近日，上海交通大学物理与天文学院沈文忠教授课题组在国际知名期刊Nature Communications上发表了题为“Free-standing ultrathin silicon wafers and solar cells through edges reinforcement” (DOI：10.1038/s41467-024-48290-5)的关于超薄硅片及太阳电池的最新研究成果。
目前，120-160微米常规厚度的刚性晶硅太阳电池在光伏市场占据超过95%的市场份额，可惜的是，具有广阔应用前景的轻质柔性超薄晶硅太阳电池还处于研发阶段。这主要是由于晶体硅的力学脆性，随着硅片厚度的减小，电池加工过程中的碎片率急剧上升，导致极低的生产良率。2016年，法国CEA-INES报道称，在他们的硅异质结中试生产线上（使用156×156 mm2伪方形硅片），碎片率从100微米厚度时的约10%急剧上升到70微米厚度时的~96%。然而碎片率过高的问题至今也未有较好的解决方案。
基于此，沈文忠教授团队与中山大学材料学院高平奇教授合作提出了一种带增强环的薄晶体硅(TSRR)结构，它只需利用光伏产业界里的常规设备经过额外3个步骤即可实现量产，可在整个太阳电池制备流程为硅片提供支撑以降低碎片率。基于TSRR结构，研究团队成功制备出4英寸4.7微米的可自站立的晶圆片，这是迄今为止报道的厚度小于5微米的最大面积可自站立单晶硅片。
图1. 带增强环薄硅(TSRR)结构的制备流程及4英寸4.7微米 TSRR硅片透光性能及弯曲性能展示。
论文详细研究了TSRR和常规薄硅结构在三种碎片率很高的工艺流程时的力学性能，模拟结果表明，受外力时TSRR结构的增强环可分担较大的应力，使最大应力点从硅片中心往增强环边缘移动，从而使TSRR结构的中心薄硅区域承受的力远小于常规结构；研究团队同时制备了具有TSRR结构的太阳电池，实现了28微米厚的光电转化效率为20.33%（第三方认证效率为20.05%）的晶硅太阳电池，这是厚度小于35微米的晶硅太阳电池的最高效率报道记录。
图2. TSRR结构太阳电池的制备流程及其厚度、电流—电压曲线、反射率和量子效率表征。
为进一步了解TSRR结构太阳电池的载流子输运机制，研究团队探究了TSRR结构太阳电池在光照时的载流子输运方向，以及中央薄硅区域的厚度和增强环的宽度对太阳电池的短路电流、开路电压和填充因子的具体影响，结果表明，要保持高效率，增强环宽度占比最好小于10%。最后，基于工业界常用的原始厚度为150微米的182×182mm2伪方形硅片，研究团队制备了多片50-60微米的制绒TSRR硅片(增强环宽度占比为 8.2%)，并进行了丝网印刷、高温和湿法等多个制造工艺，证实了TSRR结构的工业兼容性，这为量产薄硅太阳电池提供了一种可行方案。
图3. TSRR结构工业兼容性验证。
上海交通大学物理与天文学院博士生伍桃腱和中山大学材料学院博士后刘昭浪为论文共同第一作者。沈文忠教授、中山大学高平奇教授和林豪博士为论文通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、内蒙古自治区“揭榜桂帅”科技项目、深圳市基础研究计划和广东省基础与应用基础研究基金会的资助。
论文链接:10.1038/s41467-024-48290-5
