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

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

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As células solares flexíveis têm muito potencial de mercado para aplicação em sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios e eletrônicos vestíveis porque são leves, à prova de choque e autoalimentados. Células solares de silício têm sido usadas com sucesso em grandes usinas de energia. No entanto, apesar dos esforços feitos por mais de 50 anos, não houve progresso notável no desenvolvimento de células solares de silício flexíveis devido à sua rigidez1,2,3,4. Aqui, fornecemos uma estratégia para fabricar wafers de silício dobráveis ​​em grande escala e fabricar células solares flexíveis. Um wafer de silício cristalino texturizado sempre começa a rachar nos canais pontiagudos entre as pirâmides de superfície na região marginal do wafer. Este fato nos permitiu melhorar a flexibilidade dos wafers de silício ao embotar a estrutura piramidal nas regiões marginais. Essa técnica de embotamento de borda permite a produção comercial de células solares de silício em larga escala (>240 cm2) e alta eficiência (>24%) que podem ser enroladas de maneira 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 grandes módulos flexíveis (>10.000 cm2), essas células retêm 99,62% de sua energia após ciclagem térmica entre -70 °C e 85 °C por 120 h. Além disso, eles retêm 96,03% de sua potência após 20 min de exposição ao fluxo de ar quando acoplados a um soft gasbag, que modela o vento soprando durante uma tempestade violenta.

O silício é o elemento semicondutor mais abundante na crosta terrestre; é transformada em wafers para fabricar aproximadamente 95% das células solares do atual mercado fotovoltaico5. No entanto, essas células são frágeis e racham sob tensão de flexão, o que limita seu uso em larga escala para aplicações flexíveis. Atualmente, células solares de película fina feitas de silício amorfo, Cu(In,Ga)Se2, CdTe, orgânicos e perovskitas exibem flexibilidade6,7,8,9, mas seu uso é limitado 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 fabricaram faliram. Neste estudo, propomos um método de engenharia morfológica para fabricar pastilhas de silício cristalino (c-Si) dobráveis ​​para produção comercial em larga escala de células solares com eficiência notável.

Nosso primeiro objetivo era fabricar bolachas c-Si dobráveis ​​com uma forte capacidade de captação de luz. Reduzir a espessura de um wafer pode melhorar sua flexibilidade10, mas há uma compensação entre espessura e eficiência de captação de luz porque o c-Si é um semicondutor com um bandgap óptico indireto. Usando a remoção de dano de serra11, 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 (Suplementar Fig. 1), ele não era adequado para a fabricação de células solares porque mais de 30% da luz solar incidente era refletida por sua superfície brilhante12. Pirâmides de microescala quimicamente texturizadas em superfícies de c-Si têm sido amplamente utilizadas como uma estratégia eficiente para reduzir a refletividade para menos de 10% devido ao aprisionamento de luz lambertiano13. No entanto, quando as forças de flexão foram aplicadas a esses wafers texturizados, a tensão máxima foi localizada nos canais pontiagudos entre as pirâmides, conforme observado na simulação com o módulo de mecânica sólida no COMSOL Multiphysics (Dados Estendidos Fig. 1a). Este resultado foi consistente com uma imagem in situ obtida usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM), na qual a tensão de flexão acumulada nos canais entre as pirâmides sob uma carga típica de flexão exercida por um micromanipulador (Dados Estendidos Fig. 2). Simulações posteriores 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 (Dados Estendidos Fig. 1b). Mas esse tratamento de embotamento aumentou a refletividade para mais de 30% (Fig. 2 complementar), o que foi desfavorável para a captação de luz. Isso foi confirmado por simulações ópticas dos dispositivos, nas quais os wafers embotados mostraram antirreflexo e retenção de luz inferiores (Fig. 3 complementar).