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2018年11月12日
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《纳米能源》报道pt老虎机游戏电子学院王军转副教授、余林蔚教授三维构架超柔性径向结太阳能电池新进展

追求柔性、轻便和高“功率-重量比”(power-to-weight ratio)是推广可穿戴和便携式太阳能光伏应用的主要发展趋势。pt老虎机游戏电子学院王军转副教授和余林蔚教授近期探索利用三维构架(3D)的径向结非晶硅薄膜光电结构(amorphous silicon radial p-i-n junctions),在超薄、超轻和超柔性的商业铝箔衬底(仅15微米厚)上直接制备了具有超“高功率-重量”比的柔性薄膜太阳能电池。以往在金属薄膜衬底上制备太阳能电池,需要采用复合阻挡层来隔绝衬底杂志扩散,且要求衬底表面必须质地坚硬和力学稳定,这也限制了电池的可弯曲特性并带来额外的重量。铝箔是目前最为廉价的柔性薄膜衬底,导电性好,反射率高,是柔性光伏的理想衬底材料。然而,相比于其它金属薄膜衬底(如钢材等),铝箔表面柔软得多,在其上淀积薄膜电池层非常容易导致薄膜破碎而失效,故而长期以来无法得到直接应用。

此项研究工作利用低熔点金属(锡Sn)催化的低温“气-液-固”(vapor-liquid-solid, VLS)生长技术,首先在柔软的铝箔表面生长“竖直站立的”硅纳米线阵列,作为三维(3D)框架。然后,在纳米线上利用PECVD淀积制备非晶硅径向结电池结构(如下图所示)。如此,在利用3D构架获得高效陷光效应的同时,也将有效光电转化结构与高应力、不稳定的铝箔表面实现有效分离和“应力隔绝”。从而确保径向结区在电池衬底高弯曲情况下不受破化,并保证持续稳定的光电转换输出。同时,由于分立纳米线在软铝箔表面所形成稳固锚(anchor)接触,对表面淀积的薄膜起到了关键的稳定作用,避免了薄膜在受力时发生剥离和破裂,解决了在如何在力学特性不稳定的“软”铝箔基底上,构建高品质、稳定光电转换结构的关键技术问题。基于此新型3D径向结光电构架,本工作首次直接在超薄商业铝箔衬底之上,成功制备超柔性非晶硅薄膜电池( 5.6%, Voc=0.71V,Jsc=14.2 mA/cm2),可弯曲至曲率半径小于<5 mm,以及优异的功率质量比特性PTW=1300 W/kg(是目前薄膜电池的4~10倍)。更为重要的是,由于在导电性很好的铝箔衬底上直接完成电池结构的制备,可省去对底层光伏玻璃衬底、TCO薄膜和银反射层的需求,从而砍掉薄膜电池近一半的制备成本,为进一步降低光伏应用成本,提升柔性电池功率/重量比,推广新型高效柔性、可穿戴电子器件应用指示一种全新的技术路线。

图1 在超薄商用铝箔衬底上的直接制备超柔性低成本3D径向结太阳能电池

此工作近期发表在 《纳米能源》 上,Nano Energy https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518306001?via%3Dihub。 工作第一作者为孙肖林同学,王军转副教授和余林蔚教授为论文的共同通讯作者,相关工作得到了电子科学与工程学院的徐骏教授、徐岭教授和施毅教授,以及巴黎综合理工LPICM实验室Pere Roca i Cabarrocas教授的支持。致谢青年千人计划,国家自然科学基金,江苏省杰出青年基金和双创人才个人与团队计划基金资助!

(电子科学与工程学院 科学技术处)

论文链接:

Firmly standing three-dimensional radial junctions on soft aluminum foils enable extremely low cost flexible thin film solar cells with very high power-to-weight performance
Xiaolin Sun, Ting Zhang, Junzhuan Wang*, Fan Yang, Ling Xu, Jun Xu, Yi Shi, Kunji Chen, PereRoca i Cabarrocas, Linwei Yu*
Nano Energy In press, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.08.038 (2018)