一、【科学背景】

自1941年首次报道以来，硅光电池取得了长足的发展。目前太阳能电池主要分为晶硅电池和薄膜电池，其中晶硅太阳能电池是目前光伏产业的支柱产业。晶硅太阳能电池以硅为主要材料，是目前最为成熟、应用最广的光伏发电技术，全球晶硅电池市占率达90%以上。传统的晶硅电池面临两大瓶颈问题：一是产业化的大面积晶硅电池其功率转换效率始终难以突破26%的关口；二是目前较为先进的晶硅电池厚度一般在150~180 μm范围内。因此，研发具有高转换效率、大面积、重量轻、柔韧性好、低成本的晶硅太阳能电池一直是研究人员的重要研究目标。为此，江苏科技大学陈代芬教授、许俊华教授、晏超教授联合隆基绿能科技股份有限公司徐希翔、李振国以及澳大利亚科廷大学邵宗平教授，攻克这一难题。

二、【科学贡献】

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。本研究采用了两步复合梯度钝化技术来解决这一矛盾。

图1  超薄、柔性SHJ太阳能电池的结构与制造工艺示意图 © 2024 Springer Nature

研究人员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。最终，制备了不同厚度(55-130μm)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)。

图2  电池统计参数和认证报告 © 2024 Springer Nature

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)，并且在测试中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。

图3  量子效率，损耗分析和稳定性测试 © 2024 Springer Nature

 三、【创新点】

本研究通过低损伤连续等离子体化学气相沉积技术以及自修复纳米晶播种和垂直生长方法，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（厚度为55-130 μm，PCE > 26%）。

四、【科学启迪】

综上，研究人员通过低损伤连续等离子体化学气相沉积技术以及自修复纳米晶播种和垂直生长方法，开发了用于制备超薄晶硅太阳能电池的表界面钝化、掺杂接触生长等新工艺。测试结果表明，厚度在57 μm至125 μm的5种产品，均取得26%以上的转换效率，最高达26.81%。其中，57 μm厚的电池功率重量比为1.9 W g^-1，曲率半径19 mm，功率重量比是市面现有产品的2-3倍。测试结果表明，这些太阳能电池具有出色的环境适应性和持久性，表明其在实际应用中具有良好的稳定性和可靠性。最后，通过对太阳能电池成本模型的分析，本文发现薄型太阳能电池相较于传统厚型电池具有更低的材料使用量和制造成本，为其商业化奠定了基础。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06948-y