가장자리가 무딘 접이식 실리콘 웨이퍼를 기반으로 한 유연한 태양전지

Nature 617권, 717~723페이지(2023)이 기사 인용

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유연한 태양전지는 가볍고 충격에 강하며 자체 전력을 공급받을 수 있기 때문에 건물 및 웨어러블 전자 장치에 통합된 광전지에 적용할 수 있는 시장 잠재력이 많습니다. 실리콘 태양전지는 대규모 발전소에서 성공적으로 사용되었습니다. 그러나 50년이 넘는 노력에도 불구하고 유연성 있는 실리콘 태양전지의 개발은 그 강성으로 인해 눈에 띄는 진전이 없었습니다1,2,3,4. 여기에서는 대규모 접이식 실리콘 웨이퍼 제조 및 유연한 태양전지 제조 전략을 제공합니다. 질감이 있는 결정질 실리콘 웨이퍼는 항상 웨이퍼 가장자리 영역의 표면 피라미드 사이의 날카로운 채널에서 균열이 시작됩니다. 이 사실을 통해 우리는 가장자리 영역의 피라미드 구조를 무디게 함으로써 실리콘 웨이퍼의 유연성을 향상시킬 수 있었습니다. 이 엣지 블런트 기술은 종이처럼 말릴 수 있는 대규모(>240cm2), 고효율(>24%) 실리콘 태양전지의 상업적 생산을 가능하게 합니다. 셀은 1,000번의 좌우 굽힘 주기 후에도 전력 변환 효율의 100%를 유지합니다. 대형(>10,000cm2) 유연한 모듈로 조립된 후 이 셀은 120시간 동안 -70°C ~ 85°C 사이의 열 순환 후에도 99.62%의 전력을 유지합니다. 또한, 격렬한 폭풍 중에 부는 바람을 모델로 한 부드러운 가스주머니에 부착하면 공기 흐름에 20분 동안 노출된 후에도 96.03%의 전력을 유지합니다.

실리콘은 지각에서 가장 풍부한 반도체 원소입니다. 이는 현재 광전지 시장에서 태양전지의 약 95%를 제조하기 위해 웨이퍼로 만들어집니다5. 그러나 이러한 셀은 굽힘 응력 하에서 부서지기 쉽고 균열이 발생하므로 유연한 응용 분야에 대한 대규모 사용이 제한됩니다. 현재 비정질 실리콘, Cu(In,Ga)Se2, CdTe, 유기물 및 페로브스카이트로 만든 박막 태양전지는 유연성을 나타내지만6,7,8,9 낮은 전력 변환 효율(PCE)로 인해 사용이 제한됩니다. 독성 물질이 환경으로 방출되고, 넓은 면적의 경우 성능이 저하되며, 작동 조건이 불안정합니다. 따라서 사용 가능한 많은 유연한 태양전지는 고객을 유치하지 못했으며 이를 제조한 대부분의 회사는 폐업했습니다. 본 연구에서는 놀라운 효율로 태양전지의 대규모 상업 생산을 위한 폴더블 결정질 실리콘(c-Si) 웨이퍼를 제조하기 위한 형태 공학 방법을 제안합니다.

우리의 첫 번째 목표는 강력한 광수집 능력을 갖춘 폴더블 c-Si 웨이퍼를 제작하는 것이었습니다. 웨이퍼의 두께를 줄이면 유연성이 향상될 수 있지만10 c-Si는 간접적인 광학 밴드갭을 갖는 반도체이기 때문에 두께와 광수확 효율성 사이에는 상충 관계가 있습니다. 톱니 손상 제거11를 사용하여 160μm 웨이퍼의 두께를 60μm로 줄였습니다. 웨이퍼는 종이와 유사한 유연성을 나타내기 시작했지만(보조 그림 1) 입사광의 30% 이상이 광택 표면에 반사되기 때문에 태양전지 제조에는 적합하지 않았습니다. c-Si 표면의 화학적으로 텍스처링된 마이크로 스케일 피라미드는 Lambertian light Trapping13으로 인해 반사율을 10% 미만으로 줄이기 위한 효율적인 전략으로 널리 사용되었습니다. 그러나 그러한 질감이 있는 웨이퍼에 굽힘력이 가해졌을 때, COMSOL Multiphysics의 고체 역학 모듈을 사용한 시뮬레이션에서 관찰된 것처럼 최대 응력은 피라미드 사이의 날카로운 채널에 위치했습니다(확장 데이터 그림 1a). 이 결과는 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 얻은 현장 이미지와 일치합니다. 여기서 굽힘 응력은 마이크로 조작기에 의해 가해지는 일반적인 굽힘 하중 하에서 피라미드 사이의 채널에 축적됩니다(확장 데이터 그림 2). 추가 시뮬레이션에서는 채널 반경(Rp)이 0μm에서 2.3μm로 약간 증가하면 최대 응력이 0.25MPa에서 0.016MPa로 급격히 감소하는 것으로 나타났습니다(확장 데이터 그림 1b). 그러나 이 무딘 처리는 반사율을 30% 이상으로 증가시켰으며(보충 그림 2), 이는 빛 수확에 불리했습니다. 이는 무딘 웨이퍼가 열등한 반사 방지 및 광 트래핑을 나타내는 장치의 광학 시뮬레이션을 통해 확인되었습니다 (보조 그림 3).

10,000 cm2) flexible SHJ solar module was attached to a soft gasbag. The pressure inside the gasbag was 94.7−830 Pa greater than the atmospheric pressure. Air was blown on the module by a fan to model a violent storm of 30 m s−1 for 20 min. c,d, The power of the module (c) and electroluminescence images (d) before and after continuous air impact for 20 min to model a violent storm. e, The relative power of five flexible SHJ modules before and after thermal cycling between −70 °C and 85 °C for 120 h. In each cycle, the modules were maintained at −70 °C for 1 h and then at 85 °C for 1 h./p>

10,000 cm2) module, which was attached to a large soft gasbag inflated with air to support this flexible module. The pressure inside the gasbag was 94.7−830 Pa higher than the atmospheric pressure. A powerful fan was used to blow air on the module at a wind speed of 30 m s−1 to model a violent storm (Beaufort number 11: 28.5−32.6 m s−1). The power and electroluminescence images of this module before and after continuous impact by this air flow for 20 min were obtained./p>