エッジが鈍くなった折り畳み可能なシリコンウェーハをベースにしたフレキシブル太陽電池

Nature volume 617、pages 717–723 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

フレキシブル太陽電池は、軽量で耐衝撃性があり、自己給電型であるため、建物やウェアラブル電子機器に組み込まれた太陽光発電に応用できる市場の可能性が大いにあります。 シリコン太陽電池は大規模な発電所での使用に成功しています。 しかし、50 年以上の努力にもかかわらず、その剛性のため、フレキシブルシリコン太陽電池の開発は目立った進歩がありませんでした1、2、3、4。 ここでは、大規模な折り畳み可能なシリコンウェーハを製造し、フレキシブルな太陽電池を製造するための戦略を提供します。 テクスチャード加工された結晶シリコンウェーハは、ウェーハの周縁領域にある表面ピラミッド間の鋭い溝で常に亀裂が入り始めます。 この事実により、周辺領域のピラミッド構造を鈍くすることでシリコンウェーハの柔軟性を向上させることができました。 このエッジ鈍化技術により、紙と同じように巻くことができる大規模 (>240 cm2)、高効率 (>24%) のシリコン太陽電池の商業生産が可能になります。 セルは、1,000 回の左右の曲げサイクル後も電力変換効率を 100% 維持します。 これらのセルは、大型 (>10,000 cm2) フレキシブル モジュールに組み立てられた後、-70 °C ～ 85 °C の間で 120 時間の熱サイクルを行った後でも電力の 99.62% を保持します。 さらに、激しい嵐の際に吹く風をモデルにした柔らかいガスバッグに取り付けた場合、空気流に 20 分間さらされた後も出力の 96.03% を維持します。

シリコンは地球の地殻に最も豊富に存在する半導体元素です。 現在の太陽光発電市場の太陽電池の約 95% を製造するためにウェーハに加工されます5。 ただし、これらのセルは脆く、曲げ応力を受けると亀裂が入るため、柔軟な用途での大規模な使用が制限されます。 現在、アモルファスシリコン、Cu(In,Ga)Se2、CdTe、有機物、ペロブスカイトから作られた薄膜太陽電池は柔軟性を示します6,7,8,9が、電力変換効率(PCE)が低いため、その用途は限られています。環境への有毒物質の放出、広いエリアや不安定な動作条件の場合のパフォーマンスの低下。 そのため、入手可能なフレキシブル太陽電池の多くは顧客を惹きつけることができず、それらを製造していたほとんどの企業が廃業してしまいました。 この研究では、太陽電池の大規模商業生産用に折り畳み可能な結晶シリコン（c-Si）ウェーハを顕著な効率で製造するための形態工学手法を提案します。

私たちの最初の目標は、強力な集光能力を持つ折り畳み可能な c-Si ウェーハを製造することでした。 ウェーハの厚さを薄くすると柔軟性が向上します10が、c-Siは間接光学バンドギャップを持つ半導体であるため、厚さと集光効率の間にはトレードオフの関係があります。 ソーダメージ除去 11 を使用することにより、160 μm のウェーハの厚さを 60 μm まで薄くしました。 ウェハは紙と同様の柔軟性を示し始めましたが（補足図1）、入射太陽光の30％以上がその光沢のある表面で反射されたため、太陽電池の製造には適していませんでした12。 c-Si 表面にマイクロスケールのピラミッドを化学的にテクスチャリングすることは、ランバート光トラップにより反射率を 10% 未満に低減する効率的な戦略として広く使用されています 13。 しかし、このようなテクスチャー加工を施したウェーハに曲げ力を加えると、COMSOL Multiphysics の固体力学モジュールを使用したシミュレーションで観察されたように、最大​​応力はピラミッド間の鋭いチャネルに位置しました (拡張データ図 1a)。 この結果は、透過型電子顕微鏡（TEM）を使用して得られたその場画像と一致しており、マイクロマニピュレーターによって加えられる典型的な曲げ荷重下で、ピラミッド間のチャネルに曲げ応力が蓄積しました（拡張データ図2）。 さらなるシミュレーションにより、チャネル半径（Rp）が0μmから2.3μmにわずかに増加すると、最大応力が0.25MPaから0.016MPaに急速に減少することが明らかになりました（拡張データ図1b）。 しかし、この鈍化処理により反射率が 30% 以上に増加しました (補足図 2)。これは集光には不利でした。 これはデバイスの光学シミュレーションによって確認され、鈍くなったウェーハは反射防止と光トラップが劣っていました（補足図3）。