Гибкие солнечные элементы на основе складных кремниевых пластин с затупленными краями

Nature, том 617, страницы 717–723 (2023 г.) Процитировать эту статью

24 тыс. доступов

152 Альтметрика

Подробности о метриках

Гибкие солнечные элементы имеют большой рыночный потенциал для применения в фотоэлектрических элементах, встроенных в здания, и в носимой электронике, поскольку они легкие, ударопрочные и имеют автономное питание. Кремниевые солнечные элементы успешно используются на крупных электростанциях. Однако, несмотря на усилия, предпринимавшиеся на протяжении более 50 лет, заметного прогресса в разработке гибких кремниевых солнечных элементов не произошло из-за их жесткости1,2,3,4. Здесь мы предлагаем стратегию изготовления крупномасштабных складных кремниевых пластин и производства гибких солнечных элементов. Текстурированная пластина кристаллического кремния всегда начинает трескаться в острых каналах между поверхностными пирамидами в краевой области пластины. Этот факт позволил нам улучшить гибкость кремниевых пластин за счет притупления пирамидальной структуры в краевых областях. Этот метод затупления краев позволяет коммерческое производство крупномасштабных (>240 см2) и высокоэффективных (>24%) кремниевых солнечных элементов, которые можно свернуть так же, как лист бумаги. Ячейки сохраняют 100% эффективности преобразования энергии после 1000 циклов изгиба из стороны в сторону. После сборки в большие (>10 000 см2) гибкие модули эти элементы сохраняют 99,62% своей мощности после термоциклирования между -70 °C и 85 °C в течение 120 часов. Кроме того, они сохраняют 96,03% своей мощности после 20 минут воздействия потока воздуха, когда они прикреплены к мягкому газовому баллону, моделирующему дуновение ветра во время сильного шторма.

Кремний — самый распространенный полупроводниковый элемент в земной коре; из него изготавливают пластины для производства примерно 95% солнечных элементов на современном фотоэлектрическом рынке5. Однако эти элементы хрупкие и трескаются при изгибающем напряжении, что ограничивает их широкомасштабное использование для гибких приложений. В настоящее время тонкопленочные солнечные элементы, изготовленные из аморфного кремния, Cu(In,Ga)Se2, CdTe, органических веществ и перовскитов, обладают гибкостью6,7,8,9, но их использование ограничено из-за их низкой эффективности преобразования мощности (PCE), выброс токсичных материалов в окружающую среду, снижение производительности при больших площадях и нестабильных условиях эксплуатации. Таким образом, многие доступные гибкие солнечные элементы не привлекли клиентов, и большинство компаний, производивших их, обанкротились. В этом исследовании мы предлагаем метод морфологической инженерии для изготовления складных пластин кристаллического кремния (c-Si) для крупномасштабного коммерческого производства солнечных элементов с поразительной эффективностью.

Нашей первой целью было изготовление складных пластин c-Si с высокой светособирающей способностью. Уменьшение толщины пластины может улучшить ее гибкость10, но существует компромисс между толщиной и эффективностью сбора света, поскольку c-Si представляет собой полупроводник с непрямой оптической запрещенной зоной. Используя удаление повреждений от пилы11, мы уменьшили толщину пластины толщиной 160 мкм до 60 мкм. Хотя пластина начала проявлять гибкость, аналогичную гибкости листа бумаги (дополнительный рисунок 1), она не была пригодна для изготовления солнечных элементов, поскольку более 30% падающего солнечного света отражалось от ее глянцевой поверхности12. Химическое текстурирование микромасштабных пирамид на поверхностях c-Si широко использовалось в качестве эффективной стратегии снижения отражательной способности до уровня менее 10% благодаря ламбертовскому захвату света13. Однако при приложении к таким текстурированным пластинам изгибающих усилий максимальное напряжение располагалось в острых каналах между пирамидами, как это наблюдалось при моделировании с помощью модуля механики твердого тела в COMSOL Multiphysical (Расширенные данные, рис. 1а). Этот результат соответствовал изображению in situ, полученному с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), на котором напряжение изгиба накапливалось в каналах между пирамидами под типичной изгибающей нагрузкой, оказываемой микроманипулятором (расширенные данные, рис. 2). Дальнейшее моделирование показало, что небольшое увеличение радиуса канала (Rp) с 0 мкм до 2,3 мкм привело к быстрому снижению максимального напряжения с 0,25 МПа до 0,016 МПа (расширенные данные, рис. 1б). Но эта притупляющая обработка увеличила отражательную способность более чем до 30% (дополнительный рисунок 2), что было неблагоприятно для сбора света. Это было подтверждено оптическим моделированием устройств, в которых затупленные пластины показали худшее просветление и улавливание света (дополнительный рисунок 3).