Células solares flexíveis baseadas em pastilhas de silício dobráveis ​​com bordas embotadas

Nature volume 617, páginas 717–723 (2023)Cite este artigo

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As células solares flexíveis têm muito potencial de mercado para aplicação em energia fotovoltaica integrada em edifícios e em eletrônicos vestíveis porque são leves, à prova de choque e autoalimentadas. Células solares de silício têm sido utilizadas com sucesso em grandes usinas de energia. No entanto, apesar dos esforços envidados durante mais de 50 anos, não houve nenhum progresso notável no desenvolvimento de células solares de silício flexíveis devido à sua rigidez1,2,3,4. Aqui, fornecemos uma estratégia para a fabricação de wafers de silício dobráveis ​​em grande escala e para a fabricação de células solares flexíveis. Um wafer de silício cristalino texturizado sempre começa a rachar nos canais agudos entre as pirâmides superficiais na região marginal do wafer. Este fato nos permitiu melhorar a flexibilidade das pastilhas de silício, embotando a estrutura piramidal nas regiões marginais. Esta técnica de embotamento de bordas permite a produção comercial de células solares de silício em grande escala (>240 cm2) e de alta eficiência (>24%) que podem ser enroladas de forma semelhante a uma folha de papel. As células retêm 100% de sua eficiência de conversão de energia após 1.000 ciclos de dobra lateral. Após serem montadas em módulos flexíveis grandes (>10.000 cm2), essas células retêm 99,62% de sua energia após ciclos térmicos entre -70 °C e 85 °C por 120 h. Além disso, eles retêm 96,03% de sua potência após 20 minutos de exposição ao fluxo de ar quando presos a um saco de gás macio, que modela o vento soprando durante uma tempestade violenta.

O silício é o elemento semicondutor mais abundante na crosta terrestre; é transformado em wafers para fabricar aproximadamente 95% das células solares do mercado fotovoltaico atual5. No entanto, estas células são frágeis e quebram sob tensão de flexão, o que limita a sua utilização em larga escala para aplicações flexíveis. Actualmente, as células solares de película fina feitas de silício amorfo, Cu(In,Ga)Se2, CdTe, produtos orgânicos e perovskitas apresentam flexibilidade6,7,8,9 mas a sua utilização é limitada devido à sua baixa eficiência de conversão de energia (PCE), liberação de materiais tóxicos no meio ambiente, desempenho inferior no caso de grandes áreas e condições operacionais instáveis. Portanto, muitas células solares flexíveis disponíveis não atraíram clientes e a maioria das empresas que as fabricavam faliram. Neste estudo, propomos um método de engenharia morfológica para fabricar wafers dobráveis ​​​​de silício cristalino (c-Si) para produção comercial em larga escala de células solares com notável eficiência.

Nosso primeiro objetivo era fabricar wafers c-Si dobráveis ​​com forte capacidade de captação de luz. A redução da espessura de um wafer pode melhorar sua flexibilidade, mas há um compromisso entre espessura e eficiência de coleta de luz porque c-Si é um semicondutor com bandgap óptico indireto. Usando a remoção de danos por serra, reduzimos a espessura de um wafer de 160 μm para 60 μm. Embora o wafer tenha começado a apresentar flexibilidade semelhante à de uma folha de papel (Figura 1 suplementar), ele não era adequado para a fabricação de células solares porque mais de 30% da luz solar incidente era refletida por sua superfície brilhante . A texturização química de pirâmides em microescala em superfícies de c-Si tem sido amplamente utilizada como uma estratégia eficiente para reduzir a refletividade para menos de 10% devido ao aprisionamento de luz lambertiano . No entanto, quando forças de flexão foram aplicadas a tais wafers texturizados, a tensão máxima foi localizada nos canais agudos entre as pirâmides, como observado na simulação com o módulo de mecânica dos sólidos no COMSOL Multiphysics (Extended Data Fig. 1a). Este resultado foi consistente com uma imagem in situ obtida por microscopia eletrônica de transmissão (TEM), na qual a tensão de flexão se acumulou nos canais entre as pirâmides sob uma carga de flexão típica exercida por um micromanipulador (Extended Data Fig. 2). Outras simulações revelaram que um ligeiro aumento no raio do canal (Rp) de 0 μm para 2,3 μm levou a uma rápida redução na tensão máxima de 0,25 MPa para 0,016 MPa (Extended Data Fig. 1b). Mas este tratamento de embotamento aumentou a refletividade para mais de 30% (Figura 2 suplementar), o que foi desfavorável para a captação de luz. Isto foi confirmado por simulações ópticas dos dispositivos, nas quais as bolachas embotadas apresentaram anti-reflexão e aprisionamento de luz inferiores (Figura 3 suplementar).