Celle solari flessibili basate su wafer di silicio pieghevoli con bordi smussati

Natura volume 617, pagine 717–723 (2023) Citare questo articolo

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Le celle solari flessibili hanno un grande potenziale di mercato per l’applicazione nel fotovoltaico integrato negli edifici e nell’elettronica indossabile perché sono leggere, resistenti agli urti e autoalimentate. Le celle solari al silicio sono state utilizzate con successo in grandi centrali elettriche. Tuttavia, nonostante gli sforzi compiuti per oltre 50 anni, non si sono registrati progressi degni di nota nello sviluppo di celle solari in silicio flessibili a causa della loro rigidità1,2,3,4. Qui forniamo una strategia per fabbricare wafer di silicio pieghevoli su larga scala e produrre celle solari flessibili. Un wafer di silicio cristallino strutturato inizia sempre a rompersi in corrispondenza dei canali affilati tra le piramidi superficiali nella regione marginale del wafer. Questo fatto ci ha permesso di migliorare la flessibilità dei wafer di silicio smussando la struttura piramidale nelle regioni marginali. Questa tecnica di smussamento dei bordi consente la produzione commerciale di celle solari al silicio su larga scala (>240 cm2) e ad alta efficienza (>24%) che possono essere arrotolate in modo simile a un foglio di carta. Le celle mantengono il 100% della loro efficienza di conversione di potenza dopo 1.000 cicli di piegatura da lato a lato. Dopo essere state assemblate in moduli flessibili di grandi dimensioni (>10.000 cm2), queste celle conservano il 99,62% della loro potenza dopo un ciclo termico tra −70 °C e 85 °C per 120 ore. Inoltre, mantengono il 96,03% della loro potenza dopo 20 minuti di esposizione al flusso d'aria quando sono attaccati a un morbido sacchetto di gas, che simula il vento che soffia durante una violenta tempesta.

Il silicio è l'elemento semiconduttore più abbondante nella crosta terrestre; viene trasformato in wafer per produrre circa il 95% delle celle solari nell'attuale mercato fotovoltaico5. Tuttavia, queste celle sono fragili e si rompono sotto stress da flessione, il che ne limita l’uso su larga scala per applicazioni flessibili. Attualmente, le celle solari a film sottile realizzate in silicio amorfo, Cu(In,Ga)Se2, CdTe, sostanze organiche e perovskiti mostrano flessibilità6,7,8,9 ma il loro utilizzo è limitato a causa della loro bassa efficienza di conversione di potenza (PCE), rilascio di materiali tossici nell'ambiente, prestazioni inferiori in caso di superfici estese e condizioni operative instabili. Pertanto, molte celle solari flessibili disponibili non hanno attirato clienti e la maggior parte delle aziende che le producevano hanno cessato l'attività. In questo studio, proponiamo un metodo di ingegneria morfologica per fabbricare wafer pieghevoli di silicio cristallino (c-Si) per la produzione commerciale su larga scala di celle solari con notevole efficienza.

Il nostro primo obiettivo era fabbricare wafer c-Si pieghevoli con una forte capacità di raccolta della luce. Ridurre lo spessore di un wafer può migliorarne la flessibilità10, ma esiste un compromesso tra spessore ed efficienza di raccolta della luce perché c-Si è un semiconduttore con un bandgap ottico indiretto. Utilizzando la rimozione dei danni da sega11, abbiamo ridotto lo spessore di un wafer da 160 μm a 60 μm. Sebbene il wafer iniziasse a mostrare una flessibilità simile a quella di un foglio di carta (Figura 1 supplementare), non era adatto alla fabbricazione di celle solari perché oltre il 30% della luce solare incidente veniva riflessa dalla sua superficie lucida12. La strutturazione chimica delle piramidi su microscala su superfici c-Si è stata ampiamente utilizzata come strategia efficiente per ridurre la riflettività a meno del 10% a causa dell'intrappolamento della luce lambertiana13. Tuttavia, quando le forze di flessione venivano applicate a tali wafer strutturati, la sollecitazione massima era localizzata nei canali netti tra le piramidi, come osservato nella simulazione con il modulo di meccanica dei solidi in COMSOL Multifisica (Dati estesi, Fig. 1a). Questo risultato era coerente con un'immagine in situ ottenuta utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), in cui lo stress di flessione si accumulava nei canali tra le piramidi sotto un tipico carico di flessione esercitato da un micromanipolatore (Dati estesi Fig. 2). Ulteriori simulazioni hanno rivelato che un leggero aumento del raggio del canale (Rp) da 0 μm a 2,3 μm ha portato ad una rapida riduzione dello stress massimo da 0,25 MPa a 0,016 MPa (Dati estesi Fig. 1b). Ma questo trattamento smussato ha aumentato la riflettività a oltre il 30% (Figura 2 supplementare), il che era sfavorevole per la raccolta della luce. Ciò è stato confermato da simulazioni ottiche dei dispositivi, in cui i wafer smussati mostravano antiriflesso e intrappolamento della luce inferiori (Figura 3 supplementare).