量的5%以上,已成为世界上大多数地区最具成本效益的发电选择。但目前较为先进的晶硅电池技术,包括钝化发射极背接触(PERC)、隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)、硅异质结(SHJ),电池厚度一般在130~180 μm范围内,重量大、易破碎、柔韧性低。对安装弧度要求高和重量要求严苛的使用环境,如海面漂浮式光伏(海)、曲面屋顶车顶(陆)、卫星空间站(空)等,晶硅太阳能电池无法完全满足要求。因此,研发具有高转换效率、大面积、重量轻、柔韧性好、成本低廉的晶硅太阳能电池一直是研究人员的梦想。隆基中央研究院徐希翔博士团队长期致力于高性能晶硅异质结太阳能电池的研发工作,与江苏科技大学李阳教授团队共同承担开展了“超薄、柔性”晶硅异质结太阳能电池的攻关课题。

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图1:“超薄、柔性”晶硅异质结太阳能电池结构与工艺示意图。

提升光伏效率的关键在于使其内部光生载流子高效分离,因此,改善晶硅电池的表界面钝化质量、提升掺杂接触的分离效率成为研究课题的重中之重。首先,为了防止钝化层中的外延生长(晶体按原有顺序规则排列),研究组实施了针对性的复合梯度钝化方法。预先在晶硅表面生长一层含氧的氢化非晶硅亚纳米层i:a-SiOx:H(< 0.5 nm),以破坏外延生长条件(即破坏晶体规则性),再沉积一层~4.5 nm厚的i:a-Si:H钝化层。此外,为了使光生电子/空穴得到有效的分离,研究组开发了纳米晶垂直生长技术,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。

图2:“超薄、柔性”晶硅异质结太阳能电池的钝化与纳米晶接触。

当然,高效晶硅电池的研发是一项极为细致的工作,为此,研究组还采用了低损伤反应等离子沉积(RPD)技术制备透明导电层(ICO),采用无接触激光转印技术形成低遮挡面积的银栅线。最终在57~125 μm厚的“超薄、柔性”晶硅异质结太阳能电池上实现了26.06~26.81%的光电转换效率(德国哈梅林太阳能研究所认证),最佳功率重量比达到了1.9 W/g,曲率半径为19 mm。

图3:“超薄、柔性”晶硅异质结太阳能电池的性能、功率重量比、曲率半径、量子效率。

过去,提到“薄膜太阳能电池”的概念,人们通常想到的是非晶硅或者有机太阳能电池。然而,当研究组把晶体硅太阳能电池做得比A4纸(~100 μm)更薄,并且转换效率>26%,晶硅太阳能电池已逐步进入了薄膜太阳能电池领域,并有极大潜力变得更轻、更薄、更高效。这项工作弥补了晶硅电池的一个短板,可以想象,在未来,晶硅太阳能电池也可以像薄膜电池一样卷起来,放在人们的背包或汽车后备箱里。

该工作特别致谢江苏省人民政府“科技镇长团”项目。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06948-y

 
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