Adv. Energy Mater.:波纹结构用于超柔性的晶圆级高效硅太阳电池

【 成果简介 】

柔性太阳能电池技术为广泛的应用奠定了基础。这主要是由自供电技术的需要引发的。最近的研究已经集中于通过材料创新和设备调节发展无机和有机柔性薄膜太阳能电池。硅基太阳能电池是光伏技术中研究最为广泛的材料之一。然而,薄膜硅太阳能电池是在厚的硅太阳能电池是不利的。目前存在两种主要的方法用于制备无机和有机柔性薄膜太阳能电池。一种是直接在柔性基质上沉积无机和有机柔性薄膜太阳能电池。第二种方法是转移打印技术,它采用传统的刚性基板制作然后转移到弹性基板上。第二种方法克服了由衬底热不相容性导致的性能限制,但是其成本高、效率低下。所以,特别是在批量生产中大面积应用中,机械性、性能和稳定性之间的权衡仍然是一个重大的挑战。

近日,沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Muhammad M. Hussain(通讯作者)Adv. Energy Mater.上发表最新研究成果“Corrugation Architecture Enabled Ultraflexible Wafer-Scale High-Efficiency Monocrystalline Silicon Solar Cell”。在该文中,研究者报道了一种互补金属氧化物半导体基的集成策略。波纹结构用于制备超柔性和低成本的单晶大规模(127×127 cm2)太阳能电池组件,可以实现17%的功率转换效率。这种周期性的波纹序列从可互换的太阳能电池阵列分割方案中获益。它保留240µm活性硅厚度,并且通过相互叉合的背接触实现了灵活性。这些电池能可逆地承受高机械应力和可变形为曲折和双面模块。

【 图文解读 】

波纹的c-Si太阳能电池的力学适应性如图1所示。我们使用叉合背接触的127×127mm2的太阳能电池。每个晶片在一个260 µm厚的体硅圆片包括叉合的P区和N区。为了达到极端的灵活性,波纹结构或分割策略被用于IBC晶片上,如图1a和b所示。图1c为褶皱的c-Si太阳能电池的光学图像,显示极高的机械弯曲柔性。它不仅可以弯曲,还可以变形为不同的构型,如图1e和f所示。图1g为齿形的器件前视图。这可以显示非凡的灵活性和叉合背接触的塑性变形。实际的弯曲角度为71.4°,如SEM所示。顶视图的SEM表明,IBC电极正负极的宽度分别为0.42和1.6 mm,如图1i所示。图1j显示了背接触的极端弯曲灵活性,太阳能电池段可以在半径<140µm左右进行折叠。

Adv. Energy Mater.:波纹结构用于超柔性的晶圆级高效硅太阳电池

图1 超灵活的晶体硅太阳能电池

(a)超灵活的褶皱的硅太阳电池的示意图

(b)叉合背接触褶皱的硅太阳电池的普通电极

(c)硅IBC太阳电池的高弯曲灵活度

(d)硅IBC太阳电池的高弯曲平整度

(e)硅IBC太阳电池的锯齿形模型

(f)硅IBC太阳电池折叠片以获得双面显示

(g)硅IBC太阳电池的齿形侧视图和内角

(h)表明锯齿变形的截面SEM图

(i)表明叉合接触变形的顶视图

(j)表明褶皱结构的光学图像

(k)背接触的曲率最小弯曲半径

(l)折叠铝触点和硅段的pop视图

为了验证此工艺可以应用在工业晶体硅太阳能电池模块中,将此技术设计用于5′′晶圆尺寸,主要的弯曲步骤如图2a所示。光刻胶和Kapton胶带作为硬掩模。此外,在弯曲的过程完成的后,光刻蚀层能顺利无残留地剥离在太阳活跃区的Kapton。为了评估IBC表面和硅刻蚀进展的等离子体刻蚀效应,作者表征了SEM截面图,Zygo剖面测试,IBC表面粗造度和次级离子质谱分析。图2b显示了等离子刻蚀完成后的光学照片。图2c显示了IBC接触上方的光学显微镜图像。在深反应离子蚀刻过程中,硅层厚度降低,最终在650次循环之后完成了硅刻蚀。

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图2 DRIE和褶皱工艺技术的进展

(a)褶皱的示意图

(b)贴DRIE过程的光学图像和揭掉胶的过程

(c)在DRIE之后,IBC上部的光学显微图像

(d)用于表面粗糙度分析的光学轮廓仪

(e)DRIE对于暴露区硅厚度的影响

(f)250次刻蚀循环后的SEM截面图

(g)450次刻蚀循环后的SEM截面图

(h)正反两种模式下IBC的SIMS谱图

接下来,研究人员表征了太阳电池器件的效率。优化的柔性太阳电池的J-V曲线如图3a所示。与刚性的IBC太阳电池相比,在一个太阳照射下,柔性器件的的开路电压为0.620V、短路电流为38.055 mA cm−2、填充因子为7.0139%、效率为17.017%、功率密度为17.00 mW cm−2。另一方面,如图3d所示,与刚性器件相比,柔性器件总的功率降低了13.7%,这是由于在凹槽区域活性太阳电池的损失。

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图3 与刚性器件相比,柔性器件的电子性能

(a)器件的J-V曲线

(b)功率密度随电压的变化曲线图

(c)电子特性比较

(d)器件的质量和总功率比较

研究人员同时还分析了叉合背接触的机械灵活性。如图4所示,即使最大的弯曲角度为180°,在交叉点处的最大应力低于8%。随着弯曲半径的减小,柔性太阳电池的短路电流会下降,这是由于弯曲电池的投影面积发生了变化。图4d是柔性电池投影面积计算的示意图。图4e和f分别为不同弯曲状态下的太阳电池的光学图像相应的投影面积。图4g表明具有优异弯曲性能的柔性电池的电子性能。柔性器件被弯曲100、250、500、750和1000圈用来研究在持续的循环弯曲下,柔性电池的持久性。图4h表明了3D打印的测试仪器的光学图像。光照和弯曲循环下,柔性电池的电子特征如图4i所示,结果表明在输出的特征中,柔性电池的性能没有发生任何的降低。

Adv. Energy Mater.:波纹结构用于超柔性的晶圆级高效硅太阳电池

图4 极好的器件机械灵活性

(a)IBC最大和最小的应力随弯曲度的变化

(b)0°的应力压缩

(c)180°的应力压缩

(d)投影区域关键部分的示意图

(e)柔性电池的光学照片

(f)投影区域随弯曲半径的变化

(g)与平的器件相比,弯曲器件的电子特性

(h)3D打印的循环弯曲装置的光学图像

(i)随循环次数变化的电子特性

将五块柔性电池串联用于研究在室内光照波纹电池的无缝集成化。如图5a所示,在两个普通灯的照射下,五块电池的输出电压为3-2.9V。图5b表明,本研究的柔性电池可以是LED灯发光。将柔性电池安装在玻璃杯上用于提供能量(图5c)。接着,作者连接了一个纸基湿度传感器。这个传感器放在植物的叶子上,然后通过通过吹空气令其感受到湿度条件。图5d是全电路的示意图。在环境湿度的基础上,湿度传感器的电容会发生变化(图5e)。

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图5 褶皱的硅太阳电池的集成化。

(a)输出电压的光学图像

(b)图标KAUST的显示

(c)安装在玻璃杯上的柔性太阳电池

(d)器件的电路图

(e)湿度传感器显示

(f)在柔性板上的红色LED

【 小结 】

总之,通过不互补金属氧化物半导体兼容技术,研究者制备了一个5英寸的超柔的高性能单晶硅太阳能电池。柔性太阳电池的效率为17.2%。波纹方法包含活性太阳电池序列和序列的凹槽。活性太阳能电池是通过IBC丝网印刷铝来连接的,而铝作为太阳能电池段的载体起着关键作用。丝网印刷金属在不破裂的情况下能承受高应变超过20%。此外,通过0.86nm的槽宽度,可以达到低于140µm弯曲半径的背接触。因此,在考虑计算了投影面积后,对于凸形和凹形的弯曲,柔性太阳电池表现出一致的电子性能。本文中制备的波纹型柔性太阳能电池可以拓宽其在非传统领域的应用范围。

【 文献链接 】

Corrugation Architecture Enabled Ultraflexible Wafer-Scale High-Efficiency Monocrystalline Silicon Solar Cell (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702221)

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨云卷云舒

主编丨张哲旭

本文由清新电源原创,作者清新能源媒体信息中心云卷云舒供稿,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/4110.html

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