江科大、隆基绿能联合刊发首篇Nature：比纸还薄的高效率晶硅太阳能电池

第一作者：李阳、汝小宁、杨苗、郑雨荷 
通讯作者：陈代芬、许俊华、晏超、李振国、徐希翔、邵宗平

通讯单位：江苏科技大学、隆基绿能科技股份有限公司、科廷大学（澳大利亚）

论文DOI：10.1038/s41586-023-06948-y

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北京时间2024年2月1日，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（<130μm）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。

图1. 超薄、柔性SHJ太阳能电池的结构与制造工艺示意图

【研究出发点】
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（r_b）分类：非柔性电池（r_b > 63 mm），厚度大于150 μm；半柔性（SF）电池（38 mm < r_b < 63 mm），厚度在100-150 μm之间；柔性超薄（FT）电池（r_b < 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（≥ 150μm）在相对较小的应力下会立即碎裂。

图2. 钝化和纳米晶接触层生长

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-SiO_x: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-SiO_x:H(1)/a-Si:H(2)复合钝化层使PCE提高了0.34%（图2a）。

图3. 电池统计参数和认证报告

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% (74μm)、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)。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】

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，当我们把晶体硅太阳能电池做的比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。

本工作特别致谢江苏省人民政府“科技镇长团”项目。自2021年起，中共江苏省委组织部选派江苏科技大学李阳教授进入“晶硅光伏”产业链，推动“强链、补链、固链、延链”取得实质性进展。

【课题组介绍】

本文第一作者：李阳，博士，教授，现任江苏科技大学科学技术研究院副院长。分别于厦门大学化学化工学院获学士学位（2010年），天津大学化工学院获博士学位（2015年），期间受国家留学基金委公派前往瑞士联邦洛桑理工学院（EPFL）进行博士研究生的联合培养。入选江苏省“333高层次人才培养工程”、镇江市“青年科技人才托举工程”、荣获全省高校、科研院所节约创效“金点子”、江苏省科技镇长团荣誉团员，镇江市科技创新先进个人、优秀论文专著等荣誉与称号。目前，已经在Nature, npj Flexible Electronics, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Communications等杂志发表论文20余篇。兼职担任西安交通大学泓芽生命生态研究院首席科学家，《稀有金属》期刊青年编委。课题组主要从事主要从事能源化学、光伏技术、“双碳”领域研究，具有充足的科研经费、实验室空间和全新的实验设备，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06948-y