來源 | 南京大學

追求柔性、輕便和高“功率-重量比”(power-to-weight ratio)是推廣可穿戴和便攜式太陽能光伏應用的主要發展趨勢。南京大學電子學院王軍轉副教授和餘林蔚教授近期探索利用三維構架（3D）的徑向結非晶硅薄膜光電結構（amorphous silicon radial p-i-n junctions），在超薄、超輕和超柔性的商業鋁箔襯底（僅15微米厚）上直接製備了具有超“高功率-重量”比的柔性薄膜太陽能電池。以往在金屬薄膜襯底上製備太陽能電池，需要採用複合阻擋層來隔絕襯底雜誌擴散，且要求襯底表面必須質地堅硬和力學穩定，這也限制了電池的可彎曲特性並帶來額外的重量。鋁箔是目前最爲廉價的柔性薄膜襯底，導電性好，反射率高，是柔性光伏的理想襯底材料。然而，相比於其它金屬薄膜襯底（如鋼材等），鋁箔表面柔軟得多，在其上澱積薄膜電池層非常容易導致薄膜破碎而失效，故而長期以來無法得到直接應用。

此項研究工作利用低熔點金屬（錫Sn）催化的低溫“氣-液-固”(vapor-liquid-solid, VLS)生長技術，首先在柔軟的鋁箔表面生長“豎直站立的”硅納米線陣列，作爲三維（3D）框架。然後，在納米線上利用PECVD澱積製備非晶硅徑向結電池結構（如下圖所示）。如此，在利用3D構架獲得高效陷光效應的同時，也將有效光電轉化結構與高應力、不穩定的鋁箔表面實現有效分離和“應力隔絕”。從而確保徑向結區在電池襯底高彎曲情況下不受破化，並保證持續穩定的光電轉換輸出。同時，由於分立納米線在軟鋁箔表面所形成穩固錨（anchor）接觸，對錶面澱積的薄膜起到了關鍵的穩定作用，避免了薄膜在受力時發生剝離和破裂，解決了在如何在力學特性不穩定的“軟”鋁箔基底上，構建高品質、穩定光電轉換結構的關鍵技術問題。基於此新型3D徑向結光電構架，本工作首次直接在超薄商業鋁箔襯底之上，成功製備超柔性非晶硅薄膜電池( 5.6%， Voc=0.71V，Jsc=14.2 mA/cm2)，可彎曲至曲率半徑小於＜5 mm，以及優異的功率質量比特性PTW=1300 W/kg（是目前薄膜電池的4~10倍）。更爲重要的是，由於在導電性很好的鋁箔襯底上直接完成電池結構的製備，可省去對底層光伏玻璃襯底、TCO薄膜和銀反射層的需求，從而砍掉薄膜電池近一半的製備成本，爲進一步降低光伏應用成本，提升柔性電池功率/重量比，推廣新型高效柔性、可穿戴電子器件應用指示一種全新的技術路線。

圖1 在超薄商用鋁箔襯底上的直接製備超柔性低成本3D徑向結太陽能電池