四家单位强强联手，Nature！

▲第一作者：Wenzhu Liu、Yujing Liu、Ziqiang Yang、Changqing Xu通讯作者：Wenzhu Liu、Xiaochun Liu、Liping Zhang、Fanying Meng、Zengfeng Di、Zhengxin Liu通讯单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院大学、长沙理工大学、通威太阳能（成都）有限公司论文doi：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z

01
背景介绍

柔性太阳能电池因其轻质、防震、自供电等优点，在集成到建筑和可穿戴电子产品的光伏应用领域具有很大的市场潜力。硅太阳能电池已成功应用于大型发电厂。然而，尽管经过了50 多年的努力，由于柔性硅太阳能电池的刚性，其发展一直没有显著的进展。

02
本文亮点

1. 本工作提供了一种制备大规模可折叠硅片和制造柔性太阳能电池的策略。在晶圆的边缘区域，晶圆表面金字塔之间的尖锐通道总是开始出现裂纹。这一事实使得本工作可以通过钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅片的柔性。2. 这种边缘钝化技术使大规模(>240 cm²)、高效率(>24%)硅太阳能电池能够商业化生产，这种电池可以像一张纸一样卷起来。电池经过1000次侧弯循环后仍能保持100 %的功率转换效率。3. 组装成大型(>10000 cm²)柔性模块后，这些电池在-70°C和85°C之间热循环120 h后仍保留99.62%的功率。4. 此外，当附着在软气囊上时，它们在暴露于气流中20 min后仍保留96.03%的功率。

03
图文解析

▲图1. 可折叠晶片
要点：1、基于开裂特性，本工作考虑钝化边缘区域的尖锐通道而不是整个硅片来提高硅片的柔性(图1a)。图1b中的三点弯曲试验结果表明，15 s和30 s的边部钝化工艺使晶片开裂时刻的垂直位移分别从1.92 mm增加到3.20 mm和3.86 mm。2、与此结果一致，在10 vol% HF：90 vol% HNO3溶液中，将60 μm绒面晶片约2 mm宽的边缘区域钝化0、30和90 s后，开裂时刻的临界弯曲半径(Rb)从15.2±2 mm(本研究)或21.4±2 mm大幅降低至约4.0 mm，接近0.72 mm的理论极限(图1c)。3、正如预期的那样，本工作可以用Rb=4.0 mm (图1c)将圆片折叠在它的中心周围，并像一张柔性纸一样大力摇晃它。柔性的改善也得到了原子模拟的支持：未经处理的晶片在9.3%的加载应变下开始开裂，但即使锐利的通道被钝化到非常小的R_p 15.81 nm，这一数值也迅速增加到17.3%。
▲图2. 断裂面的GPA
要点：1、为了理解图1c所示的c-Si晶片的柔韧性，本工作通过施加弯曲力使两个晶片断裂，找出断裂面的形貌。图2a中未处理晶片的扫描电子显微镜(SEM)图像显示了平整的解理面，而图2b中钝化晶片的SEM图像显示了具有多个解理位点和高密度微裂纹的断裂面，这在断裂面的分步聚焦离子束(FIB)图像中也很明显。2、利用球差校正的TEM，本工作分析了断裂面下方的晶格应变。在新鲜断口表面沉积一层保护碳层后，本工作利用高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)获得了未处理(图2c)和钝化(图2d)晶片的原子分辨率图像。3、图2d中黄色虚线标记的粗糙断裂面表明钝化的晶片在开裂过程中经历了更多的弹性和塑性应变。由于晶格畸变引起的部分晶格应变可以保存在断裂面下方的几十个原子层中，因此本工作可以分析残余应变作为开裂模式的指示。4、图2e，f显示了未处理晶片断裂面下方区域的几何相位分析(GPAs) (图2c)。该晶片在x方向上表现出一般的拉伸应变，在y方向上表现出压应变，但在顶部表面的几个原子层内，在y方向上表现出明显的膨胀应变。这些特征属于典型的脆性断裂模式。相比之下，图2g，h显示钝化晶片的断裂表面在x和y方向上都有较大的晶格应变变化。5、这些发现证明，可以通过调节表面金字塔之间通道的锐度来操纵c-Si晶片的断裂行为，从而改变弯曲载荷下的应力状态和变形机制。因此，在本研究中，钝化处理极大地缓解了c-Si晶片的本征脆性，导致断裂机制从本征脆性解理断裂转变为带有台阶和裂纹的剪切带。 ▲图3. 太阳能电池(模块)性能
要点：1、接下来，本工作将可折叠的c-Si晶片制作成太阳能电池。图3a展示了制备的SHJ太阳能电池的结构；它们的边缘可以滚动到360°以上(图3b)。65 μm和55 μm器件的光伏性能如图3c所示。2、考虑到98 μm晶片的开路电压为750 mV，40 μm晶片的开路电压约为760 mV，本工作中的光电转换效率还需要通过更好的表面钝化来进一步提高。3、本工作组装了两个微型模块来比较它们的性能：一个封装140 μm SHJ单元的刚性模块和一个封装60 μm SHJ单元的柔性模块。后者附着在半径为5 cm的黑色圆柱体上。测量了它们的功率随光入射角的变化(图3d)。尽管柔性模块在正入射(90°)时表现出更低的功率，但其在0°~180°的综合发电量比刚性模块高17%。4、本研究展示的柔性SHJ模块可以解决在快速发展的建筑一体化光伏研究领域中遇到的承重问题，并使c-Si太阳能模块能够附着在具有平面或曲面的建筑墙壁上。 ▲图4. 太阳能电池(模块)稳定性
要点：1、最后，本工作研究了电池(模块)在极端条件下的运行稳定性。器件表现出约8 mm的小尺寸Rb。柔性电池(图4a)的J_sc、V_oc、FF和PCE在1000次侧弯循环后仍保持初始值的100%。在每个循环中，一个边缘折叠以接触相反的边缘；此弯曲维持10 s以上。2、垂直方向的弯曲循环结果与柔性钙钛矿太阳能电池的PCE在弯曲循环后从21%下降到17%有很大的不同。PCE的降低可能源于多晶钙钛矿薄膜中晶界处的结构破坏。3、图4B显示，连续空气冲击20 min后，相对功率损失仅为3.07% (图4c)，与电致发光图像(图4d)中可忽略的变化一致。这表明柔性模块能够在振动条件下稳健运行，振动周期和自由落体周期也验证了这一点。4、柔性SHJ模块的轻质特性使其适用于为临近空间飞行器充电，在20~75 km高度内温度可低至-70℃。为此，本工作将柔性模块在-70℃和85℃之间循环1 h。经过120 h的连续温度循环，平均相对功率损失仅为0.32% (图4e)，表明这些模块可以在寒冷的临近空间条件下或在南极或北极以及炎热的夏季沙漠中安全运行。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z
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